Cảm biến đo độ pH là gì? Chức năng và nguyên lý hoạt động

Cảm biến đo độ pH là thiết bị điện tử chuyên dụng được thiết kế để đo chính xác mức độ axit hoặc bazơ trong dung dịch lỏng thông qua thang đo pH từ 0-14. Bài viết này Thiết bị dụng cụ kỹ thuật Hitami sẽ phân tích chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng đa dạng của cảm biến đo độ pH trong nhiều lĩnh vực khác nhau, giúp bạn hiểu rõ tầm quan trọng và cách lựa chọn cảm biến pH phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Cảm biến độ pH là gì?

Cảm biến pH là thiết bị điện tử dùng để đo độ axit hoặc kiềm của chất lỏng, với thang đo từ 0-14. Giá trị 7 là trung tính, dưới 7 là axit (càng thấp càng axit mạnh), trên 7 là kiềm (càng cao càng kiềm mạnh). Thiết bị này chuyển đổi nồng độ ion hydro trong dung dịch thành tín hiệu điện để hiển thị giá trị pH chính xác.

Cảm biến pH ra đời từ đầu thế kỷ 20 khi nhà hóa học Søren Sørensen phát minh khái niệm pH, và đã phát triển từ thiết bị thủ công đến cảm biến điện tử hiện đại. Ngày nay, cảm biến pH đạt độ chính xác ±0.01 pH với khả năng bù nhiệt độ tự động, đóng vai trò quan trọng trong kiểm soát chất lượng ở nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là y học và dược phẩm.

Cấu tạo của cảm biến độ pH

Cảm biến pH gồm hai phần chính: điện cực pH và bộ khuếch đại tín hiệu. Điện cực pH là phần quan trọng nhất, trực tiếp tiếp xúc với dung dịch để phát hiện ion hydro. Nó có bầu thủy tinh mỏng ở đầu nhạy cảm với ion H+, bên trong chứa dung dịch đệm và điện cực Ag/AgCl. Điện cực tham chiếu là phần thứ hai, cung cấp điện thế ổn định để so sánh, thường chứa dung dịch KCl bão hòa.

Vỏ cảm biến được làm từ nhựa hoặc kim loại chống ăn mòn để bảo vệ các bộ phận bên trong. Nhiều cảm biến hiện đại có thêm cảm biến nhiệt độ tích hợp để tự động bù nhiệt, giúp đo chính xác hơn. Cáp kết nối được thiết kế chống nhiễu và chống ẩm, thường dùng đầu nối BNC hoặc DIN để đảm bảo kết nối ổn định và dễ thay thế khi cần.

Chức năng và nguyên lý hoạt động của cảm biến đo độ pH

Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo độ pH dựa trên hiện tượng tạo ra điện thế (chênh lệch điện áp) giữa điện cực pH và điện cực tham chiếu khi tiếp xúc với dung dịch cần đo. Khi bầu thủy tinh của điện cực pH tiếp xúc với dung dịch, các ion hydro (H+) trong dung dịch tương tác với lớp gel mỏng trên bề mặt bầu thủy tinh, tạo ra điện tích tỷ lệ thuận với nồng độ ion H+ trong dung dịch.

Phương trình Nernst mô tả mối quan hệ giữa điện thế đo được (E) và độ pH của dung dịch như sau:
E = E₀ – (2.303RT/nF) × pH

Trong đó:

• E là điện thế đo được
• E₀ là điện thế tiêu chuẩn của điện cực
• R là hằng số khí lý tưởng
• T là nhiệt độ tuyệt đối (Kelvin)
• n là số electron trao đổi
• F là hằng số Faraday

Từ công thức này, điện thế đo được thay đổi tuyến tính với giá trị pH, với mỗi đơn vị pH thay đổi tương ứng với khoảng 59.16 mV ở 25°C. Điện thế này được đo bởi bộ khuếch đại có trở kháng đầu vào cao, sau đó được chuyển đổi thành giá trị pH và hiển thị trên màn hình hoặc truyền đến hệ thống giám sát.

>> Xem thêm: Cường độ ánh sáng là gì? Phương pháp đo cường độ ánh sáng

Ứng dụng của cảm biến đo độ pH

Cảm biến đo độ pH được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ khả năng đo lường chính xác và đáng tin cậy. Từ nông nghiệp, công nghiệp đến y tế và môi trường, cảm biến pH đóng vai trò thiết yếu trong việc kiểm soát và tối ưu hóa nhiều quy trình.

Nông nghiệp

Cảm biến pH là công cụ không thể thiếu trong nông nghiệp hiện đại, giúp nông dân đo và điều chỉnh độ pH của đất và nước để tối ưu hóa sản xuất. Mỗi loại cây trồng cần độ pH khác nhau – cây ưa axit như dứa cần pH 4.5-5.5, còn rau cải cần pH 6.0-7.0. Trong thủy canh và hệ thống tưới tiêu thông minh, cảm biến pH tự động giám sát liên tục để đảm bảo cây nhận đủ dinh dưỡng. Ngành thủy sản cũng dùng cảm biến này để duy trì độ pH phù hợp cho từng loài nuôi, giúp tăng tỷ lệ sống và phát triển của chúng.

Công nghiệp

Cảm biến pH là thiết bị quan trọng trong công nghiệp, được sử dụng để kiểm soát chất lượng sản phẩm và xử lý chất thải. Trong sản xuất thực phẩm đồ uống như pho mát, bia, rượu vang, cảm biến pH giúp giám sát quá trình lên men và bảo quản, ảnh hưởng trực tiếp đến hương vị và độ an toàn sản phẩm. Ngành hóa chất dùng cảm biến này để theo dõi phản ứng hóa học và xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường. Công nghiệp dược phẩm và mỹ phẩm cũng kiểm soát độ pH chặt chẽ để đảm bảo tính ổn định, hiệu quả và an toàn của sản phẩm cho người dùng.

Y tế

Cảm biến pH là công cụ thiết yếu trong y tế để chẩn đoán và điều trị bệnh. Phòng xét nghiệm dùng cảm biến này để phân tích máu, nước tiểu và các dịch cơ thể, phát hiện rối loạn như toan máu hay kiềm máu khi pH máu nằm ngoài khoảng bình thường 7.35-7.45. Với bệnh tiêu hóa như trào ngược hay loét dạ dày, bác sĩ đưa cảm biến nhỏ vào dạ dày để theo dõi độ pH trong 24-48 giờ. Trong nghiên cứu y sinh, cảm biến pH giúp phát triển thuốc mới và nghiên cứu các quá trình sinh hóa, đặc biệt là công nghệ cảm biến vi mô cho phép đo pH ở cấp độ tế bào, mở ra nhiều hướng nghiên cứu đột phá.

Môi trường

Cảm biến pH giúp giám sát môi trường bằng cách đo độ pH của nước và đất để phát hiện ô nhiễm, mưa axit hay tràn dầu. Nhà máy xử lý nước dùng cảm biến này để đảm bảo nước uống an toàn (pH 6.5-8.5) và nước thải đạt chuẩn. Trong nghiên cứu khí hậu, cảm biến pH theo dõi tình trạng axit hóa đại dương do CO₂, ảnh hưởng đến san hô và sinh vật biển.

Các loại cảm biến đo độ pH phổ biến trên thị trường

Thị trường cung cấp nhiều loại cảm biến pH với công nghệ và tính năng khác nhau:

• Cảm biến thủy tinh – Phổ biến nhất, độ chính xác cao (±0.01 pH), dải đo 0-14 pH, giá hợp lý nhưng dễ vỡ.
• Cảm biến ISFET – Dùng công nghệ bán dẫn, bền, nhỏ gọn, phản ứng nhanh, phù hợp cho thiết bị cầm tay và môi trường khắc nghiệt.
• Cảm biến polymer – Giá rẻ, thích hợp cho ứng dụng đơn giản hoặc dùng một lần nhưng độ chính xác và tuổi thọ thấp.
• Cảm biến vi sai – Dùng hai điện cực giảm nhiễu, độ chính xác cao cho công nghiệp.
• Cảm biến không dây/IoT – Tích hợp Bluetooth, WiFi cho giám sát từ xa, phù hợp nông nghiệp thông minh và công nghiệp 4.0.
• Cảm biến quang học – Dùng chất chỉ thị màu, bền trong môi trường khắc nghiệt nhưng dải đo hẹp hơn.

>> Xem thêm: Cảm biến đo cường độ ánh sáng là gì? Ứng dụng thực tế

Cảm biến đo độ pH là công cụ thiết yếu trong việc đo lường và kiểm soát độ axit-bazơ của dung dịch trong nhiều lĩnh vực. Từ điện cực thủy tinh truyền thống đến công nghệ ISFET hiện đại, các loại cảm biến pH đã không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu đa dạng từ nông nghiệp, công nghiệp đến y tế và môi trường. Thiết bị dụng cụ kỹ thuật Hitami hy vọng bạn sẽ hiểu rõ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến pH giúp bạn lựa chọn thiết bị phù hợp, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong công việc.