Схема и принцип действия pH-метра для воды

Какой pH-метр лучше купить

Одним из главных параметров работы прибора является точность измерений. Она определяется допустимой погрешностью, указанной производителем. Использование pH-метра для решения бытовых задач не потребует особо высокой точности. А вот профессиональные модели должны иметь погрешность не более 0,1 pH.

Со временем точность измерений может ухудшиться. Чтобы этого не допустить, прибор необходимо калибровать. Регулярность подобной процедуры зависит от сферы использования устройства. Для получения точных показаний операция проводится перед каждым замером.

Наиболее достоверные сведения доступны моделям с автоматической калибровкой по трем точкам.

Стоит обратить внимание на тип используемого электрода. В приборах карандашного типа устанавливаются универсальные элементы. Они рекомендованы для проведения замеров в чистой среде. При работе с маслом или красками лучшим выбором станет электрод с тефлоновым покрытием или каломельный.

Перед покупкой аппарата следует определить температуру среды, в которой ему придется работать. Она влияет на растворимость ионов и активность химсостава, а также точность измерений. Для преодоления температурного влияния и корректной работы в любом климате прибор должен быть оснащен функцией автоматической цифровой компенсации.

Разновидности приборов

Измерители водородного показателя в жидких средах подразделяются на следующие типы:

1. лабораторные;
2. карманные;
3. производственные.

Первый тип приборов имеет широкий диапазон измерений — -2,000…16,000 (± 1000 мВ). Такие устройства отличаются повышенной точностью и функциональностью. Некоторые модели оснащены дополнительными градуировками, способны сохранять результаты предыдущих измерений для сравнения, имеют возможность интеграции с ПК. Приобрести Ph метр лабораторный по доступной цене можно на сайте компании «ЭкоЮнит».

Портативные измерители удобны в эксплуатации и не требуют стационарного источника питания. Компактные устройства выручают при работе в труднодоступных местах. Они применяются в бытовых целях для определения состава воды в бассейнах, котлах, аквариумах.

Производственные приборы предназначены для измерения кислотно-щелочных показателей жидкостей в различных сферах промышленности (фармацевтика, теплоэнергетика, сельское хозяйство, водоснабжение и др.).

карманные рН-метры

Легкие и удобные устройства предназначены для оперативного определения кислотности или щелочности среды / определения уровня pH среды в полевых условиях, когда использование более громоздких лабораторных «портативных рН-метров»; «стационарных рН-метров».   

Преимущества ph метра для воды

Определить качество воды дома и в промышленности можно при помощи лакмусовой бумажки, однако более достоверные данные дает измеритель ph. Устройство определяет уровень щелочности и кислотности жидкости. Сферы его применения: бытовая, промышленная, пищевая, строительная, медицинская. От состава воды зависит состояние экосистемы, поэтому данный прибор регулярно применяется в океанариумах и необходим аквариумистам. В растениеводстве большое значение имеет качество почвы и проводимость питательных веществ. От кислотности/щелочности воды зависит способность растений усваивать полезные элементы, а значит, эта характеристика непосредственно влияет на урожай.

Нелишним будет иметь такой прибор дома и регулярно проверять кислотность и щелочность водопроводной воды. Отклонение от нормы по этому показателю может привести к заболеваниям внутренних органов, ухудшать внешний вид и здоровье кожи и волос.

Схема и принцип действия

Действие pH-метра основано на измерении величины ЭДС электродной системы, которая пропорциональна активности ионов водорода в растворе — pH (водородному показателю). Измерительная схема по сути представляет собой вольтметр, проградуированный непосредственно в единицах pH для конкретной электродной системы (обычно измерительный электрод — стеклянный, вспомогательный — хлорсеребряный).

Входное сопротивление прибора должно быть очень высоким — входной ток не более 10⁻¹⁰А (у хороших приборов менее 10⁻¹²А), сопротивление изоляции между входами не менее 10¹¹Ом, что обусловлено высоким внутренним сопротивлением зонда — стеклянного электрода. Это основное требование к входной схеме прибора.

Исторически, сначала ЭДС измерялась компенсационным методом с помощью потенциометра и чувствительного гальванометра. Когда схема в равновесии, ток через гальванометр не течёт, и нагрузка на электроды не действует — по шкале потенциометра корректно отсчитывается ЭДС. Также применялся метод с баллистическим гальванометром. Сначала от электродов заряжался конденсатор, затем он разряжался на рамку гальванометра, максимальное отклонение которой пропорционально заряду конденсатора, а следовательно — напряжению.

Далее появились приборы с входным усилителем на электронных лампах. Специальные («электрометрические») лампы имеют ток утечки сетки порядка пикоампер, что позволяет получать большие входные сопротивления. Недостатком таких схем является большой дрейф и уход калибровки из-за неизбежного старения и изменения характеристик лампы.

Решить проблему дрейфа и одновременно высокого входного сопротивления позволили компенсационные схемы с усилителем, построенным по принципу модулятор — демодулятор. Механический ключ (вибропреобразователь) поочерёдно соединяет небольшой конденсатор с входом и цепью обратной связи. Если постоянные напряжения на них отличаются, то через конденсатор протекает небольшой переменный ток, который создаст переменное напряжение на сеточном резисторе входной лампы. Далее пульсации усиливаются несколькими каскадами, и поступают на фазочувствительный демодулятор (в простейшем случае — такой же вибропреобразователь, электромагнит которого включён параллельно электромагниту первого). На выходе получается напряжение, пропорциональное разности напряжений на входе. Цепь обратной связи (резистивный делитель) задаёт общий коэффициент усиления, стремясь поддерживать на входе усилителя нулевую разность напряжений. Эта схема практически лишена дрейфа, усиление мало зависит от степени износа ламп. Снижаются требования к самим лампам — вместо дорогих электрометрических можно применять массовые приёмно-усилительные лампы. Так работает, например, отечественный прибор pH-340.

В более поздних моделях вместо контактного преобразователя применялся динамический конденсатор, позднее ключ на фотосопротивлении, освещаемом импульсами света (например иономер ЭВ-74), а лампы на входе сменились полевыми транзисторами.

В настоящее время большинство прецизионных операционных усилителей с входом на полевых МОП-транзисторах, и даже простейшие АЦП удовлетворяют требованиям по входному сопротивлению.

Так как ЭДС электродной системы сильно зависит от температуры, то важной является схема термокомпенсации. Изначально применялись медные термометры сопротивления, включённые в сложные мостовые схемы обратной связи, или потенциометр со шкалой в градусах, ручкой которого устанавливали значение температуры, измеренное ртутным термометром. Такие схемы имеют большое число подстроечных резисторов и крайне сложны в настройке и калибровке. Сейчас датчик температуры работает на отдельном АЦП, все необходимые корректировки вносит микроконтроллер.

Примерная зависимость напряжения от pH (для системы со стеклянным и хлорсеребряным электродами) следующая.

• Большинство современных стеклянных электродов делают так, чтобы в паре с хлорсеребряным ЭДС была примерна равна нулю при pH = 7, то есть в нейтральной среде.
• При основном (щелочном) pH, (но, обычно, не более 14 — предел для стеклянных электродов) напряжение на выходе датчика варьируется от 0 до −0,41В ((14-7)* −0,059 = −0,41). Например, pH 10 (на 3 ед. выше нейтрального), (10-7) * −0,059 = −0,18В).
• При кислотном pH, напряжение на выходе датчика колеблется от 0 до +0,41В. Так, например, pH 4 (3 ед. ниже нейтрального), (3-7)* −0,059 = +0,18В.

Две главные настройки выполняются при калибровке по буферным растворам с точно известным значением pH — устанавливается крутизна усиления и смещение нуля. Также настраивается так называемая изопотенциальная точка (pHи, Eи) — значение pH и соответствующая ему ЭДС, при которых ЭДС системы не зависит от температуры. Современные электродные системы (за исключением специальных электродов для сильных кислот и щелочей) делают с изопотенциальной точкой около pH = 7 и ЭДС в пределах +/- 50мВ. Эти характеристики указываются для каждого типа стеклянного электрода.

Требования к электроду

В конце 1940-х — начале 1950-х годов оборонный заказ явился стимулом интенсивных исследований в области измерительной аппаратуры такого рода. Обусловлено это было, в числе прочих причин, и тем, что особая роль в контроле реакций при различных химических процессах отводится приборам, от точности показаний которых напрямую зависит корректность всей технологической цепи; в наибольшей степени, конечно, во вредных производствах, когда снятие показаний состояния среды либо представляет опасность для здоровья, либо вообще технически невозможно (агрессивная среда, высокие температуры и давление, процессы, требующие изоляции и т. д.).

Так, при ядерном синтезе и получении оружейного плутония первостепенное значение имеет выраженное количественно понимание структуры и свойств материалов, влияющих на функции, и обратимость сделанных из них стеклянных электродов — как уже отмечено, важнейших элементов этой измерительной аппаратуры.

В 1951 году физикохимиком М. М. Шульцем первым термодинамически строго и экспериментально была доказана натриевая функция различных стёкол в разных областях pH, являвшаяся одной из ключевых гипотез ионообменной теории стеклянного электрода Б. П. Никольского. Это стало определяющим этапом на пути к промышленной технологии настоящих приборов, — формированию ионометрии со стеклянными, позднее — с мембранными электродами, что позволило организовать их массовое производство и сделало доступным для использования в любых лабораторных и производственных условиях^[1]. Производство первых образцов этой категории аналитической аппаратуры было налажено при участии Тбилисского СКБ «Аналитприбор» в лице его сотрудников В. А. Долидзе, Г. А. Симоняна и др., московских исследователей В. П. Юхновского, А. С. Беневольского и др., харьковских учёных В. В. Александрова, Н. А. Измайлова, — на Гомельском заводе измерительных приборов в 1959 году1967 году выпуск электродов стеклянных и вспомогательных — промышленного и лабораторного назначения, вырос с 1,5 тысяч почти до 2 миллионов штук. Количество электродного стекла всех типов, сваренного на заводе за этот же период выросло с 1 тысячи кг более чем до 200 тысяч кг.

Развитие, расширение производства электродного стекла сделало доступной эту аналитическую аппаратуру.

Современные измерительные электроды конструктивно бывают:

• со встроенным контрольным электродом и с отдельно выполненным;
• перезаряжаемые и неперезаряжаемые;

В большинстве иностранные электроды для бытовых нужд изготавливаются в виде не перезаряжаемого датчика со встроенным контрольным электродом. Реже встречаются перезаряжаемые со встроенным контрольным электродом. Электроды советского образца чаще всего с отдельно выполненным контрольным и перезаряжаемые, что значительно снижало затраты при замене стеклянной части.

Основной практический недостаток любых современных электродов заключается в постепенном накоплении микротрещин в стекле или загрязнении микропор. В случае органического и части неорганических загрязнений помогает очистка раствором соляной кислоты. Однако, в случае инертных к хлорированию загрязнений или значительном накоплении микротрещин показания датчика необратимо изменяются. Тут стоит отметить, что даже при не использовании электрода происходит изменение пористости стекла и старение. В определённом диапазоне изменения показаний электрода последние нивелируются регулярной очисткой и калибровкой. Как только возможности измерительного блока не позволят выставить калибруемое значение — электрод подлежит утилизации. Также, стоит отметить и другой недостаток использования старых или бракованных электродов. При чётких показателях в калибровочных растворах, в измеряемых растворах может наблюдаться медленный дрейф параметра. Подобное поведение после тщательной очистки и калибровки также служит показанием для замены стеклянной/мембранной части или датчика целиком.

Области и методы применения

Прибор может использоваться во многих производствах, где необходим контроль среды, универсальным показателем состояния которой и соответствия её требуемым — является pH: при высокотехнологичном производстве всех видов горючего, в фармакологической, косметической, лакокрасочной, химической, пищевой промышленности и мн. др.; pH-метры имеют широкое применение в научно-исследовательской практике химиков, микробиологов и почвоведов, агрохимиков, в лабораториях стационарных и передвижных, в том числе полевых, а также клинико-диагностических (для контроля физиологических норм и диагностики), судебно-медицинских. Последнее время pH-метры также широко используются в аквариумных хозяйствах, для контроля качества воды в бытовых условиях, в земледелии (особенно в гидропонике).

Медицинский pH-метр, применяемый для измерения кислотности непосредственно в полых органах человека, называется ацидогастрометр.

Калибровка рН-метра

Как было сказано выше, рН-метр так или иначе время от времени нуждается в калибровке. Обычно при проведении разнообразных химических исследований эту процедуру делают 2 раза в месяц. Но для измерения рН питательного раствора в домашней гидропонной установке достаточно проводить калибровку раз в 2-3 месяца, если прибор хранится правильно.

Перед калибровкой нужно поместить устройство в дистиллированную воду на 24 часа.

Для процедуры используют вещество фиксанал с определенным уровнем рН, которое следует растворить в дистиллированной воде. Делают это обычно следующим образом. В стеклянную колбу устанавливают воронку, в ней аккуратно вскрывают ампулу с фиксаналом, а затем смывают его со стенок воронки дистиллированной водой. Воду доливают до отметки «1 литр». Таким образом, в колбе появляется раствор для калибровки, которому необходимо дать отстояться в течение часа. Можно использовать и готовый калибровочный раствор.

Калибровка одноточечного рН-метра

Одноточечные устройства калибруются следующим образом. Для них используется фиксанал с рН 6,86. Посредством вращения винта, погрузив метр в раствор, добиваются совпадения показаний рН-метра с уровнем рН раствора для калибровки.

Калибровка двухточечного рН-метра

Двухточечное устройство отличается от одноточечного тем, что дает более точные показания, так как его можно настроить гораздо точнее. Как понятно из определения таких приборов, настройка осуществляется не по одной, а по двум точкам, что и делает такой прибор более точным.

Калибровать такой рН-метр нужно в два этапа. Сначала — так же, как одноточечный. Затем— по второй точке, по линии соответствия. Соответственно, используются два настроечных винта.

Принцип действия прибора

Электродная система, являющаяся датчиком, имеет большое внутреннее сопротивление, достигающее 500-1000 МОм.

Для измерения ЭДС электродной системы применяется компенсационная схема, позволяющая существенно уменьшить ток, потребляемый от датчика при измерении.

Элементарная схема, поясняющая принцип действия рН-метра, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Элементарная схема прибора.

ЭДС электродной системы Ех сравнивается с падением напряжения на сопротивлении R, через которое протекает ток Iвых оконечного каскада усилителя. Падение напряжения Uвых на сопротивлении R противоположно по знаку электродвижущей силе Ех, и на вход усилителя подается напряжение: Uвх=Ех-Uвых=Ех-R×Iвых.

Напряжение Uвх преобразуется вибропреобразователем в переменное напряжение, которое затем многократно усиливается и при помощи фазочувствительного детектора вновь преобразуется в постоянное напряжение. Это напряжение управляется током Iвых оконечного каскада усилителя. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя напряжение Uвых мало отличается от ЭДС Ех и благодаря этому ток, протекающий через электроды в процессе измерения ЭДС, весьма мал.

Ток Iвых, протекающий через сопротивление R, пропорционален ЭДС электродной системы и величине рН контролируемого раствора.

Электродная система

Основной характеристикой электродной системы является зависимость ее ЭДС от величины рН и температуры раствора. В общем случае ЭДС может быть выражена уравнением:

Е=Еи-[S20+а(t-20)] (рН-рНи),

где Е — ЭДС в милливольтах;

t — температура электродов;

рН — величина рН раствора;

рНи — величина рН раствора, соответствующая изопотенциальной точке;

S20 — крутизна характеристики в изопотенциальной точке;

а — температурный коэффициент крутизны.

Зависимость ЭДС электродной системы рН и температуры может быть представлена следующим приближенным уравнением:

Е=-33-(54,196+0,1884t) (рН-3,28)

Как правильно использовать рН-метр?

Использовать рН-метр гидропонисту приходится достаточно часто, так как нередко, в связи с разными факторами, меняется уровень рН в питательной среде. Перед каждым измерением необходимо сделать забор питательного раствора из резервуара с помощью шприца или просто чистой посуды (ковшика). Отобранный раствор наливают в чистую емкость и опускают туда же электрод рН-метра. Показания на дисплее прибора будут меняться, но через несколько секунд цифры остановятся. Это и есть правильные показания.

После измерения рН-метр следует хорошо промыть чистой водой, а заем поместить на хранение в колбу с водой дистиллированной.

Альтернативные способы измерения pH

Для замера показателя рН питательного раствора можно взять жидкий реагент, например, жидкий рН-тест GHE. Он показывает результат в диапазоне от 4 до 8,5. Достаточно капнуть 2-3 капли жидкого теста в анализируемую среду, встряхнуть и оценить полученный цвет по таблице. Данного средства хватает для проведения 500 тестов.

Как скорректировать кислотно-щелочной баланс?

Если прибор или жидкий тест показал отклонение pH в сторону кислотной или щелочной среды, его можно выровнять при помощи препаратов-регуляторов, такие как регулятор рH-UP и рH-DOWN. Первые понижают уровень кислотности, вторые – повышают. В продаже есть средства в сухом виде и жидком.

Уникальной формулой на основе концентрированных кислот обладает жидкий регулятор pH Down E-Mode. Препарат бережно и постепенно снижает уровень рН. Допускается применение регулятора с активаторами роста, биодобавками, удобрениями.

Лучшие портативные pH-метры

Главной особенностью подобных моделей является возможность автономной работы. Они широко применяются в полевых исследованиях или быту. Портативные pH-метры обладают малыми габаритами и получают питание от батареек либо встроенных аккумуляторов.

Ohaus ST300-B

Во время калибровки на экране прибора отображаются специальные индикаторы. Они помогают владельцу произвести настройку максимально точно. Установленные параметры сохраняются в памяти модели. Удобное использование обеспечивают такие функции, как автоматическая термокомпенсация и распознавание буферов.

Рабочий диапазон прибора — 0-14 pH, предел погрешности 0,01 pH. Для комфортной работы в любых условиях в комплектацию включены держатель электрода, ручной ремешок и уплотнители, отвечающие классу защиты IP54. Корпус устройства оснащен откидной опорой – ее использование дает возможность установить измеритель на горизонтальной поверхности.

Достоинства:

• ударопрочный корпус;
• высокая точность;
• компактность;
• длительная автономная работа;
• удобная калибровка.

Недостатки:

• высокая цена.

Ohaus ST300-B способен работать без замены батареек в течение 500 часов – прекрасный выбор для продолжительной работы на улице.

Hanna HI98127 pHep 4

Калибровка прибора может производиться по одной или двум точкам. Функция автоматической температурной компенсации и водонепроницаемый корпус позволяют использовать его в сложных климатических условиях. Крупноразмерный светодиодный дисплей удобен для восприятия при любом освещении.

Диапазон измерений составляет 2-16 pH, погрешность — до 0,1 pH. Благодаря индикатору стабильности пользователь своевременно получает информацию о точном моменте получения устойчивого показателя.

Комплект из четырех батареек напряжением 1,5 В обеспечивает непрерывную работу модели в течение 350 часов.

Достоинства:

• компактность;
• предупреждение о разряде батарей;
• функция автоотключения;
• возможность замены электродной пары.

Недостатки:

• сложная калибровка.

Hanna pHep способен работать в агрессивных средах – надежный выбор для использования в полевых условиях.

Kelilong PH-009 (I)

Прибор обладает небольшими размерами и крайне прост в использовании. В комплект входит пластиковый футляр для удобства и безопасности хранения. С помощью калибровочной отвертки владелец может быстро подготовить устройство к работе. Показания отображаются на небольшом монохромном дисплее.

Диапазон измерений составляет 0-14 pH, погрешность — не более 0,1 pH. Защитный колпачок встроенного датчика предохраняет его от механических повреждений.

Другой особенностью устройства является автоматическая температурная компенсация в пределах 0-50 °C. Функция устраняет отклонения показаний при изменении сопротивления проб.

Достоинства:

• высокая точность;
• компактность;
• удобство использования;
• низкий расход энергии;
• простая калибровка.

Недостатки:

• боится отрицательных температур.

Kelilong PH-009 (I) используется в чистой воде. Экономичный выбор для измерения уровня pH в аквариуме, бассейне или любом другом искусственном водоеме.

HM Digital PH-80

Калибровка устройства осуществляется нажатием одной кнопки. Компактный корпус полностью герметичен. Прибор может храниться в специальном чехле, что предохраняет его от царапин и иных механических повреждений. Результаты проведенных замеров выводятся на небольшой ЖК-экран.

Рабочий диапазон составляет 0-14 pH, погрешность — до 0,2%. Модель питается от батареек типа LR1130 и отличается низким энергопотреблением. Измеритель готов к работе сразу после покупки. К полезным функциям аппарата стоит отнести сохранение показаний, автоотключение и индикацию разряда.

Достоинства:

• малые габариты;
• экономия энергии;
• высокий класс защиты — IP66;
• быстрая калибровка.

Недостатки:

• снижение точности в загрязненной среде.

HM Digital PH-80 предназначен для использования в воде. Применяется в бассейнах, котлах, системах очистки и пр. 

pH-150МИ

pH-150МИ (без штатива)

pH-150МИ (с ножом для мяса)

Лучшие лабораторные pH-метры

Модели подобного типа стационарны. Они отличаются высокой точностью показаний и широким набором функций. Лабораторные pH-метры применяют в своей деятельности химики, микробиологи, почвоведы, судебно-медицинские эксперты и др.

pH-150МИ (минилаборатория)

Ohaus Starter 2100

Программное обеспечение модели обладает системой подсказок, что упрощает работу неподготовленному человеку. Управление осуществляется с помощью пяти кнопок с понятной маркировкой.

Аппарат может использовать как встроенные, так и внешние электроды для получения точных результатов в любых условиях.

Корпус модели изготовлен из ABS-пластика, устойчив к механическим повреждениям и воздействию химических реагентов. Сигнализаторы состояния электрода своевременно оповестят пользователя о необходимости калибровки. Подтверждающие индикаторы и функция автоматического распознавания буферов упрощают настройку.

Достоинства:

• удобство настройки;
• высокая точность;
• встроенный держатель электрода;
• сохранение данных калибровки;
• ударопрочный корпус.

Недостатки:

• высокая цена.

Ohaus Starter 2100 применяется для исследований воды или химических составов. Прекрасный выбор для научной и учебной деятельности.

Amtast AMT10

Особенностью модели является наличие магнитной мешалки. С ее помощью удается поддерживать однородность исследуемой среды, что полезно при непрерывном мониторинге.

Предел скорости перемешивания составляет 1500 оборотов в минуту. Калибровка производится с применением эталонных растворов со значениями pH 3, 7 и 10.01.

Результаты измерений выводятся на крупноразмерный дисплей, удобный для восприятия на расстоянии. Устройство может хранить в памяти до 25 результатов проведенных тестов для последующего анализа. Комфортной обработке данных также способствует фиксация максимальных и минимальных значений.

Достоинства:

• автоматическая калибровка;
• высокая точность;
• скоростной шейкер;
• штатив с держателем;
• информативный экран.

Недостатки:

• высокий расход энергии.

Amtast AMT10 применяется для измерения потенциала жидкостей в лабораторных условиях – отличный выбор для длительных исследований.

Milwaukee MI151

Высокая точность калибровки обеспечивается семи буферами. Подготовка к работе сопровождается выведением на экран соответствующих подсказок.

Это облегчает использование аппарата не только профессионалу, но и неопытному оператору. Автоматическая термокомпенсация гарантирует корректность показаний при колебаниях температуры.

Диапазон измерений составляет 2-16 pH при погрешности до 0,1 pH. Пользователю доступна функция «Временно сохранить» для комфортной обработки полученных сведений. Индикатор стабильности оповещает об устойчивости данных, а специальный держатель электрода повышает точность замера.

Достоинства:

• простая калибровка;
• высокая точность;
• широкий экран;
• удобство использования;
• адаптер питания 12 В.

Недостатки:

• крупные габариты.

Milwaukee MI151 используется не только с водой, но и с более агрессивными растворами. Прибор может применяться в лабораториях, на производстве или на учебных занятиях.

Как хранить рН-метр?

Поскольку для содержащегося в метре электрода бездействие и пересыхание губительны, то хранить устройство лучше всего либо в дистиллированной воде, либо в воде с кислотностью около 3-4 единиц.

Хранение рН-метра без водной среды приводит к тому, что показания прибора становятся недостоверными уже через 3-4 недели, отклонение показателей становится со временем все больше.

Таким образом, если хранить рН-метр неправильно, то придется часто заниматься калибровкой, чтобы устройство вновь стало правильно отражать картину.

Однако калибровка требуется время от времени даже при правильном хранении и, тем более, когда устройство только куплено, ведь какое-то время оно уже пролежало на складе.