Оборудование для измерения концентрации водородных ионов

Лабораторный рН-метр-милливольтметр рН-673М представляет собой настольный прибор, состоящий из преобразователя и штатива.

Конструктивно преобразователь выполнен в виде отдельного блока, в котором раз­мещены элементы электрической семы.

Электрическая схема, монтаж которой выполнен на печатных платах, разбита на блоки: блок усилителя, блок измерения, блок преобразователя, блок генератора управляю­щих импульсов и блок стабилизации.

Измерительная часть схемы выполнена в виде отдельного блока, который крепится ко дну корпуса преобразователя. Связь между блоком измерения и остальной частью элек­трической схемы осуществляется внутри прибора с помощью разъема.

На лицевую панель (рис.28) вынесены следующие элементы:

Микроамперметр 6, ручка потенциометра температурной компенсации 4, ручка пе­реключателя диапазонов измерения 5, ручка переключателя рода работ 3, кнопка включения прибора 2 и индикатор напряжения питания 1.

Лицевая панель прикрывает доступ к потенциометрам заводской настройки.

Рис. 28 - Лицевая панель рН-метра.

1 - индикатор; 2 - кнопка; 3 - ручка переключателя рода работ; 4 - ручка потенциометра температурной компенсации; 5 - ручка переключателя диапазонов измерения; 6 - микроам­перметр.

 

Штатив предназначен для крепления электродов и установки сосуда с контролируе­мым раствором при измерении.

На штативе закрепляются два кронштейна, высота которых может регулироваться в зависимости от вида измерений (измерение в станке, измерение в термостатированной ячей­ке, измерение в ячейке для микроизмерений).

Для измерения величины рН используется электродная система со стеклянным элек­тродом, электродвижущая сила которого зависит от активности ионов водорода в растворе. Схема такой электродной системы приведена на рисунке 29.

Стеклянный электрод 2 представляет собой трубку с напаянным на конус полым ша­риком 1 из литиевого стекла.

Рис. 29 - Схема измерения рН-раствора.

1 - полый шарик из электродного стекла; 2 - стеклянный электрод; 3 - внутренний контактный электрод; 4 - вспомогательный электрод; 5 - электролитический ключ; 6 - пористая перегородка; 7 - рН-метр.

 

При погружении электрода в раствор между поверхностью шарика-электрода и рас­твором происходит обмен ионами, в результате которого ионы лития в поверхностных слоях стекла заменяются ионами водорода, и стеклянный электрод приобретает свойства водород­ного электрода.

Между поверхностью стекла и контролируемым раствором возникает разность по­тенциалов Е_х, величина которой определяется активностью водорода в растворе.

Е_х = R*T / F - ln dH = -2.3 - R*T / F – pH,                                   (28)

где R - универсальная газовая постоянная, равная 8,315x10^-7;

Т - температура раствора, К;

F - 96500 кулон (г-эков) число Фарадея;

dH - активность ионов водорода в растворе;

рН - величина рН раствора.

Для создания электрической цепи при измерении применяются контактные электро­ды: внутренний хлорсеребряный электрод 3, осуществляющий электрический контакт с раствором, заполняющим внутреннюю часть стеклянного электрода и каломельный электрод (так называемый вспомогательный электрод) 4, осуществляющий электрический контакт с контролируемым раствором.

Для защиты от воздействия высоких температур (при измерении рН горячих раство­ров) вспомогательный электрод помещают вне контролируемого раствора и соединяют с ним при помощи электрического ключа 5 - трубки, заполненной насыщенным раствором хлори­стого калия и заканчивающейся пористой перегородкой 6.

Раствор хлористого калия непрерывно просачивается через пористую перегородку, предотвращающую проникновение из контролируемого раствора в систему электрода 4 по­стоянных ионов, которые могли бы изменить величину ЭДС электрода.

ЭДС электродной системы равна алгебраической сумме ЭДС контактных электродов Е_к и Е_всп, ЭДС, возникающей на внутренней поверхности стеклянного электрода Е_вн опре­деляемой величиной рН внутреннего раствора, и ЭДС, возникающей на наружной поверхно­сти стеклянного электрода E_x.

Величины Е_к, Е_всп, и Е_вн не зависят от состава контролируемого раствора и меня­ются только при изменении температуры.

Ε = Е_к + Е_всп + Е_вн + Е_х

Суммарная ЭДС электродной системы линейно зависит от величины рН раствора. Изменяя ЭДС электродной системы с помощью рН-метра 7, шкала которого градуи­рована в единицах рН, определяют величину рН контролируемого раствора.

Элементарная схема, поясняющая принцип действия преобразователя приведена на рисунке 30.

Электродвижущая сила Е_х электродной системы сравнивается с падением напряже­ния на сопротивлении R, через которое протекает ток I_вых оконечного каскада усилителя. Падение напряжения U на сопротивлении R противоположно по знаку ЭДС Е_х, и на вход усилителя подается напряжение:

U_вх = E_х- U_вых =Е_x - I_вых · R

Напряжение U_вх преобразуется в переменное напряжение, которое затем много­кратно усиливается и при помощи демодулятора вновь преобразуется в постоянное напря­жение. Это напряжение управляет током I_вых оконечного каскада усилителя.