Сезгіш элементтердің жұмыстары және қолданылатын ортасы

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

Сезгіш элементтердің жұмыстары және қолданылатын ортасы

Сұйықтың (электролиттің) концентрациясын өлшеу үшін қолданылатын өлшеу ұяларының электродтарынын өлшенетін ортамен гальваникалық жалғаста болу және болмауына байланысты екі топқа бөлінеді.

Егер де өлшеу ұялары конпентрациясын анықайтын ортамен тікелей жалғасып жатса сезгіш элементтер рөлін атқаратын электродтар сұйықтың ішінде орналасса, олар Кольрауштың элементтері деп аталынады. Ал, қалғандары электродты өлшеу ұяларына жатады. Ең қарапайым Кольрауш элементтері екі парлллель орналасқан элетродтардан тұрады.

Екеуінің ара қашықтығы d (с. м), ауданы S (см ) деп белгіленсе, онда меншікті электр өткізгіштігі & (Оm ^-1 см ^-1 ) :

(2. 10)

теңдігі арқылы анықталынады. Мұндағы k= d/S(cм ^-1 ) өлшеу ұясының геометриялық параметрі деп, не болмаса, оның тұрақтысы деп аталынады. Егер өлшеу ұясының электр өткізгіштігін W= 1/R белгілісек, онда меншікті өткізгіштік & төмендегіей теңдік арқылы өрнектелінеді:

&=k·W (2. 11)

Өлшеу ұясының тұрақтысын (k) аньықтау оның геометриялық өлшемдерінің көмегімен есептелініп анықталынбайды. Ол үшін белгілі меншікті өткізгіштіктері бар сұйықтарды пайдалана отырып, жоғарғы дәлдікпен анықталынады. Біздің елде & бірлігі ретінде Сим/см, пайдалынса, шет елдерде, әсіресе, ағылшын тілдес елдерінде & бірлігі ретінде Мо/см қолданылады.

10 ^-3 Сим/см = 1 милли Сим/см (1 мСим/см) = 1 ммо /см;

10 ^-6 Сим/см = 1 микро Сим/см ( 1 мкСим/см) = 1 мкмо/см.

Өлшеу кезіндегі пайда болатын қателерге тоқталатын болсақ онда өлшеу ұясының алатын орны бөлекше. Себебі, оның ұяның электродтарының сұйықпен (электролитпен) тікелей жанасуының нәтижесінде әртүрлі қателердін пайда болуына әкеліп соғады. Сол қателердін бірі электродтардың поляризациясы.

Өлшеу ұясының көмегімен сұйықтың концентрациясын өлшеген кезде электрод пен сұйықтың арасында екі қабатты электрлік бет пайда болады. Бұл екі қабатты электрлік беттін сиымдылығы электр тізбегінде пайда болатын ток пен кернеудің арасындағы фазасын ығыстырып қатенің пайда болуына жол ашады. Сондықтан қатар электродтарда жүретін электрохимиялық процестер иондардың концентрапиясын өзгертеді. Сол процестердің бірі иондардың электродқа қарай өте баяу жүретін диффузиясы. Бұл диффузия поляризациялық сиымдылық пен кедергінің пайда болуына себепші.

Өлшеу ұясының құрылысының кейбір кешіліктері атап айтқанда: электродтардан шығатын сымдардын бір-біріне жақын орналасуы; электродтарға қарағанда сымдардың дұрыс орналаспаулары қателердің көзі болып есептелінеді.

Осы қателіктердің барлығы сұйықтың нақты кедергісін анықтауға мүмкіншілік бермейді. Сондықтан жоғарыда қарастырылған қателіктерді кеміту үшін түрлі әдістердін ішінен негізгі дегендерін келтіре кетейік.

Электродтардағы поляризация құбылысын төмендету үшін электродтардың платина металынан жасалғаны жөн. Себебі, платинаның басқа металдарға қарағанда поляризациялық кедергісі аз. Сонымен қатар, айнымалы токты пайдалану да поляризациялық құбылысты төмендетеді. Қорыта келгенде, сұйықтың нақты кедергісін өлшеу үшін, қателерді кеміту үшін электродтардың материалын тандай білу керек, токтың қолайлы жиілігі мен тығыздығы болыуы қажет. Сонымен қатар, қателердің азаюына электродтардын қолайлы аудандары жеке өзара ара қашықтары да әсерін тигізеді.

2. 1 суретте өлшеу ұясына эквивалентті схема келтірілген. Сұйықтың меншікті өткізгіштігін өлшейтін өлшеу ұясының кедерпсі Rx кедергісінен және сиымдылықтардан тұратын электр схемаға қосылған. С ₁ сиымдылығы өлшеу ұясына қатысы бар. Ал. С ₂ , мен R ₂ электродтардың поляризациясына байланысты өзгереді. С ₂ мәні бірнеше микрофарада болса. R ₂ мәні, бар болғаны бірнеше Омға тең.

2. 1. сурет. Өлшеу ұясының эквивалентті. схемасы.

