pH Måleinstrumentets principper og almene betragtninger for hobby folket til akvariebrug, ølbrygning og vinbrygning

I min studie tid dyrkede jeg også flere forskellige aktiviteter, hvoraf den ene var akvariefisk og den anden vinbrygning. Vinbrygning kom sig nok af, at nogen i familien havde et mosteri og vi selv havde tonsvis af æbler i haven. Æblerne skulle bruges til noget nyttigt og forsøg med vinbrygning blev således "opfundet". Bestemmelse af syreindholdet blev dengang målt med lakmuspapir, hvilket var udmærket. Sukkerindholdet blev målt med en Öchslemeter også kaldet Ochslevægt eller Hydrometer. Det er et glasrør med blykugler i bunden og en stilk med markeringer for aflæsning af mostens sukkerindhold og temperatur. Temperaturen måltes dengang i Réaumur og skulle bruges til at korrigere for sukkerindholdet. Dette blev brugt både af professionelle og amatører dengang, og var man omhyggelig med målingerne blev resultatet også godt. Nu om dage bruges et Refraktometer, som er et optisk måleapparat, der måler brydningsindekset på forskellige væsker.

ph meter for hobby folket er begyndt Min gamle Ochslevægt. pH måleinstrument Min brugsanvisning for Ochslevægten er desværre borte, men som jeg husker det, skulle temperaturen være 12½ °Réaumur, det er 16 °C. Var temperaturen over skulle der lægges "noget" til, under trækkes "noget" fra. Antal målte Ochslegrader var et udtryk for sukkerindholdet og alle opløste stoffer, den såkaldte samlede ekstrakt i mosten, og den potentielt færdig gæret alkohol kunne udregnes. Som en tommelfingerregel fik man for 1000 g sukker 500 g alkohol og 500 g kuldioxid, hvis alt sukker var brugt til gærings processen. Vil du vide mere, så søg på nettet under "Gæring af sukker", her findes alle de opskrifter, man kunne ønske sig. Prøv også mit excel regneark Gæring af sukker. God fornøjelse.

Akvariefisk kom sig vel af, at familien var "bidt" af en gal fisk, så jeg måtte også have fisk på mit værelse som lille. Senere byggede jeg et akvarium på 250 l og opdrættede scalarer med salg for øje. Et bidrag til SU. For interesserede kan jeg anbefale dette websted: AquaInfo.dk, så behøver jeg ikke selv at gå i detaljer med scalar opdræt. Metoden er nøjagtig den samme, som jeg brugte. CO2 tilsætning fra gæringen kunne så bruges til akvarievandet og dermed kunne vinbrygning og akvariehold forenes. Med hensyn til vinbrygning vil jeg heller ikke gå i detaljer, da der er mange, som har et udmærket websted om emnet. Prøv Martin Kasters websted Vinbrygning. Han kalder sig selv for en fattig studerende, så måske var det derfor, han kastede sig over hobbyen vinbrygning.

Nu skal vi til det, som det hele skal handle sig om, nemlig selve pH meteret. En pH elektrode er et glasrør med en ion-selektiv form for membran ind til to elektroder, som kan afgive en spænding alt efter den væske, som elektroden bliver nedsænket i. Er det destilleret vand er udgangsspændingen 0,00 Volt. Er det en syre afgives en spænding på +59mV per 1 pH. Er det en base afgives en spænding på -59mV per 1 pH. Det er derfor jeg senere siger at signalet skal "Inverteres". Skalaen for pH værdier er en logaritmisk skala fra 0 til 14, hvor 7 er neutral. Under 7 er væsken sur og over 7 er væsken basisk. pH elektroden opføre sig som et batteri, men har en meget stor indre modstand, så en direkte måling med et almindelig voltmeter er ikke muligt. Vi skal lave en forstærker med passende stor indgangsmodstand, så pH proben ikke belastes, og den svage spænding forstærkes op til et egnet måleinstrument. Det vil være "smart" at kalibrere måleinstrumentet fra 0 til 14 Volt, hvor 7 volt er det samme som 7 pH = neutral, altså 0,00 Volt udgangsspænding på pH elektroden. Et diagram for pH meter ses herunder.

Her findes en materialeliste over pH måleinstrumentet som PDF fil

Vi skal forsyne pH måleinstrumentet med minimum 14V og max 16V til de Operational Amplifier, som anvendes. Derfor er der lavet en stabiliseret strømforsyning på 14V. Der anvendes TL082 som Op-Amp fra National Semiconductor. De er billige og let tilgængelige. Diagrammet opdeles i blokke således: pH probe indgang og forstærker: Afstanden fra BNC bøsningen til pin 5 +indgang på IC1B er gjort så kort som muligt og kondensator C3 skal være en polystryrene low leakage type. C3 og pH probens indre modstanden (typisk i Giga Ohm) danner et low-pass RC filter med et 6 dB punkt omkring 1 Hz. Se min dB kalkulator. Bemærk: Det har indflydelse på den tid det tager for at kalibrerer pH proben. Enhver ny indlæsning fra pH proben tager ca. 1 sec. BNC bøsningen SKAL være isoleret fra ground, da der er 7 Volt på kappen. Derfor tænd først for apparatet, når pH proben er sat i BNC bøsningen, hvis du bruger et metalkabinet. Forstærkningen i første trin er sat til Vout/Vin = 1/0,059 = 16,95 gange eller 20log(Vout/Vin) = 24,6 dB. Vi skal have 1 Volt for 1 pH. I sur væske giver pH proben +59 mV for 1 pH = +59mV * 16,96 = +1 Volt. I basisk væske giver pH proben -59 mV for 1 pH = -59mV * 16,96 = -1 Volt. Forholdet Vout/Vin = P2/(R1+R2) giver for P2 = Vout*(R1+R2)/Vin = 1*(470+47)/0,059 = 8762 Ohm. Potentiometeret indstilles til 87 % ved opstart. Potentiometer P3 danner en Wheatstone bro sammen med R1, R2 og R3 til at "nulle" udgangen, når pH proben kalibreres i en væske med 0 pH. C5 10uF bipolar kapacitet parallel med P2 er til støjreduktion. Bemærk sur væske giver et positivt resultat og basisk væske giver et negativt resultat. Derfor skal vi senere indføre en "Inverter". 7-Volt Ground-Reference: Kredsløbet er forsynet med single power supply, så derfor er det nødvendigt at indføre en reference til ground. Den anden grund er, at vi ved 0 Volt på pH proben ønsker en visning på 7 Volt = 7 pH på viserinstrumentet. IC1A anvendes til formålet og reference spændingen sættes til det halve af forsyningsspændingen nemlig 7 Volt. pH probe kappen påføres denne reference spænding på 7 Volt, og således bliver 0 Volt udgangsspænding fra pH proben til 7 Volt = 7 pH på viserinstrumentet. P1 indstiller reference spændingen til 7 Volt. IC1A er en buffer enhedsforstærker (unit) for referencespændingen, hvor Vout/Vin = R4/P1 = 7/7 = 10K/10K = 1 (unit). AC forstærkningen "dræbes" med C1, C2 og C6. Inverter og pH viserinstrument: Udgangsspændingen fra trin 1 IC1B er "inverteret" fordi en syre på 1 pH vil vise (+59mV*16,96) + 7 Volt = 8 Volt = 8 pH og det er jo en base. Derfor skal signalet inverteres i IC2B uden forstærkning. Vout/Vin = R7/R6 = 1 til 1. C8 10uF bipolar kapacitet parallel med R7 er til støjreduktion. Viserinstrumentet vist her er fra Harald Nyborg til en pris på 39,50 kr. (Var vist nok et tilbud på en udgået gul model? Ny rød model koster 59,50 kr. best.nr. 2424) Det er så billigt, at alle kan være med. Derfor har jeg også limet det fast oven på kabinettet. Husk lige at bore 2 stk. ø 10 mm huller under de 2 skruer, som holder måleinstrumentet sammen, ellers kan du ikke skifte batteri. Comparator: Udgangssignalet fra 1 trin føres via R8 og C9 til comparatoren IC2A pin 2 (-). De to komponenter danner et low-pass RC filter med et 6 dB punkt på 3,4 Hz. Disse 2 komponenter er nødvendige for støjreduktion. Uden dem kunne relæet slå til og fra ved korte støjimpulser. Potentiometer P4 sætter det punkt, hvor relæet trækker og aktiver det apparat, som er tilsluttet. For akvarister kunne det være en CO2 generator. Det skal bemærkes, at comparatoren får det uinverterede signal direkte fra trin 1. Det betyder, at armen på P4 skal sættes til 7,5 Volt for at pH skal være 6,5 pH og så fremdeles. Se beregningerne. Ønsker du at trække regnearket ind i din egen PC og bruge det med andre værdier, kan du få Password til at åbne regnearket, ved at sende mig en e-mail. Relæ kredsen: Kredsen består af en MOSFET transistor, der trækker et 12 Volt relæ, når Gaten får signal fra IC2A. R14 dimensioneres således: 0 Ohm ved 12 Volt, 60 Ohm ved 14 Volt og 100 Ohm ved 15 Volt regulated output. Det er op til dig at vælge, hvad du vil tilslutte relæet. Husk MOSFET transistor er meget følsom overfor statisk elektricitet, afled dig selv og behold det ledende beskyttelsesskum på indtil du lodder transistoren i PCB. Regulated Power Supply: Der anvendes en Hahn EI382 1193 15V/4,5VA transformator i kredsen. Begrundelsen er ene og alene den, at højden er 28,1 mm og der kun er 29 mm fra PCB til top i kabinettet. Transformatoren beskyttes på primær og sekundær siden med 2 sikringer. Spændingen ensrettes i en brokobling D4, udglattes med C13 og reguleres i LM317. Potentiometer P5 indstiller udgangsspændingen. Stil P5 på 50 % i start up. Såfremt spændings tabet i transformatoren bliver for stort, så LM317 ikke kan holde en "stiv" reguleret spænding på 14 Volt, kan spændingen nedsættes til 12 Volt. Det betyder, at man kun kan måle pH værdier mellem 12 pH og 2 ph. Det er også alt rigeligt for hobby folket, man kommer ikke ud for mere.Se mit Transformer Calculation program for transformatorer.

Fig. 2 PCB layout for pH meter

Fremstilling af pH måleinstrumentets elektronik er blot et spørgsmål om montering af alle komponenter i overensstemmelse med PCB overlay tekst og materialelisten. Generelt monteres alle de laveste komponenter først, d.v.s. jumper, dioder, modstande og ja! se selv efter, hvad du har. Vent med jumper nr. 1 til sidst, så kan den lægges pænt omkring komponenterne. Denne jumper skal være en isoleret tråd. Jumper nr. 2 og 3 er blot et stykke afklip fra en modstand. Jumper 4 se næste afsnit. Opsætning og kalibrering: For akvarister, som vil bruge pH måleinstrumentet til konstant overvågning af pH værdien i akvariet og dermed kontrollere CO2 tilsætningen, bør følgende udføres. En "jord forbindelse" trækkes fra 7,00 Volt ref. punktet til en elektrode i bunden af akvariet. Brug en ø 6 mm x 80 mm rustfri bolt med møtrik, og fastgør en solid, isoleret kobbertråd til bolten og 7,00 Volt ref. punktet på følgende måde. Forbind jumper 4 fra 7,00 Volt ref. til klemrækkestik nr. 7 mærket J på undersiden af printet med en isoleret tråd. Jordledningen trækkes så fra klemrækken til akvariet. MEN husk denne jordledning må under ingen omstændigheder komme i berøring med det, der benævnes Ground i diagrammet. Hvis du bruger et ABS kabinet som jeg, er der ingen fare, men hvis det et metalhus, hvor Ground er forbundet til kabinettet, bør du være forsigtig. BNC stikket på pH proben monteres i en isoleret BNC bøsning, hvor kappen får 7,00 Volt. Sæt ikke et metalhus, der er forbundet til ground, på dit metal akvarium. Derfor har jeg valgt en ABS Snap Design enclosure fra Teko model 10005.9, der rummer et Eurocard 100x160 mm. Forplade og bagplade er udført i 1 mm aluminium, så forbind ikke disse til ground. Denne øvelse med jordforbindelse er kun nødvendig for ovennævnte brug i akvarium med kontrolleret CO2 tilsætning. Formålet er at forhindre støj i at komme ind i forstærkeren gennem pH proben og dermed aktivere On/Off funktionen for CO2. Reguleret 14 Volt: Ved hjælp af min LM317 beregner kan man bestemme R2 modstanden til 2425 Ohm for 14 Volt reguleret output. Denne R2 modstand er her en parallelforbindelse af R18 på 4,7K og P5 på 10K. Indstilles P5 til 5,010K (50 %) fås en parallel modstand på 2425 Ohm. Spændingen måles og P5 efter justeres til 14,00 Volt. I skrivende stund kendes det nøjagtige strømforbrug ikke, men transformatoren kan give max 300mA ved 15 Volt = 4,5VA. Det forventes at kredsløbet trækker under 100mA, så derfor forventer jeg også, at det er muligt at regulere til 14 Volt. Se her de foreløbige beregninger på transformatoren. Ønsker du at trække regnearket ind i din egen PC og bruge det med andre værdier, kan du få Password til at åbne regnearket, ved at sende mig en e-mail. Justering af 7,00 Volt ref.: Mål på test punktet og indstil P1 til 7,00 Volt. Nulling: Nedsænk proben i en neutral buffer 7 pH ved samme temperatur som dit akvarievand. Juster P3 til 7 pH = 7 Volt. Dette kaldes "nulling". Sæt P2 til 85 % under denne "nulling". Det er måske nødvendigt at gentage denne øvelse efter forstærkningen er justeret med P2. Justering af forstærkning: Tag proben op og dup den tør med en blød serviet. Nedsænk proben i en 4 pH buffer og juster P2 til 4 pH = 4 Volt. Gentag "nulling" men sørg for hver gang at rense proben i en neutral buffer og dup den tør. Gentag justering af forstærkningen med P2. Efter et par gange er justeringen tilstrækkelig udført. Man kan naturligvis også justere pH måleinstrumentet med en 10 pH buffer (basisk), men denne buffer optager CO2 fra luften og giver derfor en lavere pH værdi. Set On/Off punkt for CO2: Det er dig der afgør, hvor meget CO2 du vil tilføre dit akvarievand, og dermed surhedsgraden. Husk blot at comparatoren får det uinverterede signal fra forstærkeren IC1B ind på sin -input pin 2, så derfor er 7,5 Volt = pH 6,5. Der er også en hysteresis i kredsløbet, som skal forhindre relæet i at slå til og fra omkring set punktet. Hysteresis tiden er lidt svær at beregne, men R9, P4 og IC2A output swing indgår i beregningerne. Her er beregningerne, som bruges således: Indsæt det ønskede pH On/Off punkt i det gule felt D22 - husk reguleret udgangsspænding i felt B19 for LM317 skal være indsat, her er det 14,00 Volt - aflæs spændingen på P4 arm i felt D24, som så skal indstilles på P4. Nederst i felt B28 aflæses hysteresis tiden med de valgte værdier. Med de valgte værdier aflæses afrundet 0,15 Volt, som betyder at dit On punkt ved pH 6,5 giver et Off punktet ved pH 6,35. Derfor må der findes et kompromis med nøjagtig CO2 tilførelse og at relæet ikke slår til og fra hele tiden. Modstand R9 indgår i beregningen, så hvis hysteresis tiden ønskes nedsat til 0,10 Volt, kan der laves en "Målsøgning" i regnearket for R9, vi finder så værdien 322.407 Ohm = standard 300K Ohm. Den røde LED indikere at CO2 tilførelsen er i gang. Skulle den blinke, kan det være tegn på støj, som kommer ind i forstærkeren eller hysteresis er for lille. Udtaget mellem R12 og R13 mærket Ext 1 er til ekstra udstyr i forbindelse med styring af en akvariepumpe med en IC LM555. Udtaget på relæet mærket Ext 2 er til din CO2 generator. Kontakterne slutter ved rød LED on på forpladen. Grøn LED på bagpladen viser, at der er strøm på pH måleinstrumentet. Bemærk at der ikke er en afbryder på apparatet. Slut bemærkninger: Alle trimmer potentiometer er gemt inden i kabinettet, så utilsigtet indstilling af disse undgås. Der er tilgang til P1, P2, P3 og P4 gennem et hul i forpladen. Det ville ikke være så godt, hvis der blev pumpet CO2 ned i akvarievandet hele tiden. Planterne kunne sikkert overleve med lys på, men fiskene vil nok få åndenød. Jeg har vist ovenfor, hvor du kan købe en pH probe og buffer til kalibrering af pH måleinstrumentet. Prisen på pH proben synes at være OK, men bufferne er noget dyre, hvis man skal bruge meget. pH proben skal ikke sidde lige under lyset i akvariet, da der så dannes alger for hurtigt på den. Samtidigt bør den også placeres, hvor vandet cirkulere omkring pH proben. pH proben kan renses med en blød pensel, som kunstmalerne bruger. Rensning og kalibrering gøres hver gang, der udskiftes vand i akvariet. pH probe tip må aldrig tørre ud, det kan ske under udskiftning af vandet i akvariet. ph proben har en beskyttelseskappe, brug denne. En overflade omrøring af akvarievandet medføre stort tab af CO2, så hvis dit filtervand plasker ned på overfladen, kan du måske ikke få pH værdien ned. En løsning ville være, at udløbet var i bunden. Er du usikker på, hvordan man omgås pH prober, så find mere på nettet. Det med stort ovenfor skal overholdes, man kan for kort tid opbevare pH proben i destilleret vand, bedst i en neutral buffer. Jeg har her fundet en KCL opbevaringsopløsning til proben. Der findes også en opløsning til rensning af probe tippen, jeg mener det er 0,1 mol/L HCL. Jeg vender tilbage, når jeg er sikker i min sag. LÆS DENNE ANSVARSFRASKRIVELSE: Du er velkommen til at bygge dette pH måleinstrument efter diagrammet og mit PCB udlæg, men du skal ikke forvente hjælp, hvis det går "galt". Kredsløbet anvender potentielt dødelige niveauer af spænding og strøm fra 230VAC nettet. VÆR FORSIGTIG! Hvis du ikke er sikker på, hvad du gør, især når det kommer til kredsløb med strøm fra 230VAC. DET ER DIT ANSVAR: At hente hjælp, at forlade projektet, ikke komme til skade, ikke bygge sjusket kredsløb, ikke såre andre, ikke starte brande. Denne information stilles til rådighed som en service til enhver person. Et hvert ansvar for sikker og korrekt anvendelse for disse kredsløb fraskrives.

one.com