2.4. Электролитические гигрометры. Электролиты – растворы

2.4. Электролитические гигрометры.
Электролиты – растворы гигроскопических веществ (солей).
Соль в водном растворе диссоциирует на ионы:
Na+ + Cl-
NaCl
Молекулы воды являются диполями:
H+
H+
O--
+
_
Рис. 2.4.1. Молекула воды, как
диполь.
2.4. Электролитические гигрометры.
Дипольные молекулы воды
ориентируются кругом ионов,
образуя гидратные (сольватные)
оболочки (Рис. 2.4.2).
Рис. 2.4.2. Гидратные
оболочки иона.
В гидратных оболочках молекулы
жестко связаны с центральным
ионом. Поэтому испарение раствора
происходит медленнее, чем
испарение воды.
Значит, давление насыщения над раствором E* меньше
давления насыщения над водой E:
E  E
2.4. Электролитические гигрометры.
Закон Рауля:


E  E 1  i  c  
 


E* - давление насыщения над раствором,
i – коэффициент Вант-Гоффа,
С – концентрация раствора,
μ – относительная молекулярная масса воды,
μ* – относительная молекулярная масса
растворенного вещества.
(2.4.1)
2.4. Электролитические гигрометры.


E  E 1  i  c  
 


Оставим раствор с электролитом во влажном
воздухе (Рис. 2.4.2). Пусть Е* < e.
Начинается конденсация воды на раствор.
Раствор разбавляется.
e
E*
С
E*
E* = e
e
E*
Рис. 2.4.2
С
Стабильное
состояние.
E*
Теперь предположим Е* > e.
Начинается испарение воды с поверхности
раствора. Концентрация увеличивается.
Единственно стабильное состояние: E* = e.
2.4. Электролитические гигрометры.
Значит, если оставить раствор на воздухе, то практически
всегда Е* = е. Этим можно воспользоваться для измерения
влажности.
Электроды
Пленка,
пропитанная
раствором
Подложка из
пластика
Рис. 2.4.3. Датчик влажности
(гигристор).
2.4. Электролитические гигрометры.
Свяжем сопротивление пленки с влажностью. Пусть:
l
– длина пленки,
b
– толщина пленки,
d

– ширина пленки,
– электропроводность раствора.
Тогда сопротивление пленки R:
R
1
l
 bd

(2.4.2)
2.4. Электролитические гигрометры.
  Ac(U   U  )  AcU 
(2.4.3)
A – размерный коэффициент, зависящий от электролита,
c – концентрация электролита,
U  , U – подвижности ионов.
Тогда:
1
l
R

AcU  bd
(2.4.4)
2.4. Электролитические гигрометры.


E  E 1  i  c  
 

R

Из закона Рауля:
1
l

AcU  bd
E
1
E  1 f
с


i 
i 

Подставим в (1.4.4):

i l
R


AU  (1  f )  bd
(2.4.5)
2.4. Электролитические гигрометры.
R

i l 

AU  (1  f )  bd
R
Представим это на
графике (рис. 2.4.4)
1
0
f
Рис. 2.4.4.
При увеличении влажности зависимость отличается от той,
которая наблюдается при ее уменьшении. Это – гистерезис.
2.4. Электролитические гигрометры.
f
R
f
0
1
f
Гистерезис проявляется из-за запаздывания реакции
внутренних слоев на изменение влажности. Внутренний слой
сохраняет память о предыдущем состоянии раствора.
2.4. Электролитические гигрометры.
i l
R


AU  (1  f )  bd
Теперь найдем чувствительность гигрометра:

i 
dR
l

  (
S 
df
AU  bd
S
i


l
1
1
(
1
)




)
2
AU  bd 1  f 2
1  f 

i 

AU 

l
1

bd 1  f 2
(2.4.6)
При увеличении влажности чувствительность возрастает.
2.4. Электролитические гигрометры.
Погрешности электролитического гигрометра.
1. Гистерезис пленки.
Способ уменьшения – использование тонких пленок.
2. Разложение раствора электрическим током.
Способ уменьшения – использование переменного тока.
2. Температурная погрешность.
2.4. Электролитические гигрометры.
Способ уменьшения – компенсационная схема.
Схема f
i(f,t)
Сумматор
Схема t
Выход
i(f)
i(t)
Рис. 2.4.5. Схема термокомпенсации.
Если при изменении t ток со схемы f увеличивается, то ток
со схемы t уменьшается на ту же величину. Сумма токов
зависит только от влажности.