Электрохимические преобразователи

Принцип действия и конструкция. Электролитические (кондуктометрические) преобразователи. Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости электропроводности раствора электролита от его концентрации. Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала. При растворении в ней кислот, солей, оснований (электролитов) электропроводность возрастает. При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы, при этом количество носителей и электропроводность раствора возрастают. При малых концентрациях электролита, когда количество ионов мало, увеличение электропроводности пропорционально концентрации растворенного вещества. При увеличении концентрации в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается.

Рис. 5.87. Электролитический преобразователь

Электролитический преобразователь (рис. 5.87) представляет собой два электрода 1,погруженные в раствор 2. Электролитические преобразователи применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они используются для измерения перемещения, скорости, механических деформаций, температуры и других физических величин. В преобразователях, предназначенных для измерения концентрации, электроды делаются неподвижными. Сопротивление между электродами преобразователя R обратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита c:

R=k/ c.

Коэффициент k называется постоянной преобразователя. Он определяется экспериментально по сопротивлению преобразователя, заполненного раствором с известным значением c.

Электрические преобразователи включаются в мостовые измерительные цепи и часто работают с автоматическими мостами. Сопротивление преобразователей сильно зависит от температуры. Для компенсации этой зависимости последовательно с электролитическим преобразователем включаются терморезисторы.

Питание моста с электролитическими преобразователями производится напряжением переменного тока с промышленной частотой или частотой в несколько килогерц. Если электролитические преобразователи питать напряжением постоянного тока, то будет происходить электролиз раствора и изменится его концентрация в приэлектродных областях. Постоянный ток производит также поляризацию электродов. То и другое явления создают погрешность.

Рис. 5.88. Низкочастотный трансформаторный преобразователь

Для повышения стабильности преобразователя его электроды должны быть химически инертны по отношения к исследуемому раствору и выполняются из платины, нержавеющей стали или графита. Загрязнение электродов, изменение их активной площади вызывают погрешность.

Более надежны бесконтактные электролитические преобразователи, токоведущие элементы которых изолированы от электролита, что исключает поляризацию и другие нежелательные взаимодействия электрода и раствора. Они разделяются на низкочастотные (f £40¸50 кГц) и высокочастотные. На рис. 5.88показан низкочастотный трансформаторный преобразователь с короткозамкнутой вторичной обмоткой. Изменение электропроводности раствора приводит к изменению сопротивления вторичной обмотки и, следовательно, сопротивления первичной обмотки.

Рис. 5.89. Высокочастотные бесконтактные преобразователи емкостные (а, б) и индуктивные (в)

Высокочастотные бесконтактные преобразователи разделяются на емкостные (рис. 5.89, а, б), которые применяются для измерения концентраций растворов с малой электропроводимостью (10^–6 – 1 См/м), и индуктивные (рис. 5.89, в) – для растворов с электропроводимостью 10^–2–100 См/м. Электроды располагаются снаружи тонкостенной изоляционной трубки с контролируемым раствором. У погружных преобразователей они находятся внутри закрытой трубки, которая помещается в раствор.

Гальванические преобразователи. Принцип действия гальванического преобразователя основан на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично в нем растворяется. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла, и растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может служить для определения их концентрации.

Конструктивно гальванический преобразователь (рис. 5.90) состоит из двух полуэлементов 1 и 3, которые гальванически соединены между собой электрическим ключом 2. Полуэлемент представляет собой сосуд с электролитом с погруженным металлическим электродом. В одном полуэлементе находится раствор, концентрация которого измеряется, в другом – раствор с известной концентрацией. Электролитический ключ – это трубка, заполненная раствором КСl и закрытая с двух сторон полупроницаемыми пробками из ваты или асбеста. ЭДС преобразователя Е, измеряемая между двумя электродами, определяется неизвестной концентрацией.

Рис. 5.90. Гальванический преобразователь

Большое значение имеет определение концентрации ионов водорода Н ⁺ в растворах. Чистая дистиллированная вода диссоциирована на ионы. Согласно закону действующих масс и вследствие малой диссоциации воды ионное произведение воды равно

k=а_{H +} + а_{OH –},

где а_{H +} и а_{OH –}–концентрация ионов Н ⁺ и ОН ^– в моль/л.

Ионное произведение воды – величина постоянная, при температуре 22°С равна 10^–14. Если в воде растворить кислоту, то при диссоциации ее молекул концентрация ионов Н ⁺ возрастает и, следовательно, уменьшается концентрация ионов ОН ^–. Растворение оснований изменяет концентрации Н ⁺ и ОН ^– противоположным образом. Концентрация ионов водорода характеризует кислотность раствора. Кислотность влияет на протекание многих химических реакций и биохимических процессов. Единицей ее измерения служит водородный показатель:

pH =–ln a_{Н +}.

Приборы, служащие для измерения водородного показателя, называются рН-метрами. Их первичными преобразователями служат гальванические преобразователи, в которых роль металла играет водород, роль металлических ионов – ионы Н ⁺.

Типичным полуэлементом рН -метра является водородный электрод 1на рис. 5.91. Он представляет стеклянный сосуд с электролитом, в который погружена пластинка, покрытая мелкодисперсной платиной (платиновой чернью) 2. Снизу на пластинку подается газообразный водород. Он адсорбируется платиной и частично в виде ионов Н ⁺ переходит в раствор. Вследствие оставшихся на пластинке электронов она имеет отрицательный потенциал относительно раствора. Для измерения кислотности используют два полуэлемента. Один полуэлемент 1заполняется электролитом с известной концентрацией, другой 3 – электролитом, значение рН которого нужно измерить. Развиваемая между электродами разность потенциалов Е определяется выражением

Рис. 5.91. Элемент PH-метра

E = CT ln[(a_H⁺) _x /(a _H+)₀],

где С – постоянная; Т – температура, К; (a_H⁺) _x – измеряемая концентрация ионов Н ⁺; (a _H+)₀– концентрация ионов Н ⁺ образцового раствора.

Если в качестве образцового используется раствор с нормальной концентрацией ионов Н ⁺ (1 г/л) и измерение производится при температуре 18° С, то разность потенциалов равна

E ₁₂=0,058 ln(a_H⁺) _x = – 0,058 pH.

Водородный электрод позволяет измерять рН в пределах от 0 до 14 с высокой точностью. Однако через преобразователь необходимо пропускать газообразный водород. В настоящее время имеются стеклянный, хлорсеребряный и другие рН -метры, лишенные этого недостатка.

Измерение ЭДС гальванических преобразователей производится при минимальном токе, поскольку при протекании тока происходит электролиз и изменяется концентрация раствора в приэлектродной области, что создает погрешность. При протекании тока происходит падение напряжения на большом внутреннем сопротивлении преобразователя, что также вносит погрешность в измерение ЭДС, которое измеряется либо электронными вольтметрами с большим входным сопротивлением, либо с помощью потенциометров с ручным или автоматическим уравновешиванием. ЭДС гальванического преобразователя зависит от температуры. Для уменьшения погрешности автоматические рН -метры имеют термокорректирующие цепи.

Рис. 5.92. Схемы температурной коррекции с применением медного (а) и полупроводникового (б) терморезисторов

Коррекция температурной погрешности кондуктометрических преобразователей осуществляется в основном термостатированием раствора и измерительного преобразователя и цепями автоматической коррекции с использованием медных, никелевых, полупроводниковых и электролитических терморезисторов, помещаемых в контролируемый раствор вместе с измерительным преобразователем. На рис. 5.92 показаны схемы температурной коррекции с применением медного (рис. 5.92, а) и полупроводникового (рис. 5.92, б) терморезисторов. Медный терморезистор обычно соединяется последовательно с измерительным преобразователем R_х. Полупроводниковые и электролитические терморезисторы, которые имеют отрицательный ТКС, включаются в плечо моста, смежное с R_х. Для выравнивания ТКС терморезистора и раствора параллельно элементу цепи с большим ТКС включается резистор из манганина R ₁.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение преобразовательного элемента.

2. Приведите классификацию измерительных преобразователей.

3. Приведите известные Вам структурные схемы средств измерения.

4. Приведите основные параметры и характеристики датчиков.

5. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения резистивных преобразователей.

6. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения тензорезисторных преобразователей.

7. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения емкостных преобразователей.

8. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения пьезоэлектрических преобразователей.

9. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения электромагнитных преобразователей.

10. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения индуктивных преобразователей.

11. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения трансформаторных преобразователей.

12. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения индукционных преобразователей.

13. Охарактеризуйте кратко принцип действия преобразователей с распределёнными магнитными параметрами.

14. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения индуктосинов.

15. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения вихревых индуктивных преобразователей.

16. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения магнитоупругих преобразователей.

17. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения гальванометрических преобразователей.

18. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения измерителей температуры.

19. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения оптоэлектрических преобразователей

20. Определите основные понятия и светотехнические величины.

21. Охарактеризуйте кратко принцип действия и основные типы светоэлектрических преобразователей.

22. Охарактеризуйте кратко принцип действия и основные типы фотоэлектрических преобразователей.

23. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения ионизационных преобразователей.

24. Охарактеризуйте кратко принцип действия и область применения электрохимических преобразователи.

ГЛАВА 6. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА (МЕХАНИЗМЫ)

Дата добавления: 2014-12-16