Como calibrar um sensor de pH?

Você sabia que os sensores de pH funcionam com base na lei fundamental da eletroquímica? Um sensor de pH ideal produz 59,16 mV para cada variação de 1,0 unidade de pH na solução. No entanto, com o tempo, essa voltagem pode mudar devido ao acúmulo de sujeira ou impurezas no eletrodo. O resultado são leituras imprecisas e deriva nos valores. Portanto, precisamos calibrar o sensor de pH em intervalos regulares para garantir que nossos resultados permaneçam confiáveis.

A calibração de um sensor de pH exige a compreensão do seu mecanismo de funcionamento. Existem diferentes tipos de sensores de pH, que podem apresentar respostas variadas às alterações de pH. É fundamental compreender essas diferenças e aplicar o método de calibração com atenção para garantir resultados precisos. Sensores de alta qualidade, como a série RK500-12 da Rika, possuem características que ajudam a manter resultados consistentes por meio de uma membrana de vidro de baixa impedância.

Diversos recursos podem facilitar a calibração e a manutenção de sensores de pH da água . Neste guia completo, começaremos com o básico sobre o que é um sensor de pH, por que você precisa calibrá-lo e quando isso é necessário. Forneceremos as informações mais recentes sobre sensores de pH, com foco nos principais pontos do guia, especificamente no processo passo a passo para calibrar um sensor de pH e obter resultados precisos. Vamos começar a aprender!

O que é um sensor de pH?

♦ Definição

Sensores de pH medem o nível de acidez ou alcalinidade de um líquido. Uma escala de 0 a 14 é usada para medir o pH. Aqui, 14 significa uma solução alcalina, enquanto 0 significa uma solução ácida. Uma solução aquosa neutra terá um pH de 7. Um sensor de pH simplesmente analisa a solução e mede seu nível de pH. pH é o potencial/potencial do hidrogênio.

♦ Princípio de funcionamento do sensor de pH

O mecanismo de funcionamento de um sensor de pH baseia-se na medição eletroquímica. É fundamental compreender o princípio de funcionamento para que o método adequado possa ser escolhido para calibrar o sensor de pH. Para detectar o pH, um sensor precisa de um eletrodo de vidro, um eletrodo de referência e um conversor de sinal para produzir resultados. A seguir, as funções de cada componente:

• Eletrodo de vidro: É a membrana de vidro em formato de bulbo, geralmente localizada na ponta de um sensor de pH. Sua função é entrar em contato com a amostra de água. O vidro é feito com material de baixa impedância para garantir maior sensibilidade. Ao entrar em contato com a água, cria uma diferença de potencial proporcional à concentração de íons de hidrogênio (H⁺) na solução. A equação de Nernst rege todo o fenômeno.

E = E₀ + (2,303 . RT/nF) . log₁₀ [H⁺]

E é o potencial medido, E ₀ é o potencial padrão, R é a constante dos gases, T é a temperatura, n é a carga e F é a constante de Faraday.

• Eletrodo de referência: O eletrodo de referência fornece um potencial estável com o qual o potencial do eletrodo de vidro é comparado. Geralmente, trata-se de um fio mergulhado em uma solução de KCl. A solução de KCl entra em contato com a amostra de água através de uma membrana.
• Conversor de sinal: O pH é a diferença de potencial entre o eletrodo de vidro e o eletrodo de referência. A diferença de potencial é registrada em relação a soluções padrão com pH conhecido. Finalmente, um sinal na forma de potencial é convertido em RS-485 e 4-20mA.

♦ Tipos de sensores de pH

● Sensores de pH com eletrodo de vidro

O eletrodo de referência não está presente dentro da sonda. Ele pode ser inserido separadamente na solução aquosa da amostra. Possui apenas o eletrodo de vidro que gera um potencial contra íons de hidrogênio (H⁺).

Exemplo: A série RK500-12 da Rika, Tipo A1 para água convencional e Tipo B3 para ambientes de alta temperatura.

● Sensores de pH com eletrodos combinados

Esses sensores incorporam tanto o eletrodo de vidro quanto o eletrodo de referência em uma sonda compacta. Eles utilizam o conceito de tubo dentro de tubo. O tubo interno contém o bulbo de vidro, e o tubo externo é preenchido com solução de KCl para referência.

Exemplo: Sensor de nível de pH da água Rika série RK500-12 Tipo C1

● Sensores de pH ISFET (Transistor de Efeito de Campo Sensível a Íons)

Esses sensores utilizam sensores de estado sólido sensíveis ao íon H ⁺ . Eles medem a variação do pH por meio de sua condutividade. São resistentes a quebras e adequados para ambientes de alta pressão.

● Sensores de pH de óxido metálico

Em vez de usar vidro, os sensores de pH de óxido metálico utilizam metais como o óxido de irídio para detectar H ⁺ e criar um potencial. Eles oferecem robustez em condições adversas e detectam o pH por meio de reações redox.

● Sensores de pH submersíveis

Esses sensores de pH têm a capacidade de funcionar mesmo quando totalmente submersos em água. Isso geralmente é conseguido utilizando sistemas de vedação eficientes. Esses sensores indicam sua classificação IP por meio de conectores selados (M8/M16) e materiais robustos (vidro + ABS).

Exemplo: Sensor de pH submersível tipo B2 da série RK500-12 da Rika

Guia passo a passo para calibrar um sensor de pH

★ Princípios-chave antes de começar

• Frequência: Calibre a cada 2-3 horas para uso em laboratório ou com base na inspeção (inicialmente a cada 1-2 dias, ajustando posteriormente conforme o acúmulo de sujeira/desvio). Para sensores de pH em escala industrial, a Rika recomenda verificações de rotina a cada 3-6 meses.
• Soluções tampão: Utilize soluções rastreáveis ​​e certificadas (ex.: pH 4, 7, 10) que abranjam a sua faixa de medição, preferencialmente com uma diferença de ≥2 unidades de pH. Descarte a solução utilizada para calibração após o uso. Certifique-se de que a temperatura esteja de acordo com o processo (padrão de 25 °C).
• Ferramentas necessárias: medidor de pH, soluções tampão, água destilada/deionizada, termômetro/RTD (para compensação), escova macia/HCl/NaOH para limpeza, lenço de papel (sem esfregar para evitar estática).
• Conceitos errôneos: Espera-se não linearidade (3 seções: 0-2, 6-8, 12-14 pH devido a mudanças no ponto isoelétrico). Os coeficientes de atividade são frequentemente desnecessários. Use o método de adição padrão para amostras complexas.
• Segurança: Manuseie ácidos/cáusticos com luvas. Evite o contato com cianeto e HCl (risco de gás tóxico).

Estrutura básica de um eletrodo de pH de vidro, mostrando a membrana de vidro, a referência interna e o eletrólito.

Etapa 1: Preparação e Inspeção Inicial

• Reúna os materiais: Certifique-se de que as soluções tampão estejam frescas (por exemplo, pH 4,01, 7,00, 9,21/10,01). Use água destilada para enxaguar. Tenha um termômetro à mão caso o equipamento não possua compensação de temperatura.

Nota: Alguns modelos da Rika possuem ajuste automático da resistência térmica para temperaturas entre 0 e 100 °C.

• Inspecione o sensor: Remova-o do processo/armazenamento. Verifique visualmente se há incrustações, rachaduras ou baixo nível de eletrólito (eletrodos de vidro). Para sensores como o RK500-12 da Rika, certifique-se de que a vedação IP68 esteja intacta.
• Ligar e estabilizar: Ligue o medidor. Aguarde de 1 a 3 minutos para que a saída do sensor atinja o equilíbrio. Para medidores baseados em microprocessador (por exemplo, saída RS485 da Rika), entre no modo de calibração.

Etapa 2: Limpeza do sensor

A limpeza é obrigatória antes da calibração para remover revestimentos ou sujeira que possam causar erros. Ignore essa etapa somente se uma verificação rápida confirmar a ausência de detritos.

• Enxágue: Use água morna destilada/da torneira ou um jato/spray para remover os detritos soltos.
• Limpeza geral: Deixe de molho em água com detergente por 5 minutos. Esfregue delicadamente a lâmpada/referência com uma escova macia. Certifique-se de que a escova não seja abrasiva.
• Para contaminantes específicos:
  • Alcalino/Incrustante: imersão em HCl a 5-10% ou vinagre (menos de 5 minutos)
  • Ácido: Imersão em solução fraca de NaOH (<4%)
  • Óleo/Orgânico: Detergente ou solvente compatível
  • Inorgânico/Orgânico: HCl/NaOH 0,1 mol/L para compostos inorgânicos. Álcool/acetona para compostos orgânicos, seguido de enxágue.
• Enxágue e estabilize: Enxágue com água; deixe de molho em solução tampão de pH 7 ou água da torneira por alguns minutos para neutralizar/estabilizar. Seque dando leves batidinhas (sem esfregar; Hamilton).
• Evite para outros tipos: ISFETs/óxido metálico podem não precisar de verificações de eletrólito, mas evite abrasivos.

Nota: Se as leituras continuarem incorretas após a limpeza, prossiga com a calibração. Se o eletrodo estiver muito sujo, substitua-o.

Etapa 3: Realizar uma verificação de calibração (verificação rápida opcional)

Antes de realizar a calibração completa, verifique se é necessário.

• Imersão em soluções tampão: Coloque em pH 7 (offset) e pH 4/10 (span); anote as leituras sem ajustar.
• Verificação de tolerância: Se estiver dentro de ±0,1 pH, nenhuma calibração é necessária — reinstale. (A Rika oferece precisão de ±0,01 pH).
• Agitação: Mexa delicadamente para homogeneizar a mistura e, em seguida, meça sem agitar para evitar perturbar a Camada de Difusão (CD)/Camada de Transição (CT).

Nota: Se estiver fora da tolerância, limpe novamente ou calibre.

Etapa 4: Calibração completa (padrão de dois pontos para eletrodos de vidro)

Para a maioria das aplicações, o uso de um padrão de dois pontos é eficiente e restaura a precisão dos sensores de pH. Medidores baseados em microprocessador calculam automaticamente a inclinação/desvio. Pode ser necessário conectar uma ferramenta de calibração ou uma interface com os sensores de pH do processo.

• Selecione as soluções tampão: Duas soluções tampão que abranjam a sua faixa de medição (por exemplo, 4 e 7 para pH ácido; 7 e 10 para pH alcalino). Estas são adequadas para sensores como o Rika, que possuem uma ampla faixa de medição (0-14 pH).
• Ajuste de temperatura: Certifique-se de que os buffers estejam na temperatura do processo (25 °C por padrão). Use a compensação integrada do Rika ou insira os dados manualmente.
• Enxágue e mergulhe no primeiro tampão: Enxágue o sensor. Mergulhe em pH 7 (ou o mais baixo). Estabilize por 1 a 3 minutos (8 a 10 segundos para Rika em líquidos em fluxo).
• Ativar Calibração: Siga as instruções do medidor. Confirme as mensagens de limpeza.
• Enxágue/Secagem: Enxágue com água deionizada. Seque dando leves batidinhas (sem esfregar para evitar estática).
• Segundo tampão: Repita para pH 4/10. O medidor ajusta a inclinação/deslocamento. Salve os dados.
• Verificação: Verifique novamente os buffers. A inclinação deve estar entre 92% e 102%. Se houver avisos, como um buffer incorreto, limpe/tente novamente.

Nota: Para múltiplos pontos, adicione 3 ou mais buffers (por exemplo, 4, 7, 9, 10) para obter intervalos amplos ou incerteza mínima. Os modelos de alta precisão da Rika se beneficiam do MPC para caracterizar a não linearidade.

Etapa 5: Pós-calibração e verificação

• Documento: Data de registro, buffers, inclinação/deslocamento, temperatura.
• Reinstalação: Por aplicação, como os sensores de processo da submersível Rika Tipo B2.
• Solução de problemas:
  • Ruído/Desvio de linha: Verifique a fiação/loops de aterramento. Limpe novamente.
  • Não linearidade: Esperada em casos extremos e em grandes diferenças entre as soluções padrão. Utilize pontos próximos à amostra.
  • Erro de incompatibilidade de junção/erro de sódio: Use referências de junção dupla (opções da Rika).

Etapa 6: Manutenção e frequência para precisão a longo prazo

• Armazenamento: Em KCl 3M ou KCl saturado. Evite água destilada (resseca o eletrodo).
• Ajustes de frequência: Inspecione/limpe a cada 3 a 6 meses. Calibre se houver desvio superior a ±0,2 pH ou após exposição extrema.
• Diagnóstico do sensor: Medidores modernos (ex.: Rika) monitoram a impedância/inclinação. Substitua o sensor se a impedância mudar para menos de 92% ou mais de 102%.

Conclusão

A detecção do pH na água fornece informações sobre sua composição química. Ela pode detectar alterações invisíveis a olho nu. Engenheiros e cientistas desenvolveram diversos tipos de sensores de pH, cada um aplicável a usos específicos. Entre eles, estão os eletrodos de vidro, os eletrodos combinados, os ISFETs, os sensores de óxido metálico e os sensores submersíveis. O modelo mais popular, econômico e preciso é o de eletrodos de vidro. No entanto, com o tempo, a capacidade de detecção do sensor pode se degradar. Portanto, uma frequência de calibração de 3 a 6 meses é ideal para a maioria dos sensores de uso industrial. Inspeção, limpeza, verificação da calibração, calibração completa e verificações pós-calibração são etapas essenciais durante o processo de calibração. O processo deve restaurar a precisão e a exatidão do sensor.

Sensores de qualidade inferior podem exigir calibração frequente e apresentar respostas inconsistentes em diferentes soluções tampão. Para alta precisão e recalibração eficiente, considere os sensores de pH para água da Rika . Eles oferecem uma ampla faixa de medição (0-14 pH), resolução excepcional (0,01 pH), compensação de temperatura (0-100 °C) e baixo consumo de energia (<0,15 W). Além disso, seus modelos mais recentes utilizam materiais robustos, como vidro + aço inoxidável 316L ou PC + ABS, com classificação IP68 e resistência à submersão de 1 MPa. Visite o site da Rika para explorar todas as opções.

Perguntas frequentes sobre sensores de pH

Q1:Por que calibrar um sensor de pH?

Todo sensor sofre deriva e perde precisão com o tempo. Isso ocorre principalmente no componente sensor. Portanto, a chave é limpar e calibrar o sensor com frequência. Normalmente, para sensores de pH de uso industrial, 3 a 6 meses são suficientes. A calibração regular ajudará a manter a precisão do sensor.

Q2:Quando calibrar seu sensor de pH

Existem duas abordagens para a calibração de sensores de pH: manutenção preventiva e corretiva. A manutenção preventiva envolve calibração e verificações periódicas, que devem ocorrer a cada 3 a 6 meses para sensores industriais e a cada medição para testes de laboratório. A manutenção corretiva é necessária quando o sensor de pH é exposto a condições extremas, permanece armazenado por longos períodos, apresenta leituras inconsistentes ou é contaminado.

Q3:Que soluções tampão devo usar?

Utilize materiais de referência certificados (MRCs), utilize soluções tampão com intervalos de ≥2 unidades de pH, mantenha a temperatura padrão em 25°C e utilize uma solução tampão neutra. Essas medidas garantirão resultados precisos, visto que a resposta pode não ser linear entre diferentes níveis de pH.

Posso calibrar em campo?

Sim, você pode calibrar em campo. Para isso, você precisará de um medidor de pH portátil, soluções tampão certificadas, água destilada, sabão, detergente, lenços de papel, solução de HCl/NaOH a 5% e uma superfície estável. No entanto, durante o processo de calibração, o equipamento pode se desconectar dos controladores do processo.