Тема 6. Методика проектирования рН-метров.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

Рассмотрим структуру, принцип построения и особенности проектирования аналитических потенциометрических приборов на примере разработки цифрового рН-метра-милливольтметра. В качестве прототипа для разработки выберем рН-метр типа рН-150.

В общем случае процесс проектирования аналитического измерительного прибора состоит из следующих этапов:

1. Постановка задачи – формулировка цепи и задач проектирования, формирование вектора технических требований.

2. Системные требования:

– выбор аналитического измерительного процесса, выбор способа преобразования, первичных измерительных преобразователей и измерительно-вычислительного устройства;

– нахождение математической модели аналитического измерительного процесса, выбор показателей качество (по точности, быстродействию);

3. Разработка технических и программных средств:

– разработка общей структурной схемы;

– разработка общей функциональной схемы прибора;

– разработка принципиальных схем прибора.

4. Реализация

– изготовление макетов, отладка и испытания;

– написание программ и их отладка.

5. Комплексные проверки функционирования:

– проверка и исправление ошибок в технических средствах и программном обеспечении;

– исправление ошибок совместного функционирования технических и программных средств;

– метрологическая аттестация прибора.

6. Разработка рабочей конструкторской документации образца.

7. Изготовление образца.

8. Метрологическая аттестация и межведомственные испытания образца.

9. Корректировка конструкторской документации по результатам испытаний.

Покажем, как некоторые из этих этапов реализуются на примере проектирования рН-метра.

Этап 1 – Постановка задачи.

Целью проектирования является создание портативного с автономным питанием прибора, который может быть использован в научно-исследовательских институтах и заводских лабораториях различных отраслей промышленности. В том числе на предприятиях пищевой, в частности, мясной и хлебопекарной промышленности, санитарно-эпидемиологических станциях, станциях экологического контроля водной среды, а также для контроля технологических процессов в различных отраслях промышленности.

РН-метр предназначен для измерения активности ионов водорода (рН), окислительно-восстановительного потенциала (Еh) и температуры водных растворов. Измерение величин рН, Еh осуществляется с помощью измерительного преобразователя и набора электродов. Температура измеряется с помощью термометрических датчиков сопротивления.

При формировании основных требований, предъявляемых к проектируемому прибору, разработчик должен ознакомиться со стандартом на разработку приборов данного типа. В частности, для рН-метров сформированные требования должны соответствовать требованиям ГОСТ 22261-82.

Основные технические требования к рН-метру:

1. рН-метр должен обеспечивать визуальный отсчет значений измеряемых величин рН, Еh и температуры в цифровой форме в единицах рН, мВ, º С.

2. Питание рН-метра должно осуществляться автономно от всроенных источников ( 2-х батареек типа «Корунд» или аккумулятора типа 7D-0, 115-V1.1) с напряжением питания от 5, 4 до 9 В.

Время непрерывной работы рН-метра от одного комплекса батарей «Корунд» – не менее 80 г при режиме работы не более 4 г в сутки. Максимальное потребление тока от каждой батареи – не более 10 мА.

Необходимо предусмотреть питание прибора от сети 220 В, частотой 50 Гц через специальный блок сетевого питания, входящего в комплект рН-метра.

3. Диапазоны измерения и цены единиц младшего разряда соответствуют значениям, указанным в таблице.

Таблица

Измеряемая величина	Единица измерения	Диапазон измерений	Цена единицы младшего разряда
Активность ионов водорода	рН	-19, 99 – +19, 99	0, 01
Окислительно-восстановительный потенциал	мВ	-1999 – +1999	1, 0
Температура анализируемой среды	º С	-10 – +100	1, 0

4. В рН-метре должна быть предусмотрена ручная и автоматическая температурная компенсация. Диапазон термокомпенсации от -10 до -100 º С.

5. Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешности.

Таблица

Измеряемая величина	Предел допускаемой основной погрешности прибора	Пределы допускаемой дополнительной погрешности в долях предела допускаемой основной погрешности измерительного преобразователя
Влияющая величина
Измер. преобраз-ь	рН-метр	Температура окружающего воздуха 5–10 º С	Температура окружающей среды -10–+100 º С	Сопротивление измерительного электрода 0–1000МОм
Активность ионов водорода, рН	±0, 02	±0, 05	1, 5 на каждые 10 º С	1, 5	1, 5 на каждые 500 Мом
Окисли-тельно-восстано-вительный потенциал, мВ	±3	–	1, 0 на каждые 10 º С	–	1, 0 на каждые 500 Мом
Температу-ра анали-зируемой среды, º С	±2	±2	0, 5 на каждые 10 º С	–

6. Допускаемая величина сопротивления измерительного электрода – не более 1000 МОм.

7. Допускаемая величина сопротивления вспомогательного электрода – не более 20 кОм.

Этап 2 – Системные требования.

В режиме измерения активности ионов водорода рН-метр обеспечивает работу с электродами системами, э.д.с. которых соответствует следующему уравнению:

где Е – э.д.с. электронной системы, мВ;

Е_U, pH_U – координаты изопотенциальной точки электродной системы;

pH – активность ионов водорода;

S_t – крутизна характеристики электродной системы, мВ/рН.

Значение S_t определяется выражением

где t – температура анализируемой среды, º С.

В режиме измерения активности ионов водорода рН-метр должен обеспечивать настройку на параметры электронной системы, приведенные в таблице.

Таблица

Крутизна S характеристики электродной системы при t = 20 º С, мВ/рН	Координаты изопотенциальной точки Е_U, мВ	Координаты изопотенциальной точки pH_U, pH
от -56 до 59, 5	-25+(4, 25–pH_U)∙ 58, 2±20	от 3, 6 до 5, 6

Приведенные выше требования обеспечиваются стеклянными, хлорсеребряными и платиновыми электродами. Исходя при выборе типов электродов из этих требований выбираем следующие электроды:

1. Для измерений рН:

– измерительные электроды стеклянные лабораторные типа ЭСЛ-15-11, типа ЭСЛ-45-11;

– измерительные электроды стеклянные комбинированные лабораторные типа ЭСКЛ-08.

2. Для измерения Е_U:

– измерительные электроды платиновые лабораторные типа ЭПЛ-02;

– измерительные электроды платиновые комбинированные лабораторные ЭПКЛ-03;

3. В качестве вспомогательных используются хлорсеребряные электроды типа ЭВЛ-1М4.

Рисунок – Схемы подключения электродной системы при измерении рН (а)

и при измерении Еh (б)

Этап 3 – Разработка технических средств: структурной, функциональной и принципиальной электрической схем.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