Medidor de pH (pronunciado "ph meter", medidor de pH en inglés ): un dispositivo para medir el índice de hidrógeno (índice de pH), que caracteriza la actividad de los iones de hidrógeno en soluciones , agua , productos alimenticios y materias primas, objetos ambientales y sistemas de producción para continuo seguimiento de procesos tecnológicos, incluso en entornos agresivos. En particular, el medidor de pH se utiliza para el monitoreo de hardware del pH de las soluciones de separación de uranio y plutonio , donde los requisitos para la exactitud de las lecturas del equipo sin su calibración son extremadamente altos.
La acción del medidor de pH se basa en medir el valor de la EMF del sistema de electrodos, que es proporcional a la actividad de los iones de hidrógeno en la solución - pH ( pH ). El circuito de medición es esencialmente un voltímetro calibrado directamente en unidades de pH para un sistema de electrodos específico (generalmente el electrodo de medición es vidrio, el auxiliar es cloruro de plata).
La resistencia de entrada del dispositivo debe ser muy alta: la corriente de entrada no es superior a 10-10 A (para buenos dispositivos es inferior a 10-12 A), la resistencia de aislamiento entre las entradas es de al menos 10 11 Ohm, debido a la alta resistencia interna de la sonda- electrodo de vidrio . Este es el requisito principal para el circuito de entrada del dispositivo.
Históricamente, al principio, la EMF se midió mediante el método de compensación utilizando un potenciómetro y un galvanómetro sensible . Cuando el circuito está en equilibrio, no fluye corriente a través del galvanómetro y la carga en los electrodos no actúa; el EMF se lee correctamente en la escala del potenciómetro. También se ha aplicado el método del galvanómetro balístico . Primero, se cargó un capacitor de los electrodos, luego se descargó en el marco del galvanómetro, cuya desviación máxima es proporcional a la carga del capacitor y, por lo tanto, al voltaje.
Luego hubo dispositivos con un amplificador de entrada en válvulas electrónicas. Las lámparas especiales ("electrométricas") tienen una corriente de fuga de rejilla del orden de los picoamperios, lo que permite obtener grandes resistencias de entrada. La desventaja de tales esquemas es una gran deriva y deriva de calibración debido al inevitable envejecimiento y cambios en las características de la lámpara.
Para resolver el problema de la deriva y, al mismo tiempo, la alta impedancia de entrada, los circuitos de compensación con un amplificador construido sobre el principio del modulador-demodulador lo hicieron posible. Una llave mecánica ( transductor de vibración ) conecta alternativamente un pequeño capacitor al circuito de entrada y retroalimentación. Si los voltajes de CC a través de ellos son diferentes, entonces fluye una pequeña corriente alterna a través del capacitor, lo que creará un voltaje alterno a través de la resistencia de rejilla de la lámpara de entrada. Además, las pulsaciones son amplificadas por varias cascadas y entran en un demodulador sensible a la fase (en el caso más simple, el mismo transductor de vibración, cuyo electroimán está conectado en paralelo al electroimán del primero). La salida es un voltaje proporcional a la diferencia de voltaje en la entrada. El circuito de retroalimentación (divisor resistivo) establece la ganancia general, tratando de mantener una diferencia de voltaje cero en la entrada del amplificador. Este circuito está prácticamente desprovisto de deriva, la ganancia depende poco del grado de desgaste de las lámparas. Los requisitos para las lámparas en sí se reducen: en lugar de las costosas electrométricas, se pueden usar lámparas amplificadoras de recepción masiva. Así funciona, por ejemplo, el aparato doméstico pH-340.
En modelos posteriores, se utilizó un condensador dinámico en lugar de un convertidor de contacto, luego una tecla en una fotorresistencia iluminada por pulsos de luz (por ejemplo, el ionómero EV-74), y las lámparas de entrada fueron reemplazadas por transistores de efecto de campo .
Hoy en día, la mayoría de los amplificadores operacionales de entrada MOSFET de precisión , e incluso los ADC más simples, cumplen con los requisitos de impedancia de entrada.
Dado que la EMF del sistema de electrodos depende en gran medida de la temperatura, el circuito de compensación térmica es importante. Inicialmente se utilizaban termorresistencias de cobre , incluidas en complejos circuitos puente de realimentación, o un potenciómetro con escala en grados, cuya empuñadura fijaba el valor de la temperatura medida por un termómetro de mercurio. Dichos circuitos tienen una gran cantidad de resistencias de sintonización y son extremadamente difíciles de sintonizar y calibrar. Ahora el sensor de temperatura funciona en un ADC separado, el microcontrolador realiza todos los ajustes necesarios .
Una dependencia aproximada del voltaje del pH (para un sistema con electrodos de vidrio y cloruro de plata ) es la siguiente.
Se realizan dos ajustes principales al calibrar frente a soluciones tampón con un valor de pH exactamente conocido: la pendiente de ganancia y el desplazamiento cero. También se ajusta el llamado punto isopotencial (pHi, Ei): el valor de pH y el EMF correspondiente, en el que el EMF del sistema no depende de la temperatura. Los sistemas de electrodos modernos (con la excepción de los electrodos especiales para ácidos y álcalis fuertes) se fabrican con un punto de isopotencial alrededor de pH = 7 y un EMF dentro de +/- 50 mV. Estas características se especifican para cada tipo de electrodo de vidrio.
A fines de la década de 1940 y principios de la de 1950, la orden de defensa fue un incentivo para una intensa investigación en el campo de los equipos de medición de este tipo. Esto se debió, entre otras razones, al hecho de que se asigna un papel especial en el control de las reacciones en varios procesos químicos a los instrumentos, cuya precisión en las lecturas afecta directamente la corrección de toda la cadena tecnológica; en mayor medida, por supuesto, en industrias peligrosas, cuando tomar lecturas del estado del medio ambiente representa un riesgo para la salud o es técnicamente imposible (ambiente agresivo, altas temperaturas y presiones, procesos que requieren aislamiento, etc.).
Por lo tanto, en la fusión nuclear y la producción de plutonio apto para armas, es de suma importancia una comprensión cuantitativa de la estructura y las propiedades de los materiales que afectan las funciones y la reversibilidad de los electrodos de vidrio fabricados con ellos ; como ya se señaló, lo más importante elementos de este equipo de medición.
En 1951, el fisicoquímico M. M. Schultz fue el primero en probar termodinámicamente de forma estricta y experimental la función de sodio de varios vidrios en diferentes rangos de pH, que era una de las hipótesis clave de la teoría del intercambio iónico del electrodo de vidrio B. P. Nikolsky . Esto se convirtió en una etapa decisiva en el camino hacia la tecnología industrial de estos dispositivos, la formación de la ionometría con vidrio, luego con electrodos de membrana, lo que permitió organizar su producción en masa y los puso disponibles para su uso en cualquier laboratorio y condiciones de producción [ 1] . La producción de las primeras muestras de esta categoría de equipos analíticos se estableció con la participación de Tbilisi SKB "Analitpribor" representada por sus empleados V. A. Dolidze , G. A. Simonyan y otros, investigadores de Moscú V. P. Yukhnovsky, A. S. Benevolsky y otros, científicos de Kharkov V. V. Aleksandrov, N. A. Izmailov, - en la planta de instrumentos de medición de Gomel en 1959 ; y desde entonces, en 1967, la producción de vidrio y electrodos auxiliares para fines industriales y de laboratorio creció de 1,5 mil a casi 2 millones de piezas. La cantidad de electrodos de vidrio de todos los tipos soldados en la planta durante el mismo período aumentó de 1.000 kg a más de 200.000 kg.
El desarrollo y expansión de la producción de vidrio para electrodos hizo que este equipo analítico estuviera disponible.
Los electrodos de medición modernos son estructuralmente:
En la mayoría de los electrodos domésticos extranjeros, se fabrican en forma de un sensor no recargable con un electrodo de referencia incorporado. Menos comunes son los recargables con un electrodo de referencia incorporado. Electrodos de estilo soviético, la mayoría de las veces con un control hecho por separado y recargables, lo que redujo significativamente el costo de reemplazar la pieza de vidrio.
La principal desventaja práctica de los electrodos modernos es la acumulación gradual de microfisuras en el vidrio o la contaminación de los microporos. En el caso de contaminantes orgánicos y algunos inorgánicos, ayuda la limpieza con una solución de ácido clorhídrico. Sin embargo, en el caso de contaminantes inertes a la cloración o acumulación significativa de microfisuras, las lecturas del sensor cambian de manera irreversible. Vale la pena señalar aquí que incluso cuando no se usa el electrodo, la porosidad del vidrio cambia y se produce el envejecimiento. En un cierto rango de cambios en las lecturas del electrodo, estos últimos se nivelan mediante una limpieza y calibración regulares. Tan pronto como las capacidades de la unidad de medición no permitan establecer el valor calibrado, el electrodo debe desecharse. Además, vale la pena señalar otra desventaja de usar electrodos viejos o defectuosos. Con lecturas claras en las soluciones de calibración, se puede observar una deriva lenta del parámetro en las soluciones medidas. Este comportamiento después de una limpieza y calibración a fondo también es una indicación para reemplazar la parte de vidrio/membrana o el sensor completo.
El dispositivo se puede utilizar en muchas industrias donde es necesario controlar el medio ambiente, cuyo indicador universal del estado y su cumplimiento de los requisitos es el pH: en la producción de alta tecnología de todo tipo de combustible, en el farmacológico , industria cosmética, de pinturas y barnices, química, alimentaria y muchas otras. otros; Los medidores de pH se utilizan ampliamente en la práctica de investigación de químicos, microbiólogos y científicos del suelo, químicos agrícolas, en laboratorios estacionarios y móviles, incluidos laboratorios de campo, así como en diagnóstico clínico (para monitorear normas y diagnósticos fisiológicos), forense. Recientemente, los medidores de pH también se han utilizado ampliamente en granjas de acuarios, para monitorear la calidad del agua en condiciones domésticas, en agricultura (especialmente en hidroponía).
Un medidor de pH médico que se usa para medir la acidez directamente en los órganos huecos humanos se llama acidogastrometro .