Портативний прилад вимірювання рівня pH у рідинах

Abstract

Бакалаврська робота присвячена розробці портативного приладу для вимірювання рівня pH рідин на основі сучасної мікроконтролерної платформи ESP32. Актуальність роботи обумовлена необхідністю оперативного контролю кислотно-лужного балансу рідин у промисловості, сільському господарстві, екологічному моніторингу. У роботі проведено аналіз фізико-хімічних основ вимірювання водневого показника pH, розглянуто принципи роботи скляних електродів та особливості їх використання у вимірювальних системах. Виконано огляд сучасних методів та засобів вимірювання pH, проведено порівняльний аналіз існуючих портативних і стаціонарних рН-метрів. Розроблено структурну схему приладу, що включає pH-електрод, аналоговий підсилювальний тракт, аналого-цифровий перетворювач та мікроконтролер ESP32. Особливу увагу приділено проектуванню аналогової частини вимірювального каналу, яка забезпечує високий вхідний опір, необхідний для роботи зі скляним pH-електродом. Виконано схемотехнічне проектування цифрової частини приладу на базі ESP32, що забезпечує обробку вимірювальної інформації, реалізацію алгоритмів калібрування, компенсацію температурних впливів та відображення результатів вимірювання. Розроблено програмне забезпечення для мікроконтролера ESP32, яке реалізує зчитування даних з вимірювального каналу, перетворення напруги у значення pH та відображення інформації на дисплеї. У роботі розглянуто питання метрологічного забезпечення приладу, зокрема методику двоточкового та триточкового калібрування за допомогою буферних розчинів. Проведено аналіз джерел похибок та оцінювання невизначеності результатів вимірювань відповідно до вимог міжнародних рекомендацій з оцінювання невизначеності вимірювань.

The bachelor's thesis is devoted to the development of a portable device for measuring the pH level of liquids based on the modern ESP32 microcontroller platform. The relevance of the work is due to the need for operational control of the acid-base balance of liquids in industry, agriculture, and environmental monitoring. The work analyzes the physicochemical foundations of measuring the hydrogen pH indicator, considers the principles of operation of glass electrodes and the features of their use in measuring systems. A review of modern methods and means of measuring pH is carried out, and a comparative analysis of existing portable and stationary pH meters is carried out. A structural diagram of the device has been developed, which includes a pH electrode, an analog amplifier circuit, an analog-to-digital converter, and an ESP32 microcontroller. Particular attention is paid to the design of the analog part of the measuring channel, which provides high input resistance, necessary for working with a glass pH electrode. The circuit design of the digital part of the device based on ESP32 has been performed, which provides processing of measurement information, implementation of calibration algorithms, compensation of temperature effects and display of measurement results. Software for the ESP32 microcontroller has been developed, which implements reading of data from the measurement channel, conversion of voltage into pH value and display of information on the display. The paper considers the issue of metrological support of the device, in particular the method of two-point and three-point calibration using buffer solutions. An analysis of sources of errors and assessment of uncertainty of measurement results in accordance with the requirements of international recommendations for assessment of measurement uncertainty has been carried out.