ph سنج

PH سنج

pH یک محلول میزانی اسیدی یا بازی(آلکالین) بودن آن را نشان می‌دهد. عبارت pH مقدار غلظت یون هیدروژن را تداعی می‌کند که به صورت معمولی بین 1 تا 10e-14 گرم بر لیتر می‌باشد که معادل با عددی بین 0 تا 14 می‌باشد. pH اندازه‌گیری لگاریتمی از تعداد مول‌های یون هیدروژن در واحد لیتر محلول می‌باشد.
در مقیاس pH یک محلول بسیار اسیدی دارای مقدار پایینی در حد 0، 1 و یا 2 می‌باشد که معادل با غلظت بالای یون‌های هیدروژن می‌باشد. این در حالی است که یک محلول بسیار بازی دارای مقدار pH بسیار بالایی در حد 12، 13 و یا 14 می‌باشد که معادل با غلظت پایین یون‌های هیدروژن است. یک محلول خنثی نظیر آب دارای مقدار pH نزدیک به 7 می‌باشد.

یک دستگاه اندازه‌گیری pH دارای سه بخش می‌باشد که عبارتند از: سنسور pH که شامل الکترود اندازه‌گیری، الکترود مرجع و سنسور دما، یک پیش‌تقویت‌کننده و یک آنالیزر یا فرستنده. یک دستگاه اندازه‌گیری pH باتری‌ای است که ترمینال مثبت آن، الکترود اندازه‌گیری است و ترمینال منفی آن الکترود مرجع می‌باشد. الکترود اندازه‌گیری که حساس به یون هیدروژن می‌باشد، پتانسیل(ولتاژ) را به صورت مستقیم در ارتباط با غلظت یون هیدروژن محلول افزایش می‌یابد. الکترود مرجع پتانسیل پایداری را در مقابل الکترود اندازه‌گیری فراهم می‌آورد.

زمانی که یک سنسور pH در یک محلول غوطه‌ور گشت، پتانسیل الکترود مرجع با تغییر غلظت یون هیدروژن تغییر نمی‌یابد. محلولی در الکترود مرجع در تماس با محلول مورد نظر قرار می‌گیرد و الکترود اندازه‌گیری تحت اتصالی، مدار را کامل می‌نماید. خروجی الکترود اندازه‌گیری با دما متغیر می‌باشد(در غیر این‌صورت فرآیند در یک مقدار ثابت pH ثابت می‌ماند)، بنابراین یک سنسور دما برای تصحیح این تغییر در خروجی مورد نیاز می‌باشد. این کار در نرم‌افزار آنالایزر یا فرستنده صورت می‌گیرد.

اجزای سنسور pH معمولاً در یک دستگاه ترکیب می‌شوند که الکترود pH ترکیبی نام دارد. الکترود اندازه‌گیری معمولاً شیشه است و نسبتاً شکننده می‌باشد. پیشرفت‌های اخیر شیشه را با سنسورهای حالت جامد بادوام‌تری جایگزین نمود. پیش‌تقویت‌کننده یک شکل‌دهنده‌ی سیگنال می‌باشد که سیگنال الکترود pH با امپدانس بالا را می‌گیرد و آن را به یک سیگنال امپدانس قابل پذیرش آنالایزر یا فرستنده تغییر می‌دهد. پیش‌تقویت‌کننده همچنین سیگنال را تقویت می‌بخشد و پایدار می‌کند و آن را به میزان کم‌تری در معرض نویزهای الکتریکی قرار می‌دهد.

سیگنال الکتریکی سنسور سپس نمایش داده می‌شود. این مورد معمولاً در آنالایزر با 120 یا 230 ولت AC و یا در یک فرستنده با 24 ولت DC صورت می‌گیرد. علاوه بر این، آنالایزر و یا فرستنده نیاز به ابزاری برای کالیبراسیون سنسور و شکل دادن خروجی‌ها و هشدارها دارد، اگر کنترل pH صورت گیرد. نیازمندی‌های به‌کارگیری باید در حین انتخاب الکترود pH مورد توجه قرار گیرد. اندازه‌گیری‌های دقیق pH و کنترل دقیق‌تری که به تبع آن می‌آید، می‌تواند منجر به بهینه‌سازی فرآیند و افزایش کیفیت و دوام محصول شود. اندازه‌گیری‌های پایدار و دقیق pH مصرف شیمیایی را کنترل می‌کند و معمولاً کاهش می‌دهد و همچنین هزینه نگهداری سیستم را به حداقل می‌رساند.

الکترودهای pH سیستم نیاز به نگهداری‌های دوره‌ای برای نظافت و کالیبراسیون دارد. طول زمان بین نظافت و کالیبراسیون بستگی به شرایط فرآیند و همچنین انتظار دقت و پایداری از طرف کاربر دارد. پس از گذر از زمان مورد نیاز، خواص الکتریکی اندازه‌گیری و الکترود مرجع تغییر می‌یابند. کالیبراسیون در محلولی با میزان pH مشخص که بافر نامیده می‌شود، می‌تواند برای بخشی از این تغییرات، تصحیح شود. نظافت سنسور اندازه‌گیری و اتصال مرجع نیز می‌تواند به این امر کمک کند. مشابه با باتری‌هایی که دارای عمر محدود هستند، عمر الکترود pH نیز محدود می‌باشد. در بهترین محیط‌ها نیز لازم است الکترودهای pH بعد از مدتی جایگزین شوند.

اندازه‌گیری pH

در حالی‌‌که pH را می‌توان با تغییر رنگ در برخی پودرهای شیمیایی شناسایی کرد(مثل نوار لیتموس)، مانیتورینگ و کنترل دائم مقدار pH نیازمند روش‌های پیچیده‌تری می‌باشد.
رایج‌ترین روش، استفاده از الکترودی است که به صورت خاص برای این کار ساخته شده است تا به یون‌های هیدروژن وجود در محلول اجازه دهند تا از طریق یک مسیر مشخص عبور کنند و یک اختلاف پتانسیل(ولتاژ) قابل اندازه‌گیری را متناسب با pH محلول تولید نماید:

طراحی و عملکرد الکترودهای pH موضوعی بسیار پیچیده است که به صورت مختصر شرح داده می‌شود. چیزی که مهم است دانسته شود این است که این دو الکترود ولتاژی را به صورت مستقیم در تناسب با pH محلول تولید می‌نمایند. در pH برابر با 7، الکترودها ولتاژ صفر را نمایش می‌دهند. در یک pH پایین که نشانگر اسید می‌باشد، ولتاژی با یک قطبیت تولید می‌شود و در یک pH بالا که نشانگر بازی می‌باشد، ولتاژی با قطبیت مخالف ایجاد می‌شود.

قیود طراحی الکترودهای pH بدین صورت است که یکی از آن‌ها باید از نوعی شیشه خاص ساخته شود تا مسیر انتخاب یون را مشخص نماید و در نتیجه یون‌هایی هیدروژن از بین تمام یون‌های موجود در محلول، غربال شوند. این شیشه به صورت شیمیایی از یون‌های لیتیمی تشکیل می‌شود که موجب می‌شود تا به صورت الکتروشیمیایی با یون‌های هیدروژن واکنش دهد. البته این شیشه هادی نمی‌باشد و در واقع، عایق بسیار خوبی می‌باشد. این امر موجب مشکل بزرگی می‌شود، اگر قصد ما اندازه‌گیری ولتاژ بین دو الکترود باشد. مسیر مدار از از یک الکترود، به محفظه شیشه‌ای، به محلول، به الکترود دیگر و برعکس از الکترود دوم می‌باشد که دارای مقاومت بسیار بالایی می‌باشد.

الکترود دوم که الکترود مرجع نامیده می‌شود از یک محلول شیمیایی خنثی با محلول بافر ساخته شده است (معمولاً پتانسیم کلرید) که اجازه می‌دهد یون‌ها به محلول مورد نظر از طریق یک محفظه‌ی جداکننده‌ی متخلخل تبدیل شوند و یک اتصال با مقاومت نسبتاً پایین را به مایع تست، شکل می‌دهد. در ابتدا، سوالی باید پرسیده شود: چرا نباید فقط یک سیم فلزی را به محلول غوطه‌ور سازیم تا یک اتصال الکتریکی را با مایع ایجاد نماییم؟ دلیلی که این سیستم کار نمی‌کند این است که فلزات در محلول‌های یونی بسیار واکنش‌‌پذیر هستند و می‌توانند یک ولتاژ مشخصی را از تماس بین فلز-مایع ایجاد نمایند. استفاده از یک واسط شیمیایی مرطوب با محلول اندازه‌گیری شده برای اجتناب از ایجاد همچین ولتاژی، ضروری می‌باشد، که البته به غلط توسط هر دستگاهی که pH را اندازه‌گیری می‌نماید تفسیر می‌شود.

شکل زیر، تصویری از ساختار الکترود اندازه‌گیری را نمایش می‌دهد. به غشاء شیشه‌ای لیتیمی باریک که ولتاژ pH در آن تولید می‌شود، توجه کنید:

در شکل زیر تصویری از ساختار الکترود مرجع نمایش داده می‌شود. اتصال متخلخل که در پایین الکترود نمایش داده شده است، جایی است که بافر پتاسیم کلربد و مایع فرآیند با یکدیگر در تماس هستند:

 

هدف الکترود اندازه‌گیری، تولید ولتاژی است که برای اندازه‌گیری pH محلول به کار می‌رود. این ولتاژ از طریق ضخامت شیشه ایجاد می‌شود که سیم نقره‌ای در یک سمت ولتاژ و محلول مایع در سمت بیرونی قرار می‌گیرند. هدف الکترود مرجع به دست آوردن اتصال پایدار با ولتاژ صفر به محلول مایع می‌باشد تا یک مدار کامل برای اندازه‌گیری ولتاژ الکترود شیشه ایجاد شود. در حالی‌که اتصال الکترود مرجع به مایع تست تنها چند کیلو اهم می‌باشد، مقاومت الکترود شیشه از 100 تا 900 مگااهم می‌باشد که وابسته به طراحی الکترود می‌باشد.

از آن‌جایی‌که هر جریان در این مدار باید از طریق مقاومت‌های هر دو الکترود عبور کند(و مقاومت ارائه شده با مایع تست)، این مقاومت در سری با یکدیگر هستند و بنابراین مقداری بزرگتر را ایجاد می‌نمایند.

یک ولت‌متر معمولی آنالوگ یا دیجیتال، مقاومت داخلی بسیار پایینی را برای اندازه‌گیری ولتاژ در مدار با مقاومت بالا دارد. دیاگرام مدار معادل نوعی از مدار پراب pH مسأله را شرح می‌دهد: