Radiometer Copenhagen pH METER Type PHM 26

Danas je nabavljen pH metar oznake PHM 26 danskog proizvođača Radiometer Copenhagen iz 1976. godine.

Tvrtka Radiometer osnovana je 1935. godine u Kopenhagenu, Danska, kada je započela proizvodnju mjernih uređaja za domaće proizvođače radio uređaja. Nekoliko godina kasnije tvrtka Radiometer je po narudžbi jednog domaćeg kemijskog laboratorija izradila pH metar koji je postao prvi komercijalno dostupan mjerni uređaj te vrste i uspješno se koristio početkom 1950-tih godina za mjerenje pH vrijednosti u krvi i dijagnozu prisutnosti polio-virusa, odnosno dječje paralize. Ovo revolucionarno otkriće postalo je temelj za ulazak Radiometra u proizvodnju medicinske opreme i uređaja. Danas je tvrtka Radiometer multinacionalna kompanija i jedan od vodećih proizvođača medicinskih laboratorijskih instrumenata sa gotovo stotinu vlastitih patenata i patentnih prijava.

O pH mjeračima već smo pisali u nekoliko naših objava pa ovdje nećemo ponavljati teoriju:

• pH meter Iskra MA 5701
• pH meter Iskra MA 5703
• pH meter Iskra MA 5724
• pH metar Polymetron Typ 55 B
• pH metar Philips PW 9414 (digital ion activity meter)

Ponovit ćemo samo da je pH metar električki gledano milivoltmetar koji mjeri razliku 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. Najčešći tipovi elektroda su Calomel (referentna) i Glass (indikatorska) te su upravo za ova dva tipa elektroda predviđene priključnice i na našem mjeraču PHM 26.

Naponi koji će se pojaviti na elektrodama pH metra ovise o tipu i osjetljivosti istih, a također i o temperaturi otopina i rastvora sa kojima se radi. Stoga je kod pH metra izuzetno važno prije mjerenja izvršiti kalibracije glede ovih faktora jer u protivnom mjerenje neće biti točno.

Za naš PHM 26 nemamo nikakvih podataka no vidimo da ima četiri potenciometra za kalibraciju, odnosno prilagodbu uređaja prije mjerenja.

Potenciometrom sa oznakama temperatura 0 – 100°C (TEMPERATURE °C) vrši se temperaturna kompenzacija. Termometrom se izmjeri temperatura rastvora u koji su uronjene elektrode te se potenciometar postavi na vrijednost izmjerene temperature. Također, sa zadnje strane uređaja imamo BNC priključnicu EXTERNAL TC na koju se može spojiti odgovarajući temperaturni senzor uronjen u mjereni rastvor tako da se temperaturna kompenzacija vrši automatski (sklopka u položaju T. C. EXTERNAL).

Ostala tri potenciometra koriste se za kalibraciju, odnosno umjeravanje pokazivanja samog mjernog instrumenta sa naponskom karakteristikom koju daju upotrijebljene konkretne elektrode u čitavom pH rasponu vrijednosti. To uključuje postupke kalibracije uz pomoć pufer-otopina (BUFFER), odnosno otopina točno poznatih pH vrijednosti. Potenciometar ELECTRODE SENSITIVITY % ima raspon 90-100% i služi za kalibraciju elektrokemijske osjetljivosti konkretnih elektroda (slope). Potenciometrom ISO pH  (5,6-10 pH) vjerojatno se vrši tzv. “isothermal intersection” popravak. Naime, u idealnim uvjetima potencijal na elektrodama kod neutralnih otopina (pH 7) trebao bi biti uvijek nula (pH 7 = 0 V). Napon na elektrodama zatim raste prema pozitivnim vrijednostima kako se pH vrijednost smanjuje prema pH 0, odnosno raste prema negativnim vrijednostima kako se pH vrijednost povećava prema pH 14. No, razlike u temperaturi otopine mogu neutralnu točku pomaknuti tako da nula volti više neće biti na pH 7. Ovim potenciometrom namještaju se naponski odzivi elektroda tako da se kod svih temperatura linije odziva elektroda (slope) sijeku u točki koja odgovara pH 7 = 0 V. Potenciometar BUFFER ADJUSTMENT ima raspon 0-130 i vjerojatno služi za korekciju instrumenta na odabrani pufer. Ovdje ćemo samo napomenuti da postupak umjeravanja zahtjeva više testova sa puferima različitih vrijednosti pH kako bi u konačnici pokazivanje instrumenta u pH vrijednostima pratilo stvarnu promjenu napona na konkretnim elektrodama, kako glede nulte vrijednosti (pH 7) tako i glede krivulje (strmine) porasta napona sa porastom kiselosti, odnosno lužnatosti otopine. Svakako je pravilo uvijek napraviti više različitih umjeravanja i zatim više uzastopnih mjerenja kako bi bili sigurni u dobiveni rezultat.

pH skala usklađena je sa mV skalom tako da jedna pH jedinica odgovara promjeni napona od 100 mV. Crvena skala DSEP vjerojatno je kalibrirana za specijalna elektrokemijska mjerenja (Dead Stop End Point). Vidimo dva crvena markera oko vrijednosti 7,8 (crveni trokut i iznad njega crvena crtica unutar ph skale). Markeri bi trebali označavati neutralni položaj kazaljke (mehanička nula) kod mjerenja napona, odnosno kod mjerenja pH vrijednosti.

Vidimo kako je sa PHM 26 moguće izravno mjerenje pH vrijednosti pomoću kalibriranih Calomel i Glass elektroda, no također je moguće i mjerenje napona do 2800 mV čime je instrument pogodan i za druga elektrokemijska mjerenja. Kao što znamo, na staklenoj indikatorskoj elektrodi nastaje napon od 59,16 mV po jedinici pH, a kao što vidimo na skali, mjerno pojačalo instrumenta PHM 26 je kalibrirano tako da promjena pH vrijednosti za jedan odgovara promjeni napona od točno 100 mV. Tako se može koristiti ista skala za mjerenje pH i za mjerenje napona.

Priključnice za pH elektrode (lijevo), mrežni kabao, osigurač i priključnica uzemljenja (sredina), BNC priključnica za temperaturni senzor i DIN priključnice za registracijske uređaje (desno).

Netko tko se bavi laboratorijskim mjerenjima pH vrijednosti i sličnim elektrokemijskim mjerenjima vjerojatno će odmah shvatiti sve mogućnosti te točan način kalibracije i upotrebe mjerača PHM 26. S električne pak strane gledano pH metar nije ništa drugo nego osjetljivi (mili)voltmetar i sve te silne kalibracijske kontrole nisu ništa drugo nego mjerni otpornici i djelitelji napona u ulaznim ili izlaznim krugovima mjernog pojačala kako bi se pokazivanje napona uskladilo sa stvarnom pH vrijednosti otopine u specifičnim uvjetima. Stoga ćemo mi i ovaj pH metar testirati kao običan voltmetar, no prije nego ovaj 45 godina stari uređaj priključimo na napajanje pogledajmo kakvo je stanje u unutrašnjosti.

Precizni mjerni otpornici proizvođača Radiometer montirani su na pločicama odmah uz sklopke za odabir vrste i opsega mjerenja.

Ovaj kombinirani otpornik od 4+8 kΩ vezan je paralelno na žice kojima se dovodi mrežni napon 220 V. Time kroz njega teče struja od 18 mA, odnosno disipira se snaga od 4 W. Ovaj otpornik (smješten u blizini mjernog pojačala) vjerojatno se koristi kao mali grijač unutrašnjosti pH metra za temperaturnu stabilizaciju elemenata mjernog pojačala. Slične grijače smo već susretali kod nekih drugih elektroničkih uređaja, na primjer za temperaturno kontrolirane komore preciznih kvarcnih oscilatora (Brojač frekvencije HP 5245L sa konverterom HP 5254B) ili za temperaturnu stabilizaciju čitave unutrašnjosti kućišta (Audio oscilator Trav-Ler TS-382B/U).

Mjerač PHM 26 je principijelno jednostavan uređaj. Sastoji se od izvora simetričnog napajanja 15 V i mjernog pojačala kojemu se ovisno o odabranoj vrsti mjerenja i mjernom opsegu na ulazu preklapaju odgovarajući mjerni otpornici.

Tiskana pločica pH metra PHM 26. Na gornjoj polovici ploče smještenje su komponente ispravljača i stabilizatora napona napajanja, a donjoj polovici ploče je mjerno pojačalo sa ulaznim i izlaznim priključnicama.

Napajanje se sastoji od mrežnog transformatora, mosnog diodnog ispravljača, kondenzatorskog filtra i dva simetrična stabilizatora napona (+15 V i -15 V). Stabilizacija napona je realizirana operacijskim pojačalima LM301 i tranzistorima za serijsku regulaciju pozitivnog napona (NPN, 2N1711) i negativnog napona (PNP, 2N2905).

Dva simetrična stabilizatora napona (+15 V i -15 V).

Mjerno pojačalo, prema komponentama sa tiskane pločice možemo podijeliti na četiri stupnja:

• 2N930 – tranzistor u spoju diode za ograničenje ulaznog napona u mjerno pojačalo,
• AD832 – dvostruki FET strujni driveri za pogon foto-dioda unutar optičkog izolatora,
• TD121 – linearni analogni optički izolator za istosmjerne signale,
• AD201AH – operacijsko pojačalo kao izlazno mjerno pojačalo.

Mjerno pojačalo pH metra PHM 26.

Crnu valjkastu komponentu sa šest izvoda i oznakom TD121 zapravo i nismo sa sigurnošću identificirali no sve upućuju na zaključak da je ovdje riječ o dvostrukom opto-paru (optocoupler) predviđenom za optičku izolaciju ulaznog istosmjernog naponskog signala sa elektroda od ostalih električnih sklopova pH metra. Izolacijom mjernog signala od ostalih sklopova uvelike se umanjuje mogućnost prijenosa šuma i smetnji u korisni signal. Dvostruki foto-parovi pak se koriste kako bi se kompenzirala nelinearna karakteristika odziva LED ili IC diode u opto-paru. Odašiljačke i detektorske foto-diode u takvom opto-paru su međusobno optički spregnute pri čemu se jedna detektorska foto-dioda koristi za prijem signala, a druga je u povratnoj vezi pojačala za kompenzaciju nelinearne karakteristike prijenosa signala.

Što se tiče stanja komponenti vidi se da su filtarski elektrolitski kondenzatori već počeli polako ispuštati elektrolit, no veći problem je u trimer-potenciometrima u krugu regulatora napona kojima je zbog zamora materijala i korozije klizni kontakt toliko oslabio da se pri najmanjem dodiru odvaja od izolacijskog tijela. Stoga smo prije puštanja u rad zamijenili ove dotrajale komponente.

Testom pH metra PHM 26 pronašli smo jednu prilično specifičnu karakteristiku koju do sada nismo sreli kod nijedne druge izvedbe pH metra ili voltmetra. To je takozvana SUPPRESSED ZERO funkcija. No, krenimo redom.

Prva sklopka ima pet položaja:

• HEAT : Rade sklopovi napajanja i grijanje unutrašnjosti kućišta dok je mjerni sistem je isključen (Stand by). Koristi se za održavanje radne temperature mjernog pojačala pH metra kada se ne vrši mjerenje (tijekom priprema otopina, zamjena elektroda i slično). Sklopka za uključenje mjernog pojačala nalazi se lijevo pored instrumenta.
• pH T.C. EXTERNAL : mjerenje pH sa vanjskim temperaturnim senzorom
• pH T.C. INTERNAL : mjerenje pH sa ručnom kompenzacijom temperature pomoću potenciometra
• mV + : mjerenje napona, vanjski pin konektora (masa) pozitivan
• mV – : mjerenje napona, vanjski pin konektora (masa) negativan

Druga sklopka koristi se za pomicanje granica mjernih opsega za 100 mV (10 mV) prilikom mjerenja napona, odnosno kada je treća sklopka u položaju SUPPRESSED ZERO (mV) ili EXPANDED x10. Tako je u položaju 0 mjerni opseg raspona 0-1400 mA (SUPPRESSED ZERO mV), odnosno 0-140 mA (EXPANDED x10). Sukladno tome vrijedi slijedeće:

• položaj 0 : opseg mjerenja 0-1400 mA (0-140 mA)
• položaj 1 : opseg mjerenja 100-1500 mA (10-150 mA)
• položaj 2 : opseg mjerenja 200-1600 mA (20-160 mA)
• položaj 3 : opseg mjerenja 300-1700 mA (30-170 mA)
• položaj 4 : opseg mjerenja 400-1800 mA (40-180 mA)
• položaj 5 : opseg mjerenja 500-1900 mA (50-190 mA)
• položaj 6 : opseg mjerenja 600-2000 mA (60-200 mA)
• položaj 7 : opseg mjerenja 700-2100 mA (70-210 mA)
• položaj 8 : opseg mjerenja 800-2200 mA (80-220 mA)
• položaj 9 : opseg mjerenja 900-2300 mA (90-230 mA)
• položaj 10 : opseg mjerenja 1000-2400 mA (100-240 mA)
• položaj 11 : opseg mjerenja 1100-2500 mA (110-250 mA)
• položaj 12 : opseg mjerenja 1200-2600 mA (120-260 mA)
• položaj 13 : opseg mjerenja 1300-2700 mA (130-270 mA)
• položaj 14 : opseg mjerenja 1400-2800 mA (140-280 mA)

Na opsezima mjerenja napona (SUPPRESSED ZERO (mV) ili EXPANDED x10) donja četiri potenciometra za kalibraciju pH elektroda su isključena iz mjernog kruga. Oni se uključuju samo na položaju NORMAL gdje se onda vrši mjerenje sa kalibriranim elektrodama i očitanje je izravno u pH. Položaj DSEP (mV-) i crvena skala 0-280 mV vjerojatno se koristi za specijalna elektrokemijska mjerenja (Dead Stop End Point).

Na zadnjoj strani instrumenta nalaze se još dvije DIN priključnice za spajanje vanjskih registracijskih uređaja. Jedan izlaz je naponski, odnosno jedna jedinica pH odgovara porastu napona od 10 mV, a drugi izlaz je strujni, odnosno jedna jedinica pH odgovara porastu struje za 0,1 mA.

Priključnice za vanjske registracijske uređaje i temperaturni senzor.

Radiometer Copenhagen pH METER Type PHM 26 proizvodio se u dvije inačice. Prva datira iz sredine 1960-tih godina gdje su sklopovi realizirani kombinacijom tranzistora i elektronskih cijevi (dvije pentode u izlaznom krugu mjernog pojačala). Druga inačica datira iz sredine 1970-tih godina i ovdje su sklopovi realizirani kombinacijom tranzistora i integriranih krugova. Vanjski izgled i kućišta obje inačice su identične.

Specifični sistem “supresije nule” u 14 koraka od 100 mV (10 mV) kod promjene mjernih opsega vjerojatno ima svoju praktičnu primjenu kod elektrokemijskih mjerenja pH vrijednosti i sličnih veličina, a gledano sa čiste električne strane time se dobiva preciznije očitanje napona jer znamo da su analogni mjerni sistemi najprecizniji na zadnjoj četvrtini skale. Kako god bilo, ovakav instrument ima izuzetno veliki unutrašnji otpor (signal se dovodi na FET-ove preko otpornika od 100 MΩ) što je ključno za mjerenje niskih napona i slabih struja dobivenih sa elektrokemijskih elektroda, a osim toga taj napon je kod PHM 26 i optički izoliran od mjernog pojačala čime je umanjena mogućnost prelaska neželjenih signala na iznimno osjetljiv ulaz pojačala.

Ukoliko imamo potrebu mjeriti napone sa vrlo slabih izvora koji ne mogu dati struje veće od nekoliko pA bez da to izazove veliki pad napona, onda nam klasični digitalni električni mjerni instrumenti ovdje neće biti od koristi jer njihov unutrašnji otpor rijetko prelazi 10 MΩ. Voltmetri i ampermetri specijalno namijenjeni za elektrokemijske laboratorije pak su najčešće izuzetno osjetljivi instrumenti kojima se mogu mjeriti vrlo slabe struje i naponi. Stoga nije naodmet sačuvati neki takav instrument u stalnoj mjernoj postavi elektroničke radionice jer nam lako može zatrebati prilikom testiranja i istraživanja kakvih specifičnih elektroničkih ideja 🙂

Poklopac žičanog potenciometra engleske tvrtke Colvern. Ova tvrtka osnovana je 1927. godine i prvotno je proizvodila zavojnice i MF transformatore za proizvođače radio prijemnika. Nakon 2. svjetskog rata postala je poznata po proizvodnji kvalitetnih žičanih potenciometara i reostata. Sredinom 1990-tih godina mijenja ime u AB Electronics.