pH/ORP-Sensor für raue Umgebung

Reinhard Gehrmann

Messungen des pH-Wertes von Salzsolen sind bei unterschiedlichsten Anwendungen von Elektrolyseprozessen bis hin zu Fermentierungsprozessen erforderlich, wobei Parameter wie Messgenauigkeit und Langlebigkeit seit jeher große Herausforderungen an die Sensoren stellen. Herkömmliche Sensoren sind mit Mess- und Referenzelektroden ausgestattet. Die gläserne Messelektrode liefert eine vom pH-Wert der Messlösung abhängige Potenzialdifferenz. Diese wird mit dem vom pH-Wert der Messlösung unabhängigen Potenzial der Referenzelektrode verglichen. Üblicherweise besteht diese Referenzelektrode aus einem Metalldraht, der mit einem unlöslichen Metallsalz beschichtet und von einer Salzlösung oder einem Gel umgeben ist, die als Elektrolyten fungieren. Das Referenzelement ist durch ein Diaphragma vom Prozess abgetrennt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Elektrolytzusammensetzung – und somit die Ausgangsspannung an der Referenzelektrode – bei Prozessänderungen stabil bleibt.

In der Praxis stehen aber 80 bis 90 % aller Probleme bei der pH-Messung in Zusammenhang mit der Instabilität der Refe renzelektrode. Bei nicht ausfließenden Referenzelektroden driftet das Referenzpotenzial z. B. durch Chloridverarmung, Kontamination oder verstopfte Diaphragmen. Durch Faktoren wie hohen bzw. sich verändernden Prozessdruck und hohe Temperaturen werden diese Vorgänge beschleunigt. Durch eine regelmäßige Kalibration wird diese Drift kompensiert. Bei ausfließenden Elektroden muss der Elektrolytspeicher regelmäßig aufgefüllt werden, um die Funktion der Elektrode sicherzustellen.

Der differenzielle pH-Sensor SC24V von Yokogawa löst diese Probleme mithilfe einer hermetisch verschlossenen gläsernen Referenzzelle, ohne poröses Diaphragma. Somit hat das Elektrolyt kein Kontakt zur Messlösung, sodass der Sensor keinerlei Diffusionspotenzialen ausgesetzt ist. Das Ergebnis ist ein stabiler linearer Spannungsausgang über eine typische Bandbreite von pH 2 bis 14. Dies bedeutet auch, dass der Sensor bei minimalem Wartungsaufwand auch bei hohen Drücken und Temperaturen sowie bei Kontakt mit korrodierenden Materialien einwandfrei funktioniert.

Als differenzieller Sensor reagiert der SC24V auf pH/ORP-Veränderungen, anstatt den absoluten pH-Wert zu messen. Aus diesem Grund stellt er eine gute Lösung für pH-Regelungen in Prozessanwendungen dar, bei denen die Stabilität des abgelesenen pH-Wertes und somit die Konsistenz des Prozesses und des Endprodukts, nicht aber der genaue pH-Wert von Interesse für den Anwender sind.

Der Sensor bietet vier Funktionen in einem – pH-Messung, Referenzzelle, Temperaturkompensation und Flüssigkeitserde (Redox) –, sodass der Anwender mit nur einem Sensor und einem Kabel auskommt. Der SC24V ist durch seine Konstruktion mit 12 mm Durchmesser und 120 oder 225 mm Länge sowie PG13,5-Einschraubgewinde kompatibel mit den meisten industriellen Halterungen. Er eignet sich auch für ORP/Redox- und rH-Kontrollanwendungen.

Eine zentrale Rolle bei der Sensorkonstruktion spielt die verwendete traditionelle Glasblasetechnik, die sich über viele Jahre hinweg zu einer hohen Handwerkskunst mit umfassendem Know-how entwickelt hat. Der SC24V besteht aus vier verschiedenen Sorten Glas: dem Glasschaft, salzsensitivem Glas, Isolierglas und normalem pH-Glas. Diese Glassorten verfügen über unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, sodass sie alle vorsichtig geschweißt und geblasen werden müssen. Nur so lässt sich sicherstellen, dass zwischen Schweißnaht und Glasschaft keine Spannung besteht.

Beim SC24V befindet sich der Temperaturfühler an der äußersten Spitze des Sensors in unmittelbarer Prozessnähe und reagiert deshalb sehr schnell auf Änderungen. Die Funktionen ORP-Sensor und Flüssigkeitserde sind im Glasschaft integriert.

pH measurements of brine solutions are required in applications as diverse as electrolysis and fermentation processes, and have traditionally presented challenges in terms of measuring accuracy and sensor durability. Conventional pH measurement sensors incorporate measuring and reference electrodes. The glass measuring electrode measures the potential difference generated across the glass membrane, and this voltage is then compared with the output of a reference sensor that is inde- pendent of the sensor’s pH. This reference cell is typically a metal wire coated with an insoluble metal salt and surrounded by a salt solution or gel acting as the electrolyte. The reference cell is separated from the process by a junction to ensure that the electrolyte composition, and hence the output voltage of the reference, does not vary if the process changes.

Many of the problems encountered in pH measurement and control applications are caused by factors such as high or varying process pressure and high temperatures. In addition, the electrolyte reservoir needs to be filled and leakage eliminated, which means that regular maintenance is required. In practice, however, 80 to 90 % of all pH sensing problems are related to the instability of the reference sensor.

In the Yokogawa SC24V differential pH sensor these challenges are addressed by using a reference cell which is hermetically sealed in glass, with no porous junction. No electrolyte is in contact with the process, and so the sensor does not suffer from diffusion potentials. The result is a very stable linear voltage output over a typical range of 2 to 14 pH. This also means that the sensor will operate successfully with minimal maintenance under conditions of high pressure and temperature as well as in the presence of corrosive materials.

As a differential sensor, the SC24V responds to pH/ORP changes rather than measuring the absolute pH. It is therefore ideally suited for pH process control applications where the user is interested in the stability of the pH reading – and hence the consistency of the process and the end product – rather than the exact pH value.

Since the sensor integrates four functions in one – pH sensing, reference cell, temperature compensation and liquid earth (redox) – the user only has to deal with one sensor and one cable. The unit is designed for 12 mm Pg13.5 mounting and is thus compatible with most industrial holders. In addition, the SC24V requires less maintenance than any other pH sensor in the market today. The sensor can also be used for ORP/redox and rH control applications.

A key element in the construction of the sensor is the use of traditional glassblowing techniques, refined over many years to provide a high level of craftsmanship and expertise. The SC24V combines four different types of glass: the glass stem, the salt-sensitive glass, the insulation glass and the normal pH glass. Each glass has its own extension coefficient, so that all glass types have to be welded carefully and blown out to make sure the tension is removed from the weld to the glass stem.

The temperature sensor in the SC24V is located close to the process at the sensor tip, permitting a very fast response to changes. The ORP sensor and liquid earth functions are integrated in the glass stem.

Online-Info www.cav.de/1310450