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PH传感器的工作原理_PH传感器的使用方法

作者:Las Vegas 日期:2021-02-12 22:09 人气:

  ph传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号的传感器,通常由化学部分和信号传输部分构成。ph传感器常用来进行对溶液、水等物质的工业测量。

  PH传感器,可以对大型反应槽或制程管路中pH值测定;耐高温杀菌、CIP清洗;电极长度有120、150、220、250、450mm等多种选择。用于多种场合的PH值测量,比如:废水污水场合PH值测量,电镀废水场合PH值测量,高温场合PH值测量,发酵场合PH值测量,高压场合PH值测量等多种场合PH值的测量。

  PH测量属于原电池系统,它的作用是使化学能转换成电能,此电池的端电压被称为电极电位;此电位由两个半电池构成,其中一个称为测量电极,另一个称为参比电极;此电位遵循能斯特方程:

  对于PH电极。它是一支端部吹成泡状的对于pH敏感的玻璃膜的玻璃管。管内充填有含饱和AgCl的3mol/lkcl缓冲溶液,pH值为7。存在于玻璃膜二面的反映PH值的电位差用Ag/AgCl传导系统,如第二电极,导出。PH复合电极如图。

  式中R和F为常数,n为化合价,每种离子都有其固定的值。对于氢离子来讲,n=1。温度“T”做为变量,在能斯特公式中起很大作用。随着温度的上升,电位值将随之增大。对于每1℃的温度变大,将引起电位0.2mv/perpH变化。用pH值来表示,则每1℃第1pH变0.0033pH值。这也就是说:对于20~30℃之间和7pH左右的测量来讲,不需要对温度变化进行补偿;而对于温度>30℃或<20℃和pH值>8pH或6pH的应用场合则必须对温度变化进行补偿。

  内参比电极的电位是恒定不变的,它与待测试液中的H+活度(pH)无关,pH玻璃电极之所以能作为H+的指示电极,其主要作用体现在玻璃膜上。当玻璃电极浸入被测溶液时,玻璃膜处于内部溶液(H+,内)和待测溶液(H+,试)之间,这时跨越玻璃膜产生一电位差EM(这种电位差称为膜电位,下节讨论),它与氢离子活度之间的关系符合能斯特公式:

  ,跨越玻璃膜仍有一定的电位差,这种电位差称为不对称电位(E不对称),它是由玻璃膜内外表面情况不完全相同而产生的。此式表明玻璃电极EM与pH成正比。因此,可作为测量pH的指示电极。

  用离子选择性电极测定有关离子,一般都是基于内部溶液与外部溶液之间产生的电位差,即所谓膜电位。膜电位的产生是由于溶液中的离子与电极膜上的离子发生了交换作用的结果。以玻璃电极为例来说明。其要点如下:

  玻璃电极在使用前要在纯水中浸泡,离子交换理论认为,当玻璃电极浸入水溶液中时,玻璃表面会吸水而使玻璃溶胀,在它的表面形成溶胀的硅酸层(水化层),这种水化层的是逐渐形成的,只有当玻璃膜浸泡24小时以上后,才能完全形成并趋于稳定。其厚度很薄(约为玻璃膜厚度的1/1000)。同样,膜内表面与内参比溶液接触,亦已形成水化层。在水化层形成的过程中,伴随着水溶液中H+与玻璃种Na+的交换作用(Ca2+结合牢固不易交换),此交换反应可表示如下:

  若内部溶液和外部溶液的pH不同,则膜内、外固液界面上电荷分布不同,这样跨越膜的两侧界面就有一个电势差,即膜电位。

  当浸泡好的玻璃膜进入待测试液时,膜外层的水化层与试液接触,由于H+活度变化,将使上式离解平衡发生移动,此时,就可能有额外的H+由溶液进入水化层,或有水化层转入溶液,因而膜外层的固液界面上电荷分布不同,跨越膜的两侧界面的电势差发生改变,这个改变与试液中的[H+]有关。

  在使用时,通常先将PH传感器加上不锈钢保护套,再插入发酵罐中。大多数PH传感器都具有温度补偿系统。由于电极内容物会随使用时间或高温灭菌而不断变化,因而在每批发酵灭菌操作前均需进行标定,即用标准的PH缓冲液校准。通常PH传感器的测定范围是0~14,精度达(0.05~0.1),响应时间为数秒至数十秒,灵敏度为0.1。

  必须在使用前对传感器进行校准,这是对发酵罐进行灭菌的最后一步操作。传感器的校准在发酵罐外进行,将PH电极浸没到含一种或多种标准缓冲液的适当容器中进行校准。这些操作最好均在发酵罐运行温度下进行。PH电极需与发酵过程中使用的PH计相连接,PH计的校准装置可按常规的PH计校准步骤来调整。由于发酵过程中重新校准的时分困难或者不可能,最好能固定PH计的校准控制,以避免实验中的偶发性偏移,许多商业性的仪表都提供一些固定螺丝。

  校准以后,应该将传感器插入到发酵罐中并进行密封。在发酵罐灭菌时,一般将PH计的连接物移开(采用高压灭菌锅灭菌时),灭菌后重新连接,PH传感器开始工作。也有实验操作人员用酒精对PH传感器单独消毒(即不放入灭菌锅),主要是为了延长传感器的使用寿命。然后需将传感器立即插入且密封在罐内。

  必须指出,这一过程可能染菌。尽管有些报道称在研究中规则地使用这一步骤没有问题。具体方法如下:放好传感器,加上一个合适的配件以使PH探头易于由发酵罐顶盘进行安装,然后将其在无水酒精中至少放置lh。探头和配件必须是很干净的,探头的浸没位置应高于配件。最后应迅速地将传感器转移到预先灭好菌的发酵罐中,其已与空气供应系统相连,而且其中的空气已开始流动。

  在灭菌或使用过程中,很可能会使校准发生偏移。对于状况良好的传感器,这种偏移不会超过0.2个单位。但一些研究人员仍建议在发酵罐灭菌以后进行校准或者再校准。目前已有适用于较大发酵罐的这种系统,可以完全无菌地取出传感器,再将其部分地插入校准缓冲液中进行校准。

  在实验室规模下,有必要将传感器完全移出,利用前述的化学处理方法来进行再消毒。在实验室中检查一个可疑校准的较好方法是对发酵液进行无菌取样,在发酵罐外测量其PH值尽快进行检测、读数。因为细胞在不断变化的条件下(例如在连续培养中氧和基质的消耗)进行连续代谢,如果培养基的缓冲性能较差,PH在几分钟内即可发生显著变化,从而无法正确检查传感器的校准。

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