Блок потенциометрических измерений (блок ПИ)

 

Предназначен для мониторинговых измерений основных гидрохимических параметров воды в открытых водоемах природного и искусственного происхождения, как на поверхности, так и на глубине. Рабочее положение измерительного блока – вертикальное. История создания зондов в России для гидрохимических измерений непосредственно в водных объектах связана с работами сотрудников ИГЕМ РАН (Москва), ИЭМ РАН (Черноголовка), Научно-производственного центра «ПАЛС» (Самара), Корпорация «ТВЭЛ» и ООО «ЭДС-эксперт» (Черноголовка). Этими организациями разработан метод гидрогеохимического каротажа и различные модификации гидрогеохимических зондов для каратожа. Учитывая опыт этих организаций Университет «Дубна» заказал ООО «ЭДС-эксперт» изготовление блока потенциометрических измерений в виде зонда гидрохимических измерений.

Блок ПИ состоит из:

1. Измерительного блока, расположенного в прочном, защищенном, герметичном корпусе цилиндрическом корпусе, выполненного из коррозионностойкого сплава (ВТ8). Диаметр 65 мм, высота 400 мм. Внутри корпуса расположены электрохимические сенсоры и электроника. Потребляемая мощность 3-5 W, в зависимости от длины соединительного кабеля. Температура среды от 0 ^оС до +50 ^оС, глубина погружения до 30 м. Рабочее положение измерительного блока – вертикальное.

2. Приемное устройство с источником питания и каналами связи с измерительным блоком и РС. Потребляемая мощность 10-12W, в зависимости от длины соединительного кабеля. Размещается в помещении, приспособленном для работы персонального компьютера.

3. Соединительный кабель двух и более проводной, длиной до 2000 м. Параметры соединительного кабеля выбираются и поставляются Заказчиком.

 

Основные измеряемые Блоком ПИ параметры приведены в таблице 1.

 

Таблица 1. Параметры измеряемые блоком потенциометрических измерений

Измеряемый параметр, тип датчика	Диапазон измеряемой величины	Точ-ность	Чувст-вительность
Температура. Резистивный датчик (1000 Ом)	0-50 ^оС	±0,1	0,05
Удельная электропроводность (соленость). Четырехэлектродный плоский, открытый датчик.	5*10^-2 - 10^-3 См/м	3%
Концентрация растворенного кислорода. Датчик Кларка.	Мг/Л
рН. Стеклянный электрод.	0-12	0,1	0,02
pNa. Стеклянный электрод.	1-6	0,1	0,05
Eh. RedOx потенциал. Ti-стекло.	-600- +600 мВ	1,0
pCl. Ag/AgCl твердотельный.
Аммиачный электрод, мембранный	10^-6- 1,0 М	0,1
Нитратный электрод, мембранный	7*10^-6 – 1,0 М	0,1
Электрод сравнения. Ag/AgCl, 3M KCl. Скорость истечения внутреннего раствора 10^-4см^3/час.		±0,1 мВ.

В измерительном блоке возможна установка 8 потенциометрических датчиков, набор которых определяется заказчиком. На рисунке 10 представлен общий вид блока с основными габаритными размерами, которые могут измениться только в сторону уменьшения длины и, может быть, небольшого увеличения диаметра. В модуле 12 отверстий: одно для датчика электропроводности, второе для датчика растворенного кислорода и третье для датчика температуры. Оставшиеся 9 отверстий предназначены для ион селективных электродов. Материал корпуса - сплав ВТ8 на основе титана.

В настоящее время для практических потенциометрических измерений, используемых в разных областях науки и техники, широко применяются гальванические цепи «с переносом», включающие электрод сравнения (ЭС). Обычно в качестве электрода сравнения используется электрод второго рода Ag/AgCl, KCl 3М или насыщенный

Ранее для такого рода полевых и лабораторных исследований был разработан сильфонный ЭС. Для обеспечения истечения внутренний раствор заливался в предварительно растянутый эластичный сильфон из фторопласта.

В результате, внутренний раствор находился под небольшим избыточным давлением независимо от гидростатического давления измеряемой среды. Одной заправки электрода хватало на несколько часов (до 1-2 суток) в зависимости от условий эксплуатации, в основном от температуры. Чем выше температура, тем быстрее истечение прекращалось. В научной литературе и каталогах промышленных изделий отсутствует информация об ЭС, способных работать “in situ” по классической схеме (с истечением) при относительно высоких (до 1500 бар) давлениях и температурах (до 150^oC).

 

Рис 10. Конструкция корпуса блока потенциометрических измерений

 

Глава 4. Практическая часть

Универсальный иономер ЭВ-74

 

Порядок работы

При эксплуатации прибора для его к.калибровки применяются контрольные растворы. При измерении рН в качестве контрольных используются стандартные буферные растворы (в дальнейшем все растворы названы контрольными.

Необходимо учесть, что при длительном хранении или многократном использовании контрольные растворы портятся и необходимо стремиться работать со свежеприготовленными растворами.

Перед погружением в раствор электроды необходимо промывать дистиллированной водой и удалить затем остатки виды фильтровальной бумагой.

Температурная компенсация используется при измерении рХ электродными системами с нормированными значениями координат изопотенциальной точки Е_и, рХ_и.

Ручная термокомпенсация используется при постоянной температуре растворов, автоматическая — при изменяющейся температуре. При настройке и в процессе измерения следует использовать один и тот же вид термокомпенсации.

Во всех случаях, когда измерение непосредственно не производится, должна быть нажата кнопка «t°», при этом переключатель «ТЕРМОКОМПЕНСАТОР» 15 -должен находиться в положении «РУЧН.» или в положении «АВТ.» при подключенном автоматическом термокомпенсаторе.

Отсчет показания производить после его установления, время которого зависит от буферной емкости растворов. Обычно время установления показаний не превышает 3 мин, однако в некоторых растворах оно может достигать 10 мин. При использовании автоматического термокомпенсатора отсчет производить не ранее чем через 3 мин.

При работе с прибором отсчет показаний при диапазонах «—1 — 4»» «—1 — 19» рН следует производить по шкалам показывающего прибора иономера с соответствующей оцифровкой. При работе на других диапазонах при отсчете следует пользоваться шкалой «0 — 5», показания которой необходимо суммировать со значением нижнего предела выбранного диапазона измерения (4, 9 или 14 рХ).

Температурная компенсация действует на всех диапазонах измерения рХ.

Для установки температуры раствора при ручной термокомпенсации необходимо:

а) переключатель «ТЕРМОКОМПЕНСАТОР» установить в положение «РУЧН.»;

б) нажать кнопку одного из диапазонов измерения, кроме «—1 — 19»;

в) нажать кнопку «t°» и ручкой «ТЕМПЕРАТУРА РАСТВОРА» установить стрелку показывающего прибора на значение по шкале 0 — 100 в соответствии с измененной температурой прибора.

Измерение окислительно-восстановительного потенциала (Еh) э. д. с. электродных систем и других источников:

а) погрузить электроды в стаканчик с раствором;

6) нажать кнопку «mV» и кнопку выбранного диапазонаизмерений;

в) нажать (—) или отжать (+) кнопки «АНИОНЫ/КАТИОНЫ (+/—) зависимости от полярности измеряемого напряжения;

г) после установления показаний снять отсчет.

Настройка и измерение рХ

Перед измерением рХ иономер должен быть настроен на данную электродную систему по одной из изложенных ниже методик.

Настройка иономера для работы с электродными системами, имеющими нормированные значения координат изопотенциальной точки Е_и, рХ_и.

Для настройки необходимы три раствора: контрольный раствор А с минимально возможным значением рХ и температурой 20°С, контрольный раствор В с максимально возможным значением рХ и температурой 20°С и контрольный раствор С со значением рХ, максимально удаленным от координаты рХ_и применяемой электродной системы, и температурой, близкой к предельному значению температуры контролируемого раствора. рХ растворов А и В должны лежать в диапазоне измерений (линейности) применяемой электродной системы, а значение рХ одного из них предпочтительно иметь близким к рХ (или диапазону рХ ) контролируемого раствора. В качестве раствора С можно использовать один из растворов А или В (с рХ более удаленным от рХ_и) с температурой, указанной для раствора С.

При настройке иономера необходимо учитывать особенность, заключающуюся в том, что настройка иономера проводится по разности рХ контрольных (стандартных) растворов, при этом значение рХ первого раствора (вне зависимости от его значения) предварительно устанавливается на нижний предел диапазона «—1 — 4» (нуль шкалы 0 — 5), который и принимается за нуль для отсчета разности рХ контрольных растворов. Так, например, если разность значения рХ контрольных растворов составляет 3 рХ, то стрелку показывающего прибора необходимо установить на отметку «З» шкалы «0 — 5» (при нажатой кнопке «—1 — 4»), а если эта разность составляет 7 рН, то стрелку необходимо установить на отметку «2» шкалы «0 — 5» (при нажатой кнопке «4 — 9»), поскольку 5 рХ уже скомпенсировано предшествующим диапазоном измерения.

Настройку иономера производят в такой последовательности:

а) выбирают род температурной компенсации, при ручной термокомпенсации устанавливают ручку «ТЕМПЕРАТУРА РАСТВОРА» в положение, соответствующее температуре раствора А. Температура раствора должна измеряться и устанавливаться с точностью до 0,5°С;

б) погружают электроды в раствор А и ручкой «КАЛИБРОВКА» устанавливают стрелку показывающего прибора на начальную отметку на диапазоне «- 1 — 4»;

в) после промывки и удаления воды погружают электроды в раствор В и ручкой «КРУТИЗНА» устанавливают стрелку показывающего прибора на отметку, соответствующую разности значений рХ растворов В и А на соответствующем диапазоне;

г) ручкой «КАЛИБРОВКА» устанавливают стрелку показывающего прибора на значение, соответствующее рХ раствора В.

д) погружают электроды в раствор С, устанавливают (при ручной термокомпенсации) ручку «ТЕМПЕРАТУРА РАСТВОРА» в положение, соответствующе температуре раствора С, и ручкой «рХ _и» устанавливают.стрелку показывающего прибора на значение рХ раствора С при данной температуре;

е) настройку иономера для измерения рХ растворов с постоянной температурой рекомендуется производить по двум растворам А и В, имеющим ту же температуру, что и контролируемый раствор.

При измерении рН (или рХ других одновалентных катионов) необходимо нажать следующие кнопки: «АНИОНЫ/КАТИОНЫ», «рХ», необходимого диапазона измерения («—1 — 19», «—1 — 4», «4 — 9», «9 — 14» или «14 — 19»). Кнопку «Х'/Х''» необходимо оставить отжатой, переключатель рода термокомпенсации «Ручн.-авт.» на задней панели прибора необходимо установить в положение, соответствующее виду термокомпенсации (ручная или автоматическая). Кнопку «t°» необходимо нажимать только в случае установки температуры раствора ручным термокомпенсатором, но при этом кнопка «рХ» должна быть отжата и нажата кнопка любого узкого диапазона измерения («—1 — 4», «4 — 9». «9 — 14», «14 — 19»).

При измерениях электродами с нормированными значениями Е_и и рХ_и при ручной термокомпенсации необходимо ручкой «ТЕМПЕРАТУРА РАСТВОРА» установить измеренное значение температуры раствора с точностью 0,5°С.

 

Рис 11. Установка с иономером ЭВ-74:

1 – штатив,

2,4 – кронштейны,

3 – стакан с раствором,

5 – термометр,

6 – держатель,

7 – электроды,

8 – автоматический термокомпенсатор,

9 – поворотный столик,

10 – зажимной винт.