pH, ORP, İLETKENLİK, SICAKLIK ÖLÇÜM VE KONTROLÜ ÖZET Bu tez çalışmasında, endüstrinin birçok kolunda geniş bir uygulama alanı bulan pH, ORP (indirgenme yükseltgenme potansiyeli), iletkenlik, ölçüm ve kontrolünün tek bir cihaz üzerinde gerçekleştirildiği mikroişlemci kontrollü bir devre tasarımı ele alınmıştır. Sıcaklığın ölçümlere olan etkisi sebebiyle sıcaklık ölçümü de devrenin içine ek bir özellik olarak dahil edilmiştir. Son yıllarda bu her üç ölçüm ve bunun kontrol uygulamalarının geniş bir alana yayılması, bazı uygulamalarda ise birarada yer alması, bu tür kombine ölçümlerin ve kontrollerin yapıldığı cihazları ön plana çıkartmıştır. Her üç ölçümün kimyasal tanımlan ve ölçümde kullanılan sensörlerin özellikleri, çevre ve ortam koşullarının ölçüm doğruluğuna olan etkisi ve üç ölçüm için de kalibrasyon işleminin önemi aşağıda sırasıyla kısaca açıklanmıştır ; pH: pH ölçümü, bir çözeltinin asitlik veya alkalinlik (bazlık) derecesinin ölçümüdür. Çözelti içindeki H* iyonlarının fazlalığı çözeltinin asitlik, azlığı ise alkalin (baz) özellik göstereceğini ifade eder. Sulu çözeltiler içerisinde ölçülebilir pH aralığı -2 ile 16 değeri arasında değişmektedir. Uygulamalarda çok nadir olarak O altı ve 14 üzeri pH değerlerine rastlansa da, bu değerlerin, bu çalışmada kullanılan sensörlerle ölçümü mümkün değildir. Hidrojen iyonu konsantrasyonu, hem su kaynakları hem de bu kaynaklan kullanan ve içerisinde yaşayan canlılar için önemli bir kalite parametresidir. Biyolojik yaşam için uygun olan hidrojen iyonu konsantrasyonu oldukça dardır. Su kaynaklanndaki mikro ve makro yaşamın korunması ve istenilmeyen kimyasal reaksiyonlann önlenmesi için pH'nın 6-9 arasında tutulması gereklidir. Çeşitli su kalite smıflanna bağlı olarak içme sulann pH değerinin 6.5 ile 8.5 arasında olması istenir pH ölçümü, ürün kalite tespitinde (şeker saflaştırma, kağıt hamuru kalite tespiti, kauçuğun pıhtılaştınlması, fotağrafçılık vs.), ürün kalitesinin zenginleştirilmesinde (baca gazlannın temizlenmesi, baskılı devre sanayii, fermantasyon proses kontrolü vs.), ürün güvenirliliğinin sağlanmasında (krom ve siyanürlü atıklann zararsız hale getirilmesi, içilebilir ve atık su kalite tespiti, gıda sanayii, vs.) önemli bir ölçüm olarak karşımıza çıkmaktadır. Bir pH ölçüm sistemi; pH elektrodu, referans elektrodu, pH metre ve otomatik sıcaklık kompansazyon (tercihe bağlı) birimlerinden oluşur. pH elektrod çıkışı, içine batınldığı çözelti içindeki H* iyonlann konsantrasyonuna bağlı olarak değişen bir gerilim değeri üretmektedir. Referans elektrodunun çıkış gerilimi ise sabittir. pH metreler bazı ek özellikler eklenmiş yüksek empedans girişli özel milivoltmetreler olarak düşünülebilir. pH metreler, ölçtükleri elektrod potansiyelini, buna karşılık gelen pH birimine çevirmektedirler. İsteğe bağlı olarak, hem ortam sıcaklığını xıölçmek, hem de sıcaklığın pH değerine olan etkisini tespit ve yok etmek amacıyla, sıcaklık sensörü ve otomatik sıcaklık kompansazyonlu pH elektrodu da pH ölçüm sistemleri içinde yer almaktadır. pH elektrodlan birçok farklı amaçlar için elde edilebilmektedir, ölçüm yapılan ortam özelliğine uygun elektrodun seçilmesi ölçümde doğruluğu etkileyen önemli bir faktördür. Otomatik pH kontrolünün uygulandığı sistemler uzun yıllardan beri üretim aşamalarında ve ürün kalite tespitlerinde kullanılmaktadır. Ülkelerin son senelerde çevreye olan duyarlılığının yeni katı yasalarla düzenlenmesi, işletmelerin endüstriyel işlem sonucunda meydana gelen atıklarını, tabiat ortamına vermeden belirli standartlara (nötralisazyon) getirmesi zorunluluğunu doğurmuştur. Hatta bir çok uygulamada zararsız