15
Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni pretvorniki Mentor: doc. dr. Peter Zajec Avtorja: Mitja Vidrih Toplikar Primož Ljubljana, maj 2011

pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

  • Upload
    dominh

  • View
    221

  • Download
    2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko

pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

pretvorniki

Mentor: doc. dr. Peter Zajec Avtorja: Mitja Vidrih Toplikar Primož

Ljubljana, maj 2011

Page 2: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

2

Kazalo

Zgodovina pH in pH metrov ...................................................................................................... 3

Uporaba pH metrov danes.......................................................................................................... 4

Definicija pH.............................................................................................................................. 5

Princip merjenja ......................................................................................................................... 6

Merilne elektrode ....................................................................................................................... 7

pH-meter..................................................................................................................................... 8

Vrste pH-metrov....................................................................................................................... 10

Nično pozicijski pH meter.................................................................................................... 11

pH meter za direktno merjenje ............................................................................................. 11

Moderni Ph metri.................................................................................................................. 12

Digitalni pH meter ................................................................................................................ 13

Težave in napake pH metrov.................................................................................................... 14

Viri ........................................................................................................................................... 15

Page 3: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

3

Zgodovina pH in pH metrov

pH je pogost primer oznake, ki se velikokrat zapiše napačno. V časopisih, televizijskih reklamah, celo študentje velikokrat pH napišejo napačno, npr. kot PH, Ph ali ph. Vse te kratice lahko povzročijo pravi nesporazum, saj imajo skoraj vse določen pomen. Ph oznako poznajo kemiki kot oznako za fenilno skupino; v trgovinah kupujejo ljudje mila, ki spoštujejo naravni pH kože; okoljevarstveniki so zaskrbljeni, če pH faktor pade pod 4, v tem primeru ima p povsem drugačen pomen: pH pomeni 'pressure of hydrogen'.

Koncept pH –ja je leta 1909 izumil danski kemik Soren Peter Lauritz Sorensen ( 1868-1939 ). Ko je prevzel glavno mesto na katedri za kemijo v laboratorijih pivovarne Carlsberg, se je resneje začel ukvarjati z biokemijo. Ukvarjal se je s študijami o učinkih želodčne kisline na encime pri alkoholnem vrenju. Ugotovil je, da potrebuje nekakšno kvantitativno definicijo za kislost samo – pri pitju piva. In ta ugotovitev je imela zelo velik vpliv na znanost.

V zapisih, ki so bili napisani v francoščini, je Sorensen ozanko zapisal kot pH + (z eksplicitno povezavo z vodikovimi ioni), kmalu se je ta oznaka spremenila v pH. , tu gre za nemško verzijo, saj naj bi bila bolj priročna za tiskanje. Američanom pa se je leta 1920 uspelo dokopati do oznake, ki je v uporabi še danes, torej pH.

Ampak, kaj je v resnici Sorensen mislil z malim p ? O tem obstaja veliko trditev in idej, nekatere med njimi so tudi napačne. Večina matematikov razlaga, da je p operator ekvivalenten 'minus logaritmu osnove deset', danes naj bi večina matematikov (v Ameriki) p kar ignorirala. Kemiki uporabljajo p z enakim namenom, funkcijo. Operator se uporablja večinoma v analizni kemiji, za katerikoli ion poleg H+. V nekaterih knjigah so razlage, ki pojasnjujejo, da p pomeni potencial (v elektrokemiji), puissance (francosko), Potenz (nemško) in celo power (tako je Sorensen poimenoval p v angleščini). V resnici je razlaga precej bolj preprosta. Pred kratkim napisan članek Trends in Biochemical Sciences je med kemijskimi zgodovinarji vzbudil kar precejšnjo pozornost. Članek je napisal Jens Norby, danski univerzitetni profesor v pokoju, sin študenta, ki je delal doktorat ravno pri Sorensen-u. Norby razlaga, da bi katerikoli drug simbol npr. a, b, m, n, q, ali z Sorensen lahko uporabil v svojih raziskavah. Ko je izbral p, pač ni pomislil na pravila etimologije.

Prvi pH meter je skonstruiral Arnold Beckman leta 1934. Steklene elektrode, s katerimi se meri potencialno razliko zaradi aktivnih ionov, so bile razvite in izdelane že leta 1906. Skonstruirala sta jih Friz Haber in Zygmunt Klemensiewicz. Vendar so tehnične težave omejevale njihovo širšo uporabo. Steklene elektrode imajo namreč veliko notranjo upornost, zato so vrednosti njihovih izhodnih parametrov zelo majhne. Zaradi tega so za meritve uporabljali drage galvanoskope, katerih vzdrževanje je bilo zelo zahtevno in neekonomično.

Problem velike notranje upornosti je zaobšel Arnold Beckman, ki je uporabil preprost ampak zelo učinkovit ojačevalnik z dvema vakumskima cevkama. Ojačani tok je precej lažje meriti z enostavnejšim in cenejšim ampermetrom, kateri je nadomestil galvanometre.

Leta 1936 se je Beckman odločil, da poskušajo ponuditi na trg komercialno izvedbo pH metra. Poimenovali so ga Acidimeter Model G. Model G je v enem ohišju združeval vse naprave, ki so bile potrebne za merjenje. In sicer: merilne elektrode, ojačevalec elektrokemijsko celico, kalibracijsko elektrodo, baterijo in ampermeter. Ocenili so, da bo tedanjim potrebam na trgu zadostovala proizvodnja 600-tih G Modelov za naslednjih 10 let. Vendar so jih že v prvem letu prodali 444 in tako do ukinitve proizvodnje leta 1955, ko so prodali napravo s serijsko številko 126000.

Page 4: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

4

Slika 1: Prvi pH meter Slika 2: Model G

Uporaba pH metrov danes

Kako pomembno je, da poznamo pH vrednosti raztopin v kemijskih in biokemijskih procesih, nam med drugim pove široka paleta področij, kjer je potrebno meriti pH vrednosti. Naj naštejemo samo nekatere:

V kemični industriji.

Učinkovita proizvodnja najlona, kakor tudi drugih sodobnih umetnih vlaken je odvisna od natančnega nadziranja pH.

V biokemiji.

Naše telo samo nadzira vrednost pH v krvi. Že majhna sprememba, za pol enote pH vrednosti lahko povzroči hude bolezni. Pravilna pH vrednost kože je bistvenega pomena za zdravo polt. V želodcu pH vrednost neposredno vpliva na prebavni proces.

V agronomiji

PH vrednot tal ureja dostopnost hranil rastlinam, kot tudi aktivnost mikroorganizmov v zemlji.

V živilski industriji

V živilski industriji si ne moremo predstavljati učinkovite proizvodnje brez skrbnega uravnavanja pH. Na primer kvas lahko fermentira samo v določenih mejah pH-ja.

Page 5: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

5

V raziskavah okolja in nadzor onesnaženja

pH rek in jezer je zelo pomemben za vzdrževanje ustreznega ekološkega ravnovesja. Vrednost pH vode neposredno vpliva na fiziološke funkcije in hranilno vrednost v rastlinskem in živalskem svetu. Varovanje naših voda zahteva stalno spremljanje industrijskih odplak. Obrati plemenitenja in končne obdelave kovin proizvajajo odplake ki so zelo kisle. Po drugi strani se v različnih kemijskih obratih proizvaja veliko zelo alkalnih odpadnih voda. pH meritve se uporabljajo kot vodilo za pravilno nevtralizacijo teh odplak, kot tudi za spremljanje končne kakovosti odplak.

Definicija pH

pH je merilo za vsebnost aktivnih vodikovih ionov [ ] v raztopini. Koncentracija teh ionov se pojavlja v širokem spektru, nekje med 1M in M. Zato je leta 1909 danski biokemik Soren Sorensen razvil pH lestvico in definiral pH.

Definirana je z enačbo:

Zaradi svoje logaritemske narave je pH brez razsežna količina. V enačbi imamo negativen predznak, da dobimo pozitivno pH vrednost.

Slika 3: pH lestvica

Page 6: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

6

Logaritemska skala pomeni, da se desetkratna aktivnost vodikovih ionov odraža kot sprememba ene enote na pH lestvici. Razpon pH lestvice je od 0 do 14. Vrednost 0 pomeni zelo kisel, 14 pa zelo alkalen pH. Nevtralna raztopina je definirana kot tista, v kateri so aktivnosti in enake.

Primer izračuna pH faktorja za vodo: Voda je slab elektrolit in je sestavljena iz vodikovih ionov in hidroksidnih ionov.

O = +

Produkt vodikov in hidroksidnih ionov v vodi pri 25˚C je ter razmerje med vodikom in hidroksidnimi ioni enako . Zaradi potrebe po enakem električnem naboju v snovi izhajamo iz enačbe:

[ ] = [ ] = = = 1.004 [ ] ≈ Iz rezultata vidimo da je pH faktor vode približno enak 7. Točka 7 nam tudi predstavlja nevtralno točko na pH skali, saj so vodikovi in hidroksidni ioni tu prisotni v enakem razmerju.

Princip merjenja

V svoji osnovi je pH meter, zelo občutljiv voltmeter, ki meri potencialno razliko med referenčno in merilno elektrodo. Referenčna elektroda proizvaja konstanten električni potencial, medtem ko potencial merilne elektrode opišemo z Nerrst-ovo enačbo.

E = + 2.3· · (log )

pH = - log

2.3· = k·T (Nerstov faktor ali faktor naklona)

E = – k·T·pH

Page 7: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

7

Pri čemer so : E= električni potencial med elektrodama, = potencial referenčne elektrode, R= plinska konstanta, F= Faradayeva konstanta, T= temperatura v K, = aktivni vodikovi ioni.

Iz enačbe lahko razberemo, da je potencial, ki nam ga daje merilna elektroda linearno odvisen od pH vrednosti. Kot vidimo imamo opravka z linearno funkcijo katere naklon nam določa naklonski faktor (kT).

Naklonski faktor je zelo odvisen od temperature merjene snovi, kar lahko vidimo s slike 2.

Slika 4: Graf prikazuje izmerjene napetosti, pri različnih pH v odvisnosti od temperature

Merilne elektrode

Najbolj specifičen del pH metra so merilne elektrode. Proizvajajo se v različnih oblikah, prilagojene konkretnim zahtevam uporabe. Ohišja elektrod so lahko plastična ali steklena. Za merilni del se največkrat uporabljajo steklene elektrode, čeprav obstajajo tudi izvedbe iz drugačnih materialov.

Merilni del je sestavljen iz dveh glavnih delov: referenčne elektrode in merilne elektrode. Referenčna elektroda nam zagotavlja konstantno in stabilno vrednost električnega potenciala.

Merilna elektroda je glede same fizikalne razlage meritve bolj zanimiva, zato si jo pobliže oglejmo. Aktivni del pH elektrode za merjenje se nahaja v obliki sonde najrazlišnejših oblik, odvisno od uporabe. Konica sonde je izdelana iz posebnega stekla, ki zaznava koncentracijo vodikovih ionov. Steklena konica je večinoma izdelano iz amorfnega silicijevega dioksida (Si ), s primesmi oksidov alkalnih kovin. Predvsem natrija (Na). Zaželjeno je, da so stene konice čim bolj tanke. Debelina stekla je približno 0.1 mm.

Page 8: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

8

Slika 5: Steklena merilna sonda in princip delovanja

Ko je steklena površina sonde potopljena v merjeno raztopino, se med alkalnimi ioni v steklu in aktivnimi vodikovimi ioni v merjeni raztopini izvrši ionska izmenjava. Naj povemo še, da sta zunanja in notranja stena prevlečeni s posebnim gelom, ki ga imenujemo steklena membrana. V notranjosti sonde je tudi raztopina HCl, katere pH se ne spreminja. Glede na pH raztopine, ki ga merimo se vodikovi ioni premaknejo poroti sondi ali stran od nje. V alkalni raztopini se vodikovi ioni gibljejo stran od sonde, zato na zunanji membrani prevladuje negativni naboj. Obraten proces se dogaja v kisli raztopini kjer se vodikovi ioni gibljejo proti zunanji membrani in tako na njej prevlada pozitiven naboj.

pH-meter Naloga pH metra je merjenje potencialne razlike, ki je nastala med dvema elektrodama, ter njuno nadaljnjo prikazovanje v obliki napetosti ali na ustrezni pH skali . Pričetki merjenje pH vrednosti snovi, so temeljili na merjenju z pH papirjem, ki se je obarval na ustrezno barvo, ki je bila proporcionalna pH vrednosti snovi. Problem takšnih meritev je bila natančnost, saj je bilo možno določiti vrednost do 0.1 p . Z izboljšavami na steklu in na elektrodah (elektrode z živosrebrnim kloridom ), ter z razvojem zelo stabilnih DC ojačevalcev, z visoko izhodno impedanco, so meritve pH vrednosti postale dokaj bolj natančne in zanesljive.

Page 9: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

9

Slika 6: Shema notranjih upornosti v pH metru. - električni potencial merilne elektrode v odvisnosti od pH

- notranja upornost merilne elektrode - padec napetosti na notranji upornosti merilne elektrode - notranja upornost elektronskega pH metra (voltmeter) – napetost, ki jo meri voltmeter

Na sliki 6 vidimo notranje upornosti in napetosti v pH metru. Želimo si, da bi bile razlike v napetosti in čim manjše, zato mora biti padec napetosti čim manjši. To lahko dosežemo z zelo majhnim tokom I in čim večjo notranjo upornostjo voltmetra . To lahko dosežemo z uporabo operacijskega ojačevalnika slika 7

Slika 7: Uporaba operacijskega ojačevalnika Merilne elektrode se obnašajo kot napetostni viri, z zelo veliko notranjo upornostjo in da bi povečali natančnost meritev oz. zmanjšali napako pri merjenju napetosti moramo celoten merilni krog zelo dobro izolirati. S tem, ko povečamo izoliranost celotnega merilnega kroga, pa zmanjšamo možnost da bi tekel kakršen koli tok iz našega vira, torej iz merilnih elektrod. Merilni krog predstavljajo elektrode, vodniki, stikala in ojačevalnik. Materiali, s katerimi dosežemo dokaj dobre rezultate na področju izolacijske trdnosti, so: tefloni, steklo, polietileni. Izolacijska upornost materialov mora dosegati vsaj vrednosti ohma.

Page 10: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

10

Na samo načrtovanje pH metrov vplivajo tudi naslednje lastnosti :

• Ker je upornost merilnih elektrod zelo velika (1000MΩ), mora biti vhodna impedanca vsaj za razred 1000 x večja od merilne celice.

• Po elektrodi ne sme teči nobeden tok, saj bi le ta prispeval k polarizaciji elektrode in posledično do napačnih meritev

• pH meter mora imeti vgrajeno temperaturno kompenzacijo, saj se s temperaturo pH vrednost spreminja.

Za doseganje stabilnih rezultatov, se v pH metrih uporabljajo ojačevalci oz. ojačevalniki signala, ki ojačajo signal, ki prihaja iz pH celice ( merilne elektrode). Vhodna impedanca ojačevalca mora biti zelo velika, to pa so v preteklosti reševali z uporabo posebnih elektrometrskih cevk. Z napredkom polprevodniške tehnologije, pa so se te cevke zamenjale z MOSFET tranzistorji in z integriranimi vezji z veliko vhodno impedanco. S prehodom na novo tehnologijo so se pričele težave z zagotavljanjem ustrezne vhodne upornosti pH metra saj se vrednost

ohma stežka doseže. Za izvajanje pH meritev, se potencialna razlika oz. signal, ki nastane v pH celici ojača preko direktno povezanega ojačevalnika . DC ojačevalci povzročijo napake zaradi svoje offsetne napetosti zato je potrebno te napake upoštevati pri meritvi. Z uporabo bolj stabilnih izvorov moči, ter z uporabo integriranih vezjih, ki imajo nizke vhodne offsetne napetosti , se odpravijo posledice nestabilne lege (zero-drift). Nestabilna lega, se lahko odpravlja tudi z uporabo stabiliziranih in diferenčnih ojačevalcev, ki so zgrajeni na tak način, da se odziv na zunanji signal se sešteva, notranji šum oz drift pa se odšteva . V Nernst-ovi enačbi smo zasledili tudi temperaturni vpliv komponent, zato so v instrument vgrajeni elementi , ki služijo za avtomatsko ali ročno kompenzacijo temperaturnega vpliva na pH meritve. Instrumenti so kalibrirani pri temperaturi C, kompenzacija pa se izvaja na izhodnem signalu ojačevalnika, torej na izhodnem toku. V tokokrog se namestijo spremenljivi upori, s tem pa se izniči vpliv temperature. Obstaja tudi avtomatska kalibracija, pri tej kalibraciji se uporablja temperaturno spremenljiv upor, termistor, ki je nameščen na elektrodi. Ker se nahaja na elektrodi je skupaj z njo potopljen v merjeno tekočino, v trenutku, ko se temperatura tekočine spremeni, se posledično spremeni tudi upornost tokokroga in s tem se izvede avtomatska kalibracija.

Vrste pH-metrov

Glede na način prikaza in meritve se pH metri delijo na dve skupini, prva skupina so potenciometrski merilniki ali merilniki ničelnega prikazovanja, ki delujejo na principu potenciometra. Ustvarjen je potencial, ki je proporcionalno enak potencialu, ki je ustvarjen v pH celici, vendar ima obraten predznak, zato na galvanometru dobimo vedno rezultat 0V. Druga skupina so pH metri za direktno merjenje pH vrednosti, pri teh je signal ojačan ter naprej prikazan na merilniku, ki ima skalo proporcionalno oz. kalibrirano na pH enote. Vsaka skupina ima svoje posebnosti; potenciometrski merilniki so zmožni merjenja z večjo natančnostjo; pH metri direktnega prikazovanja pa imajo večjo prednost v spremljanju oz.

Page 11: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

11

upoštevanju spreminjanja pH stanja snovi med samim merjenjem in zato so postali precej bolj uporabljeni.

Nično pozicijski pH meter

Najenostavnejša metoda merjenja pH vrednosti je z uporabo ničelno pozicijskega oz. potenciometerskega pH metra. Princip delovanja je zelo enostaven, meri se napetostna razlika med dvema elektrodama, od katerih je ena merilna in druga referenčna elektroda. Elektrode so prikazane kot upornosti v tokokrogu. Napetost se spreminja toliko časa, da nični indikator doseže vrednost 0. V tem trenutku po tokokrogu ne teče tok, zato tudi ni padca napetosti na uporih in voltmeter, ki je priključen med obe elektrodi prikaže napetost, ki je proporcionalna pH vrednosti merjene tekočine.

Slika 8: Shema nično pozicijskega pH metra. Ta vrsta pH metra je dokaj enostavna, saj se potencialna razlika med elektrodama meri neposredno in tudi takoj primerja z vrednostjo pH skale. So dokaj enostavno grajeni in zato primerni za izdelavo prenosnih pH metrov. Natančnost je do vrednosti 0.001 p in so dokaj enostavni za vzdrževanje. Kerje pri njih potrebna konstantna kalibracija zaradi temperaturnega vpliva, so neprimerni za uporabo v indistriji, kjer so potrebne konstantne meritve snovi.

pH meter za direktno merjenje

Merilne elektrode, ki jih uporabljamo za merjenje pH vrednosti, so dokaj zanesljive oz. so si dokaj podobne po izhodnih karakteristikah, kar pomeni, da ni bilo potrebe po posameznem kalibracijskem grafu za vsako elektrodo. Zato se je razvil pH meter, ki je imel umerjeno skalo neposredno v pH enotah oz. so bili kalibrirani direktno v pH enotah. Zato je potrebna samo kalibracija zaradi temperaturnega vpliva in možnega odstopanja merilnih elektrod. pH metri za direktno merjenje vrednosti se delijo po svoji preprostosti in hitrosti meritev, ki je zelo pomembna pri vsakdanjem laboratorijskem in industrijskem rutinskem merjenju. pH vrednost se prikazuje na zaslonu kot digitalna vrednost ali v starejših izvedbah kot analogna vrednost –odklon kazalca. Za merjenje je potrebno prvič postaviti sondo v snov, kateri poznamo pH vrednost –etalon, s tem nastavimo pH meter na pravo vrednost , nato pa lahko

Page 12: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

12

izvajamo meritve zaporedno na več merjencih. Zanesljivost meritve je velika, saj rabi instrument spremembo napetosti vsaj 5mV, da se spremeni pH stopnja za 0.1.8 Ob primeru, da se nam pH stopnja spreminja, bo instrument sledil tej spremembi in bo konstantno kazal vrednost spremenjene pH stopnje.

Slika 9: Izvedba pH metra z direktnim merjenjem

Slika 10: pH meter z direktnim merjenjem, ojačevalnik z vibrirajočim kondenzatorjem.

Moderni pH metri

Ker se za ojačevalna vezja pogosto uporabljajo bipolarni tranzistorji, ki pa imajo zelo nizko vhodno impedanco. Ravno zaradi te nizke impedance se tranzistorski ojačevalci redko uporabljajo v pH instrumentih. Za doseganje zadostne vhodne impedance se uporabljajo FET tranzistorji (poljski tranzistorji). Mosfet tranzistorji z izoliranimi vrati imajo zelo majhen vhodni parazitni tok , zaradi te lastnosti, lahko dva takšna tranzistorja uporabimo za izdelavo pH metra.

Page 13: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

13

Slika 11 pH metr z uporabo MOSFET tranzistorjev

V vezju sta uporabljena dva mosfet tranzistorja, ki delujeta kot diferenčni ojačevalnik. S tem načinom se znebimo nezaželenega vpliva temperature in nestabilne napajalne napetosti. Instrument deluje na principu ničelnega odmika. Na začetku so vhodi ozemljeni in s potenciometrom R7 se nastavi vrednost na skali pH na 7. S potenciometrom R3 nastavimo vrednost na skali na 0pH, tedaj, ko na vhod pripeljemo takšno napetost, ki je enaka pH vrednosti 7. Pred meritvijo se elektrode potopijo v raztopino, ki ima znamo pH vrednost in z spremembo upora R6 določimo to vrednost na skali. Meritve se izvajajo pri temperaturi merjenca 25°C. Vezje ki ga vidimo na sliki je v večkrat uporabljeno za žepne pH metre.

Digitalni pH meter

Digitalni pH metri so prinesli v merjenje pH vrednosti predvsem veliko natančnost, saj omogočajo natančnost 0d 0.1 do 0.01mV. S povečanjem resolucije se je natančnost meritve prenesla na elektrode in s tem elektrode določajo natančnost in točnost meritve. Ojačevalniki in vsi ostali elementi v vezju morajo imeti majhen temperaturni koeficient, s tem dosežemo oz. obdržimo predpisano točnost in konstantnost meritev.

Slika 12: Shema digitalnega pH metra za direktno merjenje

Page 14: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

14

Digitalni pH meter uporablja v ojačevalnikih FET tranzistorje, ki so že izvedeni v integrirani izvedbi. Lahko so pritrjeni direktno na elektrode, da ojačajo signal iz pH celice. Ojačevalnik deluje pod konstantnimi pogoji celoten čas in je neposredno povezan z A/D pretvornikom. Potencialna razlika med stekleno elektrodo in referenčno elektrodo je ojačana z mV ojačevalnikom, preden A/D pretvornik pošlje signal v mikroprocesor, kjer se izvede izračun vrednosti meritve. Upornost R1, ki je vhodna upornost ojačevalnika, mora biti občutno večja kot notranja upornost tipične steklene elektrode, torej več ko 108ohma. Pomembno je tudi, da ojačevalnik ne pošlje ničnega toka – bazni tok, skozi elektrodo, saj pri tem ustvari napako pri potencialu elektrode, posledično pa tudi lahko uniči elektrodo. Bazni tok lahko zavzame vrednost =

. Vezje v mikroprocesorju vsebuje temperaturni senzor, ki opravlja dve nalogi; prvič posreduje podatke za prikaz temperature, drugič pa avtomatsko meri temperaturo merjenega elementa in s tem zagotavlja podatke za samodejno kalibracijo zaradi vpliva temperature.

Težave in napake pH metrov

Težave se predvsem kažejo s tem, da je oteženo nastavljanje položaja ničnega indikatorja. Napake pH metrov lahko razdelimo v 3 skupine: 1) Napake zaradi elektrod Ob primeru, da ni možno nastaviti nične pozicije na instrumentu, je potrebno zamenjati merilne elektrode. Ker se večina napak pojavlja predvsem zaradi odpovedi elektrod, se v praksi vedno uporablja par elektrod, ki se izmenično izmenjujejo. S tem dosežemo enakomerno obrabo oz. preprečimo, da bi elektroda, ki je v rezervi, izsušila. 2) Napake na merilnih tokokrogih Razdelimo na v 2 skupini: · Napake zaradi slabe izolacije med steklenimi elektrodami Ker mora elektroda imeti veliko izolacijsko trdnost, se le ta prične slabšati z vplivom prahu oz. nečistoč v elektrodi. · Napake zaradi slabe izolacije oz. zaradi toka med vodniki in priključnimi sponkami Zaradi atmosferskih vplivov mora biti površina konstantno čiščena s ogljikovim tetrakloridom. Potrebno je tudi kontrolirati stanje kondenzatorjev, saj z leti predstavljajo velike možnosti za okvare. 3) Napake zaradi elektronskega vezja Če kljub temu še ni možno umiriti kazalce na ničli položaj, potem obstaja velika možnost, da e v okvari vezje v notranjosti pH metra. Da preverimo pravilnost delovanja, je potrebno kratko skleniti vhodne terminale in pri vseh nastavitvah( temperatura,) preveriti če se kazalec nahaja na enakem položaju na skali.

Page 15: pH – meterlrtme.fe.uni-lj.si/lrtme/slo/UNIVSS/meri_pret/seminar 2011/Primoz... · Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko pH – meter Seminarska naloga pri predmetu merilni

15

Viri

Knjižni:

Dr. R.S. Khandpur, Handbook of Analytical Instruments, 2006, 510-533

Internetni:

http://www.all-about-ph.com/

http://www.ph-meter.info/

http://www.kemija.org/index.php/kemija-mainmenu-38/24-kemijacat/40-ph-logija-od-kod-prihaja-qphq-