كيفية معايرة مستشعر الرقم الهيدروجيني؟

هل تعلم أن أجهزة استشعار الرقم الهيدروجيني تعمل وفقًا لقانون الكيمياء الكهربائية؟ يُنتج جهاز استشعار الرقم الهيدروجيني المثالي جهدًا مقداره 59.16 ملي فولت لكل تغيير بمقدار وحدة واحدة في الرقم الهيدروجيني للمحلول. مع ذلك، قد يتغير هذا الجهد بمرور الوقت نتيجة تراكم الأوساخ أو الشوائب على القطب. ينتج عن ذلك قراءات غير دقيقة وانحراف في القيم. لذا، نحتاج إلى معايرة جهاز استشعار الرقم الهيدروجيني على فترات منتظمة لضمان موثوقية النتائج.

تتطلب معايرة مستشعر الرقم الهيدروجيني فهم آلية عمله. توجد أنواع مختلفة من مستشعرات الرقم الهيدروجيني، والتي قد تتباين استجاباتها لتغيرات الرقم الهيدروجيني. يجب علينا فهم هذه الاختلافات وتطبيق طريقة المعايرة بعناية لضمان الحصول على نتائج دقيقة. تتميز المستشعرات المتطورة، مثل سلسلة RK500-12 من شركة ريكا، بميزات تساعد في الحفاظ على نتائج متسقة من خلال غشاء زجاجي منخفض المقاومة.

تُسهّل العديد من الميزات معايرة أجهزة استشعار درجة حموضة الماء وصيانتها. في هذا الدليل الشامل، سنبدأ بالأساسيات حول ماهية جهاز استشعار درجة الحموضة، وسبب الحاجة إلى معايرته، ومتى يجب معايرته. سنقدم أحدث المعلومات حول أجهزة استشعار درجة الحموضة، مع التركيز على أهم النقاط في هذا الدليل، وتحديدًا الخطوات التفصيلية لمعايرة جهاز استشعار درجة الحموضة للحصول على نتائج دقيقة. هيا بنا نبدأ التعلم!

ما هو مستشعر الرقم الهيدروجيني؟

♦ تعريف

تقيس أجهزة استشعار الرقم الهيدروجيني (pH) مستوى حموضة أو قلوية السائل. يُستخدم مقياس يتراوح من 0 إلى 14 لقياس الرقم الهيدروجيني. يشير الرقم 14 إلى محلول قلوي، بينما يشير الرقم 0 إلى محلول حمضي. يكون الرقم الهيدروجيني لمحلول الماء المتعادل 7. يقوم جهاز استشعار الرقم الهيدروجيني ببساطة بفحص المحلول وقياس مستوى الرقم الهيدروجيني فيه. الرقم الهيدروجيني هو مقياس قوة أيونات الهيدروجين.

♦ مبدأ عمل مستشعر الرقم الهيدروجيني

تعتمد آلية عمل مستشعر الرقم الهيدروجيني على القياس الكهروكيميائي. من الضروري فهم مبدأ عمله لاختيار الطريقة المناسبة لمعايرة المستشعر. لقياس الرقم الهيدروجيني، يحتاج المستشعر إلى قطب زجاجي، وقطب مرجعي، ومحول إشارة لإنتاج النتائج. فيما يلي أدوار كل مكون:

• القطب الزجاجي: هو غشاء زجاجي على شكل بصلة، يوجد عادةً في طرف مستشعر الرقم الهيدروجيني. وظيفته التلامس مع عينة الماء. يُصنع الزجاج من مادة ذات مقاومة منخفضة لضمان حساسية عالية. عند ملامسته للماء، يُحدث فرق جهد يتناسب مع تركيز أيونات الهيدروجين (H⁺) في المحلول. وتُفسر معادلة نرنست هذه الظاهرة.

E = E₀ + (2.303 . RT/nF) . log₁₀ [H⁺]

E هو الجهد المقاس، E ₀ هو الجهد القياسي، R هو ثابت الغاز، T هي درجة الحرارة، n هي الشحنة، و F هو ثابت فاراداي.

• القطب المرجعي: يوفر القطب المرجعي جهدًا ثابتًا يُقارن به جهد القطب الزجاجي. وهو عادةً سلك مغمور في محلول كلوريد البوتاسيوم. ويتلامس محلول كلوريد البوتاسيوم مع عينة الماء عبر غشاء.
• محول الإشارة: الرقم الهيدروجيني (pH) هو فرق الجهد بين قطب الزجاج والقطب المرجعي. يُسجل فرق الجهد باستخدام محاليل قياسية ذات رقم هيدروجيني معروف. في النهاية، تُحوّل الإشارة على شكل جهد إلى إشارة RS-485 وتيار 4-20 مللي أمبير.

♦ أنواع أجهزة استشعار الرقم الهيدروجيني

● مجسات قياس الأس الهيدروجيني ذات الأقطاب الزجاجية

لا يوجد قطب مرجعي داخل المسبار، بل يمكن إدخاله بشكل منفصل في محلول الماء المستخدم في العينة. وهو يحتوي فقط على قطب زجاجي يولد جهدًا كهربائيًا مقابل أيونات الهيدروجين (H⁺).

مثال: سلسلة ريكا RK500-12 من النوع A1 للمياه التقليدية والنوع B3 للبيئات ذات درجات الحرارة العالية

● مجسات قياس الأس الهيدروجيني ذات الأقطاب الكهربائية المركبة

تتضمن هذه المجسات قطبًا زجاجيًا وقطبًا مرجعيًا في مسبار صغير الحجم. وتعتمد على تصميم أنبوب داخل أنبوب. يحتوي الأنبوب الداخلي على البصلة الزجاجية، بينما يُملأ الأنبوب الخارجي بمحلول كلوريد البوتاسيوم كمرجع.

مثال: مستشعر مستوى الرقم الهيدروجيني للماء من النوع C1 من سلسلة RK500-12 من شركة ريكا

● مجسات الرقم الهيدروجيني ISFET (ترانزستور تأثير المجال الحساس للأيونات)

تستخدم هذه الأجهزة مستشعرات صلبة حساسة لأيون الهيدروجين (H ⁺⁾ . وتقيس تغير الرقم الهيدروجيني (pH) من خلال موصليتها. وهي مقاومة للكسر ومناسبة للبيئات ذات الضغط العالي.

● مجسات الرقم الهيدروجيني المصنوعة من أكسيد المعادن

بدلاً من استخدام الزجاج، تستخدم مستشعرات الرقم الهيدروجيني المصنوعة من أكاسيد المعادن معادن مثل أكسيد الإيريديوم للكشف عن أيونات الهيدروجين (H ⁺⁾ وتوليد فرق جهد كهربائي. وتتميز هذه المستشعرات بمتانتها في الظروف القاسية، وتكشف عن الرقم الهيدروجيني من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال.

● مجسات قياس الأس الهيدروجيني الغاطسة

تتميز مستشعرات الرقم الهيدروجيني هذه بقدرتها على العمل حتى عند غمر الجسم بالكامل في الماء. ويتحقق ذلك عادةً باستخدام أنظمة إحكام غلق فعالة. وتُشير هذه المستشعرات إلى تصنيفها IP باستخدام موصلات محكمة الغلق (M8/M16) ومواد متينة (زجاج + ABS).

مثال: مستشعر الرقم الهيدروجيني الغاطس من النوع B2 من سلسلة RK500-12 من شركة ريكا

دليل خطوة بخطوة لمعايرة مستشعر الرقم الهيدروجيني

★ المبادئ الأساسية قبل البدء

• التكرار: يُنصح بمعايرة الجهاز كل ساعتين إلى ثلاث ساعات للاستخدام المختبري، أو بناءً على الفحص (يوم أو يومين مبدئيًا، ثم تعديل المعايرة حسب التلوث أو الانحراف). بالنسبة لأجهزة استشعار الرقم الهيدروجيني المستخدمة على نطاق صناعي، توصي شركة ريكا بإجراء فحوصات دورية كل 3 إلى 6 أشهر.
• المحاليل المنظمة: استخدم محاليل معتمدة وقابلة للتتبع (مثل محاليل ذات درجة حموضة 4، 7، 10) تغطي نطاق القياس، ويفضل أن يكون الفرق بينها وحدتين على الأقل من درجة الحموضة. تخلص من المحلول المستخدم للمعايرة بعد الاستخدام. تأكد من أن درجة الحرارة مطابقة لدرجة حرارة العملية (25 درجة مئوية).
• الأدوات المطلوبة: مقياس الرقم الهيدروجيني، محاليل منظمة، ماء مقطر/منزوع الأيونات، مقياس حرارة/مقاومة حرارية (للتعويض)، فرشاة ناعمة/حمض الهيدروكلوريك/هيدروكسيد الصوديوم للتنظيف، منديل ورقي (لا تفرك لتجنب الكهرباء الساكنة).
• مفاهيم خاطئة: توقع وجود سلوك غير خطي (ثلاثة أقسام: 0-2، 6-8، 12-14 درجة حموضة بسبب تغيرات نقطة التعادل الكهربائي). غالبًا ما تكون معاملات النشاط غير ضرورية. استخدم طريقة الإضافة القياسية للعينات المعقدة.
• السلامة: تعامل مع الأحماض/المواد الكاوية باستخدام القفازات. تجنب السيانيد مع حمض الهيدروكلوريك (خطر الغازات السامة).

البنية الأساسية لقطب قياس الأس الهيدروجيني الزجاجي، موضحًا الغشاء الزجاجي والمرجع الداخلي والإلكتروليت.

الخطوة الأولى: التحضير والفحص الأولي

• تجهيز المواد: تأكد من أن المحاليل المنظمة طازجة (مثل: الرقم الهيدروجيني 4.01، 7.00، 9.21/10.01). استخدم الماء المقطر للشطف. استخدم ميزان حرارة إذا لم يكن هناك تعويض مدمج.

ملاحظة: تتميز بعض طرازات ريكا بخاصية الضبط التلقائي للمقاومة الحرارية من 0 إلى 100 درجة مئوية.

• افحص الحساس: أخرجه من مكان التشغيل/التخزين. تحقق بصريًا من وجود أي ترسبات أو تشققات أو نقص في الإلكتروليت (الأقطاب الزجاجية). بالنسبة للحساسات مثل RK500-12 من ريكا، تأكد من سلامة ختم IP68.
• تشغيل الجهاز وتثبيته: شغّل الجهاز. انتظر من دقيقة إلى ثلاث دقائق حتى يستقر خرج المستشعر. بالنسبة للأجهزة التي تعمل بمعالج دقيق (مثل جهاز Rika ذي خرج RS485)، ادخل وضع المعايرة.

الخطوة الثانية: تنظيف المستشعر

التنظيف ضروري قبل المعايرة لإزالة الطلاءات أو الأوساخ التي تسبب الأخطاء. لا تتخطى هذه الخطوة إلا إذا أكد فحص سريع عدم وجود أي شوائب.

• الشطف: استخدم الماء المقطر الدافئ/ماء الصنبور أو الماء النفاث/الرذاذ لإزالة الأوساخ السائبة.
• التنظيف العام: انقعها في ماء ومنظف لمدة 5 دقائق. افرك المصباح/المرجع برفق بفرشاة ناعمة. تأكد من أن الفرشاة ليست خشنة.
• بالنسبة لملوثات محددة:
  • القلوية/الترسبات: نقع في حمض الهيدروكلوريك بنسبة 5-10% أو الخل (أقل من 5 دقائق)
  • حمضي: نقع في محلول هيدروكسيد الصوديوم المخفف (<4%)
  • زيت/عضوي: منظف أو مذيب متوافق
  • المواد غير العضوية/العضوية: 0.1 مول/لتر من حمض الهيدروكلوريك/هيدروكسيد الصوديوم للمواد غير العضوية. الكحول/الأسيتون للمواد العضوية، ثم الشطف.
• الشطف والتثبيت: اشطف بالماء؛ ثم انقعه في محلول منظم بدرجة حموضة 7 أو ماء الصنبور لبضع دقائق لمعادلة الحموضة/تثبيتها. جففه بالتربيت (بدون فرك؛ هاملتون).
• تجنب استخدام المواد الكاشطة مع الأنواع الأخرى: قد لا تحتاج ترانزستورات ISFET/أكسيد المعدن إلى فحوصات الإلكتروليت، ولكن تجنب المواد الكاشطة.

ملاحظة: إذا استمرت القراءات غير دقيقة بعد التنظيف، فتابع عملية المعايرة. إذا كان القطب متسخًا بشدة، فاستبدله.

الخطوة 3: إجراء فحص المعايرة (تحقق سريع اختياري)

قبل إجراء المعايرة الكاملة، تحقق مما إذا لزم الأمر.

• اغمر في المحاليل المنظمة: ضعها في محلول ذي درجة حموضة 7 (إزاحة) ومحلول ذي درجة حموضة 4/10 (نطاق)؛ لاحظ القراءات دون تعديل.
• تحقق من التفاوت: إذا كان التفاوت ضمن نطاق ±0.1 درجة حموضة، فلا حاجة للمعايرة - أعد التثبيت. (توفر ريكا دقة ±0.01 درجة حموضة).
• التحريك: قم بالتحريك برفق للحصول على التجانس، ثم قم بالقياس دون تحريك لتجنب إتلاف طبقة الانتشار (DL) / طبقة الانتقال (TL).

ملاحظة: إذا تجاوزت الحدود المسموح بها، فقم بالتنظيف مرة أخرى أو المعايرة.

الخطوة 4: المعايرة الكاملة (معيار نقطتين للأقطاب الزجاجية)

في معظم التطبيقات، يُعد استخدام معيار ثنائي النقاط فعالاً ويعيد دقة مستشعرات الرقم الهيدروجيني. تقوم أجهزة القياس المعتمدة على المعالجات الدقيقة بحساب الميل/الانحراف تلقائيًا. قد تحتاج إلى توصيل أداة معايرة أو واجهة مع مستشعرات الرقم الهيدروجيني المستخدمة في العملية.

• اختر المحاليل المنظمة: محلولان منظمان يحددان نطاقك (مثلاً، 4 و7 للحموضة؛ 7 و10 للقلوية). هذه المحاليل مناسبة لأجهزة الاستشعار مثل ريكا ذات النطاق الواسع (0-14 درجة حموضة).
• مطابقة درجة الحرارة: تأكد من أن المحاليل المنظمة عند درجة حرارة المعالجة (25 درجة مئوية افتراضياً). استخدم خاصية التعويض المدمجة في برنامج ريكا أو أدخل القيمة يدوياً.
• اشطف واغمر في المحلول المنظم الأول: اشطف المستشعر. اغمره في محلول ذي درجة حموضة 7 (أو أقل درجة حموضة). ثبّته لمدة 1-3 دقائق (8-10 ثوانٍ لجهاز ريكا في السوائل المتدفقة).
• تفعيل المعايرة: اتبع التعليمات التي تظهر على الجهاز. تأكد من رسائل التنظيف.
• الشطف/التجفيف: اشطف بالماء منزوع الأيونات. جفف بالتربيت (بدون فرك لمنع الكهرباء الساكنة).
• المحلول المنظم الثاني: كرر العملية عند درجة حموضة 4/10. يقوم الجهاز بضبط الميل/الإزاحة. احفظ البيانات.
• تحقق: أعد فحص المخازن المؤقتة. يجب أن يكون الميل بين 92% و102%. في حال وجود تحذيرات، مثل مخزن مؤقت خاطئ، أعد التنظيف/المحاولة مرة أخرى.

ملاحظة: بالنسبة للتحليل متعدد النقاط، أضف 3 نطاقات عازلة أو أكثر (مثل 4، 7، 9، 10) للحصول على نطاقات واسعة أو أقل قدر من عدم اليقين. تستفيد نماذج ريكا عالية الدقة من التحكم التنبؤي النموذجي (MPC) لتوصيف اللاخطية.

الخطوة 5: ما بعد المعايرة والتحقق

• المستند: تاريخ التسجيل، والمخازن المؤقتة، والميل/الإزاحة، ودرجة الحرارة.
• إعادة التثبيت: لكل تطبيق، مثل مستشعرات العمليات من النوع الغاطس Rika Type-B2.
• استكشاف الأخطاء وإصلاحها:
  • الضوضاء/الانحراف: تحقق من الأسلاك/حلقات التأريض. نظفها مرة أخرى.
  • اللاخطية: متوقعة في الحالات المتطرفة والفروقات الكبيرة بين الحلول القياسية. استخدم نقاطًا قريبة من العينة.
  • عدم تطابق الوصلة/خطأ الصوديوم: استخدم مراجع الوصلة المزدوجة (خيارات ريكا).

الخطوة السادسة: الصيانة والتكرار لضمان الدقة على المدى الطويل

• التخزين: في محلول كلوريد البوتاسيوم بتركيز 3 مولار أو محلول كلوريد البوتاسيوم المشبع. تجنب الماء المقطر (يجفف القطب).
• تعديلات التردد: افحص/نظف كل 3-6 أشهر. قم بالمعايرة إذا كان الانحراف > ±0.2 درجة حموضة أو بعد التعرض الشديد.
• تشخيص الحساسات: تراقب أجهزة القياس الحديثة (مثل أجهزة ريكا) المعاوقة/الميل. استبدل الجهاز إذا تغيرت المعاوقة بنسبة أقل من 92% أو أكثر من 102%.

