pH传感器的长寿命设计原理

pH传感器的长寿命设计原理

pH传感器采用特殊成分的、对pH值具有敏感特性的玻璃材料，当其与被测溶液接触时，玻璃电极产生与被测溶液pH值成比例的电极电位（毫伏电压信号）。市场上也有非玻璃材质的pH传感器，但是，在温度，这种传感器通常测量不准确，而且，如果用于酸碱液在线清洗工艺过程，其寿命缩短。与有些食品饮料行业不同，由于在整个啤酒酿造工艺中，有多个过滤步骤，所以，啤酒酿造要使用玻璃传感器。

pH值测量还取决于参比电极，参比电极的作用是在某一给定温度下，维持恒定的参比电位。玻璃电极和参比电极共同构成pH测量电路，玻璃电极和参比电极的电位差（毫伏电压信号）与被测溶液的pH值成比例。

此外，pH值随被测溶液的温度不同而变化，温度会加速电极的老化，导致电极顶部的填充液冻结或沸腾，从而使玻璃破裂。玻璃老化进而使传感器响应迟缓。

通常，参比电极是银-氯化银电极，即在银丝上镀上一层氯化银，然后悬吊在氯化钾溶液中。要得到的pH值测量，氯化钾填充液就必须不能被污染，同时，参比电极要通过被测溶液，与玻璃电极连接，形成测量电路。如果被测溶液粘稠或者含有一定浓度的离子，则上述两个条件就很容易得不到满足，从而在参比电极液体接界（电解液渗透膜）形成沉淀的覆着物，毒化填充的电解液。

长寿命设计

新的长寿命传感器设计没有改变pH传感器的基本测量原理，而是对每个易损坏的部件进行了改进。科研人员首先在高温工况下，研究pH敏感玻璃材料的老化机理。有趣的是他们发现：绝大多数老化出现在pH敏感玻璃的凝胶层，根据这一发现，科研人员离析、研制出耐高温的凝胶层。这一研究成果使他们开发出超常耐高温（高达155?C）的pH玻璃电极，将由于热应力或撞击产生的玻璃破损因素降到zui低，并且，改善传感器的响应速度。通常，这种长寿命的传感器在温度工况下使用数个月后，还能保持地测量。此外，艾默生还增加了一些保护设计，如在玻璃电极下端球膜处，设计了一个带槽的卡环，其作用是保护玻璃球膜免受过程流体（含颗粒物）的直接冲击。以上对玻璃电极的设计改进，使督威啤酒厂深刻感受到pH传感器性能的变化。

pH传感器的绝大多数故障都是前面提到的、由于参比电极的电解液被污染、或参比电极的液体接界（电解液渗透膜）被堵塞所造成的。长寿命传感器的设计解决了这个问题，该传感器使用特殊设计的多孔Teflon液体接界，液体接界的表面积较大，孔隙率较高，从而保证参比电极与被测溶液具有良好的接触，且抗堵塞能力强，即使传感器用在比较污浊的液体，其也能保持稳定的参比信号。其次，参比电极的电解液是氯化钾凝胶液，具有一定的化学粘滞阻力，可以抵抗由于温度、压力变化造成的参比路径堵塞现象。此外，内参比电极的液体接界（电解液渗透膜）是陶瓷材质，孔径小，孔隙率低，所以抗中毒能力强，从而降低对主参比电极液体接界（电解液渗透膜）的损耗，延长传感器的整体寿命。总之，长寿命pH传感器设计综合了参比电极液体接界的两个特性，即高孔隙率液体接界的测量精度（高）和低孔隙率的液体接界的使用寿命（长）。

为了进一步延长传感器的使用寿命，在设计上还考虑了可以更换被堵塞的参比电极液体接界（电解液渗透膜），重新填充电解液，这样能够使绝大多数失效的传感器得以再生。重要的是传感器还配制了多种特殊的电解液，以便在一些特定应用中，能够优化传感器的性能，如：抗生物膜电解液；抗油脂电解液；抗结垢电解液等。此外，传感器的护套是抗化学腐蚀的、耐热的Ryton和钛材。

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