Индекс материала
pH – метрия для разработчиков
Ячейка измерения pH
Схема измерения pH
Все страницы

Эта статья обобщает многолетний опыт в создании систем управления для биореакторов. Цель изложения – поделиться некоторыми секретами в схемотехнике, преподнести конкретный «работающий» материал и привлечь тем самым внимание к этой теме молодых разработчиков, ежели таковые имеются.

Фотобиоректор
Лабораторный фотобиореактор с датчиками pH и DO

Прежде всего речь идет не о лабораторных pH-метрах, а о измерительных системах стационарно расположенных в биореакторе и осуществляющих управление по поддержанию заданного значения pH. Относительно биореактора, что это такое и с чем его едят можно узнать здесь.

Особые условия эксплуатации предполагают непрерывный мониторинг на протяжении нескольких дней, а так же особые условия в измеряемой зоне (культуральная среда), где кроме датчика pH, есть также датчик растворенного кислорода DO и температуры. Еще одно особое условие – это стерилизация электродов паром при 120 ºC.

pH – электроды.

Ссылки на эту тему:

  1. Практическое руководство - «Измерительные технологии pH»;
  2. Рекомендации по выбору электродов;
  3. InPro3030.

pH – электрод в электрическом смысле является источником ЭДС с высоким внутренним сопротивлением. У современных датчиков R ≈ 5 ÷ 1000 мОм и эта величина зависит от конструктивных особенностей электродов и от качества изготовления. После нескольких циклов стерилизации внутреннее сопротивление увеличивается и не востанавливется, тем самым уменьшается чувствительность электрода. Не вдаваясь в теорию pH-метрии, ЭДС, которую выдаёт электрод лежит приблизительно в диапазоне от – 400mV до + 400mV, что соответствует значению pH от 0 до 14 единиц. В практическом случае для ферментеров в режиме pH-статирования этот диапозон несколько уже и может иметь значение от – 250mV до +250mV.

Точность измерения pH для ферментеров в режиме культивации на практике в большинстве случаев достаточна на уровне 0.02 ед.pH Это имеет практическое значение для понимания такого фактора, как термокомпенсация при измерении pH.

Зависимость ЭДС в милливольтах от pH и температуры:

UpH(mV) = S · (pH – pH0);

  • S - крутизна датчика с размерностью mV/градус;
  • pH0 - изопотенциальная точка, для большинства датчиков имеет значение 7 ед.pH;

Зависимость крутизны от температуры упрощённая формула:

S = ((t °C – 10)/5) + 56;

Зависимость крутизны от температуры более детальная формула:

S = 2,3 · R · (273,15 + t °C) · 1000 / F;

R = 8,31441 (Дж⁄(моль∙К) - универсальная газовая константа;

F = 96485 (Кл·моль−1) - постоянная Фарадея;

Рассмотрим практический пример влияния температуры на погрешность измерения pH.

Калибровка измерительной ячейки буферными растворами происходит при температуре 20°C, ферментация происходит при температуре 35°C, поддержание SetpH на уровне 7.5 ед.pH.

Значение ЭДС(SetpH) при 20°C = 29.0mV;
Значение ЭДС(SetpH) при 35°C = 30.5mV;

Погрешность в милливольтах составит ≈ 5%;
Погрешность в единицах pH составит ≈ 0.027;

Необходимо иметь в виду, что различные датчики имеют различное значение крутизны, но на практике для процессов ферментации нужны стерилизуемые датчики, исходные параметры которых приведены выше.


Блок-схема измерительной ячейки pH
Блок-схема измерительной ячейки pH

Особенностью измерительной схемы является наличие обязательной гальванической развязки по питанию и по выходному сигналу. Этого требования лишены автономные лабораторные pH-метры. Для ферментера это необходимое условие возникает из-за того, что одновременно в культуральной среде присутствуют другие электроды и датчики. Их взаимное электрическое влияние при отсутствии гальванической развязки приводит к недостоверным измерениям. В электрическом смысле это объясняется высоким внутренним сопротивлением pH-электрода, как наиболее чувствительного элемента в системе.

Применение стандартных средств измерения, использующихся в построении систем автоматизированного управления по этой причине затруднено, так как не обеспечивает одновременного сочетания двух основных свойств: большой входной импеданс около 1012Ом и гальваническую развязку такого же уровня.

Применение стандартных АЦП (AD7705) затруднено по причине построения гальванически развязанного канала SPI. Здесь пришлось бы развязывать три управляющих шины, причем шина данных должна быть ко всему прочему двунаправленной. Применение инструментальных усилителей с гальванической развязкой слишком дорого.

Поэтому оптимальным решением для этой задачи является использование микросхемы AD7741, которая выдаёт на выходе частоту, развязать гальванически которую не сложно.


Схема измерения pH
Принципиальная схема измерительной ячейки pH

Операционный усилитель LMC7101 с большим входным сопротивлением используется с блоком смещения, для согласования отрицательного напряжения от pH-электрода с положительным входом преобразователя напряжения-частота AD7741. На стороне процессора организуется оптронная развязка на HCPL2630, после чего сигнал TTL-уровня поступает на частотомер. Блок питания реализован на DC-DC преобразователе RB-2412D и на линейных разнополярных стабилизаторах напряжения 78L05 и 79L05. Для питания операционного усилителя используется дополнительный RC-фильтр (RPHP1, RPHP2, CPHP10, CPHP11).

ОСОБЕННОСТИ:
  • Частота преобразования лежит в диапозоне 0.25 – 1.2 MHz, поэтому предпочтительно использовать именно HCPL2630.
  • Помехоустойчивость схемы с гальванической развязкой обеспечивается ёмкостью CPH5, соединяющую цифровую и аналоговую «земли».
  • Применение линейных стабилизаторов оправдано, так как DC-DC преобразователь не стабилизирует выходные напряжения.
  • Номиналы сопротивлений, обрамляющих операционный усилитель, могут быть оптимизироаны для увеличения диапозона входных напряжений с pH-электрода и более эфективного использования преобразования в частоту. Это зависит от конкретной задачи измерения.
ССЫЛКИ НА ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ КОМПОНЕНТЫ:

Обновлено (07.06.2012 17:04)

 
Новости электроники от РадиоЛоцмана
Вопросы искусственного интеллекта, философия и практика
. @Mail.ru