Иркутский национальный исследовательский технический университет
Кафедра автоматизации производственных процессов
АНАЛИЗАТОРЫСОСТАВА И КАЧЕСТВА
Лабораторная работа № 1
Потенциометрический анализатор
РН – метр «МАРК-902»
Иркутск-2015
Содержание
1. Цель работы………………………………………………………….
2. Задание ………………………………………………………………
3. Теоретические сведения …………………………………………..
4. Описание лабораторного стенда…………………………………
5. Ход работы…………………………………………………………..
6. Требования к оформлению отчета……………………………….
7. Контрольные вопросы
8. Литература………………………………………………………….
Цель работы
При выполнении лабораторной работы необходимо ознакомиться с устройством, принципом действия, метрологическими характеристиками, эксплуатации и методикой поверки промышленного рН-метра типа «МАРК-902 »;
2. Задание: - изучить принцип действия, устройство, функции и интерфейс промышленного рН-метра типа «ВЗОР-902»;
- выполнить настройки анализатора в режиме «МЕНЮ»;
- выполнить
- исследовать влияние температуры раствора на показания анализатора, выполнив измерение рН при комнатной и вышекомнатной температуре раствора (табл.1)
- выполнить измерение рН трех растворов с различными показателями активности водородных ионов (рН) (табл.2)
- определить погрешность анализатора по буферным растворам.
Общая трудоемкость лабораторной работы – 6 часов.
Теоретические сведения
Потенциометрические анализаторы являются анализаторами количественного анализа, т.е. концентратомерами жидких сред и называются иономерами или (частный случай) рН-метрами.
Принцип действия их основан на зависимости потенциала измерительного электрода от концентрации потенциалопределяющих ионов в растворе. Скачок потенциала на границе между электродом и раствором определяется динамическим равновесием, при котором переход электронов от восстановителя к электроду и от электрода к окислителю происходит с одинаковой скоростью:
Ме0 ↔Ме+ + ne-, (5)
Зависимость потенциала измерительного электрода от концентрации потенциалопределяющих ионов математически описывается уравнением Вальтера Нернста:
В (6)
где Ех – поверхностный равновесный потенциал измерительного электрода; Е0 – стандартный (нормальный) окислительно-восстановительный потенциал данного металла в растворе, активность которого равна единице; R =8, 31 (универсальная газовая постоянная); T– температура раствора, К; n– валентность металла; F =96500 число Фарадея; См+ – активная концентрация ионов металла в растворе, моль/дм3.
Итальянский электрохимик Алессандро Вольта иземрил стандартный (нормальный) окислительно-восстановительный потенциал ряда металлов в растворе (Е0) и составил так называемый р яд напряжений металлов (табл. 3).
Таблица 3
Стандартные потенциалы восстановления Ме относительно водородного электрода (ряд напряжений)
| Восстановленная форма | Число отданных электронов | Окисленная форма | Стандартный электродный потенциал E 0, В |
| Al | 3e | Al3+ | -1,66 |
| Mn | 2e | Mn2+ | -1,18 |
| Zn | 2e | Zn2+ | -0,76 |
| Cr | 3e | Cr3+ | -0,74 |
| Fe | 2e | Fe2+ | -0,44 |
| Cd | 2e | Cd2+ | -0,40 |
| Co | 2e | Co2+ | -0,28 |
| Ni | 2e | Ni2+ | -0,25 |
| Sn | 2e | Sn2+ | -0,14 |
| Pb | 2e | Pb2+ | -0,13 |
| Fe | 3e | Fe3+ | -0,04 |
| H2 | 2e | 2H+ | 0,00 |
| Cu | 2e | Cu2+ | 0,34 |
| Cu | 1e | Cu+ | 0,52 |
| 2Hg | 2e | Hg2 2+ | 0,79 |
| Ag | 1e | Ag+ | 0,80 |
| Hg | 2e | Hg2+ | 0,85 |
| Pt | 2e | Pt2+ | 1,20 |
| Au | 3e | Au3+ | 1,68 |
Следствия из уравнения Нернста: уравнение нелинейно; потенциал измерительного электрода зависит как от активной концентрации ионов в растворе, так и от температуры раствора.
Для измерения Ех необходимо замкнуть электрическую цепь, для чего в раствор вводится дополнительный контактный электрод, называемый вспомогательным или электродом сравнения. Потенциал электрода сравнения должен быть постоянным и не зависеть от концентрации металла ионов в растворе.
Понятие рН введено для линеаризации уравнения Нернста датским химиком Зеренсеном. Символ рН (р – potencio, степень; Н – символ водорода) численно равен отрицательному десятичному логарифму концентрации Н-ионов в растворе, выраженной в молях на кубический дециметр:
(7)
Введя такую подстановку, можно от логарифмического уравнения Нернста перейти к линейному, алгебраическому, выполнив замену натурального логарифма десятичным и подставив перед скобкой и в скобке знак минус:
Для нормальных условий (температура раствора t= 20 °C) и с учетом определения рН уравнение имеет вид:
(9)
Для иона водорода принято Е0 = 0,00 В, и тогда окончательно:
В итоге всех преобразований для анализатора рН получена линейная зависимость потенциала измерительного электрода от величины рН раствора.
Для электродной ячейки и любой температуры раствора в диапазоне от плюс 25 до плюс 100 °С эта зависимость, называемая уравнением водородной функции, имеет вид:
Ея = Еи – ( Sя+ at) ·(рН - рНи), мВ (10)
Ея = Еи – ( 54,197 + 0,1984 t) · (рН - рНи), мВ (11)
где t – температура раствора, °С; рНи, Еи – номинальные значения координаты изопотенциальной точки электродной системы, состоящей из измерительного и вспомогательного электродов, соответственно рН, мВ, a – температурный коэффициент раствора, Sя – крутизна водородной характеристики (Sя = ΔЕ/ΔрН мВ/рН).
Изменение температуры раствора влияет на крутизну водородной характеристики электродной системы.
Изопотенциальной называется точка на графике водородной функции (рис. 8) с координатами рНи, Еи, потенциал которой не зависит от температуры раствора. Координаты рНи, Еи указываются в паспорте электродов.
В состав потенциометрического анализатора входят:
- электродная ячейка, состоящая из стеклянного измерительного электрода (рис.2),
- хлорсеребряного электрода сравнения (рис. 3),
- термометра сопротивления с мостовым термокомпенсатором,
- высокоомного измерителя напряжения с аналоговым или цифровым выходом.
Электродная ячейка состоит из стеклянного измерительного электрода и вспомогательного хлор-серебряного электрода сравнения (рис. 2, 3). Она может быть погружного или проточного типа.
Ея
мВ
 |
Еи
 |
рНи
Рис. 1. График водородной функции (НСХ электродной ячейки)
И – изопотенциальная точка; рНи, Еи – координаты изопотенциальной точки.
Рис.2. Измерительный стеклянный электрод:
1 – выводной кабель; 2 – колпачок; 3 – втулка; 4 – кольцо; 5 – хлорсеребряный контактный полуэлемент; 6 – корпус (стеклянная трубка из кремниевого стекла); 7 – индикаторный шарик (из литиевого стекла); 8 – кабельный наконечник.
Рис. 3. Устройство вспомогательного хлорсеребряного электрода сравнения:
а – электрод марки ЭПв-5/1; б – электрод марки ЭПв-5/2.
1 – выводной провод; 2 – защитный колпачок; 3 – хлорсеребряный полуэлемент; 4 – корпус электрода (стеклянная трубка); 5 - внутренняя трубка с нитью; 6 - кремнеземная нить; 7 – резиновая пробка; 8 – внутренняя трубка с хлорсеребряным полуэлементом; 9 – электролитический ключ.
Описание лабораторного стенда
Анализатор - рН-метр МАРК-902 (НПП «Взор» г. Нижний Новгород) представляет собой двухканальный измерительный прибор, предназначенный для непрерывного измерения: активности ионов водорода в диапазоне от 1 до 12 рН; температуры водных растворов в диапазоне от +5 до +50°С; ЭДС в диапазоне от -1000 до +1000 мВ.
