Как откалибровать датчик pH?

Знаете ли вы, что датчики pH работают на основе фундаментального закона электрохимии? Идеальный датчик pH выдаёт 59,16 мВ на каждое изменение pH раствора на 1,0 единицу. Однако со временем это напряжение может меняться из-за накопления грязи или примесей на электроде. Это приводит к неточным показаниям и дрейфу значений. Поэтому для обеспечения достоверности результатов необходимо регулярно калибровать датчик pH.

Калибровка pH-датчика требует понимания механизма его работы. Существуют различные типы pH-датчиков, которые могут по-разному реагировать на изменения pH. Необходимо понимать эти различия и применять метод калибровки с осторожностью для обеспечения точных результатов. Высококлассные датчики, такие как серия RK500-12 от Rika, обладают функциями, которые помогают поддерживать стабильные результаты благодаря стеклянной мембране с низким импедансом.

Множество функций упрощают калибровку и обслуживание датчиков pH воды . В этом подробном руководстве мы начнём с основ: что такое датчик pH, зачем его калибровать и когда это нужно. Мы предоставим актуальную информацию о датчиках pH, уделив особое внимание основным моментам руководства, в частности, пошаговому процессу калибровки датчика pH для получения точных результатов. Давайте начнём!

Что такое датчик pH?

♦ Определение

Датчики pH измеряют уровень кислотности или щёлочности жидкости. Для измерения pH используется шкала от 0 до 14. Здесь 14 означает щелочной раствор, а 0 — кислый. Нейтральный водный раствор имеет pH 7 из 7. Датчик pH просто проверяет раствор и измеряет его уровень. pH — это потенциал/сила водорода.

♦ Принцип работы датчика pH

Принцип работы pH-датчика основан на электрохимических измерениях. Понимание принципа работы крайне важно для выбора подходящего метода калибровки pH-датчика. Для измерения pH датчику необходимы стеклянный электрод, электрод сравнения и преобразователь сигнала. Ниже перечислены функции каждого компонента:

• Стеклянный электрод: это стеклянная мембрана в форме груши, обычно расположенная на кончике pH-датчика. Её назначение — контакт с исследуемой водой. Стекло изготовлено из материала с низким импедансом для обеспечения более высокой чувствительности. При контакте с водой возникает разность потенциалов, пропорциональная концентрации ионов водорода (H⁺) в растворе. Всё это явление описывается уравнением Нернста:

E = E₀ + (2,303 . RT/нФ) . логарифм₁₀ [H⁺]

E — измеренный потенциал, E ₀ — стандартный потенциал, R — газовая постоянная, T — температура, n — заряд, F — постоянная Фарадея.

• Электрод сравнения: электрод сравнения обеспечивает стабильный потенциал, с которым сравнивается потенциал стеклянного электрода. Обычно это проволока, смоченная в растворе KCl. Раствор KCl контактирует с пробой воды через мембрану.
• Преобразователь сигнала: pH — это разность потенциалов между стеклянным электродом и электродом сравнения. Разность потенциалов регистрируется относительно стандартных растворов с известным pH. В результате сигнал в виде потенциала преобразуется в сигналы RS-485 и 4–20 мА.

♦ Типы датчиков pH

● Датчики pH со стеклянным электродом

Электрод сравнения внутри зонда отсутствует. Его можно поместить отдельно в исследуемый водный раствор. В зонде имеется только стеклянный электрод, создающий потенциал относительно ионов водорода (H⁺).

Пример: серия Rika RK500-12 Тип A1 для обычной воды и Тип B3 для высокотемпературных сред.

● Комбинированные электродные датчики pH

Эти датчики включают в себя как стеклянный электрод, так и электрод сравнения в компактном корпусе. Они используют концепцию «трубка в трубке». Внутренняя трубка имеет стеклянную колбу, а внешняя трубка заполнена раствором KCl для сравнения.

Пример: датчик уровня pH воды типа C1 серии RK500-12 компании Rika

● pH-датчики на основе ISFET (ионно-чувствительных полевых транзисторов)

В них используются твердотельные датчики, чувствительные к ионам H ⁺ . Они измеряют изменение pH посредством своей проводимости. Они устойчивы к повреждениям и подходят для использования в условиях высокого давления.

● Датчики pH на основе оксидов металлов

Вместо стекла в металлооксидных pH-датчиках для обнаружения ионов H ⁺ и создания потенциала используется металл, например, оксид иридия. Они надёжны в суровых условиях и измеряют pH посредством окислительно-восстановительных реакций.

● Погружные датчики pH

Эти pH-датчики способны работать при полном погружении в воду. Обычно это достигается за счёт использования эффективных систем герметизации. Степень защиты IP этих датчиков указана за счёт герметичных разъёмов (M8/M16) и прочных материалов (стекло + АБС).

Пример: погружной pH-датчик типа B2 серии RK500-12 компании Rika

Пошаговое руководство по калибровке датчика pH

★ Ключевые принципы перед началом

• Частота: калибруйте каждые 2–3 часа в лабораторных условиях или по результатам осмотра (первоначально 1–2 дня, затем корректируйте по мере загрязнения/дрейфа). Для промышленных pH-датчиков Rika рекомендует проводить регулярные проверки каждые 3–6 месяцев.
• Буферы: используйте прослеживаемые, сертифицированные растворы (например, pH 4, 7, 10), охватывающие ваш диапазон измерений, желательно с разницей ≥2 единиц pH. После использования вылейте раствор, использованный для калибровки. Убедитесь, что температура соответствует температуре процесса (стандартная 25 °C).
• Необходимые инструменты: pH-метр, буферные растворы, дистиллированная/деионизированная вода, термометр/RTD (для компенсации), мягкая щетка/HCl/NaOH для очистки, салфетка (не протирать во избежание статического электричества).
• Заблуждения: Ожидается нелинейность (3 участка: 0-2, 6-8, 12-14 pH из-за смещения изоэлектрической точки). Коэффициенты активности часто не нужны. Для сложных образцов используйте стандартную добавку.
• Меры предосторожности: Работайте с кислотами/едкими веществами в перчатках. Избегайте контакта с цианидом и HCl (опасность токсичного газа).

Базовая структура стеклянного pH-электрода, показывающая стеклянную мембрану, внутренний стандарт и электролит.

Шаг 1: Подготовка и первоначальный осмотр

• Соберите материалы: убедитесь, что буферные растворы свежие (например, pH 4,01, 7,00, 9,21/10,01). Для промывания используйте дистиллированную воду. При отсутствии встроенной компенсации возьмите с собой термометр.

Примечание: в некоторых моделях Rika предусмотрена функция автоматической регулировки теплового сопротивления в диапазоне 0–100 °C.

• Осмотрите датчик: извлеките его из процесса/хранилища. Визуально проверьте на наличие загрязнений, трещин или низкого уровня электролита (стеклянные электроды). Для датчиков, таких как Rika RK500-12, убедитесь в целостности герметика IP68.
• Включение и стабилизация: включите счётчик. Подождите 1–3 минуты, чтобы выходной сигнал датчика достиг равновесия. Для счётчиков на базе микропроцессора (например, Rika с выходом RS485) войдите в режим калибровки.

Шаг 2: Очистка датчика

Перед калибровкой обязательна очистка для удаления налёта и грязи, вызывающих ошибки. Пропускать её следует только в том случае, если быстрая проверка подтвердит отсутствие загрязнений.

• Промывание: используйте теплую дистиллированную/водопроводную воду или струю/распылитель для удаления остатков пищи.
• Общая очистка: замочите лампу/справочник в воде с моющим средством на 5 минут. Аккуратно потрите лампу/справочник мягкой щёткой. Убедитесь, что щётка не абразивная.
• Для определенных загрязняющих веществ:
  • Щелочь/накипь: замачивание в 5–10% растворе HCl или уксуса (<5 мин)
  • Кислотный: замачивание в слабом растворе NaOH (<4%)
  • Масло/органика: моющее средство или совместимый растворитель
  • Неорганические/органические вещества: 0,1 моль/л HCl/NaOH для неорганических веществ. Спирт/ацетон для органических веществ, затем промыть.
• Промывание и стабилизация: промойте водой; замочите в буферном растворе с pH 7 или водопроводной воде на несколько минут для нейтрализации/стабилизации. Высушите, промокнув (не протирая; Hamilton).
• Избегайте использования с другими типами: ISFET/оксид металла может не нуждаться в проверке электролита, но избегайте абразивных материалов.

Примечание: Если после очистки показания остаются неверными, выполните калибровку. Если электрод сильно загрязнён, замените его.

Шаг 3: Выполните проверку калибровки (необязательная быстрая проверка)

Перед полной калибровкой проверьте, если необходимо.

• Погрузить в буферные растворы: поместить в растворы с pH 7 (смещение) и pH 4/10 (диапазон); записать показания, не корректируя их.
• Проверьте допуск: если он находится в пределах ±0,1 pH, калибровка не требуется — переустановите. (Rika обеспечивает точность ±0,01 pH).
• Перемешивание: Аккуратно перемешайте до однородности, затем измерьте не перемешивая, чтобы не повредить диффузионный слой (DL)/переходный слой (TL).

Примечание: Если показания выходят за пределы допуска, выполните повторную очистку или калибровку.

Шаг 4: Полная калибровка (двухточечный стандарт для стеклянных электродов)

Для большинства применений использование двухточечного стандарта эффективно и восстанавливает точность датчиков pH. Микропроцессорные измерители автоматически рассчитывают наклон/смещение. Для работы с промышленными датчиками pH может потребоваться подключение калибровочного прибора или интерфейса.

• Выберите буферы: два буфера, охватывающие ваш диапазон (например, 4 и 7 для кислых; 7 и 10 для щелочных). Они подходят для датчиков, таких как Rika, с широким диапазоном (0–14 pH).
• Согласование температуры: убедитесь, что буферы имеют температуру процесса (по умолчанию 25°C). Используйте встроенную компенсацию Rika или введите значение вручную.
• Промойте и погрузите датчик в первый буфер: промойте датчик. Погрузите его в раствор с pH 7 (или ниже). Оставьте на 1–3 мин (8–10 с для Rika в текучих жидкостях).
• Активируйте калибровку: следуйте подсказкам счётчика. Подтвердите сообщения об очистке.
• Промыть/высушить: промыть деионизированной водой. Промокнуть насухо (не тереть, чтобы не было статического электричества).
• Второй буфер: повторите для pH 4/10. Измеритель регулирует наклон/смещение. Сохраните данные.
• Проверка: Перепроверьте буферы. Наклон должен быть 92–102%. Если есть предупреждения, например, о неправильном буфере, выполните очистку/повторите попытку.

Примечание: Для многоточечных измерений добавьте 3+ буфера (например, 4, 7, 9, 10) для широких диапазонов или минимальной неопределенности. Высокоточные модели Rika используют MPC для характеристики нелинейности.

Шаг 5: Последующая калибровка и проверка

• Документ: Дата записи, буферы, наклон/смещение, температура.
• Переустановите: Для каждого приложения, как датчики процесса от погружного прибора Rika Type-B2.
• Поиск неисправностей:
  • Шум/дрейф: проверьте проводку/контуры заземления. Очистите ещё раз.
  • Нелинейность: ожидается в крайних случаях и при больших различиях между стандартными решениями. Используйте точки, близкие к точкам выборки.
  • Несоответствие спаев/Ошибка натрия: используйте ссылки с двойным спаем (варианты Рики).

Шаг 6: Техническое обслуживание и периодичность для долговременной точности

• Хранение: в 3М растворе KCl или насыщенном растворе KCl. Избегайте использования дистиллированной воды (высушивает электрод).
• Периодичность регулировки: осмотр/очистка каждые 3–6 месяцев. Калибровку следует проводить при отклонении pH >±0,2 или после экстремального воздействия.
• Диагностика датчика: Современные измерители (например, Rika) отслеживают импеданс/крутизну. Замените, если импеданс изменяется на <92% или >102%.

Заключение

Измерение pH в воде позволяет получить представление о её химическом составе. Оно позволяет обнаружить изменения, которые иначе были бы незаметны невооружённым глазом. Инженеры и учёные разработали различные типы pH-датчиков, каждый из которых предназначен для определённых целей. К ним относятся стеклянные электроды, комбинированные электроды, ISFET, датчики на основе оксидов металлов и погружные датчики. Наиболее популярной, экономичной и точной конструкцией являются стеклянные электроды. Однако со временем способность датчика к обнаружению может снижаться. Поэтому для большинства промышленных датчиков оптимальным является интервал калибровки от 3 до 6 месяцев. Осмотр, очистка, проверка калибровки, полная калибровка и послекалибровочные проверки — ключевые этапы процесса калибровки. Этот процесс должен восстановить точность и достоверность показаний датчика.

Нестандартные датчики могут требовать частой калибровки и давать неравномерные результаты в точных буферных растворах. Для высокоточной и эффективной повторной калибровки обратите внимание на датчики pH для воды Rika . Они обеспечивают широкий диапазон измерений (0–14 pH), исключительное разрешение (0,01 pH), температурную компенсацию (0–100 °C) и энергоэффективность своих датчиков pH (<0,15 Вт). Более того, их новейшие разработки выполнены из прочных материалов, таких как стекло+316L или поликарбонат+АБС, с классом защиты IP68 и возможностью погружения под воду до 1 МПа. Посетите веб-сайт Rika, чтобы ознакомиться со всеми вариантами.

Часто задаваемые вопросы о датчике pH

Q1:Зачем калибровать датчик pH?

Каждый датчик со временем дрейфует и теряет точность. Причина может заключаться в чувствительном компоненте. Поэтому важно регулярно очищать и калибровать датчик. Обычно для промышленных pH-датчиков достаточно 3–6 месяцев. Регулярная калибровка поможет поддерживать точность датчика.

Q2:Когда следует калибровать датчик pH

Существует два подхода к калибровке pH-датчиков: профилактическое и корректирующее обслуживание. Профилактическое обслуживание включает в себя периодическую калибровку и проверки, которые должны проводиться каждые 3–6 месяцев для промышленных датчиков и при каждом измерении в лабораторных условиях. Корректирующее обслуживание необходимо, когда pH-датчик подвергается воздействию экстремальных условий, долго хранится, даёт нестабильные показания или загрязняется.

Q3:Какие буферные растворы следует использовать?

Используйте сертифицированные стандартные образцы (CRM), буферные растворы с интервалом ≥2 единиц pH, температуру, соответствующую стандарту 25 °C, и нейтральный буферный раствор. Это обеспечит точность результатов, поскольку реакция может быть нелинейной при разных уровнях pH.

Можно ли проводить калибровку в полевых условиях?

Да, калибровку можно проводить в полевых условиях. Вам понадобится портативный pH-метр, сертифицированные буферные растворы, дистиллированная вода, мыло, моющее средство, салфетки, 5% раствор HCl/NaOH и устойчивая поверхность. Однако во время калибровки прибор может быть отключен от контроллеров процесса.