4.3 Применение в измерительной технике электрокинетических явлений в растворах

Для создания электрохимических измерительных устройств используют также и электрокинетические явления в растворах. В основе работы таких первичных преобразователей лежит преобразование энергии электрического поля в потенциальную энергию перепада уровней раствора или перепада давлений по длине капилляра с раствором, к концам которого приложено постоянное напряжение. Существуют и обратные электрокинетические эффекты, приводящие к появлению разности потенциалов на концах капилляров при протекании по ним растворов или при наличии разности уровней на концах капилляра.

Физика работы таких устройств заключается в следующем. На границе электролита и электрода происходит скачок потенциала. В заряженном слое жидкости плотность зарядов быстро убывает с удалением от поверхности твердого тела. При этом энергия электростатического поля может преобразовываться в потенциальную энергию столба жидкости или кинетическую энергию струи жидкости. Если на концах капилляра (мембраны) поместить электроды и создать электрическое поле, то в капилляре возникнет движение жидкости и создастся перепад давления (электроосмос). (Осмос – это движение жидкости из области с меньшей концентрацией раствора в область с большей его концентрацией). Скорость потока пропорциональна напряженности электрического поля. Явление электроосмоса обратимо. Если в растворе есть взвешенные заряженные частицы, то такое явление называется электрофорезом.

Рис. 4.8 Схема реализации электрокинетических явлений в растворах.

Разность потенциалов, возникающая на электродах при протекании электролита через капилляр, называется потенциалом течения.

Устройства данного типа используют для измерения перепада давлений, перемещений, параметров вибраций, вязкости жидких сред и пр.

4.4 Принципы работы гальванических измерительных преобразователей

Принцип работы гальванических измерительных преобразователей основан на использовании зависимости ЭДС, генерируемой электрохимической ячейкой, от химической активности ионов электролита и химических процессов в нем протекающих. Преобразователи данного типа применяются для определения реакции раствора (кислая, нейтральная, щелочная), которая зависит от активности водородных ионов раствора.

(4.11)

При изменении реакции среды изменяется концентрация ионов водорода, т.е. при добавлении, например, щелочи концентрация () уменьшается, а при добавлении кислоты – увеличивается. Концентрация ионовв растворе при этом изменяется противоположно, так как произведение их активностей является постоянной величиной (равно):

. (4.12)

В нейтральном растворе:

. (4.13)

С учётом того, что:

(4.14)

разность потенциалов на электродах, находящихся в эталонном и исследуемом растворах, будет определяться уравнением:

. (4.15)

При нормальных условиях:

. (4.16)

Таким образом, измеряя разность потенциалов между рабочим электродом, находящимся в исследуемом растворе, и электродом, находящемся в эталонном растворе с известной концентрацией, можно определить реакцию исследуемой среды, которая может изменяться в следующих пределах:

. (4.17)

Преобразователи такого типа широко используются в промышленности для контроля технологических процессов, качества выпускаемой продукции и т.п. Для этих целей широко применяют устройства со стеклянными электродами. Такие преобразователи работают хорошо, но громоздки, хрупки и имеют высокую стоимость. Поэтому для измерения концентрации растворов используют, например, полунепроницаемые мембраны. На поверхности такой мембраны, разделяющей растворы с различной концентрацией ионов, генерируется разность потенциалов, равная:

. (4.18)

К настоящему времени находят применение новые типы рН-метров, например, на базе полевых МДП-транзисторов. Существуют также устройства для измерения концентрации ионов в растворе, называемые ион-селективными полевыми транзисторами (ИСПТ).

Рис. 4.9 Устройство ион-селективногго полевого транзистора.

Принцип работы таких устройств заключается в следующем. Когда к затвору приложен положительный по отношению к подложке потенциал, электроны притягиваются к поверхности подложки, образуя канал с низким сопротивлением. Таким образом, потенциал затвора управляет током между истоком и стоком. Сопротивление между затвором и подложкой очень велико, так что ток через затвор пренебрежимо мал. На основе транзисторов данного типа изготавливают ионно-селективные датчики.

Рис. 4.10 Устройство ион-селективного датчика.

В таких устройствах положительные ионы (катионы) абсорбируются из раствора на пористой мембране (для повышения чувствительности), которая служит затвором. Это создает отрицательно заряженный поверхностный канал, проводящий ток между стоком и истоком. Структура транзистора может иметь подложку (р) или (n) типа в зависимости от состава измеряемой среды. При создании активных поверхностных мембран для обнаружения различных типов ионов используют соответствующие окислы. Электрод сравнения используется для смещения градуировочной характеристики в рабочую точку.

МОПТ, имеющие покрытие затвора из палладия или платины, используются для создания газоанализаторов. В таких устройствах на поверхности палладия происходит диссоциация молекул водорода, которые диффундируют через покрытие и, в результате этого, граница «металл-диэлектрик» становится заряженной. При этом создается электрическое поле, которое смещает пороговое напряжение транзистора. Для увеличения быстродействия (скорость диффузии мала) используют внешний нагреватель (до 150° С).

Для определения более сложных веществ усложняют конструкцию датчиков. Например, разработаны покрытия для контроля углекислого газа, при этом в геле образуется угольная кислота, концентрация которой и измеряется. В настоящее время разработаны датчики водорода, аммиака, сероводорода, углеводородов, спиртов и др.

Устройства данного типа используют и для создания биодатчиков. При этом в качестве селективной мембраны используется органические материалы. Их можно использовать также непосредственно и на живом организме.

Контрольные вопросы к главе 4

1. Какой вид имеет график зависимости проводимости раствора от его концентрации?

2. Как изменяется проводимость раствора при изменении его температуры?

3. Какие электрические потенциалы используют для описания принципа работы электрохимических преобразователей?

4. Какую практически важную информацию отражает вид полярограммы раствора?

5. Каким образом изменяются параметры эквивалентной схемы замещения электрохимической ячейки при изменении концентрации и состава раствора?

6. Какие существуют типы кондуктометрических преобразователей? В чем заключаются их особенности?

7. Какой принцип положен в основу работы полярографического иэмерительного реобразователя?

8. Объясните устройство и принцип работы ионисторов.

9. Для каких целей в измерительной технике используют кулонметрические преобразователи?

10. Приведите примеры реализации электрокинетических явлений в живой и не живой природе.

11. Объясните принцип работы полупроводниковых ион-селективных измерительных преобразователей.

12. Опишите устройство и принцип работы промышленных рН-метров?