饮用水中感官性状和物理指标检测方案

智能文字提取功能测试中

pH值和电导率测试的进展 水是宝贵的自然资源，工农业和生活用水不仅量大而且对它的质量也有严格的要求，对废水的排放也有一定的标准。如农业用水的pH值要求为4.5~9，饮用水的pH值为7~8.5，废水排放的pH值要求为6~9；医药工业用水要求电导率小于1μs/cm，微电子工业用水的电导率要求小于0.1μs/cm，因此对水质的测控是十分重要的。本文将对这些参数的测控进行介绍。 一、pH值的测控 pH值的测控广泛用于化工、制药、食品、环保等领域。目前，国际上的pH传感器可分为4大类。 1、玻璃电极 玻璃电极是目前最稳定的离子敏器件，工业中应用的绝大部分都是这种器件。 其输出电压为： E=0.1984×(T+273.16)×(7－pH值) 由上式可知，pH值和输出电压成线性关系，因此测出E也可以知道pH值；同时pH值和温度T也有关，因此当进行高精确度测量时需要进行温度补偿。 对于一般的pH在线测试，国内外已有多种产品。然而在工业现场进行pH测试会遇到一些问题，其难点主要表现在： (1)要耐受高温； (2)工业现场污染严重，且干扰也大； (3)对浆状或黏度较高物质的测量； (4)测量高pH值； (5)测量高纯水； (6)测量含有氢氟酸的溶液。 高温主要体现在食品、发酵、医药工业的应用中，往往要对蒸煮罐进行蒸汽消毒。在这种情况下测量pH值，传感器需能耐受130℃左右的蒸汽，可采用特殊的可耐受高温消毒型pH传感器，如瑞士Metter-Toledo Instruments Inpro 3000/2500和我国中科院上海冶金所的90型高温消毒型pH测试系统。 为了解决高污染、高pH、高纯水的pH值测量的困难，国际上推出了一些新型传感器，如美国GLI International (大湖公司)的五线制差分电极，如图1所示。 ( 图 1 五线制查分电极 ) 由于采用双盐桥等新型结构，该传感器大幅度降低了污染的影响。pH电极抗干扰性差的原因是其高阻抗输出，而采用差分输出提高了抗共模干扰，且前置放大器的低输出阻抗使其传输距离可达914m。对于浆状、高黏度物质的pH测量则需采用平板结构的电极。 造成高pH值溶液测量难的原因，是尽管pH电极对于氢离子非常敏感，但相似的离子如锂、钠、钾等还有一定的干扰。其中钾离子的尺寸比氢离子大得多，而锂离子一般不出现在被测溶液中，因此最主要的干扰来自钠离子。而高pH值的溶液中氢离子浓度非常低，当pH值大于12时，则氢离子浓度小于10－12，此时若存在氢氧化钠，其钠离子浓度约为10－2。如果电极玻璃对于氢离子的灵敏度和钠离子灵敏度之比小于1010，则钠离子的存在将对高pH值溶液的测量带来误差。一般的玻璃电极在进行高pH值的测量时，误差较大，且不稳定。而GLI采用受控分子蚀刻工艺制造的玻璃电极可以减少误差，且性能稳定，解决了高pH值测量的难题。 造成高纯水pH值测量的困难有3方面原因：(1)当两种物质接触时，界面会产生电动势。这种电动势是由溶液内离子迁移率的不同所引起的。液接面积小的参考电极更加强了该电动势；(2)高纯水导电性差，当高纯水流过绝缘体的管道时，会产生电荷和噪声而影响测量精确度；(3)高纯水暴露在大气内将吸收CO2，此时高纯水的pH值可降低至6.2。 解决这个问题可采用下列方法： (1)选用液接面积大的电极，以提供低阻抗、低电动势结。 (2)选用差分式pH电极，因其有良好的抗共模干扰性能，可以大幅度抑止噪声。 (3)高纯水必须流通，流速不能过大且必须恒定。被测水的温度最好为20~30℃，且需恒定。空气不允许进入水流中。 由于氢氟酸能腐蚀玻璃，所以当被测溶液中含有氢氟酸时，一般不采用玻璃电极，然而需要说明的是氟离子并不腐蚀玻璃，只有氢氟酸分子(HF)才腐蚀玻璃。而当pH值大于6时，HF分子态非常少，此时可用玻璃电极；当pH值小于6时，需采用钨电极。 2、锑电极 锑电极在水中会发生电化学反应而产生电位，而此电位和溶液中氢离子的多少有关，也就是和pH值有关，因此测出锑电极的输出电压也就知道溶液的pH值。由于锑电极不受氢氟酸腐蚀，因此一般测量含有氢氟酸溶液的pH值时采用锑电极。然而锑电极也有下列特点限制其应用： (1)电极的pH值线性范围仅为3 ~8，因此不能在此范围外使用。 (2)电极的输出受溶液中的氧化或还原剂的影响。 (3)含量为10－6级的铜、锡、铅等离子会使电极中毒而影响其使用。 (4)输出电压受温度影响，其温度系数为1~3mv/℃。 (5)使用后锑电极上会产生氧化膜而影响其精确度，在pH值为3~6时，此问题不大，因为酸会溶解该氧化物。一般须隔一段时间用砂纸打磨电极，但需注意锑是有毒的。 (6)电极输出受流速影响，测量时流速需恒定。 (7)输出受溶液中含氧量的影响，要得到正确的测量结果，须保持溶液中含氧量恒定。 (8)定标时需采用专用定标液。 鉴于以上特点，锑电极一般仅用于玻璃电极不适用的场合，如含氢氟酸的场合。 3、离子敏场效应管(ISFET) 离子敏场效应管是一种半导体器件，相似于场效应管，仅对某种离子敏感。1983年国际市场出现了pH-ISFET，其特点是体积小，主要用于生物医学工程，如插入血管或放入胃管中。最近美国Honeywell公司推出的一种新型的工业用pH固体电极，采用了ISFET技术，其体积和一般工业用pH电极相似，具有不易破损、响应时间快等特点。 4、光纤传感器 利用染料对pH敏感的特点而构成，其特点是体积小，耐高温(可达几百摄氏度)。主要缺点是测量pH值的范围小(如5~9、4~7)，当被测对象的pH值变化大时需更换传感头，主要用于生物医学工程，也有用于工业的报道(高温pH值测量)。 二、电导率的测试 电导率/电阻率是反映溶液中无机盐含量的一个重要指标。电导率和电阻率互成倒数，当水中含盐很少时用电阻率表示，当含盐较多时用电导率表示。电导率/电阻率的测控广泛用于微电子、制药、饮料、海水淡化等工业。需要指出的是利用电导率/电阻率测量可以推算出浓度，只要浓度和电导率/电阻率的关系是单值时(浓度低时，一般能满足此条件)，大部分的智能化电导率测试仪均能显示电导率和浓度。国内外已有多种电阻率/电导率测试仪可以满足一般需要。电导率/电阻率测试的难点在于高纯水和高电导率、高污染液体的测试。 1、高纯水的电导率/电阻率的测控 这种测试一般采用接触式传感器。其实质是将一定几何形状的电极放入被测溶液，然后测量电极间溶液的电阻，可推算出被测溶液的电导率/电阻率。 两者之比称为电极常数，它仅与传感器的几何形状有关，是一个常数。为了达到测量的高精确度，一般电极间溶液的电阻应在10kΩ左右，所以不同量程的电阻率/电导率的测量应选用不同电极常数的传感器。一般当纯水的电导率小于1μs/cm和温度变化范围大时，测量有一定困难。其中一个重要原因是因为水的电导率温度系数并非恒定，高纯水的温度系数是严重的非线性，所以必须采用特殊的数学计算方法，也就是说必须采用智能化仪表，如美国Thornton和GLI等的产品。另一个测量的难点是定标，因为要制作低电导率(如0.1μs/cm)的标准液是非常不易的。但GLI公司通过计算和测试将传感的电极常数和温度系数精确求出并附在传感器上，这样只要将这两个常数输入至仪表中，就可以自动定标，实现“干定标”。 2、高电导率、高污染电阻率的测试 由于接触式传感器的几何结构等原因，该传感器易受污染，易结水垢，因此不适合测量较脏的溶液。为此发展了一种新型的无电极传感器，其原理如图3所示。在线圈A中通以交流电流，而在线圈B中会接收到感应电流产生的信号，这个信号与液体的电导率成正比，因此测出该信号就可以知道电导率。这种传感器的结构不易结水垢，易于清洗，这也是它适用于测量高污染、高电阻率溶液的一个重要原因。为了达到精确测量，传感器中含有温度探头，这种传感器不适用于测量电导率小于100μs/cm的溶液。Foxboro、GLI等公司均有这种产品。 三、小结 本文介绍了pH值和电导率/电阻率测量技术的进展，以及如何利用这些先进技术来解决测量中的难点。上海氯碱化工公司、合肥联合利华、上海白猫等公司已成功地利用本文所介绍的技术和产品，解决了测试中的难题。 pH值和电导率/电阻率测量技术的进展以及如何利用这些先进技术来解决测量中的难点是重点。上海氯碱化工公司、合肥联合利华、上海白猫等公司已成功地利用本文所介绍的技术和产品，解决了测试中的难题。更多实际应用案例等精彩内容，请您下载后查看。