§ 19. Высокочастотные титраторы

Титратор высокочастотный . Титратор типа представляет собой современный прибор, применяемый в химических лабораториях.

Упрощенный вариант электрической принципиальной схемы титратора приведен на рис. 31. Титратор относится к типу -метров. Особенность его состоит в тодо, что на четьгрехплечный мост подается напряжение высокой частоты, а измерение напряжения небаланса производится на постоянном токе. Напряжение величина которого зависит от отношения , детектируется диодом . Постоянная составляющая тока диода создает на сопротивлении падение напряжения, которое сравнивается с напряжением Последнее возникает благодаря детектированию диодом высокочастотного напряжения, получаемого от того же генератора. Это делает описываемый прибор очень стабильным в работе. Показания его индикаторного прибора практически не зависят от случайных колебаний амплитуды питающего мост высокочастотного напряжения, поставляемого генератором Г.

Разбаланс четырехплечного моста, возникающий в процессе титрования, отмечается чувствительным индикатором нуля, он представляет собой ламповый вольтметр, сетки лампы которого включены в измерительную диагональ так, что на них подаются напряжения .

Стрелочный прибор (ИП) с большим ходом стрелки находится в катодной диагонали вольтметра.

Рис. 31. Упрощенный вариант электрической схемы титратора (четырехплечный мост и его индикаторное устройство).

Для добавления порции титранта нажимают одну из двух кнопок («грубо» и «точно») электромагнитного затвора бюретки. При этом возникает импульс, который при записи кривой титрования на ленте записывающего прибора приводит к резкому отклонению пера самописца. Все отсчеты при титровании производятся только по шкале стрелочного прибора.

Титратор комплектуется так называемым блоком проверки, который представляет собой электрический эквивалент измерительной ячейки, состоящий из двух групп безындукционных сопротивлений. При включении блока проверки вместо измерительной ячейки в измерительное плечо моста вводится эталонная нагрузка 2500 ом + 200 ом или ом. С ее помощью шкала индикаторного прибора может быть калибрована непосредственно в обратных омах.

Титрование на приборе . До включения прибора в сеть устанавливают штепсельный переключатель сети в нужное положение (127 или 220 в). Включают прибор и ручкой потенциометра устанавливают стрелку прибора на середину шкалы.

Титрант наливают в склянку, которую помещают в специальное гнездо в корпусе прибора. Полиэтиленовой трубкой соединяют склянку с верхним отростком автоматической бюретки. При помощи резиновой груши создают в склянке давление и заполняют бюретку титрантом.

Блок проверки заменяют ячейкой, опускают мешалку в сосуд для титрования и наливают в него титруемый раствор, так чтобы его уровень был на 3—5 мм выше верхнего электрода ячейки. Включают мешалку и устанавливают необходимую скорость вращения.

-Метр для физико-химического анализа и титрования растворов. -Метр, электрическая принципиальная схема которого приведена на рис. 32, сконструирован в МХТИ им. Д. И. Менделеева. В прибор включен -метр, образованный левой половиной двойного триода катушкой L колебательного контура и входящими в него емкостями , междуэлектродной и монтажной емкостями и емкостью измерительной ячейки. Этот тип генератора известен в радиотехнике под названием генератора .

Рис. 32. Электрическая принципиальная схема -метра.

Одновременно левая половина лампы — ее внутреннее сопротивление выполняет и вторую функцию, являясь одним из плеч лампового моста. Второе плечо этого моста — внутреннее сопротивление правой половины лампы третьим и четвертым плечами моста служат анодные нагрузки .

Конденсатор служит разделительной емкостью, препятствующей попаданию анодного напряжения на рабочий контур, а конденсатор вместе с сопротивлением создает отрицательное смещение на сетке левого триода, причем величина этого смещения зависит от амплитуды колебаний в контуре, к которому подключена измерительная ячейка.

Для рассмотрения работы схемы предположим, что изменение электрических параметров раствора вызывает уменьшение рассеиваемой в нем мощности электромагнитного поля. Такой процесс происходит, например, при падении электропроводности раствора в результате кондуктометрического титрования. Уменьшение величины поглощаемой из контура мощности вызывает нарастание амплитуды его колебаний и соответственно увеличение отрицательного потенциала сетки левого триода, т. е. уменьшение его анодного тока в свою очередь уменьшает падение напряжения на сопротивлении и приводит к увеличению потенциала анода левого триода.

