Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome. ph-messung. - Grundlagen - Inbetriebnahme einer ph-messkette. Manfred Schleicher

Transkript

1 Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome ph-messung - Grundlagen - Inbetriebnahme einer ph-messkette Manfred Schleicher

2 Hinweis zur Präsentation Diese Präsentation soll bei einem Einstieg in die ph- Messung behilflich sein 2

3 Was ist ph-wert?

4 Was ist ph-wert? Vereinfacht gesagt beschreibt der ph-wert, ob ein Medium sauer, neutral oder basisch reagiert Der ph-wert ist ein Maß für die Wasserstoffionenkonzentration Prinzipiell ist der ph-wert um so geringer, je mehr Wasserstoffionen (H+) in einer Flüssigkeit vorhanden sind 4

5 Aufbau von Elektroden - ph- und Referenzelektrode

6 Die ph-elektrode Inneres Ableitsystem H + H + H + H + Innenelektrolyt Glasmembran Die Membran der ph-elektrode ist negativ geladen Die Wasserstoffionen tragen eine positive Ladung Je mehr Wasserstoffionen von der Membran aufgesammelt werden, um so positver wird das Potenzial an der Membran 6

7 Kennlinie einer ph-elektrode ph-wert Spannung 7

8 Temperaturabhängigkeit Steigung der Kennlinie (Nernst-Spannung) Die Kennliniensteilheit ist temperaturabhängig Zur Kompensation stehen zwei Alternativen zur Verfügung: Einsatz eines Widerstandsthermometers, Abweichung wird kompensiert*: Unterliegt die Messlösung keinen Temperaturschwankungen, kann die vorliegende Temperatur fest am Messumformer eingestellt werden: * Eine evtl. temperaturabhängige Verschiebung des chemischen Gleichgewichtes kann die Temperaturkompensation nicht ausgleichen 8

9 Die ph-elektrode Messung ohne Temperatursensor Bei manueller Temperaturvorgabe: Liegt an der ph-elektrode nicht die am Messumformer eingestellte Temperatur vor, ergeben sich folgende Abweichungen 9

10 Die ph-elektrode Messung ohne Temperatursensor ph-wert-abweichung in Abhängigkeit vom Temperaturunterschied zwischen eingestelltem und tatsächlichem Wert der Messlösung 10

11 Bauform ph-elektroden JUMO bewegt sich im Bereich der Wasser- und Abwasseranalyse In diesen Bereichen kommt überwiegend die Kugelform zum Einsatz: 11

12 Die Referenzelektrode Das Potenzial an der ph-elektrode ist ein Maß für den ph Wert, der Stromkeis muss jedoch geschlossen werden Die Verbindung schafft die Referenzelektrode Die Elektrode bringt im Normalfall kein zusätzliches Potenzial in den Messkreis 12

13 Die Referenzelektrode Einfüllöffnung für Elektrolyt Ableitsystem Diaphragma Die Referenzelektrode schafft über Ableitsystem, Elektrolyt und Diaphragma die Verbindung zur Messlösung 13

14 Diaphragma Das Diaphragma schafft die Verbindung zwischen Elektrolyt und Messlösung Je durchlässiger das Diaphragma, umso zuverlässiger funktioniert die Messung Elektrolytverbrauch steigt Standzeit für Referenzelektrode sinkt 14

15 Diaphragma Keramik-Diaphragma Das dargestellte Keramik-Diaphragma ist geeignet für Messungen in unverschmutzten Messlösungen (Trinkwasser, Schwimmbädern etc. In verschmutzen Messlösungen werden großflächigere Diaphragmen eingesetzt (weitere sind lieferbar): 15

16 Der Messkreis ph- und Referenzelektrode 16

17 ph-einstabmesskette Konstruktiv wird eine Referenzelektrode um die ph-elektrode gebaut, man erhält eine ph-einstabmesskette 17

18 ph-einstabmesskette ph-elektrode Referenz-Ableitsystem Einfüllöffnung Referenzelektrolyt Referenzelektrode Referenzelektrolyt Glasmembran Diaphragma Inneres Ableitsystem ph-elektrode Innenelektrolyt 18

19 Messkabel Spezielles Koaxialkabel Aufgrund der Hochohmigkeit der ph-messkette werden spezielle Koaxialkabel verwendet Innenseele Innere Isolierung Zusätzliche Isolation Kupfergeflecht Äußere Isolierung Die Innenseele führt das Signal der ph-elektrode Das Kupfergeflecht liefert das Potenzial der Referenzelekrode 19

20 Verdrahtung Temperaturfühler Separater Fühler Bei regelmäßig auszutauschenden Einstabmessketten ist die Verwendung eines separaten Temperaturfühlers zu empfehlen Der Anschluss der ph-einstabmesskette erfolgt in diesem Fall über das 2-polige N-Steckkopfsystem 2-poliges N-Steckkopfsystem ohne und mit PG-13,5 Aussengewinde 20

21 Verdrahtung Temperaturfühler in Elektrode ph-einstabmessketten sind weiterhin mit kombiniertem Temperaturfühler lieferbar Die Elektroden sind in diesem Fall mit einem SMEK-Kopf ausgestattet 21

22 Kriterien zur Auswahl von Elektroden 1. Glasart - U-Glas, universell einsetzbar ph (kurzzeitig ph 14), Temperaturbereich C (findet meist Verwendung) - HT-Glas: Hochtemperaturglas, C / ph ( S.11) - HA-Glas: Hochalkaliglas, ph / C ( S.11) Weiterhin: - UW-Glas: Besonders niederohmiges Membranglas für Handmessgeräte,Schwimmbadanwendungen und Flachmembranen - C-Glas: besonders Fluoridbeständigeres Glas (Medien mit Flusssäureanteilen bis 1000mg/l) - TT-Glas: Tieftemperatur-Glas für spezielle Messungen bei C - CM-Glas: Membranglasmischung besonders geeignet für Einstichelektroden - DS-Glas: Glassorte für Elektroden, die (dampf-) sterilisiert werden müssen 22

23 Kriterien zur Auswahl von Elektroden 2. Diaphragma Keramik-/ Glasfaserdiaphragma keine/ leichte Verschmutzung (bspw S.3 ff) PTFE-Ring Diaphragma starke Verschmutzung (bspw S.7 ff) Ringspalt-/ Loch- Diaphragma starke Verschmutzung mit Anhaftung (Lacke, Pasten usw.) (bspw S.7 ff) 23

24 Kriterien zur Auswahl von Elektroden 3. Montage, Elektrischer Anschluss, Temperatursensor Steck ( ) - oder Schraubkopf ( ) N-Stecksystem ( ) oder Festkabel ( ) Integrierter Temperatursensor mit SMEK ( ) 24

25 Kriterien zur Auswahl von Elektroden 4. Salzvorlage Elektrolyt für Referenzelektrode ist eine gesättigte Kaliumchloridlösung Konzentration nimmt in verschiedenen Anwendung (verschmutze Medien, Reinstwasser etc.) schnell ab (geringe Standzeit) Eine Salzvorlage (Salzringe) ermöglicht eine bedeutend längere Zeit der Sättigung (Erhöhung der Standzeit) 25

26 Kriterien zur Auswahl von Elektroden 5. Elektrolyt nachfüllbar ( Seite 14) Störung des Diaphragmas durch Verölen, Verblocken Kleine Leitfähigkeiten < 100 µs (Osmose) Eindringen des Messstoffes über Diaphragma in die Elektrode (durch Überdruck) und ggf. Vergiftung nachfüllbare Elektroden: ggf. Beaufschlagung mit Vordruck (Prozessdruck + ) Nachfüllung über Vorratsgefäß: - Nutzung statischer Druck (bei drucklosem System) 26

27 Inbetriebnahme einer ph-messkette am Beispiel eines JUMO AQUIS 500

28 Montage Armaturen Zur Montage stehen eine Vielzahl von Armaturen zur Verfügung wie bspw.: Durchflussarmaturen Eintaucharmaturen 28

29 Montage Ausrichtung der Einstabmesskette Membran und Diaphragma müssen sich vollständig in der Messlösung befinden Die Einbaulage ist so zu wählen, dass der elektrische Anschluss über der Glasmembran liegt (mindestens ca. 10 aus der Waagerechten) 29

30 Verdrahtung Einstabmesskette (ohne Temperatursensor) Freiliegende Abschirmung mit Schrumpfschlauch isolieren (Vermeidung von Kurzschlüssen) Leitung abisolieren 30

31 Verdrahtung Einstabmesskette (ohne Temperatursensor) Signal ph-elektrode Signal Referenzelektrode (über Abschirmung) Messleitung an der Abschirmung mit Schelle befestigen 31

32 Verdrahtung Externer Temperaturfühler Der Einsatz eines Temperaturfühlers ist im Fall von schwankenden Temperaturen empfehlenswert 32

33 Verdrahtung Einstabmesskette mit integriertem Temperatursensor (SMEK) Schirm 33

34 Konfiguration Temperaturfühler vorhanden oder Einstellung Festwert Temperaturfühler vorhanden Kein Temperaturfühler vorhanden 34

35 Kalibrierung Allgemeines In einem ph-messkreis kann ein Offset vorliegen, dieser entsteht meist durch die Referenzelektrode Auch die Empfindlichkeit der ph-elektrode ändert sich über die Zeit Kalibrierungen kompensieren Offset und Änderungen in der Empfindlichkeit Als Hilfsmittel stehen Pufferlösungen oder Handmessgeräte zur Verfügung 35

36 Kalibrierung Allgemeines Eine Kalibrierung erfolgt üblicherweise in der Kalibrierebene In diesem Fall muss zuvor die jeweilige Kalibrierprozedur frei geschaltet werden (bspw. über das Konfigurationsprogramm) 36

37 Kalibrierung Zweipunktkalibrierung Die Zweipunktkalibrierung kompensiert Offset und Steilheit der Messkette, benötigt werden zwei Pufferlösungen: Die Zweipunktkalibrierung ist das Standardverfahren 37

38 Kalibrierung Zweipunktkalibrierung Spülen der Elektrode mit destilliertem Wasser Platzieren der Einstabmesskette in Pufferlösung 1 (bspw. ph 7) Kalibrierverfahren wählen (1) Bei manueller Temperaturvorgabe diese definieren (2) ph-wert messen und vorliegenden Messwert definieren* (3+4) (Temperaturabhängigkeit des ph-werts der Pufferlösung beachten) Sensor spülen 38

39 Kalibrierung Zweipunktkalibrierung Spülen der Elektrode mit destilliertem Wasser Platzieren der Einstabmesskette in Pufferlösung 2 (bspw. ph 4) ph-wert in Messumformer definieren 39

40 Kalibrierung Zweipunktkalibrierung Eine Einstabmesskette verfügt im Idealfall über einen Nullpunkt von ph7 (bei ph7 liegt Ausgangssignal von 0 mv vor) und eine Steilheit von 100% (Steigung -59mV/pH) Die Zweipunktkalibrierung schließt mit einer Information zum Zustand der Elektrode ab: Ordnungsgemäß arbeitende ph-elektroden weisen üblicher weise einen Nullpunkt im Bereich ph6...8 auf, die Steilheit liegt üblicherweise in einem Bereich von % 40

41 Kalibrierung Ein und Dreipunktkalibrierung Weiterhin bieten die Messumformer zwei weitere Kalibrierungen an: Einpunktkalibrierung für Anwendungen in welchen die Einstabmesskette nicht mit Pufferlösungen in Kontakt kommen darf (Reinstwasser). Kalibriert wird mit der Messlösung und einem Handmessgerät Dreipunktkalibrierung, für Anwendungen im sauren und alkalischen Bereich oder bei höheren Genauigkeitsanforderungen 41

42 Lagerung von Einstabmessketten KCL-Lösung Lagerzeit von Einstabmessketten ist zeitlich begrenzt Elektrolyt des Referenzsystems tritt aus (Austrocknung), weiterhin können Risse auf der Membran entstehen Lagerung erfolgt in einer mit KCL gefüllten Nasshaltekappe 42

43 Wartung Reinigung von ph-einstabmessketten Zeigt die Messeinrichtung gestörtes Verhalten (nicht nachvollziehbare Messwerte) ist eine Reinigung meist eine wirkungsvolle Maßnahme: Belege idealer weise nur durch Spülen beseitigen mechanische Reinigung nach Möglichkeit nur durch vorsichtiges Abtupfen mit einem feuchten, weichen Stofftuch Als Hilfsmittel können Glasreinigungsmittel, Labordetergentien (z.b. Aceton, Alkohol) oder schwache saure Lösungen (z.b. 10%ige Salzsäure) verwendet werden Eiweißhaltige Beläge können mit Unterstützung von Pepsin beseitigt werden Bei starken Belägen auf dem Diaphragma kann dessen Oberfläche abgeschmirgelt bzw. überschliffen werden (Auf keinen Fall das ph-glas verkratzen) abrasive Reinigungsmitteln (z.b. Ajax oder Vim) sind auf keinen Fall zu verwenden Nach der Reinigung mit destilliertem Wasser spülen und Kalibrierung durchführen! 43

44 Übersicht Messumformer für ph-wert JUMO dtrans ph 01 (Messumformer/ Schaltgerät) JUMO ecotrans ph 03 (Messumformer/ Schaltgerät) JUMO AQUIS 500 ph (Messumformer/ Schaltgerät) 44

45 Anschluss ph-einstabelektrode ecotrans ph 03 Signal Referenzelektrode (Abschirmung) Signal ph-eletrode Abschirmung ph-eletrode 45

46 Auf Wiedersehen Au revoir Good Bye JUMO GmbH & Co. KG MANFRED SCHLEICHER Dipl. Ing. (FH) Schulungsleiter und Referent Weiterbildung Tel.: 0661/ Das aktuelle Seminarprogramm im Internet unter: