pH mérés

Medence víz minőség, PH mérés, PH mérők (Július 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

pH mérés

9. fejezet - Elektromos műszerezési jelek


Számos folyékony kémiai folyamatban (ipari, gyógyszerészeti, gyártási, élelmiszeripari stb.) Nagyon fontos mérés a pH-érték: a hidrogénionkoncentráció mérése folyékony oldatban. Az alacsony pH-értékű oldatot "savnak" nevezik, míg az egyiket magas pH-értékű "maró hatásúnak" nevezik. A közös pH-értékmérés 0-tól (erős sav) 14-ig terjed (erős maró hatású), 7 közepén tiszta víz (semleges):

A pH-t a következőképpen határozzuk meg: a kisbetűs "p" betű a pH-ban a negatív közös (alap-tíz) logaritmust jelöli, míg a nagybetű "H" betű a hidrogénelemre utal. Így a pH egy logaritmikus mérés a hidrogénionok (H + ) móljainak számánként literenként. Egyébként a "p" előtag más típusú kémiai mérésekkel is használható, ahol logaritmikus skála szükséges, a pCO2 (szén-dioxid) és a pO2 (oxigén) két ilyen példa.

A logaritmikus pH-értékek így működnek: egy 10-12 mól H + ion / literes oldat pH-értéke 12; egy 10-3 mol H + ion / l-es oldat pH-értéke 3. Bár nagyon ritka, olyan, mint a sav, amelynek pH-mérése 0 alatt van, és a kaustikus pH-érték 14-nél magasabb., meglehetősen koncentrált és rendkívül reaktív.

Míg a pH-t bizonyos kémiai porok színváltozásával mérhetjük (a "litmus szalag" a középiskolai kémiai osztályokból ismertté válik), a folyamatos pH-monitorozás és a pH szabályozása kifinomultabb megközelítést igényel. A legáltalánosabb megközelítés egy olyan speciálisan előkészített elektród alkalmazása, melynek célja, hogy lehetővé tegye az oldat hidrogénionjainak szelektív gáton át történő átjutását, és mérhető potenciál (feszültség) különbséget eredményez az oldat pH-jával arányosan:

A pH-elektródok tervezési és működési elmélete egy nagyon összetett téma, amelyet csak rövid ideig vizsgálunk. Fontos megérteni, hogy ez a két elektróda olyan feszültséget hoz létre, amely egyenesen arányos a megoldás pH-jával. 7 pH-nál (semleges) az elektródák 0 Voltot termelnek közöttük. Alacsony pH-nál (savban) feszültség alakul ki egy polaritással, és magas pH-n (maró hatású) feszültséget fog kifejleszteni az ellentétes polaritással szemben.

A pH-elektródok szerencsétlen tervezési korlátja, hogy az egyik (úgynevezett mérőelektróda) ​​különleges üvegből készül, hogy létrehozza az ionszelektív gátat, ami a hidrogénionok kiszűrésére szolgál az oldatban úszó összes többi iontól. Ez az üveg kémiailag lítiumionokkal adalékolt, ami azt jelenti, hogy elektrokémiailag reagál a hidrogénionokra. Természetesen az üveg nem pontosan az, amit "karmesternek" nevezel, hanem inkább rendkívül jó szigetelő. Ez komoly problémát jelent, ha szándékunk a két elektróda közötti feszültség mérése. Az egyik elektróda érintkező áramlási útja, az üveggáton keresztül, az oldaton át a másik elektródáig, és a másik elektróda érintkezésén keresztül, rendkívül nagy ellenállású.

A másik elektróda ( referenciaelektróda ) semleges (7) pH-pufferoldat (általában kálium-klorid) kémiai oldatából készül, amely lehetővé teszi, hogy az ionokat a porlasztott szeparátoron át a folyamatoldattal kicseréljék, viszonylag alacsony ellenállással a teszthez folyékony. Először is előfordulhat, hogy megkérdezik: miért nem merülne bele egy fémhuzal a megoldásba, hogy elektromos kapcsolatot kapjon a folyadékkal? "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/00200. png ">

Itt egy példa a referenciaelektróda felépítéséről. Az elektród alján látható porózus csomópont ahol a kálium-klorid-puffer és az eljárás folyadék-interfésze egymással:

