Sensor de pH

santia90@gmail.com

Dpto. de Electrónica UNEXPO Vice-Rectorado Puerto Ordaz.

RESUMEN

La función de una solución a tierra se discute. Los diseños de circuitos a bajo costo no aislados limitan la capacidad de instrumentos de multiparámetro de medir tanto pH como conductividad en los mismos instrumentos a no ser que el sensor de pH tenga una de solución externa aterrada. Para resolver el problema, los circuitos equivalentes de sensores electroquímicos son examinados teóricamente. El Análisis Virtual de los circuitos equivalentes conduce a los conceptos de solución interna aterrada y solución aterrada en el lugar de solución externa aterrada.

Introducción

Una de solución aterrada en el sensor de pH es un conductor en contacto con la solución de prueba y conectada al circuito común del instrumento.El objetivo de una solución aterrada no es para aterrar la solución, sino para suministrar un electrodo suplementario para el diagnóstico del sensor de pH. Las funciones diagnósticas más comunes son las medidas de impedancia de cristal del electrodo de pH y la impedancia de unión del electrodo de referencia. De la impedancia medida, uno puede estimar el envejecido del sensor de pH así como las condiciones físicas del pH que sensa el cristal.Los clientes quieren bajo costo, instrumentos de multiparámetro. Para encontrar este demond, nuestros analizadores modelo de serie la 1055 son diseñados para manejarse con múltiples sensores con circuitos no aislados. Como el instrumento acepta la entrada de dos sensores y los circuitos para cada sensor no son aislados, muchas complicaciones comienzan a revestir y desafiar pensar tradicional en el diseño " un instrumento un sensor”. La situación más resistente encontrada es la combinación de pH y la conductividad. Alguien que decide medir múltiples sensores con circuitos no aislados experimentará problemas similares.

Los circuitos no aislados en nuestro instrumento de multiparámetro con los sensores de pH requeridos de la combinación del pH y la conductividad que tienen aterramientos de solución externas. Los sensores de pH sin soluciones aterradas no trabajan. Añadiendo una solución aterrada externa a un sensor de pH aumenta la complejidad de fabricación, introduciendo fallas adicionales e incrementando los costos. Permitir sensores de pH a bajo costo (sin soluciones aterradas) se usarán, mientras las funciones de diagnóstico se mantengan, el concepto de solución aterrada fue re-evaluado. La respuesta final fue muy simple. Todo ha sido patentado.

Desarrollo

La medida comprensiva del pH En el mundo del proceso, el pH es un parámetro importante ser medido y para ser controlado.

El pH de una solución indica cuán ácido o básico (alcalino) es. El término del pH traduce los valores de la concentración de ion de hidrógeno - que recorre comúnmente entre 1 y 10-14 gramo-equivalentes por el litro - en números entre 0 y 14.

En la escala de pH una solución muy ácida tiene un valor bajo de pH como 0, 1, o 2 (que corresponde a una concentración grande de iones de hidrógeno; 100, 10 -1, o 10-

2 gramo-equivalentes por el litro) mientras una solución muy básica tiene un valor alto de pH, como 12, 13, o 14 que corresponde a un pequeño número de iones de hidrógeno (10-12, 10-13, o 10-14 gramo-equivalentes por el litro). Una solución neutra como agua tiene un pH de aproximadamente 7.Un lazo de la medida del pH está conformado por tres componentes, el sensor de pH, el cual incluye un electrodo de medición, un electrodo de la referencia y un sensor de temperatura; un preamplificador; y un analizador o transmisor.Un lazo de la medida del pH es en esencia una batería donde el terminal positivo es el electrodo de la medición y el terminal negativo es el electrodo de referencia. El electrodo de la medición, que es sensible al ion del hidrógeno desarrolla un potencial (el voltaje) directamente relacionado a la concentración del ion de hidrógeno de la solución. El electrodo de referencia proporciona un potencial fijo contra el cual el electrodo de medición puede ser comparado

Sensor típico del pH

Cuando es sumergido en la solución, el potencial de electrodo de referencia no cambia con la concentración de ion de hidrógeno. Una solución en el electrodo de la referencia también hace contacto con la solución de la muestra y el electrodo de la medición por un empalme, completa el circuito. La salida del electrodo de medición cambia con la temperatura (aunque el proceso se quede en un pH constante), así que un sensor de la temperatura es necesario para corregir este cambio a la salida. Esto es hecho en el software de analizador o transmisor.

Los componentes del sensor del pH son combinados generalmente en un dispositivo llamado electrodo de combinación de pH. El electrodo de la medición es generalmente de vidrio y bastante frágil. Los desarrollos recientes han reemplazado el vidrio con sensores de estado sólido más duraderos. El preamplificador es un dispositivo de señal-condicionada.Toma la señal de electrodo de pH de alta-impedancia y la cambia a la señal de impedancia permitida que el analizador o transmisor pueden aceptar. El preamplificador también refuerza y estabiliza la señal, haciéndola menos susceptible al ruido eléctrico.La señal eléctrica del sensor entonces es mostrada. Esto es hecho comúnmente en un analizador de 120/240V a.c. o en un transmisor 24 V d.c.Adicionalmente, el analizador o el transmisor tienen una interfase máquina hombre para calibrar el sensor y configurar las salidas y alarmas, si el control de pH es hecho.Tenga presente, los requisitos de aplicación que deben ser considerados cuidadosamente al elegir un electrodo de pH. La exactitud de la medición del pH y el control preciso del resultado que lo puede permitir, poder ir una manera hacia la optimización del proceso y tiene como resultado incrementar la calidad del producto y la consistencia. La medida exacta y fija del pH también controla y a menudo baja el uso químico, minimizando el mantenimiento de sistema y los gastos.

Mantener el sistema y funcionando.

Los electrodos del pH de un sistema requieren el mantenimiento periódico para limpiar y calibrarlos. El plazo de tiempo entre limpiar y la calibración depende de las condiciones del proceso y la exactitud del usuario y las expectativas de la estabilidad. El sobre tiempo, las propiedades eléctricas de la medición y el cambio del electrodo de referencia. La calibración en los valores conocidos en soluciones de pH llamados búferes corregirá algunos de estos cambios. La limpieza del sensor de medición y empalme de referencia también ayudará. Sin embargo, justo como las baterías tienen una vida limitada, la vida de un electrodo de pH es también finita. Aún en los ambientes más "amistosos", los electrodos de pH tienen que ser reemplazados eventualmente.La medida de la concentración de ion de hidrógeno en una solución líquida. Una solución con un valor bajo de pH es llamada "ácido," mientras uno con un pH alto es llamado "cáustico". La escala común del pH extiende de 0 (el ácido fuerte) a 14 (fuerte cáustico), con 7 en el centro que representa agua pura (neutra) :

Así, el pH es la medición logarítmica del numero de moles de iones de hidrógeno (+H) por litro de solución. El pH es definido de la siguiente manera: la minúscula "P" en el pH significa el negativo común (en base diez) el logaritmo, mientras la carta "H" mayúscula significa el hidrógeno del elemento. Así, el pH es una medida logarítmica del número de moles de iones de hidrógeno (H +) por el litro de la solución. Casualmente, el prefijo "P" también es utilizado con otros tipos de las medidas químicas donde una escala logarítmica es deseada, pCO2 (Bióxido de carbono) y pO2 (Oxígeno) son dos ejemplos. La escala logarítmica del pH trabaja como esta: una solución con 10-12 moles de H + iones por litro tienen un pH de 12; una solución con 10-3 moles de H + iones por litro tienen un pH de 3. Mientras poco común, hay tal cosa como un ácido con una medida de pH debajo de 0 y un cáustico con un pH encima de 14. Tales soluciones, de manera comprensible, son bastante concentradas y muy reactivas. Mientras pH puede ser medido por cambios de color en ciertos polvos químicos (la "tira tornasol" es un ejemplo familiar de clases de química de instituto), vigilancia continua de proceso y control de pH requieren un enfoque más sofisticado. El enfoque más común es el uso de un electrodo de diseñó especialmente preparado para permitir iones de hidrógeno en la solución para emigrar por una barrera selectiva, produciendo una diferencia de potencial medible (el voltaje) proporcional al pH de la solución:

El diseño y la teoría operacional de electrodos de pH son muy complejos, exploradas sólo brevemente aquí. Es importante comprender que estos dos electrodos engendran un voltaje directamente proporcional al pH de la solución. En un pH de 7 (neutro), los electrodos producirán 0 voltios entre ellos. En un pH bajo (el ácido) un voltaje será desarrollado de una polaridad, y en un pH alto (cáustico) un voltaje será desarrollado de la polaridad opuesta. Una limitación desafortunada del diseño de electrodos de pH es que uno de ellos (llamado electrodo de medición) debe ser construido de vidrio especial para crear la barrera ion-selectivo necesitaría para eliminar iones de hidrógeno de todos los otros iones que circulan en la solución. Este vidrio es dopado químicamente con iones de litio, que es lo que lo hace reaccionar electroquímicamente los iones de hidrógeno. Por supuesto, el vidrio no es exactamente lo que usted llamaría un "conductor;" sino, es un aislante muy bueno. Esto presenta un problema mayor si nuestro intento es medir el voltaje entre los dos electrodos. El sendero del circuito del contacto de un electrodo, a través de la barrera de vidrio, atraviesa la solución, hasta el otro electrodo, y regresa al otro contacto del electrodo, es una resistencia extremadamente alta.El otro electrodo (llamado electrodo de referencia) esta hecho de una solución química neutra (7) la solución del búfer de pH (generalmente cloruro de potasio) permite cambiar iones con la solución del proceso por un separador poroso, formando una conexión relativamente baja de la resistencia al líquido de la prueba. ¿Al principio, uno quizás esté inclinado a preguntarse: por qué no moja justo un alambre de metal en la solución para conseguir una conexión eléctrica al líquido? La razón es que esto no funcionará es porque los metales tienden a ser sumamente reactivas en soluciones iónicas y pueden producir un voltaje significativo a través de la comunicación del metal al contacto con el líquido. El uso de una interfase química húmeda con la solución medida es necesario para evitar crear un voltaje, el cuál por supuesto sería interpretado falsamente por cualquier dispositivo de medida como indicio de pH.Aquí está una ilustración de la construcción del electrodo de medida. Note la membrana delgada y el vidrio dopado de litio a través del cual el voltaje de pH es generado:

Aquí está una ilustración de la construcción del electrodo de la referencia. El empalme poroso mostrado en el fondo del electrodo es donde el búfer de cloruro de potasio y líquido de proceso comunican uno con el otro:

El propósito del electrodo de la medida es de generar el voltaje a medir de pH de la solución. Este voltaje parece a través del espesor del vidrio, colocando el alambre de plata en un lado del voltaje y la solución líquida en el otro. El propósito del electrodo de referencia es de proporcionar el estado estable, la conexión del cero-voltaje a la

solución líquida para que un circuito completo pueda generar el voltaje en el electrodo de vidrio. Mientras la conexión del electrodo de la referencia al líquido de la prueba sólo puede ser unos pocos kilo-ohms, la resistencia del electrodo de vidrio puede recorrer de diez a novecientos mega-ohmios, dependiendo del diseño de electrodo. Es que cualquier corriente en este circuito debe viajar por las resistencias de ambos electrodos (y la resistencia presentada por la prueba líquida misma), estas resistencias están en serie una con relación a la otra y por lo tanto suma una constante mayor. Un voltímetro ordinario analógico o aún digital tiene una resistencia interna demasiado baja para medir el voltaje en un circuito de tan alta resistencia.El esquema equivalente del circuito de un circuito típico de la tienta de pH ilustra el problema:

Aún, una corriente circuito muy pequeña que viaja a través de las altas resistencias de cada componente en el circuito (especialmente membrana del vidrio del electrodo de medida), producirá caídas relativamente substanciales de voltaje a través de esas resistencias, reduciendo gravemente el voltaje visto por el medidor. Lo peor es el hecho que la diferencia de voltaje generado por el electrodo de medición es muy pequeño, en la gama de los milivolts (idealmente 59,16 milivolts por unidad de pH en la temperatura ambiente). El medidor utilizado para esta tarea debe ser muy sensible y tener una resistencia de entrada muy alta. La solución más común a este problema de medida es utilizar un medidor amplificado con una resistencia interna muy alta para medir el voltaje del electrodo, para mostrar una corriente pequeña a través del circuito como sea posible. Con componentes semiconductores modernos, un voltímetro con una resistencia de entrada por encima de 1017 Ω puede ser construido con poca dificultad. Otro enfoque, rara vez visto en el uso contemporáneo, es de utilizar un setup de medición de voltaje potencio métrico de “balance nulo” para medir este voltaje sin generar alguna corriente en el circuito bajo prueba. Si un técnico deseó verificar la salida del voltaje entre un par de electrodos de pH, esto probablemente será la medición más práctica de hacer así que utilizando equipo de medición benchtop estándar.

Como siempre, el suministro de voltaje de precisión sería ajustado por el técnico hasta el detector nulo el cero certificado, entonces el voltímetro conectado en la paralelo con el suministro sería visto para obtener una lectura de voltaje. Con el detector "nulo" (registrando exactamente cero), debería ser cero la corriente en el circuito de electrodo de pH, y por lo tanto ninguna caída de voltaje a través de las resistencias de cada electrodo, dando el verdadero voltaje entre los terminales del electrodo en el voltímetro.

Las exigencias de los alambres para electrodos de pH tienden a ser aún más severas

que los alambres de termopar, la exigencia de conexiones muy limpias y las distancias cortas de cable (10 yardas o menos, aún con contactos de oro y el cable apantallado) para efectuar una medida exacta y confiable. Como con termopares, sin embargo, las desventajas de medida de pH de electrodo son compensadas por las ventajas: exactitud buena y simplicidad técnica relativa.

Pocas tecnologías de instrumentación inspiran el temor y comanda el misterio por la medida de pH, porque extensamente es tan mal entendido y difícil de solucionar. Sin explicarse sobre la química exacta de medida de pH, en pocas palabras de sabiduría aquí pueden darse a los sistemas de medida de pH:Todos los electrodos de pH tienen una vida finita, y aquella vida útil depende enormemente del tipo y la severidad de servicio. En algunas aplicaciones, una vida de electrodo de pH de un mes puede ser considerada mucho tiempo, y en otros usos pueden esperar que el mismo electrodo (s) dure durante más de un año.Como el cristal (medición) el electrodo es responsable de generar el voltaje proporcional de pH, ello es el que para ser considerado el sospechoso si el sistema de medida falla en generar el cambio de voltaje suficiente para un cambio dado del pH (aproximadamente 59 milivolts por unidad de pH), o falla en responder bastante rápido a un veloz cambio del pH líquido de prueba.Si un sistema de medida de pH "va a la deriva", creando errores de compensación, el problema probablemente tenemos falsos valores en el electrodo de referencia, el cual se supone, provee de una conexión de voltaje cero de la solución medida. Como la medida de pH es una representación logarítmica de concentración de iones, hay una gama increíble de condiciones de proceso representadas en la escala aparentemente simple de 0-14 pH. También, debido a la naturaleza no lineal de la escala logarítmica, un cambio de pH al final superior (es decir, de 12 a 13 pH) no representa la misma cantidad de cambio de actividad química como un cambio de pH al final inferior (es decir, de 2 a 3 pH). Los ingenieros de sistema de control y técnicos deben ser conscientes de este cambio dinámico si se tiene esperanza de controlar el proceso de pH en un valor estable.Las condiciones siguientes son riesgosas para los electrodos de medición (el cristal): ¡altas temperaturas, niveles de pH extremos (ácido o alcalino), la alta concentración iónica en el líquido, la abrasión, el ácido hidrofluorhídrico en el líquido (el ácido HF disuelve el cristal!), y cualquier clase de capa de material sobre la superficie del vidrio.Los cambios de temperaturas del líquido medido afectan tanto la respuesta del electrodo de medida a un nivel de pH dado (inmejorablemente en 59 mV por unidad de pH), como el pH real del líquido. ¡Los dispositivos de medida de temperaturas pueden ser insertados en el líquido, y las señales de aquellos dispositivos suelen compensar el efecto de la temperatura sobre la medida de pH, pero esto sólo compensará la respuesta en el electrodo de medida mV/pH, no el cambio de pH real del líquido de proceso!Los avances todavía se hacen en el campo de mediciones de pH, un poco asumiendo la gran promesa a vencer las limitaciones tradicionales de electrodos de pH. Una tecnología usó un dispositivo que se llamó transistor de efecto de campo para medidas electrostáticas, el voltaje producido por una membrana permeable de ion más bien produce la medida del voltaje con un circuito de voltímetro real. Mientras esta tecnología abriga las limitaciones propias, esto es al menos un concepto pionero, y puede demostrar más práctico más adelante.

El pH es una representación de actividad de ion de hidrógeno en un líquido. Esto es el logaritmo negativo de la cantidad de iones de hidrógeno (en moles) por litro de líquido. Así: 10-11 moles de iones de hidrógeno en 1 litro de líquido = 11 pH. 10-5.3 moles de iones de hidrógeno en 1 litro de líquido = 5.3 pH.

La escala de pH básica se extiende de 0 (el ácido fuerte) a 7 (el agua neutra, pura) a

14 (fuerte cáustico). Soluciones químicas con el pH nivelan bajo cero y encima de 14 son posible, pero raro.

El pH puede ser medido por el voltaje producido entre dos electrodos especiales sumergidos en la solución líquida.Un electrodo, hecho de un cristal especial, llamado electrodo de medición. Este trabaja para generar un pequeño voltaje proporcional al pH (idealmente 59.16 mV por unidad de pH).Otro electrodo (llamado electrodo de referencia) usa una unión porosa entre el líquido de medida y una solución estable, una solución buffer de pH neutro (por lo general el cloruro de potasio) para crear un voltaje cero la conexión eléctrica al líquido. Esto proporciona un punto de continuidad para un circuito completo de modo que el voltaje producido a través del grosor del cristal en el electrodo de medición pueda ser medido por un voltímetro externo.La resistencia sumamente alta de la membrana de cristal del electrodo de medida confiere por mandato el empleo de un voltímetro con la resistencia interna sumamente alta, o un voltímetro de balance nulo, para medir el voltaje.

INSTRUMENTO AVANZADO PARA MEDIR EL pH A TRAVES DE UNA SOLUCIÓN ATERRADA

Para explicar como un instrumento avanzado para medir el pH a través de solución aterrada, será usado un circuito equivalente para representar cada componente en un sensor de pH.

Generalmente, un sensor de pH está compuesto de plata/ Cloruro de plata (Ag/AgCl) el electrodo de referencia con una unión líquida y un electrodo de cristal de pH. La solución externa aterrada es por lo general un metal resistente a ataque químico, como Titanio (Ti), en contacto con la solución de prueba.El circuito equivalente de un electrodo de referencia de Ag/AgCl con una unión líquida como se muestra en la figura 1.

FIG 1. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN ELECTRODO DE REFERENCIA CON UNA UNIÓN LÍQUIDA.

En la figura 1, Er es el potencial de electrodo de referencia de Ag/AgCl, Rr la resistencia interna del electrodo de referencia de Ag/AgCl, y Rj la resistencia de la unión líquida. Otras resistencias como la resistencia de solución llena existen, pero ellas son muy pequeñas y son ignoradas.

El circuito equivalente de un electrodo de cristal de pH se muestra en la figura 2.

FIG 2. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN ELECTRODO DE CRISTAL.

En la figura 2, Eg es el potencial desarrollado en el electrodo de cristal, Rg la resistencia del cristal sensible de pH, Cg la capacitancia a través del pH que siente el cristal. Otros componentes, como el potencial del electrodo de referencia interno y la resistencia de la solución interna son ignorados aquí porque ellos pueden ser combinados en Eg y Rg.El circuito equivalente de una solución aterrada puede ser expresado como se muestra en la figura 3.

FIG. 3. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA SOLUCIÓN ATERRADA.

En la figura 3, Esg es el potencial electroquímico desarrollado en la superficie metálica en la solución de prueba, Rsg la resistencia de transferencia de carga, y Csg la doble capacitancia de capa.Al poner todo los circuitos equivalentes juntos, un sensor de pH que tiene una solución externa aterrada tiene el circuito equivalente como se muestra en la figura 4.

FIG 4. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN SENSOR DE PH CON UNA DE SOLUCIÓN ATERRADA.

Durante la medida de pH, el instrumento de multiparámetro usa el terminal SG (la solución aterrada) como un común e inyecta una corriente constante a los terminales G (el electrodo de cristal) y R (el electrodo de referencia) en el modelo siguiente (1, 2). La secuencia de la inyección corriente es resumida en la tabla 1.

TABLA 1. SECUENCIA DE INYECCIÓN CORRIENTE USADA EN EL INSTRUMENTO DE MULTIPARÁMETRO PARA MEDIDA DE PH

El circuito entonces supervisa el voltaje Vg de los terminales G y el voltaje Vr del terminal R. Usando el circuito equivalente y la ley de Ohm, Vg y Vr durante la inyección corriente el positivo (Vg +, Vr +) y el negativo (Vg-, Vr-) puede ser expresada como:

(Nota: Rsg se ignora porque las medidas subsecuentes lo mostraron ser mucho más grandes que la impedancia de Csg)

(Nota: Rsg se ignora porque las medidas subsecuentes mostraron ser mucho más grandes que la impedancia de Csg)

donde t es el tiempo y t1/2 es la mitad de la duración de la inyección corriente, o 0.1 segundo para el analizador de multiparámetro. El valor de todos los componentes en el circuito equivalente puede ser medido. Tabla 2 lista el valor medido con un sensor de pH típico de bajo precio y un cable de platino 1.25 pulg. de longitud y 0.02 pulg. de diámetro como solución aterrada. Autolaboratorio PGSTAT12 (Eco Chemie B.V., el Netherland) fue usado para la medida.MESA 2. VALOR MEDIDO DE CADA COMPONENTE EN EL CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN SENSOR DE PH A BAJO PRECIO

Desde Rsg es considerablemente más grande que la impedancia de Csg, fue ignorado en todas las ecuaciones. Usando el valor en la tabla y las ecuaciones de (1) a ( 4), los cambios de voltaje en terminales la G y la R pueden ser simuladas con ir = 1 μA e ig = 1 nA. La figura 1 muestra los resultados de la simulación y la figura 2 muestra las verdaderas trazas de voltaje medidos con un analizador 1055 y el sensor de pH 399 usando un Osciloscopio Tektronix TDS3014.

LA FIG 5. LOS RESULTADOS DE SIMULACIÓN DE VOLTAJES EN LOS TERMINALES R Y G USANDO LAS ECUACIONES DE (1) - (4).

LA FIG 6. VOLTAJE A TRAVÉS DE LOS ELECTRODOS DE REFERENCIA Y DE CRISTAL MEDIDO CON UN ANALIZADOR Y SENSOR DE PH QUE TIENE PT DE SOLUCIÓN EXTERNA ATERRADA.

Comparando las figuras 5 y 6, está claro que las ecuaciones (1) y (2) reflejan lo que el analizador mide.Para medir la salida de sensor de pH (Eg-Er), el instrumento prueba Vg y Vr en el terminal de cada inyección de corriente, los cuales son Vr+, Vg-, Vr-, y Vg+ . El analizador luego calcula:

(Vr+ + Vr-)/2 and (Vg+ + Vg-)/2

Toda la corriente relacionada con los componentes en la ecuación (1) a través (4) se cancelan y por lo tanto:

(Vr+ + Vr-)/2 = Er + Esg and (Vg+ + Vg-)/2 = Eg + Esg

Restando los dos valores anteriores, Esg se cancela y conseguimos Eg - Er, que es la señal pura necesaria para la medida de pH. En el cálculo de Eg - Er descrito anteriormente, las condiciones siguientes fueron asumidas:

1. El instrumento prueba los voltajes Vr+ , Vg-, Vr-., y Vg+ en el mismo punto de cada inyección corriente.2. Los valores absolutos de la corriente positiva y negativa inyectada son los mismos.3. Todos los componentes de resistencia permanecen constantes tanto inyecciones de corrientes positivas como durante negativas.4. Todos los componentes capacitivos permanecen constantes tanto durante inyecciones de corrientes positivas como negativas.5. Todas las fuentes de voltaje permanecen constantes tanto durante inyecciones de corrientes positivas como negativas.

