Електрохімічні перетворювачі

Електрохімічними називаються вимірювальні перетво­рювачі, принцип роботи яких грунтується на залежностях між складом і властивостями розчинів та електричними пара­метрами перетворювачів, якими є опір перетворювача, спад напруги, що утворився при проходженні струму через розчин, е. р. с. тощо.

Основними різновидами електрохімічних перетворю­вачів є резистивні електролітичні, гальванічні, кулонометричні та хімотронні.

Резистивні електролітичні перетво­рювачі. Принцип дії резистивних електролітичних пе­ретворювачів грунтується на залежності опору R електро­літичної комірки від складу і концентрації електроліту. Дійсно,

де k — питома електропровідність розчину; S, / — площа і відстань між електродами; К — коефіцієнт, що носить назву еквівалентної провідності; -у — коефіцієнт актив­ності; С — еквівалентна концентрація розчину.

Отже, вимірюючи опір R електролітичної комірки, мож­на визначити при відомих S і / концентрацію розчину, а при відомій концентрації — механічні величини, зокрема лі­нійні або кутові переміщення (рис. 193, а, б).

Основною перевагою електролітичних перетворювачів переміщення є незначний зворотний вплив на об'єкт дослі­дження (для переміщення електродів потрібні незначні зу­силля). Основними недоліками таких перетворювачів є вплив поляризації, яка спричинює додаткову різницю по­тенціалів на межі електрод —електроліт, а також вплив температури навколишнього середовища. Щоб зменшити вплив поляризації на результат вимірювань, треба живити вимірювальне коло порівняно високою сталою (70—90 В) або змінною напругою з частотою 500—2000Гц. Щоб змен­шити температурну похибку, застосовують відповідні схеми температурної компенсації.

Гальванічні перетворювачі. Робота гальванічних перетворювачів грунтується на залежності електродних потенціалів від концентрації розчинів. Най­більш широко їх застосовують для вимірювань активності водневих іонів ch+» з допомогою якої можна визначити

склад і властивості водних розчинів, які досліджуються. На практиці властивості розчинів чисельно характеризу­ються водневим показником рН:

При переході від сильних лугів до сильних кислот зна­чення рН змінюється від 0 до 14.

Суть методу визначення концентрації водневих іонів, тобто визначення рН вимірюванням електродного (пограничного) потенціалу, полягає ось у чому. Якщо будь-який метал (або водень) занурити в розчин, який містить його однойменні іони, то метал набуває потенціалу, значення якого залежить від концентрації його іонів у розчині

де Е₀— нормальний потенціал електрода; R — газова стала; Т --абсолютна температура; п —валентність іонів мета­лу; F —число Фарадея; С —концентрація в розчині іонів металу електрода.

Щоб дістати електродний потенціал між воднем і роз­чином, який містить іони водню, треба мати так званий водневий електрод. Для утворення водневого електрода використовують властивість водню адсорбуватися на по­верхні платини. Потенціал платинового електрода, до якого безперервно підводять газоподібний водень, залежить від концентрації водневих іонів у розчині.

Виміряти абсолютне значення електродного потенціалу практично неможливо, але його можна виміряти відносно іншого потенціалу. Тому гальванічний перетворювач зав­жди складається з двох півелементів, з'єднаних електрично мілі собою: робочого (електрод у досліджуваному розчині) і зразкового (нормального) з незмінним електродним потен­ціалом (електрод у розчині з відомою і незмінною концен­трацією). Нормальним півелементом може бути водневий

електрод з нормальною сталою концентрацією водневих іонів. У промислових умовах найчастіше застосовується каломельний нормальний півелемент.

Для вимірювань концентрації водневих іонів розчинів можна застосовувати перетворювач, схема якого наведена на рис. 194. У досліджуваний розчин занурений водневий електрод /. Досліджуваний півелемент з'єднують з нормаль­ним каломельним електродом електролітичним ключем, що має вигляд трубки 2, заповненої насиченим розчином КС1 і закритої напівпроникними корками 3. Е. р. с. такого пере­творювача є функцією рН.

Для вимірювань е. р. с. гальванічних перетворювачів застосовують компенсатор або прилади з дуже великим вхідним опором, оскільки внутрішній опір таких перетво­рювачів досягає 100—200 МОм. Основним джерелом похиб­ки гальванічних перетворювачів є коливання температури. Тому при вимірюванні рН треба враховувати поправку на температуру.

Кулонометричні перетворювачі. Прин­цип роботи кулонометричного перетворювача грунтує­ться на використанні явища електролізу. Згідно з законом Фарадея, зв'язок між кількістю електрики і кількістю речо­вини, що виділяється в результаті електролізу, визначає­ться рівнянням

де Q—кількість електрики; m—маса виділеної речо­вини; п — валентність іонів; А — атомна вага речовини; F — стала Фарадея.

Кулонометричні перетворювачі є інтегруючими при­строями, вхідною величиною яких є кількість електрики або час (при незмінній силі струму), а вихідною —маса виді­леної речовини або зміна опору електрода.

На рис. 195 зображено кулонометричний перетворювач для вимірювань часу протікання електролізу. В скляному корпусі 1 розміщено два мідні електроди — анод 2 і катод 5. Перетворювач заповнений розчином сірчанокислого кад­мію. При проходженні постійного струму відбувається електроліз, внаслідок чого анод розчиняється, а на катоді з розчину виділяється така кількість міді, що приводить до збільшення довжини катода

де б — густина міді; S — площа перерізу катода; t — вимі­рюваний час.

Кулонометричні лічильники часу виготовляють для меж вимірювань від 5 до 10 000 год. Похибка вимірювання при відліку по шкалі досягає 20%, а при зважуванні катода може бути зменшена до 5%.

Хімотронні перетворювачі. Принцип дії хімотронних перетворювачів грунтується на використанні односторонньої провідності так званого запірного шару, що виникає в деяких електролітах. Властивість односторон­ньої провідності мають окислювально-відновлювальні си­стеми, що містять як окислені, так і відновлені іони деяких елементів. Найчастіше застосовують водний розчин йодис­того калію KJ, що заповнює електролітичну комірку, елек­троди якої виготовлені з хімічно нейтральних матеріалів (золота, платини). Дисоціюючи у воді, йодистий калій утворює катіони К⁺ та аніони J^-. До електродів прикла­дають сталу напругу, що не перевищує 1 В. За таких умов катіони калію не братимуть участі в переносі зарядів (для цього треба більшу напругу), тому лише іони J^- будуть рухатись до анода, віддаючи йому свої електрони за схемою окисної реакції

Провідність розчину швидко зменшується, бо запас іонів J~ в ньому невеликий. Його можна було б попов­нити за рахунок відновної реакції на катоді

але іони Jjf, що утворилися на аноді, не можуть руха­тись проти поля від анода до катода. Лише дуже мала їх кількість, завдяки тепловому руху, прийде до катода, що зумовить малий зворотний струм (до ЮмкА).

Якщо в область катода впорскнути певну кількість іонів J^-₃ (водний розчин йоду), то провідність розчину знову на короткий час різко збільшиться. Кількість введених іонів J^-₃ може бути функцією вимірюваної неелектричної вели­чини, і струм через перетворювач буде нести інформацію про її значення.

Хімотронні перетворювачі використовують для вимі­рювання тиску, переміщення, швидкості і прискорення. Частотний діапазон вимірюваних величин (від 0,001 до 400 Гц) охоплює в основному область низьких та інфранизьких частот.