Sensor pH mengukur tegangan antara elektroda kaca sensitif pH-dan sebuah reference elektroda stabil. Tegangan yang mengikuti persamaan Nernst - Tentang 59,16 mV per pH unit di 25 ° C - dan dikonversi menjadi sebuah nilai pH; industri pemancar kemudian mengeluarkan pembacaan sebagai 4-20 mA atau RS485Panduan ini mencakup prinsip kerja, elektroda jenis, lereng Nernst, kalibrasi, dan seleksi industri.
Diulang untuk akurasi teknis oleh SHI SHENTONG, Insinyur Aplikasi, KCSensor; diterbitkan oleh tim teknis KCSensor.
Apa pH Sebenarnya Ukuran
pH mengekspresikan aktivitas ion hidrogen (H] bukan hanya konsentrasi mereka. Definisinya adalah dasar negatif - 10 logaritma:
pH = Korelog Affellia (H PAUL)
Karena itu adalah logaritma, perubahan dari satu unit pH berarti perubahan sepuluh kali lipat dalam aktivitas hidrogenion. Pada skala 0-14 yang akrab, pH 7 adalah netral, nilai di bawah 7 adalah asam, dan nilai di atas 7 adalah alkali. Dalam solusi nyata - terutama industri dan perairan alam - aktivitas berbeda dari konsentrasi mentah, yang mengapa sinyal diukur harus dikalibrasi terhadap penyangga pH yang dikenal.
Untuk pengujian air dan air limbah, metode referensi internasional untuk penentuan pH adalah ISO 10523: 2008 (Kualitas air - Determinasi pH), dan regulator seperti EPA AS menetapkan batas pH pada skala yang sama. pH adalah parameter compliance, bukan hanya kenyamanan proses.
How a pH Sensor Works: Glass Electrode vs Referensi Electrode
Sensor pH elektrokimia adalah battery- seperti sel terbuat dari dua hal- sel: a pH-sensitive measures electrode and a stable reference electrode. Perbedaan potensial antara mereka adalah apa yang instrumen baca.
Elektroda kaca
Ukuran elektroda adalah membran kaca pH-sensitif disegel ke tabung. Ketika direndam, permukaan kaca bentuk lapisan terhidrasi di mana ion hidrogen pertukaran dengan garis kaca. Pertukaran ion ini menghasilkan potensi yang tergantung pada aktivitas hidrogen- dalam sampel - semakin H neh, semakin besar potensinya. Potensi ini proporsional terhadap pH, berikut persamaan Nernst.
Referensi elektroda
Referensi elektroda menyediakan diketahui, potensial konstan yang tidak menanggapi pH. Hal ini biasanya Ag / AgCl elemen dalam sebuah kalium klorida (KCI) electrolite, terhubung ke sampel melalui persimpangan berpori. Stabilitas nya mengatur akurasi dari pengukuran keseluruhan.
Dari tegangan ke pH
- Elektroda kaca mengembangkan potensial proporsional Untuk aktivitas hidrogen- ion sampel.
- Referensi elektroda berkontribusi potensi tetap.
- A tinggi-impedance voltmeter dalam meter atau pemancar mengukur perbedaan potensial antara dua.
- Instrumen yang mengubah tegangan menjadi nilai pH menggunakan persamaan Nernst, kemudian menampilkan atau mengeluarkannya sebagai 4-20 mA / RS485.
Kebanyakan sensor industri dan laboratorium adalah kombinasi elektroda: pengukuran dan referensi setengah-sel dibangun menjadi tubuh tunggal, yang menyederhanakan instalasi dan pemeliharaan.
The Nernst Equation and Temperature Compensation
Tegangan yang dihasilkan oleh elektroda pengukuran digambarkan oleh persamaan NernstUntuk pengukuran pH, bentuk praktisnya adalah:
E = E ° = 2.303
- E = diukur potensi antara pengukuran dan referensi elektroda (mV)
- E ° = konstanta sel (potensi pada pH 7, diatur selama kalibrasi)
- R = Konstan gas universal, T = Suhu mutlak (K), F = Konstan Faraday
- 2,303 R T / F = Teori elektroda slope, dalam unit mV per pH
Karena kemiringannya berisi T, suhu sampel langsung perubahan berapa milivolt satu pH unit menghasilkan. Lekukan teoritis pada suhu umum adalah:
| Suhu (°C) | Lekukan teoritis (mV per pH unit) |
|---|---|
| 0 | 54.2 |
| 25 | 59.16 |
| 50 | 64.1 |
| 100 | 74.0 |
Inilah sebabnya mengapa industri pH meter menggunakan kompensasi suhu otomatis (ATC) dengan Pt100, Pt1000, atau NTC probe, dan mengapa sensor dikalibrasi pada 25 ° C akan membaca tidak benar dalam proses 60 ° C kecuali slope adalah kompensasi. Perhatikan perbedaan: ATC mengoreksi elektroda slope untuk suhu; itu tidak benar perubahan pH nyata sampel itu sendiri, yang tergantung pada kimia proses.
Kaca, ISFET dan Solid- State pH Sensor Dibandingkan.
Semua tiga keluarga menggunakan prinsip pengukuran yang sama - potensi elektroda yang mengikuti pH - tetapi mereka berbeda dalam bahan sensing, kecepatan, dan toleransi kondisi keras.
| Jenis | Prinsip sensor | Respon | Strengths | Batas | Penggunaan Khas |
|---|---|---|---|---|---|
| Kaca elektroda (lekukan. kombinasi) | pH-sensitif membran kaca + Ag / AgCl referensi | Detik | Akurasi terbaik dan stabilitas jangka panjang; dilacak ke ISO 10523 buffer | Fragile; membutuhkan hydration dan kalibrasi reguler; cenderung untuk lapisan dan serangan HF | Laboratorium dan umum industri air / air limbah |
| ISFET | Transistor efek-sensitif Ion- (keadaan solid-) | Sangat cepat | Kecil, kasar, tidak ada kaca untuk memecahkan; volume sampel rendah | Sensitif terhadap cahaya dan kebisingan listrik; hambatan terbatas untuk bahan kimia keras | Aplikasi makanan, biomedis, portabel dan cepat-cek |
| Keadaan mandiri (logam oksida / antimon) | Logam-oksida padat atau elektroda antimon | Sedang | Survives abrasif dan HF berisi media dimana kaca gagal | Keakuratan bawah, lebih banyak drift, membutuhkan lebih sering kalibrasi | Harsh kimia dan high-padatan proses stream |
Dua keterbatasan materi lebih dari lembar spesifikasi menunjukkan. Sebuah elektroda kaca menunjukkan alkaline (natrium) error di pH tinggi ketika alkali-logam ion yang berlimpah, dan kesalahan asam pada pH sangat rendah; keduanya adalah sifat dari membran kaca itu sendiri, sehingga pergeseran membaca bahkan pada sensor yang baru dikalibrasi, dan mereka adalah alasan sebenarnya tanaman berhenti mempercayai membaca di ujung skala. ISFET lebih cepat dan tidak memiliki kaca untuk pecah, tetapi lapisan ionnya sensitif sensitif terhadap cahaya dan suara listrik, diserang oleh alkali kuat dan asam hidrofluorida, dan dapat menanggapi ion selain hidrogen. Baik teknologi menghilangkan kebutuhan untuk kalibrasi, itu hanya mengubah seberapa sering kalibrasi diperlukan dan bagaimana keras aliran tubuh dapat bertahan.
Kalibrasi: 2-Point Metode dengan 4,00 / 6.86 / 9.18 Penyangga
Bahkan drift elektroda sempurna, sehingga pengukuran pH hanya sebagai baik sebagai kalibrasi. Standar industri untuk kebanyakan air dan air limbah adalah kalibrasi dua titik kurung proses pH yang diharapkan, menggunakan solusi buffer bersertifikat - umumnya pH 4.00, 6.86, dan 9.18 (atau 7.00 dan 10.01).
- Bilas elektroda dengan air deionisasi dan blot kering - tidak pernah menghapus bola kaca.
- Masukkan ke buffer pertama (biasanya pH 6.86 / 7.00) dan biarkan pembacaan stabil.
- Masukkan nilai penyangga pertama dan konfirmasi titik nol / ofset.
- Mengulang lagi, kemudian membenamkan pada penyangga kedua (pH 4.00 untuk sampel asam atau 9.18 untuk sampel alkali).
- Masukkan nilai kedua sehingga meter menghitung elektroda slope (MV per pH unit).
- Terima kalibrasi hanya jika slope dalam produsen & # 8217; s jendela; sebaliknya, membersihkan atau menggantikan elektroda.
- Rekam tanggal, penyangga yang digunakan, dan kemiringan, dan kalibrasi ulang pada jadwal yang diperlukan aplikasi Anda.
Memilih buffer kedua: kalibrasi sekitar pH yang Anda ukur. Sebuah pabrik air yang bekerja di pH 7-8 harus menggunakan 6,86 dan 9.18, sementara proses asam harus menggunakan 4.00 dan 6,86.
Kesalahan kalibrasi umum
- Menggunakan solusi penyangga - carryover mencemari dan menggeser setiap bacaan.
- Melewati bijih antara buffer.
- Mengkalibrasi dengan penyangga pada suhu yang berbeda dari sampel tanpa ATC.
- Membiarkan bola kaca mengering atau menyeka itu, yang kerusakan lapisan dehidrasi.
- Mengaktifkan kalibrasi titik tunggal untuk rentang pengukuran yang luas.
- Mengabaikan lekukan out-of -range - slope rendah biasanya berarti sebuah fouled atau elektroda usia.
- Menggunakan penyangga yang kadaluarsa atau tidak disertifikasi, sehingga nilai referensi itu sendiri salah.
Tipe pH Ranges oleh Aplikasi
Setiap jarak di bawah ini dilacak ke standar yang diterbitkan, dikutip dalam kolom Sumber. Kimia, farmasi, dan proses pertanian tidak memiliki jangkauan apapun yang diterbitkan: jendela pH mereka tetap oleh proses atau tanaman tertentu, sehingga harus datang dari spesifikasi proses Anda sendiri daripada tabel generik.
| Aplikasi | Jangkauan pH khas | Sumber |
|---|---|---|
| Minum air | 6,5 - 8.5 | EPA AS (standar air minum sekunder) |
| Kehidupan air tawar | 6,5 - 9.0 | EPA AS (kriteria aquatic-life) |
| Marine / estuarine air kehidupan | 6,5 - 8.5 | EPA AS (kriteria aquatic-life) |
| Air limbah dikosongkan | 6,0 - 9.0 | 40 CFR 133.102 (perawatan sekunder) |
| Makanan & amp; minuman (makanan asam) | 4,6 atau di bawah | 21 CFR 114.3 (equilibrium pH) |
Karena minum - air dan air laut - batas kehidupan duduk dekat dengan netral, sensor yang akurat untuk hanya 5.0.5 pH tidak dapat menunjukkan kepatuhan. Di sinilah akurasi elektroda, tidak menampilkan resolusi, menjadi spesifikasi memutuskan.
Panduan Pemilihan Industri: Akurasi vs Resolusi, Hasil dan Rating IP
Membeli sensor pH industri adalah latihan spesifikasi. Lima poin di bawah ini memutuskan apakah pengukuran berguna dalam praktek.
Resolusi akurasi vs - mereka tidak sama
Sebuah meter yang menampilkan Resolusi 0.01 pH hanya menunjukkan digit terakhir; tidak akurat untuk 5.0.01 pH. Penganalisa online industri biasanya dispesifikasikan pada Akurasi 5,1 pHKami sendiri Penganalisa pH online KPH300 adalah referensi yang baik: 0-14 pH jangkauan, Akurasi 0.1 pH, repetitabilitas 0.1 pH, resolusi 0.01 pH, respons = 10 s, drift 0.1 pH, elektroda kaca, submersible tubuh dan operasi 0-60 ° C.
Sinyal keluaran: 4-20 mA atau RS485
4–20 mA adalah loop analog klasik, mudah untuk kawat ke PLC atau chart recorder. RS485 (Modbus) membawa nilai digital, sehingga beberapa sensor dapat berbagi satu bus, dan pembacaan tidak menderita drift analog. Pilih keluaran yang cocok dengan sistem kendali Anda; KPH300 menawarkan RS485.
Kompensasinya suhu 3.
Spesifikasikan built-in elemen suhu (Pt100 / Pt1000 / NTC) dan konfirmasi analyser berlaku ATC di seluruh jangkauan suhu proses penuh - hingga 60 ° C pada KPH300.
Penutupan dan perlindungan
Cocok Peringkat IP dan bahan tubuh untuk instalasi: submersible untuk sumps dan saluran terbuka, dan kimia tahan tubuh untuk aliran agresif. Konfirmasikan sensor dapat direndam ke kedalaman tangki atau saluran yang Anda butuhkan. The KPH300, misalnya, diberikan dalam stainless- kasus baja dinilai IP68 untuk terus-menerus terbenam.
