酸雨觀測儀器原理及常見故障判識

王 榮，逯 瑩，劉旭升

（1.雙鴨山市氣象局，黑龍江 雙鴨山155100；2.雙鴨山市氣象局，黑龍江 雙鴨山155100；3.寧武縣氣象局，山西 寧武 037600）

酸雨觀測儀器原理及常見故障判識

王 榮1，逯 瑩2，劉旭升3

（1.雙鴨山市氣象局，黑龍江 雙鴨山155100；2.雙鴨山市氣象局，黑龍江 雙鴨山155100；3.寧武縣氣象局，山西 寧武 037600）

1 酸雨觀測儀器的基本原理

PH計(jì)是用來測量溶液PH值的儀器，實(shí)驗(yàn)室常用的酸度計(jì)有雷磁25型、PHS-2型和PHS-3型等。酸雨觀測儀器測PH值的方法是電位測定法，利用溶液的電化學(xué)性質(zhì)測量氫離子濃度，以確定溶液酸堿度。氫離子濃度的負(fù)對數(shù)稱為PH值。通常PH值為0～14。25℃中性水的PH值為7，PH值<7的溶液為酸性，PH值>7為堿性。

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

酸雨觀測站使用PH計(jì)測量降水樣品的PH值，主要技術(shù)指標(biāo)須符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11165-1989中0.01級PH計(jì)的有關(guān)規(guī)定和要求，部分指標(biāo)如表1所列。

表1 PH計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 PH計(jì)的基本電路結(jié)構(gòu)和工作原理

PH計(jì)主要由主機(jī)、復(fù)合電極、測溫探頭、短路插頭、電極支架和電源線等部件構(gòu)成。

如果能夠準(zhǔn)確地測量玻璃電極和待測溶液組成的 “測量化學(xué)電池”的電動勢Ex，就可以測量溶液的PH值。因此，PH計(jì)的基本結(jié)構(gòu)主要包括玻璃電極和電位差測量儀表，其等效電路如圖1所示。“測量化學(xué)電池”的電動勢Ex由Nernst方程決定，其內(nèi)阻Rx由玻璃電極的特性決定，另一側(cè)的測量儀表主機(jī)為高準(zhǔn)確度的電位差計(jì)，為了保證測量的準(zhǔn)確度，其輸入阻抗Ri應(yīng)滿足Ri>>Rx的條件。

圖1 PH計(jì)的等效電路原理圖

當(dāng)Ri>>Rx時(shí)，Rx對測量Ex的影響可以忽略，電位差計(jì)測得的電位差Ui等于玻璃電極產(chǎn)生的電動勢Ex。于是，由Nernst方程可以寫出：

式中，E0為零電位。

在實(shí)際應(yīng)用的PH計(jì)中，測量儀表部分都設(shè)計(jì)了儀器零點(diǎn)電位調(diào)節(jié)電路，即產(chǎn)生一個(gè)與E0大小相等、極性相反的電位來抵消E0。在PH計(jì)的實(shí)際操作中，用已知PH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行儀器的“定位”，就是要確定E0的大小，進(jìn)而使式（1）簡化為：

式（2）中的斜率S 除與玻璃電極的特性有關(guān)外，還與待測溶液的溫度、電位差計(jì)的輸入特性等因素有關(guān)，需要進(jìn)一步通過校準(zhǔn)予以確定，這就是實(shí)際測量操作中用兩種已知PH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液進(jìn)行“斜率”校準(zhǔn)的原因。由此可見，PH計(jì)采用的是比較法的測量原理，在測量樣品前，用兩種具有穩(wěn)定PH值的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液，對儀器進(jìn)行“斜率”校準(zhǔn)和零點(diǎn)“定位”。

2 酸雨儀器故障情況介紹

酸雨觀測規(guī)范中，對PH計(jì)常見故障的診斷和處理做了總結(jié)，詳見表2.

表2 PH計(jì)常見故障和診斷處理

3 酸雨觀測中出現(xiàn)的故障問題總結(jié)

PH計(jì)的校準(zhǔn)需要經(jīng)過中性標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液定位然后用酸性或堿性標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液調(diào)斜率兩個(gè)步驟。此處用堿性標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液調(diào)斜率。在PH計(jì)日常校準(zhǔn)工作中，遇到過很多問題，現(xiàn)總結(jié)歸納如下：

3.1 復(fù)合電極不能定位

儀器在試運(yùn)行期間，首次使用前，校準(zhǔn)PH計(jì)測溫探頭正常，用中性緩沖溶液定位時(shí)卻無法達(dá)到6.86。重新配制標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液以及更換測溫探頭調(diào)試儀器，仍定不了位，故判斷出PH計(jì)主機(jī)故障，更換新PH計(jì)。

3.2 斜率調(diào)不到9.18

（1）復(fù)合電極能定位，但是斜率無法調(diào)到9.18，不停的跳變，達(dá)不到穩(wěn)定值。此問題由以下幾種情況造成，復(fù)合電極內(nèi)部有氣泡，可用手指輕彈使氣泡消失；復(fù)合電極老化，可更換復(fù)合電極；PH計(jì)內(nèi)部電位器損壞，需送修。

（2）可以定位，但是調(diào)斜率時(shí)PH值無法調(diào)到9.18。此時(shí)檢查復(fù)合電極內(nèi)氯化鉀溶液是否充足或者小橡膠塞是否打開，如全部正常則換備用復(fù)合電極重新定位調(diào)斜率，如果斜率可以調(diào)到9.18，確定復(fù)合電極老化。若換備用復(fù)合電極重新定位調(diào)試，PH值仍然不能調(diào)到9.18，可以判斷PH計(jì)內(nèi)部電位器出現(xiàn)故障。

3.3 PH值無變化，為定值

復(fù)合電極的探頭部分為球壁極薄的小玻璃球，在運(yùn)輸及操作過程中稍不注意，很容易損壞。如果玻璃球損壞，則在校準(zhǔn)PH計(jì)的過程中，無論是定位還是調(diào)斜率，PH值都無變化，為定值。如出現(xiàn)此種情況，則可查看復(fù)合電極探頭部分的小玻璃球，是否破損。

3.4 測溫探頭與玻璃管溫度表存在儀器差

每月校準(zhǔn)PH計(jì)測溫探頭后，在定位調(diào)試及測量水樣PH值時(shí)，用測溫探頭和玻璃管溫度表同時(shí)測量標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液及水樣溫度，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)值相差1.0～2.0℃。此種情況疑為兩種測量儀器感應(yīng)部分材料不一致所造成，但未確定。

4 酸雨觀測工作中應(yīng)注意事項(xiàng)

（1）由于酸雨觀測屬于特殊觀測項(xiàng)目，化學(xué)試劑帶腐蝕性，在工作中要求觀測員操作時(shí)注意自身安全，做到不將化學(xué)試劑溶液噴濺到身體及儀器設(shè)備和工作臺面上。

（2）酸雨實(shí)驗(yàn)室一定要有穩(wěn)壓電源，一定要常通風(fēng)并保持干燥、無塵。

（3）無樣品觀測時(shí)，儀器一定要斷電，并用專用套蓋好。

（4）安裝儀器或測量樣品時(shí)，一定要注意保持復(fù)合電極插頭的清潔與干燥，不得用手觸摸，復(fù)合電極的玻璃探頭不能與任何硬物接觸。

（5）酸雨觀測儀器要保持清潔，觀測前后要堅(jiān)持用純水清洗探頭并用干凈濾紙擦干，用潔凈的塑料袋套好。

（6）觀測儀器安放務(wù)必平穩(wěn)，勿振動。

（7）清洗電極時(shí)勿將蒸餾水噴灑到PH計(jì)上，保持機(jī)器干燥。

1002-252X(2012)02-0029-02

2012-2-1

王 榮（1972-），女，黑龍江省寶清縣人，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，本科生，工程師.