CN103018295A

CN103018295A - 一种恒电位固体pH检测仪

Info

Publication number: CN103018295A
Application number: CN2012104808812A
Authority: CN
Inventors: 杨海朋; 邢岩; 戈早川
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明涉及溶液pH值测量领域，具体地来说为一种采用恒电位进行检测的固体pH测量仪，包括电流值-pH值转换仪表、恒电位源以及探头，探头包括工作电极和对电极，恒电位源在工作电极和对电极之间提供恒定的电压，电流值-pH值转换仪表测量恒定的电压下流经回路的电流值，电流值的大小与氢离子活度成正比，根据所测电流的大小，即可以测定出溶液的pH值。本发明具有较高的灵敏度，设备简单，寿命长，适宜微型化，所测的pH值精度高，不易出现波动。

Description

一种恒电位固体pH检测仪

技术领域

本发明涉及溶液pH值测量领域，具体地来说为一种采用恒电位进行检测的固体pH测量仪。

背景技术

pH值是水中氢离子活度的负对数值，是水溶液中不可缺少的重要参数。pH值测量与现代工业、农业、医学、生物工程、环境及科学研究等领域息息相关。目前已经有多种pH计用于pH测量，包括玻璃电极、金属-金属氧化物固体电极、离子选择性电极、光导纤维pH传感器、化学修饰pH传感器、离子敏感场效应管pH计、pH酶传感器等。其中玻璃电极最为常用，但是这种电极极易破碎，并且还具有体积大、成本高、膜阻抗高而难以微型化的缺点。目前开发的金属或金属氧化物型的固体电极，响应速度快，耐用性强，可适用于恶劣环境中，因而受到较多的关注。但是已报导的此类电极，都是基于电极电位与溶液pH值之间的线性关系(专利ZL 200510048911.2，ZL 99105703.1)，或者是循环伏安峰电流与pH值成正比。电位型pH传感器的信噪比不高，线性范围窄，也容易受到其他离子的干扰。采用循环伏安法的pH传感器，需采用电化学工作站一类的复杂电化学设备，成本高，且难以小型化。

申请号为200910018955的中国专利公开了一种液体pH值检测装置，在两个不同的金属电极之间连接电流值-pH值转换仪表，以金属电极在不同pH值的酸性溶液中的电位差为驱动电压，产生电流，电流大小对应一定的pH值。依据上述原理，这类传感器中的金属电极在测量过程中会不断消耗，引起电极表面状态不断变化，导致测量误差大，且电极寿命有限。根据上述原理制造的pH传感器仅适用于非常粗略的pH值测量。而粗略测量pH值采用pH试纸更为简便快捷，费用低。所以基于上述原理的同类pH检测装置难以实用化、商品化。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的问题在于提供一种测量误差小，精度高，寿命长的恒电位固体pH检测仪。

本发明采用如下的技术方案：

一种恒电位固体pH检测仪，其特征在于，该检测仪包括依次串联连接的电流值-pH值转换仪表、恒电位源以及探头，其中探头由工作电极和对电极组成，探头与被测溶液接触，使电流值-pH值转换仪表、恒电位源、工作电极和对电极之间形成串联闭合回路，所述电流值-pH值转换仪表用于检测所述串联闭合回路的电流值，然后将检测到的电流值转换为相应的pH值并显示。

所述恒电位源的电压为-3~3伏之间可调。进一步地，

进一步地，所述工作电极材料选自金属、金属氧化物、金属氢氧化物或上述材料的复合物，或金属、金属氧化物、金属氢氧化物与一种或多种聚合物材料的复合物，所述聚合物材料选自聚偏二氟乙烯、磺化聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、或全氟磺酸树脂；所述金属优选自镍、铜、铝、钯、钨、铂、铱、铅、或不锈钢；所述金属氧化物优选自氧化铜、氧化亚铜、氧化镍、氧化钯、氧化钨、氧化铱、氧化铁、氧化铅、或氧化亚铅，所述金属氢氧化物选自氢氧化铜、氢氧化镍、氢氧化铁、氢氧化铅、或氢氧化亚铅；所述对电极为惰性导电材料电极，所述惰性导电材料电极选自铂、金、玻碳、不锈钢、银-氯化银、或石墨。

进一步地，所述对电极的面积与工作电极相对应的面积比为10⁸:1到1^-2:1之间。

进一步地，所述对电极的面积与工作电极的面积比为100：1到1:1之间。

进一步地，本发明还提供了一种恒电位固体pH检测仪，该检测仪包括电流值-pH值转换仪表、恒电位源以及探头，所述探头由工作电极、参比电极和对电极组成，对电极、电流值-pH值转换仪表、恒电位源、参比电极依次连接，探头与被测溶液接触，使得对电极、电流值-pH值转换仪表、恒电位源、参比电极之间形成串联闭合回路，所述电流值-pH值转换仪表用于检测所述串联闭合回路的电流值，然后将检测到的电流值转换为相应的pH值并显示；工作电极连接在电流值-pH值转换仪表与恒电位源之间。

本发明中，恒电位源提供一个恒定的工作电压，从而使得工作电极和对电极之间产生工作电流。pH值不同，溶液导电能力不同，则造成工作电流大小不同，电流值的大小与氢离子活度成正比，或者与pH值成正比。用标准pH值的溶液校正电流值与pH值的对应关系后，在电流值-pH值转换仪表上标出对应的电流和pH值，根据所测电流的大小，即可以测定出溶液的pH值。

采用第二种方案中，工作电极和参比电极之间加上电压后，工作电极和对电极之间通过被测溶液形成回路，根据工作电极材料的不同，选择合适的工作电压，回路中就可以产生电流，电流大小正比于pH值。由于参比电极电阻很大，不能有效导电，迫使电流主要通过对电极，使对电极与工作电极之间形成有效回路，因此三电极系统中，组成两个回路即恒电位源、工作电极、参比电极和被测溶液构成回路一，其作用是精确控制工作电极上的电压值；工作电极、电流值-pH值转换仪表、对电极和溶液构成回路二，即电流回路。采用参比电极，电压可以精确控制。不采用参比电极，所加电压是工作电极、对电极之间的电势差和溶液中的电压降之和。在测量过程中溶液中的电压降无法控制，每次测量都会变化，如果不采用参比电极，由于回路中电流比较大，溶液中的电压降波动也比较大，造成工作电极上的实际电压波动较大，引起的测量误差也较大，测量精度会有所降低。采用参比电极，电压直接加在工作电极上，与溶液中的电压降没有关系，工作电极电压波动小，测量误差小，测量精度更高。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1.采用电压为-3~3伏之间的恒电位源作为驱动电压，金属或金属氧化物、氢氧化物或其复合物电极在测量过程中不会消耗（区别于200910018955），电极表面状态能维持不变化，测量误差小，精度高，电极寿命长；

2.本发明结构简单，工作电极可以任意成型或成膜，易于小型化，容易制造和携带；

3．本发明在恒定的电压下测量流经回路的电流值，电流值的大小与氢离子活度成正比，或者与pH值成正比。用标准pH值的溶液校正电流值与pH值的对应关系后，根据所测电流的大小，即可以测定出溶液的pH值，具有较高的灵敏度，设备简单，寿命长，适宜微型化（可采用纽扣电池供电）。

4.本发明所述工作电极与对电极的之间的相对应的面积比范围经过创造性劳动所的得到的，在此范围内，pH值的检测灵敏度高，反应速度快，电极表面状态变化小；

5.本发明给出了所选电极材料与恒电位源电压之间的选择关系，在这种对应关系中，所测的pH值精度高，不易出现波动。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图中序号为，1探头；2对电极；3工作电极；4恒电位源；5电流值-pH值转换仪表；6参比电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细地说明：

实施例1

如图1所示，本发明提供的恒电位固体pH检测仪包括依次串联连接的电流值-pH值转换仪表5、恒电位源4以及探头1，其中探头1由工作电极3和对电极2组成，探头1与被测溶液接触，使电流值-pH值转换仪表5、恒电位源4、工作电极3和对电极5之间形成串联闭合回路。在具体测量时，根据所选用的工作电极和对电极的材料的不同，而选择恒定的电压，本实施例中工作电极为氧化镍电极，采用片状，对电极为惰性导电材料，电极采用银-氯化银材料，棒状，恒电位源采用的电压为0.7伏。

本实施例中对电极的面积与工作电极相对应的面积比为10。

采用本实施例的检测仪对某种水溶液进行检测，反应灵敏，不受外界干扰，多次检测后，检测值稳定，长时间使用后经检查，电极腐蚀损耗小。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，本实施例中工作电极为氢氧化镍电极，采用针状，对电极为惰性导电材料电极采用铂或表面镀铂材料，棒状，恒电位源采用的电压为0.8伏。

本实施例中对电极的面积与工作电极相对应的面积比为2。

实施例3

与实施例1的不同之处在于，如图2所示，该检测仪包括电流值-pH值转换仪表5、恒电位源4以及探头1，探头1由工作电极3、参比电极6和对电极2组成，对电极2、电流值-pH值转换仪表5、工作电极3依次连接，探头与被测溶液接触，使得对电极2、电流值-pH值转换仪表5、工作电极3之间形成串联闭合回路；工作电极3连接在电流值-pH值转换仪表5与恒电位源4之间，工作电极3上的电压由恒电位源4的电压和参比电极6的电压值精确控制。本实施例中工作电极为氧化铜，采用棒状，对电极为惰性导电材料电极，采用棒状不锈钢，对电极的面积与工作电极的面积比为60：1，参比电极选自Ag-AgCl电极，其电压值在常温（25摄氏度）下恒定为0.2229伏，恒电位源的电压为0.4伏。

