Kvalita vody patrí medzi rozhodujúce faktory spoľahlivej prevádzky mnohých priemyselných technológií. Či už ide o výrobu technologickej vody, chemické procesy, energetiku, farmaceutický priemysel alebo chladiace okruhy, nesprávne parametre vody môžu spôsobovať koróziu, tvorbu usadenín, poškodzovanie zariadení a zhoršenie kvality výrobného procesu.

Medzi najčastejšie sledované parametre vody patria pH a elektrická vodivosť.

Hoci sa tieto veličiny často merajú súčasne, poskytujú odlišné informácie o vlastnostiach vody.

Meranie pH umožňuje sledovať kyslosť alebo zásaditosť roztoku, zatiaľ čo elektrická vodivosť poskytuje informáciu o schopnosti vody viesť elektrický prúd, ktorá závisí najmä od prítomnosti rozpustených iónov.

Správne meranie oboch veličín je dôležité nielen pre kontrolu kvality vody, ale aj pre automatické riadenie technologických procesov.

Ako fungujú snímače pH a vodivosti, aké sú medzi nimi rozdiely a na čo si dať pozor pri ich výbere?

Prečo je meranie pH a vodivosti v priemysle dôležité?

V priemyselných aplikáciách sa voda používa ako chladiace médium, technologická surovina, rozpúšťadlo, čistiace médium alebo súčasť výrobného procesu.

Jej chemické vlastnosti pritom priamo ovplyvňujú životnosť zariadení aj stabilitu prevádzky.

Nevhodné pH môže podporovať koróziu kovových častí, ovplyvňovať chemické reakcie alebo znižovať účinnosť niektorých procesov úpravy vody.

Zvýšená elektrická vodivosť môže signalizovať zmenu koncentrácie rozpustených iónov, prienik nežiaducich látok alebo zhoršenie účinnosti demineralizácie.

Pravidelné monitorovanie týchto veličín umožňuje:

• kontrolovať kvalitu technologickej vody,

• sledovať účinnosť úpravy a demineralizácie,

• optimalizovať dávkovanie chemikálií,

• odhaľovať zmeny v technologickom procese,

• obmedzovať riziko korózie a tvorby usadenín,

• automatizovať prevádzku úpravní vody,

• zaznamenávať a vyhodnocovať dlhodobé trendy.

Samotné pH ani vodivosť však neposkytujú úplný obraz o kvalite vody. V závislosti od aplikácie môže byť potrebné sledovať aj tvrdosť, obsah kyslíka, zákal, TOC alebo konkrétne rozpustené látky.

1. Čo je pH a čo nám hovorí o vode?

pH je veličina vyjadrujúca kyslosť alebo zásaditosť vodného roztoku.

Súvisí s aktivitou vodíkových iónov v roztoku a používa sa na charakterizáciu jeho acidobázických vlastností.

Pri bežných podmienkach sa často používa orientačné rozdelenie:

Toto rozdelenie platí približne pri 25 °C. Neutrálna hodnota pH sa s teplotou mení.

Stupnica pH je logaritmická. Rozdiel jednej jednotky pH zodpovedá desaťnásobnému rozdielu aktivity vodíkových iónov.

Napríklad roztok s pH 5 má približne desaťnásobne vyššiu aktivitu vodíkových iónov než roztok s pH 6.

Preto aj relatívne malá zmena pH môže predstavovať významnú zmenu chemických podmienok procesu.

Kde sa pH meria?

Meranie pH sa využíva najmä pri:

• neutralizácii priemyselných odpadových vôd,

• chemickom dávkovaní,

• úprave pitnej a technologickej vody,

• chladiacich okruhoch,

• chemickej výrobe,

• farmaceutických a potravinárskych procesoch,

• kontrole niektorých kotlových a kondenzátnych systémov.

Konkrétne požadované hodnoty pH závisia od technologického procesu, materiálov zariadenia a požiadaviek na kvalitu vody.

2. Ako funguje priemyselný snímač pH?

Najrozšírenejším princípom merania pH je potenciometrické meranie pomocou sklenenej elektródy.

Typický priemyselný pH snímač obsahuje:

• meraciu elektródu citlivú na aktivitu vodíkových iónov,

• referenčný elektródový systém,

• elektrolyt a referenčný prechod,

• mechanické telo snímača,

• elektrické pripojenie.

Meracia elektróda vytvára elektrický potenciál, ktorý závisí od pH meraného roztoku.

Tento potenciál sa porovnáva s potenciálom referenčnej elektródy.

Vyhodnocovacia elektronika následne vypočíta hodnotu pH.

Moderné priemyselné snímače často používajú kombinované elektródy, v ktorých sú merací aj referenčný systém integrované do jedného telesa.

Prečo je dôležitá referenčná elektróda?

Referenčný systém poskytuje stabilný elektrický potenciál potrebný na vyhodnotenie merania.

Ak dôjde k jeho znečisteniu, upchatiu alebo degradácii, môže sa zhoršiť stabilita a presnosť merania.

Typickými prejavmi sú:

• pomalá reakcia snímača,

• kolísanie hodnoty pH,

• zvýšený drift,

• problémy pri kalibrácii,

• rozdiel medzi laboratórnym a prevádzkovým meraním.

Pri agresívnych, znečistených alebo technologicky náročných médiách je preto veľmi dôležitý správny výber referenčného systému a konštrukcie elektródy.

3. Prečo snímač pH potrebuje pravidelnú kalibráciu?

Na rozdiel od niektorých iných priemyselných snímačov je pH elektróda elektrochemický merací prvok, ktorého vlastnosti sa počas prevádzky postupne menia.

Môže dochádzať k:

• starnutiu sklenenej membrány,

• zmene charakteristiky elektródy,

• znečisteniu referenčného prechodu,

• zmene odozvy,

• mechanickému alebo chemickému poškodeniu.

Preto je potrebné pravidelne overovať jej funkciu a podľa potreby vykonávať kalibráciu.

Jednobodová a dvojbodová kalibrácia

Pri jednobodovej kalibrácii sa upravuje predovšetkým nulový bod meracieho systému.

Pri dvojbodovej kalibrácii sa vyhodnocuje aj sklon charakteristiky elektródy.

V praxi sa často používajú štandardné tlmivé roztoky, napríklad:

• pH 4,01,

• pH 7,00,

• pH 10,01.

Výber kalibračných bodov by mal zodpovedať očakávanému rozsahu merania.

Ak sa napríklad sleduje kyslá technologická voda, vhodné môžu byť kalibračné body pH 4 a pH 7.

Pri zásaditom procese sa často používajú pH 7 a pH 10.

Dôležité: Kalibračné roztoky majú teplotne závislé hodnoty pH. Pri kalibrácii treba používať hodnoty zodpovedajúce skutočnej teplote roztoku.

Interval kalibrácie nie je univerzálny. Závisí od typu elektródy, charakteru média, požadovanej presnosti a stability prevádzky.

4. Čo je elektrická vodivosť vody?

Elektrická vodivosť vyjadruje schopnosť vody viesť elektrický prúd.

Táto schopnosť závisí predovšetkým od koncentrácie, pohyblivosti a typu rozpustených iónov.

Medzi látky, ktoré ovplyvňujú vodivosť, patria napríklad ióny:

• sodíka (Na⁺),

• draslíka (K⁺),

• vápnika (Ca²⁺),

• horčíka (Mg²⁺),

• chloridov (Cl⁻),

• síranov (SO₄²⁻),

• hydrogénuhličitanov (HCO₃⁻).

Čím viac elektricky nabitých častíc voda obsahuje, tým vyššia býva jej elektrická vodivosť.

Neplatí však, že vodivosť umožňuje priamo určiť presné chemické zloženie vody.

Dve vzorky s rovnakou vodivosťou môžu obsahovať rozdielne koncentrácie a typy rozpustených látok.

V akých jednotkách sa vodivosť meria?

V praxi sa najčastejšie používajú:

• µS/cm – mikrosiemens na centimeter,

• mS/cm – milisiemens na centimeter.

Platí:

1 mS/cm = 1 000 µS/cm

Orientačné hodnoty pri 25 °C:

Ide o orientačné hodnoty, nie o pevné limity jednotlivých druhov vody.

Skutočné hodnoty závisia od zloženia, teploty a podmienok merania.

5. Ako funguje snímač elektrickej vodivosti?

Priemyselné snímače vodivosti využívajú viacero meracích princípov.

Najčastejšie ide o kontaktné elektródové a indukčné snímače.

Kontaktné snímače vodivosti

Kontaktné snímače využívajú elektródy, ktoré sú v priamom kontakte s meranou kvapalinou.

Elektronika vyhodnocuje elektrické vlastnosti roztoku a na základe geometrie meracej bunky vypočítava vodivosť.

Používajú sa napríklad dvoj- alebo štvor-elektródové konštrukcie.

Výhodou kontaktných snímačov je možnosť veľmi citlivého merania nízkych hodnôt vodivosti.

Preto sa používajú aj pri monitorovaní demineralizovanej a vysokočistej vody.

Ich nevýhodou môže byť citlivosť na znečistenie elektród, polarizačné javy a usadeniny.

