Мегаобучалка Главная | О нас | Обратная связь


Глава 2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ



2015-12-04 1081 Обсуждений (0)
Глава 2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ 0.00 из 5.00 0 оценок




В агропромышленной отрасли для контроля кислотности различных пищевых продуктов широко применяются рН-метры различной модификации. Их действие основано на потенциометрическом ме­тоде измерения концентрации ионов водорода.

Суть метода заключается в измерении разности электрических потенциалов двух электродов. При этом один из них, вспомогательный, имеет постоянный потенциал. Потенциал другого электрода, индикаторного, обусловлен концентрацией ионов водорода в анализируемом растворе. Активность ионов водорода характеризует как кислотные, так и щелочные свойства раствора.

Вода, являясь нейтральной средой, диссоциирует на ионы водорода и гидроксильные ионы:

 

H2O = (H+)+(OH-).

 

Константа равновесия диссоциации воды:

 

К= (H+)∙(OH-)/( H2O).

 

Концентрацию недиссоциированных молекул воды можно считать постоянной (55,5 М), тогда

 

КН20=(Н+)∙(ОН-) ,

 

где КН20 - константа, называемая ионным произведением воды (КН20 = =10-14 при температуре 22 °С).

В процессе диссоциации воды образуется равное количество ионов водорода и гидроксильных ионов, поэтому их концентрация определяется как:

+)=(ОН-)= =10-7 моль/л .

 

Концентрацию ионов водорода принято выражать через рН– отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (Н+):

pН = -lg ( H+).

В связи с тем, что в результате электростатического взаимодействия ионов водорода возможны образования ионных пар, величину рН определяют как логарифм активных ионов водорода, взятый с обратным знаком:

рH= -lg [ (H+ ).f] =lg α H+ ,

где f - коэффициент активности ионов водорода.

При температуре 22 °С для чистой воды величина рН=7, кислые среды имеют рН <7, щелочные рН >7. Значение величины рН зависит от температуры (рис. 2.1).

Как уже упоминалось, измерение величины рН проводят с помощью электродной системы, включающей индикаторный (измери­тельный) и вспомогательный (сравнительный) электроды.

В пищевой промышленности в качестве индикаторных электродов применяются стеклянные, в качестве вспомогательных – хлорсеребряные.

Корпус индикаторного электрода состоит из калиброванной стеклянной трубки. К её концу приварена мембрана из специального электродного стекла. Форма этой части электрода может быть различной (шарообразной, кольцевидной, игольчатой) в зависимости от вида контролируемого продукта.

Внутренняя часть корпуса заполнена 0,1 Н раствором КС1 с кристаллами хлористого серебра. Внего погружается контактный хлорсеребряный электрод, от которого отходит экранированный кабель.

Стеклянные мембраны изготовляются из сортов стекла, содержащих примеси одновалентных металлов (Na, Li, K), ионы которых под воз­действием электростатических сил переходят в раствор. Их места замещаются ионами водорода.

Изготовляемые в настоящее время электроды не подвержены поляризации, загрязнению и могут работать при температурах до 100 °С.

В качестве вспомогательного применяется хлорсеребряный электрод, имеющий пластмассовый корпус с серебряным контактом. Полость вокруг контакта заполнена кристаллическим хлористым серебром. Для препятствия диффузии серебра в раствор применена пористая перегородка, за­жатая шайбой.

При погружении индикаторного электрода в анализируемый раствор между поверхностью электрода и раствором вследствие обмена ионами металла и водорода возникает разность потенциалов:

 

Ех = Е0+ 2,3 RT /F lgαH+, (2.1)

 

где Е0 – начальное значение потенциала;

R - универсальная газовая постоянная;

T - абсолютная температура;

F - число Фарадея.

На рис. 2.2 представлена замкнутая электрическая цепь, включающая индикаторный электрод 1, внутренний электрод 2 и вспомогательный 3. Связь между вспомогательным электродом и раствором осуществляется с помощью электролитического ключа-трубки, заканчивающейся пористой перегородкой. Трубка наполнена насыщенным раство­ром KCl, который медленно протекает через пористую перегородку (5 мл в сутки).

