30. 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.