Принцип действия потенциометрического анализатора основан на зависимости потенциала измерительного электрода от активной концентрации Н+-ионов в растворе, т.е., от рН.
Измеренные значения рН и температуры анализируемой среды выводятся на экран графического ЖК индикатора с ценой единицы младшего разряда (ЕМР) при измерении рН – 0,01 рН, при измерении ЭДС – 1 мВ, при измерении температуры – 0,1 °С.
По каждому каналу измерения рН в рН-метре имеется токовый выход с выходными унифицированными сигналами постоянного тока от 0 до 5 мА либо от 4 до 20 мА.
В основу работы рН-метра положен потенциометрический метод измерения рН контролируемого раствора. Электродная система при погружении в контролируемый раствор развивает ЭДС, линейно зависящую от значения рН (уравнение 1).
Сигнал (ЭДС) с электродной системы (рис.4) и сигнал с датчика температуры подаются на преобразователь, состоящий из блока усилителя и блока преобразовательного. В блоке усилителя сигналы усиливаются и преобразуются в цифровую форму и через кабель поступают на вход блока преобразовательного.
Измеренное значение ЭДС электродной системы в рН-метре пересчитывается в значение рН с учетом температуры анализируемого раствора, т.е. выполняется автоматическая термокомпенсация, которая компенсирует только изменение ЭДС электродной системы.
4.1 Состав рН-метра:
- микропроцессорный преобразовательный блок (осуществляющий отображение результатов измерения на экране индикатора, формирование сигнала на токовом выходе, управление реле уставок и обмен с ПК). Питание блока преобразовательного производится от сети переменного тока 220 В, 50 Гц (рис.4).
-блок датчиков (включает в себя блок усилителя, электродную систему, датчик температуры). Блок усилителя выполнен в герметичном алюминиевом корпусе (рис.5,1).
К разъемам «ВХОД 1» и «ВХОД 2» подключается электродная система − измерительный (рН-электрод) и электрод сравнения соответственно.
К разъему «ВХОД 3» подключается датчик температуры, в качестве которого используется терморезистор, помещенный в металлический корпус.
К разъему «ВЫХОД» подключается экранированный кабель, соединяющий блок датчиков с блоком преобразовательным.
Измерительный электрод выполнен из толстостенной стеклянной калиброванной трубки, к концу которой припаяна чувствительная мембрана из литиевого стекла. Стеклянный электрод заполнен раствором соляной кислоты постоянной концентрации, который замыкает электрическую цепь между мембраной и контактным электродом, соединенным с выводным проводником.
Электролитический контакт с измеряемой средой обеспечивает вспомогательный хлорсеребряный электрод с помощью пористой мембраны в торце электрода, обеспечивающей непрерывное истечение насыщенного раствора КСL в контролируемый раствор.
Если в процессе эксплуатации возникает необходимость прервать работу электродов, то их следует извлечь из арматуры, промыть в дистиллированной воде и поместить в раствор соляной кислоты концентрацией 0,1 моль/дм3 или буферный раствор с рН, близким к значению изопотенциальной точки электрода.
Поверка электродов должна проводиться не реже одного раза в год согласно методикам Р 50.2.035–2004. К проведению поверки допускаются лица, имеющие опыт работы в аналитической химии, ежегодно проходящие проверку знаний по технике безопасности, владеющие техникой потенциометрических измерений и аттестованные в качестве поверителя.
По способу защиты человека от поражения электрическим током электроды соответствует классу III по ГОСТ 12.2.007.0–75.
Рис.4. Внешний вид промышленного рН– метра НПП «Взор»
На передней панели блока преобразовательного щитового и настенного исполнения в соответствии с рисунком 12 расположены:
− экран индикатора, предназначенный для отображения измеренного значения рН, температуры, режимов работы рН-метра;
− переключатель «СЕТЬ» для включения и выключения питания рН-метра;
− кнопки «⇓», «⇑» для перемещения курсора в меню рН-метра вверх и вниз при выборе определенного режима работы, изменения поддиапазонов (по токовому выходу), значения уставок;
− кнопка «КАНАЛ» для изменения индикации каналов, для смены меню каналов;
− кнопка «ВВОД/ МЕНЮ » для входа в меню и подтверждения выбранных при программировании величин и режимов работы;
− кнопка «0» для отключения и включения подсветки экрана индикатора;
− светодиодный индикатор «ПЕРЕГРУЗКА», красного цвета, для индикации состояния перегрузки интервала диапазона токового выхода, температуры и ЭДС;
− светодиодный индикатор «СЕТЬ», зеленого цвета, для индикации включения питания рН-метра.
На задней панели преобразовательного блока щитового исполнения расположены:
− два разъема «ДАТЧИК А» и «ДАТЧИК В» канала А и канала В для подключения экранированных соединительных кабелей, идущих от блоков датчиков к блоку преобразовательному;
− разъем «ТОКОВЫЙ ВЫХОД, СИГНАЛИЗАЦИЯ, RS-485» для подключения регистрирующих и исполнительных устройств и для подключения рН-метра к ПК; − зажим «I » для подключения защитного заземления к корпусу рН- метра;
- сетевой разъем «~220 В 50 Гц 10 В·А 1,0 А».
Блок датчиков БД-902 (рис. 10) включают в себя:
− блок усилителя;
− датчик температуры;
 | |||
 | |||
Рис. 5. Блок датчиков БД-902
1 – блок усилителя; 2- измерительный электрод (стеклянный); 3 – электрод сравнения хлорсеребряный; 4- защитные втулки; 5- термометр сопротивления.
При измерении рН погружным методом глубина погружения электродов в анализируемый раствор должна быть не менее 16 мм, но не выше уровня электролита в электроде сравнения.
Не допускается измерение рН, ЭДС и температуры в растворах, со- держащих фтористоводородную кислоту или ее соли и вещества, образующие осадки и пленки на поверхности электродов, а также эксплуатация и хранение электродов, незаполненных электролитом.
ВНИМАНИЕ: Номер датчика температуры ДОЛЖЕН СОВПАДАТЬ с номером блока усилителя!
Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности рН-метра при измерении рН при температуре анализируемой среды (25,0 ± 0,2) °С и температуре окружающего воздуха (20 ± 5) °С: ± 0,05 pH.
Пределы допускаемой дополнительной абсолютной погрешности рН, вызванной изменением давления анализируемой среды в диапазоне от 0 до 0,025 МПа равен ± 0,1рН.
Диапазон измерения преобразователя от 0 до 15 рН.
Пределы допускаемой основной приведенной погрешности преобразования измеренного значения рН в выходной ток при температуре окружающего воздуха (20 ± 5) °С на обоих диапазонах токового выхода равен ± 0,5 % от диапазона токового выхода.
Поддиапазоны измерения рН в каждом канале могут выбираться независимо друг от друга. Значения пределов выбранных поддиапазонов также отображаются на экране индикатора. При перегрузке любого из поддиапазонов на экране индикатора появится надпись «ПЕРЕГРУЗКА!».
При измерении рН погружным методом глубина погружения электродов в анализируемый раствор должна быть не менее 16 мм, но не выше уровня электролита в электроде сравнения.
Не допускается измерение рН, ЭДС и температуры в растворах, со- держащих фтористоводородную кислоту или ее соли и вещества, образующие осадки и пленки на поверхности электродов, а также эксплуатация и хранение электродов, незаполненных электролитом.
ВНИМАНИЕ: Номер датчика температуры ДОЛЖЕН СОВПАДАТЬ с номером блока усилителя!
Переключение от экрана измерения канала А на экран измерения канала В и на экран измерения каналов А и В производится кнопкой «КАНАЛ». На экранах индицируются названия каналов (А или В), нижний и верхний пределы программируемых поддиапазонов измерения (по токовому выходу) и измеренные значения рН, рН25 или ЭДС электродной системы и температуры. Переключение режимов индикации каналов измерения производится последовательным нажатием на кнопку «КАНАЛ», при этом на экран индикатора выводятся показания канала А, канала В либо одновременно каналов А и В. Если блок датчиков подключен к одному каналу, существует режим измерения только этого канала.