pH-метр — прибор для определения кислотности среды

Содержание

На данный момент многих интересует, что это такое pH-метры, какими они бывают, для чего предназначены, как именно пользоваться подобными приборами? Прежде всего следует отметить, что с необходимостью проводить максимально оперативное определение активности ионов водорода, то есть, кислотности приходится практически ежедневно сталкиваться представителям самых разных отраслей.

В таких ситуациях и приходят на помощь упомянутые современные измерительные устройства, активно эксплуатируемые практически для любой среды, включая даже жидкости человеческого организма.

Что это такое?

Изначально необходимо уточнить, что речь пойдет о высокоточном лабораторном и бытовом оборудовании. Главная задача подобных электронных устройств – это измерение водородного показателя (уровня рН). Последний представляет собой характеристику активности ионов Н в различной среде (пищевая продукция, различные растворы, сырье, вода) и производственных системах, функционирование которых предусматривает наличие постоянного контроля всех процессов.

Промышленные рН-метры, характеризующиеся максимальной точностью, используются, например, для эффективного мониторинга состояния растворов разделение плутония и урана. В подобных ситуациях требования, предъявляемые к корректности работы измерительной техники без дополнительной калибровки, являются более чем высокими. Однако независимо от назначения, для всех рассматриваемых приборов характерен одинаковый принцип устройства. При этом конструкции могут быть:

• с интегрированным контрольным измерительным электродом;
• с отдельным выполненным указанным элементом;
• перезаряжаемые;
• без функции перезарядки.

В подавляющем большинстве случаев бытовые модели импортных марок представляют собой неперезаряжаемые датчики, имеющие встроенный электрод. Приборы с опцией перезарядки встречаются намного реже. РН-метры отечественного производства (некоторые еще советской разработки) – это перезаряжаемые приборы с отдельным контрольным электродом. Стоит отметить, что данный вариант является более экономичным, поскольку предусматривает возможность существенного сокращения эксплуатационных расходов.

Главным и наиболее существенным минусом современных устройств стало постепенное появление и накапливание микротрещин на стеклянной части и забивание микропор.

Эффективно избавиться от большинства органических и неорганических загрязнений помогает раствор соляной кислоты.

Стоит учитывать, что большое количество микротрещин и наличие загрязнений, инертных к хлорированию, неизбежно отразятся на точности показаний прибора. Важно также помнить, что при длительных перерывах в его эксплуатации возможно изменение пористости стекла и старение.

Указанные изменения можно достаточно успешно нивелировать регулярной и качественной очисткой, а также периодической калибровкой. Однако если состояние измерительного элемента уже не позволяет выставить полученное в процессе корректировки значение, то электрод следует утилизировать. Помимо всего прочего, при эксплуатации старых рН-метров необходимо принимать во внимание еще один важный момент. При максимально четких показаниях растворов, используемых в процессе калибровки, возможно появление такого явления, как дрейф параметра. Это является показателем для замены мембранного элемента или же всего электрода целиком.

Принцип работы

Как известно, химики уже давно освоили технологию, позволяющую с максимальной точностью определять кислотность практически любых растворов. Речь идет, прежде всего, о качественных реакциях и изменениях цвета индикатора, в число которых входит, к примеру, фенолфталеин. Однако это не всегда эффективно работает на практике. Имеется в виду необходимость получения максимально точных данных о состоянии той или иной среды и ее постоянный контроль для своевременной коррекции при осуществлении производственных процессов. Именно с этой целью и разрабатывались в свое время устройства, анализирующие водородный показатель.

По своей сути и с учетом схемы действия, каждый pH-метр – это прибор, который измеряет показатели разности потенциалов. Речь в данном случае идет об ЭДС (электродвижущей силе) в электрохимической системе, включающей в себя 2 электрода и непосредственно саму исследуемую среду.

Стоит отметить, что показатель рН пропорционален ЭДС, а само измерительное устройство при этом выполняет функции адаптированного к конкретной задаче вольтметра.

Отличие заключается в том, что его шкала показывает не вольты, а искомый уровень активности ионов водорода. Как правило, описываемые образцы современной измерительной техники представляют собой конструкцию, основными элементами которой являются 2 электрода, а именно:

• основной, выполненный из стекла и имеющий большое сопротивление;
• дополнительный хлорсеребряный.

Важным моментом является то, что главное и самое жесткое требование предъявляется к внутреннему сопротивлению электрода, выполняющего функции зонда. У исправного РН-метра данный показатель должен составлять как минимум 1011 Ом. Не секрет, что электродвижущая сила напрямую зависит от температуры. Исходя из этого, схемой каждого прибора предусмотрена так называемая термокомпенсация анализируемых данных при температурах, отличающихся от стандартного показателя в +25 градусов. Важно помнить, что для максимальной точности измерений рекомендуется фиксировать результаты именно при таком температурном режиме.

Нередко можно встретить pH-метры, используемый для воды, почвы и другой среды, с интегрированным термометром, контролирующим ее состояние.

Для чего используется?

Современные модели рН-метров, характеризующиеся универсальностью, находят широкое применение в самых разных сферах и отраслях. Эти приборы применяются везде, где требуется быстрый и точный контроль состояния среды.

• В производственных отраслях (косметическая, фармакологическая, пищевая, топливная и нефтехимическая сферы). В частности, устройства стали незаменимыми при производстве ГСМ и лакокрасочных изделий.
• В испытательных и научных лабораториях различной специализации.
• При контролировании технологических процессов, которые должны в полной мере соответствовать определенным стандартам. Речь идет, прежде всего, о нефтехимическом и целлюлозно-бумажном производстве. Помимо этого, pH-метры используют для проверки сточных вод.
• В судмедэкспертизе и диагностике.
• В ситуациях, при которых требуется качественный экологический мониторинг. Имеется в виду контроль состояния воды и почвы в рамках охраны окружающей среды.
• В медицине.

Компактные мобильные приборы активно эксплуатируются не только на производствах и в лабораториях. Такие модели подходят для проведения тестов в полевых условиях. Переоценить важность как самих подобных исследований, так и используемого при этом оборудования невозможно. Своевременные профилактические меры позволяют предотвратить негативные последствия и существенно сократить финансовые расходы. К примеру, объективная оценка состояния воды для бассейна с максимально точными показателями кислотности поможет вовремя привести все параметры в норму.

Все чаще рН-метры стали появляться и в быту. Так, с их помощью в любой момент можно без труда измерить кислотность любых продуктов. Особого внимания заслуживает актуальность подобных измерительных устройств для сельскохозяйственной и пищевой отраслей.

С учетом эксплуатационных качеств приборы эффективно используются:

• садоводами;
• компаниями, специализирующимися на реализации мяса;
• представителями сыроварной сферы;
• пивоварнями и производителями соков;
• рыбными хозяйствами.

Естественно, это неполный перечень возможной эксплуатации современных РН-метров. Они давно доказали свою эффективность, став незаменимым инструментом специалистов. В свою очередь, производители активно работают над расширением модельных рядов.

Обзор видов

Сейчас на рынке представлен широкий ассортимент цифровых измерительных приборов, относящихся к рассматриваемой категории. При этом в каждой отрасли используются разные виды устройств, которые могут быть:

• бытовыми, включая карманные;
• профессиональными, используемыми в различных лабораториях;
• стационарными (промышленными).

Портативные рН-метры являются приборами, которые не зависят внешних ИП. Именно в этом заключается их главное отличие от стационарных устройств. Естественно, в перечень ключевых конкурентных преимуществ входят максимальная мобильность и простота эксплуатации. Данная разновидность оборудования широкого и эффективно используется специалистами пищевой промышленности, в частности, для обследования молока, сыра, мяса и другой пищевой продукции.

Нередко портативные приборы оснащаются коническим измерительным электродом, позволяющим работать как с жидкой, так и полутвердой средой. Лабораторные и промышленные образцы техники отличаются максимальной точностью показателей. Современные модели оборудованы цифровыми измерительными элементами (электродами).

Параллельно эти приборы характеризуются широким диапазонам производимых измерений. Их применяют для определения водородного показателя (кислотности) в процессе исследования любых растворов, независимо от особенностей среды.

Лучшие модели

Оказавшись перед выбором конкретной модели, неизбежно приходится мониторить актуальный перечень вариантов, представленных на рынке. При этом рекомендуется подробно изучить технические характеристики и эксплуатационные качества разных устройств. Стоит учитывать, что разнообразие доступных вариантов позволяет сделать оптимальный выбор в каждом конкретном случае. В то же время некоторым достаточно тяжело ориентироваться в расширенном ассортименте.

На помощь в затруднительных ситуациях приходят качественные обзоры наиболее популярных моделей измерительных приборов, которые публикуются на многих специализированных сайтах и тематических форумах.

Отталкиваясь от технических характеристик РН-метров и соответствующих отзывов, можно выделить следующие варианты.

• Testo-205 – прибор, представляющий собой максимально надежное электронное устройство, широко используемое в современной пищевой промышленности. Эти РН-метры применяются для определения кислотности мяса, рыбы, сыров и других продуктов. Оборудование имеет влагозащищенный корпус и оснащается переменным зондом с датчиками. Максимально точные показатели обеспечиваются наличием дополнительных чувствительных сенсоров.

• Testo-206. В данном случае речь идет о целой линейке устройств для исследования жидкой и полутвердой среды. Помимо этого, в серии представлены модели, имеющие универсальные разъемы для зондов.

• PH-150 МИ – прибор, предназначенный для измерения кислотности и температуры питьевой и технической воды, а также стоков, объектов окружающей среды и пищевой продукции. Микропроцессорная модель, практически не имеющая конкурентов с точки зрения соотношения цены и качества, находит широкое применение в медицине, химической промышленности, биологии, фармацевтике, косметологии, сельском хозяйстве и других сферах.

• PH-301 – универсальное измерительное устройство, относящееся к категории портативных рН-метров. Оно совместимо практически со всеми существующими электродами и имеет прочный корпус, выполненный из качественного пластика.

• Hanna (Chaecker) – приборы, обеспечивающие возможность измерения водородного показателя в диапазоне от 0 до 14 как в лабораторных, так и полевых условиях. Одними из основных отличительных черт моделей являются сравнительно небольшой вес и компактность.

Сейчас на рынке активно растет популярность рН-метров, выпускаемых под известным брендом Xiaomi. Речь в данном случае идет об универсальных образцах измерительной техники, характеризующейся высокими стандартами качества при доступной стоимости.

Отдельного внимания заслуживают представители модельного ряда Mettler Toledo, в который входят лабораторные и компактные приборы. Модель КС-300 можно назвать «4 в 1», поскольку это оборудование предназначено для измерения кислотности, температуры, влажности и освещенности среды.

Как выбрать?

С учетом всего уже изложенного можно разделить все существующие pH-метры на 2 основные категории – это портативные устройства и стационарное оборудование. При выборе конкретной модели следует принимать во внимание, что в первом случае имеются в виду компактные приборы с небольшим весом и размерами.

vМногие из них легко помещаются даже в кармане. Естественно, это далеко не единственный критерий, по которому следует оценивать доступные на рынке образцы измерительных устройств.

К наиболее значимым параметрам относятся следующие моменты.

• Стандарты и эффективность защиты прибора от воздействия влаги, пыли и попадания различных механических частиц. На данный момент производители предлагают модели без защиты, с защитой ip65 (аппарат может работать под струями воды), 57 (частичная защита от пыли и возможность кратковременных погружений) и 67 (наиболее эффективный уровень, исключающий попадание пыли и допускающий кратковременные погружения прибора в воду). Необходимо помнить, что данная характеристика влияет на стоимость рН-метра.
• Наличие функции калибровки в автоматическом режиме.
• Количество точек для осуществления правильной и качественной калибровки. Чаще всего рассматриваемые приборы настраивают на одной или двух точках. Реже встречается калибровка, производимая по трем точкам. Естественно, чем больше этих точек, тем точнее будут в итоге показания. При этом специалисты рекомендуют делать выбор в пользу «золотой середины».
• Наличие интегрированного температурного датчика.
• Разрешение (до сотых или до десятых).
• Тип измерительного электрода (сменный или нет). Конструкции части моделей предусматривают возможность замены данных элементов в случае их повреждения. В то же время разбить его достаточно сложно, и поэтому чаще всего возникают проблемы с микросхемой, а не с электродом.
• Функциональность устройства. Речь идет об универсальных моделях, совмещающих в себе функции сразу нескольких измерительных приборов. Такие образцы оборудования способны помимо кислотности определять еще целый перечень показателей, включая температуру, влажность, освещенность и прочее. Важно учитывать, что в отличие от простых моделей, такие аппараты имеют более высокую стоимость.

Возвращаясь к стационарному оборудованию, используемому в промышленных условиях и лабораториях разной специализации, стоит обратить внимание на его достаточно большой вес и крупные габариты. Такие модели оснащаются сменными измерительными электродами и, как правило, запитываются от электросети.

При их выборе учитываются такие же критерии, как и в ситуациях с портативными приборами.

Как пользоваться и хранить?

Главная задача всех рН-метров – это определение показателей активности ионов водорода в гидропонных растворах. Речь идет о жидких измерителях уровня РН, лакмусовых бумажках (индикаторах) и электронных устройствах. Если в первых двух случаях все предельно ясно, то для последней категории существуют специальные инструкции по эксплуатации.

Прежде всего следует запомнить, что главным элементом всех измерительных приборов описываемой категории является стеклянный электрод. К сожалению, он имеет свойство стареть при длительных перерывах в использовании. В результате показания прибора утрачивают свою точность. С учетом данной особенности необходимо уделять особое внимание правильной эксплуатации, обслуживанию и хранению pH-метра.

Описываемые образцы современной измерительной техники эксплуатируются очень часто, поскольку кислотность исследуемой среды способны часто и существенно изменяться. Перед каждым использованием прибора делают забор исследуемого материала. Отобранный раствор наливают в чистую емкость и помещают в него измерительный электрод. При этом показания на экране сначала будут активно изменяться. Однако буквально через несколько секунд цифры перестанут мелькать и остановятся, продемонстрировав результат измерений.

Получив требуемые показания, необходимо позаботиться о чистоте прибора. Его следует тщательно промыть чистой, желательно проточной водой. После этого РН-метр помещают в специальный раствор для хранения. Подобный подход позволяет максимально продлить срок эксплуатации устройства и обеспечить его точность. Независимо от условий эксплуатации и при правильном уходе все измерительные приборы для определения кислотности периодически требуется калибровать.

Как правило, в процессе постоянных исследований химического состава той или иной среды подобную процедуру осуществляют дважды в месяц. При этом важно помнить о правильном хранении оборудования.

За сутки до предстоящей калибровки оборудование помещают в дистиллированную воду. Для проведения процедуры потребуется специальное вещество с определенной кислотностью, именуемое фиксаналом. Его растворяют в дистиллированной воде до необходимой концентрации. Для этого в стеклянной колбе располагают воронку, внутри которой вскрывается ампула с фиксаналом, после чего его смывают со стенок. Вода при этом доливается до отметки в 1 литр. Полученный раствор настаивается в течение одного часа. Можно воспользоваться уже готовым раствором. В ситуациях с одноточечными приборами для калибровки потребуется фиксанал с кислотностью 6,86, а сам процесс включает в себя следующие шаги:

• прибор помещается в подготовленный раствор;
• за счет вращения винта добиваются совпадения показаний РН-метра с уровнем кислотности фиксанала.

Двухточечные модели отличаются максимальной точностью результатов измерений. Подобные эксплуатационные свойства обусловлены возможностью более точной настройки по двум точкам. Калибровка в подобных случаях предусматривает 2 этапа. Изначально происходит настройка с помощью одного винта, как в ситуации с одноточечным рН-метром. Затем при помощи второго винта добиваются совпадения показателей по второй точке, которую называют линией соответствия.

Помимо всего уже перечисленного, следует акцентировать внимание на том, как правильно хранить рН-метр. Важно учитывать, что продолжительное бездействие и пересыхание максимально негативно отражаются на эксплуатационных свойствах прибора. Именно поэтому настоятельно рекомендуется помещать устройство в специальные растворы для хранения электродов. Речь идет о дистиллированной воде или воде, показатель кислотности которой составляет 3-4 единицы.

В следующем видео вас ждут выбор, обзор и правильная калибровка рН-метра.

Справочник электрика / Электрические измерения

Измерение рН — это, по сути, измерение активности ионов водорода в среде. И даже само обозначение рН переводится буквально с латинского «pondus Hydrogenii» как «вес водорода».

На сегодняшний день рН-метры находят широкое применение в микробиологии и в медицине, в водоподготовке и в агрохимии, в почвоведении, в гидропонике, в лабораторных и в полевых исследованиях, в химической и пищевой промышленности, в аквариумистике и много где еще.

Современный рН-метр позволяет достаточно точно и быстро определить величину рН. Если рН равно 7 — среда нейтральная, как например дистиллированная вода, у которой положительных ионов водорода Н+ и отрицательных гидроксид-ионов ОН- поровну. Если кислотность больше 7 — значит среда щелочная. Если же рН меньше 7 — среда кислая.

И хотя химики всегда умели определять кислотность сред классическим методом, используя индикаторы, например фенолфталеин, тем не менее в некоторых процессах просто необходимо точно количественно определить данный показатель, а иногда нужно постоянно отслеживать его с целью корректировки. Для этого и придумали рН-метры.

pН-метр фактически является электронным милливольтметром, так как он измеряет разность потенциалов в электрохимической системе из пары электродов и исследуемой среды, в которую они помещены. Правда шкала прибора градуирована здесь не в милливольтах, а в рН, поскольку измеренная ЭДС оказывается пропорциональна рН.

Два электрода: стеклянный индикаторный (боросиликатному стеклу не страшны окислители) и хлорсеребряный — дополнительный электрод сравнения. Стеклянный электрод обладает очень большим сопротивлением в десятки мегаом, и это является как раз основным требованием — чтобы сопротивление зонда не было меньше 0,1 Гом. Градуировку рН-метра делают по буферным растворам с известной рН.

В силу того, что на величину ЭДС влияет температура, каждый такой измерительный прибор имеет термокомпенсацию для измерений при температурах отличных от +25°С. Но для достижения очень высокой точности необходимо проводить измерения точно при температуре +25°С, по этой причине многие рН-метры оснащаются встроенным термометром, чтобы можно было сразу отследить температуру исследуемой среды.

Индикаторный стеклянный электрод в форме трубки с тонкостенным шариком на конце, из особого электропроводящего боросиликатного стекла, включается по сути в электрическую цепь. Перемещение внутри такого стекла положительных ионов Н+ позволяет использовать его (катионы внутри стекла перемещаются относительно полианиона кремниевой кислоты). Внутрь трубки заливается суспензия хлорида серебра в растворе соляной кислоты, затем туда погружается серебряная проволока — так получается хлорсеребряный электрод.

Стеклянный электрод опускают в исследуемую среду, электрическую цепь замыкают, помещая в нее (через электролитический ключ или напрямую) дополнительный электрод сравнения (ртутно-каломелевая паста в растворе хлорида калия). Хлорид калия создает контакт между ртутно-каломелевой частью элемента и исследуемой средой. Этот дополнительный электрод размещается обычно в стеклянном корпусе, для ионов Н+ непроницаемом.

Проводящий контакт раствора хлорида калия в электроде сравнения с исследуемым раствором образуется благодаря тонкой нити или капилляру в стеклянном корпусе. Так получается гальванический элемент из электрода сравнения и хлорсеребрянного электрода, причем электролитическая часть элемента включает в себя проводящую стеклянную пленку и исследуемую среду.

Если в этом случае принять концентрацию положительных ионов водорода Н+ внутри стеклянного электрода постоянной, то ЭДС получится функцией активности Н+, то есть функцией рН исследуемой среды.

Современные модели рН-метров работают благодаря микропроцессорам, выполняющим термокомпенсацию и решающим многие сопутствующие задачи. Чем сложнее прибор — тем больше задач он в состоянии решать. Класс точности приборов изменяется от модели к модели, и для различных сфер применения можно подобрать подходящий рН-метр.

Есть рН-метры карманные бытовые, есть профессиональные лабораторные, портативные и промышленные стационарные. Некоторые рН-метры измеряют концентрацию ионов в среде, содержание нитратов и т. д., обладают встроенной памятью для сохранения результатов, возможностью связи с компьютером и функцией коррекции параметров по цепи обратной связи.

Назначение

рН-метры в основном являются приборами, предназначенными для определения величины рН и окислительно — восстановительных потенциалов водных растворов, а также для использования в качестве высокоомного милливольтметра.

Прибором можно производить измерения как методом отбора проб с помощью входящих в комплект датчиков, так и непосредственно в лабораторных установках.

Приборы рассчитаны для использования в научно-исследовательских учреждениях, промышленных предприятиях и различных отраслях народного хозяйства.

На производстве в основном используются рН-метры типа рН-210, рН-215 и др., а также иономеры, предназначенные для определения активности одно- и двухвалентных анионов и катионов (величины рХ) в водных растворах, типа И-120, И-130,  И-135 и др.

Принцип измерения величины рН

Для измерения величины рН используется потенциометрический метод анализа, который основан на использовании зависимости электрического сигнала (потенциала) специального датчика, называемого измерительным электродом, от состава анализируемого раствора. Измерительный электрод реагирует на ионы водорода, а его потенциал зависит от содержания этих ионов в растворе и подчиняется уравнению Нернста:

Е =  Е0 + R×T/F×ln aн  = Е0 — 2,3×R×T/F×рН,

где R — универсальная газовая постоянная, равная 8,315 × 107 эрг/C×моль;

Т — температура раствора, К;

F — 96000 кулон/г экв (число Фарадея );

ан — активность ионов водорода в растворе;

рН — величина рН раствора;

Е0 — потенциал стеклянного электрода по отношению к стандартному водородному электроду при ан=1.

Абсолютную величину потенциала в настоящее время измерить невозможно, однако можно измерить потенциал относительно другого электрода, потенциал которого не зависит от состава раствора и условно равен нулю. Такой электрод называется электродом сравнения или вспомогательным электродом.

Таким образом, измерения всегда проводятся при помощи двух электродов: измерительного и электрода сравнения. Кроме того, в настоящее время существуют комбинированные электроды, которые в одном корпусе содержат оба электрода и измерительный, и сравнительный.

Кроме того следует знать, что электродная функция зависит от температуры раствора. Эта зависимость показана на графике.

С увеличением температуры увеличивается наклон (крутизна) электродной характеристики.

Концентрация анализируемых ионов, при которой потенциал электрода не зависит от температуры, называется изопотенциальной точкой.

Значения концентрации раствора  и потенциала электрода в этой точке называют координатами изопотенциальной точки.

Для стеклянных электродов координаты изопотенциальной точки нормируются, т.е. указываются изготовителем, а для прочих электродов обычно нет. Современные измерительные приборы позволяют автоматически учитывать температурные изменения электродной характеристики (термокомпенсация), для этого в прибор должны быть введены координаты изопотенциальной точки и текущая температура. Последняя может вводиться либо вручную, либо посредством термодатчика, подключенного к прибору.

При выборе электродов, рекомендуется выбирать такой электрод, изопотенциальная точка которого, лежит вблизи средней концентрации анализируемых растворов.

Рассмотрим измерительную систему со стеклянными измерительным и вспомогательным электродами, схема которой приведена на рисунок 1.

Рисунок 1. Схема измерения величины рН раствора.

1 — полый шарик из электродного стекла; 2 — стеклянный электрод; 3 — внутренний контактный электрод; 4 — вспомогательный электрод; 5 — электролитический ключ; 6 — пористая перегородка; 7 — милливольтметр.

При погружении электрода в раствор между поверхностью шарика 1 стеклянного электрода и раствором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития  в поверхностных слоях стекла замещаются ионами водорода, и стеклянный электрод приобретает свойства водородного электрода.

Между поверхностью стекла и контролируемым раствором возникает разность потенциалов Ех, величина которой определяется активностью ионов водорода в растворе и его температурой.

Для создания электрической цепи при измерении применяются контактные электроды: внутренний контактный электрод 3, осуществляющий электрический контакт с раствором, заполняющим внутреннюю часть  стеклянного электрода, и внешний  контактный электрод (вспомогательный электрод) 4, осуществляющий электрический контакт с контролируемым раствором.

Для защиты от воздействия высоких температур (при измерении рН растворов, температура которых выше температуры окружающего воздуха) вспомогательный электрод помещают вне контролируемого раствора и связь с ним осуществляется с помощью электролитического ключа 5 – трубки, наполненной раствором хлористого калия и заканчивающейся пробкой со стеклянным волокном 6.

Раствор хлористого калия непрерывно просачивается через стеклянное волокно пробки, предотвращая проникновение из контролируемого раствора в систему электрода 4 посторонних ионов, которые могли бы изменить величину потенциала электрода.

Электродвижущая сила электродной системы равна алгебраической сумме потенциалов контактов электродов Ек и Евсп потенциала, возникающего на внутренней поверхности стеклянного электрода и определяемого величиной рН внутреннего раствора Евн и потенциала, возникающего на наружной поверхности стеклянного электрода Ек.

Величины Ек, Евсп, и Евн не зависят от состава контролируемого раствора и меняются только при изменении температуры

Е = Ек + Евсп + Евн + Ех = Е0 — 2,3×R×T/F×рН.

Суммарная электродвижущая сила электродной системы зависит от величины рН раствора.

Измеряя ЭДС электродной системы с помощью милливольтметра, шкала которого градуирована в единицах рН, определяют величину рН контролируемого раствора.

Принцип действия прибора

Электродная система, являющаяся датчиком, имеет большое внутреннее сопротивление, достигающее 500-1000 МОм.

Для измерения ЭДС электродной системы применяется компенсационная схема, позволяющая существенно уменьшить  ток, потребляемый от датчика при измерении.

Элементарная схема, поясняющая принцип действия рН-метра, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Элементарная схема прибора.

ЭДС электродной системы Ех сравнивается с падением напряжения на сопротивлении R, через  которое протекает ток Iвых оконечного каскада усилителя. Падение напряжения Uвых на сопротивлении R противоположно по знаку электродвижущей силе Ех, и на вход усилителя подается напряжение: Uвх=Ех-Uвых=Ех-R×Iвых.

Напряжение Uвх преобразуется вибропреобразователем в переменное напряжение, которое затем многократно усиливается и при помощи фазочувствительного детектора вновь преобразуется в постоянное напряжение. Это напряжение управляется током Iвых оконечного каскада усилителя. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя напряжение Uвых мало отличается от ЭДС Ех и благодаря этому ток, протекающий через электроды в процессе измерения ЭДС, весьма мал.

Ток Iвых, протекающий через сопротивление R, пропорционален ЭДС электродной системы и величине рН контролируемого раствора.

Электродная система

Основной характеристикой электродной системы является зависимость ее ЭДС от величины рН и температуры раствора. В общем случае ЭДС может быть выражена уравнением:

Е=Еи-[S20+а(t-20)] (рН-рНи),

где Е — ЭДС в милливольтах;

t — температура электродов;

рН —  величина рН раствора;

рНи — величина рН раствора, соответствующая изопотенциальной точке;

S20 —  крутизна характеристики в изопотенциальной точке;

а — температурный коэффициент крутизны.

Зависимость ЭДС  электродной системы рН и температуры может быть представлена следующим приближенным уравнением:

Е=-33-(54,196+0,1884t) (рН-3,28)

Используемые источники:

• https://stroy-podskazka.ru/elektroizmeritelnye-pribory/ph-metry/
• http://electricalschool.info/spravochnik/izmeren/1930-princip-izmerenija-rn-ustrojjstvo-i.html
• https://kipia-portal.ru/2016/05/31/ph-metr/