PH-метр

pH-метр

pH-метр — прибор для измерения водородного показателя (показателя pH), характеризующего концентрацию ионов водорода в растворах, питьевой воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных системах непрерывного контроля технологических процессов, в том числе в агрессивных средах. В частности, pH-метр применяется для аппаратного мониторинга pH растворов разделения урана и плутония, где требования к корректности показаний аппаратуры без её калибровки чрезвычайно высоки.

Схема и принцип действия

Действие pH-метра основано на измерении величины ЭДС электродной системы, показатели которой пропорциональны активности ионов водорода в растворе — pH (его водородному показателю). Измерительная схема по сути своей представляет собой не более чем получение и использование показаний вольтметра, преобразованных в иные эквивалентные — в данном случае, выраженные в единицах pH, а не в вольтах.

Схема проста: pH-метр обычно состоит из операционных усилителей обращения конфигурации, дающих напряжение в цепи около 17 в. Входное сопротивление прибора должно быть очень высоким — примерно от 20 до 1000 МОм, что обусловлено высоким сопротевлением зонда — стеклянного электрода, являющегося наиболее ответственным и важным элементом всех pH-метров. Инвертирующий датчик-усилитель преобразует малое напряжение зонда (0,059 вольт / pH) пропорционально единицам pH, которые затем вновь преобразуются до необходимого напряжения для активизации вольтметра, отображающего показания на шкале pH. Эти методические и схемотехнические приемы дают возможность проводить измерения ЭДС с высокой точностью вне зависимости от влияния внешних электростатических и электромагнитных помех, при любых, даже очень малых, значениях удельной электропроводности (УЭП) среды, вплоть до теоретически чистой воды. Для контроля и настройки режимов pH-метра используется пульт, соединённый с блоком электронного преобразования.

• При нейтральном pH (pH = 7) напряжение на выходе датчика равно 0 вольт. 0 * 17 + 7 = 7.
• При основном pH, напряжение на выходе датчика варьируется от 0 до 0,41 вольт (7 * 0,059 = 0,41). Например, pH 10 (на 3 ед. выше нейтрального), 3 * 0,059 = 0,18 вольт), выход усилителя — 0,18 * 17 + 7 = 10.
• При кислотном pH, напряжение на выходе датчика колеблется от −0,41 вольт до −0. Так, например, pH 4 (3 ед. ниже нейтрального), −3 * 0,059 = −0,18 вольт, выход усилителя — −0,18 * 17 + 7 = 4.

Две главные настройки выполняются при калибровке — установливается усиление и смещения инвертирующего усилителя.

Требования к электроду

В конце 1940-х — начале 1950-х годов оборонный заказ явился стимулом интенсивных исследований в области измерительной аппаратуры такого рода. Обусловлено это было, в числе прочих причин, и тем, что особая роль в контроле реакций при различных химических процессах отводится приборам, от точности показаний которых напрямую зависит корректность всей технологической цепи; в наибольшей степени, конечно, во вредных производствах, когда снятие показаний состояния среды, либо представляет опасность для здоровья, либо вообще технически невозможно (агрессивная среда, высокие температуры и давление, процессы, требующие изоляции и т. д.).

Так. при ядерном синтезе и формировании оружейного плутония первостепенное значение имеет выраженное количественно понимание структуры и свойств материалов, влияющих на функции и обратимость сделанных из них стеклянных электродов — как уже отмечено, важнейших элементов этой измерительной аппаратуры.

В 1951 году физикохимиком М. М. Шульцем первым термодинамически строго и экспериментально была доказана натриевая функция различных стёкол в разных областях pH, являвшаяся одной из ключевых гипотез ионообменной теории стеклянного электрода Б. П. Никольского. Это стало определяющим этапом на пути к промышленной технологии настоящих приборов, — формированию ионометрии со стеклянными, позднее — с мембранными электродами. что позволило организовать их массовое производство и сделало доступным для использования в любых лабораторных и производственных условиях ^[1]. Производство первых образцов этой категории аналитической аппаратуры было налажено при участии Тбилисского СКБ «Аналитприбор» в лице его сотрудников В. А. Долидзе, Г. А. Симоняна и др., московских исследователей В. П. Юхновского, А. С. Беневольского и др., харьковских учёных В. В. Александрова, Н. А. Измайлова, — на Гомельском заводе измерительных приборов в 1959 году; и с того времени к 1967 году выпуск электродов стеклянных и вспомогательных — промышленного и лабораторного назначения, вырос с 1,5 тысяч почти до 2 мллионов штук. Количество электродного стекла всех типов, сваренного на заводе за этот же период выросло с 1 тысячи кг более чем до 200 тысяч кг.

Развитие, расширение производства электродного стекла сделало доступной эту аналитическую аппаратуру.

Области и методы применения

Прибор может использоваться во многих производствах, где необходим контроль среды, универсальным показателем состояния которой и соответствия её требуемым — является pH: при выокотехнологичном производстве всех видов горючего, в фармакологической, косметической, лако-красочной, пищевой промышленности и мн. др.; pH-метры имеют широкое применение в научно-исследовательской практике химиков, микробиологов и почвоведов, анрохимиков, в лабораториях стационарных и передвижных, в том числе полевых, а также клинико-диагностических (для контроля физиологических норм и диагностики), судебно-медицинских.

Последнее время pH-метры также широко используются в аквариумных хозяйствах, для контроля качества воды в бытовых условиях, в земледелии (особенно в гидропонике).

Медицинский pH-метр, применяемый для измерения кислотности непосредственно в полых органах человека, называется ацидогастрометр.

Примечания

1. ↑ Шульц М. М. Исследование натриевой функции стеклянных электродов. Учёные записки ЛГУ № 169. Серия химических наук № 13. 1953. стр. 80—156