Датчик кислотности жидкости (pH-метр) для Arduino

Общие сведения:

pH уровень (водородный показатель) является отрицательным десятичным логарифмом концентрации ионов водорода в жидкости: pH = - lg[H+]. В воде помимо молекул H2O имеются ионы водорода [H+] и гидроксид-ионы [OH−]. Если их количество равно (нейтральная среда), то концентрация ионов водорода [H+] составляет 10−7 моль/л, следовательно pH = -lg[10-7] = 7.

Если в воду добавить кислоту, то концентрация ионов водорода [H+] увеличится, а гидроксид-ионов [OH−] упадет, следовательно уменьшится pH. Например при увеличении концентрации ионов водорода [H+] до 10−6 моль/л (степень отрицательная), pH упадёт до -lg[10-6] = 6.

Если в воду добавить щелочь, то концентрация водорода [H+] упадёт, а гидроксид-ионов [OH−] увеличится, следовательно увеличится pH. Например при уменьшении концентрации ионов водорода [H+] до 10−9 моль/л (степень отрицательная), pH увеличится до -lg[10-9] = 9.

В основу работы pH-метра заложен ионометрический метод определения pH. Этот метод заключается в измерении ЭДС гальванической цепи включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов водорода [H+] в окружающем растворе, см таблицу в разделе «примечание».

Калибровка и измерения:

При первом включении pH-метра (и в дальнейшем примерно раз в пол года) его нужно откалибровать. Опустите сенсор pH-метра в нейтральный раствор (раствор хлорида калия KCL, его pH = 7.0), который находится в колпачке pH-метра и поворотом многооборотного потенциометра на плате добейтесь напряжения на выходе модуля в 2 В.

Изменение уровня pH исследуемого раствора на 1 pH приводит к изменению напряжения на выходе модуля на 2/7 В. Значит после калибровки напряжение на выходе модуля 2 В соответствует pH = 7, напряжение 0 В соответствует pH = 0, а напряжение 4 В соответствует pH = 14, см. таблицу в разделе «Примечание». Значит для преобразования считанного с модуля уровня напряжения в уровень pH исследуемой жидкости, достаточно разделить это напряжение на 2/7 или умножить на 3,5: U/(2/7) = U*7/2 = U*3,5.

Для измерения pH исследуемого раствора опустите в него сенсор pH-метра и слегка помешайте, подождите стабилизации показаний в течении 30-60 секунд.

Не опускайте сенсор pH-метра в калибровочную жидкость (раствор хлорид калия KCL в колпачке датчика) после проведения измерений щелочных и кислых сред, так как остатки этих жидкостей на сенсоре pH-метра могут изменить pH калибровочной жидкости. Сначала промойте сенсор в проточной воде и стряхните её остатки, после чего оденьте колпачок с калибровочной жидкостью на датчик pH-метра.

Подключение:

Синий провод шлейфа, с которого будут сниматься показания, подключается к любому аналоговому выводу Arduino.

Питание:

Напряжение питания 5 В постоянного тока подаётся на красный (Vcc) и чёрный (GND) провод шлейфа pH-метра.

Спецификация:

Напряжение питания модуля: 5 В постоянного тока.

Диапазон измерений: 0...14 pH.

Зависимость напряжения на выходе модуля от pH растворов: 1 pH = 2/7 В.

Температура измеряемых растворов: 0...60 ?.

Точность измерений: ± 0.1 pH (при температуре 25 ?).

Время измерений: до 1 мин.

Длина кабеля от датчика до разъема BNC на плате модуля: 660 мм.

Размер модуля: 43x32 мм.

Размер датчика: 143,7 мм.

Комплектация:

1x Датчик с кабелем, колпачком и контрольным раствором.

1x Модуль с разъемом BNC.

1x Трёхпроводной шлейф для подключения к Arduino

Дополнительно:

Скетч для Arduino от производителя:

#define SensorPin        A0                                                                   // pH meter Analog output to Arduino Analog Input 0

#define Offset           -0.00                                                                // Компенсация смещения

#define LED              13                                                                   // Номер вывода светодиода, который является индикатором нормальной работы скетча

#define samplingInterval 20                                                                   // Интервал в мс между измерениями

#define printInterval    800                                                                  // Интервал в мс между выводами показаний

#define ArrayLenth       40                                                                   // Количество выборок

int pHArray[ArrayLenth];                                                                      // Массив для определения среднего показания напряжения считанного с датчика

int pHArrayIndex=0;                                                                           // Индекс элемента массива pHArray значения которого требуется изменить

                                                                                              //

void setup(void){                                                                             //

    pinMode(LED,OUTPUT);                                                                      // Конфигурируем вывод светодиода как выход

    Serial.begin(9600);                                                                       // Инициируем передачу данных в монитор последовательного порта на скорости 9600 бит/с

    Serial.println("pH meter experiment!");                                                   // Выводим надпись "pH meter experiment!"

}                                                                                             //

void loop(void){                                                                              //

    static unsigned long samplingTime = millis();                                             // Определяем переменную samplingTime для хранения времени прошедшего с момента старта (переменная создаётся при первом проходе цикла loop и не теряется по его завершении)

    static unsigned long printTime    = millis();                                             // Определяем переменную printTime    для хранения времени прошедшего с момента старта (переменная создаётся при первом проходе цикла loop и не теряется по его завершении)

    static float pHValue, voltage;                                                            // Объявляем переменные для хранения значений напряжения и pH

//  Проводим измерения:                                                                       //

    if(millis() - samplingTime > samplingInterval){                                           // Выполняем код в теле оператора if через каждые samplingInterval мс

        pHArray[pHArrayIndex++] = analogRead(SensorPin);                                      // Читаем данные в очередной элемент массива pHArray

        if(pHArrayIndex==ArrayLenth) pHArrayIndex=0;                                          // Если достигли последнего элемента массива pHArray, то сбрасываем номер текущего элемента этого массива в 0

        voltage = averagearray(pHArray, ArrayLenth) * 5.0 / 1023;                             // Получаем среднее напряжение в мВ из массива напряжений pHArray

        pHValue = 3.5 * voltage + Offset;                                                     // Преобразуем мВ в pH

        samplingTime = millis();                                                              // Обновляем время для переменной samplingTime

    }                                                                                         //

//  Выводим показания в монитор:                                                              //

    if(millis() - printTime > printInterval){                                                 // Выполняем код в теле оператора if через каждые printInterval мс

        Serial.print("Voltage:");                                                             // Выводим надпись "Voltage:"

        Serial.print(voltage,2);                                                              // Выводим среднее напряжение

        Serial.print("    pH value: ");                                                       // Выводим надпись "    pH value: "

        Serial.println(pHValue,2);                                                            // Выводим значение pH

        digitalWrite(LED,digitalRead(LED)^1);                                                 // Меняем состояние светодиода

        printTime = millis();                                                                 // Обновляем время для переменной printTime

    }                                                                                         //

}                                                                                             //

                                                                                              //

//  Функция определения среднего значения напряжения                                          // Эта функция возвращает среднее арифметическое значение данных массива arr без учёта одного максимального и одного минимального значения массива.

double averagearray(int* arr, int number){                                                    //

    int i,max,min;                                                                            // Объявляем переменные для цикла и экстремумов

    double avg;                                                                               // Объявляем переменную для вывода среднего значения

    long amount=0;                                                                            // Определяем переменную для подсчёта среднего значения

    if(number<=0){ Serial.println("Error number for the array to avraging!/n");  return 0;}   // В массиве arr не может быть 0 и менее элементов

    if(number< 5){ for(i=0; i

    }else{                                                                                    // Если в массиве arr более 5 элементов, то среднее значение считаем иначе ...

        if(arr[0]

        else             { min = arr[1]; max=arr[0];}                                         // Определяем минимальное и максимальное число из первых двух элементов массива

        for(i=2; i

                 if(arr[i]

            else if(arr[i]>max){ amount+=max; max=arr[i]; }                                   // Если значение очередного элемента больше максимального, то добавляем к значению amount предыдущее максимальное значение и обновляем значение max

            else               { amount+=arr[i];          }                                   // Если значение очередного элемента находится в пределах между min и max, то добавляем значение этого элемента к amount

        }                                                                                     //

        avg = (double) amount/(number-2);                                                     // Получаем среднее арифметическое значение (без учета значений первых двух элементов массива arr, т.к. они не добавлялись к amount)

    }                                                                                         //

    return avg;