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pH传感器的长寿命设计原理
点击次数:1515 发布时间:2012-06-12

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,在极端温度,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,极端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极端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。

武汉航天星科技有限公司

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