Современные системы измерения показателей pH, pO2

Измерение pH

Водородный показатель pH - показатель, характеризующий концентрацию свободных ионов водорода в воде. Рассчитывается, как десятичный логарифм концентрации ионов водорода, взятый с обратным знаком: pH = -log[H+]. Имеет диапазон от 0 до 14.

Уровень pH определяет степень кислотности или щелочности воды. Нейтральным принято считать уровень pH, равный 7 (в идеале это диапазон значений от 7,2 до 7,6 и максимально приближен к 7,4). При значении pH ниже 7 раствор является кислым, при значении pH выше 7 – щелочным. Уровень pH выше 7,8 приводит к накоплению различных минеральных отложений, известнякового камня и другого рода налетов. Кислый уровень pH способствует коррозии различных металлических покрытий. Ввиду того, что вода является дешевым легкодоступным рабочим телом, а также охладителем, она повсеместно применяется практически во всех существующих типах производств. Поэтому для исправной работы оборудования необходима определенная химподготовка воды, а также контроль уровня pH.

В основе измерения водородного показателя pH лежит кондуктометрический метод.

Кондуктометрия - электрохимический метод анализа, основанный на измерении электропроводности каких-либо жидких сред. Кондуктометрический анализ основан на измерении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве. Он не связан с потенциалом электрода, который обычно близок к равновесному значению.

Определить кислотность или щелочность среды можно с помощью простых химических индикаторов. Однако, в рамках производственных процессов провести эксперименты с отбором проб и использованием одноразовых индикаторов зачастую не представляется возможным. Кроме того, большинство производственных циклов контролируется автоматическими или автоматизированными системами управления, отвечающими за исправность оборудования и безопасность персонала. Все это выдвигает определенные требования к типу представления и оперативности получения данных о состоянии технологического процесса, возможности их незамедлительной обработки посредством электронных систем и принятия соответствующих решений. Принцип измерения водородного показателя основан на измерении величины электродвижущей силы электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода — pH. Датчиком, измеряющим такую электродвижущую силу, является гальванический преобразователь.

Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит, то есть в этом случае электролитическая ячейка является источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем, что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы и он заряжается положительно, а на металле остаются избыточные электроны и он заряжается отрицательно. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление – электрод заряжается положительно, а электролит – отрицательно. Потенциал электрода относительно электролита, в который он помещен, называется электродным потенциалом.

Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный). Все приборы для измерения рН состоят из двух основных элементов — измерительного прибора, шкала которого градуирована в единицах рН, с устройством для автоматической компенсации температуры и устройством для настройки и калибровки прибора по буферным растворам; а также штатива с укрепленными электродами. В современных портативных, цифровых рН-метрах вместо системы электродов используется один специальный ионоселективный электрод. Датчики, используемые на производствах предназначены для автоматического непрерывного измерения показателя pH. Такие датчики, как правило, состоят из двух элементов: датчика и преобразователя. Датчик имеет два электрода — измерительный и сравнения. Измерительный электрод должен быть погружен в контролируемую жидкость, электрод сравнения может быть вынесен из контролируемой среды. Промышленные датчики могут быть погружные (для измерения pH в резервуарах) и проточные (для измерений в трубопроводах). Все датчики обеспечивают непрерывный контроль значения pH и выдачу сигнала на преобразователь.

Измерение pO2

Способ измерения концентрации растворенного кислорода - амперометрический метод - очень схож с измерение показателя pH, поэтому все вышесказанное, актуально и для измерения концентрации кислорода pO2.

Амперометрический метод. Чувствительный элемент (датчик) для кислорода подобен обычному электроду. Кислород проникает через газопроницаемую мембрану во внутренний электролит электрода, где он восстанавливается на катоде. Ток восстановления кислорода пропорционален концентрации растворенного кислорода.

Оптический принцип измерения растворенного кислорода В последнее время начал использоваться оптический принцип измерения растворенного кислорода. Этот принцип, получивший название LDO, основывается на физическом явлении люминесценции. Данное явление определяется как способность определенных материалов (люминофоров) испускать излучение не в результате нагрева, а в результате возбуждения иного рода. В методе LDO в качестве источника возбуждения используется свет. Подобрав подходящий материал и длину волны возбуждающего света, удалось добиться пропорциональности, как интенсивности, так и степени затухания люминесцентного излучения концентрации кислорода в окружающем люминофор растворе. Молекулы кислорода в анализируемом образце вступают в непосредственный контакт с люминофором.

В процессе измерения синий светоизлучающий диод (СИД) испускает импульс света, который проходит через прозрачную подложку и частично поглощается слоем люминофора. Электроны в молекулах люминофора при этом переходят на более высокий энергетический уровень (возбужденное состояние). В течение нескольких микросекунд электроны возвращаются в исходное состояние через несколько промежуточных энергетических уровней, испуская разницу в энергиях в виде более длинноволнового (красного) излучения. Если в этот момент молекулы кислорода находятся в контакте с люминофором, они могут поглотить энергию электронов, находящихся в возбужденном состоянии и сделать возможным их возвращение в исходное состояние без испускания кванта света (безизлучательный переход). С увеличением концентрации кислорода этот процесс будет приводить к уменьшению интенсивности испускаемого "красного" излучения (люминесценции).

Для определения концентрации кислорода анализируется время затухания люминесценции. Таким образом, измерение концентрации кислорода сводится к чисто физическому измерению времени.

Отклик сенсора постоянно регулируется при помощи красного светоизлучающего диода (СИДа), смонтированного в датчике. Перед каждым измерением он испускает луч света с известными характеристиками, который отражается от люминофора и попадает в оптическую систему. Благодаря этому, без задержки происходит определение и компенсация любых изменений измерительной системы.