آموزش ابزاردقیق:اندازه‌ گیری pH و ORP با الکترود و ترانسمیتر

مقدمه

اندازه‌گیری pH و ORP یکی از مهم‌ترین پارامترها در صنایع شیمیایی، آب و فاضلاب، داروسازی و فرآیندهای زیست‌محیطی است. این دو شاخص نقش کلیدی در کنترل کیفیت، ایمنی و بهینه‌سازی فرآیندها دارند.

سیستم‌های اندازه‌گیری pH و ORP معمولاً شامل الکترود (آنالوگ یا دیجیتال)، ترانسمیتر، کابل اندازه‌گیری و مجموعه نصب (غوطه‌وری، عبوری یا قابل جمع‌شدن) هستند. عملکرد صحیح این تجهیزات به درک اصول الکتروشیمیایی، شرایط نصب مناسب، نگهداری منظم و کالیبراسیون دقیق وابسته است.

در این مقاله، به بررسی اصول عملکرد الکترودهای pH و ORP، عوامل مؤثر بر دقت اندازه‌گیری، تجهیزات موجود در سری‌های Endress+Hauser، شرایط نصب، روش‌های نگهداری و کالیبراسیون می‌پردازیم تا مهندسان ابزار دقیق بتوانند بهترین بهره‌برداری را از این سیستم‌ها داشته باشند.

اندازه‌گیری pH و ORP

الکترودها و ترانسمیترها یک سیستم کامل اندازه‌گیری pH یا ORP شامل موارد زیر است:

• یک الکترود آنالوگ یا دیجیتال
• یک ترانسمیتر
• یک کابل اندازه‌گیری ویژه
• یک مجموعه نصب (غوطه‌وری، عبوری یا قابل جمع‌شدن)

اندازه‌گیری pH – اصل اندازه‌گیری

مقدار pH به‌عنوان واحدی برای سنجش اسیدیته یا بازی بودن یک محیط مایع استفاده می‌شود.

• غشای شیشه‌ای الکترود یک پتانسیل الکتروشیمیایی تولید می‌کند که به مقدار pH محیط وابسته است.
• این پتانسیل از طریق نفوذ انتخابی یون‌های H⁺ از لایه بیرونی غشاء ایجاد می‌شود.
• در این نقطه یک لایه مرزی الکتروشیمیایی با پتانسیل الکتریکی شکل می‌گیرد.
• یک سیستم مرجع Ag/AgCl به‌عنوان الکترود مرجع عمل می‌کند.
• ترانسمیتر ولتاژ اندازه‌گیری‌شده را طبق معادله نرنست (Nernst) به مقدار pH متناظر تبدیل می‌کند.

عوامل مؤثر بر اندازه‌گیری pH

• دما:
  • بر حساسیت شیب الکترود اثر می‌گذارد. جبران دما باعث بازگرداندن حساسیت به مقدار مرجع (۲۵°C) می‌شود.
  • مقدار pH یک سیال در دمای ۹۰°C با مقدار آن در ۱۵°C متفاوت است.
  • با استفاده از ترانسمیترهای Liquiline و Mycom S می‌توان دمای محیط را جبران کرد.
• آلودگی عنصر مرجع
• پدیده‌های الکتریکی
• تفاوت در ترکیب محیط‌ها
• آلودگی سطح الکترود
• مواد شیمیایی خورنده

محدوده تجهیزات Endress+Hauser برای pH

• طیف وسیعی از الکترودهای pH آنالوگ و دیجیتال با فناوری Memosens
• ترانسمیترهای Liquisys M CPM223/253، Mycom S CPM153 و Liquiline M CM42
• لوازم جانبی شامل کابل‌ها و مجموعه‌های نصب

اندازه‌گیری ORP – اصل اندازه‌گیری

پتانسیل ORP واحدی برای سنجش تعادل بین اجزای اکسیدکننده و احیاکننده در یک محیط است.

• اندازه‌گیری ORP مشابه pH انجام می‌شود.
• به‌جای غشای شیشه‌ای حساس به pH، از الکترود پلاتین یا طلا استفاده می‌شود.
• یک سیستم مرجع Ag/AgCl به‌عنوان الکترود مرجع عمل می‌کند.

محدوده تجهیزات Endress+Hauser برای ORP

• طیف وسیعی از الکترودهای ORP آنالوگ و دیجیتال با فناوری Memosens
• ترانسمیترهای Liquisys M CPM223/253، Mycom S CPM153 و Liquiline M CM42
• لوازم جانبی شامل کابل‌ها و مجموعه‌های نصب

شرایط نصب

• الکترود نباید وارونه نصب شود. زاویه نصب باید حداقل ۱۵ درجه با افق داشته باشد تا از تشکیل حباب هوا جلوگیری شود.
• رزوه اتصال باید تمیز و سالم باشد.
• الکترود باید با دست و با گشتاور ۳ نیوتن‌متر بسته شود (فقط در مجموعه‌های Endress+Hauser).
• دستورالعمل نصب مجموعه باید رعایت شود.

کابل‌کشی

• طول کابل نباید بیش از ۵۰ متر باشد (مدل‌های CPK7، CPK9، CYK71).
• برای فواصل بیشتر باید از الکترود دارای پیش‌تقویت‌کننده یا فناوری Memosens استفاده شود.
• کابل نباید قطع یا موقتاً متصل شود. در صورت نیاز به افزایش طول، از جعبه اتصال با امپدانس بالا (VBM) استفاده کنید.

اتصال سنسورهای pH و ORP

• اتصال می‌تواند به‌صورت متقارن یا نامتقارن انجام شود.

مزایای اتصال متقارن:

• عدم وجود جریان نشتی
• ایمنی بیشتر در شرایط فرآیندی دشوار

مزایای اتصال نامتقارن:

• امکان استفاده از مجموعه‌های بدون پین هم‌پتانسیل

⚠️ توجه: در اتصال متقارن، پین هم‌پتانسیل باید همیشه به محیط متصل و غوطه‌ور باشد (حتی هنگام کالیبراسیون).

عملیات و نگهداری

کارهای نگهداری در ترانسمیتر

• تمیز کردن مجموعه و سنسور
• بررسی کابل و اتصالات
• کالیبراسیون و تنظیم

تمیز کردن الکترودهای شیشه‌ای pH و ORP

۵ سطح تمیزکاری وجود دارد:

1. آب + اسفنج
2. آب + صابون (برای چربی)
3. (فقط ORP) تمیزکاری مکانیکی پین‌ها یا سطح فلزی با کاغذ سمباده بسیار نرم یا خمیر پولیش بدون ذرات ساینده
4. اسید کلریدریک رقیق (۳ تا ۵٪) + شستشو با آب تمیز
5. استفاده از مواد شیمیایی خاص برای آلودگی‌های ویژه:
   • لایه‌های روغنی: شوینده یا حلال‌های چربی مثل الکل یا استون
   • رسوبات معدنی: غوطه‌وری در اسید کلریدریک یا سود رقیق (حداکثر ۵٪)
   • رسوبات آهکی و هیدروکسید فلزی: اسید کلریدریک یا استیک رقیق (حداکثر ۱۰٪)
   • لایه‌های سولفیدی: اسید کلریدریک (حداکثر ۱۰٪) اشباع‌شده با اوره
   • لایه‌های پروتئینی: اسید کلریدریک (حداکثر ۱۰٪) اشباع‌شده با پپسین در دمای ۳۷°C

توجه: پس از تمیزکاری شیمیایی، سنسور ORP ممکن است چند ساعت زمان برای بازیابی نیاز داشته باشد.

بررسی کابل و اتصالات

• بررسی رطوبت، بریدگی یا خمیدگی کابل
• تست پیوستگی الکتریکی با اهم‌متر (۰.۱ اهم بر متر)
• تست عایق با دستگاه ۱۰۰۰ ولت (مقاومت باید بی‌نهایت باشد)

کالیبراسیون

• دسترسی به منوی CAL برای کالیبراسیون
• روش‌ها:
  • استفاده از دو محلول بافر با pH مشخص
  • وارد کردن داده‌های شیب و نقطه صفر
  • وارد کردن مقدار Offset
  • برای ORP: وارد کردن مقدار mV یا درصدهای مختلف

تنظیم الکترود pH

1. شستشو با آب یا محلول مناسب
2. غوطه‌وری در بافر pH=7 و وارد کردن مقدار واقعی در ترانسمیتر
3. غوطه‌وری در بافر دوم (pH=4 یا 9) و تکرار مرحله قبل
4. شستشو با آب تمیز

تنظیم الکترود ORP

1. شستشو با آب
2. غوطه‌وری در محلول بافر (۲۲۰ یا ۴۶۰ mV)
3. وارد کردن مقدار واقعی در ترانسمیتر
4. شستشو با آب تمیز

بررسی شیب الکترود pH پس از کالیبراسیون

• شیب تئوری: 59.16 mV/pH
• شیب عملی الکترود جدید: 57 تا 60 mV/pH
• اگر ≤ 55 → نیاز به تمیزکاری
• اگر ≤ 50 → بررسی و احتمالاً تعویض
• اگر ≤ 45 → خطای ترانسمیتر و الزام به تعویض

بررسی ترانسمیتر (آنالوگ)

• اتصال ترمینال Measure به Reference (و PA در حالت متقارن)
• نمایشگر باید مقدار صفر آخرین کالیبراسیون (حدود pH=7) را نشان دهد
• برای تست کل محدوده باید از شبیه‌ساز pH استفاده شود (مولد ولتاژ -500 تا +500 mV)

بازسازی الکترود pH با زمان پاسخ طولانی

• استفاده از مخلوط اسید نیتریک (۱۰٪) و فلوراید آمونیوم (حداکثر ۵٪)
• شستشو با آب تمیز و خشک‌کردن با پارچه نرم