pH傳感器的長壽命設計原理

pH傳感器采用特殊成分的、對pH值具有敏感特性的玻璃材料，當其與被測溶液接觸時，玻璃電極產(chǎn)生與被測溶液pH值成比例的電極電位（毫伏電壓信號）。市場上也有非玻璃材質(zhì)的pH傳感器，但是，在溫度，這種傳感器通常測量不準確，而且，如果用于酸堿液在線清洗工藝過程，其壽命縮短。與有些食品飲料行業(yè)不同，由于在整個啤酒釀造工藝中，有多個過濾步驟，所以，啤酒釀造要使用玻璃傳感器。

pH值測量還取決于參比電極，參比電極的作用是在某一給定溫度下，維持恒定的參比電位。玻璃電極和參比電極共同構成pH測量電路，玻璃電極和參比電極的電位差（毫伏電壓信號）與被測溶液的pH值成比例。

此外，pH值隨被測溶液的溫度不同而變化，溫度會加速電極的老化，導致電極頂部的填充液凍結(jié)或沸騰，從而使玻璃破裂。玻璃老化進而使傳感器響應遲緩。

通常，參比電極是銀-氯化銀電極，即在銀絲上鍍上一層氯化銀，然后懸吊在氯化鉀溶液中。要得到的pH值測量，氯化鉀填充液就必須不能被污染，同時，參比電極要通過被測溶液，與玻璃電極連接，形成測量電路。如果被測溶液粘稠或者含有一定濃度的離子，則上述兩個條件就很容易得不到滿足，從而在參比電極液體接界（電解液滲透膜）形成沉淀的覆著物，毒化填充的電解液。

長壽命設計

新的長壽命傳感器設計沒有改變pH傳感器的基本測量原理，而是對每個易損壞的部件進行了改進。科研人員首先在高溫工況下，研究pH敏感玻璃材料的老化機理。有趣的是他們發(fā)現(xiàn)：絕大多數(shù)老化出現(xiàn)在pH敏感玻璃的凝膠層，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，科研人員離析、研制出耐高溫的凝膠層。這一研究成果使他們開發(fā)出超常耐高溫（高達155?C）的pH玻璃電極，將由于熱應力或撞擊產(chǎn)生的玻璃破損因素降到zui低，并且，改善傳感器的響應速度。通常，這種長壽命的傳感器在溫度工況下使用數(shù)個月后，還能保持地測量。此外，艾默生還增加了一些保護設計，如在玻璃電極下端球膜處，設計了一個帶槽的卡環(huán)，其作用是保護玻璃球膜免受過程流體（含顆粒物）的直接沖擊。以上對玻璃電極的設計改進，使督威啤酒廠深刻感受到pH傳感器性能的變化。

pH傳感器的絕大多數(shù)故障都是前面提到的、由于參比電極的電解液被污染、或參比電極的液體接界（電解液滲透膜）被堵塞所造成的。長壽命傳感器的設計解決了這個問題，該傳感器使用特殊設計的多孔Teflon液體接界，液體接界的表面積較大，孔隙率較高，從而保證參比電極與被測溶液具有良好的接觸，且抗堵塞能力強，即使傳感器用在比較污濁的液體，其也能保持穩(wěn)定的參比信號。其次，參比電極的電解液是氯化鉀凝膠液，具有一定的化學粘滯阻力，可以抵抗由于溫度、壓力變化造成的參比路徑堵塞現(xiàn)象。此外，內(nèi)參比電極的液體接界（電解液滲透膜）是陶瓷材質(zhì)，孔徑小，孔隙率低，所以抗中毒能力強，從而降低對主參比電極液體接界（電解液滲透膜）的損耗，延長傳感器的整體壽命。總之，長壽命pH傳感器設計綜合了參比電極液體接界的兩個特性，即高孔隙率液體接界的測量精度（高）和低孔隙率的液體接界的使用壽命（長）。

為了進一步延長傳感器的使用壽命，在設計上還考慮了可以更換被堵塞的參比電極液體接界（電解液滲透膜），重新填充電解液，這樣能夠使絕大多數(shù)失效的傳感器得以再生。重要的是傳感器還配制了多種特殊的電解液，以便在一些特定應用中，能夠優(yōu)化傳感器的性能，如：抗生物膜電解液；抗油脂電解液；抗結(jié)垢電解液等。此外，傳感器的護套是抗化學腐蝕的、耐熱的Ryton和鈦材。

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