pH-meter (uttalas "ph meter", engelska pH-meter ) - en anordning för att mäta väteindex (pH-index), som karakteriserar aktiviteten av vätejoner i lösningar , vatten , livsmedelsprodukter och råvaror, miljöobjekt och produktionssystem för kontinuerliga övervakning av tekniska processer, inklusive i aggressiva miljöer. I synnerhet används pH-mätaren för hårdvaruövervakning av pH i uran- och plutoniumseparationslösningar , där kraven på korrektheten av utrustningens avläsningar utan dess kalibrering är extremt höga .
pH-mätarens verkan är baserad på att mäta värdet på elektrodsystemets EMF , vilket är proportionellt mot aktiviteten av vätejoner i lösningen - pH ( pH ). Mätkretsen är i huvudsak en voltmeter kalibrerad direkt i pH-enheter för ett specifikt elektrodsystem (vanligtvis är mätelektroden glas, hjälpmedlet är silverklorid).
Ingångsresistansen för enheten måste vara mycket hög - ingångsströmmen är inte mer än 10-10 A (för bra enheter är den mindre än 10-12 A), isolationsresistansen mellan ingångarna är minst 10 11 Ohm, pga. till det höga inre motståndet hos sondglaselektroden . Detta är huvudkravet för enhetens ingångskrets.
Historiskt sett mättes EMF först med kompensationsmetoden med en potentiometer och en känslig galvanometer . När kretsen är i jämvikt flyter ingen ström genom galvanometern, och belastningen på elektroderna verkar inte - EMF läses korrekt på potentiometerskalan. Den ballistiska galvanometermetoden har också tillämpats . Först laddades en kondensator från elektroderna, sedan laddades den ut på galvanometerramen, vars maximala avvikelse är proportionell mot kondensatorns laddning och därför mot spänningen.
Sedan fanns det apparater med en ingångsförstärkare på elektroniska rör. Speciella ("elektrometriska") lampor har en nätläckström i storleksordningen pikoamperer, vilket gör det möjligt att erhålla stora ingångsresistanser. Nackdelen med sådana system är en stor drift och drift av kalibrering på grund av den oundvikliga åldrandet och förändringar i lampans egenskaper.
För att lösa problemet med drift och samtidigt hög ingångsimpedans möjliggjorde kompensationskretsar med en förstärkare byggd på modulator-demodulator-principen. En mekanisk nyckel ( vibrationsgivare ) ansluter växelvis en liten kondensator till ingångs- och återkopplingskretsen. Om DC-spänningarna över dem är olika, flyter en liten växelström genom kondensatorn, vilket kommer att skapa en växelspänning över ingångslampans nätmotstånd. Vidare förstärks pulsationerna med flera kaskader och går in i en faskänslig demodulator (i det enklaste fallet samma vibrationsgivare, vars elektromagnet är parallellkopplad med den förstas elektromagnet). Utgången är en spänning proportionell mot spänningsskillnaden vid ingången. Återkopplingskretsen (resistiva delaren) ställer in den totala förstärkningen och försöker bibehålla en spänningsskillnad på noll vid förstärkaringången. Denna krets är praktiskt taget fri för drift, förstärkningen beror lite på graden av slitage på lamporna. Kraven på själva lamporna är reducerade - istället för dyra elektrometriska kan massmottagnings-förstärkande lampor användas. Så här fungerar till exempel hushållsapparaten pH-340.
I senare modeller användes en dynamisk kondensator istället för en kontaktomvandlare, senare en nyckel på en fotoresistans upplyst av ljuspulser (till exempel jonomeren EV-74), och ingångslamporna ersattes av fälteffekttransistorer .
Idag uppfyller de flesta precisions MOSFET-ingångs op-amps , och även de enklaste ADC :erna, ingångsimpedanskraven.
Eftersom elektrodsystemets EMF är starkt beroende av temperaturen, är den termiska kompensationskretsen viktig. Inledningsvis användes kopparresistanstermometrar , inkluderade i komplexa återkopplingsbryggkretsar, eller en potentiometer med en skala i grader, vars handtag ställde in temperaturvärdet mätt med en kvicksilvertermometer. Sådana kretsar har ett stort antal avstämningsmotstånd och är extremt svåra att ställa in och kalibrera. Nu fungerar temperatursensorn på en separat ADC, alla nödvändiga justeringar görs av mikrokontrollern .
Ett ungefärligt spänningsberoende på pH (för ett system med glas- och silverkloridelektroder ) är som följer.
Två huvudjusteringar görs vid kalibrering mot buffertlösningar med ett exakt känt pH-värde - förstärkningslutningen och nolloffset. Den så kallade isopotentialpunkten (pHi, Ei) justeras också - pH-värdet och motsvarande EMF, vid vilken systemets EMF inte beror på temperaturen. Moderna elektrodsystem (med undantag för speciella elektroder för starka syror och alkalier) är gjorda med en isopotentialpunkt runt pH = 7 och en EMF inom +/- 50mV. Dessa egenskaper specificeras för varje typ av glaselektrod.
I slutet av 1940-talet och början av 1950-talet var försvarsordningen ett incitament för intensiv forskning inom området för mätutrustning av detta slag. Detta berodde bland annat på det faktum att en speciell roll i kontrollen av reaktioner i olika kemiska processer tilldelas instrument vars noggrannhet av avläsningarna direkt påverkar korrektheten i hela den tekniska kedjan; i störst utsträckning, naturligtvis, i farliga industrier, när avläsningar av miljöns tillstånd antingen utgör en hälsorisk eller är tekniskt omöjligt alls (aggressiv miljö, höga temperaturer och tryck, processer som kräver isolering, etc.).
Vid kärnfusion och produktion av plutonium av vapenkvalitet är alltså en kvantitativ förståelse av strukturen och egenskaperna hos material som påverkar funktionerna och reversibiliteten hos glaselektroder gjorda av dem - som redan nämnts, den viktigaste delar av denna mätutrustning.
1951 var fysikokemisten M. M. Schultz den första som termodynamiskt strikt och experimentellt bevisade natriumfunktionen hos olika glas i olika pH-intervall, vilket var en av nyckelhypoteserna för jonbytesteorin för glaselektroden B. P. Nikolsky . Detta blev ett avgörande steg på vägen till den industriella tekniken för dessa enheter, bildandet av jonometri med glas, senare med membranelektroder, vilket gjorde det möjligt att organisera deras massproduktion och gjorde dem tillgängliga för användning i alla laboratorie- och produktionsförhållanden [ 1] . Produktionen av de första proverna av denna kategori av analytisk utrustning etablerades med deltagande av Tbilisi SKB "Analitpribor" representerad av dess anställda V. A. Dolidze , G. A. Simonyan och andra, Moskvaforskare V. P. Yukhnovsky, A. S. Benevolsky och andra ., Kharkov-forskare V. Aleksandrov, N. A. Izmailov , - vid Gomel-fabriken för mätinstrument 1959 ; och sedan den tiden, 1967, har produktionen av glas- och hjälpelektroder för industri- och laboratorieändamål vuxit från 1,5 tusen till nästan 2 miljoner stycken. Mängden elektrodglas av alla slag som svetsades vid anläggningen under samma period ökade från 1 000 kg till mer än 200 000 kg.
Utvecklingen och expansionen av produktionen av elektrodglas gjorde denna analysutrustning tillgänglig.
Moderna mätelektroder är strukturellt:
I de flesta utländska hushållselektroder är de gjorda i form av en icke-uppladdningsbar sensor med en inbyggd referenselektrod. Mindre vanliga är uppladdningsbara sådana med inbyggd referenselektrod. Elektroder i sovjetisk stil, oftast med en separat gjord kontroll och uppladdningsbar, vilket avsevärt minskade kostnaden för att byta ut glasdelen.
Den största praktiska nackdelen med alla moderna elektroder är den gradvisa ackumuleringen av mikrosprickor i glas eller förorening av mikroporer. När det gäller organiska och vissa oorganiska föroreningar hjälper rengöring med en lösning av saltsyra. Men i fallet med föroreningar som är inerta mot klorering eller betydande ackumulering av mikrosprickor, ändras sensoravläsningarna irreversibelt. Det är värt att notera här att även när elektroden inte används ändras glasporositeten och åldrande inträffar. I ett visst intervall av förändringar i elektrodens avläsningar, utjämnas de senare genom regelbunden rengöring och kalibrering. Så snart mätenhetens kapacitet inte tillåter inställning av det kalibrerade värdet, måste elektroden kasseras. Det är också värt att notera en annan nackdel med att använda gamla eller defekta elektroder. Med tydliga avläsningar i kalibreringslösningarna kan en långsam drift av parametern observeras i de uppmätta lösningarna. Detta beteende efter noggrann rengöring och kalibrering är också en indikation på byte av glas-/membrandelen eller hela sensorn.
Enheten kan användas i många industrier där det är nödvändigt att kontrollera miljön, den universella indikatorn för vilket tillstånd och dess överensstämmelse med de erforderliga är pH: i den högteknologiska produktionen av alla typer av bränsle, i den farmakologiska , kosmetika, färg och lack, kemi, livsmedelsindustri och många andra. andra; pH-mätare används i stor utsträckning i forskningspraxis av kemister, mikrobiologer och markforskare, jordbrukskemister, i stationära och mobila laboratorier, inklusive fältlaboratorier, såväl som klinisk diagnostik (för övervakning av fysiologiska normer och diagnostik), kriminaltekniska. På senare tid har pH-mätare också använts i stor utsträckning i akvariegårdar, för att övervaka vattenkvaliteten i hushållsförhållanden, inom jordbruket (särskilt inom hydrokultur).
En medicinsk pH-mätare som används för att mäta surhet direkt i mänskliga ihåliga organ kallas en acidogastrometer .