РН-метры. 
Технические измерения и приборы в 2 т. Том 2 в 2 кн. Книга 1

При соединении измерительного и вспомогательного электродов, погружённых в контролируемый раствор, образуется гальванический элемент (рис. 4.6). Его ЭДС равна алгебраической сумме потенциалов измерительного и вспомогательного электродов.

Рис. 4.6. Измерительный (гальванический) элемент рН-метра.

При постоянном потенциале вспомогательного электрода ЭДС измерительного элемента равна.

где Е"'= Е" + Е_жпач = const.

Следовательно, если известен нормальный потенциал измерительного электрода Е₀ и потенциал вспомогательного Е_тиш, ЭДС измерительного элемента пропорциональна активности ионов (4.16).

Для потенциометрического определения концентрации вещества в растворе применяют прямую потенциометрию и потенциометрическое титрование (см. гл. 7).

Определение концентрации вещества в прямой нотенциомстрии проводят методом градуировочного графика или методом добавок стандарта.

Метод градуировочного графика заключается в построении градуировочного графика ЭДС-lgC по эталонным растворам, который обычно представляет собой прямую линию. Затем измеряют ЭДС анализируемого раетвора и по градуировочному графику определяют его концентрацию.

Метод добавок стандарта заключается в том, что в электрохимическую ячейку вносят известный объём V_c анализируемого раствора с концентрацией С и измеряют ЭДС ячейки. Затем в тот же раствор добавляют точно измеренный небольшой объём V_cm с известной, достаточно большой, концентрацией С"" определяемого вещества и снова измеряют ЭДС. Тогда концентрация вещества С в растворе равна.

где ЛЕ — разность двух измеренных значений ЭДС; п — число электронов, участвующих в электродной реакции.

Как правило, электродная система имеет очень высокое электрическое сопротивление, около 10^s Ом. Поэтому для измерения потенциала необходим электронный вольтметр (потенциометр), имеющий входное сопротивление порядка 10^й — 10¹² Ом, либо потенциометр с ручным или автоматическим уравновешиванием.

Для более точных измерений потенциала в лабораторных условиях до сих пор применяют компенсационную схему, предложенную Погендорфом (J. Poggendorff — немецкий физик, 1796- 1877).

Потенциометр Погендорфа (рис. 4.7) состоит из двух контуров — верхнего, включающего источник постоянного напряжения ЕI, реостат R_u и нижнего, состоящего из реостата /?2 со шкалой, проградуированной в вольтах, двойного двухполюсного ключа П для введения в цепь стандартной ячейки Е_а" или измеряемой Е, гальванометра Г и ключа К.

В верхнем контуре постоянно течёт ток. Перед измерением потенциала Е потенциометр настраивают по потенциалу стандартной ячейки Е_ст. Для этого ключом П в цепь вводят стандартную ячейку Е,._т, реостатом R₂ устанавливают 1,0183 В и подбирают сопротивление R так, чтобы при кратковременном замыкании ключа К гальванометр Г показал отсутствие тока в нижнем контуре. Затем ключом П вводят в цепь Е и, замыкая ключ К на короткое время, перемещают движок реохорда до тех пор, пока в нижнем контуре не перестанет течь ток. Указатель движка реохорда Л₂ указывает на величину Е.

Рис. 4.7. Схема потенциометра Погендорфа.

В аналитических лабораториях используют серийно выпускаемые цифровые вольтметры или вольтметры со шкалой, калиброванной в мВ и pH. Эти приборы, называемые иономерами или рН-мстрами, имеют входное сопротивление 10″ -10¹²0 м.

Электронный вольтметр постоянного тока выполняют по схеме, показанной на рис. 4.8.

Измеряемое напряжение U подаётся на входное устройство, представляющее собой многопредельный высокоомный делитель на резисторах. С делителя напряжение поступает на усилитель постоянного тока и далее — на вторичный прибор.

Делитель и усилитель постоянного тока усиливает входное напряжение до значений, необходимых для нормальной работы вторичного прибора. Одновременно усилитель обеспечивает согласование высокого сопротивления входной цепи прибора с низким сопротивлением вторичного прибора.

Рис. 4.8. Электронный вольтметр постоянного тока.

Линейность амплитудной характеристики вольтметра обеспечивается правильным выбором режимов работы транзисторов и микросхем усилителя. Отрицательная обратная связь в усилителе повышает стабильность коэффициента усиления и улучшает линейность амплитудной характеристики. Стабилизация питающих напряжений также способствует постоянству коэффициента усиления. Для уменьшения дрейфа нуля, кроме стабилизации питающих напряжений, усилитель выполняют по балансной схеме.

Внешний вид одного из pH-метров показан на рис. 4.9. Он представляет собой многопараметрический микропроцессорный анализатор жидкости, предназначенный для измерения pH (-1 — 14), рХ (-20 — 20), массовой С (0,01 — 10.000 мг/дм³) или молярной С_м (10³ — I О⁴) концентрации ионов, окислительновосстановительного потенциала Eh (-3.200 — 3.200 мВ), температуры Т (-5 — 150 °С) и концентрации кислорода в воде и водных средах (0 — 20 мг/дм³).

Струкгурная схема этого pH-метра показана на рис. 4.10.

Измерение pH основано на измерении ЭДС электродной системы, преобразуемой в дальнейшем в цифровой код и аналоговый выходной сигнал.

Рис. 4.9. Внешний вид рН-метра.

Рис. 4.10. Структурная схема рН-метра:

1,2 — входной усилитель; 3 — коммутатор переключения режимов; 4 — аналого-цифровой преобразователь; 5 — микропроцессор; 6 — контроллер дисплея; 7 — блок управления Лабораторный иономер показан на рис. 4.11.

Прибор имеет следующие технические характеристики: -диапазон измерений:

pH (рХ) -20,00 -+20,00;

ЭДС, Eh -3,000 — +2,000 В;

концентрации ионов в растворе 1 • 10 ⁶ — 1 • 10 ² г/л или 110 ⁵

— I моль/л;

температуры -20 — 150 °C;

— основная абсолютная погрешность:

pH (рХ) ±0,020 pi I (рХ) для одновалентных ионов;

±0,040 pH (рХ) для двухвалентных ионов;

ЭДС, Eh ±1,0 мВ; температуры ±0,5 °С.

Рис. 4.11. Лабораторный иономер.