Требования к измерительной цепи и методы коррекции температурной погрешности

Измерение ЭДС гальванических преобразователей должно производиться таким образом, чтобы через преобразователь не проходил ток, вызывающий погрешности от поляризации электродов и падения напряжения на внутреннем сопротивлении преобразователя, которое при использовании стеклянных электродов составляет 10⁷…10⁹ Ом. Поэтому основное требование к измерительной цепи — это очень большое входное сопротивление, которое достигается за счёт применения электрометрических усилителей. При использовании усилителя с динамическим конденсатором можно получить входное сопротивление до 10¹⁵…10¹⁶ Ом. Для измерения ЭДС гальванических преобразователей наибольшее распространение получили компенсационные измерительные цепи с автоматической коррекцией температурной погрешности преобразователя.

Зависимость ЭДС от значения pH и температуры раствора можно представить семейством прямых, пересекающихся в одной, так называемой изопотенциалъной точке И (рис. 10.5). Это означает, что при определённом значении рН_и раствора, соответствующем координате изопотенциальной точки, ЭДС преобразователя не зависит от температуры. Координаты изопотенциальной точки (?_и и pH) зависят от типа используемых электродов и обычно определяются экспериментально.

Рис. 10.5. Зависимость ЭДС гальванического преобразователя от значений pH и температуры раствора.

Представленные на рисунке 10.5 зависимости с координатами изопотенциальной точки Е_И = 203 мВ, рН_и = 4,13 ед. можно описать уравнением.

где Е_х — в милливольтах.

В этом уравнении не учитываются гистерезис и флуктуации электродных потенциалов, а также нелинейность, которая имеет место при изменении температуры в широком диапазоне.

На рисунке 10.6 показана схема коррекции температурной погрешности гальванического преобразователя при его включении на вход высокоомного усилителя с глубокой отрицательной обратной связью. Постоянная составляющая ЭДС преобразователя, соответствующая координате изопотенциальной точки, компенсируется падением напряжения U_w создаваемого током от вспомогательного источника Е_ь на резисторе R_v

В качестве элемента обратной связи используется терморезистор R_T, помещённый в контролируемый раствор совместно с гальваническим преобразователем. ЭДС гальванического преобразователя (Е_х — и_и) почти полностью уравновешивается падением напряжения U_K = /_вых — R_T- Если сопротивление терморезистора изменяется с температурой по такому же закону, что и крутизна характеристики гальванического преобразователя, то ток /_вых будет определяться только значением pH раствора независимо от его температуры.

Рис. 10.6. Схема коррекции температурной погрешности гальванического преобразователя Известны pH-метры с цифровым отсчётом со встроенными микропроцессорами, обеспечивающие измерение с абсолютной погрешностью 0,001 pH.

Градуировку pH-метров производят по образцовым буферным растворам с точно известным и стабильным значением pH. Значения pH буферных растворов лежат в основе стандартизации шкал pH.

Нормальные элементы. При неизменной концентрации электролита и постоянной температуре ЭДС гальванической цепи может быть весьма стабильной, что используется для создания нормальных элементов (н. э.), применяемых в качестве мер ЭДС, а также для осуществления эталона вольта.

В зависимости от концентрации электролита н. э. разделяются на насыщенные и ненасыщенные.

Основные параметры н. э. приведены в таблице 10.1.

Таблица 10.7.

Основные параметры нормальных элементов.

Насыщенные н. э. характеризуются высокой воспроизводимостью и стабильностью ЭДС во времени, но относительно большим температурным коэффициентом ЭДС (около 50 мкВ/К). Действительное значение ЭДС (в вольтах) насыщенных н.э. при температуре 0 определяется по формуле:

где Е₂о — действительное значение ЭДС при температуре 20 °C, указанное в аттестате н. э.

Для определения температуры н. э. в его корпусе имеется отверстие для термометра. Ненасыщенные н.э. характеризуются малым температурным коэффициентом ЭДС (около 2…3 мкВ/К), но относительно большой нестабильностью ЭДС во времени. Внутреннее сопротивление Я, вновь изготовленных насыщенных н. э. не превышает 1000 Ом, а ненасыщенных — 600 Ом. Со временем Я, возрастает иногда в десятки раз, что, однако, не влияет на значение ЭДС нормального элемента.

Насыщенные н. э. нельзя даже кратковременно нагружать током более 1 мкА, а ненасыщенные — более 10 мкА.