A mérőelektród célja az oldat pH-jának mérésére használt feszültség előállítása. Ez a feszültség jelenik meg az üveg vastagságán, az ezüsthuzalt a feszültség egyik oldalára és a folyékony oldatra helyezi. A referenciaelektród célja, hogy biztosítsa a stabil, nulla feszültségű kapcsolatot a folyadékoldattal, hogy teljes körű legyen az üvegelektród feszültségének mérésére. Amíg a referenciaelektród a vizsgálati folyadékhoz való kapcsolása csak néhány kiló ohm lehet, az üvegelektróda ellenállása az elektrodiagramtól függően tíz-kilencszáz mega-ohm között mozoghat! Mivel az ebben a körben lévő bármely áramnak mindkét elektróda ellenállásain (és a vizsgált folyadék által nyújtott ellenálláson keresztül) keresztül kell haladnia, ezek az ellenállások egymással sorban vannak, és így még nagyobb összeget hoznak létre.

A hagyományos analóg vagy akár digitális voltmérőnek túl alacsony az a belső ellenállása, hogy mérje a feszültséget egy ilyen nagy ellenállású áramkörben. Egy tipikus pH-érzékelő áramkör ekvivalens áramköri ábrája szemlélteti a problémát:

Még az áramkörben lévő egyes komponensek (különösen a mérőelektród üvegmembránja) nagy ellenállásain átnyúló kis áramerősség is viszonylag nagy feszültségcsökkenést eredményez az ellenállások között, jelentősen csökkentve a mérő által látott feszültséget. A helyzet rosszabbá tétele az a tény, hogy a mérőelektród által létrehozott feszültségkülönbség nagyon kicsi, a millivolt tartományban (ideális esetben 59, 16 millivolt / szobahőmérsékleten pH egység). Az ebbe a feladathoz használt mérőeszköznek nagyon érzékenynek és rendkívül magas bemeneti ellenállásra van szüksége.

A mérési probléma legelterjedtebb módja az erősített mérőeszköz használata, amely rendkívül nagy belső ellenállással rendelkezik az elektród feszültség mérésére, hogy a lehető legkevesebb áramot húzza az áramkörön keresztül. A modern félvezető komponensekkel a legkisebb nehézséggel akár 10 17 Ω bemeneti ellenállású voltmérő is beépíthető. Egy másik megközelítés, amelyet ritkán tapasztalunk a mai használatban, egy potenciometrikus "null-balance" feszültségmérő beállítás használatával mérjük meg ezt a feszültséget anélkül, hogy a vizsgált áramkörből áramot húznánk. Ha egy technikus meg akarja tudni ellenőrizni a feszültségkimenetet egy pár pH-elektród között, akkor ez valószínűleg a legmegfelelőbb eszköz erre a szabványos tápegységgel rendelkező mérőberendezés használatával:

A szokásos módon a precíziós feszültségellátást a technikus állítja be, amíg a null detektor nulla értéket nem vesz fel, majd a tápellátással párhuzamosan csatlakoztatott voltmérőt úgy tekintik, hogy feszültségértéket kap. Ha a detektor "nulled" (pontosan nulla), a pH-elektróda áramkörében nulla áram szükséges, ezért egyik elektróda ellenállása sem feszültséges, így a valódi elektródfeszültség a voltmérő terminálokon megy végbe.

A pH-elektródok bekötési követelményei még mindig súlyosabbak, mint a hőelem-vezetékek, és nagyon pontos csatlakozásokat igényelnek és a vezeték rövid távolsága (10 méter vagy annál kevesebb, aranyozott érintkezőkkel és árnyékolt kábellel) a pontos és megbízható méréshez. Ugyanúgy, mint a hőelemek esetében, az elektród pH-mérésének hátrányait ellensúlyozza az előnyök: jó pontosság és viszonylagos technikai egyszerűség.

Kevés hangtechnikai technológia inspirálja a pH-mérés által vezérelt áhítatot és misztikát, mert annyira félreértik és nehéz elhárítani. Anélkül, hogy a pH-mérés pontos kémiáját kifejtenénk, néhány szó bölcsességről adhatunk meg itt a pH mérési rendszerekről:

  • Minden pH-elektród véges élettartamú, és az élettartam nagyban függ a szolgáltatás típusától és súlyosságától. Bizonyos alkalmazásokban egy hónapig tartó pH-elektród élettartama hosszúnak tekinthető, és más alkalmazásokban ugyanaz az elektród (ok) várhatóan több mint egy évig tart.
  • Mivel az üveg (mérés) elektróda felelős a pH-arányos feszültség előállításáért, akkor azt kell feltételezni, hogy a mérési rendszer nem képes megfelelő feszültségváltozást előidézni egy bizonyos pH-változáshoz (kb. 59 millivolt pH-egységenként) vagy nem reagál elég gyorsan a vizsgált folyadék pH-jára.
  • Ha egy pH-mérőrendszer "eltolódik", offset hibákat hoz létre, akkor a probléma valószínűleg a referenciaelektródával van kapcsolatban, amely feltételezhetően nulla feszültségű kapcsolatot biztosít a mért oldattal.
  • Mivel a pH-mérés az ionkoncentráció logaritmikus reprezentációja, a folyamatszerű körülmények hihetetlen tartománya a látszólag egyszerű 0-14 pH-skálában jelenik meg. Továbbá, a logaritmikus skála nemlineáris jellege miatt az 1 pH változása a felső végén (például 12-13 pH-érték) nem azonos mennyiségű kémiai aktivitásváltozást jelent, mint az 1 pH változása az alsó végén (mondjuk 2-3 pH). Az ellenőrző rendszer mérnökeinek és technikusainak tudatában kell lenniük ennek a dinamikának, ha fennáll annak a reménye, hogy a folyamat pH-ját stabil értéken tartják.
  • Az alábbi körülmények veszélyesek a mérési (üveg) elektródáknál: magas hőmérséklet, extrém pH-érték (savas vagy lúgos), magas ionos koncentráció a folyadékban, kopás, folyadékban lévő hidrogén-fluorid (HF-sav oldja az üveget!) És bármilyen anyag az üveg felületén.
  • A mért folyadék hőmérsékletváltozása hatással van mind a mérőelektródnak egy adott pH-szintre adott válaszára (ideális esetben 59 mV pH-egységenként), mind a folyadék tényleges pH-jára. Hőmérséklet mérőeszközök beilleszthetők a folyadékba, és ezekből a készülékekből származó jelek a hőmérséklet hatásának kompenzálására szolgálnak a pH-mérésre, de ez csak kompenzálja a mérőelektród mV / pH-választ, nem a folyamat tényleges pH változását folyékony!

Továbbra is folyik a pH-mérés terén elért előrehaladás, amelyek közül néhány nagy ígéretet mutat a pH-elektródok hagyományos korlátainak leküzdésére. Egy ilyen technológia olyan eszközt használ, amelyet field-effect tranzisztornak neveznek, hogy elektrosztatikusan mérje meg az ionáteresztő membrán által termelt feszültséget, ne pedig mérje meg a feszültséget egy tényleges voltmérő áramkörrel. Bár ez a technológia korlátozza a saját korlátait, ez legalább úttörő fogalom, és később is gyakorlatiasabb lehet.

  • FELÜLVIZSGÁLAT:
  • A pH a folyadékban lévő hidrogénionaktivitás ábrázolása. A hidrogénionok mennyisége negatív logaritmusa (mol) literenként. Így: 10-11 mól hidrogén-ion 1 liter folyadék = 11 pH-ban. 10 -5, 3 mól hidrogéniont 1 liter folyadékban = 5, 3 pH.
  • Az alap pH-skálája 0-tól (erős sav) 7-ig (semleges, tiszta víz) 14-ig terjed (erős maró). Kémiai megoldások lehetségesek a nullától és a 14 feletti pH-értékektől, de ritkák.
  • A pH mérhető a folyékony oldatba merített két speciális elektród között.
  • Egy speciális üvegből készült elektródát mérési elektródnak neveznek. Arra törekszik, hogy a pH-val arányos kis feszültséget generáljon (ideális esetben 59, 16 mV pH-egységenként).
  • A másik elektród ( referenciaelektróda ) a mért folyadék és egy stabil, semleges pH-pufferoldat (általában kálium-klorid) közötti porózus kapcsolatot használ, hogy nullapontos elektromos kapcsolatot hozzon létre a folyadékkal. Ez egy teljes áramkör folytonosságát biztosítja úgy, hogy a mérőelektróda üvegének vastagságán keresztül előállított feszültség külső voltmérővel mérhető legyen.
  • A mérőelektród üvegmembránjának rendkívül nagy ellenállása rendkívül magas belső ellenállású voltmérőt vagy null-balance voltmérőt alkalmaz a feszültség mérésére.