Merjenje pH

Merjenje parametrov bazenske vode (Junij 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Merjenje pH

Poglavje 9 - Signali električne naprave


Zelo pomembna meritev v številnih tekočinskih kemičnih procesih (industrijski, farmacevtski, predelovalna industrija, proizvodnja hrane itd.) Je vrednost pH: merjenje koncentracije vodikovih ionov v tekoči raztopini. Raztopina z nizko vrednostjo pH se imenuje "kislina", medtem ko se ena z visokim pH imenuje "kavstična". Skupna vrednost pH se razteza od 0 (močna kislina) do 14 (močna kavstična), 7 pa v sredini ki predstavljajo čisto vodo (nevtralno):

pH je opredeljen na naslednji način: majhna črka "p" v pH pomeni negativni skupni (osnovni deset) logaritem, medtem ko velika črka "H" pomeni element vodik. Tako je pH logaritemska meritev števila molov vodikovih ionov (H + ) na liter raztopine. Mimogrede se predpona "p" uporablja tudi pri drugih vrstah kemičnih meritev, kjer je logaritemska skala zaželena, pCO2 (ogljikov dioksid) in pO2 (kisik) sta dva takšna primera.

Logaritemska vrednost pH deluje takole: raztopina z 10-12 molov H + ionov na liter ima pH 12; raztopina z 10-3 molov H + ionov na liter ima pH 3. Medtem ko je zelo redko, obstaja kislina z merjenjem pH pod 0 in kavstično s pH nad 14. Takšne raztopine, razumljivo, so precej koncentrirani in zelo reaktivni.

Medtem ko se pH lahko meri s spremembami barve v določenih kemičnih praških ("lakmusov trak", ki je poznan primer iz razredov srednješolske kemije), neprekinjeno spremljanje in nadzorovanje pH zahteva bolj dovršen pristop. Najpogostejši pristop je uporaba posebej pripravljene elektrode, zasnovane tako, da se vodikovi ioni v raztopini selijo skozi selektivno pregrado, s čimer se proizvede merljiva razlika potenciala (napetosti), sorazmerna z raztopino pH:

Projektna in operativna teorija pH elektrod je zelo kompleksna tema, ki je tukaj na kratko raziskana. Pomembno je razumeti, da ti dve elektrodi proizvajajo napetost, ki je sorazmerna s pH raztopine. Pri pH 7 (nevtralni), bodo elektrode proizvedli 0 voltov med njimi. Pri nizki pH (kisline) se napetost razvije ene polarnosti, pri visokem pH (kavstična) pa se napetost razvije z nasprotno polarnostjo.

Nezgodna designna omejitev pH elektrod je, da mora biti eden od njih (imenovan merilna elektroda) izdelan iz posebnega stekla, da se ustvari ionsko selektivna pregrada, potrebna za prikaz ionov vodika iz vseh drugih ionov, ki plujejo okrog v raztopini. To steklo kemično dopolnimo s litijevimi ioni, zaradi česar se elektrokemično reagira na ione vodika. Seveda, steklo ni ravno tisto, kar bi imenovali »dirigent«, temveč je izjemno dober izolator. To je velika težava, če želimo meriti napetost med dvema elektrodama. Pot krogotipa iz enega elektrodnega kontakta skozi stekleno pregrado skozi raztopino na drugo elektrodo in nazaj skozi stik druge elektrode je izjemno visoka odpornost.

Druga elektroda (imenovan referenčna elektroda) je izdelana iz kemične raztopine nevtralne (7) raztopine pufra pH (ponavadi kalijevega klorida), ki omogoča izmenjavo ionov s procesno raztopino skozi porozni separator, ki tvori sorazmerno nizko upornost povezavo s preskusom tekočina. Sprva se lahko nekdo sprašuje: zakaj ne vlečite kovinske žice v rešitev, da dobite električno povezavo s tekočino "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/00200. png ">

Tu je ilustracija konstrukcije referenčne elektrode. Porozna spojnica, prikazana na dnu elektrode, je, kjer sta kalijev kloridni pufer in procesni tekoči vmesnik med seboj:

Namen merilne elektrode je ustvariti napetost, ki se uporablja za merjenje pH raztopine. Ta napetost se pojavi čez debelino stekla, srebro žico postavimo na eno stran napetosti in tekočo raztopino na drugi strani. Namen referenčne elektrode je zagotoviti stabilno, nič-napetostno povezavo s tekočo raztopino, tako da se lahko izvede popolno vezje za merjenje napetosti steklene elektrode. Medtem ko je povezava referenčne elektrode s preskusno tekočino lahko le nekaj kilo-ohmov, upornost steklene elektrode lahko znaša od deset do devetsto megavitov, odvisno od zasnove elektrode! Ker mora vsak tok v tem vezju potovati skozi odpornost obeh elektrod (in upor, ki ga predstavlja preskusna tekočina), so ti odporniki med seboj v seriji in zato dodajajo še večji skupni obseg.

Običajni analogni ali celo digitalni voltmeter ima preveč nizko notranjo upornost za merjenje napetosti v takšnem visoko odpornem vezju. Enakovreden diagram vezja s tipičnim vezjem pH sonde prikazuje problem:

Tudi zelo majhen tokokrog, ki potuje skozi visoke odpornosti vsake komponente v tokokrogu (zlasti steklene membrane merilne elektrode), bo povzročil sorazmerno znatne padce napetosti preko teh uporov, kar resno zmanjša napetost, ki jo zazna merilnik. Poslabšanje stvari je dejstvo, da je razlika v napetosti, ki jo ustvari merilna elektroda, zelo majhna, v milivoltnem območju (idealno 59, 16 milivolta na enoto pH pri sobni temperaturi). Merilnik, uporabljen za to nalogo, mora biti zelo občutljiv in ima izjemno visoko vhodno upornost.

Najpogostejša rešitev za ta merilni problem je uporaba ojačenega števca z izredno visoko notranjo upornostjo za merjenje napetosti elektrode, tako da čim manj toka skozi tokokrog. S sodobnimi polprevodniškimi komponentami lahko z malo težavami zgradimo voltmeter z vhodno upornostjo do 10 17 Ω. Drugi pristop, ki ga redko vidimo v sodobni uporabi, je uporaba potenciometričnega nastavka za merjenje napetosti z ničelnim balansom, ki meri to napetost, ne da bi pri tem vlekel tok iz testiranega vezja. Če bi tehnik želel preveriti izhodno napetost med dvema pH elektrodama, bi to verjetno najbolj praktično sredstvo z uporabo samo standardne opreme za merjenje benchtop:

Kot ponavadi bi natančnost napajalne napetosti prilagodil tehnik, dokler ničelni detektor ni bil registriran, nato pa bi se vzorec, priključen vzporedno z napajanjem, opazoval, da bi dobili napetostni odčitek. Z detektorjem "nulled" (s točno določitvijo ničle) v tokokrogu pH elektrode ne sme biti ničelnega toka, zato napetost ni padla na odpornost obeh elektrod, s čimer je napetost realne elektrode na voltmetrskih sponkah.

Zahteve o ožičenju elektrod za pH so ponavadi še strožje od termoelementov, ki zahtevajo zelo čiste povezave in kratke razdalje žice (10 jardov ali manj, tudi z pozlačenimi kontakti in zaščitenim kablom) za natančno in zanesljivo merjenje. Kakor pri termoelementih, pa so pomanjkljivosti merjenja pH elektrode izravnane s prednostmi: dobra natančnost in relativna tehnična preprostost.

Nekaj ​​merilnih instrumentov navdihuje strahopetnost in mistiko, ki jo je vodilo merjenje pH, ker je tako pogosto napačno razumljeno in težko odpraviti težave. Ne da bi natančno določili natančno kemijo merjenja pH, je tu nekaj metod modrosti za merjenje pH:

  • Vse elektrode s pH imajo končno življenjsko dobo in življenjska doba je zelo odvisna od vrste in strogosti storitve. V nekaterih aplikacijah se lahko šteje, da je življenjska doba pH elektrode en mesec enaka, pri drugih aplikacijah pa lahko pričakujemo, da bo iste elektrode trajalo več kot eno leto.
  • Ker je elektrodna stekla (merilna) odgovorna za generiranje proporcionalne napetosti, je to sumljivo, če merilni sistem ne doseže zadostne napetosti pri določeni spremembi pH (približno 59 mV na enoto pH), ali se hitro ne odzove na hitro spremembo testnega tekočega pH.
  • Če merilni sistem za merjenje pH "pošne", ki ustvarja offset napake, problem verjetno leži z referenčno elektrodo, ki naj bi zagotovila ničelno napetostno povezavo z izmerjeno raztopino.
  • Ker merjenje pH predstavlja logaritmično predstavitev ionske koncentracije, je v navidezno preprosti 0-14 pH lestvici predstavljena neverjetna vrsto procesnih pogojev. Tudi zaradi nelinearne narave logaritmične lestvice sprememba 1 pH na zgornjem koncu (recimo od 12 do 13 pH) ne predstavlja enake količine spremembe kemične aktivnosti kot sprememba 1 pH na spodnjem koncu (recimo, od 2 do 3 pH). Inženirji in tehniki nadzornega sistema se morajo zavedati te dinamike, če obstaja kakršnokoli upanje, da bi kontrolirali pH postopka s stabilno vrednostjo.
  • Naslednji pogoji so nevarni za merilne (steklene) elektrode: visoke temperature, ekstremne pH vrednosti (bodisi kisle ali alkalne), visoka koncentracija ionov v tekočini, abrazija, fluorovodikova kislina v tekočini (HF kislina raztopi steklo!) In vse vrste materialne prevleke na površini stekla.
  • Temperaturne spremembe v izmerjeni tekočini vplivajo na odziv merilne elektrode na dano raven pH (idealno pri 59 mV na enoto pH) in na dejanski pH tekočine. Naprave za merjenje temperature se lahko vstavijo v tekočino in signali iz teh naprav, ki se uporabljajo za kompenzacijo učinka temperature pri merjenju pH, to pa bo nadomestilo merjenje mV / pH merilne elektrode, ne pa dejansko spremembo pH v procesu tekoče!

Napredek še vedno poteka na področju merjenja pH, pri čemer nekateri od njih zagotavljajo veliko obvladovanje tradicionalnih omejitev pH elektrod. Ena od takih tehnologij uporablja napravo, imenovano tranzistor z efektom polja, ki elektrostatično meri napetost, ki jo proizvaja ionsko prepustna membrana, namesto merjenja napetosti z dejanskim voltmetrom vezjem. Čeprav ta tehnologija prikriva lastne omejitve, je to vsaj pionirski koncept in se lahko izkaže za bolj praktično pozneje.

  • PREGLED:
  • pH je prikaz aktivnosti vodikovih ionov v tekočini. To je negativni logaritem količine ionov vodika (v molih) na liter tekočine. Tako: 10-111 mol vodikovih ionov v 1 liter tekočine = 11 pH. 10 -5, 3 molov vodikovih ionov v 1 liter tekočine = 5, 3 pH.
  • Osnovna lestvica pH se razteza od 0 (močna kislina) do 7 (nevtralna, čista voda) do 14 (močna kavstična). Kemične raztopine s pH vrednostjo pod ničlo in nad 14 so možne, vendar redke.
  • pH lahko merimo z merjenjem napetosti med dvema posebnima elektrodama, potopljenima v tekočo raztopino.
  • Ena elektroda, izdelana iz posebnega stekla, se imenuje merilna elektroda. Naloga je, da ustvari majhno napetost sorazmerno s pH (idealno 59, 16 mV na enoto pH).
  • Druga elektroda (imenovan referenčna elektroda) uporablja porozni spoj med izmerjeno tekočino in stabilno, nevtralno raztopino pufra pH (ponavadi kalijev klorid), da ustvari ničelno električno povezavo s tekočino. To zagotavlja točko kontinuitete za celotno vezje, tako da se lahko napetost, proizvedena čez debelino stekla v merilni elektrodi, meri z zunanjim voltmetrom.
  • Izjemno visoka odpornost steklene membrane merilne elektrode zahteva uporabo voltmetra z izredno visoko notranjo upornostjo ali voltmetrom z ničelnim balansom za merjenje napetosti.