Come costruire un pH-metro con Arduino

Come tutti sapete, il pH è un’unità molto importante per la misurazione dell’acidità / basicità delle soluzioni: il pH è una scala numerica da 0 a 14 per indicare quanto una soluzione è acida, basica o neutra. La misurazione del pH è ampiamente usata in quasi tutti gli aspetti della nostra vita: nell’agricoltura, nell’industria, nel monitoraggio dell’inquinamento ambientale, nel trattamento delle acque reflue e nella ricerca e sviluppo. In questo articolo spiegherò cos’è il pH, come funziona l’elettrodo pH, cos’è un sensore di pH e come collegare Arduino a un sensore di pH per creare il proprio misuratore di pH.

Il pH è una misura dell’acidità o dell’alcalinità di una soluzione. In chimica, il pH è una scala utilizzata per determinare la natura acida, basica o neutra di varie soluzioni. La definizione di pH è “Logaritmo negativo della concentrazione di ioni idrogeno”, ovvero: pH = -log10 [H +].La scala del pH va da 0 a 14. Le soluzioni acide (acido cloridrico, acido acetico, etc.) hanno un pH inferiore a 7, mentre le basi (ad es. idrossido di sodio) hanno un pH superiore a 7. Le soluzioni neutre (acqua distillata) hanno un pH di 7.

I pHmetri sono strumenti scientifici utilizzati per misurare l’attività e la concentrazione di ioni idrogeno in soluzioni a base acquosa, con l’obiettivo di indicarne l’acidità o l’alcalinità espresse come valori di pH. Trovano applicazione nel trattamento delle acque e delle acque reflue, prodotti farmaceutici, chimici e petrolchimici, alimenti e bevande, miniere e processi agricoli. In questo articolo, vedremo come creare una versione accurata e fai-da-te di questo strumento molto utile.

La scala del pH usata per indicare quanto una soluzione è acida, basica o neutra.

Non solo, mentre i misuratori di pH commerciali sono di solito strumenti stand-alone, avere un sensore di pH interfacciato a un computer tramite un ADC (ad esempio Arduino) può essere assai utile per creare una vera e propria stazione di monitoraggio del livello di pH dell’acqua: ad esempio per l’acquario (vedi il nostro articolo Come allestire un acquario tropicale, che trovi qui) o per i serbatoi d’acqua della tua coltura idroponica (vedi Come realizzare una coltura idroponica, che trovi qui).

I misuratori di pH: come funzionano

I misuratori di pH comprendono, principalmente, una sonda e un’unità di elaborazione che interpreta i dati della sonda e li visualizza in un formato leggibile dall’uomo. Il pHmetro misura essenzialmente la differenza di potenziale elettrico tra un elettrodo pH e un elettrodo di riferimento. Di conseguenza, i misuratori di pH vengono talvolta definiti “misuratori di pH potenziometrici”. Il progetto illustrato più avanti si baserà sull’esempio, estremamente professionale, fornito dalla Atlas Scientific.

Un sensore di pH fornisce tensione analogica in base al valore di pH della soluzione in cui è posta la sonda. Questo valore analogico può essere letto molto facilmente usando qualsiasi pin analogico di una scheda Arduino. La sonda di pH misura la differenza di potenziale tra due elettrodi, entrambi nella stessa soluzione, tuttavia uno degli elettrodi ha un involucro. Questo involucro è solitamente riempito con un tubo di vetro con un metallo come litio, sodio, potassio, boro, calcio e così via.

Struttura interna del sensore sonda di pH per Arduino.

Il funzionamento della sonda è relativamente semplice. L’interno e l’esterno della sonda di pH sono rivestiti con un gel idratato e l’interno è una soluzione neutra di cloruro di potassio. L’elettrodo di riferimento viene solitamente posto in un involucro separato a contatto con una soluzione attraverso una membrana porosa sospesa in soluzione di cloruro di potassio di 0,1 moli per litro. Se ingrandiamo la giunzione, vediamo che gli ioni idrogeno si sono diffusi nel gel sul lato interno.

Ma che cosa succede quando posizioniamo una sonda in una soluzione acida? In questo caso, gli ioni idrogeno si diffonderanno nel gel sul lato esterno. Ora ricorda che, all’interno del vetro al biossido di silicio, abbiamo dei cationi metallici, diciamo sodio che aveva una certa mobilità all’interno del vetro. Quindi possiamo dire che, quando mettiamo la sonda in una soluzione, l’eccesso di ioni idrogeno all’esterno forza gli ioni sodio a diffondersi da una regione di attività all’altra.

Un sensore di pH e relativa scheda di pre-elaborazione e interfaccia per Arduino.

Quindi, in pratica, se noi – con sufficiente precisione – misuriamo la tensione incrociata dentro e fuori la soluzione acida in questione, avremo un aumento della tensione positiva all’aumentare della concentrazione effettiva di ioni idrogeno. Per una soluzione neutra, invece, gli ioni idrogeno si bilanciano, quindi non abbiamo una diffusione netta di sodio e anche nessuna carica. Per una soluzione basica, infine, otteniamo una diffusione opposta e quindi otteniamo una tensione negativa.

Si noti che, se dovessimo cambiare la situazione termodinamica in base alla temperatura o alla pressione, la velocità con cui gli ioni idrogeno si diffondono dentro o fuori dal gel cambia, e così pure la tensione misurata. Questo è il motivo per cui il pH è, in realtà, una misurazione di attività e non direttamente una misurazione della concentrazione di ioni idrogeno in soluzione. Ma ecco come puoi collegare il sensore di pH per Arduino (che puoi acquistare ad es. qui) a una scheda Arduino Uno:

Collegamento alla scheda Arduino Uno di un sensore di pH per Arduino.

Per farlo funzionare, basta selezionare la scheda e copiare e incollare sull’IDE di Arduino il codice (sketch) che puoi scaricare da qui. A questo punto non ti rimane che caricare lo sketch sulla scheda Arduino. Il ph-metro è ora pronto per l’uso. Basta immergere la sonda del ph-metro in qualche soluzione e inizierà a mostrare i valori corrispondenti al pH della soluzione. Tuttavia, per uno uso scientifico è solitamente necessaria una calibrazione. Ecco quindi un progetto di pHmetro più sofisticato.

Come realizzare il misuratore di pH

Utilizzeremo la sonda di pH Atlas Scientific e la sua scheda di breakout analogica del misuratore di pH a gravità. La scheda di breakout analogica del misuratore di pH a gravità è una soluzione di misurazione del pH a basso costo abbastanza accurata, specificamente progettata per studenti / insegnanti, sviluppo di concetti e applicazioni di misurazione del pH che richiedono livelli di precisione moderati. Viene fornita con una porta BNC attraverso cui può essere collegata alla sonda pH Atlas Scientific.

Oltre alla scheda di rivelazione del pH e alla sonda, utilizzeremo una scheda  Arduino Uno e un display LCD 20 × 4. Arduino fungerà da “cervello” per il progetto che ottiene il livello di pH dalla sonda, mentre il display LCD servirà allo scopo di fornire un feedback visivo agli utenti, poiché il valore ottenuto da Arduino verrà visualizzato direttamente sul display LCD. Atlas Scientific ha anche creato un bel contenitore per lo strumento e seguiremo i passaggi da loro definiti per creare un pH-metro.

La sonda del pH-metro e la relativa scheda di breakout.

In pratica, ecco ciò che vi serve per realizzare il pHmetro di questo progetto:

• Arduino Uno
• Sensore di pH analogico a gravità
• Sonda pH
• Modulo LCD 20 × 4
• Contenitore 158 x 90 x 60 mm
• Mini breadboard
• Cavi jumper
• Foglio acrilico (plexiglass)
• Distanziali e viti da 11 mm (forniti con il sensore pH) x 4
• Resistenze da 220Ω e 1kΩ

Gli schemi di collegamento per il progetto di questo articolo sono abbastanza semplici. Collegheremo il display LCD utilizzando la modalità a 4 pin, mentre collegheremo il pin del segnale proveniente dal sensore pH a un pin analogico su Arduino, poiché la sua uscita è analogica.Collega i componenti come mostrato negli schemi seguenti. Per semplificare il seguire gli schemi, di seguito viene fornita anche una mappa dei pin che mostra come i componenti sono collegati ad Arduino.

Collegamento dei componenti e mappa dei pin.

Il contenitore per ospitare lo strumento

Con le connessioni pronte, per rendere il progetto pulito e presentabile è stato creato un contenitore ad hoc. La custodia si basa sui famosi contenitori in plastica ABS ed è stata modificata con trapani e altri strumenti in modo da ospitare lo schermo e adattarsi perfettamente ad altri progetti. Un’immagine del contenitore completato viene visualizzata nella figura seguente. Anche tutte le modifiche apportate alla custodia ABS sono basate sullo schema seguente.

Per modificare la custodia in ABS per la forma desiderata, sono stati utilizzati diversi tipi di strumenti, tra cui: trapano, punte da trapano, punte da taglio per cartongesso, lime, cacciaviti, morsa da banco, sega a nastro, pistola per colla e stick di colla, saldatore e stagno, calibro digitale, righello. Sebbene l’avere questi strumenti renda il processo di realizzare la custodia più semplice e veloce, sentiti libero di usare strumenti diversi che, in un modo o nell’altro, aiutano a raggiungere l’obiettivo.

Ecco come tagliare l’apertura per il display LCD:

1. Il display LCD è posizionato nella parte superiore (coperchio) dell’involucro. Centra un rettangolo di 98 x 40 mm sulla parte frontale del contenitore.
2. Inserisci il pezzo nella morsa e pratica un foro pilota da 3,2 mm nel rettangolo che è stato segnato.
3. Utilizza questo foro pilota come punto di partenza per la punta da taglio da 3,2 mm del muro a secco. Poiché questo è un piccolo lavoro, useremo la punta sul trapano a mano piuttosto che una macchina da taglio a secco. Lavora all’interno del rettangolo anziché sulle linee poiché potrebbe essere un po’ difficile tagliare in modo diritto con questa punta sul trapano.
4. Quindi, utilizza una lima manuale per rimuovere il materiale in eccesso e modella il rettangolo sulla dimensione richiesta.

Le modifiche apportate sulla custodia in ABS e le relative misure.

Ecco invece come tagliare le aperture per il connettore BNC e le porte Arduino:

1. Le aperture per il connettore BNC e le porte Arduino si trovano sul lato della parte inferiore del contenitore.
2. Usando le dimensioni fornite sopra, segna il punto centrale per il cerchio ed i contorni per i due rettangoli.
3. Metti il pezzo nella morsa e taglia le aperture. L’apertura circolare è realizzata con punte. Quelle rettangolari sono realizzate seguendo un processo simile utilizzato per creare l’apertura per il display LCD.

A questo punto equipaggia la piastra di base montando i componenti La piastra di base viene utilizzata per montare Arduino, il sensore di pH e la mini breadboard. Viene utilizzato un foglio acrilico spesso 6,4 mm. Usando una sega a nastro, tagliare il foglio acrilico a 135 × 62,5 mm. Contrassegna le posizioni per i quattro fori come mostrato. Pratica fori del diametro di 2,38 mm. Svasa i fori su un lato della piastra con una profondità di 3 mm e un diametro di 4,4 mm.

Ciò è necessario per mantenere una superficie inferiore piana quando le viti sono inserite per sostenere i supporti. Fissa i supporti da 11 mm utilizzando le viti fornite. Il sensore di pH viene fornito con 4 distanziali e viti. Usane due per Arduino. Con il contenitore completo, disponi i componenti al suo interno in modo che l’installazione assomigli all’immagine fornita qui sotto.

Assemblaggio dei componenti nella custodia.

Il codice e le librerie da usare per Arduino

Il codice per il progetto del pHmetro è abbastanza semplice. Il nostro compito, come menzionato durante l’introduzione, è quello di rilevare il livello di pH usando il pHmetro e visualizzarlo sul display LCD collegato. Utilizzeremo l’ambiente software di Arduino (IDE) per lo sviluppo del codice e utilizzeremo 2 librerie principali: la libreria del display a cristalli liquidi e la libreria dei sensori di gravità Atlas.

La libreria del display a cristalli liquidi viene utilizzata per ridurre la quantità di lavoro / codice necessaria per far interagire Arduino con l’LCD, mentre la libreria del sensore di gravità Atlas semplifica l’interfaccia con il misuratore di pH e l’ottenere dati. La libreria “Liquid Crystal” (LCD) di solito viene fornita con l’IDE Arduino, ma nel caso in cui non lo fosse, puoi sempre installarla tramite il gestore della libreria Arduino.

Come caricare una libreria su Arduino.

La libreria Atlas Gravity Sensor, d’altra parte, deve essere installata manualmente, in quanto tale, dovrai scaricarla da qui, decomprimerla e copiarne il contenuto nella cartella “Libreria” di Arduino. La cartella delle librerie di solito si trova nella stessa cartella “Sketch” di Arduino. Con le librerie installate, ora possiamo procedere al copia e incolla su Arduino del codice (sketch), che puoi scaricare da qui. A questo punto non ti rimane che caricare il codice in questione sulla scheda Arduino.

Con il codice caricato e una volta effettuata la calibrazione (che illustreremo nella prossima e ultima sezione), puoi andare avanti e immergere la sonda in qualsiasi soluzione desideri, e dovresti vedere il valore del pH visualizzato sul display LCD come mostrato nell’immagine. Naturalmente, è possibile aggiungere diversi altri sensori per rendere il progetto più utile. Un buon esempio di sensori che potrebbero essere aggiunti sono i sensori di temperatura e umidità.

Una lettura del pH mostrata dal display del pHmetro.

L’accuratezza del pHmetro qui illustrato, infatti, varia con la temperatura. Come tale, è importante notare che il sensore utilizzato in questo progetto ha una precisione di +/- 0,2% e che il pHmetro funzionerà a questo livello di precisione quando l’intervallo di temperatura è compreso tra 7 e 46 °C. Al di fuori di questo intervallo, il misuratore dovrà essere modificato per compensare.

Come fare la calibrazione dello strumento

Per garantire l’accuratezza dei risultati dal pHmetro, è necessario calibrare accuratamente il dispositivo. I pHmetri vengono normalmente calibrati su 3 livelli: pH 4, pH 7 e pH 10, utilizzando altrettante soluzioni tampone standard già esistenti a quel livello di PH. Tali soluzioni standard sono talvolta fornite dai venditori del sensore pH, ma quando non vengono fornite puoi sempre ottenerle dai tuoi negozi di prodotti chimici locali, oppure acquistarle direttamente online (ad esempio qui).

Per calibrare il misuratore, carica lo sketch che abbiamo sviluppato sopra sul tuo Arduino. Prenditi del tempo per assicurarti che i componenti siano correttamente collegati prima di farlo. Quando il caricamento dello sketch è completo, apri il monitor seriale. In base al nostro codice il monitor seriale ti chiederà di inserire i valori di calibrazione, con esempi che mostrano come immetterli correttamente. In questa fase, segui i passaggi seguenti per calibrare il misuratore con le tre soluzioni tampone:

1. Rimuovi il flacone di detergente e sciacqua la sonda pH
2. Inizia con la soluzione tampone standard per pH 4. Versa un po’ della soluzione pH 4, abbastanza per coprire la sonda, in una tazza.
3. Posiziona la sonda nella tazza e mescola per rimuovere l’aria intrappolata. Osserva le letture sul monitor seriale e lascia la sonda lì fino a quando le letture non si stabilizzano.
4. Quando le letture diventano stabili, immetti il comando cal, 4 nel monitor seriale per indicare che salvi quel valore come valore di calibrazione per pH 4.
5. Ripeti questi passaggi con le soluzioni pH 7 e pH 10, assicurandoti di risciacquare la sonda quando passi da una soluzione all’altra.

Calibrazione di un pH-metro commerciale.

Fatto ciò, il pHmetro è ora calibrato e dovrebbe essere in grado di fornire il livello di pH corretto per qualsiasi soluzione con cui viene testata la sonda. I valori di calibrazione vengono salvati sulla EEPROM di Arduino in modo che non vadano persi quando lo strumento viene scollegato dall’alimentazione. Ciò rende la calibrazione non necessaria prima di ogni utilizzo, ma è necessario ripetere la calibrazione del sistema dopo qualche tempo, quindi è sempre possibile immettere il comando cal, clear sul monitor seriale per cancellare i precedenti valori di calibrazione memorizzati e ripetere i passaggi sopra descritti.