How pH Sensors Work: Principle, Calibration & Buying Guide

جهاز استشعار حامض السلفونيك البيرفلوري يقيس الفولط بين الكهرورود الزجاجي ذو الحساسية العالية وكهرباء مرجعية مستقرة هذا الفولط يتبع معادلة Nernst تقريبا 59.16 mV per pH unit at 25 °C - ويحوَّل إلى قيمة من الصحة الفائقة؛ ثم تُنتج أجهزة الإرسال الصناعية القراءة كما يلي: 4-20 mA or RS485ويغطي هذا الدليل مبدأ العمل، وأنواع الكهروود، والمنحدر الشمالي، والمعايرة، والاختيار الصناعي.

مستعرضة للدقة التقنية SHI SHENTONG, Application Engineer, KCSensor; published by the KCSensor technical team.

ماذا في الواقع التدابير

PH expresses the نشاط الأيونات الهيدروجينية (H+) في حل، ليس فقط تركيزهم. والتعريف هو قاعدة سلبية - 10 لوغاريتم:

pH = −log10 a(H+)

لأنّه لوغاريثاميكيّ، تغيير وحدة إتش بي إن يعني التغيير العشري في نشاط الهيدروجين وعلى النطاق المألوف الذي يتراوح بين صفر و14، فإن المادة 7 من قانون الصحة العامة محايدة، والقيم التي تقل عن 7 قيم حمضية، والقيم التي تتجاوز 7 قيم هي ألكالين. وفي حلول حقيقية - لا سيما المياه الصناعية والطبيعية - يختلف النشاط عن التركيز الخام، وهذا هو السبب في أن الإشارة المقيسة يجب أن تعادل معازل من الهيدروجين المعروف.

وفيما يتعلق باختبار المياه ومياه الصرف الصحي، فإن الطريقة المرجعية الدولية لتحديد الهيدروجيني هي ISO 10523:2008 (نوعية المياه - تحديد الصحة العامةكما أن منظمين مثل وكالة حماية البيئة الأمريكية حددوا حدوداً على نفس النطاق. ولذلك، فإن الصحة العامة هي معيار للامتثال، وليس مجرد عملية ملائمة.

How a pH Sensor Works: Glas Electrode vs Reference Electrode

جهاز إستشعار كهربي كهروكيميائي هو خلية تشبه البطارية مصنوعة من نصف قذيفة: a pH-sensitive measuring electrode and a stable reference electrode. والفرق المحتمل بينهما هو ما يقرأه الصك.

الكهرومغناطيسي

كهرباء القياس هي حمراء زجاجية حساسة مقفلة على أنبوب عندما يغمر السطح الزجاجي يتكون من طبقة مهيدرّة تتبادل فيها أيون الهيدروجين مع البطيخ الزجاجي وينتج هذا التبادل الايوني احتمالا يعتمد على نشاط الهيدروجين -يون في العينة - أي أكثر ارتفاعا، كلما زادت الإمكانات. The potential is proportional to pH, following the Nernst equation.

الإلكترود المرجعي

يقدم الكهرومغناطيسي المرجعي معروفة، ومحتملة باستمرار هذا لا يستجيب للحمض النووي انه عادة Ag/AgCl عنصر في كلوريد البوتاسيوم (KCl) الكهروليت، متصل بالعينة من خلال مفترق خماسي. إن استقراره يحدد دقة القياس بأكمله.

من فولتاج إلى صهريج

• The glass electrode develops a potential proportional to the hydrogen-ion activity of the sample.
• والكهرباء المرجعية تسهم في إمكانية ثابتة.
• A مقياس درجة الحرارة العالية في القياس أو الإرسال يقيس الفرق المحتمل بين الاثنين
• ويحوّل الصك هذا الفولط إلى قيمة من الصحة الفائقة باستخدام معادلة نرنست، ثم يعرضه أو يُخرجه في 4-20 ميغاواط/RS485.

معظم أجهزة الاستشعار الصناعية والمختبرية كهرباء: The measuring and reference half-cells are built into a single body, which simplifies installation and maintenance.

