pH計(jì)和電導(dǎo)率儀的水分析解決方案分析

蘇州國(guó)環(huán)環(huán)境檢測(cè)有限公司　趙　杰　張　靜

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pH計(jì)和電導(dǎo)率儀的水分析解決方案分析

蘇州國(guó)環(huán)環(huán)境檢測(cè)有限公司趙杰張靜

【摘要】pH計(jì)、電導(dǎo)率儀是常見的環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器具有易攜帶、功耗小、便操作等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也可以運(yùn)用在十分惡劣和復(fù)雜的工作環(huán)境下。因此，在環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)需求的帶動(dòng)下，分析pH計(jì)和電導(dǎo)率儀的水分析解決方案對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作具有現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】pH計(jì)；電導(dǎo)率儀；水分析；解決方案

隨溫度、時(shí)間的漂移是pH計(jì)和電導(dǎo)率儀設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重點(diǎn)因素[1]。為了實(shí)現(xiàn)儀器工作目標(biāo)，應(yīng)運(yùn)用低漂移精確信號(hào)鏈。隨著信息技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器具備功耗小、易攜帶等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的報(bào)警功能和人機(jī)接口功能，方便了操作，簡(jiǎn)化了程序，并且可以在十分惡劣的監(jiān)測(cè)環(huán)境中工作。因此，探討和分析在環(huán)境監(jiān)測(cè)中pH計(jì)和電導(dǎo)率儀的水分析解決方案，對(duì)于提高環(huán)境監(jiān)測(cè)工作效率和工作水平具有重要的指導(dǎo)作用。

1　儀器工作的基本原理

1.1pH計(jì)的工作原理

pH值是指在溶液中氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)：

pH=-Log[H+]

pH計(jì)測(cè)量的實(shí)際是玻璃電極與甘汞電極在水溶液中形成的化學(xué)電池的電動(dòng)勢(shì)。隨著被測(cè)溶液氫離子濃度的變化，此電池的電動(dòng)勢(shì)也會(huì)發(fā)生變化：

在式子中：電動(dòng)勢(shì)變化量用△E表示；被測(cè)溶液溫度用t表示；溶液pH變化量用△pH表示；

從這些式子中我們可以看出，被測(cè)溶液中的pH值變化與電極系統(tǒng)電動(dòng)勢(shì)的變化比值呈正比例。所以，在校正儀器標(biāo)準(zhǔn)溶液后，就可以在顯示屏中讀取被測(cè)試溶液的pH值。

1.2電導(dǎo)率儀的工作原理

電導(dǎo)率表示物體傳導(dǎo)電流的能力。水的電導(dǎo)率即水的電阻的倒數(shù)，通常用來表示水的純凈度。電導(dǎo)率儀的測(cè)量原理是將兩塊平行的極板放到被測(cè)溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢(shì)（通常為正弦波電壓），形成電導(dǎo)池的兩極，然后測(cè)量極板間流過的電流。根據(jù)歐姆定律，由電壓和電流，可得溶液電阻。電導(dǎo)率K值的表達(dá)式為：

K=Q×G

式中，G為溶液的電導(dǎo)，即為溶液電阻的倒數(shù)；Q為溶液的電導(dǎo)池常數(shù)，表示為：Q=L/A，其中L 代表電導(dǎo)池兩級(jí)間的距離，A代表電極截面積。

電解質(zhì)在水溶液中的溶解度是有差異的，其濃度也相應(yīng)具有差異，進(jìn)而溶液的導(dǎo)電度也產(chǎn)生區(qū)別。如果將幅度恒定交流電壓直接壓到兩個(gè)電極上，那么這時(shí)流經(jīng)溶液的電流大小與溶液中離子數(shù)量有關(guān)。因此，通過對(duì)溶液導(dǎo)電度進(jìn)行測(cè)量，能夠研究出電解質(zhì)在溶液中的溶解度。

2　新儀器與舊儀器的差別

自1991年我國(guó)酸雨觀測(cè)站測(cè)量pH值后，開始大范圍的運(yùn)用江蘇電分析儀器廠生產(chǎn)的pH-3C型pH計(jì)，并運(yùn)用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測(cè)量電導(dǎo)率值[2]。但隨著科學(xué)技術(shù)的提高，這批儀器性能已經(jīng)不能滿足時(shí)代發(fā)展的需求，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些常見的故障：如測(cè)量數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定；運(yùn)用三次平行讀數(shù)求手工溫度與平均訂正，再調(diào)整斜率，操作程序比較復(fù)雜，致使數(shù)據(jù)觀測(cè)有偏差，測(cè)量數(shù)據(jù)存在誤差等。

這次所更新的儀器，普遍運(yùn)用了上海雷磁儀器廠生產(chǎn)的pH-3B 型pH計(jì)和DDS-307型電導(dǎo)率儀。這批儀器無論在分辨率上，還是在測(cè)量方法上，都有著很大的進(jìn)步。

pH-3B型pH計(jì)配套運(yùn)用E-201-C-Q9復(fù)合型電極，采用3.5位十進(jìn)制數(shù)碼管顯示，pH的材料范圍為0-14pH，分辨率為0.001、0.01、0.1pH，可以隨意選擇一個(gè)分辨率進(jìn)行校正，利用溫度自動(dòng)補(bǔ)償法和兩點(diǎn)標(biāo)校法，加強(qiáng)了測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和有效性。通過標(biāo)校之后的儀器展開測(cè)量，只需讀數(shù)一次，無需要手動(dòng)溫度訂正?？梢哉fpH-3 型pH計(jì)具有易操作、效率高、數(shù)據(jù)可靠等優(yōu)勢(shì)。DDS-307型電導(dǎo)率儀有四檔量程，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換和自動(dòng)進(jìn)位顯示，從操作上來說簡(jiǎn)便省時(shí)，從測(cè)量水平上來說準(zhǔn)確度較高。使用DDS-307型電導(dǎo)率儀后，該儀器可以自行測(cè)量溫度并實(shí)時(shí)顯示，與此同時(shí)，還能自動(dòng)對(duì)測(cè)得溫度的溶液進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3　實(shí)施方案

3.1測(cè)量pH值

根據(jù)具體要求進(jìn)行配制三種標(biāo)準(zhǔn)的緩沖液，即pH4.00、pH6.86、pH9.18，并可以存儲(chǔ)在玻璃瓶中以備不時(shí)之需。但應(yīng)放置在陰涼處，注意存儲(chǔ)環(huán)境。

（1）檢查儀器：①檢查電極是否完整無缺，溶液高度是否相適宜，如果溶液高度過高，或者沒有達(dá)到高度，都需要再次進(jìn)行調(diào)整，可以將濃度為3mol的kcl溶液在電極管壁小孔中滴入。②在配置儀器中，可采用“短路”專線一端直接插入到電極插孔中，另外一端應(yīng)在“參比”電極插孔中直接插入，確保儀器始終處于短路狀態(tài)中。③調(diào)整“轉(zhuǎn)換”開關(guān)，置于在手動(dòng)擋中，可以隨意對(duì)溫度旋鈕進(jìn)行調(diào)整，不管在哪個(gè)位置中，所顯示的數(shù)值都不可能漂移太多。通常情況下，都不會(huì)超出三個(gè)數(shù)字；④調(diào)整“定位”旋鈕，將其調(diào)整到最大處，如果顯示數(shù)值大于八，那么應(yīng)將其旋轉(zhuǎn)到最小處，如果顯示數(shù)值小于六，那么可以將旋轉(zhuǎn)到七；⑤調(diào)整“選擇”按鈕旋轉(zhuǎn)到“mv，檔中”，其顯示數(shù)字為“000”，如果儀器顯示數(shù)值超過了040，那么就需要換新的儀器。之所以要換新的儀器，主要是這臺(tái)儀器可能內(nèi)部零件損壞，無法在正常使用了，所以需要重新?lián)Q儀器，才能重新進(jìn)行測(cè)量[3]。

（2）標(biāo)定：儀器連續(xù)作用過程中，每天都需要定點(diǎn)進(jìn)行定位，每15天實(shí)施一次兩點(diǎn)定位。運(yùn)用自動(dòng)溫度補(bǔ)償法：①在儀器接地后，接通電源之后，應(yīng)先預(yù)熱三十分鐘；②將“轉(zhuǎn)換”開關(guān)置于“自動(dòng)”開關(guān)上；③利用蒸餾水清洗復(fù)合電極、溫度傳感器，將這兩種工具直接插入到緩沖容器中；④將儀器中的“選擇”開關(guān)規(guī)置到℃測(cè)量檔中，在這時(shí)候儀器會(huì)直接顯示出溶液溫度值；⑤儀器“選擇”開關(guān)直接置于到pH測(cè)量檔中，在查閱說明書附表后，按照說明書的指示調(diào)整定位旋鈕，確保緩沖液和儀器顯示讀數(shù)與當(dāng)下溫度pH值是相同的，如果兩者的值是不同的，肯定是上述步驟中有出現(xiàn)失誤或者遺落的部分；⑥對(duì)復(fù)合電極進(jìn)行清洗，利用蒸餾水清洗，再插入標(biāo)準(zhǔn)的緩沖液，如：pH9.18、pH4.00，在調(diào)整“斜率”旋鈕時(shí)，應(yīng)逆時(shí)針進(jìn)行調(diào)整，使緩沖液與儀器顯示值中的pH值是相同的；⑦重復(fù)進(jìn)行③-⑥步驟，直至可以不再調(diào)節(jié)“斜率”按鈕和“定位”按鈕。

（3）測(cè)量環(huán)節(jié)：利用蒸餾水將溫度傳感器、復(fù)合電極洗干凈，再利用濾紙將復(fù)合電極和溫度傳感器吸干，在一起插入到溶液中，然后在輕輕搖晃水杯，在穩(wěn)定儀器讀數(shù)后，讀取出相應(yīng)的pH值，保留出兩位小數(shù)。如果運(yùn)用溫度手動(dòng)補(bǔ)償法，只需要運(yùn)用溫度測(cè)試出溶液溫度，再運(yùn)用人工調(diào)節(jié)旋鈕，這樣可以使儀器顯示數(shù)值與溶液溫度剛好一致，余下步驟與自動(dòng)補(bǔ)償相似，無任何差別。

（4）注意的問題：①標(biāo)定儀器后，不能再動(dòng)“斜率”按鈕和“定位”按鈕；②實(shí)施兩點(diǎn)定位方法：在運(yùn)用pH6. 86緩沖液后，在第二次運(yùn)用接近溶液pH值的緩沖溶液，也就是酸性溶液值接近pH4.00的緩沖液；測(cè)減性的溶液應(yīng)利用pH9.18緩沖液。一點(diǎn)定位方法：同樣采用與被測(cè)溶液pH值相似的緩沖液；③通常情況下，在一天一夜中，儀器都不需要反復(fù)標(biāo)定；④在利用pH6.86的緩沖液展開標(biāo)定時(shí)，只需要調(diào)節(jié)“定位”，而在利用pH4.00緩沖液與pH9.18緩沖液標(biāo)定中，應(yīng)采用“斜率”進(jìn)行調(diào)節(jié)，決不能出現(xiàn)兩個(gè)溶液混淆的情況；⑤確保電極的濕潤(rùn)性，運(yùn)用3mol濃度或者蒸餾水kcl溶液進(jìn)行浸泡和保存。

3.2測(cè)量K值

在DDS-307儀器接通后，要求先預(yù)測(cè)三十分鐘，確保接地性能良好。在進(jìn)行依次校準(zhǔn)：①將“選擇”開關(guān)直接指向“檢查”檔中；②“常數(shù)”，將補(bǔ)償選擇按鈕直接歸置到1.0位置上；③將溫度補(bǔ)償按鈕旋轉(zhuǎn)到25℃；④“校準(zhǔn)”按鈕的調(diào)整，這樣確保儀器顯示值是100.0μS°cm-1[4]。

（1）測(cè)量環(huán)節(jié)：①測(cè)量出被測(cè)溶液中的溫度情況；②“溫度”旋鈕指向的是被測(cè)溶液中的實(shí)際溫度；③“常數(shù)”按鈕的調(diào)節(jié)，確保儀器顯示值和電導(dǎo)電極上標(biāo)的常數(shù)值100倍后相一致的；④利用蒸餾水將電極洗干凈，在吸干之后放置到溶液中央中，然后再輕輕搖晃水杯，旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)順序，在讀數(shù)相應(yīng)的數(shù)值，可保留一位小數(shù)。

（2）注意的問題：①在測(cè)試后的K值在當(dāng)前溫度下，在自動(dòng)補(bǔ)償折算后，可以達(dá)到25℃，不需要再次手工訂正；②保持電極的清潔，避免電極插頭或者插座出現(xiàn)受潮，如果有塵土，那么可以利用酒精清洗，在利用冷風(fēng)吹干；③電極常數(shù)應(yīng)為0.01,0.1，10時(shí)，將常數(shù)補(bǔ)償依次擴(kuò)大到10000,1000,10倍中，測(cè)量值也需要相應(yīng)的縮小100,10；④為了保證測(cè)量的精度，在使用電極之前應(yīng)采用符合規(guī)定的蒸餾水進(jìn)行沖洗，在運(yùn)用被測(cè)溶液進(jìn)行；⑤用常數(shù)標(biāo)定出電極，應(yīng)定期進(jìn)行標(biāo)定。

4　pH計(jì)和電導(dǎo)率儀的水分析解決方案分析

在pH計(jì)的系統(tǒng)中，包括低漏電流輸入級(jí)、微控制器、pH電極、電源管理、通信接口等。在運(yùn)用測(cè)量電極或者在參考電極確定出氫離子濃度后，可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的pH測(cè)量。提供恒定的參考電位是參考電極的主要作用，但應(yīng)注意的是參考電極所起的作用與電極浸沒溶液沒有任何關(guān)系。測(cè)量電極的作用與參考電極電位差有著很大的關(guān)系，它與溶液pH值之間呈正比。同時(shí)，pH電極具有較強(qiáng)的輸出電阻里，為了可以精確測(cè)量出pH值，在選用緩沖器中，應(yīng)選用低偏置的電流放大器。在通過低漏電流緩沖之后，信號(hào)中提供的低通濾波器級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)更高一層的分辨率，待信號(hào)進(jìn)入到Σ-△ADC后，其測(cè)量溫度也可以在ADC作用下實(shí)現(xiàn)，用來補(bǔ)償最終的實(shí)際效果。

電導(dǎo)率儀系統(tǒng)包括可編程交流電流源、電導(dǎo)率電極、電流檢測(cè)、微控制器、通信接口、電源管理等。導(dǎo)電率可以直接衡量出在溶液中離子濃度，可以利用施加電流進(jìn)行測(cè)量。該電流會(huì)導(dǎo)致離子反復(fù)流動(dòng)，這樣可以使電率電極間形成交流電位。導(dǎo)電率計(jì)測(cè)量電壓分為兩節(jié)點(diǎn)、四節(jié)點(diǎn)的模式，根據(jù)系統(tǒng)精度要求，可以決定該選擇哪種模式。結(jié)合歐姆定律，在溶液中電導(dǎo)率，在測(cè)量電壓和測(cè)量電流依次計(jì)算?？梢跃幊探涣麟娏骺梢赃\(yùn)用基準(zhǔn)電壓源或者多路復(fù)用器等器件產(chǎn)生電流。在電極中的電壓在通過儀器放大器檢測(cè)之后，后接開關(guān)及差動(dòng)放大器。通過電極中的電流有I/V電路檢測(cè)，后續(xù)工作依然會(huì)有開關(guān)和差動(dòng)放大器的接入。開關(guān)和差動(dòng)放大器中解調(diào)電路可以將交流信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成為直流信號(hào)，確保將直流信號(hào)提供給Σ-△ADC。

5　結(jié)語

總而言之，在設(shè)計(jì)pH值和電導(dǎo)率儀過程中，時(shí)間因素和溫度因素是兩個(gè)重要的因素。為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目的，應(yīng)有計(jì)劃的降低漂移精確信號(hào)鏈。另外，為了充分發(fā)揮傳感器動(dòng)態(tài)范圍作用，在設(shè)計(jì)電源以及信號(hào)鏈中，應(yīng)考慮到高分辨與低噪聲的規(guī)定。最近幾年來，儀器領(lǐng)域在向便攜性方向發(fā)展。工作者可以根據(jù)自身實(shí)際需要選擇是否運(yùn)用pH計(jì)和電導(dǎo)率儀相應(yīng)的便攜式版本。

參考文獻(xiàn)

[1]楚臻君.我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器行業(yè)的現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析[J].河南農(nóng)業(yè),2012(19).

[2]崔令,羅益民.雙路pH在線監(jiān)測(cè)與控制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2015(11).

[3] 孫墨杰，陳長(zhǎng)安，靳世久等.在線恒溫pH計(jì)的研究[N].東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,21(2): 24-27.

[4]顧敏杰.DDG- 5205型工業(yè)電導(dǎo)率儀的研制[J].分析儀器,1998(1):10-13.