 

Рис. 2.2

 

Суммарная ЭДС системы составляет:

Е=Ex+Eвнквн +Eвсп+Eд , (2.2)

где Евн- ЭДС на внутренней поверхности стеклянного электрода;

Еквн и Евсп - ЭДС внутреннего и вспомогательного электродов;

Ед - диффузионный потенциал на границе между контролируемым раст­вором и солевым мостиком (1–2 мВ).

 

 

Выражение (2.2) можно записать с учетом (2.1):

 

Е=Е +2,3 RT/F lgαH+ .

 

Таким образом, при Е=const, измеряя Е, можно определить зна­чение рН контролируемой среды (при t= const).

Для исключения влияния температуры на результаты измерения или существенного его уменьшения электродную систему выбирают таким обра­зом, чтобы при некотором значении рН раствора, соответствующего но­минальному значению контролируемой среды, это значение равнялось бы 0. Это так называемая изопотенциальная точка (рис. 2.3). При этом характеристика электродной системы:

Еэс = – Еи– (S 0+ α tр)∙(pHx – pHи) , (2.3)

 

где Еи и рНи - коэффициенты изопотенциальной точки;

Sо - крутизна характеристики электродной системы при температуре 0 оС;

α - температурный коэффициент;

tp - температура раствора, °С;

рНх – измеряемая величина.

Рис. 2.3

Зависимость ЭДС электродной системы от рН характеризуется крутиз­ной ее характеристики:

 

S= dE/dpH.

 

Выражение (2.3) выведено следующим образом:

 

Eэс= –Eвсп [Ex0+ 2,3 (RT/F). pH ] +[Евн +2,3 (RT/F). pHвн ] + Eд +Eквн

 

или Еэс = –(Евсп–Еквн) – 2,3 (RT/F)(рН – рНвн) ,

 

при Ехвн и Ед=0 будем иметь:

Eэс= –Eи–(S0+ α t) (pH–pHи).

 

Для компенсации изменения рН от температуры выбор значений Еи и рНи определяется исходя из следующего:

 

Пусть Еэс= – Eи–[S20 + α (t–20) ][pH20 – pHи–θ (t–20) ].

 

Для исключения влияния температуры на показания прибора должно выполняться следующее условие:

 

dE/dt = 0 ,

 

т.е. dEэс/dt =– α [pH20 – pHи–θ (t– 20) ] + θ [S20 + α (t–20) ] =0 .

 

При t =20 ºC : рНи=рН20 – (θ/ α) S20 .

 

Для молока: pH20 =6,7; θ =0,008 рН/ºС ; α =0,198 мВ/ ºС·рН; S20 = 58,165.

 

Тогда рНи : pHи=6,68 – 58,165.0,008/0,198=4,3.

 

Для коррекции показаний прибора от изменения температуры вводится термокомпенсация с помощью потенциометра или автоматически.

Высокое сопротивление стеклянного электрода предъявляет к прибо­рам, работающим в комплекте с электродной системой следующие требо­вания. Они должны обладать высоким входным сопротивлением (более 102 Ом) и обеспечивать измерение токов, протекающих через датчик менее 10-12 А.

Таким требованиям отвечают высокоомные преобразователи. Они могут работать с датчиком с сопротивлением 10 9 Ом, при этом их входное сопротивление составляет 1012 Ом, что обеспечивает практическое отсутствие погрешностей, связанных с протеканием тока через измерительную ячей­ку.

Большинство применяемых в практике приборов для контроля рН можно классифицировать по двум группам:

-Схемы непосредственного измерения ЭДС с потреблением тока;

-Компенсационные схемы измерения ЭДС.

В качестве схем первой группы можно назвать схему с включением последовательно с сопротивлением высокочувствительного гальванометра.

Другим примером является использование приборов по типу ламповых вольтметров. Одним из способов увеличить входное сопротивление является включение емкости С. Первоначально емкость C заряжается до вели­чины:

 

q=Cu ,

где u – напряжение.

 

Далее конденсатор разряжается на милливольтметр или баллистический гальванометр. При этом измеряемый заряд конденсатора будет пропорцио­нален ЭДС.

Приборы непосредственного измерения не обладают высокой точностью и применяются в качестве индикаторов (погрешность измерений ±0,1 рН). Более высокоточные приборы разработаны на компенсационном методе измерений.

Мостовая схема питается от источника стаби­лизированного напряжения. Нулевой индикатор НИ фиксирует разность потенциалов и управляет реверсивным двигателем РД, для приведения схемы в состояние равновесия путем перемещения реохорда. Более удобны схемы со статической компенсацией и глубокой отрицательной обратной связью по току.

На схеме рис. 2.4 :

 

Uвых=кUвых=к(Ех-Uвых)= (Ех-IвыхR)k ;

 
 

Ex=Uвых(k+1)/k= IвыхR(k+1)/k= IвыхR.

Рис. 2.4

 

Входное напряжение преобразуется в переменное напряжение, усиливается и вновь преобразуется в постоянное, подаваемое на сопротивление R.

Таким образом, при Uвых=Ex через электродную систему протекает не­значительный ток. При этом сила тока, протекающая по сопротивлению, мо­жет служить мерой ЭДС электродной системы.

Внастоящее время для молочной промышленности разработаны и серийно выпускаются лабораторные и стационарные (для контроля в потоке и резервуарах) приборы для измерения рН молока и молочных продуктов.

Для контроля кислотности молока и молочных продуктов в отдельных пробах разработан прибор рН 222.

Прибор позволяет осуществлять контроль в диапазоне от 3до 8 рН. Це­на деления 0,01 рН. Предел основной погрешности ±0,015 рН. Параметры электродной системы следующие:

координаты изопотенциальной точки:

 

рH =(4,25+0,2)pH и Еи=(-25+2) мВ ;

 

крутизна характеристики: S 20 =58,165+0,5 мВ/рН .

 

Измерительная схема обеспечивает настройку прибора по образцовым буферным растворам и переключение его диапазонов.

Конструктивное исполнение прибора – блочное.

Уравнение электродной системы:

 

Еэс=–27– [58,165 + 0,198 (t–20)] (pH–4,25) .

 

Показатель кислотности молока отражает количественное изменение содержания молочной кислоты. С увеличением содержания молочной кислоты изменяется концентрация ионов водорода.

Для измерения концентрации молочной кислоты с погрешностью ±0,009 % аппаратура должна иметь погрешность не больше ±0,05 рН. В паспорте на прибор приводятся соотношения между рН и градусами Тернера оТ

При наличии систематической погрешности эти зависимости могут быть скорректированы.

С помощью рН-метра можно выявлять раскисленное молоко при этом рН > 6,8 и маститное рН=7 .

Настройка прибора проводится по буферным растворам с величиной рН, равной 4,01 или 6,88 (в зависимости от диапазона).

Буферные растворы приготовляются из специального реактива.

Время установление показаний –15 с.

По окончании работы электроды должны быть опущены в воду.

Настройку прибора осуществляют имитаторами И-01 и И-02, с помощью которых воспроизводятся:

- сопротивление электрода 0; 500 и 1000 МОм;

- сопротивление вспомогательного электрода 0; 10 и 2 кОм;

- ЭДС "земля - раствор" +1,5 В.

Для автоматического контроля кислотности молока и молочных продуктов в резервуарах и молокопроводах предусмотрен промышленный прибор типа рН 201. Он комплектуется чувствительными элементами: наружным и проточным.

Пределы измерения рН 3,5-7. Погрешность измерения ±0,05 рН.

В комплекте с приборами общепромышленного назначения прибор рН 202 позволяет осуществлять регистрацию, автоматическое регулирование и сигнализацию предельных значений рН. Передаточная функция прибора аппроксимируется апериодическим звеном первого порядка.

W( p) = K/(Tp + 1),

где Т - постоянная времени (Т=8 с);

К - коэффициент усиления;

р - комплексный оператор из преобразования Лапласа.

 



2015-12-04 1081 Обсуждений (0)
Глава 2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ 0.00 из 5.00 0 оценок









Обсуждение в статье: Глава 2. ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЕ АНАЛИЗАТОРЫ

Обсуждений еще не было, будьте первым... ↓↓↓

Отправить сообщение

Популярное:
Личность ребенка как объект и субъект в образовательной технологии: В настоящее время в России идет становление новой системы образования, ориентированного на вхождение...
Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе...
Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас...



©2015-2020 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (1081)

Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...

Система поиска информации

Мобильная версия сайта

Удобная навигация

Нет шокирующей рекламы



(0.008 сек.)