Вопрос 8 Теоретические основы измерения удельной электрической проводимости

Электрическая проводимость, или ее обратная величина — электрическое сопротивление, характеризует способность раствора проводить электрический ток. Электропроводность сильно зависит от физико-химических свойств растворителя и растворенного вещества — концентрации и подвижности находящихся в растворе ионов, заряда ионов, температуры и многих других факторов. Электропроводность обозначается символом (Каппа) и имеет размерность См/см.

Для характеристики чистых и сверхчистых вод используется величина, обратно пропорциональная проводимости — сопротивление (выражается в Ом*см).

Чувствительным элементом при измерении электропроводности является кондуктометрическая ячейка, свойства которой характеризуются константной или постоянной ячейки. Конструкция классической ячейки представляет собой два параллельных измерительных электрода площадью 1 см2 погруженных в раствор и расположенных на расстоянии 1 см друг от друга. Константа ячейки индивидуальна для каждого датчика и изначально определяется непосредственно на заводе-изготовителе. Константа обозначается символом «с» и выражается в см-1. с=L\A. Константа ячейки в данном случае равна 1,0 см-1.

Четырехэлектродные датчики

В отличии от «классических» датчиков, четырехэлектродные измерительные ячейки обладают некоторыми cущественными преимуществами за счет того, что поляризация происходит на одной паре электродов, а измерение сигнала — на другой.

Основными особенностями таких датчиков являются:

• широкий диапазон измерения с одной константой ячейки;

• отсутствие поляризации на измерительных электродах;

• более широкие возможности очистки датчика по сравнению с двухэлектродными.

Кроме того, фактически измеряемым параметром является не сопротивление (как в случае двухэлектродных датчиков) а падение напряжения, это обеспечивает большую точность измерения, и, как следствие, возможность применения таких датчиков при определении концентрации щелочей, кислот и различных солей.

Индуктивные (или «безэлектродные») датчики проводимости состоят из двух концентрических катушек индуктивности в корпусе из диэлектрического полимерного материала. При наложении переменного напряжения на первичную обмотку датчика создается магнитное поле.

В результате возникает электрический ток (рис. 3), пропорциональный проводимости анализируемого раствора, который измеряется на вторичной обмотке.

Датчики такого типа обладают следующими преимуществами:

• отсутствие поляризации как таковой;

• полная изоляция измерительной части датчика от контакта с внешней средой;

• отсутствие влияния на результат измерения таких явлений как загрязнение датчика, образование пленок или иных отложений;

• возможность работы датчика в агрессивных средах и очень концентрированных растворах.

Влияние температуры

Все датчики работают в широком диапазоне температур. При этом необходимо помнить, что подвижность ионов (и, соответственно, электропроводность) в водных растворах возрастает с увеличением температуры. Электропроводность раствора может быть рассчитана для любой температуры в том случае, если заранее известен температурный коэффициент α, отражающий изменение электропроводности на 1°С (значение коэффициента, как правило, не выходит за пределы 1-6 %/°C).

Такой температурный эффект — увеличение электропроводности с ростом температуры — выражен более ярко в случае сверхчистых вод, нежели концентрированных растворов.

Помимо концентрации растворенных веществ, электропроводность раствора зависит от природы этих веществ.

Понятие температурной компенсации

Для корректного сравнения значений электропроводности, полученных при различных температурах, их необходимо привести к некоторой стандартной температуре (20 или 25°С). В том случае, когда проба содержит не одно, а несколько растворенных веществ, для этих целей используют либо среднее значение α, либо температурный коэффициент преобладающего соединения.

Поскольку для некоторых растворов не наблюдается линейной зависимости электропроводности от температуры, возникает необходимость проведения сложных расчетов для интерпретации полученных резульатаов. Поэтому все приборы МЕТТЛЕР ТОЛЕДО INGOLD оснащены алгоритмом расчета температурной компенсации, что гарантирует простоту работы и точность измерения.

Проведение корректных измерений электропроводности зависит, в первую очередь, от правильного выбора измерительной системы: типа кондуктометрического датчика, вторичного преобразователя (трансмиттера) и монтажной арматуры. Особое внимание следует уделять кондуктометрическим датчикам: двухэлектродные датчики для работы в нижнем диапазоне проводимости — чистые и сверхчистые воды — (0,01…10000 мкСм\см в зависимости от типа трансмиттера), четырехэлектродные датчики для работы в среднем и высоком диапазоне (0,01… 800 мСм/См) и безэлектродные кондуктометрические датчики для работы в верхнем диапазоне (0.01…2000 мСм/см).