1

Analizoare de pH

Toate sistemele de determinare a pH-ului se bazează pe principiul celulei electrochimice: dacă doi electrozi sau doi conductori diferiţi sunt plasaţi într-un electrolit (o soluţie în care există ioni) între cei doi electrozi va apare o diferenţă de potenţial. Valoarea potenţialului depinde de tipul electrozilor şi a electrolitului. Măsurarea pH-ului depinde şi de fenomene asociate cu un anumit tip de sticlă care este sensibilă la concentraţia ionilor de hidrogen. În principiu un senzor de pH este o baterie cu impedanţă ridicată. Impedanţa crescută provine de la electrozii acoperiţi cu sticlă. Un sistem convenţional de determinare a pH-ului, cum este cel prezentat în figura 1, cuprinde electrodul de măsură, electrodul de referinţă şi analizorul – aparatul de măsură (nereprezentat în figură). Electrodul de sticlă, comun tuturor sistemelor de determinare a pH-ului, este desemnat

ca fiind E1. Electrodul de referinţă este desemnat ca fiind E2. Electrodul de referinţă este un cilindru închis realizat din plastic sau din sticlă, care conţine un fir de argint acoperit cu AgCl (clorură de argint). Soluţia din electrod este o soluţie saturată de KCl (clorură de potasiu). Circuitul electric din proces este închis prin intermediul unei joncţiuni. Joncţiunea poate fi ceramică, din lemn, din teflon sau pur şi simplu un orificiu micrometric. Tipurile de joncţiune prezentate mai sus asigură continuitatea circuitului electric şi împiedică curgerea soluţiei din electrod în lichidul al cărui pH urmează să fie determinat. Valoarea potenţialului generat de cele două semicelule este:

pH – pCl = E1 – E2 Componentele pH şi pCl reprezintă logaritmii concentraţiei de H+ şi Cl-.

Dacă pCl constant: pH = K(E1 – E2)

Prin urmare potenţialul la ieşire este egal cu diferenţa dintre potenţialele celor două semicelule – E1 potenţialul dat de electrodul de sticlă şi E2 potenţialul dat de electrodul de referinţă, k fiind constanta asociată. Deoarece pH-ul este logaritmul cu semn schimbat al concentraţiei ionilor de hidrogen este evident că precizia determinării depinde de valoarea constantă a potenţialului celulei de referinţă. Modificarea acestuia duce la apariţia unor erori.

Aşa cum se poate observa din figura 1, un sistem de măsurare al pH-ului este alcătuit din patru componente: electrodul de măsură (E1), electrodul de referinţă (E2), amplificatorul care transformă semanlul într-o mărime ce poate fi citită de către utilizator şi proba de măsurat. Fiecare parte a sistemului joacă un rol important un procesul de măsurare.

Electrodul de măsură este de fapt o baterie mică. Bateria furnizează o tensiune variabilă care depinde de pH-ul soluţiei în care se află. Electrodul de referinţă este de asemenea o baterie. Totuşi, faţă de electrodul de sticlă, tensiunea lui nu variază odată cu activitatea ionilor de hidrogen sau a altor ioni din soluţie, dar depinde de restul potenţialului din sistem. De obicei se presupune că electrodul de măsură furnizează o tensiune variabilă, în timp ce electrodul de referinţă furnizează o tensiune constantă.

Figura 1

2

Dezavantajele sistemului convenţional de măsurare a pH-ului – măsurarea pH-ului cu

ajutorul electrozilor combinaţi convenţionali sau a perechilor de electrozi Sistemele convenţionale de măsurare a pH-ului au câteva dezavantaje:

- posibilitatea diluării şi/sau contaminării soluţiei din interiorul electrodului de referinţă; o diluţie de 100 la 1 a soluţiei din interiorul electrodului poate conduce la o eroare în măsurarea pH-ului cu una sau cu două unităţi de pH. Soluţia din interiorul electrodului de referinţă nu poate fi tamponată;

- datorită erorilor mai sus enunţate este necesară înlocuirea periodică a lichidului din interiorul electrodului de referinţă – ceea ce sporeşte posibilitatea distrugerii senzorului;

- există posibilitatea pătrunderii accidentale a mediului pentru care se face măsurătoarea în electrozi ceea ce conduce la distrugerea automată a acestora;

- între electrozi şi aparatul de măsură ia naştere o buclă de curent prin intermediul împământărilor. Curenţii formaţi se vor scurge prin circuitul electric cu impedanţa cea mai mică – respectiv prin circuitul alcătuit de electrodul de referinţă; curenţii astfel formaţi vor da naştere unei diferenţe de potenţial care va da o eroare în măsurarea pH-ului;

- datorită substanţelor care pot adera la electrodul de referinţă creşte impedanţa acestuia; diferenţa de potenţial mai sus menţionată, creşte.

