pH mērījumi un elektrodu uzturēšana rūpnieciskajos procesos

Rūpnieciskās pH mērīšanas pamati

pH mēra ūdens šķīduma ūdeņraža jonu aktivitāti skalā no 0 līdz 14. pH vērtība 7 ir neitrāla. Vērtības zem 7 ir skābas. Vērtības virs 7 ir sārmainas. Mērījums ir logaritmisks — katra vienības izmaiņa nozīmē desmitkārtīgu ūdeņraža jonu koncentrācijas izmaiņu.

Standarta rūpnieciskais pH sensors izmanto stikla elektrodu, kas ģenerē milivoltu potenciālu, kas proporcionāls pH vērtībai. Nernsta vienādojums apraksta šo attiecību: pie 25°C elektrods ģenerē aptuveni 59,16 mV uz pH vienību. Šī vērtība mainās atkarībā no temperatūras, tāpēc temperatūras kompensācija ir būtiska precīziem mērījumiem. Lielākā daļa rūpniecisko uzstādījumu izmanto kombinēto elektrodu, kas apvieno gan mērīšanas stikla elektrodu, gan atsauces elektrodu vienā korpusā. Atsauces savienojums — vieta, kur iekšējais atsauces elektrolīts saskaras ar procesa šķidrumu — ir vissvarīgākā un vistrauslākā daļā.

Alternatīva tehnoloģija, ISFET (jonjutīgais lauka efekta tranzistors) pH sensors, aizstāj stikla membrānu ar pusvadītāja vārtiem. ISFET sensori ir izturīgāki nekā stikla elektrodi augsta spiediena vai lielu vibrāciju apstākļos un reaģē ātrāk uz pH izmaiņām. Tomēr tiem nepieciešama sarežģītāka signāla apstrādes elektronika un tie ir ievērojami dārgāki.

Sensora izvēles kritēriji procesa lietojumiem

Neatbilstoša pH sensora izvēle procesa vidē ir galvenais īslaicīgas elektroda kalpošanas un mērījumu kļūdu cēlonis. Inženieriem jāizvērtē pieci galvenie parametri:

• Temperatūras un spiediena diapazons: Standarta stikla elektrodi darbojas uzticami no 0°C līdz 100°C pie spiediena līdz 6 bāriem. Augstas temperatūras procesi virs 130°C prasa īpašas augstas temperatūras stikla formulas ar pastiprinātiem atsauces savienojumiem.
• Atsauces savienojuma veids: Keramikas savienojums piemērots vispārējai ūdens attīrīšanai. Atvērtais vai plūstošais savienojums nodrošina labāku aizsardzību pret aizsērēšanu suspensijās vai kolloīdos. Aizsērējis atsauces savienojums ir visizplatītākais pH rādījuma novirzes iemesls rūpnieciskajos procesos.
• Stikla membrānas veids: Standarta pH stikls darbojas no pH 0 līdz 12. Augsta sārmainuma stikla formulas iztur nātrija kļūdu stipri sārmainos šķīdumos virs pH 12. Zema pretestības stikla veidi piemēroti augstas tīrības ūdens mērījumiem.
• Procesa pieslēgums: Izvelkami sensora komplekti ļauj noņemt elektrodu un veikt kalibrāciju bez procesa apstādināšanas. Fiksēti iegremdējuma pieslēgumi piemēroti partiju reaktoriem, kur procesa apstādināšana ir ieplānota.
• Elektroda korpusa materiāls: Epoksīda korpusi ir ekonomiski, bet bojājas stipru šķīdinātāju ietekmē. Titāna vai PEEK korpusi iztur ļoti agresīvu ķīmisku vidi.

Yokogawa FLXA202 divu ieeju šķidruma analizators atbalsta pH, ORP, vadītspējas un izšķīdušā skābekļa mērījumus no vienas platformas. Instruments sazinās ar HART vai PROFIBUS PA, ļaujot tiešu integrāciju ar ABB System 800xA DCS vai citiem galvenajiem izkliedētās vadības sistēmu risinājumiem. Yokogawa MIF4*A saskarnes moduļa karte nodrošina lauka autobusa saskarnes slāni Yokogawa CENTUM DCS integrācijai ar HART iespējotiem pH analizatoriem.

Kalibrācijas procedūra un bufera standarti

• 1. solis — bufera izvēle: Izmantojiet NIST sertificētus bufera šķīdumus, kas aptver gaidāmo procesa pH diapazonu. Bieži lieto kalibrācijas komplektu ar pH 4,00 un pH 7,00 buferiem skābiem procesiem vai pH 7,00 un pH 10,00 buferiem sārmainiem procesiem. Nekad nelietojiet piesārņotus vai derīguma termiņā beigušos buferus. Izmestu buferus, kas ilgāk par četrām stundām bijuši atklātā traukā.
• 2. solis — temperatūras izlīdzināšana: Ļaujiet elektrodai un bufera šķīdumiem sasniegt vienādu temperatūru pirms kalibrācijas. 5°C temperatūras starpība var radīt līdz 0,3 pH vienību kalibrācijas kļūdu. Lielākā daļa mūsdienu pH raidītāju nodrošina automātisku temperatūras kompensāciju (ATC) ar iebūvētu Pt1000 RTD elektrodas korpusā.
• 3. solis — pirmā punkta kalibrācija: Noskalojiet elektrodu ar dejonizētu ūdeni, pēc tam iegremdējiet pirmajā buferī. Gaidiet signāla stabilizēšanos — parasti 30 līdz 60 sekundes. Pārliecinieties, ka raidītāja displejs rāda vērtību ±0,05 pH robežās no bufera nominālvērtības pirms kalibrācijas punkta apstiprināšanas.
• 4. solis — otrā punkta kalibrācija: Atkal noskalojiet elektrodu, pēc tam iegremdējiet otrajā buferī. Raidītājs aprēķina elektroda slīpumu no divu punktu datiem. Pieņemams slīpums ir 95–105% no teorētiskā Nernsta slīpuma (56–62 mV/pH pie 25°C). Slīpums zem 90% norāda uz elektroda novecošanos vai piesārņojumu. Ja slīpumu nevar atjaunot ar tīrīšanu, elektrods jāaizstāj.
• 5. solis — reģistrācija un dokumentācija: Ierakstiet kalibrācijas datumu, bufera partijas numurus, mērīto slīpuma procentu un tehniķa vārdu kalibrācijas žurnālā. Šī dokumentācija atbalsta kvalitātes auditus un normatīvo prasību izpildi farmācijas un pārtikas ražošanas vidēs.

Elektrodu apkope un biežākās bojājumu formas

Dienas pārbaudes: Pārliecinieties, ka pH rādījums atbilst gaidāmajām procesa izmaiņām. Ja rādījums ir iesaldēts vai ļoti lēni mainās, tas liecina par aizsērējušu atsauces savienojumu. Salīdziniet rādījumu ar pārnēsājamu kalibrētu pH mērītāju, ja ir aizdomas par novirzēm.

Nedēļas tīrīšana: Noskalojiet elektrodu ar dejonizētu ūdeni. Mērcēšanai procesiem ar mērogu izmantojiet 5% atšķaidītu HCl šķīdumu 10 minūtes, lai izšķīdinātu kalcija karbonāta vai metālu hidroksīdu nogulsnes. Pārtikas vai bioloģiskajos procesos ar proteīnu piesārņojumu mērcējiet 0,1 M nātrija hidroksīdā, pēc tam nomazgājiet ar pepsīna-HCl šķīdumu. Nekad nelietojiet abrazīvus materiālus stikla membrānai.

Atsauces savienojuma atjaunošana: Piepildāmām atsauces elektrodām periodiski papildiniet atsauces elektrolītu (parasti 3 M KCl šķīdums). Zems elektrolīta līmenis palielina atsauces pretestību un rada trokšņainus rādījumus.

• Stikla membrānas plaisāšana: Izraisīta termiskā šoka, mehāniskā trieciena vai fluora iedarbības. Simptomi ir neparedzami rādījumi vai nespēja sasniegt stabilus kalibrācijas punktus. Nekavējoties nomainiet — plaisājušu elektrodu nevar salabot.
• Stikla membrānas izžūšana: Izraisīta uzglabāšanas laikā bez aizsargvāciņa vai iegremdēšanas neūdeņainos šķīdumos. Atjaunojiet mitrumu, mērcējot pH 4 buferī 24 stundas. Ja slīpums neatjaunojas virs 90%, elektrods jāaizstāj.
• Atsauces savienojuma aizsērēšana: Visizplatītākais bojājums procesa vidēs. Simptomi ir lēna reakcija, liels kalibrācijas nobīdes offsets un nestabilitāte. Keramikas savienojumiem nomainiet elektrodu vai savienojuma spraudni. Atvērtiem savienojumiem palieliniet atsauces elektrolīta plūsmas ātrumu.

Honeywell Solu Comp II sērijas pH analizatori, plaši izmantoti ūdens un notekūdeņu attīrīšanā, nodrošina diagnostikas kodus augstas pretestības elektroda bojājumiem, atsauces elektroda bojājumiem un kalibrācijas slīpuma ārpus normas stāvokļiem, palīdzot tehniķiem identificēt kļūmes bez sensora noņemšanas no ekspluatācijas. ABB HESG447440R001 autobusa savienotāja modulis nodrošina System 800xA lauka autobusa saskarni PROFIBUS PA pieslēgtiem pH analizatoriem ABB DCS uzstādījumos.

Nobeigums un rīcības ieteikumi

pH mērījumu uzticamība vairāk ir atkarīga no disciplinētas apkopes un kalibrācijas prakses nekā no sensora sarežģītības. Izvēlieties elektroda atsauces savienojuma veidu atbilstoši procesa vidē — keramiku tīram ūdenim, atvērtu vai plūstošu savienojumu suspensijām. Kalibrējiet, izmantojot NIST sertificētus buferus, kas aptver procesa darbības diapazonu. Katras kalibrācijas reizē ierakstiet elektroda slīpumu, lai veidotu elektroda novecošanās tendences ierakstu. Kad slīpums nokrītas zem 90%, ieplānojiet elektroda nomaiņu pirms mērījuma kļūst neuzticams ražošanā. Izmantojiet izvelkamu sensora komplektu tur, kur process jāvada nepārtraukti bez pH cilpas pārtraukuma. Labi uzturēta pH cilpa ar sešu mēnešu kalibrācijas programmu maksā daudz mazāk nekā partijas atgrūšana vai notekūdeņu atbilstības pārkāpums, ko izraisa pH kontroles novirzes.

Autors: Čens Guanghao ir rūpnieciskās automatizācijas inženieris ar vairāk nekā 10 gadu pieredzi PLC, DCS un vadības sistēmās.