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純水PH/ORP傳感器
超純水(UPW)、注射用水(WFI)、高純水和去離子水(DI)都是描述基本相同屬性的術(shù)語(yǔ)。這些術(shù)語(yǔ)是指通過(guò)去除所有污染物而達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)的水。其中，污染物包括有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物、溶解和微粒物質(zhì)、揮發(fā)性和非揮發(fā)性物質(zhì)、反應(yīng)性和惰性物質(zhì)、親水性和疏水性物質(zhì)以及溶解氣體。凈化水的電導(dǎo)率非常低，這就意味著它的電阻很高，因?yàn)樗袑?dǎo)電成分都已被去除。由于易受污染和溫度的影響，因此很難準(zhǔn)確測(cè)量低導(dǎo)電溶液的pH值。雖然很難使用傳統(tǒng)pH分析儀獲取準(zhǔn)確可靠的讀數(shù)，但是，通過(guò)確定造成pH值測(cè)量困難的原因并使用合適的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定準(zhǔn)確的純水pH值測(cè)量。 低離子強(qiáng)度純水的電導(dǎo)率低且緩沖能力有限，會(huì)導(dǎo)致pH電極漂移，產(chǎn)生不可重現(xiàn)和不準(zhǔn)確的結(jié)果。常見問(wèn)題有：漂移大、流動(dòng)靈敏度低、溫度補(bǔ)償差。電氣噪聲和干擾會(huì)使問(wèn)題更加復(fù)雜。純水的一些屬性對(duì)pH值的可靠測(cè)量具有不利影響。多年來(lái)，人們一直認(rèn)為無(wú)法順利克服這些屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的測(cè)量精度和可靠性。受純水屬性影響最大的屬性包括：
當(dāng)兩種不同的溶液相互接觸時(shí)，冷端會(huì)產(chǎn)生電位，被稱為擴(kuò)散梯度。這種不需要的梯度是由于流體的變化導(dǎo)致離子以不同的速率轉(zhuǎn)移而造成的。這可能會(huì)導(dǎo)致參比電位不穩(wěn)定和pH測(cè)量異常。過(guò)程污染也會(huì)在pH測(cè)量時(shí)造成這些誤差。 由于參比電極的過(guò)程溶液和補(bǔ)充溶液之間的離子濃度存在極大的差異，因此在參比電極的液接界易產(chǎn)生明顯的擴(kuò)散電位。 由此產(chǎn)生的接合點(diǎn)電位可高達(dá)20-40毫伏(約0.5 pH)。該電位的任何變化都將表現(xiàn)為一個(gè)不穩(wěn)定、漂移的pH值。 過(guò)程pH將發(fā)生變化，但是由于該變化是由接合點(diǎn)電位引起的(圖1)，因此該變化是假的。參比補(bǔ)充溶液在高純水中的消耗或稀釋速度更快，導(dǎo)致參比電位不穩(wěn)定且測(cè)量結(jié)果不可靠。 由于高純水中沒(méi)有導(dǎo)電離子，因此為了使測(cè)量電路完整，必須建立從參比電極到玻璃電極的導(dǎo)電參比溶液的物理路徑。如果參比電極上未產(chǎn)生離子(已被消耗)，就沒(méi)有穩(wěn)定的參比進(jìn)行測(cè)量。 對(duì)策： 通過(guò)保持“正壓”參比傳感器(如參比電極中獨(dú)特的波紋管系統(tǒng))的流量穩(wěn)定，可以將這些異常最小化或消除。內(nèi)置波紋管可以確保內(nèi)部壓力與外部壓力立刻保持平衡，使傳感器幾乎不受外部壓力/流量波動(dòng)的影響。波紋管張力引起輕微超壓，可以防止流體進(jìn)入，并保持陽(yáng)離子從傳感器流出。該特性特別適用于純水應(yīng)用。 由于純水電導(dǎo)率低，是不良導(dǎo)體，因此當(dāng)純水流過(guò)非導(dǎo)電材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜電荷，從而影響pH值參比傳感器。這種靜電荷會(huì)產(chǎn)生雜散電流，導(dǎo)致pH值讀數(shù)不穩(wěn)定。 純水在25℃時(shí)的電導(dǎo)率值為0.055 µS (18.2 MΩ)。這種液體電阻會(huì)導(dǎo)致表面靜電荷的形成，從而可能在溶液中產(chǎn)生“流動(dòng)電位”(可以模擬pH值的雜散電流)，造成較大的誤差，或者至少會(huì)對(duì)讀數(shù)產(chǎn)生過(guò)度干擾。低阻抗且屏蔽良好的接地電極可以將這些誤差降低到最小值，通常小于±0.05 pH單位。由于典型測(cè)量池的電阻很高，因此用于測(cè)量池電位的電子器件非常 容易受到其他干擾因素(外來(lái)的電噪聲拾取和手電容效應(yīng))的影響。這些靜電荷被稱為液流電位或摩擦電位，相當(dāng)于用毛料(水)摩擦玻璃棒(玻璃電極)。這種高電阻還提高了測(cè)量回路對(duì)周圍電氣干擾源的靈敏度。
對(duì)策： 建議將帶液體接地電極的pH傳感器與帶雙放大器的pH變送器組合使用。這種配置可以確保對(duì)液體接地接點(diǎn)分別放大測(cè)量和參比電極信號(hào)。這樣可以提供理想的抗干擾強(qiáng)度和雜散電流，從而獲得可靠穩(wěn)定的pH值讀數(shù)。 另一個(gè)問(wèn)題涉及純水的低緩沖能力。當(dāng)純水暴露在空氣中時(shí)，吸收二氧化碳(CO2)會(huì)導(dǎo)致pH值下降。根據(jù)溫度和壓力的不同，純水的pH值可能會(huì)降到6.2。應(yīng)避免將瞬時(shí)樣品放入實(shí)驗(yàn)室儀表，因?yàn)榇髿庵械亩趸紩?huì)污染樣品。同時(shí)，必須考慮純水的溫度補(bǔ)償。 為了準(zhǔn)確顯示高純水中的pH值，必須解決兩個(gè)主要的溫度影響因素。標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)溫度補(bǔ)償器只校正其中一種因素，通常稱為“能斯特或電極校正”。 使用描述玻璃電極操作的能斯特方程直接確定其大小(獨(dú)立于工藝流體的性質(zhì))。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，能斯特方程表明，即使被測(cè)溶液的實(shí)際pH值可能保持不變，但隨著玻璃電極溫度的升高，其輸出電壓會(huì)變大。這種影響在pH值為7或接近7時(shí)最小，且在pH值超過(guò)或低于7時(shí)呈線性增加。 第二個(gè)影響因素被稱為“平衡或離解常數(shù)校正”。雖然該影響因素通常在規(guī)模上要小得多，但是卻非常顯著。 所有溶液對(duì)溫度的變化都有特定的反應(yīng)(離解常數(shù))。根據(jù)溶液的不同，這種反應(yīng)可能與pH值或電導(dǎo)率的變化有關(guān)。純水的離解常數(shù)為0.172 pH/10℃。這意味著純水在50℃時(shí)的pH值為6.61，0℃時(shí)的pH值為7.47。所涉及的溫度變化量和測(cè)量的關(guān)鍵特性決定了是否必須對(duì)該影響因素進(jìn)行補(bǔ)償。(圖8) 通過(guò)仔細(xì)考慮pH測(cè)量回路的這些關(guān)鍵方面，可以減少或消除許多高純度pH的相關(guān)問(wèn)題。 Bellomatic傳感器簡(jiǎn)介通過(guò)多年積累的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，橫河電機(jī)已經(jīng)為之前討論的問(wèn)題制定了解決方案。采用正壓式電極可以克服參比電極的高擴(kuò)散電位。橫河電機(jī)研發(fā)的這種電極稱為“Bellomatic”。(圖9) 利用大型可再充儲(chǔ)層，該電極可以確保參比電解質(zhì)的恒定流速。這樣可以提供比固定參比電極更長(zhǎng)、更經(jīng)濟(jì)的使用壽命。另外，電極不受過(guò)程壓力的影響，因此無(wú)需使用獨(dú)立氣壓(因?yàn)橐咽褂?/span>鹽橋)。自調(diào)節(jié)波紋管產(chǎn)生的正壓可以防止堵塞和污垢，補(bǔ)償過(guò)程壓力峰值，并避免過(guò)程遷移。 FU24一體化pH/ORP傳感器簡(jiǎn)介除了單獨(dú)的玻璃電極和參比電極，還可以使用能夠?qū)⒈炔糠旨訅旱慕M合電極。除了上述優(yōu)勢(shì)外，兩個(gè)測(cè)量元件的緊密接觸有助于確保電極電路的連續(xù)性。FU24將成功獲得專利的波紋管系統(tǒng)融入一體化本體內(nèi)，是理想的解決方案。 FU24最初是針對(duì)嚴(yán)苛的化學(xué)應(yīng)用開發(fā)的。在這些應(yīng)用中，當(dāng)溫度/壓力波動(dòng)較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致傳感器參比室的早期耗盡，隨后發(fā)生信號(hào)漂移，并最終損失功能。 采用內(nèi)波紋管、大型參比室和長(zhǎng)壽命參比探頭設(shè)計(jì)，在20℃的軟化水中，傳感器的預(yù)計(jì)使用壽命約為20年。 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試(D&E 2010-015和D&E 2011-020)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(D&E 2012-022)表明，在純水應(yīng)用中FU24依舊表現(xiàn)良好。測(cè)試結(jié)果顯示在TNA1502文檔中，以下為結(jié)果匯總。 |
