Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  


Загрузка...

Реферат - Физические основы электрохимических преобразователей. Основные характеристики. Полярографические и электрокинетические преобразователи - файл 1.doc


Реферат - Физические основы электрохимических преобразователей. Основные характеристики. Полярографические и электрокинетические преобразователи
скачать (600.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc601kb.16.11.2011 04:20скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

Реклама MarketGid:
Загрузка...
Министерство образования и науки Российской Федерации

Уфимский государственный авиационный технический университет


Кафедра физических основ передачи информации


Физические основы электрохимических преобразователей. Основные характеристики. Полярографические и электрокинетические преобразователи.


Выполнил: студент группы ИИТ-307

Насыров А.А.

Проверил преподаватель:

Нурлыгаянова Е.Ф.


Уфа 2010

Содержание



  1. Физические основы электрохимических преобразователей.

  2. Полярографический эффект в растворах и применение его в измерительных устройствах. Полярографические преобразователи.

  3. Физические основы работы кондуктометрических измерительных преобразователей

  4. Применение электрокинетических явлений в растворах. Электрокинетические преобразователи.

  5. Принципы работы гальванических измерительных преобразователей.

  6. Список литературы.



Физические основы электрохимических преобразователей


Электрохимические преобразователи (хемотроны), приборы и устройства автоматики, измерительной и вычислительной техники, действие которых основано на электрохимических процессах и явлениях. Основу действия электрохимических преобразователей информации могут составлять: концентрационная поляризация электродов, электрокинетические явления, анодное растворение (или катодное электроосаждение) и др.

В общем случае электрохимический преобразователь представляет собой ячейку, заполненную электролитом и систему из двух и более электродов, включенных в измерительную цепь. Растворы (в том числе и твердые), расплавы являются проводниками 2-го рода, перенос зарядов в которых осуществляется в основном ионами. ЭЭСЗ (эквивалентная схема замещения) электрохимического преобразователя можно представить в виде электрической цепи, содержащей эквивалентные параметры (ЭДС; R; L; С) зависящие от природы, состава электродов и электролита, типа химических превращений в ячейке, температуры, скорости перемещения раствора и других физических величин. Принципы работы разнообразных типов электрохимических измерительных преобразователей основаны на реализации соответствующих законов электрохимии.





Рис. 4.1 Общий вид электрохимической ячейки и ее ЭЭСЗ: Ñý – электрическая емкость, образованная наличием объемных зарядов в растворе; R – сопротивление канала проводимости через электролит; Е – генерируемая разность потенциалов.

Известно, что при растворении солей, кислот, щелочей в воде происходит

диссоциация, т.е. расщепление молекул на анионы (-) и катионы (+). Перемещение ионов в растворе происходит за счет диффузии, обусловленной

различной концентрацией ионов в отдельных частях электролита, конвекции их за счет увлечения потоком движущейся жидкости, миграции ионов под

действием электрического поля и т.п. Для электролитов применим закон Ома. Растворы характеризуются весовой и объемной (молярной) концентрацией. Нормальный раствор содержит один моль вещества в одном литре. Химическая активность раствора (а) равна произведению эквивалентной концентрации (с) на коэффициент активности (f):


а = f·c, (4.1)


Для бесконечно разбавленного раствора: f = 1. При повышении концентрации раствора его активность снижается. Удельная проводимость раствора пропорциональна его химической активности:


γ = 1/ ρ = λ ⋅ f ⋅ c, (4.2)


где: λ - эквивалентная электропроводность раствора.

Проводимость электролита нелинейно зависит от концентрации и температуры.



Рис. 4.2 Зависимость проводимости электролита от его концентрации.


При нагревании раствора его электропроводность возрастает:







Действие всех гальванических преобразователей основано на измерении разности потенциалов между электродами, помещенными в исследуемый раствор. При этом металлический электрод, находящийся в растворе, заряжается отрицательно (электродный потенциал), а раствор – положительно (с электрода в электролит уходят положительно заряженные ионы металла). Измерить можно только разность потенциалов, поэтому за начало отсчета в электрохимии принят потенциал «водородного электрода». Для этого используют платиновый электрод, помещенный в нормальный раствор, при этом на его поверхности адсорбируют ионы водорода. Потенциалы материалов относительно «водородного электрода» имеют значения:


K U = −2.92B;

Zn U = −0.76B;

Cu U = 0.34B.


Соответственно, разность потенциалов, например, между медным и цинковым электродом будет равна:


ΔU = 0,34 − (−0,76) =1,1B (4.4)


При изменении температуры и концентрации электролита изменяется и потенциал на электроде. Согласно уравнению Нернста можно записать:





где: F - число Фарадея (F = 96522 Кл/г-экв.);

Z – валентность материала электрода;

R – универсальная газовая постоянная.

Для ЭДС между двумя элементами из разнородных материалов, находящихся в электролитах с отличающейся активностью, получим:





Если два одинаковых электрода находятся в растворах с отличающейся

концентрацией, то:




Кроме потенциалов на электродах образуется разность потенциалов на

границах двух растворов с разной концентрацией (граничный потенциал). Градиент потенциалов может возникнуть и в результате разной подвижности

ионов в растворах (диффузный потенциал). На границе двух растворов, разделенных полунепроницаемой перегородкой (мембраной), пропускающей

одни и не пропускающей другие ионы, образуется мембранная разность потенциалов.

На базе хемотронных приборов создают миниатюрные усилители, выпрямители, реле времени, интеграторы, нелинейные функциональные преобразователи, датчики ускорения, скорости, температуры, измерители вибрации, индикаторы и др. приборы и устройства, работающие в диапазоне частот 10-7—10 гц. Хемотронные приборы отличаются от электромеханических, электромагнитных и электронных приборов высокой чувствительностью (по напряжению — 10-3 в, по току — 10-6 а), малым потреблением мощности (10-8—10-3 вт), более низким уровнем собственных шумов и высокой надёжностью.

Примерами хемотронных устройств могут служить ртутно-капиллярный кулонометр и индикатор порогового напряжения. В кулонометре в результате прохождения электрического тока ртуть с анода переносится на катод и капля электролита смещается к аноду пропорционально интегралу тока от времени. Диапазон интегрируемых токов 10-9—10-4 а, время интегрирования — до нескольких лет. Кулонометры применяют, например, для определения наработки радиоэлектронной аппаратуры или её элементов.

Электрохимические цветовые индикаторы позволяют визуально наблюдать (отображать) весьма малые изменения напряжения (от 0,1 до 1,0 в) при ничтожном потреблении мощности (10-4—10-6 вт). Действие электрохимических индикаторов основывается, например, на свойстве некоторых веществ (называемых электрофлорными индикаторами), введённых в электролит, изменять под действием электрического тока цвет электролита вблизи электродов: его окраска зависит от природы электрофлорного индикатора: например, n- и м-нитрофенолы дают жёлтую окраску, метилвиолет — фиолетовую, фенолфталеин — красную.

Электрохимические преобразователи информации применяют в качестве датчиков сейсмических колебаний Земли, датчиков давления, градиента давления, линейных и угловых ускорений и других механичческих и акустических величин в океанологических исследованиях. Концентрационный электрохимический сейсмоприемник, используемый для измерения сейсмических шумов в океане, имеет чувствительность 10 мкВ/мкм смещения грунта на частоте 0,1 Гц. Электрохимически управляемые сопротивления, оптические модуляторы, усилители, выпрямители, реле времени, нелинейные емкости, генераторы колебаний тока и напряжения, запоминающие, интегрирующие элементы отличаются малыми габаритами, небольшой потребляемой мощностью (от 10-8 до 10-3 Вт), высокой чувствительностью, надежностью работы в диапазоне от 10-7 до 10 Гц, простотой схем включения, вибро- и ударостойкостью.


^ Полярографический эффект в растворах и применение его в

измерительных устройствах. Полярографические преобразователи.


При протекании через электролит электрического тока происходит

изменение электродных потенциалов, вследствие изменения приэлектродной

концентрации ионов в растворе. Приложенное напряжение падает на приэлектродной поляризационной разности потенциалов и на сопротивлении

канала в электролите.

Напряжение поляризации (ΔUp) зависит от плотности тока, химического состава раствора и электрода, что используется для создания соответствующих типов измерительных преобразователей. Величина ΔUp быстро возрастает при малых плотностях тока и почти не меняется при больших плотностях протекающего через раствор тока. Поэтому при больших токах приближенно считают ΔUp постоянной величиной, зависящей только от химических свойств растворов и материала электрода. Получаемые при этом вольт-амперные характеристики (полярограммы) несут информацию о наличии отдельных компонентов в растворе и их концентрации.



Рис. 4.3 Кривые, характеризующие явление полярографического эффекта в

ратсворах.


Если в растворе содержится много различных катионов, то вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет ступенчатый вид. На определении соответствующих параметров ВАХ основан полярографический метод электрохимического анализа растворов, позволяющий измерять не только состав, но и концентрацию компонентов в растворе. Дифференцируя зависимость тока от напряжения, получают кривые. Высота пиков на таких кривых определяет концентрацию определенных компонентов раствора. Изменяя значения напряжения на электродах, получают полярографичесий спектр, характеризующий состав раствора. Данные для полярографического анализа растворов приводятся в справочной литературе.

Полярографические преобразователи применяются для качественного и количественного химического анализа. Принцип действия их основан на использовании явления поляризации на одном из электродов электролитической ячейки при электролизе исследуемого вещества. Полярографический преобразователь представляет собой ячейку, заполненную раствором анализируемого вещества, с двумя электродами, к которым подводится медленно нарастающее напряжение U от внешнего источника питания.

Ток, проходящий через ячейку, определяется выражением

I = [U-(ea-eK)]/R,

где R — сопротивление ячейки; еа — потенциал анода; ек — потенциал катода.

Для того чтобы поляризация происходила только на одном электроде, его площадь выбирается в несколько сотен раз меньше площади другого электрода. Полагая потенциал неполяризующегося электрода, например еа, достаточно малым, а падение напряжения IR(R = 1000 Ом; / = 10~6 А) намного меньшим приложенного напряжения U, можно определить потенциал ек для разных токов как ек ~ U.

Для воспроизводимости результатов измерения необходимо, чтобы поляризующийся электрод обладал однородной и непрерывно обновляющейся поверхностью и обеспечивалась стационарность процесса диффузии ионов к электроду. Лучше всего этим требованиям удовлетворяет преобразователь с непрерывно обновляющимся капающим ртутным электродом (рис. 10-17, а). Анодом является ртуть, заполняющая дно сосуда, катодом — капля ртути, образующаяся на конце капиллярной трубки, наполняемой ртутью из резервуара. Под влиянием собственной тяжести капля ртути падает на дно сосуда, после чего образуется следующая капля, и т. д. Период от начала образования капли до ее отрыва от капилляра обычно составляет 1—6 с. Для создания ртутного капающего электрода используются капиллярные трубки с диаметром капилляра 0,1 мм и длиной 150—200 мм.

К недостаткам ртутного электрода относятся: ядовитость ртути, невозможность исследования расплавленных солей, небольшое допустимое напряжение анодной поляризации.

Полярографические преобразователи применяют при контроле производства особо чистых веществ, в металлургии, геологии, фармакологии, производстве органических соединений и полимеров, в медицине (для ранней диагностики заболеваний, определения кислорода и микроэлементов в тканях, продуктах жизнедеятельности) и при изучении механизма электродных реакций.



Рис. 4.4 Полярографический спектр раствора.


^ Физические основы работы кондуктометрических измерительных

преобразователей


Кондуктометрические методы определения концентрации растворов

основаны на измерении пассивных параметров эквивалентной электрической

схемы замещения электрохимической ячейки (R,L,C).

При проведении измерений нужно учитывать, что напряжение поляризации электродов в растворе (ΔUp) является постоянным напряжением и может составлять несколько вольт, поэтому для измерения сопротивления электролитической ячейки используют переменное напряжение, значительно превышающее значение ΔUр.

Величина переменного тока, протекающего через электрохимическую ячейку, характеризует также наличие емкостной составляющей (опережает напряжение). Нужно иметь в виду, что электрическая емкость такой ячейки зависит от частоты и плотности тока:





Поэтому определенному значению тока и частоты будет соответствовать и

определенное значение емкости электрохимической ячейки.

Для измерения проводимости растворов и связанных с ней других

физических величин создают контактные и бесконтактные кондуктометрические преобразователи. В контактных преобразователях используют электроды из платины, ртути, нержавеющей стали и т.п. Для исключения влияния приэлектродных явлений в растворах используют 4-х электродные измерительные схемы. В бесконтактных измерительных устройствах используют низкочастотные (индукционные, трансформаторные) или высокочастотные (емкостные) первичные преобразователи.





Рис 4.5 Принципы конструктивного исполнения кодуктометрических

измерительных преобразователей.


В основе механизма чувствительности кондуктометрических измерительных устройств лежит реализация функциональной зависимости параметров первичного преобразователя от расстояния между электродами, изменения их площади, изменения удельной проводимости, диэлектрической и магнитной проницаемости растворов. При этом широко используют мостовые и резонансные методы измерений.

На основе электрохимических преобразователей создают датчики, называемые ионисторами. Принцип работы таких устройств основан на определении характеристик двойного электрического слоя (запирающий слой, обедненный носителями зарядов), создаваемого электродами в растворе. Эта разновидность электрохимических преобразователей аналогична полупроводниковым диодам, триодам и т.п.




Рис. 4. 6 Устройство и принцип работы ионисторов.


Электрохимические триоды и тетроды используют для усиления токов, создания генераторов сигналов инфранизких частот, а также в качестве элементов памяти. Такие устройства характеризуются малым уровнем собственных шумов, малым дрейфом нуля. Существует также конвекционные ионисторы. Конструктивно они состоят из двух полостей, заполненных электролитом, перемещающимся в процессе измерительного преобразования под действием электрических и магнитных полей и других воздействий. Устройства данного типа используют для измерения: расхода; перепада давлений; усилий; параметров вибраций; вязкости и т.п. Такие преобразователи имеют малые габариты, массу, электропотребление, характеризуются высокой чувствительностью.

При создании кулонметрических преобразователей реализуют интегрирование тока или напряжения во времени. В качестве рабочего вещества применяют ртуть, газ (водород) и др. В отличие от ионисторов в данных преобразователях происходят различные типы физико-химических преобразований (электрод может растворяться, происходит конденсация паров и т.п.). Принцип работы устройств данного типа основан на использовании явления электролиза. Связь между массой, выделившегося на электроде вещества и количеством электричества, пропущенного через электролит, определяется формулой:




где: n – валентность ионов;

A – молярная масса;

M – масса выделившегося вещества.





Рис. 4.7 Устройство кулонметрического преобразователя.


В устройстве, показанном на рисунке, при протекании тока через раствор в результате электролиза ртуть с анода переносится на катод, что приводит к перемещению капли электролита вдоль капилляра на определенную длину Δl, пропорциональную величине тока и времени интегрирования:




Существуют кулонометрические управляемые резисторы – мимисторы. Их используют в качестве ячеек памяти, элементов коррекции медленных дрейфов тока, а также для определения времени работы устройств, для измерения влажности, толщины покрытий, для создания генераторов инфранизких частот, ячеек памяти и т.п.

^ Применение электрокинетических явлений в растворах. Электрокинетические преобразователи.


Электрокинетические преобразователи (ЭКП) основаны па использовании разности потенциалов, возникающих при протекании полярной жидкости через пористую перегородку или при деформации границы раздела двух жидкостей, различающихся физическими свойствами.



На рис. (а) показан ЭКП давления, состоящий из изоляционной пористой перегородки с диаметром пор 10—100 мкм, по бокам которой расположены сетчатые электроды 2. Корпус преобразователя, закрытый по бокам мембранами 3, заполняется полярной жидкостью (вода, спирт, ацетон и др.). ЭКП такого типа отличаются широким диапазоном измерения (0,1 Па — 1 МПа). Чувствительность к ускорениям составляет 1 мВ/(м/с2).

