Czujnik pH mierzy napięcie między elektrodą szklaną wrażliwą na pH- a stabilną elektrodą odniesienia. To napięcie następuje Równanie Nernst - o 59,16 mV na jednostkę pH w 25 ° C - i jest przekształcana w wartość pH; przetworniki przemysłowe następnie wyjść odczyt jako 4- 20 mA lub RS485. Niniejszy przewodnik obejmuje zasady pracy, rodzaje elektrod, nachylenie, kalibrację i wybór przemysłowy.
Przegląd pod kątem dokładności technicznej SHI SHENTONG, Inżynier aplikacji, KCsensor; opublikowany przez zespół techniczny KCsensor.
Jakie pH faktycznie mierzy
pH wyraża aktywność jonów wodorowych (H w rozwiązaniu, nie tylko ich koncentracji. Definicja jest ujemną bazą -10 logarytmu:
pH = - log
Ponieważ jest logarytmiczny, zmiana jednej jednostki pH oznacza zmiana dziesięciokrotnie w aktywności jonów uwodornionych. W znanej skali 0- 14 pH 7 jest neutralne, wartości poniżej 7 są kwaśne, a wartości powyżej 7 są alkaliczne. W realnych rozwiązaniach - zwłaszcza w wodach przemysłowych i naturalnych - aktywność różni się od stężenia surowego, dlatego zmierzony sygnał musi być skalibrowany w stosunku do buforów o znanym pH.
W przypadku badania wody i ścieków międzynarodową metodą referencyjną dla oznaczania pH jest: ISO 10523: 2008 (Jakość wody - określenie pH), a organy regulacyjne, takie jak amerykańska EPA, ustanowiły wartości graniczne pH na tej samej skali. pH jest zatem parametrem zgodności, a nie tylko wygodą procesu.
Jak działa czujnik pH: elektroda szklana vs elektroda referencyjna
Czujnik pH elektrochemiczny jest batterypodobną komórką wykonaną z dwie półkomórki: elektroda pomiarowa wrażliwa na pH- i stabilna elektroda odniesienia. Potencjalna różnica między nimi jest tym, co odczytuje instrument.
Elektrody szklane (pomiarowe)
Elektroda pomiarowa jest cienka membrana szklana Przyklejone do rurki. Po zanurzeniu powierzchnia szkła tworzy nawilżoną warstwę, w której jony wodorowe wymieniają się ze szklaną kratką. Ta wymiana jonowa tworzy potencjał, który zależy od aktywności jonów wodorowych w próbce - im więcej H, tym większy potencjał. Potencjał jest proporcjonalny do pH, zgodnie z równaniem Nernst.
Elektroda odniesienia
Elektroda odniesienia zapewnia znany, stały potencjał który nie reaguje na pH. Jest to zazwyczaj Ag / AgCl element w elektrolicie chlorku potasu (KCl), połączony z próbką przez porowaty złączkę. Jego stabilność wyznacza dokładność całego pomiaru.
Od napięcia do pH
- Elektroda szklana rozwija potencjał proporcjonalny do aktywności jonów uwodornionych w próbce.
- Elektroda odniesienia stanowi stały potencjał.
- A wysokoimpedance voltmeter w mierniku lub nadajniku mierzy potencjalną różnicę między tymi dwoma.
- Przyrząd przekształca napięcie w wartość pH przy użyciu równania Nernst, następnie wyświetla je lub wychodzi jako 4- 20 mA / RS485.
Większość czujników przemysłowych i laboratoryjnych są elektrody kombinowane: półkomórki pomiarowe i referencyjne są wbudowane w jedno ciało, co upraszcza instalację i konserwację.
Wyrównanie i rekompensata za temperaturę w stanie Nernst
Napięcie wytwarzane przez elektrodę pomiarową jest opisane przez Równanie Nernst. Do pomiaru pH, forma praktyczna jest:
E = E ° − (2.303 · R · T / F) · pH
- E = potencjał pomiarowy pomiędzy elektrodami pomiarowymi i referencyjnymi (mV)
- E ° = stała komórki (potencjał przy pH 7, ustalony podczas kalibracji)
- R = stała gazu uniwersalnego, T = temperatura bezwzględna (K), F = stała Faradaya
- 2.303 R T / F = teoretyczna nachylenie elektrody, w mV na jednostkę pH
Ponieważ nachylenie zawiera T, temperatura próbki bezpośrednio zmienia ilość miliwoltów wytwarzanych przez jedną jednostkę pH. Teoretyczne nachylenie przy wspólnych temperaturach wynosi:
| Temperatura (°C) | Teoretyczne nachylenie (mV na jednostkę pH) |
|---|---|
| 0 | 54.2 |
| 25 | 59.16 |
| 50 | 64.1 |
| 100 | 74.0 |
Dlatego zastosowanie przemysłowych mierników pH automatyczna kompensacja temperatury (ATC) z sondą Pt100, Pt1000 lub NTC i dlaczego czujnik skalibrowany w temperaturze 25 ° C odczytuje nieprawidłowo w procesie 60 ° C, chyba że nachylenie zostanie wyrównane. Uwaga rozróżnienie: ATC koryguje nachylenie elektrody dla temperatury; nie koryguje rzeczywistej zmiany pH samej próbki, która zależy od chemii procesu.