R ₁ кедергісі мен С ₄ сиымдылығы өлшеу ұясының құрылысы қолайлы болмаған жағдайда пайда болады. С ₃ сиымдылығы болса сезгіш элемент пен сымдардың сиымдылығын ескереді.

Өлшеу ұясының электродтарының сандарына байланысты екі, үш және төрт электродты ұялар болып бөлінеді. Осы аталынған ұялардың ішіндегі ең қарапайымы екі электродты өлшеу ұясы (2. 2. сурет, а) .

2. 2. сурет. Өлшеу ұясы. 1 - сұйық;

2, 3 - электродтар.

Өлшеу ұясының (2. 2. сурет, а) сұйықтын концентрациясын өлшеген кездегі жұмыс істеуін қысқаша төмендегідей түсіндіруге болады. Егер осы екі электродтар мен электролиттің арасында потенциал айырмашылығын тудыратын болса, онда екі қабатты электр беттерінің пайда болуының нәтижесінде өлшеу ұясында әртүрлі электрохимиялық процестер жүреді. Пайда болган екі бетті электр қабатын жалпақ конденсатор есебінде қарастыруға болады. Ол конденсатордың бір бетінің ролін зарядталған электрод атқарса, екінші бетін осы электродқа жақын жатқан иондардың тобын құрайды. Электролит арқылы токтың бір бағытта жүруінің салдарынан оң және сол зарядпен зарядталған иондар электродтармен жанасып зарядтарын беріп атомдарға айналады. Осындай процестердің нәтижесінде электролит арқылы өтетін токтің мәні азая түседі. Мұны поляризация құбылысы деп атаған. Егер өлшеу ұясы арқылы айнымалы токты жіберетін болса, поляризация құбылысы екі есе төмендейді. Бұл өлшеу қателіктері де екі есе азаяды деген сөз.

Үш электродты (2. 2. сурет, б) өлшеу ұясына тоқталатын болсақ, бұл өлшеу ұясы сыртқы ортаның электромагниттік өрісінің ықпалын өлшенетін шамаға әсерін төмендету үшін қолданылады.

Поляризация құбылысын төмендету үшін төрт электродты өлшеу ұясы (2. 2. сурет, в) қолданылады. Бұл өлшеу ұясына 2 электродтардың көмегімен электр энергиясы әкелінетін болса, 3 электродтар арқылы электролитке түскен кернеуді өлшеп, соның шамасына байланысты анықталынатын ортаның концентрациясын білуге негізделінген.

Қабыршықталынған қоспалары болатын, кристалданатын сұйықтардың, колоидты электролиттердің концентрациясын өлшеу үшін жоғарғы (10 ⁵ - 10 ⁸ Гц. ) және төменгі (1000 Гц . дейін) жиілікте жұмыс істейтін өлшеу ұялары қолданылады.

Coл өлшеу ұясының бірі (2. 3. сурет) келтірілген. Анықталынатын электролит диэлектриктен жасалынған трансформаторға ұқсас (2. 3. сурет) құбыр арқылы ағып отырады. Өлшеу ұясы қоздыру трансформаторы Тр ₁ , мен өлшеу трансформаторы Тр ₂ турады. Тр, трансформаторына айнымалы ток көзі әсер етеді. Ал құбыр арқылы өтетін электролит болса бірінші трансформатордың (Tp ₁ ) екінші орамының рөлін атқарса, екінші Трансформатордың (Тр ₂ ) бірінші орамы болып саналады. Токтың әсерінен

2. 3. сурет. 1-қоздыру трансформаторы; 2-өлшеу трансформаторы; 3-диэлектрик.

сұйықта электр қозғағыш күші (ЭҚК) пайда болады. Оның шамасы электролиттің концентрациясына пропорционал.

Электролиттен жанасып тұратын сезгіш элементтері бар өлшеу құралдары.

Электролиттердің концентрациясын өлшеуге қолданылатын өлшеу ұяларының кедергілерін анықтау үшін теңестірілген және теңестірілмеген көпірлі схемаларынан тұратын өлшеу құралдары қолданылады. 2. 4 суретте Уитсон өлшеу көпірінің схемасы келтірілген. Бұл көпірдің өлшеу ұясының кедергісіне сәйкес келетін R _x кедергісінің мәнін төмендегі теңдік арқылы анықтауға болады:

(2. 12)

мұндағы R ₃ мәні белгілі, Ом.

R ₁ мен R ₂ кедергілері потенциометрдің рөлін атқарады. R ₁ мен R ₂ қатынастарын өзгерте отырып, өлшеу құралы арқылы өтетін токты нөлге теңестіруге мүмкіншілік бар. Потенинометрде (жылжымалы тетік арқылы кедергісін өзгертуге болатын кедергі) өлшеу құралының көрсеткіш тілі бекітілінген. Сол көрсету тілінің анықталынатын ортаның концентрациясына байланысты алатын орыны электролиттің концентрациясына сәйкес келеді.

Бірақ 2. 4. суретте келтірілген өлшеу схемасы өлшеу құралы арқылы өтетін токтың мәнін нөлге жеткізуге мүмкіншілік бермейді. Себебі, өлшеу ұясы құрама (2. 4 сурет) кедергіден тұратын болғандықтан айнымалы токтың фазасының ығысуына әкеліп соқтырады. Сондықтан R ₃ кедергісіне параллель етіп сиымдылықты қосу фазаның ығысуын бастапқы қалпына келтіреді. Және бір ескере кететін мәселе, ол өлшеу құралы арқылы өтетін ток мәні де R _x анықтауға қатысатындағында. Сондықтан фазаның ығысуын бастапқы керекті қалпына жеткізу үшін фазаны түзеткіштер пайдаланылады.

2. 4. сурет. Уитсон көпірі.

2. 5 суретте көрсетілінген өлшеу схемасы кернеуді бөлетін тетіктен тұрады. Өлшенетін тұрақты кернеу өлшеу ұясына R _х R _k кедергісіне жеткізіледі. R _х кедергісінің мәні R _k қарағанда анағұрлым аз. Соған байланысты өлшеу тізбегі арқылы жүретін токтың І шамасын (2. 13) теңдігі арқылы анықтауға болады:

(2. 13)

Бұл теңдікті электролиттің меншікті өткізгіштігі мен өлшеу ұясының тұрақты мәні k арқылы өрнектелінгеннен кейін (2. 14) теңдікті алуға болады:

(2. 14)

Өлшеу тізбегі арқылы өтетін I (2. 14) R _k арқылы өткенде кернеудің мәні U _k = I R _k тең болғандықтан арнайы өлшеу құралдарының көмегімен анықталынады. U _k мәні меншікті өткізгіштікке & пропорционалдығын ескерсек, онда төмендегі теңдік арқылы электролиттің концентрациясын анықтауға болады:

(2. 15)

2. 5 сурет . Кернеуді бөлгіш тетігі бар өлшеу схемасы.

Бұл схеманың (2. 5 сурет) жоғарыда келтірілген басқа схемаларға қарағанда аз да болса артықшылығы бар. Біріншіден U кернеуін өзгерте отырып, не болмаса, R _k кедергісінің мәнін өзгертудін нәтижесінде өлшеу құралының метрологиялық сипаттамасын жақсарта түсуге болады. Электролиттің температурасының өзгеруін бірқалыпты ұстап тұру үшін арнайы тетіктер қолданылады.

Төрт электродты өлшеу ұясы бар өлшеу құралын алатын болсақ (2. 6 сурет) сыртқы ортаның әсеріне төзімді келеді. Поляризация құбылысы өлшеудің дәлдігіне көп әсерін тигізбейді. 2. 6. суреттің негізгі элементтерінің қатарына R _х пен қатар екі R _а кедергілері жатады. R _х кедергісіне түскен кернеудің мәні күшейтілініп реттелінетін кернеумен салыстырланады. Erep, R _х кедергісіпе түсетін кернеу реттелінетін кернеуден U _р , айырмашылығы болған жағдайда реттелінетін кернеудің мәні өзгертілініп екі кернеудің арасында тепе-теңдік орнатылынады. Сезгіш элемент R _x арқылы өтетін токтың I шамасы электролйттің электр өткізгіштігіне W пропорционал.

2. 6. сурет. Төрт электродты өлшеу ұясы бар өлшеу құралының схемасы. 1-сезгіш элемент; 2- күшейткіш; 3- реттегіш; 4-генератор.

Бұл әдістің ерекше бір айырмашылығы ол сезгіш элементтер анықталынатын ортамен түйіспейді. Сондықтан көптеген өлшеу қателерінің түрлері, атап айтатын болсақ, поляризацияның әсерінен пайда болатын қателер, анықталынатын ортаның ластығы т. б., өлшемнің шамасына әсерлерін тигізбейді. Бірақ, бір айта кететін мәселе, ол өлшеу құралдарының электр схемаларынын өте күрделі болатындығында.

Индуктивті өлшеу құралының қарапайым түрін 2. 7 суретте көрсете отырып оның көмегімен электролиттің электр өткізгіштігін өлшеу жолдарын келтіре кетейік. Ток өткізетін каблеті бар анықталынатын орта трансформаторлы өлшеу ұядан тұратып индуктивті сезгіш элемент арқылы өткенде онын екінші орамында электролиттің кониентрациясына байланысты электрлі сигнал пайда болады.

2. 7. сурет. Элетролиттің электр өткізгіштігін өлшейтін индуктивті елшеу схемасы. 1, 2 - трансформаторлы өлшеу ұясы-ның бірінші жэне екінші орамдары.

Екінші звено синналды көрсеткіш құралға жеткізеді. Кейбір кездерде бұл звено күшейткіштің өңдейтін тетіктің рөлін атқарады. Ал, үшінші звено болса, сезгіш элементтен салыстырғыш звено арқылы келетін мәліметтерді қағаз бетіне жазып, не болмаса, көрсеткіш тетік арқылы көрсетеді.