Com es calcula la vàlvula de pH? Fonaments bàsics i funcionament del sensor de pH

Definició del pH

El pH és la representació numèrica del gram-equivalent per litre de concentració d’ions hidrogen en qualsevol solució. Varia entre 0 i 14. És la mesura logarítmica de mols d’ions hidrogen per litre de solució. Les solucions amb un valor de pH entre 0 i 7 són solucions àcides amb una gran concentració d’ions hidrogen, mentre que les solucions amb valors de pH entre 8 i 14 són solucions bàsiques amb concentració petita d’hidrogen. Les solucions amb un valor de pH de 7 són solucions neutres. La mesura del pH permet mesurar l’alcalinitat o l’acidesa d’una solució.

Per què és fonamental la mesura del pH?

• Per controlar el nivell de pH de la sang, que ha d’estar entre les 7.35 i les 7.45
• Monitoritzar el nivell de pH del sòl per obtenir un creixement òptim dels cultius segons els requisits.
• Supervisar el pH de la pluja perquè puguem detectar els contaminants de l’aire, si l’aigua de la pluja esdevé més àcida.
• Per controlar el pH de molts altres productes d'ús diari com la llet, el xampú, etc.

Tres maneres de mesurar el pH d’una solució

• Utilitzant una tira indicadora que, quan es col·loca en una solució, canvia el color en conseqüència. A continuació, es treu la tira i el seu color es combina amb un color de la taula de colors per decidir el valor de pH corresponent.
• Utilitzant un fluid indicador de pH on s’afegeix la solució desconeguda al fluid i es combina el color canviat del fluid amb un color ja disponible a la roda de colors per decidir el valor del pH.
• Utilitzant un sensor de pH on es pot inserir una sonda a l’interior de la solució i es pot fer la lectura del pH.

5 Avantatges d'utilitzar el mesurador de pH respecte d'altres mètodes

• Donen mesures més precises.
• Es poden utilitzar fàcilment.
• La lectura del pH és més fàcil comparativament.
• Donen mesures més precises ja que poden mesurar fins a 1/100^thde la unitat de pH.
• Són reutilitzables.

Principi del mesurador de pH o sensor de pH

El mesurador de pH funciona bàsicament en el fet que una interfície de dos líquids produeix un potencial elèctric que es pot mesurar. Dit d'una altra manera, quan un líquid dins d'un recinte de vidre es col·loca dins d'una solució diferent d'aquest líquid, existeix un potencial electroquímic entre els dos líquids.

Components del sensor de pH

Bàsicament és un elèctrode format per 4 components:

• Un elèctrode de mesura : És un tub format per vidre i consisteix en una fina bombeta de vidre soldada amb ell, plena de solució de clorur de potassi de pH conegut de 7. També conté un bloc de clorur de plata unit a un element de plata. Genera el voltatge utilitzat per mesurar el pH de la solució desconeguda.

Un elèctrode de mesura

• Un elèctrode de referència : És un tub de vidre format per una solució de clorur de potassi en contacte íntim amb un bloc de clorur de mercuri al final del clorur de potassi. S'utilitza per proporcionar una connexió estable de voltatge zero per completar tot el circuit.

  

  Un elèctrode de referència

• Preamplificador : És un dispositiu de condicionament del senyal i converteix el senyal de l’elèctrode de pH d’alta impedància en un senyal de baixa impedància. Reforça i estabilitza el senyal, fent-lo menys susceptible al soroll elèctric.

Preamplificador

• Transmissor o analitzador : S’utilitza per mostrar el senyal elèctric del sensor i consisteix en un sensor de temperatura per compensar el canvi de temperatura.

Transmissor o analitzador

Funcionament del sensor de pH:

Funcionament del sensor de pH

L'elèctrode es col·loca dins del vas de precipitats ple d'una solució el pH del qual s'ha de mesurar. La bombeta de vidre soldada al final de l’elèctrode de mesura consisteix en ions de liti dopats que la fan actuar com una barrera selectiva d’ions i permet que els ions d’hidrogen de la solució desconeguda puguin migrar a través de la barrera i interactuar amb el vidre, desenvolupant una potencial electroquímic relacionat amb la concentració d’ions hidrogen. El potencial d'elèctrode de mesura canvia així amb la concentració d’ions hidrogen. D’altra banda, el potencial d’elèctrode de referència no varia amb la concentració d’ions hidrogen i proporciona un potencial estable amb el qual es compara l’elèctrode de mesura. Consisteix en una solució neutra que permet intercanviar ions amb la solució desconeguda a través d’un separador porós, formant així una connexió de baixa resistència per completar tot el circuit. La diferència de potencial entre els dos elèctrodes permet mesurar directament la concentració d’ions d’hidrogen o el pH del sistema i primer es preamplifica per enfortir-lo i després s’administra al voltímetre.

U = E_pH- ÉS_ref

ÉS_pH- Potencial de tensió de l’elèctrode de mesura

ÉS_ref- Potencial de tensió d’un elèctrode de referència

El pH es calcula basant-se en l'equació de Nernst que afirma que el canvi en el potencial total per a cada canvi en el pH és

U = -kTpH

k- temperatura constant de Boltzmann, T-.

Precaucions en la mesura del pH:

• El potencial d'elèctrode de l'elèctrode de mesura tendeix a variar amb la temperatura, cosa que pot afectar la mesura del pH. Per aquest motiu, s’ha de proporcionar una tècnica de compensació de temperatura. S’aconsegueix manualment fent una mesura de temperatura separada i introduint el valor al mesurador de pH o mitjançant una compensació automàtica de temperatura, que consisteix en un sensor de temperatura alimentat al mesurador de pH.
• Com que el vidre és realment un mal conductor de l'electricitat, l'elèctrode de mesura proporciona una gran resistència en comparació amb l'elèctrode de referència, provocant una gran caiguda de tensió que afecta la mesura de sortida. Una solució a aquest problema és mitjançant un mesurador amplificat amb alta resistència o mitjançant una configuració de mesura de voltatge de balanç nul.
• L’àcid fluorhídric no s’ha d’utilitzar en cap solució ja que dissol el vidre

Sensors de pH moderns disponibles al mercat:

• PHE-45P : Pot mesurar el pH en tot el rang amb una sensibilitat de 0,02pH i funciona en el rang de temperatura de -5 a + 95⁰C. Consisteix en un compensador de temperatura Pt1000 RTD.

PHE-45P

• Sensor de pH WQ201 : Es mesura amb Global Water Instrumentation Inc i es munta en cables de 25 peus de longitud marina fins a 500 peus, amb una sortida de 4-20 mA.

Sensor de pH WQ201

Aplicacions que impliquen un sensor de pH

Control del pH

La mesura del pH té un paper important en moltes aplicacions industrials, com el control de productes químics en fregadores industrials, la mesura del diòxid de sofre a les refineries de sucre i l’optimització de la coagulació en la clarificació de l’aigua. Proporciona un punt de control per neutralitzar àcids i bases.

El sistema de control de pH s’utilitza per mesurar el pH de la solució i també controla l’addició d’un agent neutralitzant per mantenir la solució a un pH neutre definit. Consisteix en un analitzador de pH i dos o més sensors de pH.

Control del pH

Ara que teníem els coneixements bàsics del sensor de pH i la seva aplicació en el control de pH, feu-nos saber algunes altres aplicacions d’aquest sensor. Si a més heu preguntat sobre aquest tema o sobre els sistemes elèctrics i projectes electrònics deixeu els comentaris a continuació.

Crèdit de fotos -

• Un elèctrode de mesura per Sensorland
• Un elèctrode de referència de Sensorland
• Transmissor o analitzador de Web.tradekorea
• Funcionament del sensor de pH per Amics del mar
• PHE-45P per Omega
• Sensor de pH WQ201 per Globalw
• sistema de control de pH per ÉS UN