Pomiar pH, ORP, przewodności i tlenu rozpuszczonego w procesach przemysłowych

Pomiar pH, ORP i przewodności w procesach przemysłowych – zasady, dobór i regulacja.

Pomiar pH, potencjału redoks (ORP) oraz przewodności elektrycznej cieczy należy do podstawowych metod kontroli parametrów fizykochemicznych wody, ścieków, kąpieli technologicznych i roztworów procesowych. Ciągły pomiar tych wielkości umożliwia nie tylko kontrolę jakości medium, lecz także automatyczną regulację procesu, sterowanie dozowaniem reagentów, sygnalizację stanów alarmowych oraz rejestrację i archiwizację parametrów technologicznych.

Przemysłowe mierniki, przetworniki, regulatory, kontrolery, elektrody, sondy oraz rejestratory pH, redoks (ORP) i przewodności znajdują zastosowanie między innymi w oczyszczalniach ścieków, stacjach uzdatniania wody, instalacjach przygotowania wody technologicznej, galwanizerniach, liniach przygotowania powierzchni przed malowaniem, instalacjach lakierniczych, procesach chemicznych, przemyśle spożywczym, farmaceutycznym, kosmetycznym i energetycznym.

Firma ACSE Sp. z o.o. oferuje rozwiązania umożliwiające budowę kompletnego toru pomiarowego — od elektrody lub sondy mającej kontakt z medium, poprzez przetwornik i regulator, aż po sterownik PLC, wielokanałowy kontroler, rejestrator oraz nadrzędny system HMI lub SCADA.

Najważniejsze parametry fizykochemiczne cieczy – pH, ORP i przewodność

Właściwości roztworów wodnych wynikają między innymi z rodzaju i stężenia znajdujących się w nich jonów oraz zachodzących reakcji chemicznych. Do najczęściej kontrolowanych parametrów należą:

Parametr	Co określa?	Jednostka fizyczna	Przykładowy czujnik	Typowe zastosowanie
pH	kwasowość lub zasadowość medium	pH	elektroda szklana pH	neutralizacja, fermentacja, uzdatnianie wody, galwanizernie
Redoks / ORP	właściwości utleniające lub redukujące medium	mV	elektroda ORP, najczęściej Platynowa	dezynfekcja, oczyszczanie ścieków, reakcje chemiczne
Przewodność właściwa	zdolność roztworu do przewodzenia prądu wskutek obecności jonów	µS/cm, mS/cm, S/m	sonda konduktometryczna	uzdatnianie wody, płukanie, CIP, kąpiele technologiczne
Temperatura	temperatura medium; ważna również dla kompensacji pomiarów	°C	Pt100, Pt1000 lub czujnik zintegrowany	kompensacja i kontrola procesu

Jednoczesny pomiar pH, ORP, przewodności i temperatury dostarcza znacznie więcej informacji o stanie procesu niż pomiar tylko jednego parametru.

Co to jest pH?

Definicja pH

pH jest wielkością fizykochemiczną charakteryzującą kwasowość lub zasadowość roztworu.

Zakres mierzonego pH

W ujęciu termodynamicznym:

pH = –log₁₀ a(H⁺)

gdzie:

a(H⁺) – aktywność jonów wodorowych.

Należy zwrócić uwagę, że prawidłowa definicja odnosi się do aktywności jonów wodorowych, a nie bezpośrednio do ich stężenia.

Skala pH ma charakter logarytmiczny. Zmiana wartości pH o jedną jednostkę odpowiada w przybliżeniu dziesięciokrotnej zmianie aktywności jonów wodorowych.

W typowych zastosowaniach dla roztworów wodnych:

pH poniżej 7 wskazuje na środowisko kwaśne,
pH około 7 odpowiada środowisku zbliżonemu do obojętnego,
pH powyżej 7 wskazuje na środowisko zasadowe.

Nie należy jednak traktować wartości pH = 7 jako uniwersalnego punktu obojętności niezależnego od temperatury.

Jak działa przemysłowy pomiar pH

Najczęściej stosowaną metodą jest potencjometryczny pomiar pH przy użyciu elektrody szklanej.

Typowy układ pomiarowy składa się z:

elektrody pomiarowej pH + elektrody odniesienia + przetwornika pH

W praktyce przemysłowej oba elementy elektrochemiczne są najczęściej umieszczone we wspólnej obudowie i tworzą kombinowaną elektrodę pH.

Na membranie szklanej powstaje potencjał zależny od aktywności jonów H⁺. Przetwornik mierzy różnicę potencjałów pomiędzy elektrodą pomiarową i odniesienia, a następnie przelicza sygnał elektryczny na wartość pH.

Równanie Nernsta a pomiar pH

Zależność potencjału elektrody od aktywności jonów opisuje równanie Nernsta. Nachylenie charakterystyki elektrody zależy od temperatury, dlatego przemysłowy pomiar pH jest często realizowany razem z pomiarem temperatury.

W temperaturze około 25°C zmiana pH o jedną jednostkę odpowiada zmianie napięcia idealnej elektrody o około 59 mV.

Kompensacja temperatury podczas pomiaru pH

Budowa elektrody pH

Automatyczna kompensacja temperatury — jest jednym z ważniejszych elementów profesjonalnego systemu pomiarowego.

Należy jednak prawidłowo rozumieć jej działanie.

Kompensacja temperatury przetwornika pH koryguje zależne od temperatury nachylenie charakterystyki elektrody wynikające z równania Nernsta. Nie kompensuje natomiast rzeczywistej zmiany pH badanego roztworu wywołanej zmianą jego temperatury.

Dlatego dwa pomiary tej samej próbki wykonane przy różnych temperaturach mogą dawać różne wartości pH nawet przy prawidłowo działającej kompensacji temperaturowej.

Kalibracja elektrody pH

Elektroda pH jest elementem eksploatacyjnym. Jej charakterystyka zmienia się w czasie wskutek starzenia, zanieczyszczenia, zmian właściwości membrany i układu odniesienia.

Dlatego wymagane jest okresowe wykonywanie kalibracji.

Najczęściej stosowana jest:

kalibracja jednopunktowa,
kalibracja dwupunktowa,
w bardziej wymagających aplikacjach — kalibracja wielopunktowa.

W praktyce przemysłowej najczęściej stosuje się kalibrację dwupunktową w odpowiednio dobranych roztworach buforowych.

