Digitrode
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
pH-метр на основе Arduino своими руками
Шкала рН используется для измерения кислотности. Она может давать показания в диапазоне от 1 до 14, где 1 показывает наиболее кислую жидкость, а 14 – самую щелочную жидкость. 7 pH – уровень для нейтральных веществ, которые не являются ни кислотными, ни щелочными. Сейчас pH играет очень важную роль в нашей жизни и используется в различных областях. Например, его можно использовать в бассейне для проверки качества воды. Аналогично, измерение pH используется в самых разных областях, таких как сельское хозяйство, очистка сточных вод, промышленность, мониторинг окружающей среды и т. д.
В этом проекте мы собираемся создать pH-метр на основе Arduino и научиться измерять уровень pH жидкого раствора с помощью датчика pH и Arduino. ЖК-дисплей 16×2 используется для отображения значения pH на экране. Мы также узнаем, как откалибровать датчик pH для повышения точности датчика.
Итак, единица измерения кислотности вещества называется pH. Термин «Н» определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода. Диапазон рН может иметь значения от 0 до 14. Значение рН 7 является нейтральным, поскольку чистая вода имеет значение рН ровно 7. Значения ниже 7 являются кислотными, а значения больше 7 являются щелочными.
Аналоговый датчик pH предназначен для измерения значения pH раствора и определения кислотности или щелочности вещества. Он широко используется в различных приложениях, таких как сельское хозяйство, очистка сточных вод, промышленность, мониторинг окружающей среды и т. д. Модуль имеет встроенную микросхему регулятора напряжения, которая поддерживает широкий диапазон напряжения 3,3-5,5 В постоянного тока, который совместим с уровнями 5 В и 3,3 В любой платы управления, например, Arduino. Выглядит электрод датчика следующим образом.
Плата преобразования сигнала для него выглядит так:
Эта плата имеет следующие выводы: V+: вход 5 В постоянного тока, G: контакт заземления, Po: аналоговый выход pH, Do: 3,3 В постоянного тока, To: температура на выходе.
Конструкция электрода датчика уровня pH:
Датчик pH выглядит как стержень, обычно сделанный из стеклянного материала с наконечником под названием «стеклянная мембрана». Эта мембрана заполнена буферным раствором с известным значением pH (обычно pH = 7). Такая конструкция электрода обеспечивает среду с постоянным связыванием ионов H+ на внутренней стороне стеклянной мембраны. Когда зонд погружается в тестируемый раствор, ионы водорода в тестируемом растворе начинают обмениваться с другими положительно заряженными ионами на стеклянной мембране, что создает электрохимический потенциал через мембрану, которая подается на модуль электронного усилителя, который измеряет потенциал между обоими электродами и преобразует его в единицах рН. Разница между этими потенциалами определяет значение pH на основе уравнения Нернста.
Уравнение Нернста дает связь между потенциалом электрохимической ячейки, температурой, коэффициентом реакции и стандартным потенциалом ячейки. В нестандартных условиях уравнение Нернста используется для расчета потенциалов в электрохимической ячейке. Уравнение Нернста можно также использовать для расчета полной электродвижущей силы (ЭДС) для полной электрохимической ячейки. Это уравнение также используется для расчета значения pH. Отклик стеклянного электрода определяется уравнением Нернста и может быть задан как E = E0 — 2.3 (RT/nF) ln Q (Q = коэффициент реакции, E = мВ на выходе электрода, E0 = нулевое смещение для электрода, R = идеальная газовая постоянная = 8,314 Дж/моль-К, T = температура в ºK, F = постоянная Фарадея = 95 484,56 C/моль, N = ионный заряд).
Принципиальная схема pH-метра на основе Arduino приведена далее.
В ней выход платы преобразования Po мы подключаем к аналоговому входу A0 платы Arduino.
После успешного подключения аппаратных средств пришло время программировать Arduino. Полный код работы pH-метра на основе Arduino приведен далее.
Калибровка электрода датчика pH очень важна в этом проекте. Для этого нам нужно известное значение pH какого-либо раствора. Оно может быть принято как эталонное значение для калибровки датчика. Предположим, у нас есть раствор, значение pH которого равно 7 (дистиллированная вода). Теперь, когда электрод погружен в эталонный раствор и значение pH, отображаемое на ЖК-дисплее, составит примерно 6,5. Затем для калибровки просто добавьте 7-6.5 = 0.5 в калибровочную переменную «calib_value» в коде, то есть нужно сделать значение 21,34 + 0,5 = 21,84. После внесения этих изменений снова загрузите код в Arduino и перепроверьте pH, окуная электрод в контрольный раствор. Теперь на ЖК-дисплее должно отображаться правильное значение pH, то есть 7. Аналогичным образом отрегулируйте эту переменную для калибровки датчика. Затем проверьте все другие решения, чтобы получить точный результат.
Мы попробовали этот pH-метр на основе Arduino, окунув электрод в чистую воду и лимонную воду, результат вы можете увидеть на следующих изображениях (первое – чистая вода, второе – лимонная кислота).
Источник
Способы определения кислотности почвы в домашних условиях
Плодово-ягодные, овощные, а также цветочные культуры требуют почв с соответствующей реакцией. Чтобы обеспечить хороший рост и развитие этих культур, необходимо знать кислотность почвы на участке, так как от этого зависит урожай. Таким образом кислотность это универсальный показатель качества почвы.
Все почвы делятся; на сильнокислые (pH 4,5 и менее), среднекислые (pH 4,6-5), слабокислые (pH 5,1-5,5), близкие к нейтральным (pH 5,6-6,4), нейтральные (pH 6,5-7,3), слабощелочные (pH 7,4-8), щелочные (pH 8,1-8,5) и сильнощелочные (pH 8,6-9,5 и более).
Анализ кислотности при помощи прибора
Точные измерения кислотности почвы производят с помощью высокочувствительных приборов (pH-метров) в агрохимических лабораториях.
Замечено, что почвы от среднекислых до слабокислых предпочитают рододендроны, от среднекислых до близко к нейтральным — картофель, тыква, подсолнечник, пастернак, щавель, дыня, кукуруза, земляника, крыжовник, вишня, слива, яблоня, субтропические плодовые культуры, гортензия метельчатая; от слабокислых до нейтральных — большинство сортов роз; от слабокислых до нейтральных — лилии; от близко к нейтральным до нейтральных — томаты, огурцы, редис, кабачки, капусты — брюссельская и листовая, чеснок, лук-порей, лук-шалот, шнитт-лук, свекла, мускатная дыня, фасоль, репа, баклажаны, цикорий, арония, абрикос, виноград, черная смородина, сирень, хризантема; нейтральные — крокусы; от близко к нейтральным до слабощелочных — свекла кормовая, морковь, репчатый лук, кочанная и цветная капуста, салат, петрушка, спаржа, сельдерей, артишок, тюльпан.
Народный способ определения кислотности почвы
Есть простой, однако не худший метод, доступный любому. Готовят пробу почвы, и просеянную часть ее засыпают до второго деления бутылочки, из которой кормят грудных детей. Заливают водой до пятого деления и всыпают половину чайной ложки порошкообразного мела.
Сразу после этого на горлышко надевают плотно скатанную соску (чтобы внутри не было воздуха). Упругая соска тотчас развернется, но останется плоской, со слипшимися стенками. Бутылочку оборачивают тканью, оберегая от тепла, и энергично встряхивают 3-5 мин. При взаимодействии мела с почвенными кислотами образуется углекислый газ. Давление внутри бутылочки возрастает, и соска понемногу наполняется. При слабой кислотности она расправится незначительно: чем выше кислотность, тем больше соска приобретает первоначальную форму.
Использование лакмусовой бумаги
Для анализа можно использовать специальную индикаторную бумагу ( лакмусовую ). При проведении анализов почвы вначале используют универсальную индикаторную бумагу с интервалом pH 1-10. Затем для уточнения одну из других, более точных, например, «мультифан».
Универсальная индикаторная бумага с интервалом pH 1-10 представляет собой миниатюрную книжечку с набором фильтровальных полос светло-оранжевого цвета. На обложке книжечки приведена цветная стандартная шкала с десятью разноцветными полосками с указанием величины pH на каждой из них.
Анализ почвы проводят так. В разных местах участка и на различной глубине берут образцы почвы, стараясь не повредить корни растений. Образцы друг с другом не смешивают, держат отдельно в баночках или в полиэтиленовых мешочках с надписями. При этом каждый образец поочередно заворачивают в один слой плотной чистой ткани (10×10 см), завязывают шпагатом и опускают в стеклянную банку с дистиллированной, дождевой или в крайнем случае с обыкновенной водопроводной водой (желательно перед этим провести анализ водопроводной воды и все это учесть). Почву и воду берут в соотношении 1:1 по объему. Вода при этом не мутнеет и остается чистой.
Через 5 минут полоску универсальной индикаторной бумаги погружают наполовину или полностью в полученный водно-почвенный раствор на 1-2 секунды, или наносят на нее каплю этого раствора, вынимают и тут же сравнивают полученный ею цвет со стандартной шкалой. Находят на ней точно такую же окраску и величину pH. Зная эту величину, определяют кислотности почвы.
Если почва кислая или сильнокислая, ее нейтрализуют древесной золой, цементом, хорошо гашеной известью и т. п. Нейтрализующий материал тщательно перемешивают с почвой и проводят повторный анализ.
Если же почва щелочная или сильнощелочная, то ее нейтрализуют лишь добавлением новой почвы с кислой или сильнокислой реакцией.
Для уточнения величины pH используют индикаторную бумагу «мультифан». Для экономии разрезают ее на полосы по всей длине на две-три части. Это относится и к другим индикаторным бумагам со сравнительной шкалой.
Анализ почвы с большой точностью проводят и с помощью индикаторной бумаги «рифан». Еще большую точность (до 0,2-0,3 единицы pH) получают, применяя индикаторную бумагу «фан», многоцветную (восьмицветную) кислотно-щелочную индикаторную бумагу, а также с помощью универсальной индикаторной бумаги с узкими интервалами pH.
Для приблизительного определения реакции почвы можно использовать и двухцветные лакмусовые бумаги: красную с интервалом pH 4-6,4 (переход окраски индикатора в этих пределах от красного цвета до синего), синюю с интервалом pH 5-8 (переход окраски от красного цвета до синего) и нейтральную с интервалом pH 5-8 (до pH 5 — красный цвет, более pH 8 — синий).
Старинный способ проверки почвы на кислотность
Интересно, что еще в июльском номере журнала «Хуторское хозяйство» за 1917 год была дана такая рекомендация по определению кислотности почвы на участке.
Простой самодельный pH-метр
Для механизации определения степени закисленности почвы участка несложно изготовить простейший pH-индикатор. Он состоит из медной трубки длиной 60-80 см и прибора от бытового магнитофона, показывающего уровень записи (например, индикатор М 4762). Ток отключения у него 230-280 микроампер. Подойдут и другие приборы с близкими параметрами. На конце медной трубки вырезают два треугольных сегмента. Образовавшиеся два треугольных «зуба» соединяют свободными концами. Получается заостренный щуп, который будет легко входить в землю. Места соединения «зубьев» можно паять. Возле заостренного конца трубки вдоль нее наклеивается полоска изолирующего материала, а на нее — цинковая пластинка размером 60 x 8 мм (рис. 1).
Цинк с медью составляют вместе гальваноэлектрический элемент. Химическое воздействие кислой или щелочной почвы будет индуцировать в нем ток, который отклонит стрелку прибора в ту или иную сторону. Медную трубку и цинковую пластинку соединяют проводами с выводами (цинк — минус, медь — плюс). Распилив медную трубку и отогнув образовавшиеся пластины в виде полочки, приклеивают (или привинчивают) к ним прибор.
Рис.1. Прибор для измерения кислотности почвы
Опускают щуп прибора в питьевую воду. Если стрелка отклонится в ту или иную сторону, методом подбора дополнительного сопротивления возвращают ее в централь-нос положение, условно считая, что вода нейтральна.
Воткнув прибор в почву в том месте, где растет мокрица, отмечают отклонение прибора в «кислую» сторону. По степени отклонения стрелки в ту или иную сторону со временем можно научиться более или менее точно «ставить диагноз» слабо- и сильнокислым, щелочным и нейтральным почвам.
Источник
pH-метр (измеритель кислотности) на Arduino Uno и ЖК дисплее
Скала pH используется для измерения кислотности и валентности жидкостей. Диапазон pH составляет 1-14, где 1 соответствует наиболее кислотной жидкости, а 14 – основной жидкости. 7 pH соответствует нейтральным веществам (субстанциям), которые не являются ни кислотными, ни основными. Параметр pH играет достаточно важную роль в жизни людей. Например, его можно использовать для определения качества воды в бассейне. Также параметр pH имеет большое число разнообразных применений в сельском хозяйстве, очистке сточных вод, промышленности, мониторинге состояния окружающей среды и т.п.