5. Interval kalibrasi dan biaya pemeliharaan
Yang dinyatakan interval kalibrasi (tentang 6 bulan untuk proses yang bersih pada KPH300) adalah penuh kalibrasi dua titik siklus, bukan rutin pemeriksaan buffer mingguan; ini memberitahu Anda perilaku drift yang diharapkan. Mengalir sungai akan membutuhkan siklus yang lebih pendek. Faktor buffer dan penggantian - elektroda biaya ke pilihan, bukan hanya harga pembelian.
Untuk verifikasi portabel bersama instalasi tetap, unit genggam seperti kita Meter pH Hydro sampul 0.00- 14.00 pH bersama Resolusi 0.01 pH dan Akurasi 5,1 pH lebih dari 0-60 ° C, dengan satu - dan dua koma kalibrasi.
Pemasangan dan Pemeliharaan
- Mengaitkan sensor di mana aliran mewakili - Hindari zona mati dan kantong udara, yang menyebabkan pembacaan tidak stabil.
- Jauhkan bola kaca basah setiap saat; Simpan itu dalam larutan penyimpanan KCI, tidak pernah dalam air deionisasi.
- Hormati kedalaman maksimum pencelupan dan batas suhu sensor.
- Bersihkan elektroda secara teratur: deposito lembut dengan deterjen, film berminyak dengan pelarut yang cocok, dan skala karbonat dengan disiram asam, kemudian rehydrate.
- Mengkalibrasi ulang setelah setiap pembersihan dan setiap kali membaca menjadi tersangka.
- Atas atau menggantikan referensi elektrolit pada elektroda refibel, dan mengganti elektroda ketika slope tetap diluar jangkauan setelah membersihkan.
- Log kalibrasi slope dan drift sehingga Anda dapat melihat elektroda gagal sebelum biaya Anda batch.
Pertanyaan Yang Sering Muncul
Bagaimana cara kerja sensor pH?
Sensor pH mengukur perbedaan potensial antara kaca mengukur elektroda dan reference elektroda stabil. Tegangan itu mengikuti persamaan Nernst - kira-kira 59.16 mV per pH unit di 25 ° C - dan meter mengubahnya menjadi nilai pH.
Apa perbedaan antara pH sensor dan pH meter?
Sensor (elektroda) adalah elemen pengukur yang menyentuh sampel; meter atau pemancar adalah alat yang membaca tegangan, menerapkan kalibrasi, kompensasi untuk suhu, dan tampilan atau outputs nilai pH. Sebuah pengukuran lengkap membutuhkan keduanya.
Seberapa sering pH sensor dikalibrasi?
Ini adalah dua tugas yang berbeda pada dua jam yang berbeda. Cepat verifikasi memeriksa terhadap penyangga sebelum pengukuran kritis adalah praktek rutin setidaknya mingguan dalam layanan kontinyu. A full kalibrasi dua titik dilakukan pada interval apapun permintaan proses Anda: untuk instalasi yang bersih seperti KPH300, itu dispesifikasikan di sekitar enam bulan, sementara fouling atau tinggi suhu sungai membutuhkan siklus yang lebih pendek.
Apa perbedaan antara resolusi pH dan akurasi pH?
Resolusi adalah langkah terkecil yang ditampilkan (misalnya, 0.01 pH); akurasi adalah seberapa dekat bacaan adalah dengan nilai sebenarnya (analisis industri online biasanya 5.0.1 pH). Sebuah tampilan 0.01 pH tidak berarti sensor akurat ke 5.0.01 pH.
Mengapa kompensasi suhu diperlukan untuk pengukuran pH?
Kemiringan Nernst tergantung pada suhu - sekitar 54,2 mV / pH pada 0 ° C versus 74,0 mV / pH pada 100 ° C. suhu otomatis membenarkan kemiringan elektroda untuk suhu sampel sehingga pH dihitung tetap benar.
Pilih pH Sensor Kanan untuk Proses Anda.
Apakah Anda memonitor air minum, makanan dan minuman garis, atau debit limbah, pencocokan sensor untuk aplikasi adalah apa yang membuat pengukuran dapat dipercaya. Jelajahi jangkauan sensor pH untuk industri dan model laboratorium, lihat bagaimana PH kontrol bekerja di makanan dan minuman produksi dan masuk pengolahan air limbah, atau membaca artikel pendamping di bagaimana pH sensor bekerja di semua lingkungan.
Sumber
- ISO 10523: 2008 - Kualitas Air - Determinasi pH, Organisasi Internasional untuk Standardisasi.
- Standars Air Minuman Second: Bimbingan untuk Kimia Nucleus, EPA AS.
- National Rekomendated Water Quality Criteria: Tabel Kehidupan Kriteria, EPA AS.