采用本实施例的检测仪对某种水溶液进行检测，反应灵敏，不受外界干扰，多次检测后，检测值稳定，长时间使用后经检查，电极腐蚀损耗小。并且工作电极电压波动小，测量误差小，精度高。参比电极6优选自饱和甘汞电极、或Ag-AgCl电极。

实施例4

与实施例3的不同之处在于，本实施例中工作电极为金属钯，采用棒状，对电极为惰性导电材料电极，采用片状玻碳，对电极的面积与工作电极的面积比为20：1，参比电极选自饱和甘汞电极，其电压值在常温（25摄氏度）下恒定为0.2444伏，恒电位源的电压为0.1伏。

上述工作电极可以为片状、棒状或针状；对电极为片状、棒状或螺旋状。当工作电极材料采用镍、氧化镍或氢氧化镍，恒电位源电压选自为0.1V~0.8V；工作电极材料采用铜、氧化铜或氢氧化铜，恒电位源电压为-0.5V~1.5V；工作电极材料采用金属钯，恒电位源电压为-0.9V~1.8V。

Claims

1.一种恒电位固体pH检测仪，其特征在于，该检测仪包括依次串联连接的电流值-pH值转换仪表、恒电位源以及探头，其中探头由工作电极和对电极组成，探头与被测溶液接触，使电流值-pH值转换仪表、恒电位源、工作电极和对电极之间形成串联闭合回路，所述电流值-pH值转换仪表用于检测所述串联闭合回路的电流值，然后将检测到的电流值转换为相应的pH值并显示。

2.按照权利要求1所述的恒电位固体pH检测仪，其特征在于，所述恒电位源的电压为-3~3伏之间可调。

3.按照权利要求1所述的恒电位固体pH检测仪，其特征在于，所述工作电极材料选自金属、金属氧化物、金属氢氧化物或上述材料的复合物，或金属、金属氧化物、金属氢氧化物与一种或多种聚合物材料的复合物，所述聚合物材料选自聚偏二氟乙烯、磺化聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、或全氟磺酸树脂；所述金属优选自镍、铜、铝、钯、钨、铂、铱、铅、或不锈钢；所述金属氧化物优选自氧化铜、氧化亚铜、氧化镍、氧化钯、氧化钨、氧化铱、氧化铁、氧化铅、或氧化亚铅，所述金属氢氧化物选自氢氧化铜、氢氧化镍、氢氧化铁、氢氧化铅、或氢氧化亚铅；所述对电极为惰性导电材料电极，所述惰性导电材料电极选自铂、金、玻碳、不锈钢、银-氯化银、或石墨。

4.按照权利要求1所述的恒电位固体pH检测仪，其特征在于，所述对电极的面积与工作电极相对应的面积比为10⁸:1到1^-2:1之间。

5.按照权利要求4所述的恒电位固体pH检测仪，其特征在于，所述对电极的面积与工作电极的面积比为100：1到1:1之间。

6.一种恒电位固体pH检测仪，其特征在于，该检测仪包括电流值-pH值转换仪表、恒电位源以及探头，所述探头由工作电极、参比电极和对电极组成，对电极、电流值-pH值转换仪表、恒电位源、参比电极依次连接，探头与被测溶液接触，使得对电极、电流值-pH值转换仪表、恒电位源、参比电极之间形成串联闭合回路，所述电流值-pH值转换仪表用于检测所述串联闭合回路的电流值，然后将检测到的电流值转换为相应的pH值并显示；工作电极连接在电流值-pH值转换仪表与恒电位源之间。

7.按照权利要求6所述的恒电位固体pH检测仪，其特征在于，所述恒电位源的电压为-3~3伏之间。

8.按照权利要求6所述的恒电位固体pH检测仪，其特征在于，所述工作电极材料选自金属、金属氧化物、金属氢氧化物或上述材料的复合物，或金属、金属氧化物、金属氢氧化物与一种或多种聚合物材料的复合物，所述聚合物材料选自聚偏二氟乙烯、磺化聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、或全氟磺酸树脂；所述金属优选自镍、铜、铝、钯、钨、铂、铱、铅、或不锈钢；所述金属氧化物优选自氧化铜、氧化亚铜、氧化镍、氧化钯、氧化钨、氧化铱、氧化铁、氧化铅、或氧化亚铅，所述金属氢氧化物选自氢氧化铜、氢氧化镍、氢氧化铁、氢氧化铅、或氢氧化亚铅；所述对电极为惰性导电材料电极，所述惰性导电材料电极选自铂、金、玻碳、不锈钢、银-氯化银、或石墨；所述参比电极优选自饱和甘汞电极、或Ag-AgCl电极。

9.按照权利要求6所述的恒电位固体pH检测仪，其特征在于，所述对电极的面积与工作电极相对应的面积比为10⁸:1到1^-2:1之间。

10.按照权利要求9所述的恒电位固体pH检测仪，其特征在于，所述对电极的面积与工作电极的面积比为100：1到1∶1之间。