Indukčné snímače vodivosti

Indukčné snímače, označované aj ako toroidné, pracujú bez klasických meracích elektród vystavených médiu.

Meranie je založené na elektromagnetickej väzbe medzi snímačom a vodivou kvapalinou.

Ich výhodou je menšia citlivosť na niektoré typy povrchového znečistenia elektród.

Používajú sa najmä pri:

• vyšších hodnotách vodivosti,

• chemických roztokoch,

• znečistených médiách,

• procesoch s rizikom usadzovania látok.

Indukčné snímače však spravidla nie sú vhodnou voľbou na meranie extrémne nízkej vodivosti ultračistej vody.

6. Kontaktný alebo indukčný snímač vodivosti?

Výber meracieho princípu závisí od konkrétnej aplikácie.

Pri výbere snímača vodivosti je rozhodujúci najmä merací rozsah, charakter média a požadovaná presnosť.

7. Prečo je pri meraní pH a vodivosti dôležitá teplota?

Teplota patrí medzi najvýznamnejšie faktory ovplyvňujúce obe merania.

Jej vplyv však nie je rovnaký.

Vplyv teploty na meranie pH

Odozva pH elektródy závisí od teploty podľa Nernstovej rovnice.

Pri 25 °C predstavuje ideálny sklon približne 59,16 mV na jednu jednotku pH.

Pri inej teplote sa tento sklon mení.

Moderné pH prevodníky preto často používajú automatickú teplotnú kompenzáciu.

Tá však kompenzuje najmä teplotnú závislosť elektródovej odozvy.

Automatická teplotná kompenzácia neznamená, že chemicky podmienené zmeny skutočného pH roztoku s teplotou zmiznú.

Pri niektorých procesoch sa pH mení v dôsledku teplotne závislých chemických rovnováh.

Vplyv teploty na elektrickú vodivosť

Elektrická vodivosť väčšiny vodných roztokov rastie so zvyšujúcou sa teplotou.

Dôvodom je najmä zmena pohyblivosti iónov.

Pri mnohých bežných vodných roztokoch sa používa orientačný teplotný koeficient približne 2 % na °C.

Táto hodnota však nie je univerzálna.

Skutočný koeficient závisí od chemického zloženia a koncentrácie roztoku.

Preto sa vodivosť často prepočítava na referenčnú teplotu 25 °C.

Pri vysokočistej vode a špecifických chemických roztokoch môže byť potrebný osobitný kompenzačný model.

8. Prečo môžu snímače pH a vodivosti ukazovať nesprávne hodnoty?

Aj kvalitný merací systém môže poskytovať nesprávne údaje, ak nie je vhodne navrhnutý alebo udržiavaný.

Najčastejšie problémy pri meraní pH

Znečistená elektróda

Usadeniny na meracom povrchu môžu spôsobovať pomalú reakciu alebo nestabilné meranie.

Upchatý referenčný prechod

Znečistenie referenčného systému môže ovplyvniť elektrický potenciál a stabilitu merania.

Starnutie elektródy

Elektrochemické vlastnosti elektródy sa počas prevádzky menia.

Nesprávna kalibrácia

Použitie kontaminovaných alebo nevhodných tlmivých roztokov môže viesť k chybnému nastaveniu.

Nevhodné skladovanie

Niektoré pH elektródy sa nesmú nechať vyschnúť ani dlhodobo skladovať v destilovanej vode. Správny skladovací roztok určuje výrobca.

Najčastejšie problémy pri meraní vodivosti

Znečistenie meracieho priestoru

Usadeniny môžu meniť efektívnu geometriu merania.

Nesprávna konštanta meracej bunky

Kontaktné snímače používajú konštantu bunky, ktorá súvisí s ich geometriou.

Ak je nesprávne nastavená, výsledná hodnota vodivosti môže byť chybná.

Nesprávna teplotná kompenzácia

Nevhodne zvolený koeficient môže spôsobovať významné rozdiely medzi nameranou a referenčnou hodnotou.

Vzduchové bubliny

Bubliny v meracom priestore môžu narúšať meranie, najmä pri niektorých kontaktných konštrukciách.

Nevhodný merací rozsah

Snímač určený na vysokú vodivosť nemusí byť dostatočne citlivý pri veľmi čistej vode.

9. Meranie pH a vodivosti pri reverznej osmóze

Reverzná osmóza patrí medzi najdôležitejšie aplikácie, v ktorých sa sleduje kvalita vstupnej a upravenej vody.

Pri prevádzke RO systému má meranie pH a vodivosti rozdielnu funkciu.

Meranie pH

pH môže ovplyvňovať:

• riziko tvorby minerálnych usadenín,

• chemické podmienky predúpravy,

• účinnosť niektorých procesov,

• vhodnosť vody pre následné technologické použitie.

Pri niektorých systémoch sa pH upravuje dávkovaním kyseliny alebo iných chemikálií.

Takéto dávkovanie musí vychádzať z chemického zloženia vody a požiadaviek membránového systému.

Meranie vodivosti

Vodivosť sa často meria na vstupe aj na výstupe reverznej osmózy.

Porovnaním hodnôt možno orientačne sledovať účinnosť odstraňovania iónových látok.

Napríklad:

• vstupná vodivosť: 800 µS/cm,

• vodivosť permeátu: 16 µS/cm.

Pri porovnateľných teplotných podmienkach to zodpovedá približne 98 % zníženiu vodivosti.

Takýto údaj môže slúžiť na prevádzkové sledovanie systému.

Nejde však automaticky o presnú hodnotu odstránenia všetkých rozpustených látok, pretože jednotlivé ióny majú rozdielny príspevok k vodivosti.

Dlhodobý nárast vodivosti permeátu môže upozorňovať na zhoršenie separačných vlastností systému, zmenu vstupnej vody alebo technický problém.

10. Meranie pH a vodivosti v chladiacich okruhoch

V priemyselných chladiacich systémoch je kvalita vody dôležitá pre ochranu potrubí, výmenníkov tepla a ďalších technologických zariadení.

Nevhodné chemické podmienky môžu spôsobovať:

• koróziu,

• tvorbu minerálnych usadenín,

• zhoršenie prestupu tepla,

• zvýšenie energetickej náročnosti,

• poškodzovanie zariadení.

Kontrola pH

Meranie pH pomáha sledovať chemické podmienky vody a riadiť dávkovanie vhodných prípravkov.

Kontrola vodivosti

Pri odparovacích chladiacich systémoch sa vodivosť používa aj na kontrolu zahusťovania rozpustených solí.

Ak vodivosť prekročí nastavenú hodnotu, systém môže automaticky aktivovať odkalovanie alebo odpúšťanie časti vody.

Takto možno obmedzovať nadmerné zahusťovanie a riziko tvorby usadenín.

Optimálne hodnoty pH a vodivosti závisia od konkrétneho chladiaceho systému, materiálov a chemického režimu.

11. Online meranie alebo laboratórna kontrola?

Priemyselné prevádzky často kombinujú kontinuálne online meranie s pravidelnými laboratórnymi analýzami.

Oba prístupy majú svoje výhody.

Online meranie je vhodné najmä tam, kde sa parametre vody môžu rýchlo meniť alebo kde je potrebné automatické dávkovanie chemikálií.

Laboratórne meranie zase umožňuje vykonávať kontrolné analýzy a overovať správnosť prevádzkových údajov.

Najspoľahlivejšie riešenie často predstavuje kombinácia oboch prístupov.

12. Ako správne vybrať snímač pH alebo vodivosti?

Pri výbere snímača nestačí poznať iba požadovanú meranú veličinu.

Dôležité sú aj vlastnosti média a prevádzkové podmienky.

Pri výbere snímača pH treba preveriť:

1. Merací rozsah pH.

2. Prevádzkovú teplotu.

3. Prevádzkový tlak.

4. Chemické zloženie média.

5. Riziko zanášania a tvorby usadenín.

6. Vhodnosť referenčného systému.

7. Požadovanú presnosť a stabilitu.

8. Spôsob montáže a čistenia.

9. Možnosti kalibrácie a výmeny elektródy.

10. Kompatibilitu s prevodníkom a riadiacim systémom.

Pri výbere snímača vodivosti treba preveriť:

1. Minimálnu a maximálnu očakávanú vodivosť.

2. Požadovanú presnosť.

3. Typ média.

4. Prevádzkovú teplotu a tlak.

5. Riziko znečistenia.

6. Vhodnosť kontaktného alebo indukčného princípu.

7. Požadovanú teplotnú kompenzáciu.

8. Materiálové vyhotovenie.

9. Procesné pripojenie.

10. Požadovaný výstupný signál.

Pri automatizovaných aplikáciách je vhodné zohľadniť aj požiadavky na diagnostiku a komunikáciu.

Moderné prevodníky môžu poskytovať analógové výstupy 4–20 mA, reléové kontakty alebo digitálne komunikačné rozhrania podľa konkrétneho modelu.

13. Ako integrovať meranie pH a vodivosti do automatizácie?

V moderných priemyselných prevádzkach sa meranie kvality vody čoraz častejšie integruje do nadradených riadiacich systémov.

Typické riešenie pozostáva zo snímača, prevodníka a PLC alebo SCADA systému.

Merané hodnoty možno využiť na:

• automatické dávkovanie chemikálií,

• riadenie neutralizácie,

• kontrolu kvality permeátu,

• ovládanie odkalovacích ventilov,

• aktiváciu alarmov,

• blokovanie technologických procesov pri prekročení limitov,

• archiváciu prevádzkových údajov.

Praktický príklad: automatická neutralizácia vody

Priemyselná odpadová voda môže mať premenlivé pH.

Online snímač kontinuálne meria aktuálnu hodnotu.

Riadiaci systém na základe nameraného pH ovláda dávkovacie čerpadlo alebo regulačný ventil.

Cieľom je udržiavať pH v požadovanom rozsahu.

Pri návrhu je však potrebné zohľadniť aj reakčný čas, premiešanie média, oneskorenie merania a chemické vlastnosti vody.

Nesprávne nastavenie regulácie môže spôsobovať kolísanie pH a nadmernú spotrebu chemikálií.

14. Najčastejšie chyby pri meraní pH a vodivosti

V praxi sa opakuje niekoľko problémov, ktoré môžu výrazne znižovať spoľahlivosť merania.

1. Výber snímača bez znalosti chemického zloženia vody

Nie každý materiál elektródy alebo tesnenia je vhodný pre každé médium.

2. Nevhodný merací rozsah

Snímač vodivosti určený pre vysoké koncentrácie solí nemusí byť vhodný pre ultračistú vodu.

3. Ignorovanie teplotnej kompenzácie

Teplotné zmeny môžu výrazne ovplyvniť výsledky merania.

4. Nedostatočná údržba pH elektródy

Znečistenie a starnutie elektródy môžu spôsobovať drift a pomalú reakciu.

5. Nesprávne umiestnenie snímača

Vzduchové bubliny, nedostatočné prúdenie alebo nevhodné montážne miesto môžu ovplyvniť meranie.

6. Nevhodné kalibračné roztoky

Kontaminované alebo nesprávne skladované roztoky môžu viesť k chybným výsledkom.

7. Zámena vodivosti za presné chemické zloženie

Vodivosť poskytuje informáciu o celkovej schopnosti roztoku viesť elektrický prúd, nie o presnej koncentrácii jednotlivých látok.

8. Chýbajúce pravidelné overovanie merania

Bez pravidelnej kontroly môže prevádzka dlhodobo pracovať s nesprávnymi údajmi.

15. Kedy je potrebné snímač vyčistiť alebo vymeniť?

Životnosť snímača závisí od jeho konštrukcie a prevádzkových podmienok.

Pri pH elektródach môže byť potrebná výmena, ak:

• meranie zostáva nestabilné aj po vyčistení,

• elektróda reaguje príliš pomaly,

• nedokáže úspešne absolvovať kalibráciu,

• referenčný systém je poškodený,

• elektróda vykazuje neprijateľný sklon alebo posun charakteristiky.

Pri snímačoch vodivosti je dôležité kontrolovať najmä stav elektród alebo meracieho priestoru.

V mnohých prípadoch môže správne čistenie obnoviť funkciu snímača.

Ak však dôjde k mechanickému alebo chemickému poškodeniu, môže byť potrebná jeho výmena.

Pravidelná údržba a kontrola trendov pomáhajú predchádzať situáciám, keď nesprávne meranie ovplyvní celý technologický proces.

Záver

Meranie pH a elektrickej vodivosti patrí medzi základné nástroje kontroly kvality vody v priemyselných prevádzkach.

Hoci sa tieto veličiny často merajú súčasne, každá poskytuje inú informáciu.

pH charakterizuje kyslosť alebo zásaditosť roztoku, zatiaľ čo elektrická vodivosť súvisí s obsahom a vlastnosťami rozpustených iónov.

Správny výber snímača závisí od meracieho rozsahu, chemického zloženia média, teploty, tlaku a požadovanej presnosti.

Rovnako dôležitá je správna montáž, pravidelná kalibrácia a vhodná údržba.

Spoľahlivé meranie pH a vodivosti nie je iba otázkou kvality snímača. Je výsledkom správneho návrhu celého meracieho systému.

Spoločnosť REFLOW SK sa venuje priemyselnej meracej a regulačnej technike a riešeniam pre úpravu technologickej vody.

Pri návrhu merania vám pomôžeme s výberom vhodného meracieho princípu, prevodníka a spôsobu integrácie do technologického procesu podľa konkrétnych prevádzkových požiadaviek.