pH測定

多くの液体化学プロセス（工業、製薬、製造、食品製造など）で非常に重要な測定は、pHの測定です。つまり、液体溶液中の水素イオン濃度の測定です。 pH値が低い溶液は「酸」と呼ばれ、pHが高い溶液は「苛性アルカリ」と呼ばれます。一般的なpHスケールは、0（強酸）から14（強苛性）まで広がり、中央の7は純水（中性）を表します：

pHは次のように定義されます。pHの小文字の「p」は負の共通（10を底とする）対数を表し、大文字の「H」は水素元素を表します。したがって、pHは、溶液1リットルあたりの水素イオン（H +）のモル数の対数測定値です。ちなみに、「p」接頭辞は、対数目盛が必要な他のタイプの化学測定でも使用されます。pCO2（二酸化炭素）とpO2（酸素）がそのような2つの例です。

対数pHスケールは、次のように機能します。10 ^-12 の溶液 1リットルあたりのH +イオンのモル数は12です。 10 ^-3 のソリューション 1リットルあたりのH +イオンのモル数のpHは3です。非常にまれですが、pHが0未満の酸や、pHが14を超える苛性アルカリなどがあります。このような溶液は、当然のことながら、非常に濃縮されており、非常に 反応的。

pH電極

pHは、特定の化学粉末の色の変化によって測定できますが（「リトマスストリップ」は高校の化学の授業でよく知られている例です）、pHの継続的なプロセス監視と制御には、より高度なアプローチが必要です。最も一般的なアプローチは、溶液中の水素イオンが選択的バリアを通過できるように設計された特別に準備された電極を使用して、溶液のpHに比例する測定可能な電位（電圧）差を生成することです。

pH電極の設計と操作理論は非常に複雑なテーマであり、ここでは簡単に説明します。理解しておくべき重要なことは、これら2つの電極が溶液のpHに正比例する電圧を生成することです。 pH 7（中性）では、電極はそれらの間に0ボルトを生成します。低pH（酸）では一方の極性の電圧が発生し、高pH（苛性）では反対の極性の電圧が発生します。

測定電極

pH電極の不幸な設計上の制約は、そのうちの1つ（測定と呼ばれる）です。 電極）は、溶液中に浮遊する他のすべてのイオンから水素イオンを遮蔽するために必要なイオン選択性バリアを作成するために、特殊なガラスで構成する必要があります。このガラスにはリチウムイオンが化学的にドープされているため、水素イオンと電気化学的に反応します。もちろん、ガラスはあなたが「導体」と呼ぶものとまったく同じではありません。むしろ、それは非常に優れた絶縁体です。

私たちの意図が2つの電極間の電圧を測定することである場合、これは大きな問題を提示します。一方の電極接点からガラスバリアを通り、溶液を通り、もう一方の電極に行き、もう一方の電極の接点を通り抜ける回路経路は、非常にの1つです。 高抵抗。

参照電極

もう一方の電極（参照と呼ばれます 電極）は、中性（7）pH緩衝液（通常は塩化カリウム）の化学溶液から作られ、多孔質セパレーターを介してプロセス溶液とイオンを交換し、試験液への比較的低抵抗の接続を形成します。最初は、質問する傾向があるかもしれません。液体に電気的に接続するために、金属線を溶液に浸してみませんか？これが機能しない理由は、金属はイオン溶液中で非常に反応性が高く、金属と液体の接触の界面に大きな電圧を発生させる可能性があるためです。

このような電圧が発生しないようにするには、測定溶液との湿式化学インターフェースを使用する必要があります。これは、もちろん、測定デバイスによってpHを示すものとして誤って解釈されます。

これは、測定電極の構造の図です。 pH電圧が生成される薄いリチウムドープガラス膜に注意してください。

これは、参照電極の構造の図です。電極の下部に示されている多孔質接合部は、塩化カリウム緩衝液とプロセス液体が互いに接触する場所です：

測定電極の目的は、溶液のpHを測定するために使用される電圧を生成することです。この電圧はガラスの厚さ全体に現れ、電圧の一方の側に銀線を配置し、もう一方の側に溶液を配置します。参照電極の目的は、溶液への安定したゼロ電圧接続を提供し、ガラス電極の電圧を測定するための完全な回路を作成できるようにすることです。

参照電極と試験液の接続はわずか数キロオームですが、ガラス電極の抵抗は、電極の設計に応じて10〜900メガオームの範囲になります。この回路の電流は両方を流れる必要があるため 電極の抵抗（および試験液自体によって提示される抵抗）、これらの抵抗は互いに直列であるため、合計がさらに大きくなります。

通常のアナログまたはデジタル電圧計は、内部抵抗が低すぎて、このような高抵抗回路の電圧を測定できません。一般的なpHプローブ回路の等価回路図は、問題を示しています。

回路内の各コンポーネント（特に測定電極のガラス膜）の高抵抗を流れる非常に小さな回路電流でも、これらの抵抗の両端で比較的大きな電圧降下が発生し、メーターから見た電圧が大幅に低下します。さらに悪いことに、測定電極によって生成される電圧差は、ミリボルト範囲（理想的には室温でpH単位あたり59.16ミリボルト）で非常に小さいという事実です。このタスクに使用されるメーターは、非常に感度が高く、入力抵抗が非常に高い必要があります。

この測定問題の最も一般的な解決策は、内部抵抗が非常に高い増幅メーターを使用して電極電圧を測定し、回路に流れる電流をできるだけ少なくすることです。最新の半導体コンポーネントでは、入力抵抗が最大10 ¹⁷ の電圧計 Ωはほとんど問題なく構築できます。現代の使用ではめったに見られない別のアプローチは、電位差測定の「ヌルバランス」電圧測定セットアップを使用して、何も描画せずにこの電圧を測定することです。 テスト中の回路からの電流。技術者が一対のpH電極間の電圧出力をチェックしたい場合、これはおそらく標準的なベンチトップ計量装置のみを使用してチェックする最も実用的な手段です。

いつものように、高精度の電圧供給は、ヌル検出器がゼロを記録するまで技術者によって調整され、次に供給と並列に接続された電圧計が電圧の読み取り値を取得するために表示されます。検出器が「ヌル」（正確にゼロを登録）の場合、pH電極回路にはゼロ電流が存在するはずです。したがって、どちらの電極の抵抗でも電圧降下がなく、電圧計の端子で実際の電極電圧が得られます。

pH電極の配線要件は、熱電対配線よりもさらに厳しい傾向があり、正確で信頼性の高い測定を行うには、非常にクリーンな接続と短い距離（金メッキの接点やシールドケーブルを使用した場合でも10ヤード以下）が必要です。ただし、熱電対と同様に、電極のpH測定の欠点は、精度が高く、技術的に比較的単純であるという利点によって相殺されます。

非常に広く誤解されており、トラブルシューティングが難しいため、pH測定によって命じられる畏敬の念と神秘性を刺激する計測技術はほとんどありません。 pH測定の正確な化学的性質について詳しく説明することなく、ここでpH測定システムについていくつかの知恵を与えることができます。

• すべてのpH電極の寿命は有限であり、その寿命はサービスの種類と重大度に大きく依存します。一部のアプリケーションでは、1か月のpH電極の寿命が長いと見なされる場合があり、他のアプリケーションでは、同じ電極が1年以上続くと予想される場合があります。
• ガラス（測定）電極はpH比例電圧の生成に関与するため、測定システムが特定のpH変化（pHあたり約59ミリボルト）に対して十分な電圧変化を生成できない場合は、疑わしいと見なされます。単位）、または試験液のpHの急激な変化に十分な速さで反応しない。
• pH測定システムが「ドリフト」してオフセットエラーが発生する場合、問題は参照電極にある可能性があります。参照電極は、測定された溶液とのゼロ電圧接続を提供することになっています。
• pH測定はイオン濃度の対数表現であるため、一見単純な0〜14のpHスケールで表されるプロセス条件の範囲は非常に広くなっています。また、対数目盛の非線形性により、上端での1 pHの変化（たとえば、12から13 pH）は、下端での1pHの変化と同じ量の化学活性の変化を表しません。 （たとえば、2〜3 pH）。制御システムのエンジニアと技術者は、制御の希望がある場合は、このダイナミックに注意する必要があります。 安定した値でpHを処理します。
• 次の条件は測定（ガラス）電極に危険です：高温、極端なpHレベル（酸性またはアルカリ性）、液体中の高イオン濃度、摩耗、液体中のフッ化水素酸（HF酸はガラスを溶解します！）、ガラスの表面にはあらゆる種類の材料コーティングが施されています。
• 測定された液体の温度変化は、特定のpHレベル（理想的にはpH単位あたり59 mV）に対する測定電極の応答と液体の実際のpHの両方に影響を与えます。温度測定装置を液体に挿入することができ、それらの装置からの信号は、pH測定に対する温度の影響を補償するために使用されますが、これは、プロセスの実際のpH変化ではなく、測定電極のmV / pH応答のみを補償します。液体！

pH測定の分野ではまだ進歩が見られており、そのいくつかは、pH電極の従来の制限を克服するための大きな期待を抱いています。そのような技術の1つは、電界効果トランジスタと呼ばれるデバイスを使用します。 実際の電圧計回路で電圧を測定するのではなく、イオン透過膜によって生成された電圧を静電的に測定します。このテクノロジーには独自の制限がありますが、少なくとも先駆的なコンセプトであり、後日、より実用的になる可能性があります。

レビュー：

• pHは、液体中の水素イオン活性を表します。これは、液体1リットルあたりの水素イオン数（モル単位）の負の対数です。したがって：10 ^-11 1リットルの液体中の水素イオンのモル数=11pH。 10 ^-5.3 1リットルの液体中の水素イオンのモル数=5.3pH。
• 基本的なpHスケールは、0（強酸）から7（中性、純水）、14（強苛性）まで拡張されます。 pHレベルが0未満および14を超える化学溶液は可能ですが、まれです。
• pHは、溶液に浸した2つの特殊な電極間で発生する電圧を測定することで測定できます。
• 特殊なガラスで作られた1つの電極は、測定と呼ばれます。 電極。 pHに比例した小さな電圧（理想的にはpH単位あたり59.16 mV）を生成するのが仕事です。
• もう一方の電極（参照と呼ばれます 電極）は、測定された液体と安定した中性のpH緩衝液（通常は塩化カリウム）との間に多孔質の接合部を使用して、液体へのゼロ電圧電気接続を作成します。これにより、回路全体の導通点が提供されるため、測定電極のガラスの厚さ全体で生成される電圧を外部電圧計で測定できます。
• 測定電極のガラス膜の抵抗が非常に高いため、電圧を測定するには、内部抵抗が非常に高い電圧計、またはヌルバランス電圧計を使用する必要があります。