Un pH-metre al laboratori de secundària

És possible que molts laboratoris de secundària disposin d’un ph-metre, fins i tot que es pugui connectar a un datalogger com és el cas del Multilog (ara EinsteinWord), DRDAQ o altres sistemes d’adquisició de dades, però també és possible que no sigui així, o que la sonda de pH tingui més de dos anys d’antiguitat i ja no funcioni bé. En tots dos casos és possible que us sigui d’interès aquesta entrada al bloc.

Les sondes de pH necessiten ser tractades amb cura, però tot i això desprès d’un any i mig o dos ja no funcionen bé i s’han de substituir. L’ultima sonda de pH de plàstic amb connector BCN que vaig comprar a una casa de material didàctic per a utilitzar-la amb el Multilog va costar més de 80 euros. Abans, quan no hi era l’internet desenvolupat resultava molt difícil sostreure a comprar als comercials de les cases de material de laboratori o didàctic, però ara és fàcil comparar preus i comprar millor (i més barat). Ara es troben a la www en empreses de material de laboratori ubicades a España elèctrodes de pH des de 50 € en funció de que siguin de plàstic, de vidre, reomplibles o no, etc. (per exemple, en Tecnilab).

Però si el que es vol és una sonda de pH per un laboratori escolar o per a mesurar el pH d’una piscina podem dirigir-nos a botigues emmarcades en agregadors com Amazon (des de 10 €), Ebay (des de 6 €) o Aliespress (des de 3 €), demanant per sonda o elèctrode de pH. En general funcionen de meravella per fer les valoracions que habitualment es fan als laboratoris escolars.

Si no teniu cap pH-metre al laboratori llavors el que s’ha de fer és comprar un kit per connectar-lo a una placa Arduino o similar, de manera que disposareu d’un pH-metre per un preu inigualable. En aquest cas s’ha de buscar per sonda pH Arduino en qualsevol de les plataformes d’internet i trobareu el conjunt de la sonda i el mòdul de connexió a la placa a partir de 9 €, depenent d’on el compreu.

Conservació dels elèctrodes de pH

Com he dit abans, la vida mitjana d’un elèctrode de pH és d’any i mig a dos anys, depenent de l’ús i el manteniment que es faci. Per exemple, les altes temperatures o mitjans alcalins escurcen la seva vida.

Si heu comprat un pH-metre i al retirar la tapa protectora de la punta apareixen dipòsits de sal no cal alarmar-se, és normal i desapareixeran al netejar l’elèctrode amb aigua destil·lada.

Per emmagatzemar els elèctrodes de pH s’ha d’utilitzar sempre la tapa o caputxó protector ple de líquid, ja que la membrana de l’elèctrode mai ha de quedar seca, i mantenir-los a una temperatura ambient d’entre 15 ºC a 25 ºC (una mica difícil a Lleida al Nadal o a l’estiu).

Com a líquid s’ha de fer servir un solució d’emmagatzematge d’elèctrodes, normalment clorur de potassi de 3 mol/L, o solució tampó de pH 4.01. Mai utilitzeu aigua destil·lada!.

Per netejar els elèctrodes de pH després del seu ús, s’ha se fer amb aigua abundant i a continuació assecar-los amb un paper suau sense fregar l’elèctrode, encara que en algunes situacions caldrà usar una solució netejadora d’elèctrodes quan l’aigua no sigui suficient per eliminar les restes de la mostra.

La sonda de pH per Arduino

A internet venen sondes de pH amb l’electrònica necessària per connectar-se a la placa Arduino com les de la fotografia de sota (DIY MORE PH-4502C). La connexió entre la sonda i la placa del pH-metre és de tipus BCN.

Característiques de la placa del pH-metre

Voltatge de treball: 5 ± 0,2 V (AC – CC)
Corrent de treball: 5-10 mA
Interval de detecció del pH: 0 – 14
Interval de detecció de la temperatura: 0 – 60 graus centígrads
Temps de resposta: ≤ 5 s
Temps d’estabilitat: ≤ 60 s (necessita escalfar-se per a donar valors estables)
Consum elèctric: ≤ 0,5 W
Temperatura de treball: -10 a 50 ºC (temperatura nominal de 20 ºC)
Humitat de treball: 95 % HR (humitat nominal 65% HR)
Mida: 42mm x 32mm x 20mm
Pes: 25g

Els pins de la plaqueta corresponen a.

To: Temperatura
Do: Senyal del límit de pH
Po: Valor de pH en V (La sortida de la senyal és analògica)
G: Massa del circuit analògic
G: Massa de l’alimentació
V+: Alimentació (5V)

Característiques de la sonda de pH:

Rang de pH: 0 – 14
Punt zero: 7 ± 0,5 pH
Error d’àlcali: 0.2 pH
Resistència interna: ≦ 250 MΩ
Temps de resposta: ≦ 1min
Temperatura de funcionament: 0 – 60 ºC
Connector BNC adequat per a la majoria de comptadors i controladors de pH.

La connexió de la sonda de pH i Arduino

Per connectar amb Arduino necessitarem una entrada analògica (A0) on connectar el pin Po, alimentació (5V) i dues GND que al circuit del sensor estan separades però que es pot usar la mateixa. A sota hi és l’esquema de connexió i més a baix la fotografia.

El projecte de pH-metre

El projecte de pH-metre i la seva calibració els he obtingut de l’entrada Cómo usar un sensor de pH con Arduino de David Cervantes Caballero en Scidle. Aquest sensor no necessita cap llibreria per a funcionar, però per estabilitzar els valors que obté el sensor el projecte realitza 10 mesures i en fa la mitjana de les sis més centrades.

La sortida de dades del mòdul electrònic del ph-metre és analògica i la placa Arduino disposa d’entades analògiques pures, així que funciona molt bé, però en el cas de les plaques amb el microprocessador esp32, com és el Wemos D1 R32, les entrades analògiques són en realitat digitals que fan la reconversió de la senyal a analògica, però no ho fan prou bé, així que el pH-metre no funciona bé amb aquest tipus de placa. Per a que funcionés bé s’hauria d’incorporar un conversor analògic-digital entre el pH-metre i la placa. És per això que la meva recomanació és utilitzar només plaques Arduino i, si és el cas, afegir-li un bluetooth com el HC-06.

El projecte el podeu baixar de sketch_pH_medir.zip o copiar el codi de sota a l’IDE d’Arduino. El projecte incorpora una recta de calibració pel meu pH-metre, que probablement no serà el que vosaltres compreu, així que us recomano que calibreu el pH-metre com indico en l’apartat següent i modifiqueu l’equació amb les vostres dades.

//Medir pH 
//Sensor PH-4502C
//Proyecto basado en la entrada de David Cervantes Caballero
//https://scidle.com/es/como-usar-un-sensor-de-ph-con-arduino/

const int analogInPin = A0; 
int sensorValue = A0; 
unsigned long int avgValue; 
float b;
int buf[10],temp;

void setup() 
{
 Serial.begin(9600);
}
void loop() 
{
  //Promediar diez medidas
 for(int i=0;i<10;i++) 
 { 
  buf[i]=analogRead(analogInPin);
  delay(10);
 }
 for(int i=0;i<9;i++)
 {
  for(int j=i+1;j<10;j++)
  {
   if(buf[i]>buf[j])
   {
    temp=buf[i];
    buf[i]=buf[j];
    buf[j]=temp;
   }
  }
 }
 avgValue=0;
 for(int i=2;i<8;i++)
 avgValue+=buf[i];
 
 float pHVol=(float)avgValue*5.0/1024/6; 
 float phValue = -6.13 * pHVol + 22.11;
 
 Serial.print("pH = ");
 Serial.println(phValue);
 
 delay(2000);
}

Cal libració del pH-metre

Podem observar que en el circuit electrònic hi ha dos potenciòmetres de color blau. El que està més a prop del connector BNC de la sonda és el que regula l’offset, l’altre és el del límit de pH.

Offset: El rang de mesures de la sonda de pH oscil·la entre valors negatius i positius i el 0 representa un pH de 7,0. Per poder utilitzar la sonda amb Arduino el circuit electrònic modifica el valor mesurat per la sonda i envia només valors positius de tensió.

Límit de pH: Aquest potenciòmetre, que no utilitzarem, és per establir un valor límit del circuit del sensor de pH que fa que el LED vermell s’encengui i el senyal de pin Do es posi en ON.

Per calibrar el pH-metre s’ha de carregar el projecte sketch_pH_calibrar.zip o pegar el següent codi en l’IDE d’Arduino, que serveix per obtenir els voltatges que subministra el sensor de pH

//Calibrar sensor pH 
//Sensor PH-4502C
//Proyecto basado en entrada de David Cervantes Caballero
//https://scidle.com/es/como-usar-un-sensor-de-ph-con-arduino/

const int analogInPin = A0; 
int sensorValue = A0; 
unsigned long int avgValue; 
float b;
int buf[10],temp;

void setup() 
{
 Serial.begin(9600);
}
void loop() 
{
  //Promediar diez medidas
 for(int i=0;i<10;i++) 
 { 
  buf[i]=analogRead(analogInPin);
  delay(10);
 }
 for(int i=0;i<9;i++)
 {
  for(int j=i+1;j<10;j++)
  {
   if(buf[i]>buf[j])
   {
    temp=buf[i];
    buf[i]=buf[j];
    buf[j]=temp;
   }
  }
 }
 avgValue=0;
 for(int i=2;i<8;i++)
 avgValue+=buf[i];
 
 float pHVol=(float)avgValue*5.0/1024/6; 

 Serial.println(pHVol);

 delay(2000);
}

A continuació s’han de fer dues coses. Una és connectar a la placa Arduino només la placa amb el circuit electrònic sense la sonda de pH i carregar el projecte de calibració. A continuació s’ha de curtcircuitar amb un cable petit la part interna del connector BNC amb la exterior i modificar el valor que dóna el pin Po, que es el que es veu en el monitor sèrie de l’IDE d’Arduino, ajustant amb un tornavís el potenciòmetre Offset perquè sigui 2,5 V.

La segona és mesurar el voltatge que dona el sensor de pH per a dos o tres valors de referència de pH, una vegada connectada la sonda i calcular la línia de calibratge. El més recomanable és utilitzar solucions de calibratge en sobre (també n’hi ha en líquid però és més fàcil conservar les de sobre). Aquestes solucions es venen (a bon preu, 4 € el lot) en diferents valors encara que els més comuns són pH 4.01, pH 6.86 i pH 9.18.

Utilitzant els sobres amb pH 4,01, pH 6,86 i pH 9,18 he obtingut els voltatges 2,96, 2,47 i 2,12 respectivament. El sensor és lineal per la qual cosa la fórmula per calcular el pH és y = mx + b, que es pot obtenir de l’equació de la línia de tendència al representar gràficament els valors en un full de càlcul.

El resultat que dóna és y = -6,13 x + 22,11, on y = pH i x = voltatge, i és l’equació que he introduït en el codi del projecte. Cadascú ha de fer el mateix amb el sensor i la sonda de que dispongui.

Gràfica del pH vers el voltatge

 


 

Deixa un comentari

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

Esteu comentant fent servir el compte WordPress.com. Log Out /  Canvia )

Google photo

Esteu comentant fent servir el compte Google. Log Out /  Canvia )

Twitter picture

Esteu comentant fent servir el compte Twitter. Log Out /  Canvia )

Facebook photo

Esteu comentant fent servir el compte Facebook. Log Out /  Canvia )

S'està connectant a %s

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir els comentaris brossa. Apreneu com es processen les dades dels comentaris.