Первичные измерительные преобразователи (ячейки) кондуктометров

Как и любой анализатор, кондуктометры содержат первичный измерительный преобразователь (ПИП), измерительный преобразователь и вторичный прибор.

ПИП классифицируют следующим образом:

• — по наличию гальванического контакта между электродами и средой: контактные и бесконтактные (емкостные и индуктивные);
• — по способу размещения жидкости в датчике: наливные, проточные и погружные;
• — по числу электродов: двух-, трёхи многоэлектродные.

Перечисленные типы датчиков могут быть реализованы с помощью датчиков с внутренним (сосредоточенным) и внешним (рассеянным) полем.

Существуют различные конструкции ПИП (ячеек) кондуктометров. На рис. 1.2 показаны некоторые конструкции контактных и бесконтактных датчиков, широко используемых для физико-химических исследований и контроля технологических параметров. Все конструкции ПИП являются различными вариантами двух-, трёхи четырёхэлектродных ячеек. На рис. 1.2 а изображён один из самых старых, но до сих пор используемых датчиков — ячейка Джонса, для которой характерна небольшая паразитная ёмкость. Эти ПИП изготавливают с постоянной датчика А = 5−10 ⁴ — 5 м '. На рис. 1.2 б приведён датчик, в котором сведены к минимуму краевые эффекты на электродах за счёт того, что емкостные эффекты элиминируются (от лат. elimino — выношу за порог, удаляю) коаксиальными проводами, причём внешний провод экранирует внутренний. На рис. 1.2 в, г показаны проточный емкостной и погружной индуктивный бесконтактные датчики, на рис. 1.2 д, е — многозвенные реж

Рис. 1.2. Конструкции кондуктометрических ПИП: а — ячейка Джонса; б — контактный; в — проточный емкостной; г — индуктивный погружной; д — многозвенный резистивноемкостной; е — многозвенный резистивно-индуктивный; ж — многоэлектродный бесконтактный зистивно-емкостной RC и резистивно-индуктивный RL датчики, а на рис. 1.2 д — многоэлектродный бесконтактный датчик.

Являясь источниками информации об УЭП раствора, ПИП кондуктометров вносят основной вклад в погрешность измерения, характерную для контактного метода измерения.

На величину комплексного сопротивления контактного ПИП оказывают влияние фарадссвскис процессы на границе электрод-раствор электролита, активное сопротивление раствора, обусловленное его УЭП, межэлектродная ёмкость и многое другое. Для описания этих процессов были предложены различные схемы замещения контактного ПИП, в большей или меньшей степени учитывающие эти факторы. На рис. 1.3 показаны электрические схемы замещения контактных и бесконтактных ПИП.

На рис. 1.3 а — д изображены электрические схемы замещения контактного двухэлектродного датчика со следующими обозначениями: R — активное сопротивление датчика с анализируемой жидкостью; /?_d, С_д — сопротивление и ёмкость двойного электрического слоя соответственно; R_K, С_к — сопротивление и ёмкость концентрационной поляризации (рис. 1.3 a); R", С" — паразитные сопротивление и ёмкость; С₂ — ёмкость подводящих проводов; С₂ — собственная (геометрическая) ёмкость; на рис. 1.3 в W — диффузионный импеданс Варбурга (О.Н. Warburg — немецкий биохимик, 1883 — 1970), состоящий из R, и С,; R_e — сопротивление активатизационной поляризации; на рис. 1.3 г z_e — электродный импеданс, состоящий из С, R_s и C_s.

Эквивалентные схемы контактных ПИП достаточно сложны и отличаются друг от друга учётом тех или иных явлений на электродах. В основном на точность измерений электрических параметров датчика с исследуемым раствором оказывает влияние двойной электрический слой, возникающий на границе электрод — раствор и процессы электролиза на электродах. Физический смысл процессов, происходящих на двойном слое при переменном токе, состоит в том, что часть тока расходуется на перезарядку ёмкости конденсатора двойного слоя С_а, а другая.

Рис. 1.3. Электрические схемы замещения контактного и бесконтактного ПИП часть, характеризующая утечку, идёт на фарадеевские электродные процессы.

Между тем показано, что с достаточной для практики точностью эквивалентная электрическая схема ПИП может быть приведена к схемам параллельного (рис. 1.3 к) и последовательного (рис. 1.3 л) типа. При этом сопротивление R, моделирует активное сопротивление ПИП, а ёмкость С, — его диэлектрические свойства.

Для уменьшения погрешности измерения, свойственной контактным ПИП, используют, чаще всего совместно, различные методы. Увеличивают поверхность электродов за счёт нанесения губчатых покрытий или травления поверхности электродов. Для уменьшения влияния ёмкости подводящих проводов увеличивают расстояние между выводами электродов или применяют эквипотенциальную защиту выводов и измеряемого объёма раствора. Часто для уменьшения влияния импеданса Варбурга применяют многоэлектродные ПИП, увеличивают частоту напряжения питания, уменьшают силу тока через датчик.

На рис. 1.3 б, д — и показаны электрические схемы замещения бесконтактного емкостного двухэлектродного ПИП, параллельная схема которого была предложена Ричардсом и Лумисом со следующими обозначениями: С/, R/ - ёмкость и сопротивление диэлектрической стенки ПИП; C_t), R, — ёмкость и сопротивление двойного электрического слоя; С", R" — паразитные ёмкость и сопротивление; С₂, R — измеряемые ёмкость и сопротивление ПИП с раствором. На рис. 1.3 ж-з приведены соответственно: ж — эквивалентная схема для ПИП с разбавленным раствором; з — при большом расстоянии между внешними электродами. В практике ВЧ кондуктометрии применяют также индуктивные L и комбинированные индуктивно-емкостные LC ПИП, которые по конструктивному исполнению могут быть погружными и проточными.

В результате ряда упрощений схем на рис. 1.3 б, д, е в практике бесконтактной кондуктометрии широко распространена эквивалентная схема (рис. 1.3 и). В этой схеме С, и С₂ — ёмкости, обусловленные диэлектрическими свойствами материала стенок ПИП и раствора соответственно; R — активное сопротивление анализируемого раствора.