С другой стороны, уменьшение снижает потенциал обоих катодов лампы (так как уменьшается падение напряжения на их общей нагрузке и вызывает соответствующее снижение отрицательного потенциала сетки правого триода.

Анодный ток правой половииы лампы возрастает, это уменьшает потенциал правого анода, и схема выходит из первоначального состояния равновесия, что отмечается по отклонению стрелки индикаторного прибора (ИП).

Таким образом, изменение количества рассеиваемой в растворе колебательной мощности проявляется в отклонении стрелки индикатора от положения условного нуля, в то время как направление хода стрелки отмечает знак — снижение или возрастание электропроводности раствора.

Следует учитывать, что при сборке Q, -метра необходимо соблюдать правильное включение индикаторного прибора: при включении его положительной клеммы к правому аноду ход стрелки вправо указывает на воарастание потерь высокочастотной мощности, эквивалентное увеличению электропроводности раствора.

Установка нуля балансной схемы может производиться скачком — при помощи переключателя и плавно путем изменения . Это, а также переключение сопротивлений, шунтирующих индикаторный прибор, дает возможность работать в большом диапазоне проводимостей исследуемых растворов.

Блок генератора сравнения и смесителя частот -метрической части прибора выполнен на двойном триоде , причем собственно генератор собран на правой половине двойного триода. Его частота может регулироваться грубо с помощью подстроечного конденсатора и точно — конденсатором сизм. Напряжения высокой частоты измерительного (через ) и эталонного генераторов подаются в цепь сетка катод левого триода, где происходит их смешение. Напряжение разностной частоты — частоты биений — через конденсатор подается на частотно-зависимую цепь , благодаря которой показания индикаторного прибора ИП оказываются пропорциональными степени расстройки рабочего генератора, т. е. изменению диэлектрической проницаемости раствора при титровании.

В -метрическом режиме измеряют электропроводность и другие потери высокочастотной мощности в растворах. При этом индикаторный прибор ИП подключается к диагонали лампового моста и фиксирует разность токов . Сосуд с раствором помещают в измерительную ячейку; стрелку индикаторного прибора устанавливают при помощи переключателя П] и сопротивления в пределах шкалы, выбрав удобное для работы положение условного нуля. Индикаторный прибор должен быть защищен максимальным шунтированием от случайных бросков тока. Для этого переключатель устанавливается в положение, при котором отклонение стрелки прибора имеет удобную для отсчета величину.

-Метрический режим применяется, когда в процессе титрования не происходит заметного изменения электропроводности и протекание реакции титрования отражается главным образом на величине диэлектрической проницаемости раствора, т. е. на частоте рабочего генератора.

Рис. 33. Конструкция измерительной ячейки -метра: 1 — плексигласовый блок; 2 - электроды; 3 - защитное кольцо из плексигласа; 4 — стакан; 5 — проводники, соединяющие электроды со схемой Q, -метра; — основание (подставка) — высота 5 мм (вид сверху).

Переключателем присоединяют индикаторный прибор к частотно-зависимой цепи с диодами и максимально шунтируют, устанавливая в положение . С помощью подстрочечного конденсатора настраивают эталонный генератор — генератор сравнения в унисон с - частотой рабочего генератора при этом стрелка индикаторного прибора оказывается в нулевом положении.

Титрование проводят одним из двух возможных способов: а) по отклонению стрелки индикаторного прибора при неизменном положении измерительного конденсатора этот способ целесообразен при малых сдвигах частоты генератора; б) по показанию сизм. В этом случае стрелку индикаторного прибора всякий раз устанавливают в положение условного нуля.

Рис. 34. Электрическая принципиальная осцнллотитратора системы

Измерительная ячейка (рис. 33) в рассматриваемом приборе представляет собой плексигласовый блок 1, в котором размещены два полуцилиндрических электрода 2. От загрязнения растворами электроды защищены плексигласовым кольцом 3. Стакан емкостью вставляется внутрь ячейки, его дно упирается в специальную подставку 6, которая может быть легко вынута для чистки. Проводниками 5 электроды присоединяются к схеме -метра (см. рис. 32, точки А и Б).

Осциллотитратор системы «Пунгор» типа . Принцип работы осцнллотитратора (рис. 34) аналогичен принципу работы Q, -метра. Осциллотитратор состоит из следующих основных блоков: измерительного генератора работающего на частоте около , лампового вольтметра с индикаторным прибором на , источника напряжений, двух электронных стабилизаторов напряжений, измерительной ячейки, присоединяемой к клеммам А и Б, и вибрационной мешалки ВМ.

Измерительная ячейка подключается к колебательному контуру через конденсаторы связи и , причем с помощью последнего конденсатора можно осуществить плавную регулировку связи, уменьшая ее при больших проводимостях раствора и увеличивая в случае слабо проводящих растворов.

При увеличении проводимости анализируемого раствора амплитуда колебаний в контуре уменьшается. Это вызывает рост потенциала сетки лампы генератора по отношению к потенциалу ее катода, а стало быть и относительно линии нулевого потенциала. Возрастание потенциала сетки фиксируется ламповым вольтметром , собранным по мостовой схеме. Первым и вторым плечом этого моста являются внутренние сопротивления левой и правой половин двойного триода двумя другими плечами служат катодные нагрузки .

Анодный ток лампы генератора, протекающий от ее катода через точки создает падение напряжения на параллельно включенных в цепочке . Балансировка моста осуществляется с помощью потенциометра . Тонкая регулировка нуля («компенсация») производится потенциометром .

Индикаторный прибор ИП включен в диагональ лампового моста через набор последовательных сопротивлений и потенциометр . При помощи переключателя осуществляют скачкообразную (а потенциометром — плавную) регулировку чувствительности индикаторного прибора.

Индикаторный прибор можно включать в диагональ моста в прямой и обратной полярности. Это позволяет отрегулировать осциллотитратор таким образом, чтобы прямое (вправо) отклонение стрелки индикатора соответствовало увеличению проводимости раствора, а отклонение стрелки влево — возрастанию его импеданса. В среднем положении переключателя индикаторный прибор отключается от моста, что необходимо при смене растворов, перед включением или выключением установки и т. п. На это время для сохранения электрического режима моста неизменным вместо микроамперметра в цепь остается включенной эталонная нагрузка .

Осциллотитратор снабжен тремя типами измерительных ячеек, которые крепятся на корпусе прибора с помощью плексигласовых винтов. Наиболее часто применяют ячейку с круглыми электродами большого диаметра, внутрь которых помещают химический стакан емкостью от 100 до . В ячейке он уплотняется специальными переходными кольцами, внешний диаметр которых соответствует диаметру электродов ячейки, а внутренний — диаметру стакана.

Сверху стакан фиксируют металлическим кольцом, снабженным резиновой прокладкой. Поскольку это металлическое кольцо соединено с корпусом прибора, оно электрически экранирует ячейку сверху, уменьшая рассеивание высокочастотной энергии в окружающее пространство. Для снижения потерь на излучение служит и металлическая пластина - экран, охватывающая измерительную ячейку и закрепляемая на корпусе прибора с помощью штыревых разъемов.

Два других типа измерительных ячеек применяются для контроля качества растворов в запаянных ампулах и при измерениях в потоке.

Перед работой переключатель устанавливают в среднее — нейтральное положение, а переключатель чувствительности — в положение, соответствующее минимальной чувствительности прибора. Затем прогревают прибор 20—30 мин, наливают в измерительную ячейку титруемый раствор и переключатель устанавливают в левое положение, если необходимо, чтобы отклонение стрелки индикаторного прибора вправо соответствовало возрастанию электропроводности раствора, и в правое положение — ее уменьшению.

Включают магнитную мешалку и делают отсчет, после этого прибавляют первую порцию титранта и наблюдают за ходом стрелки индикаторного прибора. Если оказывается, что отклонения стрелки малы, то постепенно увеличивают чувствительность индикаторного прибора, уменьшая шунтирование его. Одновременно корректируют нуль осциллотитратора.

Когда исследуемый раствор является слабым электролитом или сильным электролитом малой концентрации, то возможно, что чувствительность прибора окажется не слишком высокой. В этом случае целесообразно при помощи конденсатора установить величину связи, обеспечивающую требуемую чувствительность.