YOKOGAWA横河PH计测量原理

YOKOGAWA横河PH计

测量原理
    pH计主要用于测量液体中的氢离子浓度。准确地说是测量氢离子活性，得出酸性、中性还是碱性的数值，在自来水、河水、饮料、食品、污水、医疗和化工等领域广泛地使用工业用液体分析仪。

pH计原理图

全量程是0～14pH，pH=7为中性，pH<7为酸性，pH值接近0为强酸性。pH>7为碱性，pH值接近14为强碱性。
普通pH计的原理和结构如上图所示，将待测液体氢离子活性作为两根电极之间产生的电位差，通过变送器得到传输信号。
成为基准的电极被称为玻璃电极，从外观来看与玻璃试管相似。但是前端为特殊玻璃制成的数十μmm的薄膜玻璃，内置有内部缓冲液和内部电极。内部电极与待测液体之间有玻璃薄膜，基本上是绝缘状态。
另一端的电极称为比较电极（或参比电极），结构与玻璃电极类似，但前端有液接界，内部液体与待测液体通过缝隙接触。液接界形态多样，包括玻璃纤维形、小孔形、陶瓷形、套管形等，根据具体的用途进行选择。
检测部分的阻抗由于隔着玻璃膜，阻抗大于10MΩ，所以变送部分需要更高的阻抗，必须达到1GΩ以上，放大器与电极之间也使用绝缘性高的导线和端子。

测量液的氢离子活性会使玻璃电极的薄膜玻璃两侧之间产生电位差。玻璃电极的薄膜玻璃内侧电位经过内部缓冲液，通过内电极导出；而接液的外侧电位经过待测液体-参比电极液接界-内部液体，通过参比电极的内部电极导出。
两电极的内部电极与内部液体之间产生的电位，大体相互抵消，所以能测量薄膜玻璃两侧的电位。
pH值与氢离子活性aH+的关系如下所示:

 pH=-log10aH⁺
 

也就是说，pH值与离子活性常用对数的倒数成比例，p是幂（power）的首字母，意思是乘方；H是氢（Hydrogen）的首字母，意思是氢离子。
此外，氢离子活性与氢离子浓度的关系如下:

aH⁺＝γH⁺（H⁺）

γH⁺: 氢离子活性系数（activity coefficient）
H⁺: 氢离子浓度

用小于1的数值表示氢离子活性系数，浓度很低时视为1。用能斯特方程式来表示测量电位差:

 E＝（2.303RT/F）（pHi-pHs）+Eas

E: 测量电位差（V）
R: 气体常数（8.31441JK^-1mol^-1）
T: 温度（K）
F: 法拉第常数（96484.56 C mol^-1）
pHi: 玻璃电极内部缓冲液的pH值（=7）
pHs: 测量液的pH值
Eas: 不对称电位（理论值与实际值的电位偏移） （V）

误差校正
理论上，0～7～14pH的发生电位差在25℃时为+414mV～0～-414mV左右。在能斯特方程式中，电位差大约会变化-59mV，但实际上1pH的变化大约会变化-58mV，此外对于强酸性与强碱性由于玻璃膜的材质以及液体的种类不同，会产生误差。

pH计的电位差

pH计的校正使用符合JIS标准的pH标准液。pH标准液包括草酸盐（1.68pH）、酞酸盐（4.01pH）、中性磷酸盐（6.86pH）、磷酸盐（7.41pH）、硼酸盐（9.18pH）、碳酸盐（10.01pH）。

水性质的奇妙之处

 水和空气一样，都是和我们zui密切相关的物质，但是水却拥有非常奇妙的性质。

奇妙之处1
水在0℃以下会结成固体（冰）。一般的物质从液态变成固态时，体积都会减小，但是水却正好相反，体积会增加。这一点从行驶在漂浮着冰山的大洋上的泰坦尼克号的遭遇中也可以得知。
在测量领域中，安装在寒冷地带的管道和传感器，内部的水在冬季会发生冻结，膨胀压力会导致变送器和导压管的破裂。因此，需要采取保温以及蒸汽伴热等防冻措施。

奇妙之处2
普通液体具有随着温度升高比重减小的性质。而水却会在从0℃升至4℃的过程中比重增加，超过4℃以后，水才会像普通液体一样随着温度的升高，比重减小。
在寒冷的情况下，湖面或水池表面结冰，水底却很难结冰的现象，就是因为这种性质，使得对流引起的水温下降现象会在4℃时停止。

奇妙之处3
水还具有将溶解于其中的物质离子化的性质（电解）。而油等其他液体则不易溶解物质，也无法离子化。比如说，盐酸HCl在水中电离为H+离子和Cl-离子后运动非常活跃。定量测量这种活跃程度的量是pH值。
盐酸和硫酸腐蚀金属正是由于这种电解作用，所以在潮湿的情况下会加剧腐蚀。
但是，这一点对于动物和植物来说却是非常可贵的性质，正是由于水的这种性质，生物才得以在地球上生存。
 

pH值的参考实例

 糖液浓缩时，pH值控制在5～8范围内，白糖不会变色。
为了去除淀粉的涩味，将pH值变为碱性。
将作为原料的淀粉的pH值控制在6～6.5范围内，制造葡萄糖。
在净水场向源水中投放氢氧化钠，将pH值控制在10左右，能提高凝固和沉淀效率。
为了去除鱼饼等水产品中的水溶性蛋白，将pH值控制在6～6.5范围内。
加工干酪的pH值大于6时，不易保存。在5.5～5.7以下时会变硬。
将香肠中的pH值控制在6～6.3范围内保存，可以保持弹性。
pH值大于9的碱离子水有益于健康。
pH值为5.5左右的酸离子水有益于美容。
pH值为3左右的酸离子水具有杀菌效果，经常在医院等场所使用。
对烫发剂进行pH值管理。
将pH值小于5.6的雨称为酸雨。

液体的pH参考值