Danas su nabavljena dva stolna pH metra slovenskih proizvođača IEV i Iskra, oba pod oznakom MA 5701 s početka 1960-tih godina. Razlika između ova dva modela pH metra je samo u tipu kućišta i sukladno tome unutarnjoj montaži i rasporedu elemenata, dok je elektronička shema u oba slučaja potpuno identična.
Poduzeće IEV vuče korijene iz 1943. godine kada su pokrenute prve radionice za radio uređaje na oslobođenom području Slovenije, no formalno je IEV osnovan 1948. godine, da bi već 1961. godine bio pripojen poduzeću ISKRA-Kranj. Poduzeće ISKRA pak vuče korijene iz 1946. godine te je sve do danas prisutno na tržištu sa sjedištem u Ljubljani i sa nešto preko 1100 zaposlenika. Kroz čitavo razdoblje postojanja nudi širok spektar proizvoda iz područja elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija, energetike, automatizacije i tome srodnih proizvodnih grana.
PH mjerači (često se nazivaju i mjerači kiselosti) mjere koncentraciju negativnih vodikovih iona u nekoj otopini ili u polukrutim tvarima. Koncentracija iona vodika određuje stupanj kiselosti te tekućine. Način mjerenja temelji se na principu mjerenja razlike električnog potencijala (napona) između dvije elektrode uronjene u mjerenu tekućinu koja se ponaša kao elektrolit. Te dvije elektrode kod pH mjerača se najčešće zovu referentna i indikatorska. Svojstvo referentne elektrode je da ima točno poznat i stalan elektrodni potencijal koji je neovisan o sastavu otopine u koju je uronjena. Ova elektroda služi samo za zatvaranje mjernog strujnog kruga sa indikatorskom elektrodom i mora imati uvijek isti napon u svim uvjetima mjerenja. Referentna elektroda električki gledano dakle stvara samo neki naponski potencijal prema indikatorskoj elektrodi da bi mjerenje napona sa indikatorske elektrode uopće bilo moguće. Indikatorska elektroda pak proizvoditi napon koji je izravno proporcionalan količini iona vodika u otopini i ta elektroda je u biti mjerna elektroda.
Kao referentne elektrode najpoznatije su vodikove, kalomel i srebro/srebro-klorid elektrode. Osnovna podjela indikatorskih elektroda pak je na kovinske i membranske. Vidimo da na našem pH metru MA 5701 imamo priključnice za referentnu kalomel elektrodu (KAL. EL.) i indikatorsku staklenu elektrodu (STEKL. EL.) koja spada u membranske tipove indikatorskih elektrodi. Često se koriste i kombinirane elektrode koje su kombinacija referentne i indikatorske elektrode u jednom kućištu, a takva elektroda se onda spaja samo na konektor za indikatorsku elektrodu (STEKL. EL.). Koaksijalni konektor STEKL. EL. naime sadrži oba priključka (referentni i mjerni) tako da je spreman za spajanje kombinirane ili zasebne indikatorske elektrode (samo unutarnji priključak). Priključnicom za uzemljenje povezuje se metalno kućište pH metra sa metalnim nosačima elektrodi da se eliminiraju eventualne smetnje. Ukoliko pH metar koristimo za izravno mjerenje napona (mV) onda se isti može dovesti preko BNC priključnice STEKL. EL. (unutarnji i vanjski koaksijalni kontakt) ili na unutarnji koaksijalni kontakt STEKL. EL. i priključnicu KAL. EL.
Zasićena kalomel elektroda ima standardni potencijal 244 mV pri 25 °C, a na staklenoj indikatorskoj elektrodi pri istoj temperaturi nastaje napon od 59,16 mV po jedinici pH. Napon na indikatorskoj elektrodi nastaje kao posljedica aktivnosti vodikovih iona koji se kroz posebni kemijski filtar (membranu) propuštaju na aktivnu supstancu elektrode. Taj napon je na skali instrumenta izravno prikazan (pretvoren) u pH vrijednosti. PH vrijednosti se iskazuju u rasponu od 0 do 14. Za pH=7 vrijednost napona je nula volti, a krajnje vrijednosti napona su +414,12 mV za pH=0, odnosno -414,12 mV za pH=14. Otopina sa pH 7 je dakle neutralna, vrijednosti ispod pH 7 ukazuju na kiselost otopine, a otopine sa pH vrijednosti iznad 7 su lužnate (alkalne, bazične).