Szkło, ISFET i stałe czujniki pH w porównaniu.
Wszystkie trzy rodziny stosują tę samą zasadę pomiaru - potencjał elektrody, który wynika z pH - ale różnią się w wykrywaniu materiału, prędkości i tolerancji trudnych warunków.
| Typ | Zasada rozumienia | Odpowiedź | Mocne strony | Ograniczenia | Typowe stosowanie |
|---|---|---|---|---|---|
| Elektroda szklana (włączając kombinowana) | membrana szklana o czułości pH- + Ag / AgCl | Sekundy | Najlepsza dokładność i stabilność długotrwała; możliwe do śledzenia zgodnie z ISO 10523 bufory | kruche; wymaga nawilżenia i regularnej kalibracji; podatne na powłoki i atak HF | Laboratoryjne i ogólne wody przemysłowe / ścieki |
| ISFET | Tranzystor pola wrażliwego na jony (stan stały) | Bardzo szybko | Małe, wytrzymałe, bez szkła do rozbicia; mała objętość próbki | Wrażliwość na światło i hałas elektryczny; ograniczona odporność na surowe chemikalia | Produkty spożywcze, biomedyczne, przenośne i szybkie kontrole |
| Stan stały (tlenek metali / antymon) | Elektrody stałe tlenku metali lub antymonu | Średni | Przeżywa materiały ścierne i zawierające HF-, gdzie szkło zawodzi | Niższa dokładność, więcej dryfu, wymaga częstszej kalibracji | Strumienie procesów chemicznych i wysokostałych |
Dwa ograniczenia są ważniejsze niż sugeruje karta. Elektroda szklana pokazuje błąd alkaliczny (sodowy) przy wysokim pH, gdy jony alkalimetalowe są obfite, i błąd kwasowy przy bardzo niskim pH; oba są właściwościami samej membrany szklanej, więc czytanie przesuwa się nawet na świeżo skalibrowany czujnik, i są rzeczywistym powodem, dla którego roślina przestaje ufać odczytom na końcu skali. ISFET jest szybszy i nie ma szkła do rozbicia, ale jego jonizacyjna warstwa jest wrażliwa na światło i hałas elektryczny, jest atakowana przez silne alkalii i kwas fluorowodorowy, i może reagować na jony inne niż wodór. Żadna technologia nie usuwa potrzeby kalibracji; zmienia tylko to, jak często kalibracja jest potrzebna i jak surowy strumień może przetrwać ciało.
Kalibracja: metoda 2-punktowa z 4.00 / 6.86 / 9.18 Bufory
Nawet doskonałe elektrody dryfują, więc pomiar pH jest tylko tak dobry jak jego kalibracja. Standard przemysłowy dla większości prac wodnych i kanalizacyjnych jest kalibracja dwupunktowa Bracketing oczekiwanego pH procesu, przy użyciu certyfikowanych roztworów buforowych - często pH 4,00, 6,86 i 9,18 (lub 7.00 i 10.01).
- Wypłukać elektrodę wodą dejonizowaną i wysuszyć - nigdy nie wycierać szklanej żarówki.
- Zanurzyć w pierwszym buforze (zazwyczaj pH 6,86 / 7,00) i niech odczyt ustabilizuje się.
- Wprowadź pierwszą wartość bufora i potwierdź punkt zero / offset.
- Przepłukać ponownie, a następnie zanurzyć w drugim buforze (pH 4,00 dla próbek kwaśnych lub 9.18 w przypadku próbek alkalicznych).
- Wprowadź drugą wartość, więc licznik oblicza elektrodę nachylenie (mV na jednostkę pH).
- Akceptować kalibrację tylko wtedy, gdy nachylenie znajduje się w oknie producenta & # 8217; w przeciwnym razie, wyczyść lub wymienić elektrodę.
- Zapis daty, bufory używane, i nachylenie, i przekalibrować na harmonogramie aplikacji wymaga.
Wybór drugiego bufora ma znaczenie: kalibrować wokół pH mierzonego. Elektrownia wodna pracująca przy pH 7- 8 powinna stosować 6,86 i 9,18, podczas gdy proces kwaśny powinien stosować 4,00 i 6,86.
Częste błędy kalibracji
- Ponowne użycie roztworu buforowego - przeniesienie zanieczyszcza go i zmienia każdy odczyt.
- Pominięcie płukania między zderzakami.
- Kalibracja za pomocą buforów w innej temperaturze niż próbka bez ATC.
- Pozwala wyschnąć szklanej żarówki lub ją wycierać, co niszczy uwodnioną warstwę.
- Poleganie na kalibracji pojedynczego punktu dla szerokiego zakresu pomiarowego.
- Ignorowanie nachylenia poza zakresem - niskie nachylenie zazwyczaj oznacza porażenie lub starzenie elektrody.
- Używanie zderzaków przeterminowanych lub niecertyfikowanych, więc wartości odniesienia same w sobie są błędne.
Typowy zakres pH według zastosowania
Każdy z poniższych zakresów jest zgodny z opublikowanym standardem, cytowanym w kolumnie Źródło. Procesy chemiczne, farmaceutyczne i rolnicze nie mają jednego opublikowanego zakresu: ich okno pH jest stałe przez określony proces lub uprawy, więc musi pochodzić z własnej specyfikacji procesu, a nie ogólnej tabeli.
| Zastosowanie | Typowy zakres pH | Źródło |
|---|---|---|
| Woda pitna | 6, 5 - 8, 5 | US EPA (wtórna norma dotycząca wody pitnej) |
| Życie wodne słodkowodne | 6, 5 - 9, 0 | US EPA (kryteria życia wodnego) |
| Morskie / estuarynowe organizmy wodne | 6, 5 - 8, 5 | US EPA (kryteria życia wodnego) |
| Zrzut ścieków | 6,0 - 9,0 | 40 CFR 133.102 (leczenie wtórne) |
| Żywność i napoje (żywność zakwaszona) | 4, 6 lub mniej | 21 CFR 114.3 (równowaga pH) |
Ponieważ limity wody pitnej i życia wodnego są bliskie neutralności, czujnik dokładny do ± 0,5 pH nie może wykazać zgodności. Tutaj dokładność elektrody, nie rozdzielczość wyświetlacza, staje się decydującą specyfikacją.
Industrial Selection Guide: Dokładność vs Rozdzielczość, Wyniki i ocena IP
Zakup przemysłowego czujnika pH jest ćwiczeniem specyfikacji. Poniższe pięć punktów decyduje, czy pomiar jest przydatny w praktyce.
1. Dokładność vs rozdzielczość - nie są takie same
Miernik wyświetlający 0,01 Rozpuszczalność pH wykazuje tylko ostatnią cyfrę; nie jest dokładna do ± 0,01 pH. Analizatory przemysłowe online są zazwyczaj określone w ± 0,1 pHNasze własne KPH300 online analizator pH jest dobrym punktem odniesienia: 0- 14 pH, ≤ ± 0,1 pH dokładność, ≤ ± 0,1 powtarzalności pH, 0,01 rozdzielczości pH, ≤ 10 odpowiedzi, ≤ ± 0,1 dryfowania pH, elektrody szklanej, korpusu podwodnego i pracy 0- 60 ° C.
2. Sygnał wyjściowy: 4- 20 mA lub RS485
4–20 mA jest klasyczną pętlą analogową, łatwą do przełączania do rejestratora PLC lub wykresu. RS485 (Modbus) posiada wartość cyfrową, więc kilka czujników może współdzielić jeden autobus, a odczyt nie cierpi znoszenia analogowego. Wybierz wyjście pasujące do systemu sterowania; KPH300 oferuje RS485.
3. Rekompensata temperatury
Określić element temperatury wbudowanej (Pt100 / Pt1000 / NTC) i potwierdzić, że analizator stosuje ATC w całym zakresie temperatur procesu - do 60 ° C na KPH300.
4. Zamknięcie i ochrona
Dopasuj Ocena IP i materiał na ciało do instalacji: zanurzalny do sumpów i otwartych kanałów oraz chemicznie odporne ciało do agresywnych strumieni. Potwierdź, że czujnik może być zanurzony na głębokości wymaganej przez zbiornik lub kanał. W KPH300, na przykład, jest dostarczany w przypadku odbarwiania stali IP68 do ciągłego zanurzenia.
5. Przedział kalibracji i koszty utrzymania
Podane Przedział kalibracyjny (o 6 miesięcy dla czystego procesu na KPH300) jest pełna kalibracja dwupunktowa Cykl, a nie rutynowa cotygodniowa kontrola bufora; pokazuje oczekiwane zachowanie dryfujące. Strumienie powodziowe wymagają krótszych cykli. Czynnik bufor i elektroda wymiany koszt wyboru, nie tylko cena zakupu.
Do weryfikacji przenośnej obok instalacji stacjonarnej, urządzenie ręczne, takie jak nasz Hydro pH Meter pokrywy 0, 00- 14, 00 pH z 0,01 Rozpuszczalność pH oraz ± 0,1 pH powyżej 0- 60 ° C, z kalibracją jedno- i dwupunktową.
Instalacja i konserwacja
- Zamontuj czujnik, w którym przepływ jest reprezentatywny - unikać martwych stref i kieszeni powietrza, które powodują niestabilne odczyty.
- Trzymaj szklaną żarówkę. mokra przez cały czas; przechowywać w roztworze KCl, nigdy w wodzie dejonizowanej.
- Należy przestrzegać maksymalnej głębokości zanurzenia i limitu temperatury czujnika.
- Oczyść elektrodę. regularnie: miękkie osady z detergentem, tłuste folie z odpowiednim rozpuszczalnikiem, a skala węglanu z rozcieńczonym kwasem spłukać, a następnie ponownie odwodnione.
- Przekalibrować po każdym czyszczeniu i kiedy tylko odczyt stanie się podejrzany.
- Dopełnij lub zastąp elektrolit referencyjny elektrolitami nadającymi się do wielokrotnego napełniania, a następnie zastąp elektrodę, gdy nachylenie pozostaje poza zasięgiem po oczyszczeniu.
- Zaloguj nachylenie kalibracji i dryfuj, żebyś mógł dostrzec wadliwą elektrodę, zanim będzie cię to kosztować partię.
Często zadawane pytania
Jak działa czujnik pH?
Czujnik pH mierzy potencjalną różnicę między elektrodą pomiarową szkła a stabilną elektrodą wzorcową. Napięcie to jest zgodne z równaniem Nernst - około 59,16 mV na jednostkę pH w temperaturze 25 ° C - a miernik przekształca ją w wartość pH.
Jaka jest różnica między czujnikiem pH a miernikiem pH?
Czujnik (elektroda) jest elementem pomiarowym, który dotyka próbki; miernik lub nadajnik jest przyrządem, który odczytuje napięcie, stosuje kalibrację, kompensuje temperaturę i wyświetla lub wychodzi wartość pH. Kompletny pomiar wymaga obu.
Jak często należy kalibrować czujnik pH?
To dwa różne zadania na dwóch różnych zegarach. Szybki weryfikacja sprawdzenie bufora przed zastosowaniem pomiaru krytycznego jest rutynową praktyką co najmniej raz w tygodniu w trybie ciągłym. Pełna kalibracja dwupunktowa jest wykonywana w dowolnym przedziale czasu Twój proces wymaga: dla czystej instalacji, takiej jak KPH300, jest ona określona na około 6 miesięcy, podczas gdy strumienie faulowania lub wysokiej temperatury wymagają krótszych cykli.
Jaka jest różnica między rozdzielczością pH a dokładnością pH?
Rozdzielczość to najmniejszy wyświetlany krok (na przykład 0,01 pH); dokładność polega na tym, jak bliski jest odczyt do prawdziwej wartości (przemysłowe analizatory internetowe są zazwyczaj ± 0,1 pH). Wyświetlacz pH 0,01 nie oznacza, że czujnik jest dokładny do ± 0,01 pH.
Dlaczego do pomiaru pH potrzebna jest kompensacja temperatury?
Stok Nernst zależy od temperatury - około 54,2 mV / pH w 0 ° C w porównaniu do 74,0 mV / pH w 100 ° C. Automatyczna kompensacja temperatury koryguje nachylenie elektrody dla temperatury próbki, tak więc obliczony pH pozostaje poprawny.
Wybierz właściwy czujnik pH dla procesu.
Niezależnie od tego, czy monitorujesz wodę pitną, linię pokarmową i napojami, czy też odprowadzanie ścieków, dopasowanie czujnika do aplikacji sprawia, że pomiar jest godny zaufania. Przeglądaj nasz Zakres czujników pH dla modeli przemysłowych i laboratoryjnych, zobacz jak działa kontrola pH w produkcja żywności i napojów oraz oczyszczanie ścieków, lub przeczytać artykuł towarzysz na jak działają czujniki pH we wszystkich środowiskach.
Źródła
- ISO 10523: 2008 - Jakość wody - Oznaczanie pH, Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna.
- Wtórne normy w zakresie wody pitnej: wytyczne dla chemikaliów uciążliwych, US EPA.
- Krajowe zalecane kryteria jakości wody: tabela kryteriów życia wodnego, US EPA.