Măsurători de pH cu electrod diferenţial

În anii 70 firma Great Lake Instruments (GLI International Inc. în prezent) a introdus tehnica măsurătorii diferenţiale, utilizând doi electrozi de sticlă pentru determinarea pH-ului, dar măsurătoarea s-a realizat în funcţie de cel de-al treilea electrod – un electrod metalic. Electrodul Standard (de referinţă în cazul de faţă) este un electrod de sticlă scufundat într-o incintă cu soluţie tampon cu pH=7. Incinta face contact cu soluţia din proces prin intermediul unei punţi duble de sare. Al doilea electrod este introdus în soluţia din proces. Senzorul diferenţial este prezentat în figura 2.

Fig. 2

3

Electrodul de sticlă considerat standard este menţinut într-un mediu cu pH constant – umplut cu o soluţie tampon la pH=7. Contactul electric este asigurat de puntea de sare şi de o joncţiune ceramică. Utilizarea electrodului de sticlă drept standard permite folosirea soluţiei tampon care, prin definiţie, „amortizează” modificările de pH accidentale. Semnalele de la ieşirile electrozilor cu impedanţă ridicată sunt amplificate prin intermediul unui amplificator cu câştig unitar. Tensiunea la ieşire – din fiecare electrod – este egală cu tensiune dată de fiecare electrod din care se scade tensiunea dată de electrodul de „ground”. PH-ul se calculează făcându-se diferenţa dintre cele două tensiuni finale:

PH = K[(E1 – E3) – (E2 – E3)] = K(E1-E2)

Beneficiile obţinute prin utilizarea electrozilor diferenţiali

- senzorul diferenţial nu depinde de electrodul de referinţă sau de soluţia de KCl (clorură de potasiu); la o diluţie de 100 la 1 a soluţiei din interiorul electrodului eroarea de pH va fi de 0.05 unităţi;

- electrozii situaţi în interiorul senzorului sunt perfecţi încapsulaţi, partea electronică a senzorului fiind astfel protejată;

- deoarece în locul electrodului de referinţă uzual se utilizează un electrod de sticlă, firul de argint acoperit cu clorură de argint se află la adăpost de eventualii contaminaţi; chiar dacă are loc contaminarea soluţiei tampon, aceasta poate fi uşor înlocuită;

- soluţia tampon aflată în incinta care conţine electrodul de referinţă durează în cazul proceselor tipice aproximativ un an;

- sunt evitate erorile de măsură care pot apare din cauza curenţilor paraziţi, măsurătorilor făcându-se prin raportare la electrodul de „ground”; pe de altă parte, chiar dacă acesta este acoperit de impurităţi, valoarea sa nu intră în calcul – vezi formula de mai sus;

- prin definiţie, amplificatorul cu câştig unitar furnizează la ieşire o valoare în mV egală cu valoarea de intrare, singurul său scop fiind reducerea impedanţei (impedanţa electrozilor scade la o zecime la ieşirea de amplificator); distanţa dintre analizor şi senzor poate creşte până la 914 m.

Senzorii diferenţiali de pH sunt superiori celorlalte tipuri de senzori comercializaţi în prezent deoarece:

- sunt eliminate principalele surse de eroare; - au fiabilitate ridicată, comparativ cu senzorii combinaţi convenţionali; - au un corp exterior protector, rezistent la temperatură şi la substanţe corozive, iar

datorită lui creşte şi rezistenţa mecanică; - corpul exterior în general este prevăzut cu filet, montarea sa făcându-se fără probleme; - partea electronică – amplificatoarele interioare – este protejată faţă de mediul exterior; - senzorii sunt prevăzuţi cu cablu de lungime standard 3-4.5 m sau nestandard până la

900 de metri; - au un raport preţ / calitate superior celorlalte tipuri de senzori ei fiind garantaţi 30 de

luni de către firmă. Soluţie Valoare pH Soluţie Valoare pH acid clorhidric (37%) 0 pH apa pură 7 pH acid clorhidric (1.4%) 1 pH oxid de magneziu 10 pH suc de lămâie 2 pH amoniac 11 pH bere 3 pH soda caustică (1%) 13 pH brânză 5 pH soda caustică (4%) 14 pH

4

5

Debitmetre electromagnetice

Unele dintre cele mai utilizate debitmetre volumice pentru lichide sunt debitmetrele electromagnetice. Ele sunt construite pentru a măsura debitul fluidelor cu conductibilitate electrică. Măsurarea se bazează pe legea inducţiei conform căreia într-un conductor ce se deplasează într-un magnetic se induce o tensiune electrică. Valoarea tensiunii induse (U) este proporţională cu viteza medie de curgere (v), atunci când intensitatea câmpului magnetic (B) este constantă. În interiorul debitmetrului electromagnetic fluidul trece printr-un câmp magnetic aplicat perpendicular pe direcţia de curgere. Mişcarea fluidului (care trebuie să aibă o conductivitate electrică peste o anumită valoare considerată minimă) induce o tensiune electrică. Această tensiune este proporţională cu viteza fluidului, şi pentru o conductă de diametru (D) dat este proporţională cu volumul fluidului ce se deplasează în unitatea de timp prin conductă (debitul). Semnalul în tensiune este preluat de către 2 electrozi, care sunt în contact cu fluidul conductiv şi este trimis la un convertor de semnal (adaptor de semnal) care îl transformă într-un semnal de ieşire standardizat. Avantajele metodei de măsurare electromagnetice a)- nu se pierde presiune prin modificări ale diametrului conductei sau prin introducerea în conductă a unor elemente cu care se efectuează măsurătoarea. b)- deoarece câmpul magnetic traversează întreaga zonă a fluxului de fluid măsurat, semnalul reprezintă valoarea medie pe secţiunea transversalăa conductei; de aceea, înainte de elementul de măsură se recomandă o porţiune dreaptă de conductă de 5 diametre de la axele electrozilor. c)- în contact cu fluidul al cărui debit se măsoară intră numai căptuşeala conductei aferente corpului traductorului şi electrozii care pot fi realizate din materiale rezistente. d) – semnalul primar produs de traductor este de natură electrică cu o dependenţă liniară faţă de debitul măsurat. e)- rezultatul măsurătorilor este independent de profilul de curgere şi de alte proprietăţi ale fluidului. Câmpul magnetic al senzorului este generat de un curent cu formă dreptunghiulară introdus de convertorul de semnal în bobinele de câmp. Tensiunea electrică indusă în fluidul măsurat şi preluată de cei doi electrizi este o tensiune alternativă, de aceeaşi frecvenţă cu câmpul magnetic şi curentul inectat în bobinele de câmp. Utilizarea unei astfel de forme de undă pentru curentul injectat asigură suprimarea oricăror interferenţe produse de nedecuplarea tensiunilor de alimentare sau de alte tensiuni parazite.

6

Diagrama bloc a convertorului de semnal.

1) amplificatorul de intrare:

- realizează un raport semnal/zgomot ridicat prin alimentare cu energie cu pierderi reduse în câmp la valori ridicate ale frecvenţei şi curentului

- convertor A/D cu rezoluţie mare, monitorizat şi controlat digital - procesare digitală a semnalului şi controlul secvenţelor într-un ciclu de

măsurare - prelucrează rapid şi precis semnalele de protecţie la suprasarcini sau

eventualele vârfuri ale valorii debitului 2) alimentarea cu energie a bobinelor de câmp

- generarea impulsurilor de curent, controlate electronic, pentru bobinele de producere a câmpului magnetic

- nivelul ridicat al curentului asigură un nivel ridicat al semnalului util 3) iesirea în curent unificat

- izolată galvanic faţă de toate celelelte blocuri - converteşte semnalul digital de la ieşirea microprocesorului μP3 în curent

proporţional cu valoarea debitului 4) ieşiri/intrări binare

- izolate galvanic - combinaţii intrare/ieşire selectabile - ieşirea în impulsuri B1 – ieşire pasivă ce permite conectarea totalizatoarelor

(contoarelor de debit) electronice şi electromecanice.

B1 B┴ B2

I+ I I┴

7

- ieşirea de stare B2 pentru valori limită, identificarea erorilor, direcţia debitului în modul F/R (forward/reverse - înainte/înapoi), identificarea domeniului de măsură în modul B/A (automatic range change – modificarea automată a domeniului)

- ambele ieşiri pot fi configurate şi ca intrări de control 5) unitatea de control cu afişaj (opţional – versiunea D a convertorului)

- display cu afişaj LCD iluminat - 3 taste pentru controlul convertorului de semnal - conexiune la magistrala internă ImoCom

6) conectori pentru magistralele ImoCom pentru conectarea dispozitivelor externe de configurare

- adaptor şi soft de configurare sub MS-DOS PC sau Windows Convertorul de semnal poate realiza si funcţia de totalizare a debitului (contor de debit). Totalizarea se poate realiza separat pentru fiecare sens de deplasare al fluidului prin conductă sau se poate realiza suma sau diferenţa celor două cantităţi. De regulă debitmetrele electromagnetice sunt fabricate în două veriante de bază:

- debitmetre compacte, la care convertorul de semnal este montat pe debitmetru - debitmetre cu convertorul de semnal montat la distanţă

De asemenea, convertorul poate fi solicitat cu afişaj local sau fără.

8