Kalibracja pozwala ocenić między innymi:

punkt zerowy elektrody,
nachylenie charakterystyki,
stopień jej zużycia,
poprawność odpowiedzi układu pomiarowego.

Regularna kalibracja, czyszczenie i diagnostyka elektrody mają często większy wpływ na wiarygodność pomiaru niż sama dokładność elektroniki przetwornika.

Jak często należy kalibrować przemysłową elektrodę pH?

Nie istnieje jeden uniwersalny okres kalibracji elektrody pH odpowiedni dla wszystkich instalacji. Wymagana częstotliwość zależy od rodzaju medium, temperatury, stopnia zabrudzenia, stabilności procesu, wymaganej dokładności i jakości zastosowanej elektrody.

Elektroda pracująca w czystej wodzie o stabilnych parametrach może zachowywać prawidłowe właściwości znacznie dłużej niż elektroda pracująca w ściekach, zawiesinach, emulsjach, kąpielach chemicznych lub medium powodującym szybkie powstawanie osadów.

Częstotliwość kalibracji najlepiej ustalić na podstawie wyników kolejnych kontroli i obserwowanego dryftu wskazań. Jeżeli podczas kolejnych sprawdzeń elektroda pozostaje stabilna, odstęp pomiędzy kontrolami może być odpowiednio dostosowany do wymagań procesu. Jeżeli występują duże odchylenia, częstotliwość sprawdzania należy zwiększyć i jednocześnie ustalić przyczynę niestabilności.

Dodatkową kontrolę lub kalibrację warto wykonać szczególnie:

po czyszczeniu lub regeneracji elektrody,
po wymianie elektrody,
po dłuższym postoju instalacji,
po wystąpieniu nietypowych lub niestabilnych wskazań,
po procesie mogącym spowodować silne zabrudzenie elektrody,
gdy wynik pomiaru online znacząco różni się od pomiaru kontrolnego.

W praktyce przemysłowej korzystniejsze od przyjęcia sztywnego terminu typu „kalibracja raz na miesiąc” jest stworzenie harmonogramu opartego na rzeczywistym zachowaniu elektrody w danym procesie. Pozwala to utrzymać wymaganą dokładność pomiaru bez wykonywania niepotrzebnych czynności serwisowych.

Co to jest potencjał redoks – ORP?

Redoks, nazywany również ORP – Oxidation-Reduction Potential, oznacza potencjał oksydacyjno-redukcyjny badanego medium.

Parametr ten określa tendencję układu chemicznego do przyjmowania lub oddawania elektronów i pozwala ocenić charakter utleniający lub redukujący środowiska.

Wartość ORP podawana jest najczęściej w:

mV – miliwoltach.

W uproszczeniu:

wysoki dodatni ORP oznacza silniejsze właściwości utleniające,
niższy lub ujemny ORP oznacza bardziej redukujący charakter środowiska.

Nie istnieje jednak jedna uniwersalna „prawidłowa” wartość ORP. Wynik zależy od obecnych w roztworze układów redoks, ich aktywności, pH, temperatury oraz przebiegu reakcji.

Jak działa pomiar redoks (ORP)?

Pomiar potencjału ORP jest również metodą potencjometryczną.

Typowa kombinowana elektroda redoks zawiera:

elektrodę pomiarową, najczęściej z platyny,
elektrodę odniesienia.

Przetwornik mierzy różnicę potencjałów pomiędzy elektrodą pomiarową a odniesienia i przedstawia wynik w mV.

W odróżnieniu od pH wynik ORP nie jest przeliczany na skalę logarytmiczną pH.

Gdzie stosuje się pomiar ORP?

Pomiar redoks może być wykorzystywany do kontroli:

procesów utleniania,
procesów redukcji,
dezynfekcji,
chlorowania,
dechloracji,
procesów oczyszczania ścieków,
procesów biologicznych,
kąpieli technologicznych,
chemicznego przygotowania powierzchni,
procesów przemysłowych wykorzystujących utleniacze lub reduktory.

Regulator ORP może również automatycznie sterować dozowaniem odpowiednich reagentów. Przy zastosowaniach dezynfekcyjnych ORP nie jest bezpośrednim pomiarem stężenia środka dezynfekcyjnego, np. wolnego chloru. Jest parametrem pośrednim zależnym również od pH, temperatury i składu medium.

pH i ORP – dlaczego warto mierzyć oba parametry?

pH i ORP opisują różne właściwości roztworu.

pH określa kwasowość lub zasadowość medium, natomiast ORP określa jego potencjał oksydacyjno-redukcyjny.

Dlatego w wielu aplikacjach korzystne jest jednoczesne monitorowanie obu wielkości, np.:

pH + ORP + temperatura

lub:

pH + ORP + przewodność + temperatura.

Takie rozwiązanie dostarcza bardziej kompletnego obrazu zmian zachodzących w procesie.

Z praktyki ACSE

W zbiornikach neutralizacyjnych jedną z częstszych przyczyn niestabilnej regulacji nie jest niewłaściwe nastawienie regulatora, lecz umieszczenie elektrody zbyt blisko punktu dozowania kwasu lub zasady.

Co to jest przewodność elektryczna cieczy?

Przewodność elektryczna roztworu określa jego zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego.

W roztworach wodnych prąd przenoszony jest głównie przez znajdujące się w medium jony. Wartość przewodności zależy między innymi od:

stężenia jonów,
rodzaju jonów,
ich ruchliwości,
temperatury,
składu chemicznego roztworu.

Przewodność może być wyrażana między innymi w:

µS/cm,
mS/cm,
S/cm,
µS/m,
mS/m,
S/m.

Przewodność a konduktancja – jaka jest różnica?

W materiałach technicznych określenia przewodność i konduktancja bywają stosowane zamiennie, jednak fizycznie oznaczają inne wielkości.

Konduktancja G

Konduktancja jest odwrotnością rezystancji:

G = 1/R

Jej jednostką jest siemens – S.

Konduktancja zależy nie tylko od właściwości medium, ale również od geometrii układu pomiarowego.

Przewodność właściwa κ

Przewodność właściwa jest właściwością badanego medium.

Z konduktancją wiąże ją stała celi K:

κ = K × G

To właśnie przewodność właściwa jest parametrem najczęściej prezentowanym przez przemysłowe konduktometry i przetworniki przewodności.

Jak działa pomiar przewodności cieczy

W klasycznym pomiarze konduktometrycznym w medium znajdują się elektrody pomiarowe.

Do celi pomiarowej doprowadzany jest odpowiedni sygnał elektryczny, a układ elektroniczny określa zdolność roztworu do przewodzenia prądu.

W zależności od zakresu i aplikacji stosowane są między innymi:

sondy 2-elektrodowe,
sondy 3-elektrodowe,
sondy 4-elektrodowe,
czujniki do bardzo niskiej przewodności,
czujniki do wysokiej przewodności.

Podstawowym parametrem sondy jest stała celi, która musi być prawidłowo dobrana do oczekiwanego zakresu przewodności.

Jak dobrać stałą celi konduktometrycznej do zakresu przewodności?

Prawidłowy dobór celi konduktometrycznej jest jednym z podstawowych warunków dokładnego i stabilnego pomiaru przewodności. Im niższa przewodność mierzonego medium, tym zazwyczaj mniejsza powinna być stała celi K. W przypadku cieczy o wysokiej przewodności stosuje się cele o większej stałej K lub rozwiązania wieloelektrodowe przeznaczone do szerokich zakresów pomiarowych.

Dobór sondy nie powinien opierać się wyłącznie na rodzaju medium. Należy uwzględnić przewidywany minimalny i maksymalny zakres przewodności, temperaturę i ciśnienie procesu, materiał elektrod, odporność chemiczną, sposób montażu oraz możliwość powstawania osadów.

Przykładowa stała celi	Przykładowy zakres pomiarowy sond ACSE	Typowe zastosowania
K = 0,01 cm⁻¹	ok. 0,04…20 µS/cm	woda o bardzo niskiej przewodności, woda demineralizowana i wysokiej czystości
K = 0,1 cm⁻¹	ok. 0,1…500 µS/cm	woda uzdatniona, woda procesowa o niskiej przewodności
K = 1 cm⁻¹	ok. 10 µS/cm…10 mS/cm	woda technologiczna, instalacje przemysłowe, procesy o średniej przewodności
K = 10 cm⁻¹	ok. 0,5…200 mS/cm	roztwory o wysokiej zawartości jonów, kąpiele technologiczne i procesy chemiczne
Cela 4-elektrodowa	zależnie od wykonania nawet do setek mS/cm	szerokozakresowe pomiary procesowe, CIP, instalacje o dużych zmianach przewodności

Podane zakresy mają charakter orientacyjny i odnoszą się do przykładowych sond znajdujących się w ofercie ACSE. Ostateczny dobór powinien zawsze uwzględniać charakterystykę konkretnej celi i współpracującego z nią miernika lub przetwornika. Przykładowo sondy SPT 401.001, SPT 01G, SPT 1G i SPT 10G obejmują zakresy od pomiarów wody o bardzo niskiej przewodności do około 200 mS/cm.

W aplikacjach wymagających szerokiego zakresu pomiarowego korzystne może być zastosowanie celi 4-elektrodowej. Taka konstrukcja ogranicza wpływ polaryzacji elektrod i rezystancji przewodów, dzięki czemu umożliwia stabilny pomiar w znacznie szerszym zakresie przewodności. Przykładem jest procesowa cela LF4623 o stałej C = 0,5 cm⁻¹, przeznaczona do pomiarów sięgających 500 mS/cm.

Z praktyki ACSE: częstym błędem jest dobór celi wyłącznie na podstawie nominalnej przewodności medium. W rzeczywistej instalacji należy uwzględnić również wartości występujące podczas rozruchu, płukania, dozowania chemikaliów, procesów CIP oraz stanów awaryjnych. Zakres zmian może być wtedy wielokrotnie większy niż w normalnych warunkach pracy.

Temperatura a pomiar przewodności

Temperatura ma bardzo duży wpływ na przewodność elektrolitu. Wraz ze zmianą temperatury zmienia się ruchliwość jonów, dlatego nawet bez zmiany składu chemicznego cieczy wartość przewodności może się znacząco zmieniać.

Z tego względu przemysłowe mierniki i przetworniki przewodności stosują:

pomiar temperatury,
automatyczną kompensację temperatury,
możliwość odniesienia wyniku do temperatury referencyjnej, np. 25°C.

W przeciwieństwie do kompensacji stosowanej w torze pH, kompensacja temperaturowa przewodności ma na celu przeliczenie zmierzonego wyniku na wartość odpowiadającą określonej temperaturze odniesienia.

Jest to szczególnie ważne podczas porównywania wyników wykonywanych w różnych warunkach temperaturowych. Współczynnik temperaturowy zależy od rodzaju roztworu i nie zawsze zależność przewodności od temperatury można dokładnie opisać prostą korekcją liniową.

Co można określić za pomocą pomiaru przewodności?

Przewodność jest doskonałym parametrem do szybkiego wykrywania zmian składu jonowego medium.

Pomiar może być wykorzystywany do kontroli:

czystości wody,
jakości wody procesowej,
zasolenia,
mineralizacji,
stężenia kąpieli technologicznych,
procesów płukania,
pracy instalacji odwróconej osmozy,
demineralizacji,
regeneracji instalacji,
procesów CIP (czyszczenia i dezynfekcji),
obecności pozostałości środków myjących.

Należy jednak pamiętać, że pomiar przewodności nie identyfikuje poszczególnych jonów.

Taka sama przewodność może być wynikiem obecności różnych substancji. Bez znajomości składu medium nie można więc automatycznie utożsamiać przewodności ze stężeniem konkretnego związku chemicznego.

Najczęstszy błąd przy pomiarze przewodności!!!

Dobór celi wyłącznie na podstawie medium, bez uwzględnienia przewidywanego zakresu przewodności i stałej celi.

Najczęstsze problemy podczas pomiaru pH, ORP i przewodności

Nieprawidłowe lub niestabilne wskazania nie zawsze oznaczają uszkodzenie miernika albo przetwornika. W instalacjach przemysłowych przyczyną problemów bardzo często jest stan elektrody lub celi pomiarowej, niewłaściwe miejsce montażu, zabrudzenie, pęcherze powietrza, zmiana temperatury albo nieprawidłowo dobrany zakres pomiarowy.

Objaw	Możliwe przyczyny	Zalecane sprawdzenie
Niestabilne wskazanie pH	zabrudzenie elektrody, pęcherze powietrza, zakłócenia elektryczne, montaż zbyt blisko punktu dozowania	sprawdzić stan elektrody, uziemienie, przepływ i miejsce montażu
Powolna reakcja elektrody pH	zabrudzona lub starzejąca się membrana szklana, osady na elektrodzie	przeprowadzić odpowiednie czyszczenie, kondycjonowanie i ponowną kalibrację
Dryft wskazania pH	zużycie elektrody, problem z układem odniesienia, zmiana temperatury lub składu medium	wykonać kontrolę w roztworach buforowych i ocenić punkt zerowy oraz nachylenie elektrody
Regulacja pH oscyluje	zbyt duża dawka reagenta, opóźnienie procesu, złe miejsce dozowania lub pomiaru	sprawdzić dynamikę procesu, mieszanie, nastawy regulatora i lokalizację elektrody
Niestabilne ORP	zabrudzona powierzchnia elektrody, zmienny skład medium, niewystarczająco ustalony potencjał	oczyścić elektrodę i sprawdzić warunki procesu oraz czas stabilizacji
Powolna reakcja ORP	osad na elektrodzie metalicznej, proces o wolnej kinetyce reakcji redoks	oczyścić powierzchnię elektrody i wydłużyć czas stabilizacji
Zawyżona lub zaniżona przewodność	zabrudzenie celi, nieprawidłowa stała K, błędna kompensacja temperatury	skontrolować celę, jej stałą oraz ustawienia kompensacji
Nagłe skoki przewodności	zmiana składu medium, dozowanie chemikaliów, płukanie instalacji, pęcherze gazu	porównać wskazanie z przebiegiem procesu i warunkami przepływu
Stopniowa zmiana wskazań przewodności	narastanie osadu na elektrodach, zmiana charakterystyki celi	wykonać czyszczenie oraz kontrolę za pomocą odpowiedniego wzorca
Różnica między pomiarem online i laboratoryjnym	różna temperatura próbki, czas od pobrania, kontakt z powietrzem, inne warunki pomiarowe	wykonywać porównanie w możliwie jednakowych warunkach i z uwzględnieniem temperatury

W przypadku diagnostyki należy analizować cały tor pomiarowy, a nie tylko sam czujnik. Źródłem błędu mogą być również przewody, złącza, przetwornik, konfiguracja wejścia, skalowanie sygnału 4…20 mA, parametry komunikacji cyfrowej lub konfiguracja systemu PLC/SCADA.

Z praktyki ACSE: jeżeli po zamontowaniu nowej lub prawidłowo skalibrowanej elektrody pH regulacja nadal jest niestabilna, przed zmianą nastaw PID warto sprawdzić miejsce pomiaru, miejsce dozowania reagenta i skuteczność mieszania. Problem procesowy bardzo łatwo pomylić z problemem regulatora.

Automatyczna regulacja pH – dozowanie kwasu i zasady

Jednym z najczęstszych zastosowań przemysłowych jest automatyczna regulacja pH.

Typowy układ:

elektroda pH → przetwornik/regulator pH → element wykonawczy → dozowanie reagenta → proces

Elementem wykonawczym może być:

pompa dozująca,
elektrozawór,
zawór regulacyjny,
układ dozowania kwasu,
układ dozowania zasady.

Regulator porównuje zmierzoną wartość pH z wartością zadaną i steruje ilością dodawanego reagenta.

W zależności od urządzenia i aplikacji może być stosowana regulacja:

ON/OFF,
proporcjonalna,
czasowo-proporcjonalna,
realizowana przez nadrzędny sterownik PLC.

Dlaczego regulacja pH jest trudniejsza niż regulacja temperatury?

Neutralizacja kwasu zasadą lub zasady kwasem jest procesem silnie nieliniowym.

W pobliżu określonych obszarów krzywej miareczkowania nawet niewielka ilość reagenta może spowodować znaczną zmianę wartości pH.

Do tego dochodzą:

czas mieszania,
opóźnienie pomiaru,
czas transportu reagenta,
zmienna wydajność procesu,
zmienna pojemność buforowa medium,
bezwładność układu.

Dlatego prawidłowa regulacja pH wymaga nie tylko dokładnego regulatora, ale także właściwego zaprojektowania całego procesu dozowania.

Szczególnie ważne jest, aby elektroda pomiarowa nie znajdowała się bezpośrednio przy miejscu wprowadzania kwasu lub zasady.

Sterowanie procesem na podstawie ORP

Regulator potencjału redoks może sterować:

dozowaniem utleniacza,
dozowaniem reduktora,
dozowaniem środków dezynfekcyjnych,
reakcją chemiczną,
określonym etapem procesu technologicznego.

Układ może działać lokalnie albo przekazywać wartość ORP do sterownika PLC poprzez sygnał analogowy lub cyfrową magistralę komunikacyjną.

Automatyczna kontrola przewodności

Pomiar przewodności może być podstawą sterowania między innymi:

dozowaniem koncentratu,
rozcieńczaniem roztworu,
wymianą kąpieli,
procesem płukania,
odsalaniem,
regeneracją instalacji,
systemem CIP,
zaworami przełączającymi strumień cieczy.

Przykładowo w procesie płukania spadek przewodności do określonego poziomu może oznaczać osiągnięcie wymaganej czystości i umożliwić automatyczne przejście do następnego etapu procesu.

Pomiar pH, ORP i przewodności w oczyszczalniach ścieków

Oczyszczalnie ścieków należą do najważniejszych obszarów zastosowania przemysłowych systemów pomiaru parametrów fizykochemicznych.

Pomiar pH ścieków

Ciągły pomiar pH może służyć do:

kontroli ścieków dopływających,
automatycznej neutralizacji,
sterowania dozowaniem kwasu lub zasady,
ochrony procesu biologicznego,
kontroli ścieków przemysłowych,
kontroli parametrów ścieków odprowadzanych.

Pomiar ORP w oczyszczalni ścieków

Potencjał redoks jest użytecznym parametrem do obserwowania zmian warunków utleniających i redukujących.

Może wspomagać kontrolę procesów biologicznych oraz wskazywać zmiany zachodzące w reaktorach technologicznych.

Pomiar przewodności ścieków

Przewodność pozwala szybko wykrywać zmiany ilości rozpuszczonych składników jonowych.

Nagły wzrost przewodności może być sygnałem dopływu nietypowych ścieków lub zwiększonej zawartości soli.

Zalecany zestaw parametrów:

pH + ORP + przewodność + temperatura

zapewnia znacznie pełniejszą ocenę zmian zachodzących w procesie oczyszczania ścieków.

Pomiar parametrów w stacjach uzdatniania wody

W stacji uzdatniania i przygotowania wody pomiar może być prowadzony:

na wejściu wody surowej,
po korekcie pH,
po filtracji,
podczas dezynfekcji,
po odwróconej osmozie,
po demineralizacji,
w zbiorniku magazynowym,
w instalacji dystrybucyjnej.

pH

Pozwala kontrolować warunki przebiegu procesów chemicznych i jakość wody.

ORP

Może być stosowany między innymi jako parametr pomocniczy w kontroli procesów utleniania i dezynfekcji.

Przewodność

Jest szczególnie przydatna do monitorowania zmian zawartości jonów i kontroli efektywności procesów uzdatniania.

Pomiar pH i przewodności w galwanizerniach

W liniach galwanicznych stabilne parametry kąpieli technologicznych mają bezpośredni wpływ na jakość obrabianej powierzchni i otrzymywanej powłoki.

Kontrolowane mogą być między innymi:

pH kąpieli,
ORP,
przewodność,
temperatura,
jakość wody płuczącej.

Zmiana parametrów kąpieli może powodować:

zmianę szybkości procesu,
pogorszenie jakości powłoki,
nierównomierne pokrycie,
pogorszenie przyczepności,
zmianę koloru lub wyglądu powierzchni,
zwiększenie zużycia chemikaliów,
wzrost ilości braków produkcyjnych.

Ciągły pomiar umożliwia znacznie szybszą reakcję niż okresowe pobieranie próbek.

Linie przygotowania powierzchni przed malowaniem

Przed lakierowaniem ciekłym lub proszkowym elementy mogą przechodzić przez kolejne procesy:

odtłuszczania,
mycia,
płukania,
trawienia,
aktywacji,
konwersji powierzchni,
płukania końcowego.

W zależności od technologii kontrolowane mogą być pH, przewodność, ORP i temperatura.

Przewodność w procesach płukania

Pomiar przewodności jest szczególnie użyteczny w płuczkach.

Wzrost przewodności może wskazywać na zwiększone przenoszenie składników chemicznych z poprzedniego etapu technologicznego.

Pomiar może więc umożliwiać:

kontrolę jakości płukania,
automatyczną wymianę wody,
sterowanie dopływem świeżej wody,
ograniczenie zużycia wody,
zmniejszenie ilości generowanych ścieków.

Instalacje malarskie i lakiernicze

Systemy pomiaru parametrów fizykochemicznych mogą być stosowane w:

sekcjach przygotowania powierzchni,
instalacjach mycia,
układach płukania,
obiegach wodnych,
instalacjach uzdatniania wody,
procesach oczyszczania ścieków z lakierni.

Integracja pomiarów z automatyką linii umożliwia szybkie wykrywanie nieprawidłowych parametrów i ogranicza ryzyko prowadzenia produkcji poza wymaganym zakresem technologicznym.

pH i przewodność w przemyśle spożywczym

Pomiar pH jest powszechnie stosowany podczas:

fermentacji,
produkcji napojów,
produkcji mleczarskiej,
produkcji sosów i koncentratów,
przygotowania surowców,
przygotowania wody technologicznej,
procesów mycia CIP,
oczyszczania ścieków.

pH może wpływać na:

właściwości produktu,
przebieg fermentacji,
aktywność mikroorganizmów,
stabilność procesu,
trwałość i jakość wyrobu.

Przewodność w instalacjach CIP

Przewodność może być wykorzystywana do rozpoznawania kolejnych faz mycia:

woda,
roztwór środka myjącego,
płukanie,
kolejny roztwór technologiczny,
płukanie końcowe.

Dzięki temu układ automatyki może ograniczać czas trwania poszczególnych etapów i zużycie wody oraz środków chemicznych.

Pomiar pH i przewodności w przemyśle farmaceutycznym

W przemyśle farmaceutycznym szczególnego znaczenia nabierają:

dokładność,
powtarzalność,
kalibracja,
identyfikowalność czujników,
rejestracja danych,
archiwizacja parametrów procesu.

Pomiar pH może być stosowany podczas przygotowywania i prowadzenia procesów technologicznych, natomiast przewodność ma istotne znaczenie w systemach przygotowania i kontroli jakości wody procesowej.

W tego typu aplikacjach szczególnie przydatne są rozwiązania cyfrowe przechowujące dane diagnostyczne i informacje dotyczące kalibracji czujnika.

Przemysłowe regulatory i przetworniki pH AER-102-PH

AER-102-PH jest przemysłowym urządzeniem tablicowym przeznaczonym do pomiaru i regulacji pH oraz współpracy z pomiarem temperatury.

W zależności od konfiguracji urządzenie może realizować funkcje:

miernika pH,
przetwornika pH,
regulatora pH,
kontrolera procesu.

AER-102-PH może współpracować z automatyką procesu poprzez sygnały analogowe i komunikację cyfrową, a wyjścia regulacyjne mogą służyć między innymi do sterowania dozowaniem reagentów.

Urządzenia tego typu są dobrym rozwiązaniem do lokalnych układów:

pomiar → wskazanie → regulacja → transmisja do PLC/rejestratora.

Przemysłowe regulatory redoks AER-101-ORP

AER-101-ORP jest urządzeniem przeznaczonym do pomiaru i kontroli potencjału oksydacyjno-redukcyjnego.

Może pracować jako:

miernik ORP,
przetwornik redoks,
regulator redoks,
element systemu automatycznego dozowania.

Rozwiązanie może znaleźć zastosowanie m.in. w procesach dezynfekcji, uzdatniania wody, oczyszczania ścieków oraz procesach chemicznych.

Seria WIL – pomiar i regulacja na szynie DIN

W aplikacjach, w których aparatura ma być zabudowana bezpośrednio w szafie sterowniczej, korzystnym rozwiązaniem są przemysłowe urządzenia WIL montowane na szynie DIN.

Oferta obejmuje rozwiązania do pomiaru i regulacji:

pH,
ORP,
przewodności.

Takie wykonanie pozwala ograniczyć liczbę urządzeń montowanych na elewacji szafy i ułatwia integrację z pozostałymi elementami automatyki.

PHIX – cyfrowy przetwornik pH i ORP

PHIX jest nowoczesnym cyfrowym przetwornikiem pH/ORP przeznaczonym do bezpośredniej współpracy z elektrodą pomiarową.

Zastosowanie cyfrowego przetwarzania sygnału bezpośrednio przy czujniku ogranicza problemy związane z przesyłaniem bardzo małych sygnałów analogowych o wysokiej impedancji na większe odległości.

PHIX umożliwia przesyłanie:

pH,
ORP,
temperatury,
informacji diagnostycznych poprzez cyfrową komunikację RS485 / Modbus RTU.

Rozwiązanie jest szczególnie przydatne w rozproszonych systemach pomiarowych oraz w instalacjach, w których wymagana jest rozbudowana diagnostyka i łatwa wymiana czujników.

CONDIX – cyfrowy pomiar przewodności

Do cyfrowego pomiaru przewodności mogą być stosowane przetworniki z rodziny CONDIX, m.in.:

CONDIX4213,
CONDIX4613,
CONDIX4623.

Urządzenia przeznaczone są do współpracy z odpowiednimi sondami przewodności oraz integracji z systemami automatyki.

Cyfrowa transmisja pozwala przekazywać do systemu nadrzędnego nie tylko samą wartość procesową, lecz również dodatkowe informacje związane ze stanem układu pomiarowego.

LF1010 – przemysłowy miernik przewodności

LF1010 jest rozwiązaniem przeznaczonym do pomiaru przewodności cieczy w instalacjach technologicznych. LF1010 współpracuje przede wszystkim z 4-elektrodowymi celami konduktometrycznymi, a w aplikacjach wody ultraczystej może współpracować z odpowiednią celą 2-elektrodową.

Może być wykorzystywany m.in. w:

uzdatnianiu wody,
procesach przemysłowych,
przemyśle chemicznym,
przemyśle farmaceutycznym,
laboratoryjnej kontroli procesów.

MULTICOM-H – monitor kontroli 6 cyfrowych przetworników pomiarowych w jednym systemie

W instalacjach wymagających monitorowania wielu punktów pomiarowych można zastosować MULTICON-H.

Kontroler umożliwia współpracę z maksymalnie 6 cyfrowymi czujnikami w dowolnej konfiguracji, wykorzystując magistralę RS485 i protokół Modbus RTU.

System może integrować między innymi pomiary:

pH,
ORP,
przewodności,
temperatury.

MULTICON-H posiada kolorowy wyświetlacz TFT i może przekazywać dane do nadrzędnego systemu automatyki poprzez komunikację przemysłową.

Rozwiązanie dobrze sprawdza się tam, gdzie wymagane jest centralne monitorowanie kilku parametrów fizykochemicznych.

Elektrody pH i ORP – prawidłowy dobór czujnika

Sam wybór przetwornika nie gwarantuje dokładnego pomiaru. Bardzo ważny jest prawidłowy dobór elektrody.

Oferta przemysłowych elektrod pH może obejmować czujniki przeznaczone do:

czystej wody,
wody pitnej,
wody procesowej,
ścieków,
roztworów technologicznych,
mediów agresywnych chemicznie.

W przypadku ścieków, zawiesin lub mediów powodujących zabrudzenie należy zwrócić szczególną uwagę na konstrukcję układu odniesienia i odporność czujnika na zanieczyszczenia.

Rejestracja pH, ORP i przewodności

Współczesny system pomiarowy powinien nie tylko pokazywać aktualny wynik, ale także umożliwiać analizę historii procesu.

Rejestrowane mogą być:

pH,
ORP,
przewodność,
temperatura,
stan wyjść,
przekroczenia wartości alarmowych,
dodatkowe parametry procesu.

Dzięki temu możliwe jest:

tworzenie trendów,
analiza awarii,
optymalizacja procesu,
dokumentowanie partii produkcyjnej,
ocena jakości regulacji,
identyfikowanie powtarzających się problemów.

Rejestratory procesowe VM7000A

Jeżeli przetworniki pH, ORP lub przewodności udostępniają standardowy sygnał procesowy, do rejestracji można wykorzystać uniwersalne rejestratory procesowe.

Seria VM7000A może rejestrować między innymi sygnały 0/4–20 mA oraz napięciowe, dzięki czemu może współpracować z przetwornikami parametrów fizykochemicznych.

Dostępne warianty umożliwiają obsługę wielu kanałów, prezentację trendów na kolorowym ekranie oraz zapis danych w pamięci.

Przykładowy układ:

elektroda pH → przetwornik pH 4–20 mA → VM7000A → zapis i analiza trendu

Analogicznie mogą być rejestrowane ORP i przewodność.

Integracja pH, ORP i przewodności z PLC, HMI i SCADA

W nowoczesnej instalacji przemysłowej układ może mieć strukturę:

czujniki → przetworniki → PLC → HMI / SCADA → baza danych

lub przy wykorzystaniu urządzeń cyfrowych:

PHIX / CONDIX → RS485 Modbus RTU → kontroler / PLC → Ethernet → SCADA

Dostępne w aparaturze przemysłowej interfejsy, takie jak:

4–20 mA,
wyjścia przekaźnikowe,
RS485 (Modbus RTU),
Ethernet,
PROFINET,

umożliwiają budowę rozproszonych systemów pomiarowych i ich integrację z automatyką zakładu.

Jak dobrać system pomiaru pH, ORP i przewodności?

1. Określ mierzone medium

Należy ustalić, czy pomiar dotyczy:

czystej wody,
wody technologicznej,
ścieków,
roztworu kwasu,
roztworu zasady,
kąpieli galwanicznej,
kąpieli przygotowania powierzchni,
roztworu myjącego,
produktu spożywczego,
medium farmaceutycznego.

2. Określ zakres pomiarowy

Dla pH zazwyczaj określa się wymagany fragment skali pH.

Dla ORP należy znać przewidywany zakres potencjału w mV.

Dla przewodności szczególnie ważny jest zakres w:

µS/cm,
mS/cm,
S/m.

3. Sprawdź temperaturę i ciśnienie

Warunki procesu mają bezpośredni wpływ na:

dopuszczalne materiały,
rodzaj uszczelnień,
żywotność czujnika,
sposób montażu.

4. Sprawdź odporność chemiczną

Należy uwzględnić kontakt czujnika z:

kwasami,
zasadami,
utleniaczami,
rozpuszczalnikami,
substancjami organicznymi,
agresywnymi mediami procesowymi.

5. Dobierz sposób montażu

Elektroda lub sonda może pracować:

w zbiorniku,
w rurociągu,
w armaturze zanurzeniowej,
w armaturze przepływowej,
w układzie bocznikowym.

6. Dobierz interfejs komunikacyjny

Najczęściej stosowane są:

4–20 mA,
sygnały przekaźnikowe,
RS485 / Modbus RTU,
przemysłowy Ethernet.

7. Określ funkcję urządzenia

Czy wymagany jest tylko:

pomiar?

czy:

pomiar + transmisja?

czy: pomiar + regulacja + alarmy?

czy też:

pomiar + sterowanie + rejestracja + komunikacja z SCADA?

Miejsce montażu elektrody ma kluczowe znaczenie

Częstą przyczyną nieprawidłowego działania systemów pH i ORP jest nie sam czujnik, lecz niewłaściwe miejsce jego instalacji.

Należy unikać punktów:

z pęcherzami powietrza,
z bardzo małym lub niestabilnym przepływem,
z intensywnym odkładaniem osadów,
niereprezentatywnych dla całego procesu,
bezpośrednio przy dozowaniu reagentów.

W przypadku zbiornika neutralizacyjnego elektroda powinna mierzyć dobrze wymieszane medium.

Czyszczenie i konserwacja elektrod pH i ORP

Osadzające się na czujniku:

tłuszcze,
białka,
osady mineralne,
zawiesiny,
osady biologiczne,
pozostałości procesu

mogą powodować wolniejszą odpowiedź, niestabilność oraz dryft wyniku.

Dlatego należy zaplanować:

okresowe czyszczenie,
kalibrację,
kontrolę wskazań,
diagnostykę czujnika,
okresową wymianę elektrody.

Częstotliwość konserwacji powinna wynikać z doświadczenia eksploatacyjnego dla konkretnego procesu.

Ciągły monitoring czy pomiar laboratoryjny?

Obie metody powinny się uzupełniać.

Pomiar online

Zapewnia:

ciągłą informację o procesie,
natychmiastową reakcję na zmianę,
alarmowanie,
automatyczne sterowanie,
historię procesu.

Pomiar laboratoryjny

Pozwala:

zweryfikować pomiar procesowy,
wykonać okresową kontrolę,
potwierdzić poprawność działania czujnika.

W wymagających aplikacjach najlepszym rozwiązaniem jest połączenie: pomiaru procesowego online + okresowej kontroli referencyjnej.

Korzyści z automatycznego pomiaru i regulacji parametrów fizykochemicznych

Prawidłowo zaprojektowany system umożliwia:

poprawę stabilności procesu,
zwiększenie powtarzalności produkcji,
ograniczenie zużycia kwasów i zasad,
ograniczenie zużycia środków chemicznych,
zmniejszenie zużycia wody,
ograniczenie ilości ścieków,
zmniejszenie ryzyka przedawkowania reagentów,
szybsze wykrywanie stanów awaryjnych,
automatyczne tworzenie historii procesu,
łatwiejszą analizę jakości,
integrację z Przemysłem 4.0.

Rozwiązania ACSE do pomiaru pH, ORP i przewodności – szybki dobór

Zadanie	Przykładowe rozwiązanie	Zastosowanie
Pomiar i regulacja pH	AER-102-PH	neutralizacja, woda, ścieki, procesy chemiczne
Pomiar i regulacja ORP	AER-101-ORP	oczyszczanie, dezynfekcja, procesy redoks
Urządzenia na szynę DIN	seria WIL	szafy sterownicze i automatyka
Cyfrowy pomiar pH/ORP	PHIX	rozproszone systemy RS485 (Modbus RTU)
Cyfrowy pomiar przewodności	CONDIX4213 / 4613 / 4623	woda, procesy technologiczne
Do 6 czujników cyfrowych	MULTICOM-H	centralny monitoring kilku parametrów
Pomiar pH ścieków	odpowiednio dobrane elektrody przemysłowe, np. seria pH2xx	oczyszczalnie i ścieki przemysłowe
Pomiar ORP ścieków	elektrody ORP + przetwornik	procesy utleniania/redukcji
Rejestracja sygnałów procesowych	VM7000A	trendy, archiwizacja i raportowanie

Kompleksowy system pomiarowy ACSE

Oferta ACSE umożliwia budowę kompletnego toru:

elektroda / sonda → przetwornik → regulator → sterownik → rejestrator → system SCADA

System może obejmować:

elektrody pH,
elektrody redoks (ORP),
sondy przewodności,
czujniki temperatury,
armaturę pomiarową,
przetworniki pH,
regulatory pH,
przetworniki redoks,
regulatory ORP,
przetworniki przewodności,
regulatory przewodności,
cyfrowe czujniki i przetworniki,
kontrolery wielokanałowe,
rejestratory danych,
integrację z PLC i SCADA.

Pozwala to dobrać zarówno prosty jednopunktowy miernik, jak i rozbudowany system monitorowania parametrów fizykochemicznych całej instalacji.

Kalibracja, sprawdzanie i okresowa weryfikacja całego toru pomiarowego

Wiarygodność pomiarów pH, ORP i przewodności zależy nie tylko od jakości zastosowanej elektrody lub celi. W instalacji przemysłowej należy okresowo sprawdzać cały tor pomiarowy – od czujnika, przez przetwornik lub regulator, aż do rejestratora, sterownika PLC albo systemu SCADA.

W przypadku pomiaru pH podstawową czynnością jest okresowa kalibracja elektrody przy użyciu odpowiednich roztworów buforowych. W zależności od wymaganej dokładności i zakresu roboczego stosuje się kalibrację jedno-, dwu- lub wielopunktową. W instalacjach procesowych szczególnie ważna jest kontrola punktu zerowego, nachylenia charakterystyki elektrody oraz powtarzalności wskazań.

Dla elektrod ORP można wykonywać okresową kontrolę wskazań za pomocą odpowiednich roztworów kontrolnych o znanym potencjale redoks. Pozwala to odróżnić rzeczywistą zmianę warunków procesu od zabrudzenia, starzenia lub uszkodzenia elektrody.

W systemach pomiaru przewodności do sprawdzania celi stosuje się odpowiednie wzorce przewodności. Kontroli powinna podlegać również stała celi, stan powierzchni elektrod oraz prawidłowość kompensacji temperaturowej.

Profesjonalna weryfikacja systemu może obejmować:

sprawdzenie czujnika lub elektrody przy użyciu odpowiedniego wzorca,
kontrolę pomiaru temperatury wykorzystywanego do kompensacji,
weryfikację wskazań lokalnego miernika lub regulatora,
sprawdzenie przeskalowania sygnału analogowego 4…20 mA,
kontrolę transmisji cyfrowej, np. Modbus RTU lub Modbus TCP,
porównanie wartości lokalnej z wartością rejestrowaną przez PLC, HMI, rejestrator lub SCADA,
ocenę stanu przewodów, złączy i ekranowania,
zapis daty kontroli, zastosowanego wzorca, wyników oraz wykonanych czynności serwisowych.

Kalibracja czujnika i sprawdzenie całego toru pomiarowego nie są tym samym. Prawidłowo skalibrowana elektroda może nadal dawać błędny wynik w systemie nadrzędnym, jeżeli np. niewłaściwie skonfigurowano zakres wejścia analogowego lub skalowanie wartości w sterowniku PLC.

W procesach krytycznych dla jakości produktu, bezpieczeństwa lub zgodności z wymaganiami technologicznymi zaleca się ustalenie procedury okresowej kontroli i dokumentowania wyników. Częstotliwość weryfikacji powinna wynikać z krytyczności procesu, wymaganej dokładności, stabilności czujnika, warunków eksploatacji oraz doświadczeń z wcześniejszych kontroli.

FAQ – najczęściej zadawane pytania

Co to jest pH?

pH jest logarytmiczną miarą związaną z aktywnością jonów wodorowych i służy do określania kwasowości lub zasadowości medium.

Co oznacza ORP?

ORP oznacza Oxidation-Reduction Potential, czyli potencjał oksydacyjno-redukcyjny. Wynik jest najczęściej podawany w mV.

Czy redoks i ORP oznaczają to samo?

W kontekście przemysłowych pomiarów cieczy określenia potencjał redoks i ORP są powszechnie stosowane w odniesieniu do potencjału oksydacyjno-redukcyjnego.

Czym różni się pH od ORP?

pH określa kwasowość lub zasadowość roztworu, a ORP jego właściwości oksydacyjno-redukcyjne.

Co mierzy konduktometr?

Konduktometr mierzy przewodność elektryczną cieczy wynikającą z obecności i ruchliwości jonów w roztworze.

Czym różni się przewodność od konduktancji?

Konduktancja jest odwrotnością rezystancji konkretnego układu pomiarowego. Przewodność właściwa jest właściwością medium i uwzględnia stałą geometryczną celi pomiarowej.

Czy przewodność można wykorzystać do pomiaru zasolenia?

Tak, przewodność może służyć do szacowania zasolenia, ale zależność pomiędzy przewodnością i stężeniem zależy od rodzaju znajdujących się w roztworze jonów.

Czy pomiar przewodności wymaga kompensacji temperatury?

W większości dokładnych pomiarów tak. Przewodność elektrolitów silnie zależy od temperatury.

Czy pH można automatycznie regulować?

Tak. Regulator pH może sterować pompami dozującymi kwas lub zasadę i automatycznie utrzymywać wartość procesu w wymaganym zakresie.

Czy regulator ORP może sterować dozowaniem chemikaliów?

Tak. W zależności od aplikacji regulator ORP może sterować dozowaniem utleniacza lub reduktora.

Czy można jednocześnie mierzyć pH, ORP i przewodność?

Tak. Wielokanałowe systemy pomiarowe pozwalają jednocześnie monitorować kilka parametrów fizykochemicznych.

Czy pH, ORP i przewodność można przesłać do PLC?

Tak. Przemysłowe przetworniki mogą wykorzystywać między innymi sygnał 4–20 mA lub komunikację RS485/Modbus.

Czy można rejestrować pH i przewodność?

Tak. Sygnały z przetworników mogą być zapisywane przez rejestrator procesowy, sterownik PLC lub system SCADA.

Jak często należy kalibrować elektrodę pH?

Częstotliwość zależy od medium, wymaganej dokładności, stopnia zabrudzenia i znaczenia pomiaru dla procesu. Nie istnieje jeden prawidłowy okres dla wszystkich aplikacji.

Jaka elektroda pH jest odpowiednia do ścieków?

Elektrodę należy dobrać z uwzględnieniem zawiesin, zabrudzeń, składu chemicznego, temperatury, ciśnienia i sposobu montażu. Do ścieków stosuje się konstrukcje bardziej odporne na zanieczyszczenie układu odniesienia.

Czy jedna elektroda może mierzyć jednocześnie pH i ORP?

Standardowa elektroda pH i elektroda ORP wykorzystują inne elementy pomiarowe. W typowych układach są to oddzielne czujniki.

Podsumowanie

Prawidłowy pomiar pH, potencjału redoks (ORP) i przewodności jest podstawą skutecznej automatyzacji procesów związanych z wodą, ściekami i cieczami technologicznymi.

Nowoczesny system powinien obejmować nie tylko czujnik, ale cały tor:

pomiar → przetwarzanie → regulacja → alarmowanie → sterowanie → rejestracja → analiza danych.

Przemysłowe przetworniki pH, regulatory pH, przetworniki ORP, regulatory redoks, mierniki i regulatory przewodności, elektrody, sondy oraz rejestratory oferowane przez ACSE Sp. z o.o. umożliwiają budowę takich układów zarówno dla pojedynczych punktów pomiarowych, jak i rozbudowanych instalacji wielokanałowych.

Rozwiązania znajdują zastosowanie w oczyszczalniach ścieków, stacjach uzdatniania wody, galwanizerniach, liniach przygotowania powierzchni, instalacjach lakierniczych, przemyśle chemicznym, spożywczym i farmaceutycznym, wszędzie tam, gdzie stabilne parametry fizykochemiczne wpływają na jakość, bezpieczeństwo i ekonomikę procesu.