Схема и принцип действия ph-метра для воды

Калибровка рН-метра

Как было сказано выше, рН-метр так или иначе время от времени нуждается в калибровке. Обычно при проведении разнообразных химических исследований эту процедуру делают 2 раза в месяц. Но для измерения рН питательного раствора в домашней гидропонной установке достаточно проводить калибровку раз в 2-3 месяца, если прибор хранится правильно.

Перед калибровкой нужно поместить устройство в дистиллированную воду на 24 часа.

Для процедуры используют вещество фиксанал с определенным уровнем рН, которое следует растворить в дистиллированной воде. Делают это обычно следующим образом. В стеклянную колбу устанавливают воронку, в ней аккуратно вскрывают ампулу с фиксаналом, а затем смывают его со стенок воронки дистиллированной водой. Воду доливают до отметки «1 литр». Таким образом, в колбе появляется раствор для калибровки, которому необходимо дать отстояться в течение часа. Можно использовать и готовый калибровочный раствор.

Калибровка одноточечного рН-метра

 Одноточечные устройства калибруются следующим образом. Для них используется фиксанал с рН 6,86. Посредством вращения винта, погрузив метр в раствор, добиваются совпадения показаний рН-метра с уровнем рН раствора для калибровки.

Калибровка двухточечного рН-метра

Двухточечное устройство отличается от одноточечного тем, что дает более точные показания, так как его можно настроить гораздо точнее. Как понятно из определения таких приборов, настройка осуществляется не по одной, а по двум точкам, что и делает такой прибор более точным.

Калибровать такой рН-метр нужно в два этапа. Сначала — так же, как одноточечный. Затем— по второй точке, по линии соответствия. Соответственно, используются два настроечных винта.

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- (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)

Проба почвы

Пробы почвы важны, если ранее земля использовалась в качестве могильников для химических веществ, территорий промышленных предприятий.

Для этих замеров также понадобится эталонный уровень pH. Далее просто берется проба с разных мест. Пробу нужно взять с каждого места дважды. Далее необходимо:

1. Один забор с разных мест хорошо перемешать.
2. Второй забор проб разложить отдельно друг от друга.

Замер каждой пробы проводится отдельно. Если все результаты одинаковы, то дальнейшее исследование смешанной почвы не понадобится.

Почва очень изменчива по своему составу. На уровень pH могут влиять следующие факторы:

1. Повышение уровня углекислого газа.
2. Вредные выбросы промышленных предприятий.
3. Лесные пожары и другие катаклизмы.
4. Изменение уровня грунтовых вод.
5. Вымывания почвы после проливных дождей.
6. Выпадения осадков.
7. Таяние снега.
8. Деятельность людей и животных.

Любые воздействия внешней среды и вмешательство человека вносят изменения в кислотный состав почвы.

Если почва используется для посадки растений, то pH-метр необходим для регулирования состава и концентрации удобрений. Для контроля нужно узнать pH уровень удобрений и сравнить этот показатель с пробой почвы. При необходимости можно понизить щелочную составляющую или уровень кислотности почв.

Проба воды

Для замера кислотности воды достаточно провести забор жидкости в размере нескольких миллилитров. Если замер проводится на больших водных территориях, забор нужно взять из нескольких точек, а также разных глубин. Во взятую пробу нужно опустить электроды устройства и включить проверку. У разных моделей различное время отклика на анализ. После активации, нужно подождать отклика устройства в течение 2–5 минут.

Если вода используется для полива растений или содержания аквариумных рыб, перед замером выясняют какой уровень кислотности необходим для их жизнедеятельности.

После замера результат сравнивается с эталонным и при необходимости уровень снижается или повышается при помощи химических подпиток.

Хранение

Электроды pH-метра очень чувствительны. В результате неправильного хранения может произойти порча материала, из которого они изготовлены. Часто случается, что поверхность высыхает и может растрескаться. В появившихся трещинах может скопиться окисление от ранее проведенный измерений.

Хранить pН-метр лучше в обычной дистиллированной воде. Можно держать прибор воде с долей кислотности не выше 4. Для правильного хранения приборы комплектуются специальной колбой. В нее и нужно наливать дистиллированную воду.

Если электроды прибора со временем иссохнут, то их придется при каждом последующем замере повторно проводить калибровку устройства.

Как выбрать рН-метр-иономер

рН-метр-иономер выпускается в двух модификациях – переносной и стационарной.

Переносные устройства отличаются следующими характеристиками:

• Компактность,

• Удобство в использовании,

• Высокая точность и большой диапазон измерений,

• Различные варианты комплектации под определенные задачи,

• Заводская калибровка,

• Универсальность (совместимость) с любыми электродами.

Профессиональные лабораторные разновидности имеют расширенный функционал, большой диапазон измерений, высокую точность с минимальными погрешностями, сохраненные константы для определенного набора ионов и другие преимущества.

Критерии выбора

рН-метры подразделяются на переносные и стационарные.

Переносные отличаются небольшими размерами, удобством в использовании. Есть даже карманные варианты. Такие модификации применяются для индивидуального использования в быту, для экспресс-диагностики в надзорных органах.

Для более точной диагностики применяются переносные приборы экспертного уровня, которые имеют заводскую калибровку, автоматический терморегулятор, память на определенное количество измерений. Это современные устройства, которые применяются в полевых условиях и при работе на производстве. Есть даже специальные мини лаборатории, которые оснащены всем необходимым для проведения точного анализа.

Стационарные рН-метры – используются в производственных, химических, учебных, биологических лабораториях. Широкое применение получили в медицине, фармакологии. Особенностями данных устройств является высокая точность, программируемый диапазон измерения, удобство и простота в эксплуатации.

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

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

Настройка

Данное устройство является сложным прибором, который используется для замера нейтральных, агрессивных и вредных сред. За точностью его показаний необходимо постоянно следить и сверять их с эталонным раствором. При появлении разницы в замере, прибор необходимо откалибровать. Калибровка также нужна:

1. Согласно инструкции, в начале каждого месяца и не менее 2 раз.
2. После того, как была проведена замена электродов.
3. Если работа проводилась во вредных средах.
4. После продолжительного бездействия устройства.

Перед тем как настроить прибор, необходимо создать эталонный раствор. Он основан на фиксанале, растворенном в литре дистиллированной воды. Раствор делается с соблюдением следующих правил:

1. В стеклянный сосуд нужно налить дистиллированную воду. Примерно 800 миллилитров.
2. В сосуд помещается стеклянная колба.
3. Ампулу с фиксаналом нужно вскрыть и налить состав на стенку воронки.
4. Фиксанал с поверхности стенки медленно смыть 200 миллиграммами дистиллированной воды.
5. Уровень необходимо обязательно довести до 1 литра. Раствор будет готов для использования через час после приготовления.

Очень важно при приготовлении раствора использовать стеклянную посуду и воронку. Металлические и пластиковые не подойдут, так как могут внести в раствор долю своего состава

После приготовления и настоя, этот состав должен иметь долю кислотности равной 6.86 pH.

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 получении 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. 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>;>1967 году выпуск электродов стеклянных и вспомогательных — промышленного и лабораторного назначения, вырос с 1,5 тысяч почти до 2 миллионов 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.

Современные измерительные электроды конструктивно бывают:

• со встроенным контрольным электродом и с отдельно выполненным;
• перезаряжаемые и неперезаряжаемые;

В большинстве иностранные электроды для бытовых нужд изготавливаются в виде не перезаряжаемого датчика со встроенным контрольным электродом. Реже встречаются перезаряжаемые со встроенным контрольным электродом. Электроды советского образца чаще всего с отдельно выполненным контрольным и перезаряжаемые, что значительно снижало затраты при замене стеклянной части.

Основной практический недостаток любых современных электродов заключается в постепенном накоплении микротрещин в стекле или загрязнении микропор. В случае органического и части неорганических загрязнений помогает очистка раствором соляной кислоты. Однако, в случае инертных к хлорированию загрязнений или значительном накоплении микротрещин показания датчика необратимо изменяются. Тут стоит отметить, что даже при не использовании электрода происходит изменение пористости стекла и старение. В определённом диапазоне изменения показаний электрода последние нивелируются регулярной очисткой и калибровкой. Как только возможности измерительного блока не позволят выставить калибруемое значение — электрод подлежит утилизации. Также, стоит отметить и другой недостаток использования старых или бракованных электродов. При чётких показателях в калибровочных растворах, в измеряемых растворах может наблюдаться медленный дрейф параметра. Подобное поведение после тщательной очистки и калибровки также служит показанием для замены стеклянной/мембранной части или датчика целиком.

Лучшие портативные pH-метры

Главной особенностью подобных моделей является возможность автономной работы. Они широко применяются в полевых исследованиях или быту. Портативные pH-метры обладают малыми габаритами и получают питание от батареек либо встроенных аккумуляторов.

Ohaus ST300-B

Во время калибровки на экране прибора отображаются специальные индикаторы. Они помогают владельцу произвести настройку максимально точно. Установленные параметры сохраняются в памяти модели. Удобное использование обеспечивают такие функции, как автоматическая термокомпенсация и распознавание буферов.

Рабочий диапазон прибора — 0-14 pH, предел погрешности 0,01 pH. Для комфортной работы в любых условиях в комплектацию включены держатель электрода, ручной ремешок и уплотнители, отвечающие классу защиты IP54. Корпус устройства оснащен откидной опорой – ее использование дает возможность установить измеритель на горизонтальной поверхности.

Достоинства:

• ударопрочный корпус;
• высокая точность;
• компактность;
• длительная автономная работа;
• удобная калибровка.

Недостатки:

высокая цена.

Ohaus ST300-B способен работать без замены батареек в течение 500 часов – прекрасный выбор для продолжительной работы на улице.

Hanna HI98127 pHep 4

Калибровка прибора может производиться по одной или двум точкам. Функция автоматической температурной компенсации и водонепроницаемый корпус позволяют использовать его в сложных климатических условиях. Крупноразмерный светодиодный дисплей удобен для восприятия при любом освещении.

Диапазон измерений составляет 2-16 pH, погрешность — до 0,1 pH. Благодаря индикатору стабильности пользователь своевременно получает информацию о точном моменте получения устойчивого показателя.

Комплект из четырех батареек напряжением 1,5 В обеспечивает непрерывную работу модели в течение 350 часов.

Достоинства:

• компактность;
• предупреждение о разряде батарей;
• функция автоотключения;
• возможность замены электродной пары.

Недостатки:

сложная калибровка.

Hanna pHep способен работать в агрессивных средах – надежный выбор для использования в полевых условиях.

Kelilong PH-009 (I)

Прибор обладает небольшими размерами и крайне прост в использовании. В комплект входит пластиковый футляр для удобства и безопасности хранения. С помощью калибровочной отвертки владелец может быстро подготовить устройство к работе. Показания отображаются на небольшом монохромном дисплее.

Диапазон измерений составляет 0-14 pH, погрешность — не более 0,1 pH. Защитный колпачок встроенного датчика предохраняет его от механических повреждений.

Другой особенностью устройства является автоматическая температурная компенсация в пределах 0-50 °C. Функция устраняет отклонения показаний при изменении сопротивления проб.

Достоинства:

• высокая точность;
• компактность;
• удобство использования;
• низкий расход энергии;
• простая калибровка.

Недостатки:

боится отрицательных температур.

Kelilong PH-009 (I) используется в чистой воде. Экономичный выбор для измерения уровня pH в аквариуме, бассейне или любом другом искусственном водоеме.

HM Digital PH-80

Калибровка устройства осуществляется нажатием одной кнопки. Компактный корпус полностью герметичен. Прибор может храниться в специальном чехле, что предохраняет его от царапин и иных механических повреждений. Результаты проведенных замеров выводятся на небольшой ЖК-экран.

Рабочий диапазон составляет 0-14 pH, погрешность — до 0,2%. Модель питается от батареек типа LR1130 и отличается низким энергопотреблением. Измеритель готов к работе сразу после покупки. К полезным функциям аппарата стоит отнести сохранение показаний, автоотключение и индикацию разряда.

Достоинства:

• малые габариты;
• экономия энергии;
• высокий класс защиты — IP66;
• быстрая калибровка.

Недостатки:

снижение точности в загрязненной среде.

HM Digital PH-80 предназначен для использования в воде. Применяется в бассейнах, котлах, системах очистки и пр. 

pH-150МИ

pH-метр предназначен для измерения значений pH, окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и температуры в технологических и других водных растворах, природных и сточных водах.

pH-150МИ (без штатива)

pH-метр предназначен для измерения значений pH, окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и температуры в технологических и других водных растворах, природных и сточных водах.

pH-150МИ (с ножом для мяса)

pH-метр предназначен для измерения значений pH, окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и температуры в водных растворах и непосредственного измерения рН мяса и мясопродуктов.

Как правильно использовать рН-метр?

Использовать рН-метр гидропонисту приходится достаточно часто, так как нередко, в связи с разными факторами, меняется уровень рН в питательной среде. Перед каждым измерением необходимо сделать забор питательного раствора из резервуара с помощью шприца или просто чистой посуды (ковшика). Отобранный раствор наливают в чистую емкость и опускают туда же электрод рН-метра. Показания на дисплее прибора будут меняться, но через несколько секунд цифры остановятся. Это и есть правильные показания.

После измерения рН-метр следует хорошо промыть чистой водой, а заем поместить на хранение в колбу с водой дистиллированной.

Альтернативные способы измерения pH

Для замера показателя рН питательного раствора можно взять жидкий реагент, например, жидкий рН-тест GHE. Он показывает результат в диапазоне от 4 до 8,5. Достаточно капнуть 2-3 капли жидкого теста в анализируемую среду, встряхнуть и оценить полученный цвет по таблице. Данного средства хватает для проведения 500 тестов.

Как скорректировать кислотно-щелочной баланс?

Если прибор или жидкий тест показал отклонение pH в сторону кислотной или щелочной среды, его можно выровнять при помощи препаратов-регуляторов, такие как регулятор рH-UP и рH-DOWN. Первые понижают уровень кислотности, вторые – повышают. В продаже есть средства в сухом виде и жидком.

Уникальной формулой на основе концентрированных кислот обладает жидкий регулятор pH Down E-Mode. Препарат бережно и постепенно снижает уровень рН. Допускается применение регулятора с активаторами роста, биодобавками, удобрениями.

История

«Вот новый карманный pH-метр Beckman», 1956 г.

Концепция pH была определена в 1909 году SPL Sørensen , а электроды использовались для измерения pH в 1920-х годах.

В октябре 1934 года Арнольд Орвилл Бекман зарегистрировал первый патент на полный химический прибор для измерения pH, патент США № 2,058,761, на свой «ацидиметр», позже переименованный в pH-метр. Бекман разработал прототип в качестве доцента химии в Калифорнийском технологическом институте , когда его попросили разработать быстрый и точный метод измерения кислотности лимонного сока для California Fruit Growers Exchange ( Sunkist ).

8 апреля 1935 года переименованная Бекманом Национальная техническая лаборатория сосредоточилась на производстве научных инструментов, а компания Arthur H. Thomas Company выступила в качестве дистрибьютора ее pH-метра. За первый полный год продаж, в 1936 году, компания продала 444 pH-метра за 60 000 долларов. В последующие годы компания продала миллионы единиц. В 2004 году pH-метр Beckman был удостоен награды ACS National Historic Chemical Landmark в знак признания его значимости как первого коммерчески успешного электронного pH-метра.

Радиометр Corporation Дании была основана в 1935 году и начал продавать рН — метр для медицинского применения около 1936 года, но «развитие автоматических рН-метров для промышленных целей было пренебречь. Вместо того, чтобы американские производители инструмента успешно разработаны промышленные рН-метры с широким множество применений, например, на пивоваренных заводах, бумажных заводах, квасцах и в системах очистки воды ».

В 1940-х годах электроды для pH-метров часто было трудно изготовить или они были ненадежными из-за хрупкого стекла. Доктор Вернер Ингольд начал индустриализацию производства одностержневых измерительных ячеек, комбинации измерительного и контрольного электрода в одном конструктивном элементе, что привело к более широкому применению в широком спектре отраслей, включая фармацевтическое производство.

Beckman выпустил на рынок портативный «карманный pH-метр» еще в 1956 году, но у него не было цифрового считывающего устройства. В 1970-х годах компания Jenco Electronics из Тайваня разработала и изготовила первый портативный цифровой pH-метр. Этот измеритель продавался под лейблом Cole-Parmer Corporation .

Изоэлектрическая точка электродов

Изоэлектрическая точка для таких электродов находится на рН=7 (0 мВ). Поэтому, в первую очередь, прибор следует калибровать по буферу с нейтральным рН (например, 6.86 или 7.01). Вторую точку следует выбирать на расстоянии примерно 3 единицы рН, т.е. рН=4 или 10. Если прибор калибруется только по двум буферам, то выбор второй точки зависит от диапазона, в котором Вы преимущественно работаете.

Если это щелочные растворы, то воспользуйтесь буфером с рН=10, если кислые – с рН=4. Это связанно с некоторой разницей в наклонах калибровочных прямых в кислой и щелочной области. Проблем не возникнет, если Ваш прибор может калиброваться по трем и более точкам. В этом случае порядок калибровки не важен, так как рН-метр самостоятельно его отслеживает.

Правила использования

После того как прибор был откалиброван, его можно использовать для забора проб. Согласно инструкции, перед тем как использовать прибор, необходимо:

1. Прибор включить и дать ему откалибровать свою работу. В зависимости от модели устройства, на это понадобится от 5 до 30 минут.

2. Провести осмотр электродов. При необходимости ополоснуть электроды проточной водой и протереть бумажной салфеткой. После чистки прибор не должен соприкасаться с любыми поверхностями.

3. Приготовить эталонные растворы. За эталон берутся составы с уровнями кислотности 7, 4, 9, 21.
4. Проверить работу прибора в любом из растворов.
5. После проверки еще раз промыть электроды.

Многие начинающие любители химии задаются вопросом для чего такие приготовления к замерам. Такое руководство необходимо с целью проведения наиболее точных измерений кислотности.