1 pH值测量的基本原理

　　用于确定化学反应过程的zui熟悉zui古老的零电流测量方法恐怕就是pH测量。一般来讲，pH测 量就是用来确定某种溶液的酸碱度。即使化学纯水 也有微量被离解，其电离方程式为： H2O H2O=H3O一 OH一 （1） 由于水只有极少量被离解，离子的克分子浓度一般为负幂指数 为了免于用克分子浓度负幂指数 进行运算，生物学家泽伦森（Soernsen）在1 909年 建议将此不便使用的数值用对数代替，并定义为 “ pH值”。数学上定义pH值为氢离子浓度的常用 对数的负值。即： pH=一log[H ] （2） 由于离子积对温度的依赖性很强，对于过程控 制的pH值，必须同时知道溶液的温度特性，只有在被测介质处于相同温度的情况下才能对其pH值进行比较。为了得到和可重现的pH值，就要使用电位分析法来进行pH值测量。 电位分析法所用的电极被称为原电池。此电池 的电压被称为电动势（EMF）。此电动势（EMF） 由2个半电池构成。其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关；另一个半电 池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是与 测量溶液相通，并且与测量仪表相连。标准氢电极是所有电位测量的参比点。标准氢电极是一根铂 丝，用电解的方法镀（涂覆）上氯化铂，并且在四周充人氢气构成的。 zui熟悉也是zui常用的pH指示电极是玻璃电极。它是一支端部吹制上对于pH敏感的玻璃膜的 玻璃管。管内充填有含饱和AgCI的KCI缓冲溶液， 其pH值为7。存在于玻璃膜二面的反映pH值的 电位差，此电位差遵循能斯特公式： E=Eo 。1n [H3oq （3） n。」 式中：E一电位；E 电极的标准电压；R — 气体常数；T一开氏温度；F一法拉第常 数；N 一被测离子的化合价； [H O ]一H O 离子的活度。 由上式可见，电位E与H O 离子活度、温度 存在一定的关系，在一定温度下，测量电位E即可算 出ln [H O ]（转换为一log[H O ]即得pH），这 就是pH检测的基本原理。 在能斯特公式中，温度“ ’作为变量起很大 作用。随着温度的上升，电位值将随之增大。对于每1℃的温度变大，将引起电位0。2 mV／pH变化。 用pH值来表示，则每I~C每lpH变化0。0033pH 值。这也就是说：对于20～30~C和7pH左右的测量 来讲，不需要对温度变化进行补偿；而对于温度大 于30~C或小于20℃和pH值大于8或小于6的应用 场合则必须对温度变化进行补偿。

　　2 pH计的原理结构

　　pH值zui早是采用电位计测量电极电位的方法来测量，它是一种用准确已知的标准电位来平衡 未知电位的零指示仪器。受电位计灵敏度的限制， 普通电位计*不适用于带有薄膜体系的电位测量，这种pH值测量使用很不方便。20世纪六七十 年代，随着半导体技术的发展，在很多电子技术 应用领域里晶体管逐步代替电子管，大大减小了电子仪器的体积和功耗。但由于晶体管是电流控 制器件，其输入阻抗远比电子管的输入阻抗低， 因此只有在变容二级管出现后才有了全晶体管的 pH电位仪。20世纪70年代中后期，出现了以微处理器为核心的智能pH检测仪。用软件实现电极 信号的计算处理和pH值的温度补偿，对pH值进行特征化处理以克服pH值测量*的非线性。仪 表检测精度大大提高，功能更为丰富，可以适应较 宽的温度范围。 目前几乎所有的工业pH值仪表都是智能型的。智能型pH值检测仪表是以单片机为核心，采 用大规模集成电路芯片对电极信号和温度信号进行 处理，处理后的信号送入单片机进行计算处理。 pH值检测仪表是以（式3）的公式为理论依据进 行开发的，其原理结构图如图1所示。由于以单片 机为核心，可以进行复杂的计算，数据处理非常方便，检测精度大为提高，仪表的体积更小，性能更 为可靠。