2. Електрохімічні резистивні перетворювачі

Електричний опір комірки електрохімічного перетворювача залежить від складу та концентрації досліджуваного розчину і геометричних розмірів комірки:

,

де γ – питома електропровідність розчину; ℓ - відстань між електродами; S – їх активна площа, f – коефіцієнт активності, с – молярна концентрація, λ – еквівалентна електропровідність.

Ц я залежність і покладена в основу принципу дії електрохімічних резистивних перетворювачів, які широко застосовуються для аналізу складу та концентрації хімічних розчинів, а також перетворювачів таких механічних величин, як переміщення, кут нахилу. В одному випадку при сталих геометричних розмірах комірки вихідний опір перетворювача є функцією питомої провідності розчину, яка, своєю чергою, залежить від його складу та концентрації, в іншому випадку при сталій концентрації розчину – функцією відстані між електродами або їх активної площі.

Електрохімічні перетворювачі концентрації бувають контактними (рис 3) або безконтактними (рис.4). вимірювальні кола контактних перетворювачів живляться звичайно від джерела змінної напруги частотою 50 Гц (деколи 1000 Гц). Похибка перетворення не перевищує 1%.

Рис.3 – Контактний електролітичний

перетворювач

Рис. 4 – Безконтактні електролітичні перетворювачі

Безконтактні електрохімічні перетворювачі можуть бути трансформаторними або ємнісними. Низькочастотний трансформаторний перетворювач (рис. 4, а) має чутливий елемент у вигляді вторинної короткозамкненої обмотки, виконаної їз скляної трубки, заповненої досліджуваним розчином. Значення первинного струму трансформатора залежить від опору вторинного кола, тобто від електропровідності досліджуваного розчину.

 поверхню тонкостінної ізоляційної трубки, наповненої досліджуваним розчином, встановлені електроди в ємнісних (рис. 4, б) або вимірювальна обмотка в індуктивних (рис. 4, в) перетворювачах. Живлення таких перетворювачів здійснюють від високочастотного генератора.

Одним із основних джерел похибок резистивних електрохімічних перетворювачів є залежність питомої електропровідності досліджуваного розчину від температури. Для зменшення температурних похибок застосовують термостатування перетворювачів або автоматичну корекцію похибок за допомогою термозалежних опорів.

2. Гальванічні перетворювачі рН-метрів

Принцип дії гальванічних перетворювачів рН-метрів базується на залежності електродних потенціалів від активності водневих іонів, за якою можна визначити властивості, зокрема концентрацію водних розчинів. Суть цього способу така. Навіть найчистіша вода має деяку діелектричну провідність, зумовлену наявністю в ній деякої кількості іонів, які виникають у результаті реакції, яка називається автопротолізом:

Суть його полягає в переміщенні іонів водню від одних молекул води до інших. Отже, у водневих розчинах та й у чистій воді вільних іонів немає, а є гідратовані іони гідроксонію . Для спрощення дисоціацію подають як

тобто вважають, що молекули води частково дисоціюють на іони водню та іони гідроксилу ОН.

Для дистильованої води та нейтральних розчинів активність іонів водню дорівнює активності іонів гідроксилу, для водних розчинів кислот > , і тим більша, чим більша концентрація, а для водних розчинів лугів < і зменшується у міру збільшення концентрації.

На практиці для зручності обчислень активність водневих іонів характеризують водневим показником рН, який визначається як від'ємний логарифм активності іонів водню:

Показник рН для водних розчинів при нормальній температурі змінюється від 0 для сильно концентрованих водних розчинів кислот до 14 одиниць для концентрованих водних розчинів лугів.

Прилад, призначений для вимірювання рН, називають рН-метром. Найточніший і найуніверсальніший метод вимірювань рН базується на визначенні електродних потенціалів різних електродів, розміщених в досліджуваному розчині. Гальванічні перетворювачі рH-метрів склада­ються з двох напівелементів: скляного вимірювального, електродний потенціал якого є функцією рН_х досліджуваного розчину та допоміж­ного, електродний потенціал якого відомий і не залежить від власти­востей досліджуваного розчину.

Скляний вимірювальний напівелемент (рис. 5,) - це тонко­стінна (0,05...0,1 мм) колба 1, нижня сферична частина 2 якої виго­товлена із спеціального мембранного скла і заповнена так званим буферним розчином, тобто розчином із відомим значенням рНо. Всередині колби розміщений хлорсрібний допоміжний електрод 3 (пла­тиновий стержень, покритий шаром хлористого срібла).

Рис. 5 – Будова гальванічного рН-метра

При зануренні такого скляного напівелемента в досліджуваний розчин на зовнішній стінці колби на межі скло-досліджуваний розчин виникає електродний потенціал е₁ значення якого є функцією рНх. Це пояснюється про­цесами іонного обміну. Лужні іони скла (натрій чи літій) переходять у розчин, а їх місця займають рухливіші іони водню із розчину. Внаслідок цього поверхневий шар скла буде насиченим водневими іонами, а скляний електрод набуде властивостей водневого електрода. Водночас на внутрішній стінці колби виникає електродний потенціал е₂, значення якого зумовлене властивостями буферного розчину, не залежить від рНх і є незмінним при незмінній температурі. Ще один електродний потенціал е₃, незалежний від рНх, виникає на хлорсрібному електроді. Результівний електродний потенціал е_х вимірювального напівелемента дорівнюватиме алгебричній сумі трьох вищезгаданих електродних по­тенціалів і міститиме складову е₀= е₂ е₃, незалежну від рН_х, та складову е₁, що є функцією вимірюваної величини рНх.

е_х= = е₀+ е₁ = е₀+ е_рН рНх,

де е₀- електродний потенціал вимірювального напівелемента при рНх=0; е_рн - коефіцієнт, значення якого зумовлене параметрами вимі­рювального напівелемента (питома ЕРС електрода, мВ/рН).

Основними складовими похибками pH -метрів є температурна похибка, а також дифузійні потенціали. Для зменшення температурної похибки застосовують електричні кола температурної корекції, а для зменшення дифузійних потенціалів - з'єднання напівелементів через електролітичний ключ.