+7 (495) 748-08-89
Эксперт в области промышленных трубопроводов

Консультируя многочисленные сегменты промышленности, Aliaxis Utilities & Industry встречает специфические потребности заказчиков и реализует их с помощью продукции ведущих брендов: FIP, SED и STRAUB, доведенных до совершенства.


Аналитическое измерение

Измерение рН

Определение

pH определяется как отрицательный логарифм активности иона водорода, aH+, в растворе.Таким образом: pH = - log(aH+)

Технология измерения pH

pH измеряется с использованием установки двух электродов: измерительный электрод и контрольный электрод. Эти два электрода часто сочетаются в одном, который называется «комбинированным электродом». Все pH-электроды, поставляемые FLS, являются «комбинированными».

Когда два электрода погружаются в раствор, образуется небольшой гальванический  элемент. Развиваемый потенциал зависит от обоих электродов.

Измеренное напряжение может выражаться уравнением Нернста следующим образом:

E = Emeas - Eref = E0 - (2,303RT/F) pH где
E = измеренное напряжение
Emeas = напряжение измерительного электрода
Eref = напряжение контрольного электрода
E0= потенциал стандартного электрода
R = газовая постоянная
T = абсолютная температура
F = постоянная Фарадея

Кроме того, это означает, что соотношение между pH и E линейно коррелируется с температурой.

Значение крутизны характеристики при +25°C составляет 59,18 мВ/pH. Оно находится около 54 мВ/pH при +5°C и около 62 мВ/pH при +40°C. При +100°C крутизна увеличивается примерно до 74 мВ/pH.

Технические термины pH

калибровка

Определение отклонения и крутизны кривой системы pH.

Для оценки характеристик обоих электродов калибровка должна выполняться для обеих точек pH.


Калибровка на растворе пробы может проводиться для исследования химических веществ, могущих повлиять на измерение pH.

калибровочный раствор (буферные жидкости)

Раствор с известным значением pH, используемый для калибровки системы pH.

На калибровочные растворы влияет температура.

Зависимость буферных жидкостей от температуры хорошо известна.

Далее указана зависимость буферных жидкостей, поставляемых FLS:

oC oF
буферный раствор pH 4,01 буферный раствор pH 7,00 буферный раствор pH 10,00
0 32 4.01 7.12 10.31
5 41 4.00 7.09 10.24
10 50 4.00 7.05 10.17
15 59 4.00 7.04 10.11
20 68 4.00 7.02 10.05
25 77 4.01 7.00 10.00
30 86 4.01 6.99 9.35
35 95 4.02 6.98 9.92
40 104 4.03 6.97 9.88
45 113 4.04 6.97 9.85

контрольная температура

Для сравнения показатели pH часто соотносятся с определенной температурой, обычно +25°C.

автоматическая температурная компенсация

Алгоритмы для автоматического преобразования пробы pH в контрольную температуру.

Эта функция учитывает изменения кривой РН в зависимости от температуры.

Принцип работы pH-электрода

pH-электрод представляет собой очень высокоимпедансный гальванический элемент, в котором потенциал, образованный между полуэлементом pH и контрольным полуэлементом, является суммой различных потенциалов. На рисунке A показан типовой стеклянный комбинированный pH-электрод, в котором pH-полуэлемент и контрольный полуэлемент сочетаются в одной конструкции.

В идеале все потенциалы являются постоянными, кроме одного, генерированного на наружном гидратированном гелевом слое, который зависит от pH-пробы в соответствии с уравнением Нернста.

Реальные электроды отличаются от идеального электрода по причине различных факторов, в том числе:

1)    производственных допусков;
2)    старения электрода;
3)    восстановления и чистки электрода.

Все измерители pH учитывают калибровку или стандартизацию электрода для компенсации вышеуказанных эффектов. Стандартная калибровка включает измерение отклика электрода в двух буферных растворах pH с хорошо известными значениями pH, и создание линейной карты отклика электрода на эти два пункта. Эти результаты в виде корректирующих коэффициентов отклонения и крутизны кривой, где отклонение является отображением мВ при pH 7, а крутизна кривой является изменением отклика мВ на единицу pH, обычно выраженной в мВ/pH, представляют собой процентное выражение идеальной крутизны кривой электрода (59,16 мВ/pH при +25°C).

Измерение  ОВП

Определение

 
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) является измерением тенденции раствора к окислению или к раскислению того, что может находиться в контакте с ним.

Раствор окислителя является жидкостью, стремящейся получить электроды, окисляющие то, что с ними в контакте, раскисляя себя.

Раскисляющий раствор является жидкостью, стремящейся потерять электроды, раскисляющие то, что с ними в контакте, окисляя себя.

Технология измерения ОВП

ОВП электрод создает напряжение, так же как pH-электрод. В этом случае на измерение влияют не только ионы водорода, но и все химические вещества, могущие отдавать или принимать электроны.

Хотя на ОВП влияет температура и, в принципе, он следует уравнению Нернста, сложно компенсировать измерение, так как обычно неизвестно, сколько электронов вовлечено в реакции Redox (если измерение ОВП используется только для мониторинга реакции, возможно определить основную вовлеченную полуреакцию, и потому это можно сделать).

В измерении ОВП также используется установка двух электродов: измерительный электрод и контрольный электрод. Эти два электрода часто сочетаются в одном, который называется «комбинированным электродом». Все ОВП-электроды, поставляемые FLS, являются «комбинированными». Когда два электрода погружаются в раствор, образуется небольшой гальванический элемент.

Развиваемый потенциал зависит от обоих электродов и, как правило, составляет от -1000 мВ до +1000 мВ.

Хотя это измерение не связано с конкретной жидкостью, может оказаться весьма полезно наблюдать и контролировать активность определенных смесей. На практике использование ОВП для мониторинга и контроля реакций окисления-раскисления применяется для разрушения цианида, дехлорирования, окисления нитрита и гидросульфита, раскисления хромата, отбелки гипохлоритом, а также для мониторинга скрубберов  хлора и двуокиси хлора с использованием бисульфита. Измерение концентрации с помощью ОВП проблематично, но ОВП можно использовать в некоторых случаях для обнаружения утечек, чтобы определить наличие окислителя или раскислителя.

Наконец, в некоторых случаях ОВП измеряют для регулирования биологического роста микроорганизмов. Принцип такого применения заключается в том, что при минимальном значении ОВП микроорганизмы будут успешно уничтожаться. Этот подход используется в хлорировании плавательных бассейнов и градирен. Следует отметить, что в обоих этих случаях применения также проводится регулирование pH.

Технические термины ОВП

калибровка

Определение отклонения системы ОВП.

Крутизна кривой ОВП-электрода изменяется меньше, чем у pH-электрода, так как датчики ОВП изготавливаются из благородных (более или менее нереактивных) металлов, таких как платина (рекомендуется для сильных окислителей с содержанием хлоридов и в целом для титрования Redox (окисление-восстановление)), золото (предпочтительно для насыщенных кислотных растворов и при наличии железа и хрома) или редко – серебро, и датчики не сильно изменяются по мере использования. Время отклика этих датчиков зависит от площади, размера и конструкции поверхности, а также от степени чистоты датчика.

Для большинства случаев применения ОВП абсолютная точность менее важна, чем скорость и относительные изменения в системе. Для многих процедур и технических условий требуются искомые значения ОВП с допуском ±25 мВ или ±50 мВ, либо указываются изменения в ОВП, например, падение на 400 мВ конечного значения. Поскольку показатель ОВП применяется в разнообразных случаях с собственными специализированными методиками считывания искомых показателей или изменений показателей, основанных на опыте, мы не можем детально разрабатывать методики. Достаточно сказать, что точность, необходимая для измерений pH и других электрохимических измерений, обычно не применяется для ОВП, поэтому калибровка электродов и измерителей ОВП не является такой общепринятой.

калибровочный раствор

Раствор с известным значением ОВП, используемый для проверки системы ОВП.

Как разъяснялось выше, абсолютное значение ОВП не так важно, поэтому калибровочный раствор ОВП может применяться только для проверочных целей.

В основном калибровочный раствор или контрольный раствор ОВП предназначен только для упрощения сравнения.

Иными словами, оценка отклонения может быть обязательной в случае замены электрода, когда новый датчик измеряет другое значение по сравнению с предыдущим электродом, поэтому калибровка может понадобиться для сверки нового значения с предыдущим. Например, если по методике требуется искомое значение 410 мВ, определенное с помощью предыдущего электрода и прибора, показание нового электрода с тем же прибором может составить 425 мВ в той же жидкости. Использование калибровки или, точнее, регулировки отклонения может устранить эту разницу в 15 мВ, избежав путаницы. Затем при считывании следующих показаний их можно будет легко сравнивать с показаниями прежнего электрода.

Принцип работы ОВП-электрода

Принцип измерения ОВП состоит в использовании электрода из инертного металла (платина, иногда золото, реже серебро), который, благодаря низкому сопротивлению, будет отдавать электроны окислителю или принимать электроны от раскислителя. ОВП-электрод будет продолжать принимать или отдавать электроны, по мере развития потенциала, благодаря накоплению заряда, равного ОВП раствора. Как правило, точность измерения ОВП составляет ±5 мВ. Также для ОВП-электрода требуется контрольный электрод, который обычно является тем же электродом серебро-хлористое серебро, который используется и для измерения pH.

Измерение Проводимости

Определение

Проводимость является способностью раствора проводить электрический ток. В растворах ток переносится катионами и анионами.

Способность раствора проводить электричество зависит от ряда факторов:

  • Концентрация
  • Мобильность ионов
  • Валентность ионов
  • Температура

Все вещества имеют разную степень проводимости. В водных растворах уровень ионной силы изменяется от низкой проводимости сверхчистой воды до высокой проводимости концентрированных химических проб.

Технология измерения проводимости

Проводимость можно измерять, подавая электрический ток (I) на два электрода, погруженных в раствор, и измеряя результирующее напряжение (V). В ходе этого процесса катионы мигрируют к отрицательному электроду, а анионы – к положительному электроду, и раствор действует в качестве проводника электричества.

 

сопротивление

Сопротивление раствора (R) можно рассчитать, используя закон Ома
(V = R x I).
R = V/I
где:
V = напряжение (вольт)
I = ток (ампер)
R = сопротивление раствора (ом)

проводимость

Проводимость (G) определяется как обратная величина электрического сопротивления (R) раствора между двумя электродами.

G = 1/R

Фактически измеритель электропроводимости измеряет электропроводность и отображает показание, преобразованное в проводимость.

постоянная элемента

Это соотношение между расстоянием (d) между электродами и площадью (а) электродов.
K = d/a
K = постоянная элемента (см-1)
a = эффективная площадь электродов (см2)
d = расстояние между электродами (см)

проводимость

Электричество представляет собой поток электронов. Это значит, что ионы в растворе будут проводить электричество. Проводимость является способностью раствора проводить ток. Показания проводимости пробы изменяются в зависимости от температуры.

C = G x K
C = проводимость (S/см)
G = проводимость (S), где G = 1/R
K = постоянная элемента (см-1)

Удельное  сопротивление

Это обратная величина значению проводимости, которая измеряется в ом•см. Обычно она ограничивается измерением чистой воды, проводимость которой очень низкая.

калибровка

Для определения постоянной элемента необходимо преобразовать показания электропроводности в результаты проводимости.

стандартный раствор

Раствор с известным значением проводимости, используемый для калибровки системы проводимости.

контрольная температура

Для сравнения показатели проводимости часто соотносят с определенной температурой, обычно +18°C, +20°C или +25°C.

автоматическая температурная компенсация

Алгоритмы для автоматического преобразования проводимости пробы в контрольную температуру.

коэффициент температурной компенсации

Коэффициент, используемый для автоматической компенсации. Как правило, выражается в %/°C.

Для использования со сверхчистой водой (UPW) с измерительными приборами FLS имеется специальная корреляция, основанная на ASTM D1125-19.

общее количество растворенных твердых веществ (TDS)

Это измерение общей концентрации ионных веществ в пробе.

Прибор калибруется по стандартному раствору или по солевому раствору, который пользователь решил использовать в качестве контрольного образца.

коэффициент TDS

Показания проводимости преобразуются в показания TDS умножением на известный математический коэффициент. Коэффициент зависит от контрольного состава (обычно солевого), используемого для приготовления стандартного или контрольного материала. Например: морская вода содержит множество различных солей, но главным образом NaCl, поэтому пользователь может сопоставлять только с ней. Вот несколько примеров коэффициентов:

контрольные соли диапазон коэффициента преобразования
NaCl 0,47-0,50
KCl 0,50-0,57
442
|(40%NaSO4+40%NaHCO3+20%NaCl)
0,65-0,85

Принцип функции проводимости

2-электродный датчик проводимости

2-электродный датчик проводимости состоит из изоляционного материала с 2 встроенными электродами. Электроды могут быть из платины, графита, нержавеющей стали или других металлических материалов. Эти металлические контакты действуют в качестве чувствительных элементов и располагаются на определенном расстоянии друг от друга при контакте с раствором, проводимость которого нужно определить. Расстояние между чувствительными элементами, а также площадь поверхности металлического компонента определяют постоянную элемента электрода, вычисляемую как соотношение расстояние/площадь. Постоянная элемента является критическим параметром, влияющим на значение проводимости, производимое элементом и обрабатываемое электронной схемой. Постоянная элемента 1,0 дает показание проводимости, приблизительно равное проводимости раствора. Для растворов с низкой проводимостью сенсорные электроды можно устанавливать ближе, сокращая расстояние между ними и производя постоянные элемента 0,1 или 0,01. Это увеличит показание электропроводности умножением от 10 до 100, чтобы компенсировать низкую проводимость раствора и обеспечить лучший сигнал, передаваемый на измеритель проводимости. С другой стороны, сенсорные электроды можно расположить дальше, чтобы создать постоянные элемента 10 для измерения растворов с высокой проводимостью. Это также образует проводимость, приемлемую для измерительного прибора, уменьшая показание электропроводности на коэффициент 10. Чтобы создать сигнал измерения, приемлемый для измерителя проводимости, очень важно, чтобы пользователь выбрал электрод проводимости с постояннной элемента, соответствующей данной пробе. В таблице ниже приведен оптимальный диапазон проводимости для элементов с различными постоянными элемента.

Постоянная элемента оптимальный диапазон проводимости
 0.01  0,055-20 мкс/см
 0.1  0,5-200 мкс/см
 1.0  0,01-2 мкс/см
 10.0  1-200 мкс/см

Технические термины проводимости

индуктивный тороидальный прибор для измерения проводимости

Индуктивный тороидальный датчик проводимости состоит из двух высококачественных тороидов (катушек), концентрически и рядом друг с другом встроенных в непроводящий корпус. Катушка первичной обмотки возбуждается синусоидальным напряжением переменного тока, создавая переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле заставляет ионы в растворе перемещаться через центр тороида. Движение ионов эквивалентно переменному току, проходящему через центр тороида. Переменный ток производит переменный ток в измерительной катушке, который пропорционален проводимости раствора. В идеале сигнал в измерительной катушке должен обуславливаться только перемещением ионов, а не переменным магнитным полем, создаваемым первичной обмоткой. По этой причине между катушками необходимо хорошее магнитное экранирвание.