pH計和電導率儀的水分析解決方案分析

蘇州國環環境檢測有限公司　趙　杰　張　靜

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pH計和電導率儀的水分析解決方案分析

蘇州國環環境檢測有限公司趙杰張靜

【摘要】pH計、電導率儀是常見的環境監測儀器。隨著科學技術的發展，環境監測儀器具有易攜帶、功耗小、便操作等優勢，同時也可以運用在十分惡劣和復雜的工作環境下。因此，在環境監測市場需求的帶動下，分析pH計和電導率儀的水分析解決方案對環境監測工作具有現實意義。

【關鍵詞】pH計；電導率儀；水分析；解決方案

隨溫度、時間的漂移是pH計和電導率儀設計中應考慮的重點因素[1]。為了實現儀器工作目標，應運用低漂移精確信號鏈。隨著信息技術的進步，現代環境監測儀器具備功耗小、易攜帶等優勢，實現了簡單的報警功能和人機接口功能，方便了操作，簡化了程序，并且可以在十分惡劣的監測環境中工作。因此，探討和分析在環境監測中pH計和電導率儀的水分析解決方案，對于提高環境監測工作效率和工作水平具有重要的指導作用。

1　儀器工作的基本原理

1.1pH計的工作原理

pH值是指在溶液中氫離子濃度的負對數：

pH=-Log[H+]

pH計測量的實際是玻璃電極與甘汞電極在水溶液中形成的化學電池的電動勢。隨著被測溶液氫離子濃度的變化，此電池的電動勢也會發生變化：

在式子中：電動勢變化量用△E表示；被測溶液溫度用t表示；溶液pH變化量用△pH表示；

從這些式子中我們可以看出，被測溶液中的pH值變化與電極系統電動勢的變化比值呈正比例。所以，在校正儀器標準溶液后，就可以在顯示屏中讀取被測試溶液的pH值。

1.2電導率儀的工作原理

電導率表示物體傳導電流的能力。水的電導率即水的電阻的倒數，通常用來表示水的純凈度。電導率儀的測量原理是將兩塊平行的極板放到被測溶液中，在極板的兩端加上一定的電勢（通常為正弦波電壓），形成電導池的兩極，然后測量極板間流過的電流。根據歐姆定律，由電壓和電流，可得溶液電阻。電導率K值的表達式為：

K=Q×G

式中，G為溶液的電導，即為溶液電阻的倒數；Q為溶液的電導池常數，表示為：Q=L/A，其中L 代表電導池兩級間的距離，A代表電極截面積。

電解質在水溶液中的溶解度是有差異的，其濃度也相應具有差異，進而溶液的導電度也產生區別。如果將幅度恒定交流電壓直接壓到兩個電極上，那么這時流經溶液的電流大小與溶液中離子數量有關。因此，通過對溶液導電度進行測量，能夠研究出電解質在溶液中的溶解度。

2　新儀器與舊儀器的差別

自1991年我國酸雨觀測站測量pH值后，開始大范圍的運用江蘇電分析儀器廠生產的pH-3C型pH計，并運用DDS-11A型電導率儀測量電導率值[2]。但隨著科學技術的提高，這批儀器性能已經不能滿足時代發展的需求，經常會出現一些常見的故障：如測量數據極不穩定；運用三次平行讀數求手工溫度與平均訂正，再調整斜率，操作程序比較復雜，致使數據觀測有偏差，測量數據存在誤差等。

這次所更新的儀器，普遍運用了上海雷磁儀器廠生產的pH-3B 型pH計和DDS-307型電導率儀。這批儀器無論在分辨率上，還是在測量方法上，都有著很大的進步。

pH-3B型pH計配套運用E-201-C-Q9復合型電極，采用3.5位十進制數碼管顯示，pH的材料范圍為0-14pH，分辨率為0.001、0.01、0.1pH，可以隨意選擇一個分辨率進行校正，利用溫度自動補償法和兩點標校法，加強了測量數據的穩定性和有效性。通過標校之后的儀器展開測量，只需讀數一次，無需要手動溫度訂正。可以說pH-3 型pH計具有易操作、效率高、數據可靠等優勢。DDS-307型電導率儀有四檔量程，能夠實現自動切換和自動進位顯示，從操作上來說簡便省時，從測量水平上來說準確度較高。使用DDS-307型電導率儀后，該儀器可以自行測量溫度并實時顯示，與此同時，還能自動對測得溫度的溶液進行溫度補償。

3　實施方案

3.1測量pH值

根據具體要求進行配制三種標準的緩沖液，即pH4.00、pH6.86、pH9.18，并可以存儲在玻璃瓶中以備不時之需。但應放置在陰涼處，注意存儲環境。

（1）檢查儀器：①檢查電極是否完整無缺，溶液高度是否相適宜，如果溶液高度過高，或者沒有達到高度，都需要再次進行調整，可以將濃度為3mol的kcl溶液在電極管壁小孔中滴入。②在配置儀器中，可采用“短路”專線一端直接插入到電極插孔中，另外一端應在“參比”電極插孔中直接插入，確保儀器始終處于短路狀態中。③調整“轉換”開關，置于在手動擋中，可以隨意對溫度旋鈕進行調整，不管在哪個位置中，所顯示的數值都不可能漂移太多。通常情況下，都不會超出三個數字；④調整“定位”旋鈕，將其調整到最大處，如果顯示數值大于八，那么應將其旋轉到最小處，如果顯示數值小于六，那么可以將旋轉到七；⑤調整“選擇”按鈕旋轉到“mv，檔中”，其顯示數字為“000”，如果儀器顯示數值超過了040，那么就需要換新的儀器。之所以要換新的儀器，主要是這臺儀器可能內部零件損壞，無法在正常使用了，所以需要重新換儀器，才能重新進行測量[3]。

（2）標定：儀器連續作用過程中，每天都需要定點進行定位，每15天實施一次兩點定位。運用自動溫度補償法：①在儀器接地后，接通電源之后，應先預熱三十分鐘；②將“轉換”開關置于“自動”開關上；③利用蒸餾水清洗復合電極、溫度傳感器，將這兩種工具直接插入到緩沖容器中；④將儀器中的“選擇”開關規置到℃測量檔中，在這時候儀器會直接顯示出溶液溫度值；⑤儀器“選擇”開關直接置于到pH測量檔中，在查閱說明書附表后，按照說明書的指示調整定位旋鈕，確保緩沖液和儀器顯示讀數與當下溫度pH值是相同的，如果兩者的值是不同的，肯定是上述步驟中有出現失誤或者遺落的部分；⑥對復合電極進行清洗，利用蒸餾水清洗，再插入標準的緩沖液，如：pH9.18、pH4.00，在調整“斜率”旋鈕時，應逆時針進行調整，使緩沖液與儀器顯示值中的pH值是相同的；⑦重復進行③-⑥步驟，直至可以不再調節“斜率”按鈕和“定位”按鈕。

（3）測量環節：利用蒸餾水將溫度傳感器、復合電極洗干凈，再利用濾紙將復合電極和溫度傳感器吸干，在一起插入到溶液中，然后在輕輕搖晃水杯，在穩定儀器讀數后，讀取出相應的pH值，保留出兩位小數。如果運用溫度手動補償法，只需要運用溫度測試出溶液溫度，再運用人工調節旋鈕，這樣可以使儀器顯示數值與溶液溫度剛好一致，余下步驟與自動補償相似，無任何差別。

（4）注意的問題：①標定儀器后，不能再動“斜率”按鈕和“定位”按鈕；②實施兩點定位方法：在運用pH6. 86緩沖液后，在第二次運用接近溶液pH值的緩沖溶液，也就是酸性溶液值接近pH4.00的緩沖液；測減性的溶液應利用pH9.18緩沖液。一點定位方法：同樣采用與被測溶液pH值相似的緩沖液；③通常情況下，在一天一夜中，儀器都不需要反復標定；④在利用pH6.86的緩沖液展開標定時，只需要調節“定位”，而在利用pH4.00緩沖液與pH9.18緩沖液標定中，應采用“斜率”進行調節，決不能出現兩個溶液混淆的情況；⑤確保電極的濕潤性，運用3mol濃度或者蒸餾水kcl溶液進行浸泡和保存。

