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

2. КОНТАКТНЫЕ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Измерительная схема двухэлектродной кондуктометрической ячейки (рис. 6) включает: R1, R2 и R3 — постоянные манганиновые резисторы; R_p — переменный компенсирующий резистор (КПР); R_x — сопротивление раствора кондуктометрической ячейки. При изменении концентрации контролируемого раствора меняется сопротивление R_x и на вершинах моста ab возникает разность потенциалов. Сигнал разбаланса, пропорциональный по величине изменению концентрации, усиливается электронным усилителем ЭУ и поступает на реверсивный двигатель РД, который перемещает движок КПР, стрелку и перо прибора. В плечо, смежное с R_x, включен параллельно постоянному резистору R1 конденсатор С.

Для компенсации температурной погрешности в автоматических приборах используют обычно автоматические температурные компенсаторы электрического типа с использованием металлических термометров сопротивления (рис. 7). Для температурной компенсации необходимо обеспечить равенство температурных коэффициентов сопротивления измерительной R_x ячейки (т. е. контролируемого раствора) и термометра сопротивления R_t. Для этого параллельно R_x включают шунтирующий резистор R_ш с низким температурным коэффициентом (например, из манганиновой проволоки). Благодаря этому температурный коэффициент сопротивления параллельной цепи R_x— R_ш значительно снижается по сравнению с температурным коэффициентом раствора и приближается к температурному коэффициенту термометра сопротивления R_t, но имеет противоположный знак. Таким образом, общее сопротивление всей цепи почти не изменяется при колебаниях температуры контролируемого раствора, так как изменение сопротивления цепи R_x— R_ш компенсируется равным по величине и обратным по знаку изменением сопротивления R_t.
Рис. 6. Измерительная схеа двух-электродной измерительной ячейки
Рис. 7. Схема кондуктометрической ячейки с металлическим термометром сопротивления
На рис. 8 показана схема кондуктометра с четырехэлектрод-ной измерительной ячейкой, Ток в растворе протекает между двумя внешними электродами 1 и 4, подключенными к источнику напряжения U₁. Благодаря большому ограничивающему сопротивлению резистора R сила тока 1 в цепи ячейки остается постоянной независимо от изменения сопротивления раствора. Два внутренних электрода 2 и 5 выполняют функции потенциометрических и предназначены для измерения падения напряжения в растворе:

где — сопротивление раствора, заключенного между электродами 2 и 3 (k — константа четырехэлектродной измерительной ячейки, которая зависит от расстояния между электродами 2 и 3 и от площади их поверхности).
Рис. 8. Схема кондуктометра с четырехэлектродной измерительной ячейкой


Рис. 9. Принципиальная схема кондуктометрического анализатора с жидкостным контуром связи
Следовательно,

где .
Таким образом, разность потенциалов между электродами 2 и 3 однозначно определяется концентрацией контролируемого раствора. Измеряемая величина сравнивается с разностью потенциалов U_ab на вершинах а и b уравновешивающего моста. Если , то на вход электронного усилителя ЭУ поступает сигнал разбаланса . В момент равновесия , при этом ток в цепи электродов 2 и 3 отсутствует.
Автоматическую компенсацию температурных погрешностей измерения осуществляет металлический термометр сопротивления R_t, включенный в одно из плеч уравновешивающего моста. При изменении температуры контролируемого раствора изменяется и сопротивление R_t, в результате чего разность потенциалов U_аb также меняется. Приращение при изменении R_t должно быть равно по величине и обратно по знаку приращению , вызванному изменением ( ) температуры контролируемого раствора. Этого равенства достигают подбором параметров компенсационного моста (сопротивлений резисторов R1, R2, R3) и напряжения U₂.

3. БЕСКОНТАКТНАЯ НИЗКОЧАСТОТНАЯ КОНДУКТОМЕТРИЯ

Особенность приборов этого типа — отсутствие гальванического контакта электродов измерительной ячейки с анализируемой средой.

Физические основы низкочастотной бесконтактной кондуктометрии рассмотрим на примере схемы на рис. 9. Труба из диэлектрика образует замкнутый виток, который заполнен контролируемым раствором электролита. Снаружи на трубку намотаны обмотки двух трансформаторов — возбуждающего Tp1 и измерительного Тр2. Первичная обмотка трансформатора Tp1 присоединена к источнику переменного тока U. Замкнутый жидкостный виток, образованный раствором электролита в трубе, выполняет функцию вторичной обмотки трансформатора Tp1. В результате электромагнитного взаимодействия в жидкостном витке индуктируется ЭДС

где — число витков первичной обмотки трансформатора Tp1; — жидкостный виток (обычно ); U — напряжение, питающее первичную обмотку Tp1.
Сила тока, протекающего в жидкости под действием ЭДС E_p:
(4)
где R — сопротивление жидкостного витка; — константа низкочастотной бесконтактной кондуктометрической ячейки, равная отношению длины жидкостного витка к площади его проводящего сечения (обычно величину определяют экспериментально).
В правой части уравнения (4) все величины, кроме х, постоянны, поэтому сила тока I_р пропорциональна концентрации контролируемого раствора.
Измерение силы тока I_р производится вторым трансформатором Тр2, для которого жидкостный виток является первичной обмоткой. ЭДС Е_И, наводимая во вторичной обмотке измерительного трансформатора Тр2, пропорциональна концентрации. В большинстве случаев для измерения ЭДС используют компенсационный метод, для чего вводят дополнительную обмотку w_K трансформатора Тр2.
Условие компенсации имеет вид . Поскольку , то . Для изменения силы тока, протекающего через компенсационную обмотку, используют реверсивный двигатель РД, который перемещает движок КПР R_p. Положение движка реохорда и связанной с ним стрелки прибора пропорционально концентрации контролируемого раствора. Для компенсации температурной погрешности измерений предназначен металлический термометр сопротивления R_t, который включен в мостовую корректирующую цепь R_t—R1—R2—R3 и находится в контролируемом растворе.
Бесконтактные низкочастотные кондуктометры (промышленной и звуковой частоты до 1000 Гц) можно использовать для измерения концентрации как сильных электролитов (соляная, серная и азотная кислоты, щелочи), так и слабых, если их удельная электрическая проводимость в пределах 1 — 10^-6 См/см.