Danas je nabavljen stolni pH metar slovenskog proizvođača Iskra pod oznakom MA 5703 iz 1980-tih godina.
Tvrtka Iskra vuče korijene iz 1946. godine te je sve do danas prisutna na tržištu. Možemo reći da se radi o jednoj od najuspješnijih i najdugovječnijih tvrtki sa područja bivše Jugoslavije koja je preživjela procese restrukturiranja i privatizacije tijekom 1990-tih godina te otada bilježi tendenciju ponovnog rasta, razvoja i širenja na svjetska tržišta. Kroz čitavo razdoblje postojanja nudi širok spektar proizvoda iz područja elektronike, elektrotehnike, telekomunikacija, energetike, automatizacije, električnih alata i uređaja i tome srodnih proizvodnih grana.
Dva slična Iskrina pH metra već smo opisali u objavama MA 5724 pH metar ISKRA i PH METAR MA 5701. Tamo smo na najkraći način opisali i “kemijski” dio svakog pH metra, odnosno njegove elektrode (sonde).
Ukratko ćemo ponoviti da se mjerenjem pH vrijednosti određuje koncentracija iona vodika u nekoj tekućini (otopini). 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 5703 imamo priključnice za referentnu kalomel elektrodu (CALOMEL) i indikatorsku staklenu elektrodu (GLASS) 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 (GLASS). Koaksijalni konektor GLASS 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 na priključnicu GLASS (unutarnji i vanjski koaksijalni kontakt) ili na unutarnji koaksijalni kontakt GLASS i priključnicu CALOMEL.
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. 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). Na našoj shemi vidimo da se time zapravo mijenja otpor u negativnoj povratnoj sprezi pojačala preko mjernog instrumenta, odnosno time se mijenja pojačanje pojačala. Ovim potenciometrom se može korigirati prikazana vrijednost u rasponu 0,9 pH.
Potenciometrom AP (asimetrični potencijal) kompenziramo napon referentne elektrode na nulu kako bi se mjerio samo napon koji proizvodi indikatorska elektroda. Vidimo na shemi da je ovaj potenciometar uključen kod obje vrste mjerenja, pH i mV, čime je i mjerenje mV prilagođeno elektrokemijskim mjerenjima gdje su često potrebne kalibracije različitih napona na elektrodama. Ovim potenciometrom se može korigirati prikazana vrijednost u rasponu 5,4 pH (±2,7 pH) odnosno u rasponu 330 mV na x1 opsegu ili 82 mV na x4 opsegu.
Potenciometar za kalibraciju nule označen sa 7/0 pak je OFFSET NUL potenciometar na operacijskom pojačalu. Naime, znamo da je operacijsko pojačalo zapravo diferencijalno pojačalo što znači da 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. Elektronički gledano ni jedno operacijsko pojačalo nije savršeno pa se na izlazu može pojaviti neki mali napon iako na ulaznim pinovima nema razlike napona. Ta pojava se kompenzira potenciometrom OFFSET NUL koji je u našem slučaju označen kao kalibracijski nul-potenciometar 7/0. Ovim potenciometrom može se korigirati nula u rasponu 3,4 pH ili 200 mV na x1 odnosno 50 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.
Elektronička shema pH metra Iskra MA 5703. Operacijsko pojačalo je LH 0042CH.
Čitavo mjerno pojačalo bazira se na jednom operacijskom pojačalu LH 0042CH. Unutarnji otpor pH elektroda je vrlo velik (0,1 – 1 GΩ) što znači da unutarnji otpor pojačala mora biti barem 10 puta veći da ne bi došlo do prevelikog pada napona. Stoga se ovdje redovito koriste pojačala sa FET tranzistorima koji imaju veliki ulazni otpor. Tako i naše operacijsko pojačalo LH 0042CH ima na ulaznom dijelu FET-ove sa ulaznim otporom od 1000 GΩ. Samo operacijsko pojačalo je vezano u spoj DC pojačala visoke ulazne impedancije kakav srećemo u mnogim drugim sličnim aplikacijama.
Testirali smo naš pH metar na voltmetarskim područjima gdje se pokazao ispravan i kao takav je posve je upotrebljiv za mjerenje napona u opsegu 0 – 1,4 V sa izvora koji mogu dati vrlo male struje. Danas je ovakav instrument vjerojatno slabo iskoristiv u elektroničkoj radionici jer svi već imamo neki moderni elektronički voltmetar tako da realno gledano najveća vrijednost ovog uređaja ipak leži samo u još jednom primjerku neke dobre stare elektronike koji nas može podsjetiti na još jednu od mnogobrojnih primjena svestranih operacijskih pojačala 🙂