Naponi koje smo naveli jako ovise o temperaturi otopina i rastvora sa kojima se radi, a također ukoliko se koristi neki drugi tip elektroda one će davati neke druge napone. Stoga je kod pH metra izuzetno važno prije mjerenja izvršiti kalibracije glede temperature te osjetljivosti i drugih svojstava elektroda jer u protivnom mjerenje neće biti točno. Na našem pH metru uočavamo dva potenciometra za kalibraciju.
Potenciometrom sa oznakama temperatura 0 – 80°C vrši se temperaturna kompenzacija. Termometrom se izmjeri temperatura rastvora u koji su uronjene elektrode te se potenciometar postavi na vrijednost izmjerene temperature (tolerancija do 5°C je prihvatljiva). Ovo je obično potenciometar kojim se djeluje na pojačanje pojačala ili je spojen kao predotpor (djelitelj napona) prema mjernom instrumentu. Ovim potenciometrom se može korigirati prikazana vrijednost u rasponu 0,7 pH.
Potenciometrom AP (asimetrični potencijal) kompenziramo napon referentne elektrode na nulu kako bi se mjerio samo napon koji proizvodi indikatorska elektroda. Također, ako se koristi kombinirana elektroda, napon na istoj bi trebao biti nula ukoliko se s obje strane membrane nalaze identične otopine i referentne elektrode. Međutim, zbog određenih faktora može se svejedno pojaviti neki mali asimetrični napon na elektrodama pa je i takvu kombiniranu elektrodu prije svakog mjerenja potrebno baždariti. Potenciometar AP je obično djelitelj napona vezan između pozitivnog i negativnog pola napajanja kojim se jedan ulaz u (diferencijalno) mjerno pojačalo postavlja na odgovarajući potencijal (različit od nule – mase). Ovaj potenciometar je uključen kod obje vrste mjerenja, pH i mV, čime je i mjerenje mV prilagođeno elektrokemijskim mjerenjima gdje su često potrebne kalibracije napona na elektrodama. Ovim potenciometrom se može korigirati prikazana vrijednost u rasponu 2,7 pH odnosno u rasponu 160 mV na x1 opsegu ili 40 mV na x4 opsegu.
Potenciometar za kalibraciju nule označen sa 7/0 pak je potenciometar kojim se kalibrira električka nula diferencijalnog mjernog pojačala. Naime, znamo da diferencijalno pojačalo pojačava razliku potencijala na dvama ulaznim pinovima. To znači da ukoliko na ulazima nema napona ili su naponi isti na izlazu bi napon trebao biti nula. Tehnički gledano ni jedno pojačalo nije savršeno pa se na izlazu može pojaviti neki mali napon iako na ulaznim pinovima nema razlike napona. Ta pojava se kompenzira potenciometrom 7/0. Ovim potenciometrom može se korigirati nula u rasponu 5,2 pH ili 300 mV na x1 odnosno 75 mV na x4.
Preostala nam je glavna sklopka za odabir vrste mjerenja. Na lijevoj strani su opsezi za pH mjerenja (kiseline 0-8 i lužine 6-14) sa neutralnim položajem 7 za baždarenje kazaljke na oznaku 7 (napon nula). Na desnoj strani su opsezi za opće mjerenje napona (x1 i x4) sa neutralnim položajem 0 za baždarenje kazaljke na oznaku 0 (napon nula). U položajima 7 i 0 je calomel (negativna) elektroda spojena na masu i tu se potenciometrom također označenim sa 7/0 prije mjerenja kazaljka instrumenta električki postavlja na oznaku skale 7/0, odnosno mjerno pojačalo se kalibrira na izlaz nula kada na ulazima nema razlike potencijala.
Mjerno pojačalo pH metra MA 5701 bazira se na četiri elektronske cijevi:
- dvostruka trioda E80CC
- pentoda E80F
- pentode E80F
- stabilizatorka napona OA2 (150/30)
Mjerna pojačala za pH metre su obično osjetljiva diferencijalna pojačala kakva srećemo i primjerice u nekim cijevnim voltmetrima. Takva pojačala se najčešće baziraju na dvostrukoj triodi, no mogu biti izrađena i sa dvije pentode kao i sa više kombinacija trioda i pentoda. MA 5701 bi trebao biti električki isti kao i pH metar MA 5702 s početka 1970-tih godina, a razlika je samo u tome što su kod MA 5702 elementi montirani na tiskanu pločicu. Dvostruka trioda E80CC je u tom slučaju DC voltmetar u spoju diferencijalnog pojačala sa instrumentom vezanim u katodnoj sprezi. Obje pentode E80F su vezane za rad kao triode (druga mrežica izravno spojena na anodu). Jedna pentoda E80F radi kao DC pojačalo ulaznog napona za prvu sekciju dvostruke triode diferencijalnog pojačala kako bi se povećao unutrašnji otpor i osjetljivost voltmetra, a druga pentoda je u krugu podešavanja određenog potencijala za drugu sekciju dvostruke triode diferencijalnog pojačala.
Sve elektronske cijevi nose oznaku “special quality” što označava životni vijek preko 10 000 sati. Između elektronke OA2 i žičanog otpornika uočava je još jedna komponenta koja jako nalikuje sijalici, posebice jer na sebi ima oznaku OSRAM. Ovdje se zapravo radi o tzv. Urdox otporniku.
Urdox otpornici u početku su se proizvodili kao kapsule ili štapići od uran dioksida zatvoreni u staklene tubice te im otuda i naziv Urdox (skraćeno od Uranium dioxide), a ponašali su se kao otpornici sa negativnim temperaturnim koeficijentom (NTC). Takvim otpornicima je otpor u hladnom stanju najveći, a sa zagrijavanjem pada, te u nekom radnom režimu poprime neku određenu vrijednost koja se zatim više praktički ne mijenja. Kao takvi služili su za ograničenje struje (pojavu velikih strujnih pikova) kod prvog ukapčanja hladnih grijačih niti elektronki na napajanje, odnosno za postepeno i stabilizirano zagrijavanje žarnih niti elektronki spojenih u seriju.
Kasnije (od sredine 30-tih godina prošlog stoljeća) počeli su se izrađivati otpornici od željezne otporne niti zatvorene u stakleni balon napunjen vodikom, a ponašali su se kao otpornici sa pozitivnim temperaturnim koeficijentom (PTC). Ovakvi otpornici nazivali su se “regulatorke” ili “željezo u vodiku”. Loša strana takvih regulatora je to što su toplotno dosta inertni te spoto reagiraju na promjene struje, odnosno s uspjehom djeluju samo onda kad promjene struje nisu nagle. Vodik je služio za sprječavanje oksidacije željezne niti i za pospješivanje zagrijavanja niti kako bi ista imala što brži odziv na promjene struje. Kao takvi ovi otpornici služili su za stabilizaciju velikih fluktuacija napona napajanja koji su tada bili česti u mreži. Sa pravilno izabranim režimom rada ovi otpornici bi uspješno regulirali pogonski napon čak i kod njegovog dvostrukog povišenja, a i u slučaju ako on nešto padne ispod svoje vrijednosti.
Također, u kombinaciji sa željezo-vodik otpornikom (PTC), u istu staklenu cijev mogao je biti ugrađen i uran dioksid otpornik (NTC). PTC otpornici kasnije su se počeli proizvoditi kao zasebni elementi od manje osjetljivih materijala ali su se svejedno još do 60-tih godina ugrađivali u staklene balone (vjerojatno zbog kompatibilnosti kod zamjene) te se i zadržao naziv Urdox. Također, negdje se za ove otpornike koristi i naziv “barretter” jer jer princip rada sličan barretterima koji su se koristili za detekciju radio signala u prvim radio prijemnicima.
U svakom slučaju u naš uređaj ugrađen je željezo-vodik (PTC) Urdox otpornik dizajniran za napone 5,5-16,5V i struju od 0,45A te u serijskom spoju sa krugom grijanja elektronskih cijevi služi za stabilizaciju napona, odnosno osiguranje konstantne struje 0,45A u rasponu napona 5,5-16,5V.
pH meter MA 5701 – sivo kućište (stariji tip)
Detaljnijim pregledom uočeno je da dva potenciometra za baždarenje na prednjoj ploči nisu u funkciji: jedan je blokiran i ne može se okretati, a drugi se okreće sa cijelim svojim kućištem umjesto samo na osovini. Prijašnji vlasnik ga je čini se toliko okretao da su se potrgale sve žice koje su bile vezane na istog. Do sada sam već naišao na slučajeve blokiranih potenciometara na uređajima (posebice na audio miksetama) koji su se jednostavno “zapekli” od godina nekorištenja i izloženosti prljavštini i vremenskim utjecajima. Međutim, kod takvih slučajeva česti problem predstavlja i mazivo koje je stavljeno na osovine potenciometara, a koje tijekom vremena izgubi svoja svojstva (osuši se) i tada zapravo više djeluje kao ljepilo nego kao mazivo (posebice ako se ti podmazani pokretni dijelovi desetljećima ne pomiču). Za popravak naših potenciometara potrebno je do kraja rastaviti kućište pH metra, pri čemu veseli originalna tvornička plomba na vijku kućišta što znači da uređaj još nije bio rastavljan od izlaska iz tvornice prije nekih 50-tak godina.
Originalni potenciometri vrlo su kvalitetno i robusno napravljeni ali je za rastavljanje istih bilo potrebno skinuti dvije mjedene zakovice. Osovina blokiranog potenciometra se jedino čekićem mogla izbiti iz kućišta, a uzrok tako čvrste zapečenosti je mazivo koje se kroz desetljeća osušilo i pretvorilo u čvrstu slijepljenu masu između osovine i njenog ležišta u kućištu potenciometra. Kod rastavljanja potenciometra uočeno je da je potrgan i jedan kontakt istoga. S obzirom da je ostalo još dovoljno kontakta za lemljenje taj spoj je popravljen kako se vidi na donjoj slici. Osovina i ležište su očišćeni i podmazani, otporni sloj je također očišćen, te se potenciometar može sklopiti. Odgovarajuće male mjedene zakovice teško je pronaći nove ali spoj se može improvizirati prikladnom bakrenom žicom, vijcima i sl. Svi otpornici u ovom uređaju dizajnirani su za snage 1W ili više, pa su umjesto jednog jačeg otpornika od 51 Ω (kojeg trenutno nisam imao na lageru) stavljena dva od 100 Ω vezana paralelno.
Uređaj je sklopljen i prije uključivanja provjeren ommetrom. Otpor na mrežnim priključnicama iznosio je ogromnih cca 20 MΩ. Problem je pronađen u oksidiranom ležištu osigurača na mrežnom transformatoru, te je nakon čišćenja izmjereno prihvatljivih 110 Ω. Nakon uključenja sve elektronske cijevi počele su se žariti, a nježno crveno usijanje moglo se u početku uočiti i na željeznoj niti Urdox otpornika. Ispitivanjem je utvrđeno da sve kontrole rade uključujući i popravljeni potenciometar za namještanje nule na skali kod mjerenja pH vrijednosti. Instrument je testiran s naponima od 10 do 300 mV na ulazu sonde (BNC konektor) na opsezima x1 i x4 te je ustanovljeno da je vrlo precizan.
Za testiranje točnosti ili kalibraciju voltmetara i sličnih mjernih instrumenata nisu vam nužno potrebni skupi izvori kalibracijskih napona. U konkretnom slučaju, za testiranje naših pH metara koristili smo standardnu bateriju 1,5 V i obični potenciometar 100 kΩ kao djelitelj napona te digitalni multimetar (DMM) kao kontrolni voltmetar, sve spojeno prema prikazanoj shemi. Potenciometar može biti bilo koji otpora 10-100 kΩ kako struja kroz njega ne bi bila nepotrebno velika (I = U/R = 1,5/100000 = 15 µA). Čak i sa običnim potenciometrom možete namjestiti izlazni napon sa rezolucijom boljom od 1 mV, a ukoliko upotrijebite kakav višeokretni potenciometar namještanje napona će biti lakše i finije.