Las condiciones 1 y 2 puede ser alcanzado según el diseño de un circuito cuidadoso. Para encontrar las condiciones 3, 4, y 5, todos los componentes en el sensor de pH han de ser bien definidos. Esto es cierto para la mayoría de los componentes excepto la de solución aterrada relacionados a los componentes Esg y Csg. Esg y Csg son componentes muy indefinidos. Sus valores dependen de la dirección y la magnitud de la corriente inyectada, así como la solución de prueba. La variabilidad contribuye al error de medida de pH. Otro error causado por la de solución aterrada es la medida de impedancia del cristal de pH. El instrumento estima la impedancia de cristal por cálculo

(Vg+ - Vg-)/2ig. De las ecuaciones (2) (y 4), el cálculo da la medida de la resistencia del cristal Rm:

Ya que 1/Rg es considerablemente más grande que Cg/t y Csg/t, ir/ig = 1000, y t1/2 = 0.1 la ecuación (5) entonces puede ser simplificada como:

De la ecuación (6), está claro que la impedancia medida del cristal es siempre más pequeña que el verdadero valor, especialmente cuando Csg se hace más pequeño. Como Rg es sobre 100MΩ, Csg debería ser mayor o igual a 10μF.

COMO MEJORAR LA DE SOLUCIÓN ATERRADA.De la discusión anterior, está claro que la solución aterrada externa puede causar el error tanto en la medida de pH como en la medida de impedancia del cristal. La solución externa aterrada está en el contacto directo con la solución de prueba. Su potencial y la doble capacitancia de capa no están definidos y se cambiarán dependiendo la naturaleza de la solución de prueba.

LA FIG 7. VOLTAJE A TRAVÉS DE LA MEDIDA DE LOS ELECTRODOS DE REFERENCIA Y DE CRISTAL CON UN SENSOR DE PH CON DE SOLUCIÓN INTERNA ATERRADA Ag/AgCl. EL

VOLTAJE FUE MEDIDO USANDO UN OSCILOSCOPIO TEKTRONIX TDS3014.

Usando un electrodo de referencia de Ag/AgCl con una unión líquida en el lugar del electrodo metálico, el problema puede ser solucionado. El electrodo Ag/AgCl tiene un potencial bien definido Esg. La unión líquida impide al electrodo el contacto directo con la solución de prueba y asegura que el potencial permanece estable. También, durante la inyección corriente, esto se comporta justo como una pequeña resistencia como se muestra en el circuito equivalente del electrodo de referencia. Estos aspectos eliminan los errores en el pH y medidas de impedancia del cristal mencionadas anteriormente. Ya que el electrodo Ag/AgCl está detrás de la unión líquida dentro del cuerpo del sensor, el concepto se llama solución aterrada.La solución interna aterrada no sólo mejora la exactitud de medidas, sino también reduce el costo de la fabricación del sensor. Esto es porque es mucho más fácil añadir un cable de Ag/AgCl dentro del sensor que adjuntar y sellar una cinta metálica o cable a la superficie exterior del sensor.

La figura 7 muestra los resultados de misma prueba mostrada en la Figura 6. En la figura 6, la solución aterrada fue un pedazo de cable platino en contacto con la solución de prueba. En la figura 3, la solución aterrada es un cable de Ag/AgCl dentro del sensor y está en contacto con la solución de prueba por la unión de líquido de referencia. Comparando las figuras 6 y 7, es claro que con la solución interna aterrada Ag/AgCl, no tiene ninguna rampa como la mostrada con solución externa aterrada de platino. Los resultados son un pH más exacto con la medida de la impedancia del cristal como se discutió anteriormente.

COMO HACER PARA QUE UN SENSOR DE pH TRABAJE DE CON UN INSTRUMENTO DE MULTIPARÁMETRO CON LA COMBINACIÓN DE CONDUCTIVIDAD Y pH.

La adición de una solución interna aterrada Ag/AgCl dentro de la cámara de referencia de sensor de pH es fácil y rentable. Sin embargo, modificaciones adicionales tienen que ser hechas si el sensor de pH debe ser usado con un sensor de conductividad en un instrumento de multiparámetro habiendo circuitos no aislado.Un sensor fue construido con la solución interna aterrada Ag/AgCl y probado con un instrumento de multiparámetro y un sensor de conductividad. Resultados de prueba mostraron que en cuanto el sensor de conductividad fue colocado en la misma solución de prueba, el pH leído cambiaba drásticamente. La causa del cambio es fácil para ver si presentamos el circuito equivalente como mostrado en la figura 8.En la figura 8, la subnota "c" soporta el electrodo conectado con tierra externo del sensor de conductividad. Es claro que cuando el sensor de conductividad está en la solución de prueba con el sensor de pH, un lazo a tierra se forma en el terminal C (el electrodo externo del sensor de conductividad) por la solución de prueba y la unión de referencia Rj a la solución interna aterrada SG. Una corriente i fluye por el lazo debido a la diferencia entre Esg y Ec. Una caída de potencial iRj ocurrirá en Rj. La lectura del potencial en los terminales G y R no son mayores a Eg - Er, esto es Eg-Er + iRj. La caída del potencial iRj cambia la lectura de pH cuando el sensor de conductividad es insertado en la solución de prueba.

LA FIGURA 8. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN SENSOR DE PH CON UNA SOLUCIÓN INTERNAATERRADA EN LA MISMA SOLUCIÓN CON UN SENSOR DE CONDUCTIVIDAD.

Es fácil encontrar la solución una vez que el problema es entendido. La solución directa es de limitar la corriente de lazo aterrada. Esto fácilmente puede ser hecho añadiendo un condensador Csg al terminal de la solución aterrada el como mostrado en la figura 9.

De la discusión de ecuación (6), sabemos que Csg tiene que estar en 10 μf o mayor. La solución interna aterrada Ag/AgCl entonces fue conectada al común del instrumento por un condensador de tántalo de 10 μf añadido para eliminar la corriente de lazo aterrada. Los resultados de la prueba no mostraron ningunos cambios del pH leído cuando el sensor de conductividad fue colocado en la solución de prueba.

Los resultados de la prueba no mostraron ningunos cambios del pH leído cuando el sensor de conductividad fue colocado en la solución de prueba.Sin embargo, modificaciones adicionales se necesitan hacer si el sensor de pH se usa con un sensor de conductividad en un instrumento multiparámetro teniendo los circuitos no aislados. La solución puede ser obtenida con un paso adicional. Si observamos el circuito equivalente anterior, podemos mover la unión de

LA FIG 9. MISMO CASO QUE EN LA FIG 8 PERO CON Csg AÑADIDO A LA SOLUCIÓN INTERNA ATERRADA PARA ELIMINAR LA CORRIENTE DE LAZO.

la solución aterrada del punto A al terminal R sin cambiar los resultados finales de ecuación (1) a (4). Así elimina la necesidad de la solución interna aterrada el cable de

Ag/AgCl (componentes Esg y Rsg). El electrodo de referencia se hace la solución interna aterrada y el condensador Csg elimina la corriente de lazo aterrada.La última solución al problema era simple y fácil. Todo lo qué se debe hacer es conectar el electrodo de referencia y el común instrumento a un condensador. No requieren ninguna modificación al sensor de pH. En la práctica, un puente paralelo RC se usa como se muestra en el circuito equivalente en la figura 10. Conectando el instrumento

común al electrodo de referencia a través de un capacitor. El capacitor C elimina el posible lazo DC a tierra.

Ya que ningún electrodo designado se usa como solución aterrada, este concepto se llama solución aterrada virtual.

http://www.sensorex.com/products/ph_electrodes/accessories/pH_amplifiers.html

http://www.datasheetcatalog.com/

Cálculo de la incertidumbre total

Rango: 0.0 – 14.0 pHIncertidumbre de la medida: 0.1 pHConfianza: 95%(k=2)

Desviación típica:

UpH = Incertidumbre/k = 0.1 pH/2 = 0.05 pH_Ud = Resolución/√3 =0.03 pH

Asumiendo Um = 0.02 pH_______________U = √UpH2 + Um2 + Ud2 = 0.06 pH

I = k.U = 0.12 pH

CONCLUSIÓN

Para medir el pH y la conductividad al mismo tiempo con un circuito no aislado, uno tiene que solucionar el problema causado por la corriente de lazo de tierra. El circuito equivalente proporciona el mejor análisis de la corriente de lazo de tierra. Conectando del instrumento común al electrodo de referencia de sensor de pH a través de un condensador, el problema puede ser solucionado sin la modificación al sensor. El condensador permite al instrumento usar el electrodo de referencia como la solución a tierra para que funcione como el sensor diagnóstico, así elimina cualquier posible corriente de lazo a tierra.

REFERENCIAS

1. Forsythe; Timothy J., Koluvek; Roland H., " Mí el sensor de pH diagnóstico ", EE.UU Patentan 5,268,852.2. Koluvek; Roland H., " el Circuito para medir la resistencia de la fuente de un sensor ", EE.UU Patentan 5,469,070.