خاتمة

يُتيح قياس درجة الحموضة في الماء فهمًا أعمق لتركيبه الكيميائي، إذ يُمكنه رصد تغيرات لا تُرى بالعين المجردة. وقد طوّر المهندسون والعلماء أنواعًا مختلفة من مجسات قياس درجة الحموضة، كلٌ منها مُناسب لاستخدامات مُحددة. تشمل هذه الأنواع: الأقطاب الزجاجية، والأقطاب المُركبة، وترانزستورات التأثير الحقلي الحساسة للأيونات (ISFETs)، ومجسات أكسيد المعادن، والمجسات الغاطسة. يُعد تصميم الأقطاب الزجاجية الأكثر شيوعًا وفعالية من حيث التكلفة والدقة. مع ذلك، قد تتراجع قدرة المجس على الكشف بمرور الوقت. لذا، يُعد إجراء معايرة كل 3 إلى 6 أشهر مثاليًا لمعظم المجسات الصناعية. تشمل الخطوات الأساسية في عملية المعايرة: الفحص، والتنظيف، والتحقق من المعايرة، والمعايرة الكاملة، والفحوصات اللاحقة للمعايرة. تهدف هذه العملية إلى استعادة دقة المجس وكفاءته.

قد تتطلب أجهزة الاستشعار ذات الجودة المتدنية معايرة متكررة، وقد تُظهر استجابات غير منتظمة حتى مع استخدام محاليل منظمة محددة. للحصول على معايرة عالية الدقة وفعالة، ننصح باستخدام أجهزة استشعار درجة حموضة الماء من ريكا . فهي توفر نطاق قياس واسع (0-14 درجة حموضة)، ودقة استثنائية (0.01 درجة حموضة)، وتعويضًا لدرجة الحرارة (0-100 درجة مئوية)، وكفاءة عالية في استهلاك الطاقة (أقل من 0.15 واط). علاوة على ذلك، تتميز أحدث تصميماتها بمواد متينة مثل الزجاج مع الفولاذ المقاوم للصدأ 316L أو البولي كربونات مع مادة ABS، مع تصنيف IP68 ومقاومة للغمر حتى ضغط 1 ميجا باسكال. تفضل بزيارة موقع ريكا الإلكتروني للاطلاع على جميع الخيارات.

الأسئلة الشائعة حول مستشعر الرقم الهيدروجيني

Q1:لماذا تتم معايرة مستشعر الرقم الهيدروجيني؟

مع مرور الوقت، ستتغير دقة كل مستشعر وتفقد جزءًا من دقته. ويعود السبب في ذلك إلى مكونات الاستشعار نفسها. لذا، يكمن الحل في تنظيف المستشعر ومعايرته بشكل دوري. عادةً، تكفي معايرة مستشعرات الأس الهيدروجيني الصناعية كل 3 إلى 6 أشهر. وتساعد المعايرة المنتظمة في الحفاظ على دقة المستشعر.

Q2:متى يجب معايرة جهاز استشعار الرقم الهيدروجيني؟

توجد طريقتان لمعايرة مجسات الرقم الهيدروجيني: الصيانة الوقائية والصيانة التصحيحية. تشمل الصيانة الوقائية المعايرة والفحوصات الدورية، والتي ينبغي إجراؤها كل 3-6 أشهر للمجسات الصناعية ومع كل قياس للاختبارات المعملية. أما الصيانة التصحيحية فتكون ضرورية عندما يتعرض مجس الرقم الهيدروجيني لظروف قاسية، أو يُخزن لفترة طويلة، أو يُعطي قراءات غير متسقة، أو يتلوث.

Q3:ما هي محاليل التخزين المؤقت التي يجب أن أستخدمها؟

استخدم مواد مرجعية معتمدة، وحدد نطاقات المحاليل المنظمة بفواصل لا تقل عن وحدتين من الرقم الهيدروجيني، وحافظ على درجة حرارة قياسية تبلغ 25 درجة مئوية، واستخدم محلولًا منظمًا متعادلًا. سيضمن ذلك الحصول على نتائج دقيقة، حيث قد لا تكون الاستجابة خطية بين مستويات الرقم الهيدروجيني المختلفة.

هل يمكنني إجراء المعايرة في الموقع؟

نعم، يمكنك إجراء المعايرة ميدانيًا. ستحتاج إلى مقياس رقم هيدروجيني محمول، ومحاليل منظمة معتمدة، وماء مقطر، وصابون، ومنظف، ومناديل ورقية، ومحلول حمض الهيدروكلوريك/هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 5%، وسطح ثابت. مع ذلك، قد يتم فصل الجهاز عن وحدات التحكم أثناء عملية المعايرة.