Для оптимального контролю технологічного процесу, гарантії високого рівня якості, продуктивності й безпеки ведення процесу часто необхідна безперервна інформація про концентрацію основних компонентів.

Такі дані необхідні як для безперервних, так і періодичних процесів. Для цього використовуються промислові аналізатори, що відрізняються складністю конструкції й високими експлуатаційними витратами. Ці прилади дозволяють визначати концентрацію окремих компонентів у багатокомпонентній суміші.

При аналізі властивостей і складу речовин на виробництві виконують вимірювання:

концентрації однієї рідини (або газу) у суміші інших рідин або газів;
концентрації іонів водню в розчинах (або розплавах) (pН - метри, оксредметри) і інших;
концентрації твердих часток, пухирців газу, крапель рідини (туману) у рідині або газі (концентратоміри механічних сумішей і ін.);
кількості вологи в газі, рідині або твердому тілі (вологоміри);
щільності маси визначених обсягів або площини речовин і матеріалів (щільноміри, вагоміри);
якісних показників .

Електрохімічні вимірювачі концентрації діляться на:

кондуктометричні концентратоміри, засновані на вимірюванні електричної провідності або опору електролітичних комірок;
pН-метри - засновані на вимірюванні електродних потенціалів;
полярографічні концентратоміри, у яких здійснюється зняття кривих поляризації або визначення інтенсивності проходження світла.

Контактний концетратомір

Зображення: https://www.slideshare.net/egkind/ss-2675357Якщо в розчині схеми, пропускати постійний струм, почнеться процес електролізу. Щоб цього не відбулося, за схемою пропускають змінний струм і вимірюють провідність рідини.

Для виключення впливу температури на показання приладів застосовують мідний термоопір R_м з позитивним температурним коефіцієнтом. Щоб зменшити струм електроліту й підвищити точність вимірювання застосовують опір шунта R_ш виготовлений з манганіну, температурний коефіцієнт якого негативний. Позитивний температурний коефіцієнт міді й негативний манганіну компенсують один одного й підвищують точність вимірювання опору електроліту.

Для точного вимірювання опору електроліту необхідно рівень електроліту підтримувати постійним

Що таке рН-метр?

pH-метр є цінним інструментом, який використовується в різних областях для визначення кислотності або лужності водних розчинів. Він забезпечує точні вимірювання, оцінюючи рух іонів водню в суспензії, який потім виражається як pH. Термін «pH» походить від букви «p», що позначає від’ємний логарифм, і «H» — хімічного символу водню.
Основний принцип pH-метра полягає в потенціометричному вимірюванні. Він передбачає виявлення зміни електричного потенціалу між двома електродами: pH-електродом і електродом порівняння. Електрод pH спеціально розроблений, щоб реагувати на зміни концентрації іонів водню, тоді як електрод порівняння забезпечує стабільний електричний потенціал. Порівнюючи ці два потенціали, pH-метр може визначити кислотність або лужність розчину.
Шкала рН коливається від 0 до 14, де рН 7 вважається нейтральним. Значення pH нижче 7 вказує на кислотність, а значення вище 7 вказує на лужність. Математичний зв’язок між шкалою pH і концентрацією іонів водню виражається як pH = -log[H+]. Це рівняння дозволяє перевести різницю електричних потенціалів у значущі значення pH.
Історія рН-метра починається з початку 20 століття. У 1909 році німецький хімік Фріц Хабер і його учень Зигмунт Клеменсевич запропонували концепцію скляного електрода, яка лягла в основу сучасного вимірювання pH. Однак лише в 1934 році американський хімік Арнольд Бекман представив перший електронний pH-метр. Винахід Бекмана зробив революцію у вимірюванні pH, забезпечивши більш точний і зручний метод порівняно з попередніми методами.
Застосування рН-метрів широке і різноманітне. У лабораторних умовах pH-метри є важливими інструментами для наукових досліджень, хімічного аналізу та експериментів. Вони зазвичай використовуються в таких галузях, як біологія, хімія, наука про навколишнє середовище та фармацевтичні дослідження. pH-метри також корисні в промислових процесах, де вони відіграють вирішальну роль у контролі якості та моніторингу кислотності та лужності різних розчинів.
Таким чином, рН-метр — це складний науковий прилад, який вимірює кислотність або лужність розчинів на водній основі. Виявляючи зміну електричного потенціалу між електродом pH і електродом порівняння, він забезпечує точні вимірювання pH. Винахід електронного рН-метра зробив революцію в техніці вимірювання рН і забезпечив прогрес у різних галузях, від наукових досліджень до промислового застосування.

Вимірювання рН

Показник pH матеріалу безпосередньо пов’язаний зі ступенем концентрації іонів водню [H+] і гідроксильних іонів [OH-].

Кількісні дані, отримані за допомогою pH-метра, показують співвідношення руху кислоти або основи в термінах активності іонів водню.

Якщо густина H+ вища за OH-, речовина кисла; тобто величина pH менше 7.
Якщо інтенсивність OH- вище H+, речовина є основною, включаючи значення pH вище 7.
При наявності однакових кількостей іонів Н+ і ОН- речовина нейтральна, з рН 7.

Вільні іони водню та гідроксилу містять як кислоти, так і основи. Зв’язок між іонами водню та іонами гідроксилу в суспензії, що подається, фіксується для певного набору обставин, будь-яке з яких може бути розв’язане розпізнаванням іншого.

Принцип роботи pH-метра

Принцип роботи рН-метра заснований на обміні іонами між розчином зразка і внутрішнім розчином скляного електрода. Цей обмін відбувається через скляну мембрану, що дозволяє рН-метру вимірювати кислотність або лужність розчину.

pH-метр складається з pH-зонда, який передає електричні сигнали на сам pH-метр, який потім відображає значення pH розчину. Зонд рН складається з двох електродів: електрода сенсора та електрода порівняння. Електрод датчика заповнений буфером pH 7, тоді як електрод порівняння заповнений насиченим розчином хлориду калію. Колба електрода датчика покрита солями металів і кремнеземом, утворюючи пористу скляну мембрану.

Коли датчик рН занурюється в розчин зразка для вимірювання рН, іони водню накопичуються навколо колби і замінюють іони металу всередині електрода. У той же час частина іонів металу зі скляного електрода переходить у розчин зразка. Електрод порівняння, який має низьку чутливість або повну нечутливість до зміни рН, забезпечує постійну напругу. Ця напруга створює електричний струм, який вловлюється срібним дротом, створюючи різницю потенціалів, пов’язану з активністю іонів водню. pH-метр порівнює цю напругу з електродом порівняння та перетворює її на значення pH.

Підвищення кислотності розчину призводить до підвищення концентрації іонів водню, що, у свою чергу, збільшує напругу, виміряну рН-метром. Відповідно, показання рН на рН-метрі зменшуються. Навпаки, збільшення лужності або концентрації гідроксильних іонів знижує напругу, що призводить до підвищеного показника рН на рН-метрі.

1 - аналізуєме серодовище, 2 - електрод порівняння, 3 - електрод, чутливий до іонів водню 4- Пен-тестер pH-метри, 5 - мілівольтметр