Цифровые рН-метры

Если истечение  раствора медного купороса в исследуемый  раствор (аквариум) нежелательно, то можно  сделать двухключевой электрод. Для  этого понадобится пипетка поменьше, чтобы она свободно входила в  первую емкость. В нее следует залить насыщенный раствор медного купороса и вставить медную проволоку. А наружную емкость заполнить раствором равно переносящего электролита, например – раствором хлорида калия.

Можно использовать более разбавленные растворы, чем при заполнении хлорсеребряного электрода. Для того чтобы раствор CuSO4 длительное время не менял свою концентрацию и оставался насыщенным, во внутреннюю полость желательно внести несколько кристаллов этой соли.

 

2.2 Обзор цифровых рН-метр.

pH-метр PH-662 

Промышленный  онлайн монитор-контролер водородного  показателя рН. Прибор прост в монтаже  и использовании, не требует дополнительного  оборудования.

 

 

pH метр PH-025T

Предназначен  для измерения температуры и  уровня pH- концентрации свободных ионов водорода      воде. Прибор оснащен выносным профессиональным электродом и специально разработан для высокоточного измерения pH воды. 

 

pH метр PHS-3D 

 

 

Предназначен  для высокоточного измерения pH жидкостей  в лабораторных условиях. Прибор способен измерять кислительно-восстановительный потенциал (ОВП),

но  для этого требуется специальный  электрод, который можно приобрести отдельно. Возможно использование ионоселективного электрода.

 

 

 

 

 

 

 

 

рН-метр PH-012 

 

Портативный высокоточный pH метр с электродом влажного хранения. Предназначен для высокоточного измерение pH в аквариумах, бассейнах, в системах подготовки воды, для измерения уровня

pH - концентрации свободных ионов  водорода в воде. Прибор оснащен выносным профессиональным электродом и специально разработан для высокоточного измерения pH воды.

 

pH метр PH-018

 

     Предназначен для мониторинга и контроля уровня pH - концентрации свободных ионов водорода в воде в промышленных установках.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сводная таблица рассмотренных омметров:

Омметр/параметр	PH-662	PH-025T	PHS-3D	PH-012	PH-018
Диапазон  измеряемого сопротивления, рН	0…14	0…14	0…14	0…14	0…14
Допускаемая абсолютная погрешность измерения, рН, не более	0.05	0.1	0.01	0.05	0.01
Масса без измерительных проводов, кг, не более	0,17	0,1	0,75	1,3	0,2

 

 

3 Разработка и расчет структурной схемы

На основании  представленного обзора и анализа  существующих технических решений  был выбран потенциометрический метод.

Один из вариантов  реализации структурной схемы рН-метра с потенциометрический методом представлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Структурная схема цифрового  рН-метра

Э – рН электрод;

ДТ – датчик температуры;

БУ – блок усилителей;     

          К -  коммутатор;             

         АЦП  - аналого-цифровой преобразователь;

МК  - микроконтроллер;

ЦОУ - цифровое отсчетное  устройство;

        БП – блок питания.

Уравнение преобразования выглядит следующим образом:

  - коэффициент передачи БУ;

- коэффициент передачи АЦП;

- коэффициент передачи МК;

- измеряемое значение рН.

 

Приведем уравнение  преобразования с учетом мультипликативных  погрешностей:

- приведенная погрешность датчика  рН.

- приведенная погрешность БУ;

- приведенная погрешность АЦП;

- приведенная погрешность МК.

 

Таким образом, суммарная погрешность рН-метра: 
                            .

Распределим основную приведенную погрешность, составляющую 0,7%, равномерно по блокам.

Погрешность данной схемы определяется погрешностью АЦП  (от квантования и нелинейности), погрешностью датчика и погрешностью  блока усилителя.

Проведем предварительный  расчёт параметров АЦП.

Погрешность АЦП  имеют две составляющие: погрешность  от квантования  и погрешность от нелинейности .  Примем, что эти две составляющие погрешности равны между собой и соответственно составляют по 0,125%.

Соответственно: %.

Количество разрядов АЦП определяется выражением:

,

где N – номинальное значение количества ступеней квантования, которое определяется максимальной погрешностью квантования:

, ;

.

Минимальное количество разрядов АЦП должно быть 10.

 

Рассчитаем ЦОУ

Минимальное количество цифр должно быть 3.

 

Рассчитаем  погрешность БУ.

  - коэффициент передачи БУ.

  - напряжение на входе БУ.

  - напряжение на выходе  БУ.

 

Исходя  из расчетов погрешность БУ и АЦП будут по 0,25%.

Соответственно  погрешность МК составит 0,1%.

От  сюда:

Основные параметры для каждого из блоков приведены в таблице 3.2.2.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.2.2:

Наименование  блока	Входная величина,	Выходная  величина,	Коэффициент передачи,	Погрешность
Д	0…14рН	0…1мВ	0,71	0.1%
БУ	0…1мВ	0…5В	5∙	0.25%
АЦП	0…5 В	код		0.25%
МК	код	код		0.1%

 

На  основании полученных результатов, представленных в таблице 3.2.2, произведем выбор основных  функциональных элементов.

По  результатам выполнения раздела  оформляется чертеж структурной  схемы.

 

4 Разработка функциональной схемы

На  основании спроектированной структурной схемы, разработана функциональная схема цифрового омметра, которая представлена на рис.4.1

Рисунок 4.1 – Функциональная схема цифрового омметра

 

4.1 Принцип функционирования

Структурная и  функциональная схема данного цифрового омметра основана на использовании микропроцессорной системы – микроконтроллера. Применение микроконтроллера в измерительной технике имеет весомые преимущества перед аналоговыми методами измерения и обработки данными:

- уменьшение  массы и габаритов устройств;

- уменьшение    энергопотребления   и   как   следствие    более продолжительная  работа без подзарядки батарей;

- модульность  измерительных устройств;

- возможность   создания   измерительных   систем   используя  стандартные интерфейсы;

- возможность   изменения   алгоритма   обработки   не   меняя  аппаратную часть,  только программными методами;

 

-  возможность реализации сложных  алгоритмов;

- программная  коррекция погрешностей.

Выбор микроконтроллера основывается на удовлетворении требованиям технического задания, в основном это заданная погрешность и функциональное обеспечение.

Данным  требованиям вполне подходит имеющийся  в наличии технической базы микроконтроллер  серии MC68НС12B32 фирмы Motorola. Выбор данного  типа микроконтроллера обусловлен следующими причинами:

- высокие  технические характеристики, которые  удовлетворяют требованиям к  микропроцессорной системе;

- наличие  программного обеспечения (симулятора  и компилятора), позволяющего моделировать  работу микроконтроллера МС68НС12B32.

МК  содержит на одном кристалле практически  все устройства, необходимые для  построения контроллера: процессорный блок, ПЗУ и ОЗУ, таймеры, два последовательных интерфейса, систему обработки внутренних и внешних прерываний, и производит обмен данными с внешними объектами посредством линий ввода/вывода.

Так как встроенный в микроконтроллер МС68НС12B32 10-разрядный АЦП не подходит для данной схемы, необходимо выбрать внешний АЦП, который будет иметь не менее 13 разрядов.

Исходя  из расчетов, приведенных в пункте 3.2, выберем АЦП AD7715. AD7715 является 16-разрядным аналого-цифровым преобразователем с последовательным цифровым интерфейсом. Это удобно для подключения его к МС68НС12B32 через последовательный интерфейс SPI. Всё управление работой AD7715 осуществляется через внутренние регистры АЦП. Данные из регистров записываются и считываются через последовательный интерфейс SPI. Последовательный интерфейс SPI в AD7715 состоит из 5 сигналов: CS – управляющий выбором микросхемы, DIN и DOUT – последовательные вход и выход данных, SCLK – сигнал, относительно которого происходит выдача, прием и смещение содержимого регистров, и сигнала DRDY, нулевое значение которого индицирует наличие несчитанного слова в выходном регистре.

Исходя  из вышеизложенного, будут описаны функциональные связи разрабатываемого цифрового омметра.

Исходя  из вышеизложенного, будут описаны  функциональные связи разрабатываемого цифрового рН-метра.

Первый  блок функциональной схемы – комбинированный  датчик, функциональное значение которого заключается в преобразовании измеренного уровня рН в изучаемой среде в напряжение, представленное разницей потенциалов, в диапазоне 0…1мВ.

С Д  подается напряжение поступает на БУ. С БУ сигнал поступает на АЦП, который  считывает входной измеряемый сигнал, производит операцию преобразования, после чего передает в микроконтроллер, где полученный результат сохраняется в ячейку памяти.

Теперь  необходимо произвести вывод полученной информации на цифровое отсчетное устройство в виде удобном для оператора. Для организации ввода-вывода общего назначения при работе с внешними аппаратными средствами задействованы 4 порта микроконтроллера: порт А и B для вывода информации, порты Р и Т для управления выводом, а также 3 семисегментных индикатора (необходимых для индикации значения измеряемого рН).

4.2 Алгоритм работы цифрового рН-метра

4.3 Временная диаграмма работы  цифрового рН-метра

Временная диаграмма работы цифрового рН-метра представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Временная диаграмма

 – начало процедуры измерения; 

 – включение питания;

– инициализация микроконтроллера и настройка его портов;

– инициализация АЦП;

– преобразование в АЦП;

– считывание данных в микроконтроллер, обработка результатов измерения;

– – преобразование обработанных данных в семисегментный код;

– индикация результатов измерения;

–  конец процедуры измерения.

 

Таким образом, общее время измерения  состоит из:

Тогда общее время измерения сопротивления  составляет:

 

5 Разработка принципиальной схемы

Схема электрическая принципиальная разрабатываемого цифрового омметра составлена на основе функциональной схемы. Принципиальная схема цифрового омметра приведена  в разделе графической документации «Цифровой рН. Схема электрическая принципиальная. ВВ8204.407251.201».

 

5.1 Расчет усилителя

В качестве нормирующего устройства операционный усилитель. Схема принципиальная усилителя представлена на рисунку 5.1

Рисунок 5.1 – Принципиальная схема усилителя

 

Собственное выходное сопротивление резистивного делителя напряжения не должно быть большим и должно составлять порядка 1 кОм, для предотвращения большой нагрузки предыдущих каскадов.

Формула для расчета коэффициент преобразования резистивного делителя напряжения: