princip för operationEdit
potentiometriska pH-mätare mäta spänningen mellan två elektroder och visa resultatet konverterat till motsvarande pH-värde. De består av en enkel elektronisk förstärkare och ett par elektroder, eller alternativt en kombinationselektrod, och någon form av display kalibrerad i pH-enheter. Den har vanligtvis en glaselektrod och en referenselektrod eller en kombinationselektrod. Elektroderna eller sonderna sätts in i lösningen som ska testas.
elektrodernas konstruktion är nyckeldelen: dessa är stavliknande strukturer som vanligtvis är gjorda av glas, med en glödlampa som innehåller sensorn längst ner. Glaselektroden för mätning av pH har en glödlampa speciellt utformad för att vara selektiv till vätejonkoncentration. Vid nedsänkning i lösningen som ska testas byter vätejoner i testlösningen mot andra positivt laddade joner på glödlampan, vilket skapar en elektrokemisk potential över glödlampan. Den elektroniska förstärkaren detekterar skillnaden i elektrisk potential mellan de två elektroderna som genereras i mätningen och omvandlar potentialskillnaden till pH-enheter. Storleken på den elektrokemiska potentialen över glaslampan är linjärt relaterad till pH enligt Nernst-ekvationen.
referenselektroden är okänslig för lösningens pH och består av en metallledare som ansluter till displayen. Denna Ledare nedsänks i en elektrolytlösning, typiskt kaliumklorid, som kommer i kontakt med testlösningen genom ett poröst keramiskt membran. Displayen består av en voltmeter, som visar spänning i enheter av pH.
vid nedsänkning av glaselektroden och referenselektroden i testlösningen är en elektrisk krets färdigställd, där det finns en potentiell skillnad skapad och detekterad av voltmätaren. Kretsen kan betraktas som att gå från det ledande elementet i referenselektroden till den omgivande kaliumkloridlösningen, genom det keramiska membranet till testlösningen, glaselektrodens vätejonselektiva glas, till lösningen inuti glaselektroden, till glaselektrodens silver och slutligen voltmätaren på displayenheten. Spänningen varierar från testlösning till testlösning beroende på den potentiella skillnaden som skapas av skillnaden i vätejonkoncentrationer på vardera sidan av glasmembranet mellan testlösningen och lösningen inuti glaselektroden. Alla andra potentiella skillnader i kretsen varierar inte med pH och korrigeras med hjälp av kalibreringen.
för enkelhet använder många pH-mätare en kombinationssond, konstruerad med glaselektroden och referenselektroden som finns i en enda sond. En detaljerad beskrivning av kombinationselektroder ges i artikeln om glaselektroder.
pH-mätaren kalibreras med lösningar av känt pH, vanligtvis före varje användning, för att säkerställa mätnoggrannhet. För att mäta pH hos en lösning används elektroderna som sonder, vilka doppas i testlösningarna och hålls där tillräckligt länge för att vätejonerna i testlösningen ska jämviktas med jonerna på lampans yta på glaselektroden. Denna jämvikt ger en stabil pH-mätning.
pH-elektrod och referenselektrod designEdit
detaljer om tillverkningen och den resulterande mikrostrukturen hos pH-elektrodens glasmembran bibehålls som affärshemligheter av tillverkarna.: 125 emellertid publiceras vissa aspekter av design. Glas är en fast elektrolyt, för vilken alkalimetalljoner kan bära ström. Det pH-känsliga glasmembranet är i allmänhet sfäriskt för att förenkla tillverkningen av ett enhetligt membran. Dessa membran är upp till 0,4 millimeter tjocka, tjockare än originalkonstruktioner, för att göra sonderna hållbara. Glaset har silikatkemisk funktionalitet på ytan, vilket ger bindningsställen för alkalimetalljoner och vätejoner från lösningarna. Detta ger en jonbyteskapacitet i intervallet 10-6 till 10-8 mol/cm2. Selektivitet för vätejoner (H+) härrör från en balans mellan jonladdning, volymkrav jämfört med andra joner och koordinationsantalet för andra joner. Elektrodtillverkare har utvecklat kompositioner som på lämpligt sätt balanserar dessa faktorer, särskilt litiumglas.:113-139
silverkloridelektroden används oftast som referenselektrod i pH-mätare, även om vissa konstruktioner använder den mättade calomelelektroden. Silverkloridelektroden är enkel att tillverka och ger hög reproducerbarhet. Referenselektroden består vanligtvis av en platinatråd som har kontakt med en silver/silverkloridblandning, som är nedsänkt i en kaliumkloridlösning. Det finns en keramisk plugg, som fungerar som en kontakt med testlösningen, vilket ger lågt motstånd samtidigt som man förhindrar blandning av de två lösningarna.:76-91
med dessa elektrodkonstruktioner detekterar voltmätaren potentiella skillnader i 1400 millivolt. Elektroderna är vidare utformade för att snabbt jämvikta med testlösningar för att underlätta användarvänlighet. Jämviktstiderna är vanligtvis mindre än en sekund, även om jämviktstiderna ökar när elektroderna åldras.: 164
MaintenanceEdit
på grund av elektrodernas känslighet för föroreningar är sondernas renhet avgörande för noggrannhet och precision. Sonder hålls vanligtvis fuktiga när de inte används med ett medium som är lämpligt för den specifika sonden, vilket vanligtvis är en vattenlösning tillgänglig från sondtillverkare. Probe tillverkare ger instruktioner för rengöring och underhåll av sina sondkonstruktioner. För illustration, en tillverkare av laboratoriekvalitet pH ger rengöringsinstruktioner för specifika föroreningar: allmän rengöring (15 minuters blötläggning i en lösning av blekmedel och tvättmedel), salt (saltsyralösning följt av natriumhydroxid och vatten), fett (tvättmedel eller metanol), igensatt referenskorsning (KCl-lösning), proteinavlagringar (pepsin och HCl, 1% lösning) och luftbubblor.
kalibrering och operationEdit
det tyska institutet för standardisering publicerar en standard för pH-mätning med pH-mätare, DIN 19263.
mycket exakta mätningar kräver att pH-mätaren kalibreras före varje mätning. Mer typiskt kalibrering utförs en gång per dag av drift. Kalibrering behövs eftersom glaselektroden inte ger reproducerbara elektrostatiska potentialer över längre tidsperioder.:238-239
i överensstämmelse med principerna för god laboratoriesed utförs kalibrering med minst två standardbuffertlösningar som spänner över pH-värden som ska mätas. För allmänna ändamål är buffertar vid pH 4,00 och pH 10,00 lämpliga. PH-mätaren har en kalibreringskontroll för att ställa in mätaravläsningen lika med värdet på den första standardbufferten och en andra kontroll för att justera mätaravläsningen till värdet på den andra bufferten. En tredje kontroll gör att temperaturen kan ställas in. Standardbuffertpåsar, tillgängliga från olika leverantörer, dokumenterar vanligtvis temperaturberoendet för buffertkontrollen. Mer exakta mätningar kräver ibland kalibrering vid tre olika pH-värden. Vissa pH-mätare ger inbyggd temperaturkoefficientkorrigering, med temperatur termoelement i elektrodproberna. Kalibreringsprocessen korrelerar spänningen som produceras av sonden (ungefär 0,06 volt per pH-enhet) med pH-skalan. God laboratoriepraxis dikterar att sonderna efter varje mätning sköljs med destillerat vatten eller avjoniserat vatten för att avlägsna eventuella spår av lösningen som mäts, blottas med en vetenskaplig torka för att absorbera kvarvarande vatten, vilket kan späda provet och därmed ändra avläsningen och sedan nedsänkas i en lagringslösning som är lämplig för den specifika sondtypen.