- •Предисловие
- •Глава первая общие сведения об электрических измерениях и электроизмерительной аппаратуре
- •1.2. Виды и методы измерений
- •1.3. Погрешности измерений
- •1.4. Причины в03никновения и способы исключения систематических погрешностей
- •1.5. Оценка случайных погрешностей
- •1.6. Основные характеристики измерительных приборов и преобразователей
- •Глава вторая электроизмерительные приборы и измерения электрических величин
- •2.1. Общие сведения об аналоговых электромеханических приборах
- •2.2. Магнитоэлектрические приборы
- •2 3. Магнитоэлектрические приборы с преобразователем переменного тока в постоянный
- •2.4. Электродинамические приборы
- •2.5. Электростатические приборы
- •2.6. Электромагнитные приборы
- •2.7. Электронные аналоговые вольтметры
- •2.8. Компенсаторы
- •2.9. Измерительные мосты
- •2.10. Цифровые измерительные приборы
- •2.11. Осциллографы
- •2.12. Измерение параметров электрических сигналов
- •2.13. Измерение параметров электрических цепей
- •Глава третья измерение магнитных величин
- •3.1. Измерение магнитного потока, магнитной индукции и напряженности постоянного магнитного поля
- •3.1.1. Использование измерительной катушки
- •3.1.2. Использование гальваномагнитных преобразователей
- •3.1.3. Использование преобразователей на основе ядерного магнитного резонанса
- •3.2. Характеристики магнитных материалов
- •3.2.1. Статические характеристики
- •3.2.2. Динамические характеристики
- •3.3. Определение статических характеристик магнитных материалов
- •3.4. Определение динамических характеристик магнитных материалов
- •Глава четыре измерение неэлектрических величин
- •4.1. Структурные схемы приборов для измерения неэлектрических величин
- •4.1.1. Последовательное соединение преобразователей
- •4.1.2. Дифференциальные схемы соединения преобразователей
- •4.1.3. Логометрические схемы соединения преобразователей
- •4.1.4. Компенсационные схемы включения преобразователей
- •4.2. Преобразователи неэлектрических величин
- •4.2.1. Реостатные преобразователи
- •4.2.2. Тензорезисторные преобразователи
- •4.2.3. Емкостные преобразователи
- •4.2.4. Пьезоэлектрические преобразователи
- •4.2.5. Индуктивные преобразователи
- •4.2.6. Трансформаторные преобразователи
- •4.2.7. Индукционные преобразователи
- •4.2.8. Магнитоупругие преобразователи
- •4.2.9. Термоэлектрические преобразователи
- •4.2.10. Терморезисторы
- •4.2.11. Фотоэлектрические преобразователи
- •4.2.12. Ионизационные преобразователи
- •4.2.13. Электрохимические преобразователи
- •4.2.14. Датчики гсп для измерения теплоэнергетических величин
- •4.3. Измерение неэлектрических величин
- •4.3.1. Измерение основных механических величин
- •4.3.2. Измерение температуры
- •4.3.3. Измерение расхода жидкостей и газов
- •4.3.4. Измерение концентрации
4.2.13. Электрохимические преобразователи
Электролитические (кондуктометрические) преобразователи. Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости электропроводности раствора электролита от его концентрации. Как известно, электропроводность дистиллированной воды очень мала. При растворении в ней кислот, солей, оснований (электролитов) электропроводность возрастает. При растворении в воде электролиты диссоциируют на положительные и отрицательные ионы; при этом количество носителей и электропроводность раствора возрастают. При малых концентрациях электролита, когда количество ионов мало, увеличение электропроводности пропорционально концентрации растворенного вещества. При увеличении концентрации с в результате взаимодействия между ионами и уменьшения степени диссоциации пропорциональность нарушается (рис. 4.53).
Электролитический преобразователь (рис. 4.54) представляет собой два электрода 1, погруженные в раствор2. Электролитические преобразователи в основном применяются для измерения концентрации растворов, кроме того, они используются для измерения перемещения, скорости, механических деформаций, температуры и других физических величин. В преобразователях, предназначенных для измерения концентрации, электроды делаются неподвижными. Сопротивление между электродами преобразователяRобратно пропорционально удельной электрической проводимости электролита:
(4.154)
Коэффициент kназывается постоянной преобразователя. Он определяется экспериментально по сопротивлению преобразователя, заполненного раствором с известным значением.
Электрические преобразователи включаются в мостовые измерительные цепи и часто работают с автоматическими мостами. Сопротивление преобразователей сильно зависит от температуры. Для компенсации этой зависимости последовательно с электролитическим преобразователем включаются терморезисторы.
Питание моста с электролитическими преобразователями производится напряжением переменного тока с промышленной частотой или частотой в несколько килогерц. Если электролитические преобразователи питать напряжением постоянного тока, то будет происходить электролиз раствора и изменится его концентрация в приэлектродных областях. Постоянный ток производит также поляризацию электродов. То и другое явления создают погрешность.
Для повышения стабильности преобразователя его электроды должны быть химически инертны по отношения к исследуемому раствору. Они выполняются из платины, нержавеющей стали или графита. Загрязнение электродов, изменение их активной площади вызывают погрешность.
Более надежны бесконтактные электролитические преобразователи, токоведущие элементы которых изолированы от электролита. На рис. 4.55, а показан высокочастотный бесконтактный преобразователь. Он представляет собой стеклянную трубку с тремя цилиндрическими камерами, через которую протекает исследуемый раствор. На внешнюю цилиндрическую поверхность камер наносится металлическое покрытие, служащее электродом. Два крайних электрода 1, 2 соединены вместе и заземлены, средний электрод3подключается к измерительной цепи. Эквивалентная схема приведена на рис. 4.55,б. На этой схеме R1иR2– сопротивления раствора в левой и правой трубках;Ср1иСр2– емкости раствора в соответствующей трубке;С1 , С2 , С3– емкости между соответствующим электродом и раствором. В конденсаторахСр1иСр2- диэлектриком служит раствор, в конденсаторахС1 , С2 , С3– стекло. Преобразователь питается напряжением с частотой несколько мегагерц.
Гальванические преобразователи. Принцип действия гальванического преобразователя основан на зависимости потенциала электрода от концентрации ионов в растворе. Металлический электрод, погруженный в раствор электролита, частично в нем растворяется. Положительные ионы металла переходят в раствор, и электрод получает отрицательный заряд. Образованная разность потенциалов между электродом и раствором препятствует переходу ионов металла, и растворение электрода прекращается. При равновесии электрический потенциал электрода зависит от концентрации ионов в растворе и может служить для определения их концентрации.
Конструктивно гальванический преобразователь (рис. 456) состоит из двух полуэлементов 1 и 2, которые гальванически соединены между собой электрическим ключом3. Полуэлемент представляет собой сосуд с раствором электролита, в который погружен металлический электрод. В одном полуэлементе находится раствор, концентрация которого измеряется, в другом – раствор с известной концентрацией. Электролитический ключ – это трубка, заполненная раствором КС1 и закрытая с двух сторон полупроницаемыми пробками из ваты или асбеста. ЭДС преобразователяЕ, измеряемая между двумя электродами, определяется неизвестной концентрацией.
Большое значение имеет определение концентрации ионов водорода Н+в растворах. Чистая дистиллированная вода, хотя и немного, но диссоциирована на ионы. Согласно закону действующих масс и вследствие малой диссоциации воды ионное произведение воды
(4.155)
где аH+иаOH– – концентрация ионов Н+и ОН-, выраженные в моль/л.
Ионное произведение воды – величина постоянная, при 22С равная 10-14. Если в воде растворить кислоту, то при диссоциации ее молекул концентрация ионов Н+возрастает и, следовательно, уменьшается концентрация ионов ОН-. Растворение оснований изменяет концентрации Н+и ОН-противоположным образом. Концентрация ионов водорода характеризует кислотность раствора. Кислотность влияет на протекание многих химических реакций и биохимических процессов. Единицей ее измерения служит водородный показатель
(4.156)
В качестве примера в табл. 4.3 приведены величины рН для различных концентраций соляной кислоты и едкого натра.
Приборы, служащие для измерения водородного показателя, называются рН-метрами. Их первичными преобразователями служат гальванические преобразователи, в которых роль металла играет водород, роль металлических ионов – ионы Н+.
Типичным полуэлементом рН-метра является водородный электрод 1 на рис. 4.57. Он представляет собой стеклянный сосуд с электролитом, в который погружена пластинка, покрытая мелкодисперсной платиной (платиновой чернью). Снизу на пластинку подается газообразный водород. Он адсорбируется платиной и частично в виде ионов Н+переходит в раствор. Вследствие оставшихся на пластинке электронов она имеет отрицательный потенциал относительно раствора.
Таблица 4.3. Таблица зависимости значений рН от концентрации растворов
Раствор электролита |
Концентрация раствора, моль/л |
Содержание ионов Н+, г/л |
pH |
Концентрированная соляная кислота НС1 |
0,1 |
1 |
0 |
Концентрированная соляная кислота НС1 |
0,1 |
10-1 |
1 |
Разбавленная соляная кислота НС1 |
0,0001 |
10-4 |
4 |
Чистая вода (нейтральный раствор) |
- |
10-7 |
7 |
Разбавленная щелочь NaOH |
0,0001 |
10-10 |
10 |
Разбавленная щелочь |
0,01 |
10-12 |
12 |
Для измерения кислотности используют два полуэлемента. Один полуэлемент 1 заполняется электролитом с известной концентрацией, другой2 – электролитом, значение рН которого нужно измерить. Развиваемая между электродами разность потенциаловЕ определяется выражением
(4.157)
где С– постоянная;Т – температура, К,(aH+)x– измеряемая концентрация ионов Н+, (aH+)0 – концентрация ионов Н+образцового раствора.
Если в качестве образцового используется раствор с нормальной концентрацией ионов Н+(1 г/л) и измерение производится при 18С, то разность потенциалов
(4.158)
Водородный электрод позволяет измерять рН в пределах от 0 до 14 с высокой точностью. Однако через преобразователь необходимо непрерывно пропускать газообразный водород. В настоящее время имеются стеклянный, хлорсеребряный и другие рН-метры, лишенные этого недостатка.
Измерение ЭДС гальванических преобразователей должно производиться при минимальном токе, поскольку при протекании тока происходит электролиз и изменяется концентрация раствора в приэлектродной области, что создает погрешность. Кроме того, при протекании тока происходит падение напряжения на довольно большом внутреннем сопротивлении преобразователя, что также вносит погрешность в измерение ЭДС. ЭДС рН-метров измеряется либо электронными вольтметрами с большим входным сопротивлением, либо с помощью потенциометров с ручным или автоматическим уравновешиванием.
ЭДС гальванического преобразователя зависит от температуры. Для уменьшения погрешности автоматические рН-метры имеют термокорректирующие цепи.