Методы и приборы для анализа состава и измерения параметров веществ общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ

Метод кулонометрии при контролируемом потенциале состоит в измерении силы тока при электролизе раствора, содержащего определяемое вещество, причем потенциал измерительного электрода во время электролиза поддерживают в таких пределах, что определяемый компонент реагирует полностью. На базе этого метода разработаны газоанализаторы для определения озона, сероводорода, сернистого газа и др. Одним из приборов подобного типа, работающим в непрерывном режиме, является газоанализатор для анализа микроконцентраций сернистого газа. Ячейка анализатора (рис. 3) содержит измерительный электрод 1 и два вспомогательных электрода 6. Вспомогательные электроды отделены ионообменными мембранами 5 от измерительного электрода и от камеры 2 с запасным электролитом, в которой находится электрод очистки 3. Соединительные каналы а и б обеспечивают поддержание уровня электролита в камере измерительного электрода. Анализируемая смесь подается в камеру измерительного электрода через отверстия, радиально расположенные в нижней части трубки 4. На дне камеры под электродом всегда находятся несколько кусочков элементарного йода, где они медленно растворяются. При барботировании газгвой смеси через электролит сернистый газ восстанавливает йод до йодида, который затем окисляется на измерительном электроде. В качестве электролита используют 5 %-ный раствор серной кислоты.
Ячейка работает в режиме гальванического элемента. Для этого в качестве вспомогательного электрода используют электрод на основе двуокиси марганца. Ячейка не нуждается в калибровке и периодической проверке, так как определяемую концентрацию всегда можно рассчитать, исходя из закона Фарадея. Для этого необходимо знать лишь силу тока и расход анализируемого газа, При расходе газа через ячейку 50 л/ч и концентрации сернистого газа 1 мг/м³ выходной сигнал составляет 41,8 мкА, что достаточно для его записи на выпускаемых промышленностью потенциометрах без усиления.
Для уменьшения силы фонового тока, который возникает вследствие побочных химических реакций, а также из-за наличия примесей в электролите, которые весстанавливают йод, в электролитическую ячейку введена вторая пара электродов. Она аналогична измерительной паре, но замкнута накоротко. Эта пара электродов обеспечивает очистку электролита в камере с запасным электролитом перед его поступлением в измерительную камеру.
Ячейка газоанализатора смонтирована в теплоизолированном корпусе с обогревом и может работать при температуре окружающего воздуха от +40 до —40 °С. Анализируемый газ попадает в ячейку через фильтр очистки от механических примесей. Поскольку газ после ячейки несет пары йода и брызги серной кислоты, после ячейки установлен фильтр для очистки газа. Выходной сигнал датчика линейно зависит от расхода. В приборе применена двухпозиционная схема поддержания расхода, обеспечивающая необходимую точность.
Рис. 4. Схема кулонометрического газоанализатора микроконцентраций кислорода
Газоанализатор имеет четыре диапазона измерения концентрации сернистого газа: 0—1; 0—2; 0—5; и 0—10 мг/м³. Основная погрешность +6 % диапазона измерения.
Высокоточные измерения микроконцентраций кислорода в инертных газах можно реализовать на базе метода, использующего твердоэлектролитный чувствительный элемент, работающий в кулонометрическом режиме. Метод основан на свойстве твердоэлектролитной керамики при достаточно высокой температуре проводить ток, обусловленный переносом через нее кислорода из анализируемого газа под действием приложенного напряжения. При этом сила тока переноса кислорода является мерой концентрации кислорода в анализируемом газе.
Чувствительный элемент прибора (рис. 4) представляет собой трубку 1 из твердого электролита состава 0,85 ZrO₂ + 0,15Y₂O₃. На внутренней и внешней поверхностях трубки расположены газопроницаемые платиновые электроды 2. Часть элемента, ограниченная электродами, разогревается электропечью 3 до температуры 850—1000 °С, при которой обеспечивается достаточная ионная проводимость электролита. К электродам чувствительного элемента подключен источник постоянного тока 4.
Разность потенциалов на электродах должна быть меньше термодинамически равновесного потенциала, обусловленного собственной диссоциацией электролита, но больше ЭДС, которая определяется ионным потоком кислорода.
Для установившегося режима при условии полного переноса кислорода из потока анализируемого газа и отсутствия других механизмов проводимости, кроме кислородо-ионной, зависимость между силой тока переноса и концентрацией кислорода можно выразить соотношением

где С — концентрация кислорода; I — ток; М — молекулярная масса кислорода; Q — расход газа; п — число электронов, затрачиваемых на образование двух ионов кислорода; F — число Фарадея.
Как видно из приведенного соотношения, показания прибора определяются только концентрацией и расходом газа и не зависят от напряжения питания и температуры электролита. Таким образом, при постоянном расходе анализируемого газа через чувствительный элемент сила тока переноса кислорода, измеряемая прибором 5, однозначно определяет концентрацию кислорода. Это позволяет отнести рассмотренный метод измерения микроконцентрации кислорода к категории абсолютных методов, т. е. не требующих градуировки по эталонным газовым смесям. Последнее обстоятельство является важным преимуществом метода, так как позволяет изготовлять анализаторы с высокими метрологическими характеристиками.