+38 (073) 492 29 01
+38 (075) 492 29 01
+38 (077) 492 29 01
Методи вимірювання провідності, їх особливості та сфери застосування
Електропровідність розчину визначається за допомогою спеціального приладу – кондуктометра, який за електричними характеристиками розчину (зокрема падінням напруги між електродами) розраховує питому провідність у См/см (та кратних одиницях).
TDS-метр (або солемір) – прилад, призначений для визначення загальної мінералізації розчину. Він фізично вимірює електропровідність розчину і перераховує її за певним коефіцієнтом у загальний солевміст у мг/л.
Залежно від моделі коефіцієнт перерахунку EC/TDS може гнучко налаштовуватись користувачем або бути запрограмованим виробником. У будь-якому випадку перерахувати провідність у солевміст або навпаки не складно й самостійно, адже для більшості вод між цими параметрами існує приблизно лінійна залежність.
Визначальним для вимірювання є метод аналізу провідності: контактний (двох- або чотириелектродний) або індуктивний (безелектродний). Відповідно до методу вимірювання розрізняють і типи кондуктометричних датчиків. Який саме метод обрати, залежить від умов середовища.
«Контактний» метод аналізу провідності
Двополюсний (двоелектродний) датчик
Більшість контактних датчиків провідності складаються з двох електродів, які безпосередньо контактують із вимірюваним розчином електроліту. До електродів прикладають змінну напругу і вимірюють падіння потенціалу, спричинене опором розчину між ними. Цей метод добре підходить для чистої води, але за високої провідності на результат вимірювання починає впливати поляризація електродів: подача струму може спричинити накопичення «паразитних» іонних частинок біля поверхні електродів, і якщо їхня концентрація стає занадто високою, електростатичне відштовхування іонів зменшує струм і занижує результат вимірювання. Ефект поляризації можна зменшити за рахунок покриття полюсів комірки шаром платини.
Чотириелектродний (чотирикільцевий) датчик
Контактні датчики можуть бути не лише 2-полюсними, а й 4-полюсними. При використанні чотирьохполюсної комірки змінний струм подається на зовнішні полюси, внутрішні вимірювальні полюси розміщуються в електричному полі зовнішніх полюсів і вимірюють падіння напруги. Завдяки цьому чотирикільцевий електрод майже усуває вплив поляризації та охоплює значно ширший діапазон вимірювання і добре підходить для роботи в середовищах з високим солевмістом (наприклад, у стічних водах) , але має вищу вартість порівняно з двоелектродними датчиками.
Константа комірки контактних датчиків
При вимірюванні питомої провідності контактним способом потрібно точно знати такий параметр електрода як константа комірки K (см⁻¹). Вона описує геометрію датчика: відстань між електродами, поділену на площу електродів, тобто для комірки площею 1 см² константа комірки чисельно дорівнює відстані між електродами.
Кожна комірка провідності має власну константу і питома електропровідність розчину розраховується з урахуванням значення K конкретного датчика. Константи комірки різняться залежно від конструкції електрода, що впливає на їхню придатність для різних застосувань: як правило, для вищої провідності використовують більшу константу комірки. Інформацію про константу комірки можна знайти в технічних характеристиках продукту, а часто і на самому датчику.
Для очищеної води з провідністю до 5 мкСм/см потрібен двоелектродний датчик із константою комірки 0,10 і менше.
Калібрування контактних датчиків провідності
Константа з часом змінюється через корозію або забруднення електродів, тому її періодично уточнюють калібруванням у стандартному розчині. Найчастіше беруть 0,01 М розчин KCl (1413 мкСм/см при 25 °C). Стандарт слід підбирати ближче до робочого діапазону: для вимірювань на рівні 5 мкСм/см і на рівні 1413 мкСм/см потрібні різні калібрувальні розчини.
- K ≈ 0,01–0,1 – для дуже чистої води;
- K ≈ 1 – для універсальних застосувань;
- K ≈ 10 – високо мінералізовані розчини.
Індуктивний метод вимірювання провідності
Індуктивний метод іноді називають тороїдальним (за формою котушок), безелектродним або безконтактним (електроди відсутні, а котушки не мають гальванічного контакту з вимірюваним розчином). Датчик стійкий до забруднення й тому переважно використовується в промислових потокових (онлайн) застосуваннях, для лабораторної роботи він використовується рідко.
Індуктивний датчик складається з двох тороїдальних котушок, поміщених у корпус з корозійностійкого пластику. Ці котушки називаються «збуджувальною» та «приймальною». Вони розташовані так, що розчин, який заповнює отвір датчика, утворює замкнений провідний контур (виток), охоплюваний обома котушками, завдяки чому між котушками виникає індуктивний зв'язок через розчин.
Коли датчик занурюється в електропровідний розчин, аналізатор подає змінний струм на збуджувальну котушку, яка створює змінне магнітне поле. Воно наводить у витку розчину ЕРС, під дією якої в розчині тече іонний струм. Цей струм створює змінний магнітний потік, що наводить сигнал у приймальній котушці. За величиною цього сигналу розраховується провідність, яка залежить від концентрації та рухливості іонів.
Який спосіб вимірювання обрати?
Вибір між контактним і індуктивним методом визначається насамперед очікуваним діапазоном провідності та впливом середовища на електроди.
Контактний метод, як правило, використовується для чистих зразків без завислих твердих частинок:
- 2-полюсна конструкція найкраще підходить для вимірювання низької провідності: забезпечує високу точність у діапазоні від 0,001 до 1000 мкСм/см і дозволяє працювати з малими об'ємами зразка, однак вона непридатна для розчинів високої провідності (через поляризацію електродів).
- 4-полюсна конструкція менше залежить від поляризації, що робить її придатною для високої провідності в широкому діапазоні (10 мкСм/см – 1000 мС/см) з хорошою лінійністю, а також менше залежить від забруднення поверхні, це доречно для високосолоних середовищ, таких як стоки.
Індуктивний метод підходить для вимірювання високої провідності в забруднених середовищах або за наявності завислих твердих речовин саме тому, що котушки повністю ізольовані від контакту з рідиною і не піддаються поляризації чи прямому обростанню. Метод зазвичай застосовується для промислового онлайн-моніторингу і не призначений для низької провідності.
Стійкість датчиків до забруднення, обростання, агресивного хімічного середовища – окреме питання: вона залежить від матеріалу електродів і корпусу датчика (титан, платина, інертні пластики), і забезпечити її можна як для контактних, так і для індуктивних датчиків.
Широкий спектр різновидів кондуктометрів дозволяє вимірювати провідність практично будь-якого водного середовища: від надчистої води (дуже низька провідність) до насиченого хімічними сполуками розчину (висока провідність).
Кондуктометри (TDS-метри) бувають різних форм-факторів: стаціонарні лабораторні моделі, портативні прилади, кишенькові тестери – з вбудованими в корпус або виносними електродами, а також промислові аналізатори. Виносні (замінні) електроди дозволяють підібрати датчик під конкретне застосування насамперед за константою електрода (cell constant, K, см⁻¹), яка визначає робочий діапазон вимірювання. Матеріал електрода також підбирають під середовище.
Більшість сучасних кондуктометрів (окрім тестерів) мають можливість документування результатів: збереження вимірювань у внутрішній пам'яті приладу, передачу даних на ПК через USB/Bluetooth, а для лабораторного застосування – ведення протоколу з фіксацією дати, часу й даних калібрування.
