pHセンサ検証資料

昔作った、pHセンサインターフェイスの検証資料です。

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1. PH測定機能 解説・検証資料 株式会社 B&B Lab. 代表 真崎康平 kohei.masaki@b-and-b-lab.jp 2019.3.25 免責事項： この資料は技術情報の提供の便宜を図るための資料であり、この内容の正当性 やキャリブレーションの検証結果の保証をするものではありません。 目的に応じたレベルの精度を必要とされる場合には、校正及び検証には十分注意 を払って検証・確認願います。
2. PH測定の原理（１） 参考文献（以下資料より抜粋） 横河電機 FLEXA®/EXA PH シリーズプロセス用 pH 計（基礎・製品編）TI 12B07A03-012005 https://web-material3.yokogawa.com/TI12B07A03-01.pdf 4.1 ガラス電極によるpH測定の原理図 4.1 にガラス電極の膜部を模式図で示します。ガラス膜が両液と接している膜界面は水和した状態となり、この水和 層中の水素イオン活量は一定値となります。水和層中と測定溶液中の水素イオン活量の比率により電位を生じます。 この膜界面に発生する膜電位(e)は、ネルンストの式から次式で示されます。 ガラス膜の内部液側を基準とすれば、膜内外の電位差 egは次式となります。 この膜電位差を取り出すため 2 本の内部電極をガラス電極と比較電極に 組み込んで、両電極間の電位差を高入力インピーダンスの pH 変換器で 測定します。このときの測定電位差を Eg、また 2 本の内部極の単極電位 差と (4.3) 式の (CS−Ci) をまとめて EASとしますと、 で示されます。内部液側の pHiは pH が一定の緩衝液がガラス電極に封入 され、その pHは一定値となります。サンプル液側の pHSとして、あらか じめ pH 値のわかった溶液（標準液）で温度を一定にし電位 mV と pH の 関係を求めておけば、図 4.2 のごとく膜電位差から pH 値を直読すること ができます。
3. PH測定の原理（２） 4.2 温度補償 (4.3) 式の 2.3026RT/F の項は、単位 pH あたりの起電力を示したもので、温度を一因 子として含んでいますから、その値は温度によって変化し、例えば 1pH あたり 0°C で54.199mV、25°Cで 59.159mV、60°Cで 66.104mV となります（表 4.1 参照）。 この温度による膜起電力の電位勾配を pH 変換器で補償するため、一般に温度補償用 測温体をガラス電極、比較電極と同じ位置に取り付けています。 4.3 不⻫電位調整 ガラス電極の膜の内外に同じ pH の液 (pHi＝ pHS) を入れた場合、原理上は膜起電力=0mV になるはずです が、実際にはガラス膜の厚さ、形状、ガラスの組成、製造工程の熱処理、前歴等によって多少の膜電位 CS −Ciを生じます。これを真の不⻫電位といいます。ガラス電極の真の不⻫電位と、比較電極の内部極同⼠の 単極電位の差、液絡部に生じる液間電位差 (*1) を一緒にして、⾒かけの不⻫電位または単に不⻫電位と呼び、 これが (4.4)式の EAS に相当します。 4.4 スパン調整 実際のガラス電極では単位pHあたりの起電力の値が必ずしもネルンストの式の2.3026RT/F と一致しませ んので、pH4 または pH9 の標準液を用いて pH 計を調整することにより、理論電位勾配に対する多少の相 違の補正を行う必要があります。これをスパン調整といいます 参考文献（以下資料より抜粋） 横河電機 FLEXA®/EXA PH シリーズプロセス用 pH 計（基礎・製品編）TI 12B07A03-012005 https://web-material3.yokogawa.com/TI12B07A03-01.pdf
4. PH測定の実装（１） 以下に本事案におけるｐH測定回路の回路図を示す。 中間電位作成 センサのマイナス端子（ケーブル外皮）をこの電圧でドライブ 電源電圧は 3.3V でも 5Vでも利用可能 ※DACがリファレンスを持っている点と 中間電位は電源電圧変動でで動くが、 中間電位との差分をADに差動入力するため 影響はない。 このバッファ後の電位で 赤枠部を囲む（ガードリング） 該当部分パターン レイアウト
5. PH測定の実装（２） ガラス膜式のｐHセンサは出力インピーダンスが非常に高いため、センサの信号を受ける回路には特別の配慮が必要 である。具体的には ・入力バイアス電流が極めて小さい ・基板レイアウトでも、ガードリングなどの配慮が必要である。 ・ノイズ対策が必要 →不十分な場合、ソフトでの平均化、メディアンフィルタでの飛んだ値の除去が必要となる。 参考文献 テスト済み回路設計集“Circuits from the Lab™ ” 温度補償機能付き絶縁型低消費電力pHモニタ https://www.analog.com/media/jp/reference-design-documentation/reference-designs/CN0326_jp.pdf 実績のある回路として、以下の参考文献よりオペアンプの型番やノイズ除去のLPFの定数を引用した。 ガードリングとして以下に示すパターンでセンサプラス側 の電位をバッファ後の電位でガードしている 赤枠内が参考にした回路である。 使用したオペアンプの概要を以下に示す。 https://www.analog.com/media/jp/technical-documentation/data- sheets/AD8603_AD8607_AD8609_jp.pdf Analog devices の回路案ではデジタルアイソレータ ADUM5401 が入っているが、 他の電気化学的測定を併用する場合や、GND電位など が干渉する場合（温度センサのGNDが露出等）には必 須となる。 ※その問題がなければMustではない（検証済み）
6. PH測定の実装（３） A/Dコンバータは Arduino のスケッチ例でよく使われる microchip MCP3425 を用いた。 以下にその仕様の概略を示す。 MCP3425 http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/22072b.pdf MCP3425はΔΣ型A/Dコンバータであり、インターフェイスにI2C を採用している。 入力は差動入力となっており、標準ゲインの±2.048V の範囲を16bit 符号付の値で A/D変換する。またPGA（Programable Gain Amp）も内蔵しており最大ゲイン８ま で設定可能である。ゲイン８の場合は入力範囲が ±256mVとなる。 これをPHの電圧範囲（理論値）に当てはめると、 概ね PH3〜11 の範囲となる。これは酢酸〜アンモニア水 の範囲を示すこととなるが、通常の水質測定では これ以上の酸やアルカリが入力されることが少ないこと から分解能優先でゲイン８を採用している。 ※プログラムで変更可能 このA/Dコンバータは差動入力であるため pH センサマイナス電位を 1/2 Vcc に高抵抗で分圧しOPアンプのボル テージホロワ回路でバッファし、センサのマイナス側電位（BNC外皮側）にするとともに、マイナス側の基準電位 として入力している。 ※注意点 省電力のためにセンサ電源を制御する場合には、電源投入順が適切かデータシートで確認する。 プルアップをセンサ電源投入と同時か、後に立ち上げないとA/Dコンバータの変換値がおかしい ことが確認されている。また、電源投入後電圧が立ち上がるための十分なディレイをいれることが必要。 （おそらく、初期化時のキャリブレーションが正常におこなわれてない？） +256mV -256mV
7. PH測定の実装（４） ここまでのことをまとめるとpHの演算方法は以下の通りとなる。 ※ Arduino 向けのC言語での記述 // PH 測定 // 変換式の根拠は以下の横河電機の資料より引用 // http://www.yokogawa.co.jp/pdf/provide/J/GW/TI/0000032535/0/TI12B07A03-01.pdf // A/D コンバータ関係のパラメータ #define VREF_MCP3425 2.048 // range ±2.048V @ Gain x1 #define RES_MCP3425_16 (65536 / 2.0) // 諧調 #define GAIN_SETTING_PH 8.0 // ゲイン設定 // 計算に必要な物理乗数 #define NERNST_EQ_CONST 2.3026 // pH センサの電極の電位を求める定数 #define FARADAY_CONST (9.6485 * 10000.0) // ファラデー定数 [C/mol] #define R_CONST 8.3144 // 気体定数 [J /(mol K) ] #define TEMP_0_DEG 273.15 // 絶対温度 0℃ [K] // 温度以外の pH 換算の係数（絶対温度を乗じる必要あり） #define PH_FACTOR_RT_F ( NERNST_EQ_CONST * R_CONST / FARADAY_CONST ) // pH 換算関数 // 第一引数：pH コード値 // 第二引数：温度 [℃] float ConvertPH_FromCode( int16_t pH_Code, float Temperture ){ // 電圧換算 float voltage = (float) pH_Code / RES_MCP3425_16 * VREF_MCP3425 / GAIN_SETTING_PH; // V // pH 換算して返す。 return (- voltage / ( PH_FACTOR_RT_F * ( Temperture + TEMP_0_DEG )) + 7.0); } この関数の計算の前提は ・不⻫電位 EAS = 0 ・内部液のPHI がpH7 ・スパン調整なし の理論値となります。 実際には以降で述べる校正液を基準に補正用の傾き、切片を求めてキャリブレーションを行う必要があります。 ここでは便宜上以上の条件での理論式での計算値とします。
8. 測定基準溶液（１） 成分情報 SDS（安全データシート）：分析計用リスト https://www.yokogawa.co.jp/library/documents-downloads/msds-sds/sds-an_list/ PH4(フタル酸水素カリウム) https://web-material3.yokogawa.com/sds-an-K9220XD_K9084KF_K9084LL_M3060AB_JISr01_1805.jp.pdf?_ga=2.156402491.1809358379.1553201077-245247187.1548303028 PH7(りん酸二水素カリウム/りん酸水素二ナトリウム) https://web-material3.yokogawa.com/sds-an-K9220XE_K9084KG_K9084LM_M3060AC_JISr01_1805.jp.pdf?_ga=2.156402491.1809358379.1553201077-245247187.1548303028 PH9 標準液((四ほう酸ナトリウム)) https://web-material3.yokogawa.com/sds-an-K9084KH_K9084LN_M3060AD_JISr03_1805.jp.pdf?_ga=2.259607434.1809358379.1553201077-245247187.1548303028 横河電機製 PHメータ用校正用標準液を使用
9. PH(公称値) 4 7 9 名称 校正用緩衝液 PH4 校正用緩衝液 PH7 校正用緩衝液 PH9 型番 K9084KF K9084KG K9084KH 製造者 横河電機株式会社 横河電機株式会社 横河電機株式会社 温度 [℃] PH4 PH7 PH9 0 4.01 6.98 9.46 5 4.01 6.95 9.39 10 4.00 6.92 9.33 15 4.00 6.9 9.27 20 4.00 6.88 9.22 25 4.01 6.86 9.18 30 4.01 6.85 9.14 35 4.02 6.84 9.1 40 4.03 6.84 9.07 45 4.04 6.83 9.04 50 4.06 6.83 9.01 測定基準溶液（２） 温度変化に対するPH値の対応表：ラベルに表記
10. 測定基準溶液（３） 横河電機製 PHメータ用校正用標準液を使用 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 0 10 20 30 40 50 60 校正液温度特性 PH4 PH7 PH9
11. センサの校正 使用センサ 〇比較・検証用 E201-BNC http://www.bante-china.com/enproductsview/745.html 同様の仕様のものが $3.72で市販さ れている。Alliexpressの例 〇納品用センサ 株式会社佐藤商事 投げ込み型pH電極PE-21 https://ureruzo.com/phpe21.htm ２本購入（１本予備）したので、その差も検証する。 中のガラス電極がスポンジで保持されているなど 耐衝撃性に対する配慮が織り込まれている。 後述の検証結果では特に安価な下記のセンサとの 特性差は認められず
12. センサの校正 校正検証方法 １．校正液を部屋の中に一晩以上置き室温と同化させる。 ２．校正液の温度を測定し、補正式のパラメータとして入力する。 ３．500回連続測定し（自動測定）平均値と標準偏差を求める。 ４．pHセンサを前述の３種類（公称値：４, ７, ９）の測定を行い、 それを３セット行い差し替えた場合の再現性の確認を行う ※注意点 ・校正液を変えるときは、センサを液から抜き取ってペーパー（キムワイプ）で ふき取ってから水洗いし、水をふき取ってから次の校正液をテストする。 →できるだけコンタミを避ける配慮はする。薄まらない配慮も同様 ・センサのガラスが球確実につかる量まで校正液は使用する。 ・液をこぼしたりして交換、追加する場合などは一連の測定はやりなおす。 →再現性の確保の問題回避 ※500回の測定は時間推移による変化がないことの確認用のプログラムを 流用したためで、特に回数に意味はありません
13. センサの校正 納品用センサの校正 ※延⻑前 PE-21(No.1) ：納品センサ 校正液温度 20℃（ほぼ室温） 基準 校正液公称値 校正液 pH 1回目 ２回目 ３回目 1回目 ２回目 ３回目 平均値 標準偏差 4 4.00 4.25666 4.33387 4.35797 0.00028 0.00737 0.01380 4.31617 0.05292 7 6.88 6.92659 6.93236 6.92501 0.00330 0.00354 0.00148 6.92799 0.00387 9 9.22 9.08227 9.08054 9.05284 0.00085 0.00322 0.00599 9.07188 0.01651 校正パラメータ 勾配 0.91090 y切片 0.66900 相関係数 1.00000 平均値 標準偏差（500回） ３回測定の統計値 y = 0.91090 x + 0.66900 R² = 0.99999 3 4 5 6 7 8 9 10 3 4 5 6 7 8 9 10 補正前 [pH] 校正値 [pH] PE-21(No.1) ：納品センサ
14. センサの校正 予備品センサの校正（同形式） PE-21(No.2) ：予備センサ 校正液温度 20℃（ほぼ室温） 基準 校正液公称値 校正液 pH 1回目 ２回目 ３回目 1回目 ２回目 ３回目 平均値 標準偏差 4 4.00 4.33696 4.39844 4.42771 0.00190 0.01069 0.01655 4.38771 0.04632 7 6.88 6.96427 6.97013 6.96596 0.00207 0.00305 0.00279 6.96678 0.00302 9 9.22 9.06328 9.07223 9.05195 0.00689 0.00363 0.00434 9.06249 0.01016 校正パラメータ 勾配 0.89555 y切片 0.80547 相関係数 1.00000 平均値 標準偏差（500回） ３回測定の統計値 y = 0.89555 x + 0.80547 R² = 1.00000 3 4 5 6 7 8 9 10 3 4 5 6 7 8 9 10 補正前 [pH] 校正値 [pH] PE-21(No.2) ：予備センサ
15. センサの校正 別製品のセンサの特性確認 E201-BNC ：比較用センサ 校正液温度 20℃（ほぼ室温） 基準 校正液公称値 校正液 pH 1回目 ２回目 ３回目 1回目 ２回目 ３回目 平均値 標準偏差 4 4.00 4.30647 4.30910 4.30853 0.00761 0.00447 0.00534 4.30803 0.00139 7 6.88 6.90857 6.90800 6.90305 0.00036 0.00019 0.00085 6.90654 0.00304 9 9.22 8.96547 8.98408 8.97682 0.00617 0.00241 0.00501 8.97546 0.00938 校正パラメータ 勾配 0.89445 y切片 0.73720 相関係数 0.99998 平均値 標準偏差（500回） ３回測定の統計値 y = 0.89445 x + 0.73720 R² = 0.99997 3 4 5 6 7 8 9 10 3 4 5 6 7 8 9 10 補正前 [pH] 校正値 [pH] E201-BNC ：比較用センサ
16. センサの校正 個体差、型番ごとの差異の確認 ほぼ個体差、型番による差は認められず 3 4 5 6 7 8 9 10 3 4 5 6 7 8 9 10 補正前 [pH] 校正値 [pH] PE-21(No.1) ：納品センサ PE-21(No.2) ：予備センサ E201-BNC ：比較用センサ 線形 (PE-21(No.1) ：納品センサ) 線形 (PE-21(No.2) ：予備センサ) 線形 (E201-BNC ：比較用センサ)
17. センサの校正 有意差は認められない 試験方法： 同じPH校正液でケーブル⻑を延⻑する場合としない場合のコネクタの差し替えを交互に３セット行い 測定。これを３つの校正液で行ない影響を検討する。E201-BNCの標準のケーブル１ｍを延⻑ケーブル５ ｍ（納品用）で延⻑して検証 E201-BNC 校正液温度 20℃（ほぼ室温） 延⻑なし 基準 校正液公称値 校正液 pH 1回目 ２回目 ３回目 1回目 ２回目 ３回目 平均値 標準偏差 4 4.00 4.287244 4.286305 4.285752 0.000467 0.000281 0.000188 4.28643 0.00075 7 6.88 6.924785 6.924182 6.92375 0.000279 0.000522 0.000269 6.92424 0.00052 9 9.22 9.055869 9.050543 9.051342 0.002462 0.000741 0.000374 9.05258 0.00287 延⻑あり 基準 校正液公称値 校正液 pH 1回目 ２回目 ３回目 1回目 ２回目 ３回目 平均値 標準偏差 4 4.00 4.29134 4.28915 4.28828 0.00034 0.00142 0.00072 4.28959 0.00158 7 6.88 6.93103 6.93190 6.92886 0.00065 0.00114 0.00079 6.93060 0.00157 9 9.22 9.02883 9.04371 9.04546 0.00259 0.00074 0.00055 9.03933 0.00914 延⻑なし 延⻑あり 勾配 0.91316 0.91018 y切片 0.63622 0.65495 標準偏差（500回） ３回測定の統計値 平均値 標準偏差（500回） ３回測定の統計値 平均値 ケーブル⻑の影響の確認
18. センサの校正 ケーブル⻑の影響の確認 納品用のNo.1のPE-21センサをデフォルト 5m から追加で５ｍで延⻑した影響の確認（納品時の仕様 と同じ） ※延⻑なしのデータは先述の測定結果の流用 影響は０ではないが、グラフからは容認できる 範囲ではないかと考えられる。 PE-21(No.1) 校正液温度 20℃（ほぼ室温） 延⻑なし 基準 校正液公称値 校正液 pH 1回目 ２回目 ３回目 1回目 ２回目 ３回目 平均値 標準偏差 4 4.00 4.25666 4.33387 4.35797 0.00028 0.00737 0.01380 4.31617 0.05292 7 6.88 6.92659 6.93236 6.92501 0.00330 0.00354 0.00148 6.92799 0.00387 9 9.22 9.08227 9.08054 9.05284 0.00085 0.00322 0.00599 9.07188 0.01651 延⻑あり 基準 校正液公称値 校正液 pH 1回目 ２回目 ３回目 1回目 ２回目 ３回目 平均値 標準偏差 4 4.00 4.27204 4.243949 4.231508 0.01352 0.001752 0.000934 4.24917 0.02076 7 6.88 6.90633 6.894086 6.856319 0.00144 0.001402 0.00137 6.88558 0.02607 9 9.22 8.965582 0.007735 8.96558 ※ pH9 の２回目、３回目の測定は事故発生で液をこぼしたため測定中止 延⻑なし 延⻑あり 勾配 0.91090 0.90398 y切片 0.66900 0.64345 平均値 標準偏差（500回） ３回測定の統計値 平均値 標準偏差（500回） ３回測定の統計値
19. 変換基板の個体差の確認 No.1(納品用) 〜No.3のｐH測定基板の個体差の確認を行う pH センサには触れず、基板のみを差し替えて特性の確認を行う。 ｐH測定基板の個体差の確認 使用センサ E201-BNC ３枚のｐH測定基板の個体差の検証を行う ※基板１が納品物に使用 校正液温度 20℃（ほぼ室温） E201-BNC 校正液温度 20℃（ほぼ室温） 延⻑なし 基準 基板１の３回測定の標準偏差 校正液公称値 校正液 pH 基板１ 基板２ 基板３ 基板１ 基板２ 基板３ 平均値 標準偏差 4 4.00 4.276017 4.222881 4.26209 0.011359 0.000408 0.006317 4.25366 0.02755 0.052923193 7 6.88 6.883868 6.892734 6.906213 0.002009 0.001883 0.002225 6.89427 0.01125 0.003866629 9 9.22 9.046991 9.052376 9.043171 0.003319 0.001378 0.001411 9.04751 0.00462 0.016514837 標準偏差（500回） ３枚の統計値 平均値 基板１の3回測定（センサを液から差し替え実施）の標準偏差 より、基板を差し替えた場合（センサ差し替え無し）のほうが標準 偏差が小さい これはセンサを差し替えて化学的な条件が変わるほうが基板の個体 差よりも大きいことを意味しており、実質基板ごとの特性差は無視 できる（互換性が確保できる）ということを示している。
20. まとめ 勾配 0.90398 y切片 0.64345 ・出荷品の校正の係数は下記のグラフと係数になる ・ケーブル延⻑の影響は理論上は無視できるレベルと考えられ、実測でそのような傾向も確認できた。 ただし、出荷品の特性検証では若干の差異が⾒られた（グラフからは容認できるレベルだと思われる） ｐHセンサの過度なケーブル延⻑に関してはあまり望ましくないと考えられる。 ・今回開発した基板では、基板ごとの差異は無視できる。 互換性は完全に確保されていると考えられる。 出荷時の10m延⻑の状態でのNo.1 センサ（出荷品）検証値 補正式 a b 補正値 = (補正前-b) / a