20 Мая 2005 | 14:00

Комментарии: 0

д.т.н. Геращенко С.И., к.т.н. Геращенко С.М., А.В. Киреев, Ю.С. Чистова
Пензенский государственный университет

Применение джоульметрических методов при исследовании биометрических объектов дает возможность получения информации об их состоянии. Джоульметрия [1] отличается от других методов контроля биологических объектов тем, что для проведения анализа требуется незначительное время, что особенно важно для проведения исследований подобного рода.
До последнего времени для реализации джоульметрических методов использовались в основном контактные двухэлектродные датчики [2]. Работа, совершаемая электрическим током, расходуется в таком датчике не только на перевод объекта из одного состояния в другое, но и на поляризацию электродов. Суммарная работа электрического тока составляет

.   (1)
Первое слагаемое в этом выражении равно работе, затрачиваемой на перевод объекта, заключенного между двумя электродами, из одного состояния в другое, а два последних - работам, расходуемым на поляризацию анода и катода соответственно. Поляризационные явления существенно снижают чувствительность, повышают погрешность джоульметрического метода, снижают воспроизводимость результатов.
Одним из вариантов снижения поляризационных явлений является выбор материала электродов и их конструкции. Род применяемых электродов оказывает влияние на величину поляризационного сопротивления [3]. Для таких металлов как Zn, Cd, Hg, Pb, Bi, In, Au, Ir, Os, Sn, Mo, Co, W и Cr оно очень велико и эти металлы в качестве электродов малопригодны. Металлы, такие как Fe, Cu, Ni, Al, Ag обладают поляризационным сопротивлением порядка 2 Ом. Тантал имеет поляризационное сопротивление около 0,28 Ом, гладкие: платина, палладий и родий - 0,19 Ом, монель-металл - 0,15 Ом, а титан - 0,13. Часто используют, предложенные Кольраушем [3] платиновые электроды, покрытые платиновой чернью с практически нулевым поляризационным сопротивлением. Однако область применения таких электродов сильно ограничена (они используются только в нейтральных и слаборазведенных растворах, причем только в тех случаях, когда полностью отсутствует опасность каталитического действия платины). Состояние поверхности электродов так же сильно влияет на величину поляризационного сопротивления. Установлено, что конструктивно увеличение площади истинной поверхности приводит к уменьшению поляризационных явлений. Однако ограничения, предъявляемые к джоульметрическим датчикам по габаритам не позволяют использовать этот эффект в полной мере.
Таким образом, выбор материала электродов двухэлектродного датчика и оптимизация их конструкции не позволяет существенно снизить влияние поляризации на чувствительность и точность джоульметрического метода. В связи с этим предлагается использовать метод позволяющий резко сократить влияние поляризационных явлений на воспроизводимость результатов джоульметрического метода. Сущность этого метода заключается в использовании четырехэлектродного электрохимического датчика. Схематическое устройство четырехэлектродного датчика показано на рис. 1.

По краям электрохимической ячейки расположены два токовых электрода А1 и А2, которые служат для подведения электрического тока. При наличии тока через ячейку на токовых электродах всегда будут наблюдаться поляризационные явления, охватывающие область поверхности раздела электрод - раствор и приэлектродного слоя электролита. Таким образом, в пространстве между электродами А1 и А2 можно представить три области с различным падением напряжения: области, находящиеся в непосредственной близости от токовых электродов, с сильным падением напряжения и область, находящаяся в глубине раствора, с устойчивым падением напряжения. В этой области и расположены измерительные или потенциальные электроды.
Работа электрического тока на участке, заключенном между измерительными электродами соответствует первому члену выражения (1). Она почти полностью расходуется на переведение объекта из одного состояния в другое. Влияние поляризации токовых электродов на этом промежутке очень незначительно (оно тем меньше, чем больше расстояние между токовыми и измерительными электродами). Таким образом, использование четырехэлектродного электрохими-ческого датчика позволяет производить декомпозицию работы электрического тока на три отдельные составляющие, одна из которых практически не зависит от поляризационных явлений, протекающих на токоподводящих электродах. Это дает дополнительные возможности для расширения признакового пространства джоульметрического метода.
В заключении следует отметить, что все вышесказанное справедливо только в том случае, когда поляризация измерительных электродов полностью отсутствует. Для выполнения этого условия ток, протекающий через ячейку должен быть стабильным и не должен вызывать значительного теплового эффекта, а измерительное устройство, подключаемое к электродам В1 и В2, не должно потреблять никакого тока. При современном состоянии измерительной техники все эти условия полностью удовлетворяются.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Геращенко С. И. Джоульметрия и джоульметрические системы: теория и приложение: монография. - Пенза: Изд-во Пенз. Гос. Ун-та, 2000.
2. Пат. 2134537 РФ, МКИ а 61 в 5/05. Диагностический датчик/ С. И. Геращенко, В. И. Никольский, В. И. Волчихин и др. (РФ). - №96123655/14 (030256); Заявл. 14. 12. 96; Опубл. 20.08.99; Бюл. №23.
3. Лопатин Б. А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. Учеб. Пособие для ун-тов. М., "Высш. Школа", 1975.

20 Мая 2005 | 14:00

Комментарии: 0