18 Принципы измерения концентрации
Многие принципы измерений концентрации веществ основаны на сравнении свойства анализируемого объекта с мерой свойств с последующим переходом к определению концентрации по известной зависимости состав – свойство.
18.1 Электрохимические принципы
Электрохимические принципы анализа основаны на применении электрохимических преобразователей. Принципы применяются для анализа веществ в жидких средах, для измерения концентрации ряда газов и влажности [5]. При измерениях используются относительно простые средства измерения, выходным сигналом которых являются электрический ток и напряжение. В ряде случаев не требуется внешнего источника питания, поскольку сам электрохимический преобразователь является источником выходного электрического сигнала, используемого в качестве сигнала измерительной информации. Эти методы особенно пригодны для автоматического анализа веществ, для которых другие методы не обеспечивают нужной чувствительности или требуют более сложных и дорогостоящих средств измерений.
18.1.1 Кондуктометрический принцип
Принцип основан на зависимости электропроводимости веществ от их состава и концентрации отдельных компонентов. Метод применяется для измерения концентрации солей, оснований и кислот в жидких растворах и расплавах, для измерения солености воды (в Мировом океане), для измерения концентрации газов по изменению электропроводимости раствора при поглощении им пробы анализируемого газа, а также для измерения влажности в твердых, газообразных и жидких средах.
Кондуктометрические приборы делятся на контактные и бесконтактные. Бесконтактные делятся на низкочастотные и высокочастотные. Емкостные высокочувствительные кондуктомеры используют для измерения слабых концентраций электролитов, а индуктивные – для сильных.
Принцип основан на измерении электропроводимости раствора, с которым реагирует определяемый компонент анализируемого газа.
На рис. 18.1 газоанализатор состоит из дифференциального электролитического преобразователя, помещенного для выравнивания температур в масляный термостат 1, и мостовой измерительной цепи. Электропроводность раствора между электродами 2 и 3 постоянная, а между 7 и 8 она изменяется в зависимости от концентрации определяемого компонента газа, который поглощается раствором в змеевике 4. Непрореагировавшая часть газа отделяется от жидкости в газоотделителе 5 и удаляется вместе с раствором через выход 6.
Рис. 18.1. Схема кондуктометрического газоанализатора
Недостатками принципа являются неселективность, двузначность и нелинейность зависимости электропроводимости от концентрации. Погрешность относительно высока ± 5 %.
18.1.2 Кулонометрический принцип
Принцип основан на измерении тока или количества электричества при электролизе исследуемого вещества, реагирующего с измеряемым компонентом. На этом принципе основаны приборы для измерения концентрации вещества в жидких и газообразных средах и для измерения влажности.
Анализируемый газ через фильтр 1 поступает в датчик 2, заполненный подкисленным водным раствором КI (рис. 18.2). Датчик имеет две пары электродов: 5 и 6 – электроды цепи электролиза КI и 3 и 4 – измерительные электроды, один из которых (4) из платины, а другой (3) представляет собой каломельный полуэлемент. Электроды 3 и 4 образуют гальванический преобразователь, ЭДС которого зависит от концентрации в растворе свободного йода, который образуется при электролизе КI. Действие газоанализатора основано на непрерывном титрировании SО2 йодом, который выделяется при электролизе в количестве, эквивалентном концентра- ции SО2 . При изменении концентрации SО2 происходит изменение концентрации йода и потенциала платинового электрода 4, что приводит к изменению тока электролиза, который измеряется регистрирующим прибором 7. Газоанализатор работает как система автоматического уравновешивания, поддерживающая скорость выделения йода и, следовательно, ток электролиза пропорционален количеству SО2 , поступающему за единицу времени в датчик. Погрешность составляет ± 5 %.
Рис. 18.2. Схема кулонометрического газоанализатора
для измерения концентрации в газовых смесях
Полярографы являются разновидностью кулонометрических анализаторов и основаны на электролизе исследуемого вещества с помощью полярографических преобразователей [5].
Потенциометрический принцип основан на измерении электродных потенциалов гальванических преобразователей [5], нашел применение для измерения активности водородных ионов в различных растворах и пульпах с помощью рН – метров.