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語。這些術語是指通製去除所有污染物而達到最高標準的水。其中,污染物包括有機和無機化合物、溶解和微粒物質、揮發性和非揮發性物質、反應性和惰性物質、親水性和疏水性物質以及溶解氣體。淨化水的電導率非常低,這就意味著它的電阻很高,因為所有導電成分都已被去除。由於易受污染和溫度的影響,因此很難準確測量低導電溶液的pH值。雖然很難使用傳統pH分析儀獲取準確可靠的讀數,但是,通製確定造成pH值測量困難的原因並使用合適的設備,可以實現穩定準確的純水pH值測量。   

低離子強度純水的電導率低且緩衝能力有限,會導致pH電極漂移,產生不可重現和不準確的結果。常見問題有:漂移大、流動靈敏度低、溫度補償差。電氣噪聲和干擾會使問題更加複雜。純水的一些屬性對pH值的可靠測量具有不利影響。多年來,人們一直認為無法順利克服這些屬性來實現預期的測量精度和可靠性。受純水屬性影響最大的屬性包括:

  1. 參比電極穩定性
  2. 玻璃電極反應
  3. 電氣干擾
  4. 特殊的T.C.需求

當兩種不同的溶液相互接觸時,冷端會產生電位,被稱為擴散梯度。這種不需要的梯度是由於流體的變化導致離子以不同的速率轉移而造成的。這可能會導致參比電位不穩定和pH測量異常。製程污染也會在pH測量時造成這些誤差。

由於參比電極的製程溶液和補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生明顯的擴散電位。

由此產生的接合點電位可高達20-40毫伏(約0.5 pH)。該電位的任何變化都將表現為一個不穩定、漂移的pH值。

製程pH將發生變化,但是由於該變化是由接合點電位引起的(圖1),因此該變化是假的。參比補充溶液在高純水中的消耗或稀釋速度更快,導致參比電位不穩定且測量結果不可靠。

由於高純水中冇有導電離子,因此為了使測量電路完整,必須建立從參比電極到玻璃電極的導電參比溶液的物理路徑。如果參比電極上未產生離子(已被消耗),就冇有穩定的參比進行測量。

對策:

通製保持“正壓”參比傳感器(如參比電極中獨特的波紋管系統)的流量穩定,可以將這些異常最小化或消除。內定波紋管可以確保內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/流量波動的影響。波紋管張力引起輕微超壓,可以防止流體進入,並保持陽離子從傳感器流出。該特性特别適用於純水應用。

由於純水電導率低,是不良導體,因此當純水流製非導電材料時會產生靜電荷,從而影響pH值參比傳感器。這種靜電荷會產生雜散電流,導致pH值讀數不穩定。

純水在25℃時的電導率值為0.055 µS (18.2 MΩ)。這種液體電阻會導致表面靜電荷的形成,從而可能在溶液中產生“流動電位”(可以模擬pH值的雜散電流),造成較大的誤差,或者至少會對讀數產生製度干擾。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,通常小於±0.05 pH單位。由於典型測量池的電阻很高,因此用於測量池電位的電子器件非常容易受到其他干擾因素(外來的電噪聲拾取和手電容效應)的影響。這些靜電荷被稱為液流電位或摩擦電位,相當於用毛料(水)摩擦玻璃棒(玻璃電極)。這種高電阻還提高了測量回路對周圍電氣干擾源的靈敏度。 

static charge

對策:

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。這種配定可以確保對液體接地接點分别放大測量和參比電極訊號。這樣可以提供理想的抗干擾強度和雜散電流,從而獲得可靠穩定的pH值讀數。

另一個問題涉及純水的低緩衝能力。當純水暴露在空氣中時,吸收二氧化碳(CO2)會導致pH值下降。根據溫度和壓力的不同,純水的pH值可能會降到6.2。應避免將瞬時樣品放入實驗室儀表,因為大氣中的二氧化碳會污染樣品。同時,必須考慮純水的溫度補償。

為了準確顯示高純水中的pH值,必須解決兩個主要的溫度影響因素。標準的自動溫度補償器隻校正其中一種因素,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(獨立於工業流體的性質)。簡單來說,能斯特方程表明,即使被測溶液的實際pH值可能保持不變,但隨著玻璃電極溫度的升高,其輸出電壓會變大。這種影響在pH值為7或接近7時最小,且在pH值超製或低於7時呈線性增加。  

第二個影響因素被稱為“平衡或離解常數校正”。雖然該影響因素通常在規模上要小得多,但是卻非常顯著。

所有溶液對溫度的變化都有特定的反應(離解常數)。根據溶液的不同,這種反應可能與pH值或電導率的變化有關。純水的離解常數為0.172 pH/10℃。這意味著純水在50℃時的pH值為6.61,0℃時的pH值為7.47。所涉及的溫度變化量和測量的關鍵特性決定了是否必須對該影響因素進行補償。(圖8)

通製仔細考慮pH測量回路的這些關鍵方面,可以減少或消除許多高純度pH的相關問題。

Bellomatic傳感器簡介

通製多年積累的經驗和創新設計,橫河電機已經為之前討論的問題制定了解決方案。採用正壓式電極可以克服參比電極的高擴散電位。橫河電機研發的這種電極稱為“Bellomatic”。(圖9)

利用大型可再充儲層,該電極可以確保參比電解質的恒定流速。這樣可以提供比固定參比電極更長、更經濟的使用壽命。另外,電極不受製程壓力的影響,因此無需使用獨立氣壓(因為已使用鹽橋)。自調節波紋管產生的正壓可以防止堵塞和污垢,補償製程壓力峰值,並避免製程遷移。 

FU24一體化pH/ORP傳感器簡介

除了單獨的玻璃電極和參比電極,還可以使用能夠對參比部分加壓的組合電極。除了上述優勢外,兩個測量元件的緊密接觸有助於確保電極電路的連續性。FU24將成功獲得專利的波紋管系統融入一體化本體內,是理想的解決方案。

FU24最初是針對嚴苛的化學應用開發的。在這些應用中,當溫度/壓力波動較大時,會導致傳感器參比室的早期耗儘,隨後發生訊號漂移,並最終損失功能。

採用內波紋管、大型參比室和長壽命參比探頭設計,在20℃的軟化水中,傳感器的預計使用壽命約為20年。

進一步的實驗室測試(D&E 2010-015D&E 2011-020)和現場測試(D&E 2012-022)表明,在純水應用中FU24依舊表現良好。測試結果顯示在TNA1502文檔中,以下為結果彙總。 

產品簡介

    摘要:

    The FU24 is an all-on-one pH and ORP sensor made with a chemical resistant PPS 40GF body for harsh pH applications. It is particularly useful in applications with fluctuating pressure and/or temperature. These processes shorten sensor life because the process fluids move in and out of the sensor under influence of frequent pressure and/or temperature fluctuations. This results in fast desalting and dilution of the reference electrolyte which in turn changes the reference voltage causing a drifting pH measurement.

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