Применение полярографических преобразователей

Метод, основанный на снятии кривых поляризации—полярографический метод. Это единственный метод, который позволяет производить качественный и количественный анализы сложных растворов без предварительного разделения компо­нентов. Естественной входной величиной является концентра­ция различных ионов.

На рис. 4.77 показано устройство датчика концентратомера с нолярографическим преобразователем.

Рис. 4.77. Устройство датчика концентратомера с нолярографическим преобразователем.

Исследуемый электро­лит из трубопровода 1 поступает через змеевик 2 в полярографический преобразователь 3 с ртутным капающим като­дом 4. Преобразователь вместе с змеевиком помещен в термо­стат 5, где автоматически поддерживается постоянная темпе­ратура. Если на преобразователе поддерживать постоянное напряжение, равное потенциалу полуволны измеряемого ве­щества и подать стабильное переменное напряжение, то изме­нение переменной составляющей тока будет пропорционально изменению концентрации вещества в растворе, который не­прерывно протекает через преобразователь. В производствен­ных условиях погрешность измерения не превышает 4%. При снятии полных полярограмм погрешность может быть сниже­на до 1,5%.

В последние годы для снятия полярографических кривых широко используется электронный осциллограф. Напряжение на полярографическом преобразователе при этом изменяется с большой скоростью (до 100 В/с), что дает возможность получать на экране осциллографа кривые зависимости мгно­венного значения тока от мгновенного значения напряжения. В некоторых случаях вместо кривой i = f (и) снимаются кри­вые I = f (t) и и = f (t) или di/dt = f (u) и du/dt = f (t), по которым можно определить различные параметры физико-хи­мических процессов.

Градуировку полярографических преобразователей произ­водят по стандартным растворам с известной концентрацией. Сначала снимают полярограмму исследуемого раствора и определяют предельный ток I_X. Затем с этим же преобразо­вателем снимают полярограмму раствора с известной концент­рацией С_N и определяют предельный ток I_N. Концентрацию исследуемого раствора определяют по формуле

(4.34)

Для точного измерения концентрации используется метод стандартных добавок, при котором сначала снимают поляро­грамму исследуемого раствора и определяют предельный ток

а затем в раствор добавляют определенное количество стан­дартного раствора с известной концентрацией и снова находят предельный ток

(4.35)

где V_X – исходный объем анализируемого вещества,

V_n – объем добавленного стандартного раствора.

Из двух этих уравнений получается выражение для опреде­ления неизвестной концентрации

) (4.36)

Полярографирование производится при комнатной темпе­ратуре; обычно изменение температуры на несколько градусов практически не имеет значения. Ток возрастает при темпера­туре выше +25^oС и при изменении температуры от +20 до +95^oС высота волн увеличивается почти в три раза.

Глава 5. Генераторные преобразователи

5.1. Пьезоэлектрические преобразователи

Принцип действия

Пьезоэлектрические преобразователи выполняются из ма­териалов, в которых может возникать пьезоэлектрический эффект.

Пьезоэффект может быть прямым и обратным.

Прямой пьезоэффект заключается в возникновении элект­рических зарядов на гранях пьезоэлектрика при воздействии на него механической силы, вызывающей напряжение в мате­риале. При устранении силы заряды исчезают.

Обратный пьезоэффект проявляется в том, что пьезоэлектрик, помещенный в электрическое поле, изменяет свои геомет­рические размеры.

Чаще всего в качестве пьезоэлектрика применяется кварц, на примере которого и рассмотрим принцип действия пьезо­электрического преобразователя.

В кристаллах кварца принято различать три главные оси: оптическую z, электрическую х и механическую у (рис. 5.1).

Параллелепипед, вырезанный из кристалла кварца так, чтобы его грани были параллельны главным осям, обладает следующими свойствами:

1) при воздействии силы F_у, направленной вдоль электри­ческой оси х, на гранях bc, перпендикулярных этой оси, появляются электрические заряды. Это так называемый продоль­ный пьезоэффект;

2) при воздействии силы F_у, направленной вдоль механи­ческой оси у, заряды появляются так же на гранях bc. Это — поперечный пьезоэффект;

3) если приложить механическую силу вдоль оптической оси z, то заряды не возникнут.

Величина зарядов, возникающих на гранях кристалла bc под действием силы F_X, не зависит от геометрических разме­ров кристалла и равна (1)

(5.1)

где d₁ — постоянный коэффициент, называемый пьезоэлектрической постоянной.

Величина зарядов, возникающих под действием силы F_y зависит от геометрических размеров кристалла и имеет про­тивоположный знак

где d₁—та же постоянная, что и в формуле (5.2), b и а—дли­на граней.

Рис. 5.1. Кристалл кварца.

Из формулы (5.2) видно, что в случае необходимости мож­но повысить чувствительность пьезоэлектрика, увеличив отношение b/a.

В случае растягивающих усилий вдоль осей х и у возни­кающие заряды будут иметь знаки, противоположные случаю сжимающих усилий.

В тех случаях, когда параллелепипед вырезан не вдоль осей, а под углом к ним, возникающие заряды будут меньше. Учет углов рассматривается в специальной литературе.