¿Cómo calibrar un sensor de pH?

¿Sabías que los sensores de pH funcionan según la ley fundamental de la electroquímica? Un sensor de pH ideal produce 59,16 mV por cada unidad de cambio de pH en la solución. Sin embargo, con el tiempo, este voltaje puede variar debido a la acumulación de suciedad o impurezas en el electrodo. Esto provoca lecturas inexactas y una deriva en los valores. Por lo tanto, es necesario calibrar el sensor de pH a intervalos regulares para garantizar la fiabilidad de los resultados.

Calibrar un sensor de pH requiere comprender su mecanismo de funcionamiento. Existen diferentes tipos de sensores de pH, que pueden presentar respuestas variables ante cambios de pH. Es fundamental comprender estas diferencias y aplicar el método de calibración con atención para garantizar resultados precisos. Los sensores de alta gama, como la serie RK500-12 de Rika, incorporan características que ayudan a mantener resultados consistentes gracias a una membrana de vidrio de baja impedancia.

Numerosas funciones facilitan la calibración y el mantenimiento de los sensores de pH del agua . En esta guía completa, comenzaremos con los conceptos básicos: qué es un sensor de pH, por qué es necesario calibrarlo y cuándo hacerlo. Proporcionaremos la información más reciente sobre sensores de pH, haciendo hincapié en los puntos clave de la guía, en particular el proceso paso a paso para calibrar un sensor de pH y obtener resultados precisos. ¡Comencemos!

¿Qué es un sensor de pH?

♦ Definición

Los sensores de pH miden el nivel de acidez o alcalinidad de un líquido. Para medir el pH se utiliza una escala de 0 a 14. En esta escala, 14 indica una solución alcalina, mientras que 0 indica una solución ácida. Una solución acuosa neutra tiene un pH de 7. Un sensor de pH simplemente analiza la solución y mide su nivel de pH. El pH es la magnitud del potencial de hidrógeno.

♦ Principio de funcionamiento del sensor de pH

El mecanismo de funcionamiento de un sensor de pH se basa en la medición electroquímica. Es fundamental comprender su principio de funcionamiento para poder seleccionar el método adecuado para calibrarlo. Para detectar el pH, un sensor necesita un electrodo de vidrio, un electrodo de referencia y un convertidor de señal para generar resultados. A continuación, se describen las funciones de cada componente:

• Electrodo de vidrio: Es la membrana de vidrio con forma de bulbo que se encuentra normalmente en la punta de un sensor de pH. Su función es entrar en contacto con la muestra de agua. El vidrio está fabricado con un material de baja impedancia para garantizar una mayor sensibilidad. Al entrar en contacto con el agua, crea una diferencia de potencial proporcional a la concentración de iones de hidrógeno (H⁺) en la solución. La ecuación de Nernst describe todo el fenómeno.

E = E₀ + (2,303 . RT/nF) . log₁₀ [H⁺]

E es el potencial medido, E ₀ es el potencial estándar, R es la constante de los gases, T es la temperatura, n es la carga y F es la constante de Faraday.

• Electrodo de referencia: El electrodo de referencia proporciona un potencial estable con el que se compara el potencial del electrodo de vidrio. Generalmente se trata de un alambre sumergido en una solución de KCl. La solución de KCl entra en contacto con la muestra de agua a través de una membrana.
• Convertidor de señal: El pH es la diferencia de potencial entre el electrodo de vidrio y el electrodo de referencia. Esta diferencia de potencial se registra con respecto a soluciones estándar de pH conocido. Finalmente, la señal, en forma de potencial, se convierte a RS-485 y 4-20 mA.

♦ Tipos de sensores de pH

● Sensores de pH con electrodo de vidrio

El electrodo de referencia no está presente dentro de la sonda. Se puede insertar por separado en la solución acuosa de muestra. Solo cuenta con el electrodo de vidrio que genera un potencial frente a los iones de hidrógeno (H⁺).

Ejemplo: La serie RK500-12 de Rika, tipo A1 para agua convencional y tipo B3 para entornos de alta temperatura.

● Sensores de pH de electrodo combinado

Estos sensores integran tanto el electrodo de vidrio como el electrodo de referencia en una sonda compacta. Utilizan el concepto de tubo dentro de tubo. El tubo interior contiene el bulbo de vidrio, y el tubo exterior se ha llenado con una solución de KCl como referencia.

Ejemplo: Sensor de nivel de pH del agua tipo C1 de la serie RK500-12 de Rika

● Sensores de pH ISFET (transistor de efecto de campo sensible a iones)

Estos dispositivos utilizan sensores de estado sólido sensibles al ion H ⁺ . Miden el cambio de pH a través de su conductividad. Son resistentes a la rotura y aptos para entornos de alta presión.

● Sensores de pH de óxido metálico

En lugar de vidrio, los sensores de pH de óxido metálico utilizan metales como el óxido de iridio para detectar H ⁺ y generar un potencial. Ofrecen robustez en condiciones adversas y detectan el pH mediante reacciones redox.

● Sensores de pH sumergibles

Estos sensores de pH pueden funcionar sumergidos completamente en agua. Esto se logra mediante sistemas de sellado eficientes. Estos sensores indican su grado de protección IP, utilizan conectores sellados (M8/M16) y están fabricados con materiales robustos (vidrio + ABS).

Ejemplo: Sensor de pH sumergible tipo B2 serie RK500-12 de Rika

Guía paso a paso para calibrar un sensor de pH

★ Principios clave antes de comenzar

• Frecuencia: Calibrar cada 2-3 horas para uso en laboratorio o según inspección (inicialmente cada 1-2 días, luego ajustar según la suciedad/deriva). Para sensores de pH a escala industrial, Rika recomienda revisiones rutinarias cada 3-6 meses.
• Soluciones tampón: Utilice soluciones trazables y certificadas (p. ej., pH 4, 7, 10) que abarquen su rango de medición, preferiblemente con una diferencia de ≥2 unidades de pH. Deseche la solución utilizada para la calibración después de su uso. Asegúrese de que la temperatura coincida con la del proceso (25 °C estándar).
• Herramientas necesarias: Medidor de pH, soluciones tampón, agua destilada/desionizada, termómetro/RTD (para compensación), cepillo suave/HCl/NaOH para limpieza, pañuelos de papel (sin frotar para evitar la estática).
• Conceptos erróneos: Se espera no linealidad (3 secciones: 0-2, 6-8, 12-14 pH debido a cambios en el punto isoeléctrico). Los coeficientes de actividad suelen ser innecesarios. Utilice el método de adición estándar para muestras complejas.
• Seguridad: Manipule ácidos/cáusticos con guantes. Evite el cianuro con HCl (riesgo de gas tóxico).

Estructura básica de un electrodo de pH de vidrio, que muestra la membrana de vidrio, la referencia interna y el electrolito.

Paso 1: Preparación e inspección inicial

• Reúna los materiales: Asegúrese de que las soluciones tampón estén frescas (por ejemplo, pH 4,01, 7,00, 9,21/10,01). Utilice agua destilada para enjuagar. Tenga a mano un termómetro si no tiene compensación incorporada.

Nota: Algunos modelos de Rika incluyen ajuste automático de la resistencia térmica de 0 a 100 °C.

• Inspeccione el sensor: Retírelo del proceso/almacenamiento. Compruebe visualmente si hay suciedad, grietas o bajo nivel de electrolito (electrodos de vidrio). Para sensores como el RK500-12 de Rika, asegúrese de que el sello IP68 esté intacto.
• Encendido y estabilización: Encienda el medidor. Espere de 1 a 3 minutos para que la salida del sensor se estabilice. Para medidores con microprocesador (p. ej., la salida RS485 de Rika), active el modo de calibración.

Paso 2: Limpieza del sensor

La limpieza es obligatoria antes de la calibración para eliminar recubrimientos o suciedad que puedan causar errores. Solo se debe omitir si una comprobación rápida confirma que no hay residuos.

• Enjuague: Utilice agua tibia destilada/del grifo o un chorro/rociador para eliminar los residuos sueltos.
• Limpieza general: Sumergir en agua con detergente durante 5 minutos. Frotar suavemente la bombilla/referencia con un cepillo suave. Asegurarse de que el cepillo no sea abrasivo.
• Para contaminantes específicos:
  • Alcalino/Sarro: remojo en HCl al 5-10% o vinagre (<5 min)
  • Ácido: Remojo en NaOH débil (<4%).
  • Aceite/Orgánico: Detergente o disolvente compatible
  • Inorgánico/Orgánico: HCl/NaOH 0,1 mol/L para inorgánicos. Alcohol/acetona para orgánicos, luego enjuagar.
• Enjuagar y estabilizar: Enjuagar con agua; sumergir en una solución tampón de pH 7 o agua del grifo durante unos minutos para neutralizar/estabilizar. Secar dando toques suaves (sin frotar; Hamilton).
• Evitar para otros tipos: Los ISFET/óxido metálico pueden no necesitar comprobaciones de electrolito, pero evite los abrasivos.

Nota: Si las lecturas siguen siendo incorrectas después de la limpieza, proceda a la calibración. Si el electrodo está muy sucio, reemplácelo.

Paso 3: Realizar una comprobación de calibración (Verificación rápida opcional)

Antes de la calibración completa, verifique si es necesario.

• Sumergir en tampones: Colocar en pH 7 (desplazamiento) y pH 4/10 (rango); anotar las lecturas sin ajustar.
• Comprobar tolerancia: Si se encuentra dentro de ±0,1 pH, no es necesario calibrar; reinstale. (Rika ofrece una precisión de ±0,01 pH).
• Agitación: Agitar suavemente para lograr uniformidad, luego medir sin agitar para evitar alterar la capa de difusión (DL)/capa de transición (TL).

Nota: Si está fuera de tolerancia, limpie de nuevo o calibre.

Paso 4: Calibración completa (Estándar de dos puntos para electrodos de vidrio)

Para la mayoría de las aplicaciones, usar un patrón de dos puntos es eficiente y restablece la precisión de los sensores de pH. Los medidores con microprocesador calculan automáticamente la pendiente y el offset. Es posible que necesite conectar una herramienta de calibración o una interfaz con los sensores de pH del proceso.

• Seleccione soluciones tampón: Dos soluciones tampón que abarquen su rango (por ejemplo, 4 y 7 para pH ácido; 7 y 10 para pH alcalino). Estas son adecuadas para sensores como Rika con un amplio rango de pH (0-14).
• Ajuste de temperatura: Asegúrese de que los búferes estén a la temperatura del proceso (25 °C por defecto). Utilice la compensación integrada de Rika o la entrada manual.
• Enjuague e inmersión en la primera solución tampón: Enjuague el sensor. Sumerja en una solución con pH 7 (o el pH más bajo). Deje estabilizar de 1 a 3 minutos (de 8 a 10 segundos para Rika en líquidos en movimiento).
• Activar calibración: Siga las instrucciones del medidor. Confirme los mensajes de limpieza.
• Enjuague/Secado: Enjuague con agua desionizada. Seque dando toques suaves (sin frotar para evitar la estática).
• Segundo tampón: Repita el procedimiento para pH 4/10. El medidor ajusta la pendiente/desplazamiento. Guarde los datos.
• Verificar: Volver a comprobar los búferes. La pendiente debe estar entre el 92 % y el 102 %. Si hay advertencias, como un búfer incorrecto, volver a limpiar/intentar.

Nota: Para datos multipunto, añada 3 o más buffers (p. ej., 4, 7, 9, 10) para rangos amplios o mínima incertidumbre. Los modelos de alta precisión de Rika se benefician del MPC para caracterizar la no linealidad.

Paso 5: Postcalibración y verificación

• Documento: Registrar fecha, márgenes, pendiente/desplazamiento, temperatura.
• Reinstalación: Por aplicación, como los sensores de proceso del sumergible Rika Tipo-B2.
• Solución de problemas:
  • Ruido/Deriva: Compruebe el cableado/bucles de tierra. Limpie de nuevo.
  • No linealidad: Se espera en valores extremos y mayores diferencias entre las soluciones estándar. Utilice puntos cercanos a la muestra.
  • Desajuste de unión/Error de sodio: utilice referencias de doble unión (opciones de Rika).

Paso 6: Mantenimiento y frecuencia para una precisión a largo plazo

• Almacenamiento: En KCl 3M o KCl saturado. Evitar el agua destilada (seca el electrodo).
• Ajustes de frecuencia: Inspeccionar/limpiar cada 3-6 meses. Calibrar si la desviación es >±0,2 pH o después de una exposición extrema.
• Diagnóstico del sensor: Los medidores modernos (p. ej., los de Rika) monitorizan la impedancia/pendiente. Sustitúyalo si la impedancia cambia <92 % o >102 %.

Conclusión

La detección del pH en el agua proporciona información sobre su composición química. Permite detectar cambios imperceptibles a simple vista. Ingenieros y científicos han desarrollado diversos tipos de sensores de pH, cada uno con aplicaciones específicas. Entre ellos se incluyen electrodos de vidrio, electrodos combinados, ISFET, sensores de óxido metálico y sensores sumergibles. El diseño más popular, económico y preciso es el de electrodos de vidrio. Sin embargo, con el tiempo, la capacidad de detección del sensor puede degradarse. Por lo tanto, una frecuencia de calibración de 3 a 6 meses es ideal para la mayoría de los sensores de grado industrial. La inspección, la limpieza, la verificación de calibración, la calibración completa y las comprobaciones posteriores a la calibración son pasos clave durante el proceso de calibración. Este proceso debe restaurar la precisión del sensor.

Los sensores de baja calidad pueden requerir calibración frecuente y ofrecer respuestas inconsistentes en las mismas soluciones tampón. Para una recalibración eficiente y de alta precisión, considere los sensores de pH para agua Rika . Ofrecen un amplio rango de medición (0-14 pH), una resolución excepcional (0,01 pH), compensación de temperatura (0-100 °C) y un consumo energético inferior a 0,15 W. Además, sus diseños más recientes incorporan materiales robustos como vidrio + acero inoxidable 316L o PC + ABS, con clasificación IP68 y resistencia a la inmersión de 1 MPa. Visite el sitio web de Rika para explorar todas las opciones.

Preguntas frecuentes sobre el sensor de pH

Q1:¿Por qué calibrar un sensor de pH?

Todos los sensores pierden precisión con el tiempo, lo cual se debe al componente sensor. Por lo tanto, es fundamental limpiar y calibrar el sensor con frecuencia. Generalmente, para sensores de pH de grado industrial, basta con 3 a 6 meses. La calibración regular ayuda a mantener la precisión del sensor.

Q2:¿Cuándo calibrar su sensor de pH?

Existen dos enfoques para la calibración de sensores de pH: el mantenimiento preventivo y el correctivo. El mantenimiento preventivo implica calibraciones y comprobaciones periódicas, que deben realizarse cada 3-6 meses para sensores industriales y con cada medición para pruebas de laboratorio. El mantenimiento correctivo es necesario cuando el sensor de pH se expone a condiciones extremas, se almacena durante periodos prolongados, ofrece lecturas inconsistentes o se contamina.

Q3:¿Qué soluciones tampón debo usar?

Utilice materiales de referencia certificados (MRC), soluciones tampón con intervalos de pH ≥2 unidades, temperatura estándar de 25 °C y un tampón neutro. Esto garantizará resultados precisos, ya que la respuesta puede no ser lineal entre los diferentes niveles de pH.

¿Puedo calibrar en el terreno?

Sí, se puede calibrar en campo. Necesitará un medidor de pH portátil, soluciones tampón certificadas, agua destilada, jabón, detergente, pañuelos de papel, HCl/NaOH al 5 % y una superficie estable. Sin embargo, durante la calibración, puede desconectarlo de los controladores del proceso.