Кондуктометри

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2009

Кондуктометри

Принципи и схеми за измерване проводимостта на електролити

Всички полярни разтвори (електролити) са електрически проводими, в по-голяма или в по-малка степен. Например добавянето на електролити към чистата вода повишава проводимостта й. Измерването на електрическата проводимост на разтворите е познато под термина кондуктометрия. Методът е приложим единствено за вещества с електролитна дисоциация в разтворите. Позволява постоянен мониторинг на количествата на разтворените вещества. Приема се като евтин и ефикасен метод за непрекъснат контрол.

Принцип на измерване проводимостта на електролити
Електролитите са разтвори на химически съединения, в които разтворените молекули се разпадат на йони, вследствие на взаимодействието между тях и разтворителя. Типичен пример за електролит е водният разтвор на NaCl (готварската сол). Кристалът NaCl представлява здраво свързани положителни Na йони и отрицателни Cl йони. Водните молекули, които са силно поляризирани, отслабват връзката между Na и Cl йони. Топлинното движение предизвиква разкъсване на йонната връзка и отделяне на двойка Na+ и Cl- йони в разтвора. Този процес се нарича електролитна дисоциация. Характерно за него е, че е температурно зависим.
При по-висока температура, енергията на топлинното движение е по-голяма и в разтвора ще има повече двойки Na+ и Cl- йони.
Добре известно е, че при прилагане на постоянно електрическо поле, йоните започват да се движат: положителните – по посока на полето, а отрицателните – срещу полето. Резултатът е протичане на ел. ток в електролита. Важна специфика на йонния ток е преносът на вещество. Достигайки до отрицателния електрод, положителните йони получават електрон, неутрализират се и се отлагат върху него. Аналогично, достигайки до положителния електрод, отрицателните йони му отдават електрон, неутрализират се и се отлагат върху него.

Изследване на електрическите свойства на електролитите
Описаният процес е известен като електролиза и при протичането му се променя както концентрацията на йони в електролита, така и свойствата на електродите. Именно тук се крие причината електрическите свойства на електролитите да не могат да се изследват с постояннотокови методи. За подобни изследвания е възможно да се използват променливи токове с неголяма сила и подходяща честота, при които електролизата е силно редуцирана и обикновено би могла да се пренебрегне.
Както насоченото движение на свободните електрони в металния проводник, така и движението на токовите носители (йоните) в електролита, се характеризира с определено съпротивление. Силата на тока Ieff и породилото го напрежение Ueff се подчиняват на закона на Ом: Ieff = Ueff /R, където R e омовото съпротивление на проводящото електролитно “тяло”. При металните проводници проводящото тяло е обикновен хомогенен линеен кабел, имащ еднакво сечение S по протежение на цялата си дължина l. За него е в сила неравенството: l>>ЦS. Съгласно втория закон на Ом: R = r(l/S), където r, в [W.m], е специфичното съпротивление на метала.

Специфична проводимост на електролит
При електролитите проводящото “тяло” не е така добре определено, както в случая с металните проводници. Тъй като е течност, електролитът трябва да се постави в някакъв измерителен съд, имащ конкретна форма и размери. За да протече ток през електролита, в съда следва да има два електрода с определена геометрия. Характеристиките S и l не подлежат на точно определяне, а и неравенството l>>ЦS не е в сила. Нека направим допускането, че електролитът е хомогенен, т.е. електричните му свойства са еднакви във всяка точка от обема му. Тогава съпротивлението на електролитното “тяло” – електролита в измерителния съд с фиксирани електроди, би могло да се представи по следвания начин: R = rN, където r, в [W.m], е специфичното съпротивление на електролита, а N е т.н. електролитен капацитет на измерителния съд, зависещ от неговите форма и размери, както и от конфигурацията на електродите в него.
Често, вместо съпротивлението R се използва реципрочната му стойност G, наречена проводимост: G = 1/R, която се измерва в сименси в [S].
В най-простия случай специфичната проводимост на електролита може да се изрази като: s = qan(m+ + m-), където q е зарядът на йоните (по големина), a е степента на дисоциираност на молекулите на разтвореното съединение, n е концентрацията на молекулите на разтвореното съединение, an е концентрацията на дисоциираните молекули, а m+ и m- са подвижностите на положителните и на отрицателните йони. В общия случай a и n не са независими. Проводимостта на електролита зависи по нелинеен начин от концентрацията n на разтвореното съединение, но в неголям интервал от концентрации тази зависимост е възможно да е линейна. Добре е да се знае, че
проводимостта на елекролита нараства с температурата по две основни причини. От една страна, степента на дисоциираност a нараства с температурата, което води и до увеличаване на концентрацията на носителите на тока. От друга страна, с повишаване на температурата намалява вискозитета на течността, вследствие на което нарастват подвижностите на носителите m+ и m-. Емпиричната зависимост на специфичното съпротивление на електролит от температурата се представя като: r(t) = r(0)[1–at–bt2]. Във формулата с r(0) е означено специфичното съпротивление на електролита при t = 0 oC, a и b са константи на електролит с дадената концентрация. Същата като вид е и температурната зависимост на съпротивлението R(t) на електролита, поставен в даден измерителен съд.

Конструкция на кондуктометричната клетка
Кондуктометричното измерване се извършва от чувствителен елемент и електронен блок, в който измереният сигнал се преобразува и обработва. Определените стойности се визуализират върху дисплей и/или предават на разстояние. Чувствителният елемент за измерване на електропроводимостта представлява кондуметрична клетка, свойствата на която се характеризират с т.нар. константа.
Класическата клетка обхваща два паралелни измервателни електрода, с площ 1см2, потопени в измерваната течност, които се монтират на разстояние 1см един от друг. Константата на клетката зависи най-вече от конструкцията и размерите й. Тя е индивидуална за всеки датчик и се определя в завода производител. Понастоящем се предлага голямо разнообразие от кондуктометрични датчици, различаващи се като конструкция, материали на електродите и константа на клетката.
Според конструкцията си, измервателните клетки се разделят на три вида:
l двуелектродни;
l четириелектродни;
l индуктивни.
Схема на двуелектродна клетка е показана на фиг. 1. На двата електрода на измервателната клетка се подава променливо напрежение с правоъгълна форма на импулсите. Протичащият през измерваната течност ток е обратно пропорционален на електрическото съпротивление и право пропорционален на проводимостта.
Четириелектродната клетка (фиг. 2) се състои от два токови и два напреженови електрода. На токовите електроди се подава променливо напрежение с правоъгълна форма, което поражда протичането на променлив ток, пропорционален на проводимостта. Върху напреженовите електроди се измерва падът на напрежение, който е пропорционален на протичащия ток и съпротивлението на разтвора. На базата на пада на напрежението се отчита проводимостта и се регулира напрежението на токовите електроди с цел компенсиране на натрупванията по електродите на сензора.
Индуктивната клетка (фиг. 3) е изградена от две концентрични намотки в корпус от диелектричен полимерен материал. При подаване на променливо напрежение със синусоидална форма на първичната намотка се създава магнитно поле. Резултатът от образуването на магнитното поле плюс проводимостта на разтвора е протичането на електрически ток, който индуктира във вторичната намотка напрежение, пропорционално на проводимостта.

Температурна компенсация на резултата от измерването
Вече бе подчертано, че проводимостта на електролитните разтвори се влияе, при това съществено, от промените в температурата. Ето защо при настъпване на значителни температурни изменения, общоприета практика е измерваната преобладаваща проводимост да се коригира автоматично със стойност, характерна за температура на разтвора 25 °C.
Слабите водни разтвори обикновено имат температурен коефициент на проводимостта 2% на всеки градус Целзий, т.е. проводимостта на разтвора нараства с 2% при увеличаване на температурата с 1 °C. При по-високи концентрации коефициентът показва тенденция към понижение.
Общоприетият израз, свързващ проводимостта с температурата, е: Gt = G25 [1 + m (t - 25)/100]. Във формулата: Gt е проводимост при температура t, °C; G25 - проводимост при стандартна температура, 25 °C; m - температурен коефициент за 1 °C. Обикновено m попада в интервала 1,5%/°C и 2,5%/°C. При извършване на температурно компенсирани измервания, приборът за измерване на проводимост би следвало да извърши следните изчисления за определяне на G25, а именно: G25 = Gt/ [1 + m (t – 25)/100]. В случаите, при които контролното оборудване е конфигурирано за измерване на специфично химично съединение, температурната компенсация се извършва автоматично.
Изчисляването на температурния коефициент на един разтвор се определя експериментално. За целта се извършват нетемпературно компенсирани измервания на проводимостта при две стойности на температурата, след което се прилага следният израз:
m = (Gt2-Gt1)/{Gt1[(t2-25) - Gt2(t1-25)]}.
 В него с Gt2 е показана измерената проводимост при температура t2 в °C, а с Gt1 - измерената проводимост при температура t1 в °C.
Едното от измерванията би могло да се извърши при стайна температура, а другото - след подгряване на пробата. Методът е приложим само за прибори, измерващи диапазон на проводимост в mS/cm.

Електрическо измерване на проводимостта
Измерването на проводимостта се базира на променливотоков мост, в едното рамо на който е включена кондуметричната клетка. На практика, измерването се състои в сравняване на измерваната неизвестна проводимост с еталонна, намираща се в електронния блок. По принцип, електрическото измерване представлява прецизно променливотоково измерване с определени честоти и амплитуди на еталонното съпротивление и на съпротивлението на измерваната среда. Стойността на еталонната проводимост се избира в зависимост от коефициента на кондуктометричната сонда. Стойността на еталонната проводимост и коефициентът на сондата определят обхвата на трансмитера. В зависимост от него се определя амплитудата на променливото напрежение, захранващо измервателния мост. Измереният ток - протекъл през клетката, е пропорционален на проводимостта. Допълнително той се обработва, компенсира се по температура и се преобразува в стандартен токов или цифров сигнал.
Системата за измерване на проводимост, използваща клетка с четири електрода (фиг. 4), включва два външни токови електрода. Между тях, през разтвора на пробата, протича ток. В схемата са включени и два вътрешни електрода за напрежение, използвани за измерване на резултантното напрежение. Токът през електродите се регулира електронно, така че напрежението върху електродите за напрежение да бъде постоянно. Както и при всички останали системи за измерване на проводимост, с цел предотвратяване на поляризацията на повърхността на електродите, се използва променлив ток. При промяна на проводимостта - изменението в съпротивлението на разтвора, се стреми да предизвика промяна и в стойността на напрежението между електродите за напрежение. Разликата в напрежението се усилва от специален усилвател, генериращ управляващ сигнал за контрол на токовия генератор. От своя страна, той регулира тока, подаван към токовите електроди, за да върне напрежението между електродите за напрежение към предварително зададената константна стойност. На практика, става въпрос за полупроводникова сервосистема. Изходният сигнал, Vизх., е пропорционален на проводимостта на разтвора и се отвежда през последователен резистор в токовата верига за компенсиране на захранването на токовите електроди.

Влияние на измерването от замърсяване на електродите
Системата преодолява въздействието на замърсяването (до определено ниво), като автоматично компенсира нарастването на съпротивлението на електродните повърхности (представено от резистори R1 до R4 във фиг. 4). Измерването не се влияе от замърсяване на електродите за напрежение. Причината е, че падът на напрежението между тях се измерва от усилвател с изключително висок входен импеданс, през който практически не протича ток. Токовият генератор осигурява постоянен ток - и както при всеки токов генератор, схемата поддържа тока в определени граници. Конструкцията - показана на фиг. 4, използва по-усъвършенстван токов генератор, известен като “константен токов генератор”. Той се управлява по напрежение, тъй като стойността на изходящия ток се регулира от контролен сигнал от усилвателя на напрежение. Ако се замърсят токовите електроди, напрежението между тях автоматично нараства, за да се поддържа постоянна стойност на генерирания ток. По този начин системата продължава да измерва точно до края на динамичния диапазон на токовия генератор, управляван по напрежение. Тя не се влияе от замърсяването, докато то не достигне значителни стойности (до 90%). Възможно е в прибора да се вгради аларма за замърсяване, т.е програмирана индикация на времето, в което клетката се нуждае от почистване. При възникване на поляризация на токовите електроди, например вследствие на формиране на газови мехурчета, възниква допълнителен импеданс, но веригата автоматично го компенсира по вече описания начин.
Теорията за многоелектродно измерване на проводимост изисква използването на четири електрода. Практическото приложение на метода обаче изисква използването на два допълнителни електрода - екраниращ и възвратно-заземителен. По този начин се получава шестелектродна клетка (фиг. 5). Екраниращият електрод изолира електрически пробата, като предотвратява външно електрическо въздействие върху точността, с която се измерва проводимостта. Възвратно-заземителният електрод предотвратява възможността от токови утечки от клетката, които биха могли да въздействат върху външното оборудване.

Статията продължава в следващ брой на сп. Инженеринг ревю.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top