pH meter MA 5701 – bijelo/plavo kućište (noviji tip)
Kod ovog primjerka pH metra došlo je do odvajanja stakla mjernog instrumenta od okvira te je kod svakog pomicanje uređaja postojala opasnost da staklo svojim pritiskom ošteti kazaljku, skalu i zakretni mehanizam instrumenta. Stoga smo prvo oprezno rastavili uređaj, demontirali instrument i u konačnici rastavili i njega. Staklo je bilo dugo odvojeno te je u unutrašnjost instrumenta već ušla prašina, prljavština i insekti što je ostavilo traga na skali. Očistili smo unutrašnjost instrumenta koliko god je to bilo moguće, zalijepili staklo, te nakon provjere funkcionalnosti zakretnog svitka sve ponovno vratili na mjesto. U pH metre MA 5701 je inače ugrađen mjerni instrument njemačke tvrtke GOSSEN.
Kod ovog pH metra sve funkcije nisu radile kako treba. Voltmetarska i pH mjerna područja uspjeli smo dotjerati trimer potenciometrima sa zadnje strane kućišta. Ovim potenciometrima se namješta osjetljivost i linearnost (strmina) odziva mjernog instrumenta na ulazni napon tako da je potrebno naći ispravan balans između ova dva podešavanja. Ipak, iz nekog razloga potenciometar AP nema utjecaj na mV opsege (x1 i x4), a i opseg regulacije potenciometrima AP i 7/0 nije isti kao kod prethodno opisanog pH metra MA 5701.
S obzirom da imamo dva električki identična pH metra od kojih je jedan ispravan, lako se može pokušati pronaći kvar metodom eliminacije. Prvo se zamijene sve elektronke, pa ukoliko problem ostane, preostaje još provjeriti svega nekoliko otpornika koji su uredno montirani na svojoj pločici. Ako ni to ne ukaže na grešku mogu se odspojiti i provjeriti svi potenciometri i sklopka, te u krajnjem slučaju i ožičenje.
No svi ovi zahvati u određenoj mjeri traže intervenciju na originalnim spojevima, ožičenjima i montažnim elementima te je potrebno odvagati ima li uopće smisla popravljati ovaj instrument ili ga je bolje sačuvati u izvornom obliku. U ovoj fazi nas čeka još puno drugih uređaja iz kategorije dobre stare elektronike pa nećemo previše vremena posvećivati ovom uređaju, a jednog dana tko zna… Možda se i vratimo ponovno na ovaj pH metar radi popravka, restauracije, prenamjene ili u najgorem slučaju posudbe kakvih dijelova. Sve ovisi o trendovima i prilikama koje će pratiti zanimanja za ovakve stare cijevne uređaje općenito, a kako stvari trenutno stoje, amaterska i hobi elektronika je odavno skrenula s tog puta i usmjerila se na softverski definirane sklopove.
Danas su u prodaji digitalni pH metri koji u jednom kućištu kombiniraju više sondi i senzora za istovremeno mjerenje velikog broja parametara različitih tekućina i otopina (pH vrijednost, temperatura, oksidokoredukcijski ili redox potencijal, konduktivnost ili vodljivost, razina kisika, salinitet i dr.). Također, mogu biti opremljeni sondama koje su izrađene za različita specijalna mjerenja tekućih i polukrutih tvari: za tekućine (od vode do agresivnih kiselina), za sve vrste tla (određena vlažnost uvijek mora biti prisutna), za prehrambenu industriju (meso, mlijeko, salama, sir), za galvansku tehnologiju (količina kiseline u kadama za galvanizaciju), u kozmetici i medicini (krv, kosa, koža), u laboratorijima itd. Digitalna tehnologija omogućuje memoriranje i logiranje vrijednosti, a u neke uređaje specijalizirane za mjerenje parametara tla ugrađen je i GPS. Ne treba spominjati njihove mogućnosti automatskih rekalibracija i temperaturnih kompenzacija. Pa ipak, pokušajte zaviriti ispod kućišta jednog takvog modernog pH metra veličine kutije cigareta u kojem nećete pronaći drugo nego hrpu neuglednih malih crnih kvadratića kod kojih je teško razlikovati čak i mikroprocesor od operacionog pojačala, a zatim isto tako zakoračite u unutrašnjost jednog vintage lampaškog stroja kakav je predstavljen u ovoj objavi. Svaki komentar vezan uz ove dvije usporedbe je suvišan. Ali i dobrodošao 🙂