В данной статье мы рассмотрим создание pH-метра (pH Meter) на основе платы Arduino Uno и гравитационного датчика pH. Значение pH мы будем показывать на экране ЖК диcплея 16×2. Также мы рассмотрим вопросы калибровки датчика pH чтобы повысить точность его измерений.
Необходимые компоненты
- Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
- ЖК дисплей 16х2 (купить на AliExpress).
- Модуль I2C для ЖК диcплея (купить на AliExpress).
- Аналоговый гравитационный датчик pH (Gravity Analog pH sensor) (купить на AliExpress).
- Соединительные провода.
- Макетная плата.
Что такое значение pH?
Параметр, который мы используем для измерения кислотности веществ, называется pH. Термин “H” здесь обозначает концентрацию ионов водорода. Диапазон pH содержит значения от 0 до 14. Значение pH равное 7 обозначает нейтральную, чистую жидкость. Чистая вода имеет pH точно 7. Значения меньшие 7 обозначают кислотность, а большие 7 – основной или щелочной характер жидкости.
Как работает аналоговый гравитационный датчик pH
Аналоговый датчик pH предназначен для измерения значения pH и показывает кислотность или щелочность (щелочные свойства) вещества. Датчик содержит в своем составе встроенный чип регулятора напряжения, который поддерживает широкий диапазон питающих напряжений — 3.3-5.5V DC (постоянного тока), что позволяет его подключать к контактам 5V и 3.3V любых плат Arduino. Выходной сигнал фильтруется аппаратным фильтром.
Технические характеристики модуля преобразования:
- питающее напряжение: 3.3
5.5V;
Технические характеристики pH электрода датчика:
- диапазон рабочих температур: 5
60°C;
V+ : вход напряжения 5V постоянного тока (DC);
G : контакт земли (Ground pin, общий контакт);
Po : аналоговый выход pH;
Do : выход напряжения 3.3V постоянного тока (DC);
To : выход температуры.
Внешний вид конструкции электрода показан на следующем рисунке.
Электрод pH выглядит обычно как трубка, сделанная из стекла, с наконечником в виде стеклянной мембраны. Эта мембрана наполняется буферным раствором с известным pH (обычно pH = 7). Электрод спроектирован таким образом, что на стеклянной мембране всегда поддерживается постоянная концентрация ионов H+. Когда электрод погружается в тестируемое вещество, ионы водорода этого вещества начинают обмен с другими позитивно заряженными ионами стеклянной мембраны, в результате чего создается электрохимический потенциал на концах мембраны, который подается на модуль электронного усиления — он измеряет разность потенциалов между двумя электродами и преобразует ее в значения pH. Преобразование разности потенциалов в значение pH осуществляется на основе уравнения Нернста.
Уравнение Нернста
Уравнение Нернста — уравнение, связывающее окислительно-восстановительный потенциал системы с активностями веществ, входящих в электрохимическое уравнение, и стандартными электродными потенциалами окислительно-восстановительных пар (википедия).
Также уравнение Нернста может быть использовано для расчета общей электродвижущей силы (ЭДС) электрохимической ячейки. В нашем случае мы его используем для расчета значения pH тестируемого вещества. На основе данного уравнения разность потенциалов на концах стеклянного электрода может быть рассчитана следующим образом:
E = E0 — 2.3 (RT/nF) ln Q
где
Q= коэффициент реакции
E = выход в mV на концах электрода
E0 = напряжение «нуля» для электрода
R = идеальная газовая постоянная= 8.314 J/mol-K
T = температура в ºK (Кельвинах)
F = константа Фарадея = 95,484.56 C/mol
N = ионный заряд
Схема проекта
Схема pH метра на основе платы Arduino Uno представлена на следующем рисунке.
Соединения между платой Arduino и платой преобразования сигнала pH показаны в следующей таблице.
| Плата Arduino | Плата преобразования сигнала pH |
| 5V | V+ |
| GND | G |
| A0 | Po |
Внешний вид конструкции проекта показан на следующем рисунке.
Объяснение программы для Arduino
Полный код программы для нашего pH метра на основе Arduino приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.
Первым делом в программе мы должны подключить все используемые библиотеки. В нашем случае мы подключили библиотеку “ LiquidCrystal_I2C.h ” для использования интерфейса I2C с целью обмена данными с ЖК дисплеем и библиотеку “ Wire.h ” для использования функционала интерфейса I2C в плате Arduino.
Источник