pH-метр: что это за прибор, его назначение и принцип действия
Символом pH обозначают водородный показатель, отражающий активность ионов водорода в веществе, а проще говоря, уровень кислотности. Сегодня о значимости «пэ-аш-фактора» осведомлены не только специалисты. Благодаря рекламе даже не сведущие в химии люди знают, как важно контролировать кислотно-щелочной баланс.
Естественный процесс окисления люди издавна использовали в практических целях, например, при квашении капусты, приготовлении теста, кисломолочных продуктов, пива, вина и т.п. И всегда для получения нужного результата требовалось соблюдение пропорций, определенных условий изготовления и хранения.
В наши дни контроль водородного показателя ― одно из базовых условий технологического процесса практически во всех отраслях: в пищевой промышленности, медицине, косметологии, агрономии, водообеспечении и т.д. Регулярный анализ уровня кислотности позволяет сохранять необходимые свойства сырья, получать продукцию высокого качества, обеспечивать соблюдение экологических норм и т.п.
Что такое pH-метр
Сам факт наличия кислоты в материале нетрудно выявить с помощью цветовых индикаторов (лакмуса, фенолфталеина). Это традиционная методика так называемого качественного химического анализа. Однако уровень кислотности постоянно меняется от 0 до 14, что неизбежно влияет на свойства веществ и продукты их взаимодействия. Поэтому в условиях производства необходим количественный анализ среды с фиксацией точных значений водородного показателя. Регулярный мониторинг позволит своевременно скорректировать критические отклонения. В настоящее время основным средством количественного водородного экспресс-анализа являются pH-метры, то есть это прибор помогающий быстро и максимально корректно установить уровень кислотности и вывести точные показатели на цифровой дисплей. Данные позволят оценить состояние исследуемого материала на момент проверки. Например, уровень кислотности = 7 показывает нейтральную среду, повышение этого значения говорит об ее ощелачивании, а понижение ― об окислении.
Устройство и принцип действия pH-метра
Современные анализаторы кислотности работают по принципу измерения разницы потенциалов, т.е. электродвижущей силы (ЭДС), возникающей между электродами при погружении их в жидкую или полутвердую среду. В этом отношении устройство схоже с милливольтметром. Но поскольку ЭДС отражает активность ионов водорода, то шкала прибора показывает не милливольты, а уровень pH.
Как это устроено?
Гальваническую основу кислотомера составляют два электрода: измерительный и вспомогательный (электрод сравнения). Измерительный электрод непосредственно реагирует на ионы водорода в исследуемой субстанции. Роль датчика играет чувствительная мембрана на конце стеклянной трубки, заполненной нейтральным раствором хлорида калия. Внутри трубки находится электродная проволока из серебра или хлорида серебра. Электрод сравнения помещается во внешней стеклянной полости, заполненной нейтральным раствором и непроницаемой для положительно заряженных ионов (Н+). Большинство современных приборов представляют собой комбинированную конструкцию, совмещая измерительный и вспомогательный элементы в одном.
Как работает pH-метр?
При погружении в исследуемый материал между электродами замыкается электрическая цепь. Под действием электродвижущей силы электроны стремятся от измерительного электрода к вспомогательному. Поскольку внутри стеклянной трубки концентрация Н+ постоянная, то ЭДС показывает активность ионов водорода только в анализируемой среде. Датчик измерителя кислотности подключен к измерительному блоку ― микропроцессорному устройству, которое анализирует и отображает полученные данные на дисплее прибора.
Что важно для точности и удобства измерений?
Температурная компенсация. Температура измеряемой среды существенно влияет на уровень кислотности. Раньше для получения корректных данных образец исследуемой жидкости нагревали до +25°С, что неудобно, а главное, не всегда возможно в условиях производства.
Высокотехнологичные кислотомеры имеют дополнительную опцию измерения температуры (температурный зонд) и электронную систему термокоррекции. При замерах уровня кислотности прибор отображает показатели с учетом температурной поправки. Этим обеспечивается высокая точность измерений в любых условиях.
Скорость измерений. Благодаря микропроцессору современные приборы производят замер и анализируют данные буквально за доли секунды. Это дает возможность производить множественные исследования практически непрерывно.
ЖК-дисплей и система звукового оповещения. Результаты измерений мгновенно отражаются на экране с подсветкой, что облегчает работу в условиях плохой освещенности. Для измерителей кислотности с температурным зондом предусмотрен двухстрочный дисплей, отражающий параметры и кислотности, и температуры. Звуковой сигнал оповестит о выходе измеряемых параметров за пределы приемлемого диапазона.
Простота управления. Современные электронные анализаторы управляются посредством кнопок на корпусе. С их помощью можно выбирать нужны опции и данные, активировать режим калибровки для получения максимально точных значений.
Какие бывают pH-метры
Измерители уровня pH востребованы в разных областях производства, обслуживания, медицины, научных исследований и т.п. При этом диапазон их использования практически не имеет границ: крупное предприятие, небольшое частное производство или домашний обиход. Производители учитывают это запрос, поэтому сегодня можно найти pH-метры любого класса, функциональности, размера и конструкции.
Бытовые и профессиональные устройства существенно отличаются по точности измерений. При этом бытовые модели, как правило, проще устроены и ограничены в функционале, но и стоят значительно дешевле. Профессиональные устройства обеспечивают максимально точный анализ с температурной коррекцией. Они снабжены электродами высокого качества, имеют хорошо защищенный корпус и надежную электронику.
По функциональности pH-метры можно разделить на три типа: лабораторные, портативные и карманные. При этом в каждом из них могут быть приборы для измерения только одного параметра или нескольких.
Лабораторные ― это стационарные устройства с выносными электродами. Сетевое электропитание способно обеспечить долгую бесперебойную работу. Поэтому эти приборы применяются на крупных производствах для непрерывного мониторинга сред, часто по разным параметрам. Но в этом случае образцы для анализа нужно подавать на измеритель кислотности.
Портативные ― небольшие переносные приборы с автономным питанием. Измерительный блок и зонд датчика здесь, как правило, конструктивно разделены, что позволяет обслуживать или менять электроды в случае повреждения.
Карманные ― самые компактные модели, работающие на батарейках и наиболее удобные для применения в любых условиях. Электроды и измерительный блок в них заключены в единый корпус, что исключает замену электрода. Поэтому для этого типа приборов особенно важно качество изготовления.
Два последних типа измерителей наиболее востребованы по причине чрезвычайного удобства и простоты использования. Компания Testo производит карманные и портативные приборы только профессионального класса. Они оснащены температурным сенсором, обеспечивают высокую точность измерений и занесены в Госреестр СИ.
Все модели имеют прочный корпус, защищены от влаги и пыли, отвечают требованиям экологичности и безопасности. Их используют для измерения кислотности и температуры жидких и полутвердых субстанций ― при производстве и хранении продуктов питания: мяса, сыра, кисломолочной продукции, кондитерских и хлебобулочных изделий и т.п.
Приборы, схожие с pH-метром
Иногда анализатор кислотности путают с двумя другими измерителями: TDS и ОВП. Действительно, эти приборы тоже работают по принципу электрохимического анализа и так или иначе затрагивают кислотность веществ. Но цели исследования и набор компонентов другие.
TDS-метр (кондуктометр) измеряет электрическую проводимость среды с целью установить уровень общей минерализации воды или почвы, т.е. концентрацию в ней и кислот, и солей, и оснований. Замеры покажут количество растворенных частиц кальция, натрия, магния и различных соединений. Единицей измерения служит миллиграмм на литр (мг/л).
А ОВП-метр измеряет окислительно-восстановительный потенциал жидкости, единица измерения ― милливольты (mV).
Калибровка измерителя кислотности
Для получения точных результатов измеритель нужно периодически калибровать. Специалисты рекомендуют это делать при замене электрода, смене исследуемой среды, а также если есть сомнения в полученных результатах. В приборах с опцией автокалибровки эта процедура не составит большого труда.
Для калибровки pH-метров используют буферные растворы с заранее известным показателем кислотности (обычно 4, 7, 10), в которые последовательно погружают зонд с электродами. Для каждого раствора с помощью кнопки активируется своя точка калибровки. Показания датчика постепенно выравниваются в соответствии с уровнем кислотности буфера. Отдельно настраивается температурный сенсор.
Перед проведением калибровки, а также перед каждым новым погружением электроды необходимо промывать в дистиллированной воде и протирать салфеткой, чтобы не испортить эталонные образцы буферных растворов и не сбить показатели кислотности.
Главную трудность обычно вызывает приготовление растворов. В этом отношении компания Тesto позаботилась о своих клиентах, предлагая pH-метры с полной стартовой комплектацией. В нее входит набор буферных гелей с необходимым точным уровнем кислотности.
Стартовый комплект Testo 206-pH2
- Диапазон измерений0 ... 14 pH
- Погрешность при измерении±0,02 pH
- Разрешение при измерении0,01 pH
Testo 206-pH2
- Диапазон измерений0 ... 14 pH
- Погрешность при измерении0,01 pH
- Разрешение при измерении±0,2 pH
Как хранить pH-метр
Зонд измерителя уровня кислотности вне работы необходимо держать в электролитной среде. Если долгое время он оставался открытым, прибор не будет готов к использованию. Для восстановления датчик нужно подержать в электролите примерно 12 часов.
В комплект pH-метров Testo обязательно входит защитный колпачок для зонда, заполненный гелем-электролитом. Его можно прикрепить к держателю для переноски прибора или для его фиксации на стене. Кроме того, модели в полной стартовой комплектации снабжены защитным чехлом для pH-метра и алюминиевым кейсом для хранения и транспортировки всех элементов устройства.
Заключение
Главные достоинства любого измерительного прибора ― выверенная надежная конструкция и, как результат ― максимально точные измерения. Компания Testo ― один из лидеров в производстве высокоточного измерительного оборудования. Опыт инженерных разработок, полученный более чем за полвека, позволяет компании находить оптимальные технологические решения. И pH-метры не являются исключением. Компактные электронные анализаторы кислотности Testo вызывают доверие и специалистов, и частных пользователей.