pH 측정

많은 액체 화학 공정(산업, 제약, 제조, 식품 생산 등)에서 매우 중요한 측정은 pH 측정입니다. 즉, 액체 용액의 수소 이온 농도 측정입니다. pH 값이 낮은 용액을 "산"이라고 하고 pH가 높은 용액을 "가성"이라고 합니다. 일반적인 pH 척도는 0(강산)에서 14(강한 부식성)까지 확장되며 중간에 7은 순수한 물(중성)을 나타냅니다.

pH는 다음과 같이 정의됩니다. pH의 소문자 "p"는 음의 공통(10진수) 로그를 나타내고 대문자 "H"는 원소 수소를 나타냅니다. 따라서 pH는 용액 1리터당 수소 이온(H+)의 몰 수를 대수적으로 측정한 것입니다. 덧붙여서, "p" 접두사는 대수 척도가 필요한 다른 유형의 화학 측정에도 사용되며, pCO2(이산화탄소) 및 pO2(산소)가 이러한 두 가지 예입니다.

로그 pH 척도는 다음과 같이 작동합니다. 10 ^-12 리터당 H+ 이온의 몰은 pH가 12입니다. 10 ^-3 의 솔루션 리터당 H+ 이온의 몰은 pH가 3입니다. 매우 드물지만 pH 측정값이 0 미만인 산과 pH가 14를 초과하는 부식제가 있습니다. 이러한 용액은 당연히 매우 농축되어 있고 매우 반응적입니다.

pH 전극

pH는 특정 화학 분말의 색상 변화로 측정할 수 있지만("리트머스 스트립"은 고등학교 화학 수업의 친숙한 예임) pH를 지속적으로 모니터링하고 제어하려면 보다 정교한 접근 방식이 필요합니다. 가장 일반적인 접근 방식은 용액의 수소 이온이 선택적 장벽을 통해 이동할 수 있도록 특별히 준비된 전극을 사용하여 용액의 pH에 ​​비례하는 측정 가능한 전위(전압) 차이를 생성하는 것입니다.

pH 전극의 설계 및 작동 이론은 매우 복잡한 주제이며 여기서는 간략하게만 설명합니다. 이해하는 것이 중요한 것은 이 두 전극이 용액의 pH에 ​​정비례하는 전압을 생성한다는 것입니다. pH 7(중성)에서 전극은 전극 사이에 0볼트를 생성합니다. 낮은 pH(산성)에서는 한 극성의 전압이 발생하고 높은 pH(가성)에서는 반대 극성의 전압이 발생합니다.

측정 전극

pH 전극의 불행한 설계 제약은 그 중 하나(측정 전극)은 용액 주위에 떠 있는 다른 모든 이온으로부터 수소 이온을 차단하는 데 필요한 이온 선택성 장벽을 만들기 위해 특수 유리로 구성되어야 합니다. 이 유리는 리튬 이온으로 화학적으로 도핑되어 있어 수소 이온과 전기화학적으로 반응합니다. 물론 유리는 정확히 "도체"라고 부르는 것이 아닙니다. 오히려 매우 우수한 절연체입니다.

이것은 우리의 의도가 두 전극 사이의 전압을 측정하는 것이라면 주요 문제를 나타냅니다. 한 전극 접점에서 유리 장벽을 통해 용액을 통해 다른 전극으로, 그리고 다시 다른 전극 접점을 통해 되돌아오는 회로 경로는 매우 높은 저항.

기준 전극

다른 전극(참조 전극)은 중성(7) pH 완충 용액(일반적으로 염화칼륨)의 화학 용액으로 만들어지며 다공성 분리기를 통해 공정 용액과 이온을 교환하여 테스트 액체에 상대적으로 낮은 저항 연결을 형성합니다. 처음에는 액체에 전기적으로 연결하기 위해 금속 와이어를 용액에 담그면 어떻습니까? 이것이 작동하지 않는 이유는 금속은 이온성 용액에서 반응성이 높은 경향이 있고 금속-액체 접촉 계면에서 상당한 전압을 생성할 수 있기 때문입니다.

측정된 용액에 습식 화학 계면을 사용하는 것은 이러한 전압 생성을 방지하는 데 필요하며, 이는 물론 모든 측정 장치에서 pH를 나타내는 것으로 잘못 해석될 수 있습니다.

다음은 측정 전극의 구성을 보여줍니다. pH 전압이 생성되는 얇은 리튬 도핑 유리막에 주목하십시오.

다음은 기준 전극의 구성을 보여주는 그림입니다. 전극 하단에 표시된 다공성 접합부는 염화칼륨 완충액과 공정 액체가 서로 접하는 곳입니다.

측정 전극의 목적은 용액의 pH를 측정하는 데 사용되는 전압을 생성하는 것입니다. 이 전압은 유리의 두께에 걸쳐 나타나며, 전압의 한쪽에는 은선을 놓고 다른 쪽에는 액체 용액을 놓습니다. 기준 전극의 목적은 유리 전극의 전압을 측정하기 위한 완전한 회로를 만들 수 있도록 액체 용액에 안정적인 제로 전압 연결을 제공하는 것입니다.

테스트 액체에 대한 기준 전극의 연결은 몇 킬로옴에 불과하지만 유리 전극의 저항은 전극 설계에 따라 10~900메가옴 범위일 수 있습니다! 이 회로의 모든 전류는 둘 모두를 통해 이동해야 합니다. 전극의 저항(및 테스트 액체 자체에 의해 나타나는 저항)에서 이러한 저항은 서로 직렬로 연결되어 더 큰 합계를 만듭니다.

일반 아날로그 또는 디지털 전압계는 이러한 고저항 회로에서 전압을 측정하기에는 내부 저항이 너무 낮습니다. 일반적인 pH 프로브 회로의 등가 회로도는 다음과 같은 문제를 보여줍니다.

회로의 각 구성 요소(특히 측정 전극의 유리막)의 높은 저항을 통해 이동하는 매우 작은 회로 전류조차도 이러한 저항에 걸쳐 상대적으로 상당한 전압 강하를 생성하여 미터에 표시되는 전압을 심각하게 감소시킵니다. 설상가상으로 측정 전극에 의해 생성된 전압 차이가 밀리볼트 범위(실온에서 pH 단위당 이상적으로는 59.16밀리볼트)로 매우 작다는 사실입니다. 이 작업에 사용되는 미터는 매우 민감해야 하고 입력 저항이 매우 높아야 합니다.

이 측정 문제에 대한 가장 일반적인 해결책은 전극 전압을 측정하기 위해 내부 저항이 극도로 높은 증폭 미터를 사용하여 회로를 통해 가능한 한 적은 전류를 끌어들이는 것입니다. 최신 반도체 부품으로 최대 10 ¹⁷ 의 입력 저항을 갖는 전압계 Ω은 어렵지 않게 만들 수 있습니다. 현대에서는 거의 볼 수 없는 또 다른 접근 방식은 전위차계 "널 밸런스(null-balance)" 전압 측정 설정을 사용하여 아무도 끌어오지 않고 이 전압을 측정하는 것입니다. 테스트 중인 회로의 전류. 기술자가 한 쌍의 pH 전극 사이의 전압 출력을 확인하려는 경우 표준 탁상용 측정 장비만 사용하여 수행하는 가장 실용적인 수단일 것입니다.

평소와 같이 정밀 전압 공급 장치는 null 감지기가 0을 등록할 때까지 기술자가 조정한 다음 공급 장치와 병렬로 연결된 전압계를 확인하여 전압 판독값을 얻습니다. 검출기가 "무효화"(정확히 0으로 등록됨)되면 pH 전극 회로에 0 전류가 있어야 하며, 따라서 어느 한 전극의 저항에 걸쳐 전압 강하가 없어야 전압계 단자에서 실제 전극 전압을 얻을 수 있습니다.

pH 전극에 대한 배선 요구 사항은 열전대 배선보다 훨씬 더 엄격한 경향이 있어 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 위해 매우 깨끗한 연결과 짧은 거리의 배선(금도금 접점 및 차폐 케이블의 경우에도 10야드 이하)을 요구합니다. 그러나 열전쌍과 마찬가지로 전극 pH 측정의 단점은 우수한 정확도와 상대적인 기술적 단순성이라는 장점으로 상쇄됩니다.

pH 측정은 매우 광범위하게 오해되고 문제를 해결하기 어렵기 때문에 몇 가지 계측 기술이 pH 측정에 의해 명령되는 경외심과 신비로움을 불러일으킵니다. pH 측정의 정확한 화학에 대해 자세히 설명하지 않고 여기에서 pH 측정 시스템에 대해 몇 마디 지혜를 얻을 수 있습니다.

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모든 pH 전극에는 유한한 수명이 있으며 그 수명은 서비스 유형과 심각도에 따라 크게 달라집니다. 일부 응용 분야에서는 한 달의 pH 전극 수명이 긴 것으로 간주될 수 있고 다른 응용 분야에서는 동일한 전극이 1년 이상 지속될 것으로 예상될 수 있습니다.

유리(측정) 전극은 pH 비례 전압을 생성하는 역할을 하기 때문에 측정 시스템이 주어진 pH 변화(pH당 약 59밀리볼트)에 대해 충분한 전압 변화를 생성하지 못하는 경우 의심되는 전극으로 간주됩니다. 단위) 또는 테스트 액체 pH의 빠른 변화에 충분히 빠르게 반응하지 못합니다.

pH 측정 시스템이 "드리프트"하여 오프셋 오류를 생성하는 경우 문제는 측정된 용액과 제로 전압 연결을 제공해야 하는 기준 전극에 있을 가능성이 높습니다.

pH 측정은 이온 농도의 대수 표현이기 때문에 겉보기에 단순한 0-14 pH 척도로 표현되는 공정 조건의 놀라운 범위가 있습니다. 또한 로그 스케일의 비선형 특성으로 인해 상단에서 pH 1의 변화(예:pH 12에서 13로)는 하단에서 pH 1의 변화와 동일한 양의 화학적 활성 변화를 나타내지 않습니다. (즉, 2에서 3까지의 pH). 제어 시스템 엔지니어와 기술자는 제어의 희망이 있는 경우 이러한 역학을 인식해야 합니다. 안정적인 값으로 pH를 처리합니다.

다음 조건은 측정(유리) 전극에 위험합니다. 고온, 극한 pH 수준(산성 또는 알칼리성), 액체의 높은 이온 농도, 마모, 액체의 불화수소산(HF산은 유리를 녹입니다!), 유리 표면의 모든 종류의 재료 코팅

측정된 액체의 온도 변화는 주어진 pH 수준(이상적으로는 pH 단위당 59mV)에 대한 측정 전극의 반응과 액체의 실제 pH에 모두 영향을 미칩니다. 온도 측정 장치는 액체에 삽입할 수 있으며 이러한 장치의 신호는 pH 측정에 대한 온도의 영향을 보상하는 데 사용되지만 이는 프로세스의 실제 pH 변화가 아니라 측정 전극의 mV/pH 응답만 보상합니다. 액체!

pH 측정 분야에서는 여전히 발전이 이루어지고 있으며, 그 중 일부는 pH 전극의 전통적인 한계를 극복할 수 있는 큰 가능성이 있습니다. 그러한 기술 중 하나는 전계 효과 트랜지스터라는 장치를 사용합니다. 실제 전압계 회로로 전압을 측정하는 것보다 이온 투과성 멤브레인에 의해 생성된 전압을 정전기적으로 측정합니다. 이 기술은 그 자체로 한계가 있지만 적어도 선구적인 개념이며 나중에 더 실용적으로 증명될 ​​수 있습니다.

검토:

<울>

pH는 액체의 수소 이온 활성을 나타냅니다. 액체 1리터당 수소 이온 수(몰)의 음의 로그입니다. 따라서:10 ^-11 1리터의 액체에 있는 수소 이온의 몰 =11 pH. 10 ^-5.3 액체 1리터의 수소 이온 몰 =5.3 pH.

기본 pH 척도는 0(강산)에서 7(중성, 순수한 물)에서 14(강한 부식성)까지 확장됩니다. pH 수준이 0 미만이고 14를 초과하는 화학 용액은 가능하지만 드뭅니다.

액체에 담근 두 개의 특수 전극 사이에 생성된 전압을 측정하여 pH를 측정할 수 있습니다.

특수 유리로 만들어진 하나의 전극을 측정이라고 합니다. 전극. pH에 비례하는 작은 전압을 생성하는 것이 작업입니다(이상적으로는 pH 단위당 59.16mV).

다른 전극(참조이라고 함) 전극)은 측정된 액체와 안정적인 중성 pH 완충 용액(일반적으로 염화칼륨) 사이의 다공성 접합을 사용하여 액체에 제로 전압 전기 연결을 생성합니다. 이것은 측정 전극의 유리 두께에 걸쳐 생성된 전압을 외부 전압계로 측정할 수 있도록 완전한 회로에 연속성을 제공합니다.

측정 전극의 유리막 저항이 매우 높기 때문에 내부 저항이 매우 높은 전압계 또는 널 밸런스 전압계를 사용하여 전압을 측정해야 합니다.