The Nernst Equation and Temperature Compensation

ويرد وصف للفولط الذي ينتجه كهرباء القياس. معادلة Nernstوفيما يتعلق بقياس الهيدروجيني، فإن الشكل العملي هو:

E = E° − (2.303 ; R · T/ F) · pH

• E = القدرة المقيسة بين أجهزة القياس والكهرباء المرجعية
• E° = ثابت زنزانة (الإمكانات عند درجة حرارة 7، المجموعة خلال المعايرة)
• R = ثابت الغاز العالمي، T = درجة الحرارة المطلقة (ك) F = ثابت فاراداي
• 2.303 R T/F = النظرية منحدر كهربائيفي كل وحدة من وحدات الصحة العامة

لأن المنحدر يحتوي Tدرجة حرارة العينة تُغيّرُ بشكل مباشر كَمْ مِنْ المليفولتاتِ وحدةِ PH تنتجُ. والمنحدر النظري عند درجات الحرارة المشتركة هو:

درجة الحرارة (درجة مئوية)	المنحدر النظري (لكل وحدة من وحدات الصحة العامة)
0	54.2
25	59.16
50	64.1
100	74.0

هذا هو السبب في استخدام المتر الصناعية تعويضات درجة الحرارة الأوتوماتيكية مع اختبار Pt100 أو Pt1000, أو NTC، وسبب أن جهاز استشعار يعاد تحديده عند درجة حرارة 25 درجة مئوية سيقرأ بشكل غير صحيح في عملية 60 درجة مئوية ما لم يتم تعويض المنحدر. ملاحظة التمييز: تصحح لجنة مكافحة الإرهاب التمييز منحدر كهربائي بالنسبة لدرجات الحرارة، فإنه لا يصحح التغير الحقيقي في الهيدروجيني للعينة نفسها، الذي يعتمد على كيمياء العملية.

Glas, ISFET and Solid-State pH Sensors Compared.

وتستخدم الأسر الثلاث جميعها نفس مبدأ القياس - وهو احتمال الكهرومغناطيسي يتبع الهيدروجيني - ولكنها تختلف في مواد الاستشعار، والسرعة، والتسامح إزاء الظروف القاسية.

النوع	مبدأ الاستشعار	الرد	القوة	القيود	الاستخدام النموذجي
كهرباء غلاس (بما في ذلك مزيج)	ميمبران زجاجية مراعية للآداب + AG/AgCl	الثانية	أفضل دقة واستقرار طويل الأجل؛ يمكن تعقبه إلى ISO 10523	Fragile; needs hydration and regular calibration; prone to coating and HF attack	المياه/المياه الصناعية العامة
ISFET	مترجم ذو تأثيرات ميدانية حساسة (الولاية الموحدة)	سريع جدا	صغيرة، مسدودة، لا زجاج لكسر؛ انخفاض حجم العينة	الضوضاء الخفيفة والكهربائية؛ مقاومة محدودة للمواد الكيميائية القاسية	تطبيقات الأغذية والطب الأحيائي والتنقل والفحص السريع
Solid-state (metal oxide/antimony)	أكسيد معدني صلب أو كهرومغناطيسي	تحديث	وسائل الإعلام الجاهزة والمحتوية على التردد العالي حيث يفشل الزجاج	دقّة أقل، أكثر انجرافا، تحتاج إلى معايرة أكثر تواترا	مسارات معالجة المواد الكيميائية والعالية العسر

أمرين محدودين أكثر مما تشير إليه ورقة العينة كهرباء الزجاج تظهر خطأ (السوديوم) في درجة عالية من الصحة عندما تكون الآيونات الطولية وفرة خطأ في الحمض في درجة حرارة منخفضة جداً، وكلاهما من خصائص النسيج الزجاجي نفسه، لذا تتحول القراءات حتى على جهاز استشعار معايرة حديثاً، وهي السبب الحقيقي لتوقف النبتة عن الثقة بقراءة في نهاية الجدول. وسرعان ما تكون القوة الدولية للاتصالات السلكية واللاسلكية، وليس لديها زجاج لتكسره، ولكن طبقاتها الحساسة من الأيون حساسة للضوء والضوضاء الكهربائية، تتعرض للهجوم من قبل آلكليس قوية وحامض الهيدروفلوريك، ويمكنها أن تستجيب للأيون غير الهيدروجين. ولا تزيل التكنولوجيا الحاجة إلى المعايرة؛ فهي لا تتغير إلا متى كانت هناك حاجة إلى المعايرة ومدى قسوة تدفق الجسم.

معايرة: 2 بوينت Method with 4.00 / 6.86 / 9.18 Buffers

حتّى إنجراف الكهرومغناطيسيّ مثاليّ، لذا قياس الهيدروجينيّة جيّد بقدر معايرته. المعيار الصناعي لمعظم أعمال المياه ومياه النفايات هو المعايرة ثنائية النقاط بين قوسين معقوفين العملية المتوقعة pH 4.00, 6.86, and 9.18 (أو 7.00 و 10.01).

1. مزق الكهرباء بالماء المهين ونظفها جافاً - لا تمسح المصباح الزجاجي أبداً
2. تماثلها في العازل الأول (عادة ما تكون pH 6.86 / 7.00ودع القراءة تستقر
3. أدخل القيمة العازلة الأولى وأكّد نقطة الصفر/الوضع.
4. يرن مرة أخرى، ثم يغمر في العازل الثاني (pH 4.00 العينات الحمضية أو 9.18 (ب) عينات ألكلاين.
5. أدخل القيمة الثانية حتى يحسب المتر الكهربائي المنحدر (mV per pH unit).
6. ولا تقبل المعايرة إلا إذا كان المنحدر في إطار الصانع رقم 8217؛ والنافذة؛ أو غير ذلك، أو نظيفة أو تحل محل الكهرباء.
7. سجل التاريخ، العوازل المستخدمة، والمنحدر، والانتعاش على الجدول الذي يتطلبه طلبك.

إختيار المسائل العازلة الثانية: معايرة حول PH التي تقيس في الواقع. A water plant working at pH 7-8 should use 6.86 and 9.18, while an acidic process should use 4.00 and 6.86.

أخطاء المعايرة المشتركة

• إعادة استخدام الحل العازل - يلوثه النقل ويتحول كل قراءة.
• تزلج على الكنز بين العوازل
• معايرة مع العوازل بدرجه حراره مختلفه عن العينة بدون اي تي.
• ترك المصباح الزجاجي يجف أو يمسحه مما يلحق الضرر بالطبقة المهذبة
• Relying on a single-point calibration for a wide measuring range.
• فإشعال منحدر خارجي - وهو منحدر منخفض يعني عادةً كهرومغناطيسي أو قديم.
• وباستخدام عوازل منتهية أو غير مصدق عليها، فإن القيم المرجعية نفسها خاطئة.

راندمز نموذجي من طراز PH

ويمكن تتبع كل نطاق يرد أدناه إلى معيار منشور، يرد في عمود المصدر. فالعمليات الكيميائية والصيدلانية والزراعية ليس لها نطاق منشور واحد: فالنافذة الخاصة بها مصممة حسب العملية المحددة أو المحصول، لذا يجب أن تأتي من مواصفات العمليات الخاصة بك بدلا من جدول عام.

التطبيق	النطاق المعتاد للحمض النووي	المصدر
مياه الشرب	6-5-8-5	US EPA (secondary drinking-water standard)
الحياة المائية للمياه العذبة	6.5 - 9.0	US EPA (aquatic-life criteria)
الحياة البحرية/المائية	6-5-8-5	US EPA (aquatic-life criteria)
تصريف المياه المستعملة	6.0 - 9.0	40 CFR 133.102 ( Secondary treatment)
الأغذية والمشروبات (أغذية معتمدة)	4-6 أو أقل	21 CFR 114.3 (equilibrium pH)

لأن مياه الشرب وحدود الحياة المائية تبقى على مقربة من المحايدة، وهو جهاز استشعار دقيق لـ 0.5 فقط لا يمكنه إثبات الامتثال. هذا هو المكان دقّة الكهرومغناطيسيّة، ليس حلّاًتصبح المواصفات المقررة

دليل الاختيار الصناعي: Accuracy vs Resolution, Outputs and IP Rating

شراء جهاز استشعار صناعي لحامض السلفونيك البيرفلوري هو عملية تحديد. وتقرر النقاط الخمس الواردة أدناه ما إذا كان القياس مفيدا من الناحية العملية.

١ - الاستحقاق ضد القرار - فهي ليست نفسها

متر يُعرض قرار الجمعية العامة 0.01 لا يظهر سوى الرقم الأخير، إنه ليس دقيقاً لـ (0.01) يُحدَّد المحللون الصناعيون على الإنترنت عادة في 01.1 pH accuracyملكنا KPH300 online pH analyser مرجع جيد: صفر-14 درجة مئوية / / / / / / / / / / / / / / / / / / / // / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /

2. Output signal: 4 -20 mA or RS485

4–20 مللي أمبير هو حلقة التناظر الكلاسيكية، من السهل سلكها إلى PLC أو سجل الخرائط. RS485 (Modbus) تحمل القيمة رقمياً، لذا العديد من المستشعرات يمكن أن تتشارك حافلة واحدة، والقراءات لا تعاني من انجراف مُعدي. اختر الناتج الذي يطابق نظامك الرقابي RS485.

3- التعويض المؤقت

(ب) تحديد عنصر درجة الحرارة المبني (Pt100 / Pt1000 / NTC) وتأكيد أن المحلل ينطبق على درجة حرارة العملية الكاملة - حتى 60 درجة مئوية على درجة حرارة KPH300.

4. Enclosure and protection

تطابق تصنيف IP ومواد الجسم إلى التركيب: مغمورة بالملخصات والقنوات المفتوحة، وجسد مقاوم كيميائيا للتدفقات العدوانية. تأكد من أن جهاز الاستشعار يمكن أن يغمر إلى العمق الذي تحتاجه خزانك أو القناة. The KPH300على سبيل المثال، يتم توريدها في حالة ذات بذور غير ملوثة IP68 من أجل الإغماء المستمر

5 - تكلفة فترة المعايرة والصيانة

The stated فترات المعايرة ) 6 أشهر من أجل عملية نظيفة على الـ (KPH300) المعايرة ثنائية النقاط الدورة، ليس الفحص الاعتيادي الأسبوعي المعتاد، إنه يخبرك بالسلوك العائم المتوقع. سيحتاج مسارات الدفع إلى دورات أقصر صانعي تكلفة الحاجز واستبدال الكهرباء إلى الخيار، وليس ثمن الشراء فحسب.

للتحقق المحمول إلى جانب منشأة ثابتة، وحدة يدوية مثلنا Meter الأغطية 0.00-14.00 pH مع قرار الجمعية العامة 0.01 و 01.1 pH accuracy أكثر من 0-60 درجة مئوية، مع معايرة من نقطة واحدة إلى نقطتين.

التركيب والصيانة

• جهز جهاز الاستشعار حيث التدفق ممثل - تجنب المناطق الميتة والجيوب الجوية، التي تسبب القراءات غير المستقرة.
• احتفظ بالمصباح الزجاجي مبللة طوال الوقت; store it in KCl storage solution, never in deionized water.
• إحترمْ أعمقَ الإغراقَ القصوىَ ودرجةَ درجةَ الحرارةَ للمجسِ.
• نظف الكهرباء بانتظام: رواسب ناعمة بأفلام منظفة وزيتية ذات مذيب مناسب ومقياس كربوني مع جرينة حامض مخففة ثم تهدر.
• معايرة بعد كل تنظيف وعندما تصبح القراءة مشتبهاً بها
• اصعدوا أو ابدلوا الكهروليت المرجعي بالكهرباء القابلة للتعبئة واستعاضوا عن الكهرباء عندما يبتعد المنحدر عن المدى بعد التنظيف
• إنحدار معايرة و إنجراف حتى تتمكن من اكتشاف كهرباء فاشلة

الأسئلة المتكررة

اختر جهاز الإستشعار الصحيح لعملية

وسواء كنت ترصد مياه الشرب، أو خط غذاء وسراب، أو تفريغ مياه الصرف، مطابقة جهاز الاستشعار مع التطبيق هو ما يجعل القياس جديرا بالثقة. سبحنا جهاز استشعار من طراز PH لنماذج صناعية ومختبرية، انظر كيف يعمل التحكم في الهيدروجيني في الأغذية وإنتاج المشروبات and in معالجة مياه الصرف الصحيأو قراءة مقالة المرافقين بشأن كيف تعمل أجهزة الاستشعار الهيدروجيني في جميع البيئات.

المصادر

• ISO 10523:2008 - Water quality - Determination of pHالمنظمة الدولية للتوحيد القياسي.
• المعايير الثانوية لمياه الشرب: إرشادات للمواد الكيميائية المسببة للمرضUS EPA.
• المعايير الوطنية لنوعية المياه الموصى بها: معايير الحياة المائيةUS EPA.