3.2測量K值

在DDS-307儀器接通后，要求先預測三十分鐘，確保接地性能良好。在進行依次校準：①將“選擇”開關直接指向“檢查”檔中；②“常數”，將補償選擇按鈕直接歸置到1.0位置上；③將溫度補償按鈕旋轉到25℃；④“校準”按鈕的調整，這樣確保儀器顯示值是100.0μS°cm-1[4]。

（1）測量環節：①測量出被測溶液中的溫度情況；②“溫度”旋鈕指向的是被測溶液中的實際溫度；③“常數”按鈕的調節，確保儀器顯示值和電導電極上標的常數值100倍后相一致的；④利用蒸餾水將電極洗干凈，在吸干之后放置到溶液中央中，然后再輕輕搖晃水杯，旋轉選擇開關順序，在讀數相應的數值，可保留一位小數。

（2）注意的問題：①在測試后的K值在當前溫度下，在自動補償折算后，可以達到25℃，不需要再次手工訂正；②保持電極的清潔，避免電極插頭或者插座出現受潮，如果有塵土，那么可以利用酒精清洗，在利用冷風吹干；③電極常數應為0.01,0.1，10時，將常數補償依次擴大到10000,1000,10倍中，測量值也需要相應的縮小100,10；④為了保證測量的精度，在使用電極之前應采用符合規定的蒸餾水進行沖洗，在運用被測溶液進行；⑤用常數標定出電極，應定期進行標定。

4　pH計和電導率儀的水分析解決方案分析

在pH計的系統中，包括低漏電流輸入級、微控制器、pH電極、電源管理、通信接口等。在運用測量電極或者在參考電極確定出氫離子濃度后，可實現相應的pH測量。提供恒定的參考電位是參考電極的主要作用，但應注意的是參考電極所起的作用與電極浸沒溶液沒有任何關系。測量電極的作用與參考電極電位差有著很大的關系，它與溶液pH值之間呈正比。同時，pH電極具有較強的輸出電阻里，為了可以精確測量出pH值，在選用緩沖器中，應選用低偏置的電流放大器。在通過低漏電流緩沖之后，信號中提供的低通濾波器級，可以實現更高一層的分辨率，待信號進入到Σ-△ADC后，其測量溫度也可以在ADC作用下實現，用來補償最終的實際效果。

電導率儀系統包括可編程交流電流源、電導率電極、電流檢測、微控制器、通信接口、電源管理等。導電率可以直接衡量出在溶液中離子濃度，可以利用施加電流進行測量。該電流會導致離子反復流動，這樣可以使電率電極間形成交流電位。導電率計測量電壓分為兩節點、四節點的模式，根據系統精度要求，可以決定該選擇哪種模式。結合歐姆定律，在溶液中電導率，在測量電壓和測量電流依次計算。可以編程交流電流可以運用基準電壓源或者多路復用器等器件產生電流。在電極中的電壓在通過儀器放大器檢測之后，后接開關及差動放大器。通過電極中的電流有I/V電路檢測，后續工作依然會有開關和差動放大器的接入。開關和差動放大器中解調電路可以將交流信號直接轉換成為直流信號，確保將直流信號提供給Σ-△ADC。

5　結語

總而言之，在設計pH值和電導率儀過程中，時間因素和溫度因素是兩個重要的因素。為了實現預期的目的，應有計劃的降低漂移精確信號鏈。另外，為了充分發揮傳感器動態范圍作用，在設計電源以及信號鏈中，應考慮到高分辨與低噪聲的規定。最近幾年來，儀器領域在向便攜性方向發展。工作者可以根據自身實際需要選擇是否運用pH計和電導率儀相應的便攜式版本。

參考文獻

[1]楚臻君.我國環境監測儀器行業的現狀及趨勢分析[J].河南農業,2012(19).

[2]崔令,羅益民.雙路pH在線監測與控制[J].儀表技術與傳感器,2015(11).

[3] 孫墨杰，陳長安，靳世久等.在線恒溫pH計的研究[N].東北電力學院學報，2001,21(2): 24-27.

[4]顧敏杰.DDG- 5205型工業電導率儀的研制[J].分析儀器,1998(1):10-13.