Snímač pH měří napětí mezi pH- citlivou skleněnou elektrodou a stabilní referenční elektrodou. To napětí následuje po Nernst rovnice - o 59, 16 mV na jednotku pH při 25 ° C - a je přeměněn na hodnotu pH; průmyslové vysílače pak výstup čtení jako 4-20 mA nebo RS485. Tato příručka pokrývá pracovní princip, typy elektrod, Nernst svahu, kalibraci a průmyslový výběr.
Hodnoceno pro technickou přesnost SHI SHENTONG, Aplikační inženýr, KSsensor; vydané technickým týmem KSsensor.
Co pH skutečně měří
pH vyjadřuje Aktivita vodíkových iontů v roztoku, ne pouze jejich koncentraci. Definice je záporný logaritmus -10:
pH = − logaritmus
Vzhledem k tomu, že je logaritmické, změna jedné pH jednotky znamená desetinásobná změna u aktivity hydrogen- iontů. Na známé stupnici 0-14 je pH 7 neutrální, hodnoty pod 7 jsou kyselé a hodnoty nad 7 jsou alkalické. V reálných řešeních - zejména v průmyslových a přírodních vodách - se činnost liší od syrové koncentrace, a proto musí být měřený signál kalibrován proti pufrům známého pH.
Pro zkoušení vody a odpadních vod je mezinárodní referenční metodou pro stanovení pH ISO 10523: 2008 (Kvalita vody - Stanovení pH) a regulátorů, jako je například EPA, stanovily limity pH ve stejném měřítku. Proto je pH parametrem shody, nikoli pouze procesním komfortem.
Jak funguje senzor pH: Skleněná elektroda vs Referenční elektroda
Elektrochemické pH senzor je beray- jako buňka vyrobená z 2 polobuňky: pH- citlivá měřící elektroda a stabilní referenční elektroda. Potenciální rozdíl mezi nimi je to, co nástroj čte.
Skleněná (měřící) elektroda
Měřící elektroda je tenká skleněná membrána citlivá na pH- Uzavřená v trubici. Při ponoření tvoří skleněný povrch hydratovanou vrstvu, ve které se vodíkové ionty vyměňují se skleněnou mřížkou. Tato iontová výměna produkuje potenciál, který závisí na aktivity hydrogen- iontů ve vzorku - čím více H, tím větší potenciál. Potenciál je úměrný pH podle Nernst rovnice.
Referenční elektroda
Referenční elektroda poskytuje známý, konstantní potenciál která nereaguje na pH. To je obvykle Ag / AgCl prvek v elektrolytu chloridu draselného (KCl), připojený ke vzorku přes porézní spojku. Jeho stabilita nastavuje přesnost celého měření.
Od napětí po pH
- Skleněná elektroda vyvíjí potenciál úměrný působení vodíku ve vzorku.
- Referenční elektroda přispívá k pevnému potenciálu.
- A high- impedance voltmetr v měřiči nebo vysílači měří potenciální rozdíl mezi těmito dvěma.
- Přístroj převede toto napětí na hodnotu pH pomocí rovnice Nernst, poté jej zobrazí nebo vyvede jako 4-20 mA / RS485.
Většina průmyslových a laboratorních senzorů je kombinované elektrody: měření a referenční poločlánky jsou zabudovány do jednoho tělesa, což zjednodušuje instalaci a údržbu.
Nernst Rovnováha a teplotní kompenzace
Napětí vytvářené měřící elektrodou je popsáno Nernst rovnicePro měření pH je praktická forma:
E = E ° − (2.303 · R · T / F) · pH
- E = měřený potenciál mezi měřením a referenčními elektrodami (mV)
- E ° = buněčná konstanta (potenciál při pH 7 nastavený během kalibrace)
- R = univerzální plynová konstanta, T = absolutní teplota (K), F = Faradayova konstanta
- 2.303 R T / F = teoretická elektrodový svah, v mV na jednotku pH
Protože směrnice obsahuje T, teplota vzorku přímo mění, kolik milivoltů jedna jednotka pH produkuje. Teoretický sklon při běžných teplotách je:
| Teplota (°C) | Teoretická sklon (mV na jednotku pH) |
|---|---|
| 0 | 54.2 |
| 25 | 59.16 |
| 50 | 64.1 |
| 100 | 74.0 |
Proto průmyslové pH měřiče používají automatická kompenzace teploty (ATC) se sondou Pt100, Pt1000 nebo NTC, a proč senzor kalibrovaný při 25 ° C bude při procesu 60 ° C číst nesprávně, pokud není směrnice kompenzována. Poznámka: ATC opravuje elektrodový svah pro teplotu; neopravuje skutečnou změnu pH samotného vzorku, která závisí na chemii procesu.
Sklo, ISFET a Solid- State pH Sensors v porovnání.
Všechny tři rodiny používají stejný princip měření - elektrodový potenciál, který následuje po pH - ale liší se ve snímacím materiálu, rychlosti a toleranci tvrdých podmínek.
| Typ | Zásada vnímání | Odpověď | Pevnosti | Omezení | Typické použití |
|---|---|---|---|---|---|
| Skleněné elektrody (včetně kombinací) | PH citlivá skleněná membrána + Ag / AgCl reference | Sekundy | Nejlepší přesnost a dlouhodobá stabilita; vystopovatelné podle ISO 10523 | Křehký; potřebuje hydrataci a pravidelnou kalibraci; náchylný k povlaku a HF útok | Laboratorní a obecná průmyslová voda / odpadní vody |
| ISFET | ion- citlivý tranzistor v terénu (pevný stav) | Velmi rychle. | Malé, robustní, žádné sklo k rozbití; nízký objem vzorku | Citlivý na světlo a elektrický hluk; omezená odolnost vůči tvrdým chemikáliím | Potravinářské, biomedicínské, přenosné a rychlé kontroly |
| Solid- stát (oxid kovu / antimon) | Pevná metaloxid nebo antimonová elektroda | Střední | Přežívá abrazivní a HF- obsahující média, kde sklo selhává | Nižší přesnost, větší posun, vyžaduje častější kalibraci | Silné chemické a vysoce pevné procesní proudy |
Dvě omezení jsou důležitější, než je uvedeno v seznamu. Skleněná elektroda ukazuje alkalická (sodná) chyba při vysokém pH, pokud jsou ionty alkalických kovů bohaté, a kyselá chyba při velmi nízkém pH, oba jsou vlastnosti samotné skleněné membrány, takže čtení se posune i na čerstvě kalibrovaném senzoru, a to je skutečný důvod, proč rostlina přestane věřit čtení na konci stupnice. ISFET je rychlejší a nemá sklo k rozbití, ale jeho iontově citlivá vrstva je citlivá na světlo a elektrický hluk, je napadena silným alkalisem a kyselinou fluorovodíkovou a může reagovat na ionty jiné než vodík. Ani technologie neodstraňuje potřebu kalibrace; mění pouze to, jak často je kalibrace potřebná a jak tvrdý proud může tělo přežít.
Kalibrace: 2-bodová metoda s 4,00 / 6.86 / 9.18 Buffers
Dokonce i perfektní elektrody drifty, takže pH měření je jen tak dobré, jako jeho kalibrace. Průmysl standard pro většinu vody a odpadních vod práce je dvoubodová kalibrace Sladění očekávaného pH procesu pomocí certifikovaných bufferů - běžně pH 4.00, 6.86 a 9.18 (nebo 7.00 a 10.01).
- Opláchněte elektrodu deionizovanou vodou a vysušte ji - nikdy neotřete skleněnou žárovku.
- Ponořit do prvního bufferu (obvykle pH 6.86 / 7.00) a nechat čtení stabilizovat.
- Zadejte první hodnotu bufferu a potvrďte nulový / kompenzační bod.
- Opláchněte znovu, pak ponořte do druhého bufferu (pH 4,00 pro kyselé vzorky nebo 9.18 pro alkalické vzorky).
- Zadejte druhou hodnotu, takže měřič vypočítá elektrodu sklon (mV na jednotku pH).
- Kalibraci přijměte pouze tehdy, je-li sklon uvnitř okna výrobce & # 8217; jinak ji vyčistěte nebo nahraďte elektrodou.
- Zaznamenejte datum, použité buffery a sklon a překalibrujte na harmonogram, který aplikace vyžaduje.
Výběr druhého bufferu: kalibrace kolem pH, které skutečně změříte. Vodní elektrárna pracující při pH 7- 8 by měla používat 6.86 a 9.18, zatímco kyselý proces by měl používat 4.00 a 6.86.
Společné kalibrační chyby
- Opakované použití pufru - přenášení kontaminuje a posune každé čtení.
- Přeskakuje propláchnutí mezi nárazníky.
- Kalibrace pufry při odlišné teplotě od vzorku bez ATC.
- Vysušení skleněné žárovky nebo její vymazání, což poškozuje hydratovanou vrstvu.
- Spoléhám na jednobodovou kalibraci pro široký rozsah měření.
- Ignorování mimo-off- rozsah sklon - nízká sklon obvykle znamená faulovaný nebo stárnoucí elektroda.
- Použití prošlých nebo necertifikovaných nárazníků, takže referenční hodnoty samotné jsou nesprávné.
Typické rozsahy pH podle aplikace
Každý rozsah níže je vysledovatelný podle zveřejněné normy, uvedené ve sloupci Zdroj. Chemické, farmaceutické a zemědělské procesy nemají jediný zveřejněný rozsah: jejich pH okno je stanoveno specifickým procesem nebo plodinou, takže to musí pocházet z vaší vlastní specifikace procesu spíše než obecné tabulky.
| Žádost | Typický rozsah pH | Zdroj: |
|---|---|---|
| Pitná voda | 6, 5 - 8, 5 | US EPA (sekundární standard pití vody) |
| Sladkovodní vodní život | 6, 5 - 9, 0 | US EPA (kritéria akvaticko-životnosti) |
| Mořský / estuarinový vodní život | 6, 5 - 8, 5 | US EPA (kritéria akvaticko-životnosti) |
| Vypouštění odpadních vod | 6, 0 - 9, 0 | 40 CFR 133.102 (sekundární úprava) |
| Potraviny & amp; nápoj (kyselé potraviny) | 4, 6 nebo méně | 21 CFR 114.3 (rovnovážné pH) |
Vzhledem k tomu, že omezení pitné vody a akvaticko-životnosti leží blízko neutrální, senzor, který je přesný pouze ± 0,5 pH, nemůže prokázat shodu. Tady přesnost elektrod, ne rozlišení displeje, se stává rozhodující specifikace.
Průvodce průmyslovým výběrem: Přesnost vs Rozlišení, Výstupy a Hodnocení IP
Nákup průmyslového snímače pH je speciální cvičení. O tom, zda je měření v praxi užitečné, rozhoduje pět níže uvedených bodů.
1. Přesnost vs rozlišení - nejsou stejné
Měřič, který zobrazuje 0, 01 Rozlišení pH je zobrazena pouze poslední číslice; není přesná na ± 0.01 pH. Průmyslové on-line analyzátory jsou obvykle specifikovány v ± 0,1 pH přesnostNaše vlastní KPH300 online analyzátor pH je dobrý odkaz: 0-14 rozsah pH, ≤ ± 0,1 pH, ≤ ± 0,1 pH opakovatelnost, 0,01 pH rozlišení, ≤ 10 s odezva, ≤ ± 0,1 pH drift, skleněná elektroda, ponorné těleso a 0-60 ° C provoz.
2. Výstupní signál: 4-20 mA nebo RS485
4–20 mA je klasická analogová smyčka, snadno se napíchne do magnetofonu nebo magnetofonu. RS485 (Modbus) nese hodnotu digitálně, takže několik senzorů může sdílet jeden autobus, a čtení netrpí analogový drift. Vyberte výstup, který odpovídá Vašemu řídicímu systému; KPH300 nabízí RS485.
3. Kompenzace teploty
Upřesněte teplotní prvek (Pt100 / Pt1000 / NTC) a potvrďte, že analyzátor používá ATC v celém rozsahu teplot procesu - až 60 ° C na KPH300.
4. Uzavření a ochrana
Srovnat Stupeň krytí IP a tělesný materiál do instalace: ponorné pro sumps a otevřené kanály, a chemicky odolné tělo pro agresivní proudy. Potvrďte, že senzor může být ponořen do hloubky, kterou tank nebo kanál vyžaduje. Př KPH300je například dodáván v ocelovém pouzdře bez nátěru IP68 pro nepřetržité ponoření.
5. Kalibrační interval a náklady na údržbu
Uvedené interval kalibrace (o 6 měsíců pro čistý proces na KPH300) je plná dvoubodová kalibrace cyklus, ne rutinní týdenní kontrola bufferu; to vám řekne očekávané chování drift. Potlačení proudu bude potřebovat kratší cykly. Faktor buffer a náhradní elektroda náklady do volby, nejen kupní cenu.
Pro přenosné ověření vedle pevné instalace, ruční jednotka, jako je naše Hydro pH metr kryty 0, 00- 14, 00 pH s 0, 01 Rozlišení pH a ± 0,1 pH přesnost nad 0-60 ° C, s kalibrací jednoho a dvou bodů.
Instalace a údržba
- Připojit senzor, kde je průtok reprezentativní - vyhnout se mrtvým zónám a vzduchovým kapsám, které způsobují nestabilní údaje.
- Nech si tu žárovku. mokré po celou dobu; skladovat v KCl úložišti, nikdy v deionizované vodě.
- Respektujte maximální hloubku ponoření a teplotní limit čidla.
- Očistěte elektrodu. pravidelně: měkké usazeniny s detergentem, olejové fólie s vhodným rozpouštědlem a uhličitanová stupnice s proplachováním zředěné kyseliny, poté rehydratace.
- Rekalibrujte po každém čištění a kdykoliv se čtení stane podezřelým.
- Doplňte nebo nahraďte referenční elektrolyt na plnitelných elektrodách, a nahraďte elektrodu, pokud sklon zůstane po čištění mimo rozsah.
- Log kalibrační sklon a drift, takže si můžete všimnout selhání elektrody před tím, než to stojí várku.
Často kladené otázky
Jak funguje pH senzor?
Snímač pH měří potenciální rozdíl mezi skleněnou měřící elektrodou a stabilní referenční elektrodou. Toto napětí následuje po Nernstově rovnici - zhruba 59,16 mV na jednotku pH při 25 ° C - a metr ji převede na hodnotu pH.
Jaký je rozdíl mezi čidlem pH a měřičem pH?
Čidlo (elektroda) je měřicí prvek, který se dotkne vzorku; měřič nebo vysílač je nástroj, který čte napětí, používá kalibraci, kompenzuje teplotu a zobrazuje nebo vystupuje hodnotu pH. Kompletní měření potřebuje obojí.
Jak často by měl být kalibrován senzor pH?
To jsou dva různé úkoly na dvou různých hodinách. Rychle. ověření kontrola bufferu před kritickým měřením je běžnou praxí alespoň jednou týdně v nepřetržitém provozu. A full dvoubodová kalibrace je prováděno v libovolném intervalu, který váš proces vyžaduje: pro čistou instalaci, jako je KPH300, je specifikováno na asi šest měsíců, zatímco faulování nebo vysokoteplotní proudy potřebují kratší cykly.
Jaký je rozdíl mezi rozlišením pH a přesností pH?
Rozlišení je nejmenší zobrazený krok (např. 0.01 pH); přesnost je, jak blízko je čtení na skutečnou hodnotu (průmyslové online analyzátory jsou obvykle ± 0,1 pH). Displej pH 0,01 neznamená, že je čidlo přesné na ± 0,01 pH.
Proč je pro měření pH nutná teplotní kompenzace?
Nernst sklon závisí na teplotě - asi 54,2 mV / pH při 0 ° C versus 74,0 mV / pH při 100 ° C. Automatická kompenzace teploty opravuje sklon elektrod pro teplotu vzorku, takže vypočtené pH zůstává správné.
Vyberte správný pH senzor pro Váš proces.
Ať už monitorujete pitnou vodu, přívod jídla a nápojů nebo výtok odpadních vod, odpovídající senzoru k aplikaci je to, co dělá měření důvěryhodným. Prohlédněte si naše Rozsah snímače pH pro průmyslové a laboratorní modely, viz, jak pH kontrola funguje v výroba potravin a nápojů a v čištění odpadních vod, nebo přečíst článek společníka na jak pH senzory fungují ve všech prostředích.
Zdroje
- ISO 10523: 2008 - Kvalita vody - Stanovení pH, Mezinárodní organizace pro normalizaci.
- Sekundární normy pro pitnou vodu: Pokyny pro obtěžování chemikálií, US EPA.
- Národní doporučená kritéria kvality vody: Tabulka akvatických kritérií života, US EPA.
