Электрохимические преобразователи и их виды

Для измерений химических величин (концентрация вещ-в в жидкостях или газах) применяют широкий спектр различных преобразователей, работающих по самым разным принципам. Н-р, для контроля растворов электролитов используют электрохимические измерительные преобразователи.

В общем виде электрохимический преобразователь может быть представлен ячейкой с электролитом, в который помещена система двух или более электродов, включенных в измерительную цепь. Электрические параметры ячейки зависят от свойств и состава электролита и электродов, природы химических явлений в ячейке, температуры и скорости перемещения частиц в электролите и др факторов. Электрохимические преобразователи можно разделить на гальванические, полярографические и электролитические.

Действие гальванических преобразователей основано на явлении возникновения разности потенциалов между двумя электродами, помещенными в электролит. В этом случае электролитическая ячейка явл-ся источником гальванической ЭДС. Возникновение ЭДС между электродами и электролитом объясняется тем. Что металл электродов частично растворяется, при этом в электролит переходят положительно заряженные ионы, а на металле остаются избыточные электроны. При больших концентрациях электролита имеет место обратное явление.

Потенциал электрода относительно электролита, в к-й он помещен, наз-ся электродным, а за условный нулевой электродный потенциал принят потенциал «водородного электрода» относит-но раствора с нормальной активностью водородных ионов в 1 г×экв/л. Электродные потенциалы различных вещ-в относит-но водородного электрода лежат в диапазоне ±3 В.

Р-ры кислот, солей и оснований можно характеризовать активностью водородных ионов (рН), поэтому определение рН растворов состоит в измерении электродных потенциалов электродов, помещают два электрода – измерительный и вспом-ный, при этом электродный потенциал вспомогательного при измерениях должен оставаться неизменным.

Действие полярографических преобразователей основано на явлении поляризации одного из электродов, помещенных в исследуемый раствор. Явление поляризации закл. в изменении электродного потенциала при протекании тока внешнего источника через электролитическую ячейку вследствие изменения конц-ции раствора вокруг электрода. Поэтому напряжение внешнего источника распред-ся между электролитом и суммой поляризации электрода. На этом явлении основано действие полярографических преобразователей качественного и количественного анализа растворов.

Конструктивно полярографические преобразователи выполняют в виде ячейки с раствором исследуемого вещ-ва, в который помещены два электрода, включенные в цепь источника постоянного тока. Для возникновения поляризации одного из них его площадь должна быть значительно меньше площади другого электрода. Семейство вольт-амперных характеристик полярографического преобразователя при различных концентрациях ионов в растворе представляют собой полярограмму, причем потенциалы, при к-х выделяются ионы, зависят от их концентрации.

Электролитические преобразователи основаны на зависимости электрического сопрот-я раствора электролита от его концентрации и применяются для измерения концентраций растворов. Зависимость электрической проводимости растворов от концентрации электролитов в определенном диапазоне концентраций однозначно может служить для определения концентрации раствора.

Удельная электропроводность электролита σ определяется выражением: σ = ƒСα(μ⁺ + μ^-),

Где ƒ – коэффициент, зависящий от электростатических сил междуионного притяжения;

С – концентрация электролита;

α – степень диссоциации;

μ⁺ и μ^- - подвижности ионов.

Преобразователь представляет собой электролитическую ячейку с двумя электродами. Измерения проводимости осущ-ся на переменном токе (700-1000 Гц), чтобы в процессе измерений не происходил электролиз растворов. Электропроводность растворов сильно зависит от температуры: σ = σ₀(1 + βТ),

Где β – температурный коэффициент электропроводности, который обычно составляет 0,016-0,024 К^-1.

Поэтому всегда предусматривается компенсация температурной зависимости проводимости электролита с использованием медного или никелевого резистора, помещенного непосредственно в электролит.

схема электролитического преобразователя с термокомпенсацией

Медное сопротивление R_К вкл-ся последовательно с сопротивлением преобразователя R_х, которое шунтируется с сопротивлением R₁. Сопротивление схемы при постоянной температуре:

R= (R_xR₁)/(R_x + R₁) + R_K, Т≠const

R^/_AB = (R_xR₁)/[(1 + βT)×(R_x/(1 + βT) + R₁)] + R_K(1 + αT)

Где α – температурный коэффициент сопротивления R_K.

Компенсация будет иметь место при R_AB = R^/_{AB ,} те подбирают специальное значение R_K, а тк температурные коэффициенты α и β имеют различные знаки, компенсация будет осущ-ся в широком диапазоне.

Бесконтактные электролитические преобразователи выполняют в виде тонкостенной стеклянной трубки с электролитом, помещенной в электростатическое (конденсатор) или электромагнитное (катушка) поле. В этом случае источником питания измерительной цепи служит генератор высокой частоты. Преобразование концентрации раствора в электрический сигнал происходит за счет изменения емкости или индуктивности участка измерительной цепи, в который включена ячейка с раствором. Такие преобразователи, н-р, применяют для определения жирности молока.

Для качественного и количественного анализа газовых сред также примен-ся различные преобразователи химических показателей в электрической цепи.

31. Радиоактивное преобразование. Дифференциальных ионизационных и газочастотных преобразователей.

Радиоактивные преобразователи используют ионизирующие свойства α- и β-излучения. Источники излучения помещаются в камеру, где между электродами, к которым приложено высокое напряжение, находится исследуемый газ. В радиоактивных преобразователях используют ионизацию газа электронами, возбужденными атомами, а также захват медленных электронов молекулами газа, измерение подвижности свободных электронов. Метод ионизации газа электронами (метод поперечного сечения ионизации) основан на том, что ионизационный ток пропорционален поперечному сечению ионизации, обусловленному вероятностью ионизации нейтральной частицы в результате столкновения с электроном.

Обычно применяют дифференциальный преобразователь (рис. 4.6), состоящий из двух камер. Через одну протекает анализируемый газ, а через другую - чистый газ-носитель (водород, гелий, азот). Обе камеры находятся под воздействием источников излучения 1 и 3. Напряжение между электродами 2 составляет 100-300 В (в зависимости от состава газовой среды). Параметры анализируемой среды определяются по величине дифференциального тока ΔI. Выходным сигналом является напряжение, снимаемое с резистора 4. Чувствительность - несколько милливольт на объемный процент.

В преобразователях, работающих по принципу ионизации возбужденными атомами, в качестве ионизирующего газа используют аргон. В ионизационную камеру вместе с аргоном подается исследуемый газ. При облучении среды β-частицами вначале происходит ионизация аргона, атомы которого при столкновении с молекулами исследуемого газа испускают УФ-излучение и переходят в нейтральное состояние, а молекулы исследуемого газа, в свою очередь, ионизируются, что фиксируется элект­родной системой. Потенциал ионизации исследуемого газа должен быть меньше 11,6 эВ (потенциал ионизации аргона), следовательно, аргоновые преобразователи пригодны для контроля большинства органических соединений (паров), но непригодны для анализа смесей, содержащих 0₂; СО; С0₂; Н₂0 и т. д. Для анализа веществ, имеющих более высокий потенциал ионизации, чем у аргона, используют гелиевые или неоновые преобразователи.

В газоразрядных радиочастотных преобразователях используется свойство газа при низком давлении возбуждаться радиочастотным полем и светиться. Изменение световой эмиссии фиксируется фотоэлектрическими методами, а изменение проводимости - электрическими. Преобразователь представляет собой газоразрядную трубку. По ее оси расположена проволока, к которой подводится ВЧ-напряжение. В газе между стенками трубки и проволокой возникает постоянное напряжение, а выходной величиной является ток через трубку. В качестве газа-носителя используется гелий, наличие примесей в котором изменяет значение «нулевого» тока.

Поиск по сайту: