Disporre di pHmetri affidabili è fondamentale per la sicurezza della produzione e l'ottimizzazione dell'impianto. Infatti, più del 30% delle misure rilevanti per determinare la qualità dei processi riguarda la misura del pH.
Ma quale piaccametro scegliere? Da analizzatori di pH per processi stabili a composizioni di fluidi con caratteristiche variabili, dai fluidi viscosi alle aree pericolose, fino alle applicazioni igieniche… gli impianti variano davvero molto. Quindi, quale pHmetro comprare? Ecco una panoramica dei phmetri più diffusi a livello industriale.
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Indice:
- Misura pH: la più richiesta in ambito industriale
- Phmetro: funzionamento
- Quale phmetro comprare
- Taratura phmetro
- Misurare il pH con un sensore digitale: i vantaggi
- Laboratorio di pH accreditato
- Soluzioni tampone di pH per soddisfare le richieste più esigenti
- Scegliere il pHmetro: ulteriori considerazioni
Il pH è la più comune di tutte le misurazioni analitiche nella lavorazione industriale e poiché è una misura diretta del contenuto di acido (H+) presente nelle sostanze, gioca chiaramente un ruolo importante nella lavorazione non solo di alimenti e bevande, ma anche nella produzione farmaceutica e nell'industria delle acque reflue.
Per poter misurare il pH è necessario disporre di uno strumento di misura sensibile agli ioni di idrogeno, che definiscono il valore del pH stesso.
Nell'immagine, la scala del pH da 0 a 14:
Come si misura il pH?
Il principio della misurazione è questo: si prende un sensore di pH e si osserva la reazione tra esso e una soluzione campione. Tuttavia, il potenziale osservato dell'elettrodo sensibile al pH da solo non fornisce informazioni sufficienti e quindi si ha bisogno di un secondo sensore, che fornisce il segnale di riferimento ad un trasmettitore, il quale lo restituisce sotto forma numerica e pronto per essere letto.
La selezione di un sensore di pH si basa principalmente sui comportamenti chimici e fisici del fluido di processo. Le combinazioni con requisiti specifici del processo o del settore, come le norme igieniche, riducono la scelta di sensori di pH adatti a determinate applicazioni. Tuttavia, i criteri chiave per la scelta dei phmetri industriali si basano su due dati:
- durata massima prevista del sensore;
- sforzi di manutenzione (come ad esempio gli intervalli di taratura).
Come abbiamo accennato, i misuratori di pH vengono utilizzati in molti settori industriali come l'industria chimica, dell'acqua e delle acque reflue, alimentare, farmaceutica, nelle centrali elettriche, nel primaries e nelle raffinerie. La scelta del sensore dipende dall'applicazione.
Bisogna scegliere il diaframma e il sistema di riferimento del sensore in vetro in base alle esigenze: ad esempio, è necessario utilizzare i sensori ISFET dove è assolutamente indispensabile evitare la rottura del vetro, o in fluidi che contengono quantità elevate di solventi organici. Invece, è possibile utilizzare i pHmetri in porcellana-enamel quando è necessario avere un’elevata stabilità di misura e manutenzione minima.
Il valore del pH viene utilizzato come unità di misura dell'acidità o dell'alcalinità di un fluido. L'elemento dell' elettrodo a vetro sensibile al pH è un bulbo che fornisce un potenziale elettrochimico che dipende dal valore di pH del fluido. Tale potenziale viene generato perché piccoli ioni di H+ penetrano attraverso lo strato esterno della membrana, mentre gli ioni a carica negativa più grandi rimangono all'interno della soluzione.
Le sonde di pH in vetro contengono un sistema di riferimento Ag/AgCl integrato, che funge da elettrodo di riferimento. Il valore di pH si calcola dalla differenza di potenziale tra il sistema di riferimento e il sistema di misura con l'equazione di Nernst. I sensori e trasmettitori di pH in vetro possono raggiungere eccezionali prestazioni di misura lineare su una gamma di pH estremamente ampia.
Il principio di misura degli elettrodi di pH in porcellana-enamel corrisponde a quello dei sensori di pH in vetro. Tuttavia, in questo caso l'elemento sensibile al pH è proprio la porcellana-enamel.
Il vantaggio principale di questo tipo di sensori è la loro robustezza: tipicamente hanno cicli di taratura straordinariamente lunghi e una lunga durata. Di conseguenza, la misurazione richiede meno manutenzione. L'intervallo lineare va da pH 0 a 10 e il sensore ha un design igienico, adatto anche per processi CIP e SIP. Inoltre non è necessario un gruppo retrattile e sono disponibili diverse connessioni al processo.
Il valore del pH viene misurato con un transistor a effetto di campo sensibile agli ioni (ISFET). Si tratta di un semplice transistor con un "source" e un "drain" separati dalla base da un semiconduttore, dove si possono accumulare gli ioni di idrogeno provenienti dal fluido. Ne risulta una carica positiva all'esterno che viene "riflessa" all'interno della base dove vi è una carica negativa. Ciò rende conduttivo il canale semiconduttore. Maggiore è l'accumulo di ioni di H+ sulla base, maggiore è la quantità di corrente che può fluire tra “source” e “drain”.
I sensori combinati dispongono di un elemento in platino oltre a quello in vetro. Ciò consente la misurazione simultanea del valore del pH e del potenziale redox per una migliore panoramica del processo. In alternativa, l'elemento in platino può essere utilizzato per la misurazione dell'impedenza di riferimento, per prevenire la diminuzione della qualità del sensore. I sensori combinati forniscono valori rH e cioè informazioni su quanto il mezzo sia ossidante, neutro o riducente. Sono disponibili diversi tipi di sensori in vetro, anche per applicazioni igieniche. Generalmente questi sensori si differenziano per il tipo di giunzione utilizzata (in ceramica, teflon o nessuna). La resistenza del sensore al blocco della giunzione dipende fortemente dalla selezione del tipo di giunzione.
La misurazione del pH è diventata più semplice e affidabile da quando Endress+Hauser ha inventato Memosens. Il segnale induttivo e la trasmissione di energia senza contatti metallici tra la testa del sensore e il collegamento del cavo garantiscono un funzionamento senza problemi, anche in ambienti umidi o corrosivi. Con il sistema galvanicamente disaccoppiato e la memorizzazione dei dati di calibrazione nella testa del sensore è possibile tarare solo il sensore anziché l'intero loop.
Forse ti starai chiedendo perché sono disponibili così tanti sensori per misurare il pH. Questo è dovuto al principio di misurazione. Da un lato l'elemento sensibile, il vetro-enamel o ISFET è direttamente a contatto con il prodotto. Eventuali depositi, particelle abrasive, sollecitazioni meccaniche e sostanze chimiche aggressive avranno un impatto sulla precisione della misurazione e sulla durata del sensore. Inoltre, la giunzione del sensore di pH porta il sistema di riferimento a diretto contatto con il fluido. Gli ioni di solfuri e cianuri possono distruggere il sistema di riferimento, mentre la diluizione della soluzione di riferimento ne modifica il potenziale e il blocco della giunzione interrompe la misurazione. Tali effetti sono il motivo per cui un sensore di pH deve essere tarato e regolato periodicamente. Non esiste, quindi, una risposta ragionevole alla domanda: qual è la durata del sensore? Essa dipende dalla scelta del sensore, dagli intervalli di pulizia e, naturalmente, dall'applicazione. I sensori di pH devono quindi essere considerati come materiale di consumo.
I sensori digitali possono risolvere le sfide della misurazione del pH. Un sensore digitale è, come suggerisce il nome, digitale: la parte di rilevamento effettiva del sensore è analogica e identica a un sensore analogico convenzionale, ma la differenza è che i sensori digitali includono un componente aggiuntivo sotto forma di microprocessore che elabora i segnali di misura. In genere, è necessario elaborare e considerare più segnali in parallelo.
Il vantaggio dei sensori analitici digitali è che forniscono il 100% di integrità del segnale, migliorando l'affidabilità del valore di misurazione. Rispetto a un punto di misura con tecnologia a sensore analogico, non vi è alcun rischio di perdita di segnale tra il sensore e il valore di misura visualizzato. Inoltre, l'umidità e gli ossidi sulle superfici di contatto non causano problemi per la misurazione. Questo è un grande passo avanti per tutte le applicazioni di fermentatori in laboratorio, poiché l'umidità residua sulle superfici di contatto dopo l'autoclavazione non causerà più valori distorti o instabili.
Endress+Hauser ha superato con successo il severo processo di accreditamento del DAkkS (Servizio di Accreditamento Tedesco), in conformità con le specifiche della norma DIN EN ISO/IEC 17025:2005. Il nostro laboratorio di taratura accreditato per la produzione di soluzioni tampone di pH soddisfa i più elevati requisiti del cliente e garantisce l'affidabilità delle misure.
La precisione di un punto di misura del pH dipende strettamente dalla giusta taratura attraverso soluzioni tampone. Endress+Hauser produce soluzioni tampone per pH con i più severi requisiti, che sono specificati con il valore reale e con una valutazione di precisione del ± 0,02. I nostri buffer sono riconducibili a materiale di riferimento standard NIST (USA) e PTB (Germania), e contengono solo agenti conservanti listati FDA. Per dimostrare la qualità elevata del buffer, sottoponiamo regolarmente il nostro prodotto a test internazionali.
DAkkS ha certificato la nostra completa produzione di buffer e concesso una licenza di taratura per il nostro laboratorio di taratura del pH a Waldheim, Germania. L'accreditamento conferma che i valori reali e gli scostamenti delle soluzioni tampone prodotte sono determinati in modo corretto. Inoltre, siamo autorizzati a fornire la certificazione per tutti i buffer di pH prodotti, con l'obiettivo di semplificare gli audit di controllo e migliorare l'affidabilità delle procedure operative standard (SOP).
- Scegliere il pHmetro: ulteriori considerazioni
Quando si sceglie un misuratore di pH ci sono delle considerazioni aggiuntive da fare, oltre all’applicazione nel proprio processo. Se possibile, è più conveniente scegliere un sensore di temperatura integrato nell’elettrodo, per garantire che la misurazione del pH sia accuratamente compensata per la temperatura.
Poi, si può valutare l'elettrolita di riferimento: i sensori di pH con elettrolita di riferimento liquido e ricaricabile avranno una vita più lunga, meno rischi di contaminazione del riferimento e tempi di risposta più rapidi rispetto agli elettrodi con elettrolita in gel, anche se questi sono più facili da manutenere.
In conclusione, scegliere il pHmetro giusto dipende sia dalla necessità del proprio processo produttivo, sia dagli obiettivi di misurazione che si desiderano raggiungere. Un pHmetro ISFET, ad esempio, non contiene vetro e permette di misurare liquidi corrosivi o solventi organici, mentre un pHmetro in vetro garantisce un’elevata stabilità di misurazione e bassi costi di manutenzione. Per acquistare il pHmetro giusto è sempre bene confrontarsi con gli esperti che lo producono e farsi consigliare. Ad esempio, Endress+Hauser vanta un ricco portfolio di Phmetri adatti a tutte le condizioni.
Per ulteriori informazioni sulle misure analitiche, puoi leggere anche "Analisi chimiche industriali: principi, strumenti e soluzioni".
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