10. Гальванические преобразователи

Гальванические преобразователи применяются в основном для анализа состава водных растворов. Принцип действия их основан на зависимости ЭДС гальванической цепи от концентрации ионов в электролите. Для анализа водных растворов используют зависи- мость активности водородных ионов от концентрации раствора.

Вода, обладающая наибольшей по сравнению с другими веще- ствами диэлектрической проницаемостью (ε_н2о=81), хорошо спо- собствует диссоциации растворяемого вещества на ионы и сама несколько диссоциирует по схеме Н₂О↔Н⁺ + ОН^-, чем обусловле- на вполне определенная, хотя и малаяэлектропроводность воды.

2

Так как распадение воды на ионы крайне незначительно, то концентрацию воды можно считать постоянной и равной едини- це. Произведение концентраций | Н⁺ | · | ОН^- | = К_{Н О} – величина постоянная, равная 10^-14 при t = 22ºС, как установлено многочис- ленными опытами.

Так как молекулы воды при ионизации образуют ионы водо- рода и гидроксила в равном количестве, то

| Н⁺ |=| ОН^- |=

10^14 10^7 .

Растворы, в которых число ионов |Н⁺| и |ОН 5 одинаково, называются нейтральными.

Если в воде растворить кислоту, то концентрация ионов |Н⁺|

в растворе станет больше, если же растворить щелочь, то наобо- рот, больше станет ионов | ОН^- |. Таким образом, у кислых рас- творов |Н⁺| >10^-7, а у щелочных |Н⁺|<10^-7, и в зависимости от это- го можно охарактеризовать растворы как кислые, щелочные или нейтральные.

На практике концентрацию водородных ионов численно харак- теризуют отрицательным логарифмом концентрации – водородным показателем рН = -lg |Н⁺|. Например, если |Н⁺| = 10^-3, то рН = 3.

Приборы для измерения показателя рН получили название рН-метров. Наиболее точным и универсальным методом измере- ния рН является электрометрический метод, суть которого за- ключается в следующем.

Если в раствор какого-либо вещества внести электрод из этого же вещества, то на границе электрод–раствор возникает погра-

ничный электрический потенциал (так называемый электродный потенциал), величина которого зависит от степени концентрации раствора.

Гальванические преобразователи, являющиеся датчиками рН- метров, в качестве входной величины имеют значение концентра- ции водородных ионов, выраженное в единицах рН, а в качестве выходной величины – гальваническое напряжение, равное разности электродных потенциалов. Так как практически потенциал одного электрода измерить невозможно, то гальванический преобразова- тель всегда состоит из двух полуэлементов: измерительного элек- трода, помещенного в раствор, и образцового полуэлемента.

Принципиальное устройство рН-метра показано на рис. 4.62.

1

8

2 3

_H2 KCl

4

^H2 5

7 ₆

KCl ^Hg2^Cl2 Hg

Рис. 4.62. Устройство рН-метра: 1 – вывод; 2 – пластинка;

3 – электролитический ключ; 4 – полуэлемент; 5 – полупроницаемые пробки; 6 – колба; 7 – трубка; 8 – отверстие

В колбу 6 налит испытуемый раствор. Так как необходимо из- мерять концентрацию ионов водорода, то согласно принципу дей- ствия гальванических преобразователей электрод должен быть вы- полнен из водорода. Так как водород является газом и выполнить электрод из него невозможно, пользуются способностью водорода адсорбироваться на поверхности платины. Измерительный (водо-

родный)электрод представляетсобой пластинку 2 из черненой платины, которая обтекается непрерывно поступающим через трубку 7 водородом. Водород выходит через отверстие 8. От пла- тиновой пластинки отходит вывод 1 в измерительную цепь.

Для получения второго потенциала колба с испытуемым рас- твором соединяется через электролитический ключ 3 с вторым образцовым полуэлементом 4. Электролитический ключ пред- ставляет собой трубку, закрытую полупроницаемыми пробками 5 и заполненную насыщенным раствором KC1. Такое соединение сильно снижает диффузионный потенциал, вносящий погреш- ность в измерения.

В качестве образцового полуэлемента чаше всего используют каломельный полуэлемент, металлом которого является ртуть, ионы которой получают из раствора каломели Hg₂Cl₂. Концен- трация электролита КС1 определяет потенциал ртути, который (при насыщенном растворе КС1) равен 0,24 В.

Кроме каломельного используются также хлорсеребряный, бромсеребряный и другие образцовые элементы.

Применение водородного электрода в производстве обычно неудобно, так как связано с подачей газообразного водорода. По- этому на практике большое распространение получил стеклян- ный электрод (рис. 4.63).

3 ₁

2

Рис. 4.63. Стеклянный электрод: 1 – колбочка; 2 – фильтр; 3 – электрод

Он представляет собой шаровую тонкостенную колбочку 1, выдуваемую на конце трубки из специальных электропроводных сортов стекла. Толщинастенки колбочкиравна 0,05...0,1 мм.

Колбочка заполняется контрольным (нормальным) раствором какой-либо соли или кислоты с известным рН и погружается в исследуемый раствор. На границе стекло–раствор появляется определенный потенциал, зависящий от концентрации водород- ных ионов раствора, в который погружен стеклянный электрод.

При работе используются обе поверхности стеклянного элек- трода, так как снять потенциал с одной только поверхности не- возможно (невозможно включить поверхность стекла в электри- ческую цепь). Внутрь колбочки 1, заполненной образцовым рас- твором, вставляется вспомогательный электрод 3 (обычно хлор- серебряный), с которого снимается потенциал стеклянного элек- трода.

Если в испытуемыйрастворпоместить еще и каломельный полуэлемент, то ЭДС на выводах преобразователя будет являться алгебраической суммой ЭДС хлорсеребряного полуэлемента, внутренней поверхности и наружной поверхности стеклянного электрода и потенциала каломельного полуэлемента. Так как при изменении рН исследуемого раствора будет изменяться только потенциал наружной поверхности электрода, а все остальные со- ставляющие ЭДС останутся неизменными, то, измеряя ЭДС на выводах преобразователя, можно судить о концентрации (рН) исследуемого раствора.

Потенциал стеклянного электрода изменяется примерно от 0,3 (при рН ≈ 0) до 0,9 В (при рН ≈ 10).

Наиболее обоснованное объяснение действия стеклянного электрода состоит в следующем. При помещении стеклянного электрода в раствор ионы натрия из стекла переходят в раствор, а их места замешают ионы водорода из раствора. В результате это-

го поверхностный слой стекла оказывается насыщенным водо- родными ионами и стеклянный электрод приобретает свойства водородного электрода. Существуют также хингидронный, сурь- мяный электроды. Градуировка рН-метров производится по об- разцовым буферным растворам, обладающим высокой стабиль- ностью значений рН (±0,01 рН в диапазоне температур 0...95ºC).

Погрешности рН-метров. Основным требованием, предъяв- ляемым к методу измерения ЭДС рН-метрами, является возмож- но меньший ток через преобразователь, так как он, во-первых, создает падение напряжения на его внутреннем сопротивлении, вследствие чего результат занижается, во-вторых, вызывает явле- ние поляризации, что также влечет за собой отрицательную по- грешность. Падение напряжения в преобразователе определяется также его сопротивлением, которое особенно велико в рН-метре со стеклянным электродом (десятки и дажесотни МОм).

Поэтому непосредственное измерение ЭДС можно осуще- ствить лишь с применением электронных усилителей с большим входным сопротивлением порядка 10⁸...10¹⁰ Ом. Чаще всего при- меняют компенсационный метод. Как известно, в момент изме- рения входное сопротивление компенсатора практически равно бесконечности.

Наиболее значительной погрешностью рН-метров является температурная погрешность, так как при измерении температуры изменяется ЭДС измерительных полуэлементов и сопротивление преобразователя(особенно со стеклянным электродом).Для уменьшения температурной погрешности в измерительную цепь вводят элементы температурной компенсации, например в виде включения термочувствительного сопротивления, помещаемого в раствор.

Кроме того, у гальванических преобразователей может быть погрешность от наличия диффузионных потенциалов, возникаю-

щих на границе жидкостных контактов растворов, входящих в электрическую цепь преобразователя. В целях уменьшения этой погрешности, как было указано выше, для соединения испытуе- мого раствора с каломельным полуэлементом применяется элек- тролитический ключ с полупроницаемыми пробками, заполнен- ный насыщенным раствором КС1.

Как следует из самого принципа их действия, гальванические преобразователи применяются для измерения концентрации раз- личных растворов по концентрации водородных ионов. Это дает возможность контролировать технологические процессы в пище- вом, бумажном, текстильном, резиновом производствах, в ряде производств химической промышленности и др.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные характеристики измерительных преобразова- телей.

2. Опишите метод прямого преобразования.

3. Дайте характеристику дифференциального метода.

4. Опишите динамические свойства измерительных преобразова- телей.

5. Приведите классификацию ИП.

6. Опишите фотоэлектрические преобразователи.

7. Охарактеризуйте емкостные преобразователи.

8. Опишите термопары.

9. Что представляют собой термометры сопротивления?

10. Каковы особенности магнитоупругих преобразователей?

11. Охарактеризуйте пьезоэлектрические преобразователи.