hale getirildiği düşünülen atıkların bile pH değerlerinin tekrar ölçülerek kayıt edilmesi zorunluluğu da getirilmiştir. Yükseltgenme İndirgenme Potansiyeli (ORP, Oxidation and Reduction Potential) : İngilizce `Oxidation Reduction Potential` (yükseltgenme indirgenme potansiyeli) kelimelerinin kısaltılmış biçimi olarak tanımlanan ORP (redox olarak da bilinmektedir), çözeltilerin indirgenme ve yükseltgenme aktivitesinin ölçülmesidir. ORP ölçümleri kimyasal reaksiyonların gözlenmesi ve kontrol edilmesi için kullanışlı ölçümlerdir. Bu ölçümlerin kullanıldığı alanlara örnek olarak başlıca sudaki ozon ve klor miktarının kontrolü, kromun indirgenmesi ve siyanürlü atıkların zararsız hale getirilmesi uygulamaları verilebilir. ORP ölçümünde potansiyometrik metod, belirli miktarda ortama verilen kimyasal madde sonucunda ortamda elde edilen gerilim değerinin ölçülmesine dayanır. Bu üretilen gerilim, ortamda kullanılan kimyasal maddenin cinsine, çözeltideki bulunan diğer kimyasal maddelerin cinsine, konsantrasyonlarına ve çözeltinin sıcaklığına bağımlıdır. ORP ölçümleri ORP elektrodlan ile yapılır. ORP ölçümü için kullanılan elektrodlar, pH ölçümü için kullanılan elektrodlara benzemektedir. Her iki ölçümde de kullanılan referans elektrodlar birbirinin aynıdır. ORP ölçümleri basitçe, pH metrelere, pH elektrodu yerine bağlanan ORP elektrodlan ile yapılabilmektedir. Örnek olarak bir çözeltideki serbest klor miktannın ölçülmesi ele alınırsa, ORP elektrodu tarafından üretilen gerilim bu klor miktarın bir göstergesi olacaktır. ORP değeri sıcaklık bağımlı bir değişken olmasına karşın, ölçümlerde sıcaklık kompansazyonu uygulanmaz. Bunun nedeni, kompanzasyonun, ortamda meydana gelen herbir indirgenme- yükseltgenme olayı için farklı olmasıdır. Pratikteki birçok uygulama aynı ortamda aynı anda birden çok indirgenme ve yükseltgenme olayının meydana geldiği reaksiyon uygulamalandır. ORP ölçümlerinden birçok endüstri kolunda yararlanılmaktadır. Bunlar, atık sulann zararsız hale getirilmesi, kağıt endüstrisi, klor, klordioksit, bromin ve ozon kullanarak yüzme havuzlarında, soğutma kulelerinde ve içme sularında dezenfeksiyon sağlanması, su yosunlan üremesinin kontrol edilmesi ve diğer steril su uygulamalan başlıca sayılabilecek örneklerdir. Gerçekte ORP metrelerin kalibrasyon ayarlan mevcut değildir ve kalibrasyon işlemine gere duyulmaz. Bununla birlikte, elektrod üzerinde kirlilik veya tabakalaşmadan ötürü ölçümde hatalar meydana gelebilir. Kalibrasyon ayarı yapılmamasına rağmen, ölçümde doğruluğun test edilmesi yararlı olmaktadır. xuİletkenlik (Conductivity) : Sıvılarda iletkenlik, bir çözeltinin elektrik akımını iletebilme yeteneği olarak tanımlanır. Tüm sulu çözeltiler elektrik akımını belli bir derecede iletir. Asitler, bazlar ve tuzlar kuvvetli elektrolit madde olduğundan, bunların suya ilavesi çözeltinin iletkenliğini arttırır. Kullanılan temel elekriki iletkenlik birimleri Siemens ve mhos'dur. Pratikte çözeltilerin iletkenliğinin ve direncinin ölçülmesinde mhos ve Siemens birim değerleri oldukça büyük kalmaktadır. Bu nedenle iletkenlik birimi olarak alt birimler olan mikrosiemens (mikromhos), milisiemens (milimhos) veya bu birimlere eşdeğer direnç olarak karşılık gelen megaohm üst birimi kullanılmaktadır. İletkenlik, bir iletkenlik metre (conductivity meter) ve controller tarafından iletkenlik sensörüne uygulanan bir alternatif gerilim sonucunda ortamın iletkenliğine bağlı olarak çıkışta elde edilen işaretin değerlendirilmesi ile tespit edilir. Alternatif gerilim uygulanmasının nedeni, çözelti içinde iyonlaşmaya neden olmamaktır. İletkenlik sensörleri, yüzey alanları (A) ve aralarındaki açık mesafesi (d) önceden tespit edilmiş iki veya ikiden fazla elektrodun biraraya gelmesinden oluşmuşlardır. İletkenlik sensör hücre sabiti K, K = d/A olarak tanımlanmıştır. İletkenlik ölçen cihazlar (conductivity meter), controller' lar ve sensörleri sistem faaliyete geçirilmeden önce kalibre edilmelidir. Bu kalibrasyon işlemi iletkenliği bilinen standart bir çözeltiyle standart koşullarda yapılır, iyi bir kalibrasyon işleminin ölçümü yapılacak çözeltiye yakın, değeri bilinen bir standart çözeltiyle yapılması tavsiye edilmektedir. Bu çözeltilerin iletkenlik değerlerinin, 25 °C sıcaklıktaki değerleri olduğu ve iletkenliklerinin (% 2/°C) sıcaklıkla değiştiği unutulmamalıdır. İletkenlik ölçümünün yapıldığı çoğu iletkenlik metre veya controller üzerinde kalibrasyon ayar imkanı mevcuttur. Su kalitesi analizi, şeker üretimi (first carbonation), tuzla doyurma (brines), firm kontrolü, doygunluk kontrolü, merserizasyon banyosu, karbonizasyon banyosu, turşu yapımı, gliserin, deterjan, gübre uygulamaları iletkenlik ölçüm ve kontrolünün kullanıldığı alanlardan bazılarıdır. pH, ORP, İletkenlik, Sıcaklık Ölçüm ve Kontrol Devreleri : pH ve ORP ölçüm devrelerinde sensörlerden üretilen gerilim öncelikle kuvvetlendirilmekte (ORP hariç) ve gerilim seviyeleri PIC işlemcisine uygulanabilir seviyeye getirilmektedir. Bu gerilimlere karşılık gelen değerler PIC içerisinde çevrilerek ekrana yazdınlmaktadır. İletkenlik ölçüm devresinde ise, sensöre kare dalga uygulanarak, sensörün iletkenliği ölçülecek ortama batırıldığında devre çıkışındaki gerilim ölçülmektedir. Ölçülen bu gerilim değerine karşılık gelen iletkenlik değeri PIC içerisinde değerlendirilerek ekrana yazdınlmaktadır. Kullanılan 16F877 PIC işlemcisinin analog dijital çeviricisi 10 bit olduğundan ölçüm devreleri çıkışında 4.48 mV'dan düşük gerilim değerlerinin değerlendirilmesi mümkün olmamıştır. pH ölçümünde ulaşılan hassasiyet derecesi % 4, ORP ölçümünde ise % 0.5 olmuştur. İletkenlik ölçüm devresinde çıkış gerilimi, ortamın iletkenlik direnç ile hiperbolik bir değişim göstermektedir. Bu nedenle elde edilen hassasiyet derecesini kesin bir rakamla söylemek mümkün değildir. İletkenlik ölçümünde 20 mS ile 0.28 mS arasındaki iletkenlik değerlerinin ölçülmesi hedeflenmiştir. Elde edilen hassasiyet, 20 mS civarında bit başına 0.05 ohm iken, xıu0.28 mS civarında bu hassasiyet 260 ohm mertebelerine düşmüştür. Sıcaklık ölçümünde elde edilen hassasiyet bit başına 0.59 °C olmuştur. Devrede her dört ölçüm için alt ve üst limit kontrol noktası tanımlamak mümkündür. xıv pH, ORP, CONDUCTIVITY, TEMPERATURE MEASUREMENT AND CONTROLLING SUMMARY In this thesis study, pH, ORP (oxidation and reduction potential) and conductivity measurement and controlling instruments with a microcontroller has been realized. All three mesurement and controlling parts are placed on one board and controlled with a microcontroller. Due to tempereture effect on these measurements, additional part for temperature measurement has been put on board. In last years, these three combined measurements and its controlling instruments has become more popular and has been participating in many endustrial application. In some cases, more than one mesurement and controlling part are used together in one application depending on the application specification. These three mesurement' s chemical definitions and used sensores specifications, media and environment effect on correct measurement and importance of calibration process has briefly explained below ; pH: pH is a measure of acidity or alkalinity of solutions. The amount of hydrogen ions (H+) causes a liquid to be acidic (high concentration of hydrogen ions) or alkaline (low concentration of hydrogen ions). Maximum available pH range -2 to 16 in aqueous solutions. The pH range is measured from 0 to 14. Values below 0 or above 14 are possible but rare and cannot be measured with the sensores used in these thesis. Concentration of hydrogen ions is important quality parameter for both water supplies and the creatures living in and using these supplies. For the biological life, appropriate concentration of hydrogen ions interval is not broad. To protect macro and micro life and to prevent unwanted chemical reactions in water supplies, pH value of these supplies are wanted to keep between 6-9. Related to the various water quality classes, pH value of drinking waters are wanted to be between 6.5-8.5. pH is an important measurement, because it determines product quality (sugar refining, pulp and paper mills, latex coagulation, photo developing), It enhances product efficiency (Flue gas scrubbing, circuit board etching, fermentation processes), it assures product safety (Chromate and cyanide destruct systems, potable and waste waters, food) A pH measuring system consists of a pH electrode, an electrode whose output voltage changes as the pH (hydrogen ion concentration) changes, a reference electrode is an electrode whose voltage output stays constant, a pH meter, a millivolt meter with a special high impedance input circuit and circuits to change the electrode's millivolts into pH unit readouts. Optionally, an temperature sensor and automatic temperature compansated pH electrode can be in this measurement system xvto correct for the effects of temperature changes. Electrodes are available in many different configurations. Choosing the best electrode for your needs is essential to proper system operation. For many years, automatic pH control systems have been used to optimize manufacturing processes and to assure product quality. More recently, stringent new governmental regulations regarding wastewater discharge require any industry that discharges effluent into sewer systems, lakes or streams to neutralize this effluent before allowing it to be discharged. In many instances, recording the pH of the discharge is also required. ORP (Oxidation Reduction Potential) : ORP is an abbreviation for `Oxidation Reduction Potential` also known as redox, is the measurement of a solution's oxidizing and reducing activity. ORP measurement is a useful measurement for monitoring and controlling chemical reactions. Typical examples of ORP uses include, ozone or chlorine control in water, chromate reduction or cyanide destruction. The principle of potentiometric operation for ORP measurement is that whenever a metal is exposed to varying concentrations of chemicals, a millivolt level (mV) electrical potential is generated. The millivolts generated are a function of the type of metal used, the type and concentration of the chemicals in solution and the solution's temperature. ORP measurement can be done with ORP electrodes. The electrodes used for pH measurement are similar to ORP electrodes. Reference elektrodes for both measurements are the same. A pH meter with a mV scale can be used simply by connecting an ORP electrode in place of the pH electrode. The mV signal generated by the electrode is representative of, for example, the residual chlorine in solution. This ORP potential is temperature-dependent; however, temperature compensation is not used because the compensation would vary for each different oxidation/reduction reaction occurring, in many endustrial applicatons, it is likely that several reactions are taking place at the same time. Many industries can benefit from the use of ORP measurements, including waste water treatment applications and the pulp and paper industry. From a water treatment perspective, use of ORP for controlling water disinfection or the growth of algae with chlorine, chlorine dioxide, bromine and ozone in applications such as cooling towers, swimming pools, potable water supplies and a multitude of other sterile water applications is of prime interest. Other oxidizers include fluorine and hydrogen dioxide. Calibration is not normally required. In fact many ORP meters do not have calibration adjustments. However, measurement error can occur due to contamination or coatings on the electrode. Even though the meter cannot be adjusted, calibration verification can be helpful. Conductivity : Conductivity is the measurement of a solution's ability to conduct electric current. All aqueous solutions conduct electricity to various degrees. Adding electrolytes such as acids, bases or salts to water increases its conductance. The basic unit of conductance are the Siemens (S) and mhos. In practice, the units of Siemens (mhos) xviand ohms are too large to use in measuring solution conductivity, so the typical units used are microSiemens (umhos) or milliSiemens (mmhos) and the reciprocal, Megohms. Conductivity is measure by an electronic meter or controller which applies an alternating voltage on the Conductivity Sensor to prevent ionization and measures the resulting signal. The Conductivity Sensors consists of two or more electrodes of a certain area (A) separated by a predetermined distance (d). The sensor's cell constant (expressed in units of centimeters) is defined by K - d / A. Water quality surveys, first carbonation (sugar), brines concentration, cooker control, saturation control, mercerizing baths, carbonazing baths, pickle making, glycerine, fertilizer, detergents applications are the some example of the conductivity measurement and controlling. pH, ORP, Conductivity, Temperature Measurement and Control Circuits : In pH and ORP measurement circuits, the voltage produced by pH and ORP sensors are firstly amplifed and shifted to a positive voltage level to apply to PIC (In ORP measurement, there is no need to amplify). These amplifed and shifted voltages are evaluated digitally in PIC to find equivalent pH and ORP values, then these values are displayed on screen. In Conductivity measurement circuit, sqarewave voltage is applied on the conductivity sensor and this sensor is submerged into a solution. The voltage measured at the output is related to the soliton's conductivity. This voltage level equivalant to solution conductivity is evaluated digitally in PIC and displayed on screen. PIC 16F877 has a 10 bit analog dijital converter and it is not possible to measure voltages lower than 4.8 mV at the output of the measurement circuits. The sensitivity reached in pH measurement is % 4, in ORP measurement % 0.5. In conductivity measurement, output voltage is an hyperbolic function of the resistivity of the solition. Because of these function relation, exact reached sensitivity value in conductivity measurement can't be said. Between 20 mS and 0.28 mS conductivity value measurements has been aimed with this circuit. The sensitivity reached around 20 mS is 005 ohm per bit change, around 0.28 mS is 260 ohm per bit change. In temperature mesurement circuit, reached sensitivity is 0.59 °C per bit. In four circuits, it is possible to define control limit points. xvn 115