На рис. (б) изображен капиллярный ЭКП для измерений параметров вибраций. Он состоит из стеклянного капилляра, заполненного электролитом 2 и ртутью 3, с которыми контактируют выводы 4. На концах капилляра имеются воздушные пузырьки 5, являющиеся упругими элементами преобразователя. При вибрации, направленной вдоль оси капилляра, возникает возвратно-поступательное движение ртути и электролита, приводящее к деформации границы раздела между ними, поскольку плотности и коэффициенты кинематической вязкости ртути и электролита отличаются на порядок. Возникающая при этом периодическая конвективная диффузия ионов на границе раздела приводит к появлению переменных токов через преобразователь. На рис. (в), в показан частотный ЭКП для измерений медленно меняющихся механических величин (перемещения, давления, силы). Капилляр 1 в котором находятся два столбика электролита 2, разделенные каплей ртути 3, и два воздушных пузырька 4, представляет собой резонатор, один конец которого герметически закрыт, а на другом установлена мембрана 5. Резонатор с помощью электродов 6, 7 и 8 подключен к усилителю 9. При подаче напряжения на электроды 6 и 7 происходит деформация границ раздела ртуть — электролит, что приводит к возвратно-поступательному движению ртути и электролита и самовозбуждению автогенератора, колебательным контуром которого является электрокинетический резонатор. Частота автогенератора при отсутствии внешних воздействий определяется параметрами резонатора (жесткость мембраны, масса ртути и электролита, объем воздушных пузырьков). Перемещение мембраны под воздействием внешнего давления приводит к изменению объема воздушных пузырьков и собственной частоты резонатора, которая определяет частоту автогенератора. Изменение давления на мембрану в пределах 10— Ю5- Па или перемещение мембраны в пределах 10~3— 1 мм вызывает изменение частоты автогенератора в пределах 0,5—103 Гц. Чувствительность преобразователя давления 0,1 Гц/Па, преобразователя перемещения I Гц/мкм.

Частотные свойства ЭКП определяются гидродинамической инерционностью самого электрокинетического эффекта, гидродинамической инерционностью движения жидкости в капиллярах с учетом вязкости и жидкости, механической инерционностью, обусловленной жесткостью мембран и массой движущейся жидкости. В зависимости от вида и конструкции ЭКП их частотный диапазон составляет от сотых долей герца до нескольких килогерц.

Для создания электрохимических измерительных устройств используют также и электрокинетические явления в растворах. В основе работы таких первичных преобразователей лежит преобразование энергии электрического поля в потенциальную энергию перепада уровней раствора или перепада давлений по длине капилляра с раствором, к концам которого приложено постоянное напряжение. Существуют и обратные электрокинетические эффекты, приводящие к появлению разности потенциалов на концах капилляров при протекании по ним растворов или при наличии разности уровней на концах капилляра.

Физика работы таких устройств заключается в следующем. На границе электролита и электрода происходит скачок потенциала. В заряженном слое жидкости плотность зарядов быстро убывает с удалением от поверхности твердого тела. При этом энергия электростатического поля может преобразовываться в потенциальную энергию столба жидкости или кинетическую энергию струи жидкости. Если на концах капилляра (мембраны) поместить электроды и создать электрическое поле, то в капилляре возникнет движение жидкости и создастся перепад давления (электроосмос). (Осмос – это движение жидкости из области с меньшей концентрацией раствора в область с большей его концентрацией). Скорость потока пропорциональна напряженности электрического поля. Явление электроосмоса обратимо. Если в растворе есть взвешенные заряженные частицы, то такое явление называется электрофорезом.




Рис. 4.8 Схема реализации электрокинетических явлений в растворах.


Разность потенциалов, возникающая на электродах при протекании электролита через капилляр, называется потенциалом течения.

Устройства данного типа используют для измерения перепада давлений, перемещений, параметров вибраций, вязкости жидких сред и пр.


^ Принципы 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.


H O↔ H + +OH− 2 (4.11)


При изменении реакции среды изменяется концентрация ионов водорода, т.е. при добавлении, например, щелочи концентрация ( H + a ) уменьшается, а при добавлении кислоты – увеличивается. Концентрация ионов OH − в растворе при этом изменяется противоположно, так как произведение их активностей является постоянной:


(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:


U = 0,0592pH, pH = 0 ÷14 . (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).





Рис. 4.9 Устройство ион-селективногго полевого 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.




Рис. 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.


^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1) А. Бондер, А. В. Алферов - «Измерительные приборы»


2) В. Н. Седалищев – «Физические основы получения измерительной

информации с использованием генераторных и

параметрических первичных преобразователей»


3) Г. Виглеб - «Датчики. Устройство и применение»

4) Е. С. Левшина, П. В. Новицкий. - «Электрические измерения физических величин»


Скачать файл (600.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации
Рейтинг@Mail.ru