Принцип 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 ионов  в 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).

Рисунок 4.9 Устройство ион-селективного 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. 

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

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

3. Какой принцип положен в основу работы полярографического измерительного преобразователя?

4. Объясните устройство и принцип работы ионисторов.

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

6. Приведите примеры реализации электрокинетических явлений в живой и неживой природе.

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

  

⇐ Предыдущая33343536373839404142Следующая ⇒

Поделиться: