PH計測量原理

2015年08月12日 14:17廣州誠敏電子科技有限公司點擊量：4355

PH計測量原理

pH計主要用于測量液體中的氫離子濃度。準(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)到1GΩ以上，放大器與電極之間也使用絕緣性高的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的pH標(biāo)準(zhǔn)液。pH標(biāo)準(zhǔn)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)。

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