products solutions services basics of…. ph - gain.nl · coca cola 2,5 fanta 3,0 appelsap 3,5 bier...
Post on 23-Jun-2018
215 Views
Preview:
TRANSCRIPT
06/04/2017
Basics of pH
Wat is een ‘pH’ meting?
• pH = zuurgraad van een vloeistof
• pH = potentia Hydrogenii / pondus Hydrogenii
mV potentiaal in een pH-meetelektrode opgewekt door waterstof ionen
(H+) ten opzichte van een stabiele referentiespanning(/elektrode)
Slide 2 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
De pH van alledaagse producten
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
HCl (zoutzuur)
Coca Cola 2,5 Fanta 3,0
Appelsap 3,5 Bier 4,1 - 4,6
Boter 4,8 - 4,9 Huid 4,8 - 5,8
Melk 6,7 - 7,1 Menselijk bloed 7,414 Eiwitten 7,6 - 8,0
Zeep
Zepen 11-12
NaOH (1 mol/l) 14
Slide 3 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
pH meting: extreem hoge gevoeligheid & meetbereik
pH 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Zu
ur
Neutraal
Ba
sisc
h
H+ concentratie (mol/l)
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
0,00001
0,000001
0,0000001
0,00000001
0,000000001
0,0000000001
0,00000000001
0,000000000001
0,0000000000001
0,00000000000001
OH- concentratie (mol/l)
0,00000000000001
0,0000000000001
0,000000000001
0,00000000001
0,0000000001
0,000000001
0,00000001
0,0000001
0,000001
0,00001
0,0001
0,001
0,01
0,1
1,0
Kw = H+x OH-
= 10-14 mol/l
1 liter ultrapuur water = evenveel H+ als OH- =
dus pH-neutraal!
pH = -log H+ Voorbeeld 1: pH = -log [0,01] pH = 2,00
Voorbeeld 2: pH = -log (0,000000000001] pH = 12,00
H2O H++ OH-
Slide 4 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Om een idee te krijgen van dit extreem grote meetbereik
• Meetbereik pH 0…14 komt overeen met gewicht-bereik van:
• 1 mg … 100 biljoen mg
1 zandkorrel … 174 stuks maximaal beladen Airbus A380
Slide 5 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Hoeveelheid zuur/base nodig voor pH neutralisatie
• Van pH 12 naar pH 7 -> 1 liter HCl
nodig
• Maar… Daarna van pH 7 naar pH 4 ->
slechts 0,01 liter HCl (= 10 ml!)
Hierdoor is een veel gehoorde ‘klacht’ bij
pH neutralisatie in een tank:
‘eerst komt er helemaal geen reactie en
vervolgens schiet de pH regeling door’
Let op: dit voorbeeld is niet geschikt om pH regelingen op te ontwerpen,
maar alleen om de log.schaal een praktisch handvat te geven
Slide 6 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Hoe wordt pH gemeten?
1. Lakmoespapier
2. Potentiometrische meting • glas pH elektrode ca. 85 % van alle pH elektroden
• IsFET pH elektrode ca. 10 %
• Pfaudler pH elektrode ca. 5 %
Voordeel: erg goedkoop in aanschaf. Nadeel: lastig om productieprocessen op te sturen…
Slide 7 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Opbouw pH elektrode: vroeger 3 losse elektroden!
pH gevoelige elektrode
Referentie elektrode
Temperatuur sensor
1. de pH elektrode meet een analoog potentiaal (in mV)
2. ten opzicht van een (hopelijk…) stabiele referentie elektrode
3. uiteraard temperatuur gecompenseerd
analoog mV signaal over coax kabel
Slide 8 Bart Küpers
06/04/2017
Meetprincipe pH sensor: 2 elektroden + temp.sensor
Basics of pH
pH elektrode
mV potentiaal afhankelijk van pH waarde
Omvorming naar pH
pH glasbol
3 mol/l
KCl 3 mol/l KCl
+ Interne buffer
Diafragma
(open, PTFE, keramisch, sleuf, …)
Referentie elektrode
mV potentiaal
(onafhankelijk van pH waarde)
Temp.comp.
Slide 9 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Opbouw pH elektrode: tegenwoordig
mV=pH
Digitaal Memosens signaal over standaard kabel
1. De pH elektrode meet een potentiaal (in mV)
2. ten opzicht van een (hopelijk…) stabiele referentie elektrode
3. temperatuur gecompenseerd
4. alle signalen worden in sensor omgezet naar digitaal signaal
5. en vervolgens inductief via connector naar meetversterker gestuurd
Slide 10 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Glasbreuk detectie
• Glazen pH sensor met
een haarscheurtje in de
glasbol
• Weerstand glas daalt
direct van ca. 400 MegΩ
naar 3 kiloΩ (of zelfs
kortsluiting) tussen
meet- en
referentiesensor
• Transmitter reageert
direct met alarmsignaal
Slide 11 Bart Küpers
06/04/2017
Welke ‘magie’ gebeurt er bij die glasbol?!?
Basics of pH
Als „binnen“ pH = „buiten“ pH geen potentiaal verschil = 0 mV = pH 7 Buiten meer H+-ionen dan binnen = positief mV potentiaal tov ref. elektrode = pH <7 Buiten minder H+-ionen dan binnen = negatief mV potentiaal tov ref.elektrode = pH >7
+ -
Interne buffer
Gel laagje: 0.0001 mm
Dikte glasbol: 0.2-0.5 mm
pH 7 -
- -
Basische oplossing pH > 7
H+
+ +
+
Zure oplossing pH < 7
H+
Slide 12 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Temperatuur invloed op de pH meting
• Zelfs pH buffer 7 heeft temp. invloed!
• Idem voor pH buffer 4
• Foute gedachtengang: ‘een pH sensor heeft een temperatuursensor,
dus temp.compensatie vindt automatisch plaats’
• Wat is de invloed van temperatuurverandering van het proces op de
pH waarde van uw medium?
Slide 13 Bart Küpers
Voorbeeld: pH van
lijm
Oplossing:
maak uw eigen
mediumcomp.tabel
06/04/2017
Basics of pH
Nauwkeurigheid van pH meting
3 grote oorzaken voor de totale fout van de meting
1. de sensor
2. kalibratie
3. proces
Hoe berekenen we de totale fout?
RootMeanSquare methode (wortel uit som der kwadraten)
Slide 14 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
1. Wiskundige fout van pH sensor
• pH-waarde van interne buffer
(ΔpH=0,02) -> (ΔpH)2= 0,0004
• Temperatuur invloed van interne buffer
(ΔpH=0,03) -> (ΔpH)2= 0,0009
• Potentiaal bij pH en Referentie Ag/AgCl elektrode
(Δu=0,5mV)/s=-59mV/pH = 0,0083 -> (ΔpH)2= 0,0007
• Temp.invloed potentiaal bij pH- + Ref. Ag/AgCl elektrode
T=25-50°C -> (Δu=2 mV)/s=-59mV/pH = 0,0340 -> (ΔpH)2= 0,0011
• Diafragmapotentialen door druk P = 2 Bar en 100µS/cm ->
(Δu=2 mV/s=-59mV/pH) = 0,0340 -> (ΔpH)2= 0,0011
• Diffusie diafragmapotentiaal
6pHà7pH -> (Δu=1 mV/s=-59mV/pH) = 0,017 -> (ΔpH)2= 0,0003
• Flow diafragmapotentiaal 0.5m/s en 100µS/cm ->
(Δu=5 mV/s=-59mV/pH) = 0,0847 -> (ΔpH)2= 0,0071
• Geheugeneffect van de glasbol van de pH sensor
6pHà7pH en T=40°C -> (Δu=1 mV/s=-59mV/pH) = 0,017 -> (ΔpH)2= 0,0003
• Selectiviteit van het glasmembraan (zuur/base fout & temp.afhankelijk)
pH 6; T=40°C -> ΔpH =0,01 -> (ΔpH)2 = 0,0001
• Fout van de steilheid pH sensor
(Δs= 0,95mV/pH / s=-59mV/pH) = 0,0161 -> (ΔpH)2= 0,0003
• Fout van het nulpunt pH sensor
Δn =0,035 pH -> (ΔpH)2= 0,0012
• Toepassing: lage geleidbaarheid, 40°C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma
Som van deze (ΔpH)2 = 0,0135
Slide 15 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
2. Wiskundige fout van kalibratie
• Buffer pH 4,00 ±0,02 -> (Δ pH)2 = 0,0004
• Buffer pH 7,00 ±0,02 -> (Δ pH)2 = 0,0004
Uitgaande van perfect stabiele temperatuur!
• Toepassing: lage geleidbaarheid, 40°C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma
Som van deze (ΔpH)2 = 0,0008
Slide 16 Bart Küpers
pH NERD alert!
06/04/2017
Basics of pH
3. Wiskundige fout van proces
• Tegenwoordig meestal digitale sensoren met inductieve connectoren dus geen
signaalverliezen/verstoringen/EMC/slechte connectoren/vocht etc.
• Additionele potentialen zoals elektrostatische oplading
(Δ2mV)/s=59mV = 0,0034 -> (pH)2= 0,0011
Niet meegenomen in deze calculatie:
• ‘Suboptimale’ installatie
• Fout van de temperatuurmeting
• Te hoge stroming in proces
• Luchtbellen
• Vervuiling(!)
• Verlopen/vergiftigen van pH sensoren (kalibratie nodig!)
• Onnauwkeurigheid transmittersignaaluitgang / ingangskaart besturingsysteem
• Toepassing: lage geleidbaarheid, 40°C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma
(ΔpH)2 = 0,0011
Slide 17 Bart Küpers
pH NERD alert!
06/04/2017
Basics of pH
Totale fout pH meting
• (ΔpH)2 pH sensor = 0,0135
• (ΔpH)2 Kalibratie = 0,0008
• (ΔpH)2 proces = 0,0011
𝐹𝑜𝑢𝑡 𝑝𝐻 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 2+ (𝐾𝑎𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑡𝑖𝑒)2 + (𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠)2 = 0,0154
Fout vlgns RMS methode 𝟎, 𝟎𝟏𝟓𝟒 = 𝟎, 𝟏𝟐 𝐩𝐇 𝐝𝐞𝐞𝐥
• Toepassing: lage geleidbaarheid, 40°C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma
Voorzichtige conclusie: fout van een schone & gekalibreerde pH sensor in dit proces is 0,12 pH deel. Maar nu de vraag: hoe is dit te controleren?
Slide 18 Bart Küpers
pH NERD alert!
06/04/2017
Basics of pH
Wens pH: goede nauwkeurigheid of hoge herhaalbaarheid?
• Gaat het bij een pH meting om nauwkeurigheid of herhaalbaarheid
(precision)?
Voorkeur 1!
Voorkeur 2!
Slide 19 Bart Küpers
Courtesy: www.hitachi-hightech.com
06/04/2017
Basics of pH
Toepassingen: Van PhD onderzoek in R&D lab….
Wetsus: Syngas desulphurisation
Slide 20 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
…tot proces toepassing in een fabriek
Neutralisatie van afvalwater door pH & redox regeling + automatische reiniging
Slide 21 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Sterke vervuiling in het proces… Inline reinigen met Chemoclean
Liquiline CM44x transmitter
Doorstroomarmatuur CPA250 met CPR31 reinigingselektrode
Reinigingsmiddel
(wa
rm)
aa
ndrijfw
ate
r
Chemoclean injector CYR10
• Voordeel: Mogelijk om elk kwartier bv. 15 seconden te reinigen!
Slide 22 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Hoe meetafwijkingen te voorkomen en compenseren?
• Reiniging • Reiniging met regelmatig interval garandeert
een betrouwbare meting • Het reinigingsinterval is afhankelijk van het
medium en hoe snel elektrode vervuilt
• Kalibratie
• Afhankelijk van proces & gewenste nauwkeurigheid…
• Proefondervindelijk vaststellen per applicatie
• Buffer pH 4 en pH 7
vervuiling: reinigingsmiddel:
kalk aanslag azijn, 2…5% HCL
vet Dreft afwas, 2…5% NaOH
eiwitten Biotex groen / pepsine
De vuistregel is wanneer proces onder de pH7,00 zit, er gereinigd moet worden met een product boven pH7 en vice versa
Slide 23 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Kalibratie met pH buffer 4 en 7
4 7 pH
+ mV
Nulpunt
Steilheid
- mV Kalibreren vs. justeren. Kalibreren = vergelijken van meetwaarde sensor met standaard buffers. Justeren = meetwaarde sensor aanpassen zodat de sensor hetzelfde aanwijst als de buffers
Slide 24 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Maar hoe goed/prettig is het om een pH meting in de fabriek te reinigen / kalibreren?
Slide 25 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Digitale pH sensoren: reiniging + kalibratie in lab/werkplaats!
Reiniging / Kalibratie mèt Memobase Plus:
Reiniging / Kalibratie in fabriek:
Slide 26 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Dankzij lab/werkplaatskalibratie: Procesoptimalisatie en verlenging levensduur pH sensoren
Slide 27 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Statement van Bayer Technology Services / Lanxess: ‘Memosens verlaagt Opex’ (operationele kosten)
Concreet:
• 25 % minder arbeidskosten
• 20 % lager sensor verbruik dankzij lab kalibratie
• 15 % minder kosten in kabelvervanging
Slide 28 Bart Küpers
06/04/2017
Basics of pH
Take aways
Cola is heel erg slecht voor je tanden omdat het zo zuur is
Logaritmische schaal (factor 10 concentratietoename per pH deel)
Automatische inline reiniging zorgt voor langer onderhoudsinterval
Kalibratie in lab/werkplaats bespaart geld en zorgt voor minder stilstand
Slide 32 Bart Küpers
pH NERD alert! 1.
2.
3.
4.
5.
top related