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2018年9月 1日 (土)

arduinoでpHメーター(動作確認編)

ある目的でpHメーターをarduinoで作りたいと思った。

まずは、材料調達。いつものeBayで、pH電極、pH電極につなげるモジュール、pH標準液(粉で250mLの水で溶解)を買い求める。

Ebay1
Ebay2
原理はpHメーターの大手メーカーであるホリバのサイトが詳しいので少し勉強。

買ったのは、中華性の格安であるが、原理は同じである。

  • pH電極はガラス電極と比較電極で構成され、そこに生じる電位差(電圧)で測定することにより、pHを算出する。
  • 比較電極の内部液には塩化カリウム(KCL)溶液が入っており、これがじわじわ染み出すことにより、測定液と電気的に導通する。つまり、この内部液は消耗品であり、適宜補充が必要。
http://canz.sci.kagoshima-u.ac.jp/
  • 測定液につけると電位差は典型例で下図のとおり。お判りいただけるだろうか・・・。 pH7未満はマイナスの電圧である。Arduinoは、アナログピンそのままの入力ではプラスの電圧しか測定できず、0-5Vを0-1023の整数へ変換するため分解能が足りない。
「ph mv table」の画像検索結果

http://www.66pacific.com/ph/simplest-ph.aspx

  • そのため、pH電極の出す電圧をArduinoが読めるようにするためのモジュールが下の基盤である。働きとしては、
  1. 電圧にゲタをはかせてpH7.0以下を含め全てプラスの電圧とする(オフセット)。
  2. 微弱な電圧を増幅して分解能を高める。
  3. BNCコネクタを介してpH電極と接続する。
  4. pHについて一定の閾値を外したら、赤色LEDを点けるとともにアラートのシグナルを送る。
であるが、4については、不使用。温度補正用のセンサーも載っているみたいだが、今回使用しないのでよくわからない。

Ph
このモジュールについての情報は下記が詳しい。
https://www.botshop.co.za/how-to-use-a-ph-probe-and-sensor/
Arduinoとの接続はいたって簡単。上図のとおり、P0をArduinoのアナログピン(例ではA0)、GND二つをGND、VCCを5Vピンにつなげばよい。

つないだ後に、オフセット調整を実施する。Arduinoは0~5Vの測定が可能なので、このモジュールから出る電圧を真ん中のpH7の時に、2.5Vになるように調整する。pH7といっても実際に測定するわけではなく。下のように、BNC端子のオスメス(というのかな)をショートする。これでpH7の液体を測定したときのシミュレートができるわけである。

Img_4798
次いで、P0とGND間の電圧を測定し、オフセット調整用ボリュームを回して、2.5Vに合わせる。これは、最終的にはpH標準液の測定電圧を元に、ソフトで計算するので、厳密でなくてOK。

Img_4801
pH電極には、補充用のKCL溶液のボトルもついていたが、すでにいっぱいに入っていたのでそのまま使うことにする。

Img_4797
上のほうにスライド式の空気穴がある。使用前にはこれを左に捻って開けておかないとKCL溶液が染み出さずに導通が保てないので必ず開けておこう(写真ではKCL溶液がなみなみと入っていたので、それが光って見えている)。

Img_4793
BNCコネクタを接続し、スケッチを書き込む。A0の電圧を測定するだけなので、ライブラリのインクルードもなく、いたってシンプル。

--------

float Analog_In_raw = 0; //pHメータからのアナログ入力(生)
int Analog_In = 0; //pHメータからのアナログ入力(10回の平均)

void setup() {
 Serial.begin(9600); 
}

void loop() {
  Analog_In_raw  = 0;
  for (int i=0; i<200; i=i+1){
  Analog_In_raw  = Analog_In_raw + analogRead( 0 );
   }
  Analog_In = Analog_In_raw / 200;
  Serial.println( Analog_In );

delay (1000);
}

--------
出力される電圧値は若干ばらつきが大きいので、200回の平均値をシリアルモニタに出力している。

9.16, 6.08, 4.01のpH標準液を測定して相関性を確認したら、きれいな直線だった。

Photo
これは使えるぜ。と思わずニヤリ。以下、次号。

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