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PH計(jì)的測(cè)量原理與用途
點(diǎn)擊次數(shù)：810 發(fā)布時(shí)間：2014-11-21
測(cè)量原理
pH計(jì)主要用于測(cè)量液體中的氫離子濃度。準(zhǔn)確地說是測(cè)量氫離子活性，得出酸性、中性還是堿性的數(shù)值，在自來水、河水、飲料、食品、污水、醫(yī)療和化工等領(lǐng)域廣泛地使用工業(yè)用液體分析儀。
pH計(jì)原理圖
全量程是0～14pH，pH=7為中性，pH<7為酸性，pH值接近0為強(qiáng)酸性。pH>7為堿性，pH值接近14為強(qiáng)堿性。
普通pH計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)如上圖所示，將待測(cè)液體氫離子活性作為兩根電極之間產(chǎn)生的電位差，通過變送器得到傳輸信號(hào)。
成為基準(zhǔn)的電極被稱為玻璃電極，從外觀來看與玻璃試管相似。但是前端為特殊玻璃制成的數(shù)十μmm的薄膜玻璃，內(nèi)置有內(nèi)部緩沖液和內(nèi)部電極。內(nèi)部電極與待測(cè)液體之間有玻璃薄膜，基本上是絕緣狀態(tài)。
另一端的電極稱為比較電極（或參比電極），結(jié)構(gòu)與玻璃電極類似，但前端有液接界，內(nèi)部液體與待測(cè)液體通過縫隙接觸。液接界形態(tài)多樣，包括玻璃纖維形、小孔形、陶瓷形、套管形等，根據(jù)具體的用途進(jìn)行選擇。
檢測(cè)部分的阻抗由于隔著玻璃膜，阻抗大于10MΩ，所以變送部分需要更高的阻抗，必須達(dá)到1GΩ以上，放大器與電極之間也使用絕緣性高的導(dǎo)線和端子。
測(cè)量液的氫離子活性會(huì)使玻璃電極的薄膜玻璃兩側(cè)之間產(chǎn)生電位差。玻璃電極的薄膜玻璃內(nèi)側(cè)電位經(jīng)過內(nèi)部緩沖液，通過內(nèi)電極導(dǎo)出；而接液的外側(cè)電位經(jīng)過待測(cè)液體-參比電極液接界-內(nèi)部液體，通過參比電極的內(nèi)部電極導(dǎo)出。
兩電極的內(nèi)部電極與內(nèi)部液體之間產(chǎn)生的電位，大體相互抵消，所以能測(cè)量薄膜玻璃兩側(cè)的電位。
pH值與氫離子活性aH+的關(guān)系如下所示:
| pH=-log10aH+ |
也就是說，pH值與離子活性常用對(duì)數(shù)的倒數(shù)成比例，p是冪（power）的首字母，意思是乘方；H是氫（Hydrogen）的首字母，意思是氫離子。
此外，氫離子活性與氫離子濃度的關(guān)系如下:
| aH+＝γH+（H+） γH+: 氫離子活性系數(shù)（activity coefficient） H+: 氫離子濃度 |
用小于1的數(shù)值表示氫離子活性系數(shù)，濃度很低時(shí)視為1。用能斯特方程式來表示測(cè)量電位差:
| E＝（2.303RT/F）（pHi-pHs）+Eas E: 測(cè)量電位差（V） R: 氣體常數(shù)（8.31441JK-1mol-1） T: 溫度（K） F: 法拉第常數(shù)（96484.56 C mol-1） pHi: 玻璃電極內(nèi)部緩沖液的pH值（=7） pHs: 測(cè)量液的pH值 Eas: 不對(duì)稱電位（理論值與實(shí)際值的電位偏移） （V） |
誤差校正
理論上，0～7～14pH的發(fā)生電位差在25℃時(shí)為+414mV～0～-414mV左右。在能斯特方程式中，電位差大約會(huì)變化-59mV，但實(shí)際上1pH的變化大約會(huì)變化-58mV，此外對(duì)于強(qiáng)酸性與強(qiáng)堿性由于玻璃膜的材質(zhì)以及液體的種類不同，會(huì)產(chǎn)生誤差。
pH計(jì)的電位差
pH計(jì)的校正使用符合JIS標(biāo)準(zhǔn)的pH標(biāo)準(zhǔn)液。pH標(biāo)準(zhǔn)液包括草酸鹽（1.68pH）、酞酸鹽（4.01pH）、中性磷酸鹽（6.86pH）、磷酸鹽（7.41pH）、硼酸鹽（9.18pH）、碳酸鹽（10.01pH）。
水性質(zhì)的奇妙之處
水和空氣一樣，都是和我們zui密切相關(guān)的物質(zhì)，但是水卻擁有非常奇妙的性質(zhì)。
奇妙之處1
水在0℃以下會(huì)結(jié)成固體（冰）。一般的物質(zhì)從液態(tài)變成固態(tài)時(shí)，體積都會(huì)減小，但是水卻正好相反，體積會(huì)增加。這一點(diǎn)從行駛在漂浮著冰山的大洋上的泰坦尼克號(hào)的遭遇中也可以得知。
在測(cè)量領(lǐng)域中，安裝在寒冷地帶的管道和傳感器，內(nèi)部的水在冬季會(huì)發(fā)生凍結(jié)，膨脹壓力會(huì)導(dǎo)致變送器和導(dǎo)壓管的破裂。因此，需要采取保溫以及蒸汽伴熱等防凍措施。
奇妙之處2
普通液體具有隨著溫度升高比重減小的性質(zhì)。而水卻會(huì)在從0℃升至4℃的過程中比重增加，超過4℃以后，水才會(huì)像普通液體一樣隨著溫度的升高，比重減小。
在寒冷的情況下，湖面或水池表面結(jié)冰，水底卻很難結(jié)冰的現(xiàn)象，就是因?yàn)檫@種性質(zhì)，使得對(duì)流引起的水溫下降現(xiàn)象會(huì)在4℃時(shí)停止。
奇妙之處3
水還具有將溶解于其中的物質(zhì)離子化的性質(zhì)（電解）。而油等其他液體則不易溶解物質(zhì)，也無法離子化。比如說，鹽酸HCl在水中電離為H+離子和Cl-離子后運(yùn)動(dòng)非?；钴S。定量測(cè)量這種活躍程度的量是pH值。
鹽酸和硫酸腐蝕金屬正是由于這種電解作用，所以在潮濕的情況下會(huì)加劇腐蝕。
但是，這一點(diǎn)對(duì)于動(dòng)物和植物來說卻是非?？少F的性質(zhì)，正是由于水的這種性質(zhì)，生物才得以在地球上生存。