DIN 19261:2016
Измерение pH. Методы измерения с помощью потенциометрических ячеек. Термины и определения.
- Стандартный №
- DIN 19261:2016
- Дата публикации
- 2016
- Разместил
- German Institute for Standardization
- состояние
- быть заменен
- DIN 19261:2016-03
- Последняя версия
- DIN 19261:2016-03
- заменять
- DIN 19261:2005 DIN 19261:2015
- сфера применения
-
Углубленный анализ DIN 19261:2016-03
DIN 19261:2016-03, «Технология измерения pH. Термины и определения», является ключевым техническим стандартом для измерения pH, опубликованным Немецким институтом стандартизации. Опубликованный в марте 2016 года, он заменяет издание 2005 года и включает в себя комплексные пересмотры и обновления с точки зрения содержания и технических требований.
Область применения и исключения
Настоящий стандарт определяет терминологию и характеристики компонентов, используемых в измерительной цепи на основе стеклянного электрода для измерения pH в водных растворах. Особого внимания заслуживает явное исключение терминологии, связанной с измерениями pH с использованием датчиков ISFET (ионселективных полевых транзисторов), что указывает на то, что стандарт в первую очередь касается традиционных электрохимических методов измерения pH.
Стандарт ссылается на другие стандарты, такие как DIN 19260 (измерение pH - общие положения), DIN 19263 (измерение pH - цепь измерения pH) и DIN 19266 (измерение pH - эталонные буферные растворы для калибровки приборов для измерения pH), образуя полную стандартную систему измерения pH.
Основные понятия электрохимии
Электрохимическая полуячейка и цепь измерения
Стандарт подробно определяет электрохимическую полуячейку (elektrochemische Halbzelle) как электрохимическую систему, состоящую из двух или более фаз, в которой ионы или электроны могут мигрировать между фазами. Особое внимание уделяется стандартному водородному электроду как типичному примеру электрохимической полуячейки, гальванический потенциал которой определяется как ноль при всех температурах.
Тип концепции Определяющие признаки Характеристики измерений Сценарии применения Потенциометрическая измерительная цепь Состоит из двух полуэлементов, погруженных в испытательную среду Используется для определения равновесного состояния, как можно более бестокового Точное измерение в лаборатории Одностержневая измерительная цепь pH Измерительный электрод и электрод сравнения, объединенные в один Структурные блоки: Обеспечение сигнала напряжения, связанного со значением pH раствора; Мониторинг промышленного процесса; Комбинированные электроды; Измерительные цепи со встроенными датчиками температуры; Обеспечение одновременных сигналов pH и температуры; Приложения, требующие температурной компенсации; Классификация электродной системы; Характеристики электрода сравнения; Электрод сравнения (referenzelektrode) обеспечивает постоянный потенциал, не зависящий от значения pH измеряемого раствора. Наиболее распространенным современным электродом сравнения является хлоридсеребряный электрод сравнения, потенциал которого стабилизируется постоянной концентрацией хлорида калия в электролите сравнения. Ключевыми компонентами электрода сравнения являются анодный элемент, электролит, корпус с диафрагмой и соединительный элемент. Диафрагма служит электролитическим соединением между электролитом сравнения и измеряемым раствором, ограничивая электролитный обмен. Структура и принцип действия стеклянного электрода
pH-стеклянный электрод состоит из внутреннего выводного элемента, внутреннего буфера, стеклянной pH-мембраны, корпуса и соединительных элементов. Значение pH рассчитывается по разности потенциалов между стеклянным pH-электродом и электродом сравнения с учётом температуры.
Стеклянная мембрана изготовлена из специального стекла, и на её границе с раствором (внутренним буферным раствором и измерительным раствором) создаётся электрический потенциал (электродная функция), пропорциональный значению pH раствора. Внутренний буферный раствор обычно имеет pH 7, но в особых случаях может быть 4 или 6.
Теория потенциала и принцип измерения
Уравнение Нернста и его применение
В стандарте подробно описаны такие фундаментальные понятия, как электрохимический потенциал, потенциал Гальвани и гальваническое разделение. Особое значение имеет определение равновесного напряжения полуэлемента (уравнение Нернста):
Eeq = E0 + (RT/ziF) × ln(Πai,Oxvi/Πai,Redvi)
где E0 — стандартное напряжение элемента, zi — заряд компонента i, F — постоянная Фарадея, R — универсальная газовая постоянная, T — температура (в градусах Кельвина), ai — активность компонента i.
Напряжение цепи измерения pH
Напряжение цепи измерения стеклянного pH-электрода — это равновесное напряжение ячейки pH-электрода в состоянии отсутствия тока. Благодаря своей конструкции он зависит исключительно от разности потенциалов между внутренним раствором и измеряемым раствором на стеклянной мембране: ΔEeq = (RT/F) × ln(aH+, измеряющий раствор / aH+, внутренний раствор) Теоретический наклон (theoretische Steilheit) определяется как изменение напряжения электрода в зависимости от pH: k = -2,303 × (RT/F). При 25 °C теоретический наклон составляет -59,16 мВ/pH, ключевой параметр, выведенный из уравнения Нернста. Фактический наклон (praktische Steilheit) определяется путем измерения напряжения электрода по меньшей мере в двух эталонных буферных растворах: k' = ΔE/ΔpH. Процентная разница между фактическим наклоном и теоретическим наклоном является характеристикой качества цепи измерения pH. class='comparison-table'>
Температура (°C) Напряжение Нернста (мВ) Температура (°C) Напряжение Нернста (мВ) Температура (°C) Напряжение Нернста (мВ) 0 54,20 25 59,16 50 64,12 5 55,19 30 60,15 55 65,11 10 56,18 35 61,14 60 66,1 0 15 57,18 40 62,14 70 6 8,09 20 58,17 45 63,13 80 70,07 Нулевая точка и точка пересечения изотерм
Нулевая точка (Nullpunkt) — это значение pH, при котором напряжение электрода E = 0 мВ для pH-электрода при данной температуре, обычно 25 °C. Номинальная нулевая точка — это нулевая точка, указанная производителем.
Точка изотермического пересечения (Isothermenschnittpunkt) — это общая или приближенная точка пересечения функции pH-электрода при всех различных температурах. Хотя точка изотермического пересечения обычно не учитывается в реальных измерениях pH, она должна быть близка к нулевой точке, чтобы минимизировать неопределенность измерения, когда температуры калибровки и измерения различаются.
Погрешности электрода и ограничения производительности
В практическом применении pH-электроды демонстрируют отклонения (погрешности) от теоретической функции. Эти погрешности зависят от отдельных компонентов электрода и условий измерения и могут существенно влиять на неопределенность измерения.
Основные типы погрешностей включают в себя: щелочную погрешность (Alkalifehler) — перекрестную чувствительность стеклянных электродов к ионам щелочных металлов (в первую очередь натрия) при высоких значениях pH; Эффект потока (Anströmeffekt) — зависимость напряжения измерительной цепи от потока измеряемой среды; и нестабильные измеренные значения — часто вызванные расходом материала или материалами или методами измерения, которые не подходят для задачи измерения.
Характеристики конструкции и дизайна электрода
Формы мембран и типы диафрагм
Стандарты определяют различные формы мембран для стеклянных мембран pH, включая колпачковые, конические, сферические, цилиндрические и плоские мембраны. Типы диафрагм различаются по материалу и микроскопическим свойствам, например, керамические, платиновые и с заземлением.
Размеры электрода и параметры установки
Длина электрода (длина электрода) относится к длине всего электрода (стеклянного электрода или электрода сравнения), включая кончик. Длина установки (Einbaulänge) — это расстояние от нижнего конца электрода до начала наконечника или до первого изменения диаметра стержня.
Минимальная глубина погружения (Mindesteintauchtiefe) — это минимальная длина, на которую компонент электрода (включая диафрагму и мембрану) должен быть погружен в измеряемый раствор. Максимальная глубина погружения (Maximaleintauchtiefe) — это глубина погружения, которая не влияет на функцию электрода и не приводит к необратимому повреждению измерительного прибора.
Измерительные приборы и буферные растворы
pH-метры и преобразователи
pH-метр (pH-метр) — это электронное устройство, используемое в лабораторных и полевых условиях для измерения pH. pH-трансмиттер (pH-трансмиттер) — это стационарное устройство, используемое для стационарного измерения pH. Эти устройства преобразуют электрический сигнал цепи измерения pH в значение pH, выполняют ручную или автоматическую температурную компенсацию и отображают или выводят значение pH.
Классификация эталонных буферных растворов
Стандарт классифицирует эталонные буферные растворы на: эталонные буферные растворы, полученные из первичных эталонных материалов, эталонные буферные растворы, полученные из вторичных эталонных материалов, рабочие эталонные буферные растворы и технические буферные растворы. Каждый тип буферного раствора имеет определенные требования к неопределенности и сценарии применения.
Буферная емкость (Pufferkapazität) β является мерой поведения pH буферного раствора при реакции с кислотой или основанием: β = (1/V0) × (dn/dpH). Эффект разбавления представляет собой изменение pH при разбавлении 1:1 чистой водой.
Рекомендации по внедрению стандарта и технический обзор
Рекомендации по практике применения
При реальных измерениях pH пользователям рекомендуется: регулярно калибровать измерительный прибор с использованием соответствующих эталонных буферных растворов; обеспечивать надлежащую температурную компенсацию, особенно если температуры калибровки и измерения различаются; Выберите подходящий тип электрода и диафрагмы в зависимости от области применения; регулярно проверяйте уровень и качество эталонного электролита.
Тенденции развития технологий
Хотя настоящий стандарт не распространяется на датчики ISFET, эти полупроводниковые датчики pH разрабатываются для конкретных областей применения. В будущих редакциях может быть рассмотрено включение этих новых технологий. В то же время стоит отметить разработку цифровых и интеллектуальных устройств для измерения pH, которые могут включать в себя более совершенные функции температурной компенсации и автоматической калибровки.
Издание стандарта 2016 года было полностью переработано по сравнению с изданием 2005 года, в частности, благодаря более подробному объяснению основных теоретических положений (раздел 3.2) и пересмотру формулы электродной функции (3.3.6). Это свидетельствует о постоянной адаптации стандарта к технологическому развитию и потребностям пользователей.
DIN 19261:2016 Ссылочный документ
- DIN 19260:2012 Измерение pH – Общие термины и определения
- DIN 19263:2007 Измерение pH - цепи для измерения pH
- DIN 19266:2015 Измерение pH. Эталонные буферные растворы для калибровки оборудования для измерения pH.
- DIN 19267:2012 Измерение pH. Технические буферные растворы, предпочтительно для калибровки технических измерительных установок.
- DIN EN 60746-2:2003 Выражение характеристик электрохимических анализаторов. Часть 2: Значение pH (IEC 60746-2:2003 + Исправление 2003); Немецкая версия EN 60746-2:2003
DIN 19261:2016 История
- 2016 DIN 19261:2016-03 Измерение pH. Методы измерения с помощью потенциометрических ячеек. Термины и определения.
- 2016 DIN 19261:2016 Измерение pH. Методы измерения с помощью потенциометрических ячеек. Термины и определения.
- 2005 DIN 19261:2005 Измерение pH. Методы измерения с помощью потенциометрических ячеек. Термины и определения.
- 1971 DIN 19261:1971 Измерение pH. Методы измерения с помощью потенциометрических ячеек. Термины и определения.
