pH-метр

PH Meter.jpg

pH-метр (вимовляється "пе аш метр", англійська вимова англ. pH-meter - pi ː 'eɪtʃ "Пі ейч метр") - прилад для вимірювання водневого показника (показника pH), який характеризує концентрацію іонів водню в розчинах, питній воді, харчової продукції та сировині, об'єктах навколишнього середовища і виробничих системах безперервного контролю технологічних процесів, у тому числі в агресивних середовищах. Зокрема, pH-метр застосовується для апаратного моніторингу pH розчинів поділу урану і плутонію, де вимоги до коректності показань апаратури без її калібрування надзвичайно високі.


1. Схема і принцип дії

Дія pH-метра грунтується на вимірюванні величини ЕРС електродної системи, яка пропорційна активності іонів водню в розчині - pH ( водневого показника). Вимірювальна схема по суті являє собою вольтметр, проградуйований безпосередньо в одиницях pH для конкретної електродної системи (зазвичай вимірювальний електрод - скляний, допоміжний - хлоросеребряний).

Вхідний опір приладу має бути дуже високим - вхідний струм не більше 10 -10 А (у хороших приладів менш 10 -12 А), опір ізоляції між входами не менше 10 11 Ом, що обумовлено високим внутрішнім опором зонду - скляного електрода. Це основна вимога до вхідних схемі приладу.

Історично, спочатку ЕРС вимірювалася компенсаційним методом за допомогою потенціометра і чутливого гальванометра. Коли схема в рівновазі, струм через гальванометр не тече, і навантаження на електроди не діє - за шкалою потенціометра коректно відраховується ЕРС. Так само застосовувався метод з балістичним гальванометром. Спочатку від електродів заряджався конденсатор, потім він розряджався на рамку гальванометра, максимальне відхилення якої пропорційно заряду конденсатора, а отже - напрузі.

Далі з'явилися прилади з вхідним підсилювачем на електронних лампах. Спеціальні ("електрометричні") лампи мають струм витоку сітки порядку пікоампер, що дозволяє отримувати великі вхідні опір. Недоліком таких схем є великий дрейф і догляд калібрування через неминуче старіння і зміни характеристик лампи.

Вирішити проблему дрейфу і одночасно високого вхідного опору дозволили компенсаційні схеми з підсилювачем, побудованим за принципом модулятор - демодулятор. Механічний ключ ( Віброперетворювач) по черзі з'єднує невеликий конденсатор з входом і ланцюгом зворотного зв'язку. Якщо постійні напруги на них відрізняються, то через конденсатор протікає невеликий змінний струм, який створить змінну напругу на сітковому резисторі вхідний лампи. Далі пульсації посилюються декількома каскадами, і надходять на фазочуттєві демодулятор (у простому випадку - такий же Віброперетворювач, електромагніт якого включений паралельно електромагніту першого). На виході виходить напруга, пропорційна різниці напруг на вході. Ланцюг зворотного зв'язку (резистивний дільник) задає загальний коефіцієнт посилення, прагнучи підтримувати на вході підсилювача нульову різниця напруг. Ця схема практично позбавлена ​​дрейфу, посилення мало залежить від ступеня зносу ламп. Знижується вимоги до самих лампам - замість дорогих електрометричних можна застосовувати масові приймально-підсилювальні лампи. Так працює, наприклад, вітчизняний прилад pH-340.

У більш пізніх моделях замість контактного перетворювача застосовувався динамічний конденсатор, пізніше ключ на фотосопротівленіе, освітлюваному імпульсами світла (наприклад іономер ЕВ-74), а лампи на вході змінилися польовими транзисторами.

В даний час більшість прецизійних операційних підсилювачів з входом на польових МОП-транзисторах, і навіть найпростіші АЦП задовольняють вимогам по вхідному опору.

Так як ЕРС електродної системи сильно залежить від температури, то важливою є схема термокомпенсации. Спочатку застосовувалися мідні термометри опору, включені в складні мостові схеми зворотного зв'язку, або потенціометр зі шкалою в градусах, ручкою якого встановлювали значення температури, виміряний ртутним термометром. Такі схеми мають велике число підлаштування резисторів і вкрай складні в налаштуванні і калібрування. Зараз датчик температури працює на окремий АЦП, всі необхідні коректування вносить мікроконтролер.

Приблизна залежність напруги від pH (для системи зі скляним і хлоросрібні електродами) наступна.

  • Більшість сучасних скляних електродів роблять так, що б в парі з хлорсеребрянним ЕРС була приблизно дорівнює нулю при pH = 7, тобто в нейтральному середовищі.
  • При основному (лужному) pH, (але, звичайно, не більше 14 - межа для скляних електродів) напруга на виході датчика варіюється від 0 до -0,41 В ((14-7) * -0,059 = -0,41). Наприклад, pH 10 (на 3 од. Вище нейтрального), (10-7) * -0,059 = -0,18 В).
  • При кислотному pH, напруга на виході датчика коливається від 0 до +0,41 В. Так, наприклад, pH 4 (3 од. Нижче нейтрального), (3-7) * -0,059 = +0,18 В.

Дві головні настройки виконуються при калібруванні по буферним розчинам з точно відомим значенням pH - встановлюється крутизна посилення і зміщення нуля. Так само налаштовується так звана изопотенциальной точки (pHі, Eі) - значення pH і відповідна йому ЕРС, при яких ЕРС системи не залежить від температури. Сучасні електродні системи (за винятком спеціальних електродів для сильних кислот і лугів) роблять з изопотенциальной точкою близько pH = 7 і ЕРС в межах + / - 50мВ. Ці характеристики вказуються для кожного типу скляного електрода.


2. Вимоги до електрода

В кінці 1940-х - початку 1950-х років оборонне замовлення з'явився стимулом інтенсивних досліджень в області вимірювальної апаратури такого роду. Обумовлено це було, в числі інших причин, і тим, що особлива роль у контролі реакцій при різних хімічних процесах відводиться приладам, від точності показань яких безпосередньо залежить коректність всього технологічного ланцюга; найбільшою мірою, звичайно, у шкідливих виробництвах, коли зняття показань стану середовища, або становить небезпеку для здоров'я, або взагалі технічно неможливо (агресивне середовище, високі температури і тиск, процеси, що вимагають ізоляції і т. д.).

Так. при ядерному синтезі і формуванні збройового плутонію першорядне значення має виражене кількісно розуміння структури та властивостей матеріалів, що впливають на функції і оборотність зроблених з них скляних електродів - як уже зазначено, найважливіших елементів цієї вимірювальної апаратури.

В 1951 физикохимик М. М. Шульцем першого термодинамічно суворо й експериментально було доведено натрієва функція різних стекол в різних областях pH, яка була однією з ключових гіпотез іонообмінній теорії скляного електрода Б. П. Нікольського. Це стало визначальним етапом на шляху до промислової технології справжніх приладів, - формуванню ионометрии зі скляними, пізніше - з мембранними електродами, що дозволило організувати їх масове виробництво і зробило доступним для використання в будь-яких лабораторних і виробничих умовах [1]. Виробництво перших зразків цієї категорії аналітичної апаратури було налагоджено за участю Тбіліського СКБ "Аналітприлад" в особі його співробітників В. А. Долідзе, Г. А. Симоняна та ін, московських дослідників В. П. Юхновського, А. С. Беневольского і др ., харківських учених В. В. Александрова, Н. А. Ізмайлова, - на Гомельському заводі вимірювальних приладів в 1959; та з того часу до 1967 випуск електродів скляних і допоміжних - промислового і лабораторного призначення, виріс з 1500 майже до 2 мільйонів штук. Кількість електродного скла усіх типів, звареного на заводі за цей же період зросла з 1 тисячі кг більше ніж до 200 тисяч кг.

Розвиток, розширення виробництва електродного скла зробило доступною цю аналітичну апаратуру.


3. Області та методи застосування

Прилад може використовуватися у багатьох виробництвах, де необхідний контроль середовища, універсальним показником стану якої і відповідності її необхідним - є pH: при високотехнологічному виробництві всіх видів пального, у фармакологічній, косметичній, лакофарбовій, хімічній, харчовій промисловості і мн. ін; pH-метри мають широке застосування у науково-дослідній практиці хіміків, мікробіологів і грунтознавців, агрохіміків, у лабораторіях стаціонарних і пересувних, в тому числі польових, а також клініко-діагностичних (для контролю фізіологічних норм та діагностики), судово-медичних . Останнім часом pH-метри також широко використовуються в акваріумних господарствах, для контролю якості води в побутових умовах, у землеробстві (особливо в гідропоніці).

Медичний pH-метр, застосовуваний для виміру кислотності у порожнистих органах людини, називається ацідогастрометр.


Примітки

  1. Шульц М. М. Дослідження натрієвої функції скляних електродів. Вчені записки ЛДУ № 169. Серія хімічних наук № 13. 1953. стр. 80-156