pH-метр

В данной статье мы расскажем о том, что из себя представляет pH метр, а также о возможностях его использования и калибровке. Из википедии можно узнать, что это прибор для измерения водородного показателя (показателя pH по первым буквам латинских слов potentia hydrogenii — сила водорода, или pondus hydrogenii — вес водорода), характеризующего активность ионов водорода в растворах, воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных системах непрерывного контроля технологических процессов, в том числе в агрессивных средах. Что же это за показатель? Уровень pH- это мера кислотности водных растворов, которая является способом выражения активности катионов водорода в растворах. Противоположна по знаку и равна по модулю десятичному логарифму активности (а) катионов водорода (Н+), выраженной в молях на литр, которую в сильно разбавленных растворах можно считать равной их равновесной молярной концентрации. За этими сложными терминами скрывается «химическое предпочтение» раствора, кем ему быть, кислотой или щелочью (основанием), ну не в прямом смысле, а в химическом, то есть проявлять свойства по взаимодействию с металлами, солями, другими активными химическими элементами и соединениями характерными для кислоты или щелочи, а величина укажет силу, способствующую протеканию рекации.

• pH < 7 соответствует кисло́тному раствору;
• pH = 7 соответствует нейтра́льному раствору;
• pH > 7 соответствует осно́вному раствору.

Точное измерение и регулирование pH необходимо в различных отраслях химии, биологии, наук о материалах, технологий, медицины и агрономической химии.

Назначение

Для измерения уровня кислотности или же щелочности среды используют химические анализаторы параметров (все помнят лакмусовые бумажки, вот это из той оперы). Однако их применение в непрерывных производственных процессах не всегда возможно, поскольку большая часть технологических операций контролируется автоматизированными системами управления и внедрение результотв лабораторных тестов в сам процесс управления как минимум неудобно. Для таких целей используются pH метры.

рН-метры в основном являются приборами, предназначенными для определения величины рН и окислительно-восстановительных потенциалов водных растворов, а также для использования в качестве высокоомного милливольтметра (бонусом могут и температуру выдать).

Прибором можно производить измерения как методом отбора проб с помощью входящих в комплект датчиков, так и непосредственно в лабораторных установках.
Приборы рассчитаны для использования в научно-исследовательских учреждениях, промышленных предприятиях и различных отраслях народного хозяйства.
На производстве в основном используются рН-метры типа рН-210, рН-215 и др., а также иономеры, предназначенные для определения активности одно- и двухвалентных анионов и катионов (величины рХ) в водных растворах, типа И-120, И-130, И-135 и др.

Принцип измерения величины рН

Для измерения величины рН используется потенциометрический метод анализа, который основан на использовании зависимости электрического сигнала (потенциала) специального датчика, называемого измерительным электродом, от состава анализируемого раствора. Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы. Измерительный электрод реагирует на ионы водорода, а его потенциал зависит от содержания этих ионов в растворе и подчиняется уравнению Нернста:
Е = Е0 + R×T/F×ln aн = Е0 — 2,3×R×T/F×рН,
где R — универсальная газовая постоянная, равная 8,315 × 107 эрг/C×моль;
Т — температура раствора, К;
F — 96000 кулон/г экв (число Фарадея );
ан — активность ионов водорода в растворе;
рН — величина рН раствора;
Е0 — потенциал стеклянного электрода по отношению к стандартному водородному электроду при ан=1.
Абсолютную величину потенциала в настоящее время измерить невозможно, однако можно измерить потенциал относительно другого электрода, потенциал которого не зависит от состава раствора и условно равен нулю. Такой электрод называется электродом сравнения или вспомогательным электродом.
Таким образом, измерения всегда проводятся при помощи двух электродов: измерительного и электрода сравнения. Кроме того, в настоящее время существуют комбинированные электроды, которые в одном корпусе содержат оба электрода и измерительный, и сравнительный.

Кроме того следует знать, что электродная функция зависит от температуры раствора. Эта зависимость показана на графике.
С увеличением температуры увеличивается наклон (крутизна) электродной характеристики.
Концентрация анализируемых ионов, при которой потенциал электрода не зависит от температуры, называется изопотенциальной точкой.
Значения концентрации раствора и потенциала электрода в этой точке называют координатами изопотенциальной точки.

Современные измерительные приборы позволяют автоматически учитывать температурные изменения электродной характеристики (термокомпенсация), для этого в прибор должны быть введены координаты изопотенциальной точки и текущая температура. Последняя может вводиться либо вручную, либо посредством термодатчика, подключенного к прибору.
При выборе электродов, рекомендуется выбирать такой электрод, изопотенциальная точка которого, лежит вблизи средней концентрации анализируемых растворов.
Измеряя ЭДС электродной системы с помощью милливольтметра, шкала которого градуирована в единицах рН, определяют величину рН контролируемого раствора.

Применение

Прибор для измерения кислотности среды может использоваться во многих отраслях производства, где необходимо быстро определять уровень доли кислоты и щелочи в анализируемой среде: при производстве горючего, в микробиологических и агрохимических лабораториях, на предприятиях косметической, лакокрасочной, химической, пищевой промышленности, аквариумных хозяйствах и др.

Современные датчики кислотности жидкости позволяют проводить измерения в самых разных средах: в питьевой и сточных водах, при производстве технической воды, водорастворимых красок, в растворах для электролиза, биологических образцах. Измерение ph воды (кислотность воды) – важный параметр для организаций, контролирующих пригодность воды для обеспечения жилищно-коммунальных потребностей и энергетики.

Потенциометрические анализаторы могут иметь разную длину, форму, нарушения в составе внутреннего электролита и многое другое, что существенно влияет на характеристики приборов. Следовательно, каждый прибор измерения кислотности должен быть откалиброван для установления соотношения между сигналом от электрода и значением pH в растворе.

Для калибровки цифрового датчика понадобятся буферные растворы и дистиллированная вода.

Принцип действия прибора

Электродная система, являющаяся датчиком, имеет большое внутреннее сопротивление, достигающее 500-1000 МОм.
Для измерения ЭДС электродной системы применяется компенсационная схема, позволяющая существенно уменьшить ток, потребляемый от датчика при измерении.
Элементарная схема, поясняющая принцип действия рН-метра, приведена на рисунке 2.

ЭДС электродной системы Ех сравнивается с падением напряжения на сопротивлении R, через которое протекает ток Iвых оконечного каскада усилителя. Падение напряжения Uвых на сопротивлении R противоположно по знаку электродвижущей силе Ех, и на вход усилителя подается напряжение: Uвх=Ех-Uвых=Ех-R×Iвых.
Напряжение Uвх преобразуется вибропреобразователем в переменное напряжение, которое затем многократно усиливается и при помощи фазочувствительного детектора вновь преобразуется в постоянное напряжение. Это напряжение управляется током Iвых оконечного каскада усилителя. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя напряжение Uвых мало отличается от ЭДС Ех и благодаря этому ток, протекающий через электроды в процессе измерения ЭДС, весьма мал.
Ток Iвых, протекающий через сопротивление R, пропорционален ЭДС электродной системы и величине рН контролируемого раствора.

Электродная система

Основной характеристикой электродной системы является зависимость ее ЭДС от величины рН и температуры раствора. В общем случае ЭДС может быть выражена уравнением:

Е=Еи-[S20+а(t-20)] (рН-рНи),

где Е — ЭДС в милливольтах;
t — температура электродов;
рН — величина рН раствора;
рНи — величина рН раствора, соответствующая изопотенциальной точке;
S20 — крутизна характеристики в изопотенциальной точке;
а — температурный коэффициент крутизны.
Зависимость ЭДС электродной системы рН и температуры может быть представлена следующим приближенным уравнением:

Е=-33-(54,196+0,1884t) (рН-3,28)