YOKOGAWA橫河PH計測量原理

YOKOGAWA橫河PH計

測量原理
    pH計主要用于測量液體中的氫離子濃度。準確地說是測量氫離子活性，得出酸性、中性還是堿性的數(shù)值，在自來水、河水、飲料、食品、污水、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域廣泛地使用工業(yè)用液體分析儀。

pH計原理圖

全量程是0～14pH，pH=7為中性，pH<7為酸性，pH值接近0為強酸性。pH>7為堿性，pH值接近14為強堿性。
普通pH計的原理和結(jié)構(gòu)如上圖所示，將待測液體氫離子活性作為兩根電極之間產(chǎn)生的電位差，通過變送器得到傳輸信號。
成為基準的電極被稱為玻璃電極，從外觀來看與玻璃試管相似。但是前端為特殊玻璃制成的數(shù)十μmm的薄膜玻璃，內(nèi)置有內(nèi)部緩沖液和內(nèi)部電極。內(nèi)部電極與待測液體之間有玻璃薄膜，基本上是絕緣狀態(tài)。
另一端的電極稱為比較電極（或參比電極），結(jié)構(gòu)與玻璃電極類似，但前端有液接界，內(nèi)部液體與待測液體通過縫隙接觸。液接界形態(tài)多樣，包括玻璃纖維形、小孔形、陶瓷形、套管形等，根據(jù)具體的用途進行選擇。
檢測部分的阻抗由于隔著玻璃膜，阻抗大于10MΩ，所以變送部分需要更高的阻抗，必須達到1GΩ以上，放大器與電極之間也使用絕緣性高的導線和端子。

測量液的氫離子活性會使玻璃電極的薄膜玻璃兩側(cè)之間產(chǎn)生電位差。玻璃電極的薄膜玻璃內(nèi)側(cè)電位經(jīng)過內(nèi)部緩沖液，通過內(nèi)電極導出；而接液的外側(cè)電位經(jīng)過待測液體-參比電極液接界-內(nèi)部液體，通過參比電極的內(nèi)部電極導出。
兩電極的內(nèi)部電極與內(nèi)部液體之間產(chǎn)生的電位，大體相互抵消，所以能測量薄膜玻璃兩側(cè)的電位。
pH值與氫離子活性aH+的關(guān)系如下所示:

 pH=-log10aH⁺
 

也就是說，pH值與離子活性常用對數(shù)的倒數(shù)成比例，p是冪（power）的首字母，意思是乘方；H是氫（Hydrogen）的首字母，意思是氫離子。
此外，氫離子活性與氫離子濃度的關(guān)系如下:

aH⁺＝γH⁺（H⁺）

γH⁺: 氫離子活性系數(shù)（activity coefficient）
H⁺: 氫離子濃度

用小于1的數(shù)值表示氫離子活性系數(shù)，濃度很低時視為1。用能斯特方程式來表示測量電位差:

 E＝（2.303RT/F）（pHi-pHs）+Eas

E: 測量電位差（V）
R: 氣體常數(shù)（8.31441JK^-1mol^-1）
T: 溫度（K）
F: 法拉第常數(shù)（96484.56 C mol^-1）
pHi: 玻璃電極內(nèi)部緩沖液的pH值（=7）
pHs: 測量液的pH值
Eas: 不對稱電位（理論值與實際值的電位偏移） （V）

誤差校正
理論上，0～7～14pH的發(fā)生電位差在25℃時為+414mV～0～-414mV左右。在能斯特方程式中，電位差大約會變化-59mV，但實際上1pH的變化大約會變化-58mV，此外對于強酸性與強堿性由于玻璃膜的材質(zhì)以及液體的種類不同，會產(chǎn)生誤差。

pH計的電位差

pH計的校正使用符合JIS標準的pH標準液。pH標準液包括草酸鹽（1.68pH）、酞酸鹽（4.01pH）、中性磷酸鹽（6.86pH）、磷酸鹽（7.41pH）、硼酸鹽（9.18pH）、碳酸鹽（10.01pH）。

水性質(zhì)的奇妙之處

 水和空氣一樣，都是和我們zui密切相關(guān)的物質(zhì)，但是水卻擁有非常奇妙的性質(zhì)。

奇妙之處1
水在0℃以下會結(jié)成固體（冰）。一般的物質(zhì)從液態(tài)變成固態(tài)時，體積都會減小，但是水卻正好相反，體積會增加。這一點從行駛在漂浮著冰山的大洋上的泰坦尼克號的遭遇中也可以得知。
在測量領(lǐng)域中，安裝在寒冷地帶的管道和傳感器，內(nèi)部的水在冬季會發(fā)生凍結(jié)，膨脹壓力會導致變送器和導壓管的破裂。因此，需要采取保溫以及蒸汽伴熱等防凍措施。

奇妙之處2
普通液體具有隨著溫度升高比重減小的性質(zhì)。而水卻會在從0℃升至4℃的過程中比重增加，超過4℃以后，水才會像普通液體一樣隨著溫度的升高，比重減小。
在寒冷的情況下，湖面或水池表面結(jié)冰，水底卻很難結(jié)冰的現(xiàn)象，就是因為這種性質(zhì)，使得對流引起的水溫下降現(xiàn)象會在4℃時停止。

奇妙之處3
水還具有將溶解于其中的物質(zhì)離子化的性質(zhì)（電解）。而油等其他液體則不易溶解物質(zhì)，也無法離子化。比如說，鹽酸HCl在水中電離為H+離子和Cl-離子后運動非?；钴S。定量測量這種活躍程度的量是pH值。
鹽酸和硫酸腐蝕金屬正是由于這種電解作用，所以在潮濕的情況下會加劇腐蝕。
但是，這一點對于動物和植物來說卻是非?？少F的性質(zhì)，正是由于水的這種性質(zhì)，生物才得以在地球上生存。
 

pH值的參考實例

 糖液濃縮時，pH值控制在5～8范圍內(nèi)，白糖不會變色。
為了去除淀粉的澀味，將pH值變?yōu)閴A性。
將作為原料的淀粉的pH值控制在6～6.5范圍內(nèi)，制造葡萄糖。
在凈水場向源水中投放*，將pH值控制在10左右，能提高凝固和沉淀效率。
為了去除魚餅等水產(chǎn)品中的水溶性蛋白，將pH值控制在6～6.5范圍內(nèi)。
加工干酪的pH值大于6時，不易保存。在5.5～5.7以下時會變硬。
將香腸中的pH值控制在6～6.3范圍內(nèi)保存，可以保持彈性。
pH值大于9的堿離子水有益于健康。
pH值為5.5左右的酸離子水有益于美容。
pH值為3左右的酸離子水具有殺菌效果，經(jīng)常在醫(yī)院等場所使用。
對燙發(fā)劑進行pH值管理。
將pH值小于5.6的雨稱為酸雨。

液體的pH參考值