No to fajnie - moge troszke poprzynudzać. Na początek zrobimy moduł pH, ale nie da się bez odrobiny teorii więc jedźmy.
Elektroda pHmetryczna, mówiąc w uproszczeniu to urządzenie które działa jak bateryjka czyli generuje napięcie. Napięcie to jest proporcjonalne do wartości pH. W pH o wartości 7, napięcie na elektrodzie wynosi 0V. Jeśli pH bedzie mniejsze od 7 napiecie na elektrodzie rośnie, jeżeli pH bedzie wieksze, napiecie generowane przez elektrode przyjmuje wartości ujemne.
Zależność wartości napiecia od pH jest liniowa. Przeważnie elektroda generuje 58mV na każdy stopień pH. Czyli jeśli w pH7 mamy 0V, to w pH 6 na elektrodzie pojawi się około 58mV, w pH5 około 116mV itd...
Fakt ten możemy wykorzystać do budowy miernika. Wystarczy zmierzyć napiecie jakie powstaje na elektrodzie i wzmocnić je jakąś ilość razy, aby otrzymać dla pH7 np. wartość 700mV, dla pH8 800mV itd. To już bedzie czytelne dla człowieka i tak robi się to w miernikach np Aquamedic, Tunze itp.
Pozwola to odczytać wartość pH roztworu przy pomocy dowolnego (lub specjalnie wykonanego dla miernika ph) Voltomierza.
Dla procesorka takie dopasowanie nie jest istotne, dla niego ważne jest znać punkty odniesienia wg których może obliczyć wartość pH. Takimi punktami są wartości pomiarów w buforach np 7 i 9, lub 4 i 7. Z tego powodu możliwa jest dokładniejsza kalibracja pHmetru, bo nie trzeba uzywać potencjometrów które pod wpływem zmian temperatury zmieniają własciwości bardziej niż rezystory stałe, druga zaś korzyść wynika z braku potencjometrów w układzie - można zrobić kalibrację automatyczną (programową). Ale o procesorku później....
Do budowy modułu pomiarowego pH potrzebujemy zatem czterech wzmacniaczy operacyjnych - czyli układów które realizuja działania matematyczne na prądzie. Na każdym realizować bedziemy inną funkcję matematyczną. Ponadto weźmiemy kilka rezystorów które posłużą do konfiguracji tych wzmacniaczy, kilka kondensatorków które będą głównie eliminować zakłócenia w sygnale pomiarowym i źródła zasilania które dostarczy 2 napięć do zasilania wzmacniaczy.
Użyjemy też mimo tego co napisałem wyżej - dwóch potencjometrów którymi bedziemy mogli wykalibrować miernik tak, by wynik pomiaru dało się odczytać na dowolnym voltomierzu, rezygnując chwilowo ze sterowania zaworem. Oczywiście nie będzie to przeszkadzało w użyciu mikroprocesora i zbudowaniu dzięki niemu sterownika dla zaworu ale to nie teraz.
Na schemacie mamy moduł miernika pH. Zacznijmy od kilku drobiazgów. Układ jest zasilany napięciem symetrycznym to znaczy że mamy zasilanie zarówno napięciem dodatnim jak i ujemnym. Takie zasilanie ma 3 "bieguny": plus, masa (gnd) i minus . Między plusem a masą mamy 5V, miedzy masą a minusem mamy -5V (masa ma tu wyższy potencjał), miedzy plusem a minusem mamy aż 10V
Ponieważ do układu dostarczamy pojedyncze napiecie 5V z jakiegoś zasilacza (o tym później) musimy jakoś stworzyć sobie brakujące napięcie -5V. Służy do tego scalaczek ICL7660. To taka fajna 8mio nóżkowa kosteczka, która z dostarczonego jej napiecia robi ujemne o tej samej wartości. Bardzo przydatne, bo dzieki temu nie musmy budować skomplikowanego zasilacza. Jak widać na nóżke nr8 tego scalaka podajemy +5V a w nagrode na nóżce nr5 otrzymujemy -5V. Musimy teraz te 2 napiecia podać wzmacniaczom operacyjnym żeby mogły prawidłowo mierzyć, wzmacniać itd.. napiecia jakie generuje elektroda. Po co taki kłopot z tym -5V?? pamiętacie że elektroda generuje napiecia ujemne? Bez tego -5V nie dalibyśmy rady ich zmierzyć.
Jak widać są tu 4 wzmacniacze operacyjne i kilka elementów ustalających sposób w jaki one pracują. Te 4 wzmacniacze są zamknięte w strukturze 1 układu scalonego TL064 który ma 14 nóżek. Widać jak te nóżki na schemacie są ponumerowane. Nogi 4 i 11 zaznaczone osobno to nóżki na które podaje się napięcie zasilające cały scalak, czyli nasze + i -5V. Te cztery wzmacniacze (mówimy na nie stopnie) realizują każdy jakieś zadanie.
Pierwszy do którego bezpośrednio podłączyliśmy elektrode to tak zwany wtórnik. Jego zadanie to nie dopuścić do tego by prąd płynący w całym układzie zakłócał prace elektrody - wtórnik ten separuje elektrode od reszty układu. Nie robi nic oprócz przekazania na drugą strone napięcia podanego na wejście - wtóruje
Kolejny stopień to nazwijmy to "filtr" jego zadaniem jest eliminować jakieś drobne wahania czy zakłócenia jakie mogłyby pojawić się w układzie i zakłócić pomiar.
Trzeci stopień ma za zadanie określić "nachylenie elektrody". Potencjometrem regulacyjnym R5 podłączonym do tego stopnia będziemy mogli wyregulować wskazania jeżeli okaże się że elektroda na 1 stopień pH generuje inne napiecie niż "powinna" czyli inne niż 58mV.
Czwarty stopień odwraca i przesuwa sygnał - bez wchodzenia w skomplikowane szczegóły - ten stopień odpowiada za "odszukanie" punktu zerowego elektrody - czyli potencjometrem R2 bedziemy kręcić w buforze pH7. Pamiętacie że w pH7 elektroda generuje 0V prawda ?
wyjście układu podłączymy na przykład do voltomierza gotowego, własnej konstrukcji lub do procesora ale o tym bedzie później
Teraz uruchomimy i kalibrujemy elektrode i układ.
Przede wszystkim po zmontowaniu układu nie wkładamy scalaka TL064 w podstawke tylko uruchamiamy bez niego i mierzymy napiecia na nogach 4 i 11 podstawki względem masy. Powinny być 5 i -5V. jesli nie - szukamy błedu, jesli tak - lecimy dalej.
Wyłączamy zasilanie, wkładamy scalak do podstawki i załączamy zasilanie ponownie.
Wkładamy elektrodę do roztworu pH7 i tak kręcimy potencjometrem R2 aby na voltomierzu pojawiło się 700mV. Położenie potencjometru po jakiejś chwili bedzie trzeba skorygować. Zależy to od kondensatora C4. Można dać inne wartości z przedziału 330pF - 100nF. zależność jest taka że im wieksza pojemność tym pHmetr reaguje dłużej ale jest mniej wrażliwy na zakłócenia. Kondensator ten powinien być foliowy (niskoupływny).
Jeżeli po dłuższej chwili wskazanie 700mV nie ulega zmianie to zostawiamy R2.
Przekładamy elektrode do buforu 4 lub 9 (PKMD woli 4:) ), dajemy układowi czas i tak regulujemy R5 aby wskazanie woltomierza wpietego na wyjsciu dało wynik 400mV (900mV). Znów dajemy układowi chwile i korygujemy ewentualny błąd. Po tym gotowe miernik działa. Osiąga on rozdzielczość pomiaru 0.01pH, dokładność zależy od jakości potencjometrów i buforów kalibracyjnych. Wynik odczytujemy mierząc napiecie na wyjsciu. Jeżeli bedzie tam 654mV znaczy że pH wynosi 6,54 - proste prawda ?
A teraz koszty. Wszystko do kupienia jest w sklepie
www.seguro.pl koszt tych cześci nie przekracza 10zł. Potrzebna bedzie jeszcze płyteczka uniwersalna lub dedykowana - zaprojektuje i udostępnie taką ale na końcu bo nie omówiłem jeszcze pomiaru procesorem.
Od siebie dodam że schemat modułu nie jest mojego pomysłu - opracowany został przez inżynierów firmy National Semiconductor dla aplikacju scalaka LF444. Z powodzeniem stosuje go w swoim Skalarze, można go również znaleźć w Lajonach, miernikach Aquamedic, Tunze i pewnie innych.
Matko ale sie rozpisałem - mam nadzieje że choć komuś sie to przyda do czegoś, jeśli tak to piszczie czy ma być ciąg dalszy...