Sonda pH.
Pomiar pH jest niezbedny w laboratoriach, w przemysle chemicznym, spozywczym i innych, medycynie, wodociagach, oczyszczalniach sciekow, rolnictwie...
Skale pH kwasowosci i zasadowosci wodnych roztworow zwiazkow chemicznych wprowadził dunski chemik Soren Sorensen w 1909 roku. Zdefiniowal on pH jako ujemny logarytm dziesietny stezenia jonow wodorowych H+ czyli protonow, ktore przeciez tak naprawde w roztworach wodnych nigdy nie wystepuja bowiem ulegaja natychmiast solwatowaniu.
Scisle wiec nalezy mowic o aktywnosci jonów hydroniowych H3O+ a nie H+ , pH jest to zatem logarytm dziesiętny aktywnosci jonow hydroniowych wyrazonych w molach na decymetr sześcienny.
W chemicznie czystej wodzie cząsteczki wody ulegaja autodysocjacji, co prowadzi do powstawania jonów H3O+ i OH−.
Stężenie jonów H3O+ w czystej wodzie w temperaturze 25C wynosi 10E−7 mol/l, a jej pH = – log(10E−7) = 7. W czystej wodzie stężenie jonów wodorowych i wodorotlenowych jest takie samo, woda ma odczyn obojętny, pH= 7.
Teoria sformułowana przez Nernsta, mowi ze napiecie ogniwa o identycznych elektrodach, lecz umieszczonych w roztworach o różnych stężeniach jonów hydroniowych, jest proporcjonalne do logarytmu stosunku tych stężeń.
Napiecie wytworzane przez szklana dwuelektrodowa roznicowa sonde pH w roztworze o mierzonym "pH" podaje wzor Nersta
E= a - (2.303 * T * (pH - pHiso) ) / nF , gdzie:
E = napiecie sondy pH
a = ±30 mV, tolerancja punktu zerowego
T = temperatura roztworu w stopniach Kelwina
n = 1 w temperaturze 25C, walencja czyli liczb ladunkow na jeden jon
F = 96485 coulomb/mol, stala Faradaya
pHiso = 7, koncentracja odniesienia jonow w skali logarytnicznej
Skala pH byla zdefiniowana dla rozcieńczonych roztworów kwasów. Jej zastosowanie do stezonych kwasow i zasad poza zakresem aktywnosci jonow od 0 do 14 prowadzi do paradoksow i nonsensow.
Wedlug wzoru Nersta sonda w temperaturze 25C dla roztworow o pH -7..7 wytwarza napiecie -414..414 mV czyli -+59.14 mV/pH.
Czulosc jest proporcjonalna do temperatury w skali Kelvina. Dla temperatury 80C czulosc wynosi +-70mV/pH.
W 1934 roku Arnold Beckman zarejestrowal patent na kompletny miernik pH a w 1936 roku sprzedal juz blisko 500 pH-metrow (135 dolarow za sztuke ) co dowodzi jak bardzo ten pomiar jest uzyteczny.
Zostawmy budowe sondy na boku. Rezystancja sondy jest w przedziale 1Mohm do 1 Gohm. Bufor - wzmacniacz musi miec bardzo maly prad polaryzacji. Historyczne mierniki pH budowano na lampach o bardzo malym pradzie uplywowym siatki. Lampy byly celowo niedozarzone i pracowaly z mikroamperowym pradem anody. Ponizej schemat takiego historycznego miernika.
Pozniej zastosowano do budowy pH-metrow dyskretne tranzystory JFet i Mosfet a pozniej scalone wzmacniacze operacyjne BiFet i BiMOS.
Popularny wzmacniacz operacyjny CA3140 wykonany w technologi BiMOS nadaje sie do tego celu wybornie zwlaszcza z malymi napieciami zasilajacymi gdy ma wejsciowy prad polaryzacji w temperaturze pokojowej okolo 1pA.
Wzmacniacze BiFet typu TL081/2/4 w temperaturze pokojowej maja prad polaryzacji wejsc ca 30pA ale niestety on szybko rosnie wraz z temperatura. Jednak przy mniejszych wymaganiach rowniez moga byc stosowane ale przy rozsadnym napieciu zasilajacym aby ograniczyc doprowadzona moc i temperature i prad polaryzacji. Opornik na wejsciu jest wystarczajaca ochrona.
Sonde pH mozna wprost dolaczyc do wejscia przetwornika A/D ICL7106/7 sterujacego wyswietlacz LCD / LED. Jest on wykonany w technologi CMOS i ma maly prad polaryzacji wejscia. Wejscie napiecia odniesienia ukladu mozna uzyc do temperaturowej kompensacji wzmocnienia czyli skali.
Kabel do sondy jest wysokiej jakosci i nie jest tani. Dobrze byloby razem z sonda zintegrowac wtornik ze wzmacniaczem BiMOS oraz sensor temperatury.
Wzmacniacz do temperaturowej korekcji wzmocnienia pomiaru pH moze uzyc sensora RTD. Temperature mozna takze zmierzyc osobno . W tym przypadku dokonujemy korekcji programowo.
Podsystem wejsciowy do sondy pH czasem powinien byc izolowany.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz