(1) pH-стеклянный сенсор

Требования пользователей к pH-стеклянным датчикам

1. Стеклянная мембрана с низким импедансом

2. Химическая коррозия в диапазоне pH от 0 до 14

3. Не легко повредить

4. Термическая стабильность

5. Хорошая воспроизводимость

6. Нестабилен к гидролизу

7. Отсутствие щелочного смещения

8. Линейные значения потенциала в диапазоне pH от 0 до 14

Тонкоплёночное стекло в основном состоит из SiO ₂ Состоит из сетки правильного тетраэдра, сетчатого каркаса и узлов сеточного заряда. При этом последний компонент может быть SiO. ₂ Сетчатая структура стекла ослабляется, что позволяет катионам единичной цены обмениваться. Ранние мембранные стёкла обычно представляли собой натриевое стекло; такое стекло демонстрирует хорошую линейность при pH до 10, тогда как при значениях выше этого порога наблюдается значительная щелочная погрешность. В настоящее время в стеклянный расплав добавляют соединения лития (литиевое стекло), благодаря чему мембранное стекло обладает более широким диапазоном pH и крайне малой щелочной погрешностью.

Когда поверхность тонкоплёночного стекла смачивается водой, щелочные ионы с её поверхности растворяются, то есть происходит гидролиз поверхности тонкоплёночного стекла. В зависимости от типа стекла такой гидролиз может приводить к образованию на поверхности стекла слоя набухания толщиной 0,3–0,6 нм. Для H ⁺ С точки зрения ионов, этот набухающий слой очень похож на ионообменник. По мере изменения pH измеряемой среды H ⁺ Ионы диффундируют в набухший слой или выходят из него. Что касается внутренней стороны тонкоплёночного стекла, то весь процесс протекает аналогично описанному выше; однако, поскольку внутренний раствор является стационарным (например, внутренний раствор с pH 7), формируется лишь постоянная концентрация H. ⁺ Активность ионов. Внутренний и наружный набухшие слои разделены стекловидной тканью, при этом из-за различия поверхностных потенциалов с внутренней и наружной сторон стеклянной мембраны на ней устанавливается разность потенциалов. Эта разность потенциалов может быть измерена методом нулевого тока с помощью мВ-метра со шкалой pH и отображена в виде значения pH.

Этот потенциал подчиняется уравнению Нернста: при температуре 25 °C изменение активности протонов на одну единицу (на один pH) приводит к изменению потенциала на 59,16 мВ.

Щелочно-кислотная погрешность

В теории кривая потенциала, соответствующая всем значениям pH, должна быть линейной; на практике же на обоих концах характерной кривой наблюдается нелинейность.

Так называемая кислотная погрешность в основном обусловлена неподвижными ионами водорода, накапливающимися в слое набухания. Поэтому при значении pH примерно ниже 2 потенциал не достигает значения 59,16 мВ на единицу изменения pH, как это предсказывает уравнение Нернста. Современные стеклянные мембраны практически полностью устраняют эту погрешность.

Что касается щелочной погрешности, то она проявляется в том, что показанное значение pH оказывается заниженным. Причиной этого является замещение ионов щёлочи, приводящее к недостаточной концентрации ионов H+. Данная погрешность особенно характерна для сред, содержащих высокие концентрации ионов натрия и лития. Щелочная погрешность может быть уменьшена путём подбора соответствующей компенсационной формулы.

Концепция электрода с высокими эксплуатационными характеристиками должна быть следующей:

1. Сравнительная система. (Ag/AgCl)

2. Стабильный потенциал полуэлектрода и устойчивая к загрязнению ссылочная система (соляной мостик с электролитом).

3. Диафрагма. (Антизагрязняющая тефлоновая кольцевая диафрагма)

4. Необслуживаемая эталонная система, выдерживающая давление до 15 бар. (Заполнение гелем KCl без обслуживания)

Все вышеперечисленные особенности нашли своё отражение в наших электродах.

1. Круглая мембрана окружает pH-стеклянную плёнку, образуя центрально симметричную зону с высокой ионной активностью; это позволяет использовать преимущества конической щелевой мембраны, одновременно избегая её недостатков — таких как засорение мембраны и значительный расход KCl, обусловленные воздействием потока, отложением накипи и ударными тепловыми нагрузками. Электрод не требует обслуживания, а ссылочная система мало подвержена засорению. В средах с дефицитом ионов также можно получать точные измерения, если применять резервный раствор KCl.

2. Не требуется заполнение пор электролитическим раствором, поэтому стеклянная трубка герметична; кроме того, вследствие несжимаемости электролитического раствора устройство может применяться при давлениях до 6 бар (при использовании специальных мер — до 10 бар).

3. В отличие от традиционных мембран, не чувствителен к загрязнениям.

4. Полуклетка Ag/AgCl оснащена независимым ссылочным каналом, то есть её стабильный потенциал поддерживается за счёт контакта с измеряемой средой через солевой мостик. Благодаря этому потенциал полуклетки остаётся стабильным в течение достаточно длительного времени.

5. Гель не содержит серебра, поэтому он не вступает в реакцию с серосодержащими измеряемыми средами.

6. При термическом ударе и охлаждении на воздухе не образуются сплошные пузырьки, как это происходит с перфорированными мембранами. Пузырьки, возникающие за перфорированной мембраной, могут привести к нарушению изоляции в системе сравнения.

7. В отличие от пористых мембран, при термическом ударе не происходит вытекания геля.