Кондуктометричні аналізатори

Кондуктометричний метод контролю ґрунтується на вимірюванні електропровідності розчинів. Хімічний склад розчину визначається по залежності його електропровідності від концентрації та природи заряджених частинок. Питома електропровідність рідин, в залежності від концентрації і природи розчинених в ній речовин, може змінюватись на декілька порядків (від10^-4 см/м- особо чисть иоди до 100 см/м (сильні електроліти)).

Відомо, що опір провідника електричного струму визначається залежністю:

(9.1)

де ρ – питомий опір провідника (Ом*м); L – довжина провідника.

Електропровідність – це властивість речовин проводити електричний струм, що обумовлений наявністю в них рухомих заряджених частинок (носіїв струму – катіонів і аніонів).Електропровідність – величина, що обернена опору.

Одиницею електропровідності в системі СІ є сименс 1 См, це електропровідність провідника опором в 1 Ом. 1См=1/1Ом.

Електропровідність розчинів частіше характеризують питомою електропровідністю σ [См/м] = 1/ρ [Ом*м], яка є величиною оберненою питомому опору. Залежність питомої електропровідност розчинів, в залежеості від їхньої кон-

центрації і виду розчиненої речовини, визначаються законом Кольрауша:

, (9.2)

де f – коефіцієнт активності, який враховує електростатичні сили між іонного протягування, Кл/моль; С - концентрація речовини у розчині; - коефіцієнт, що визначає степінь дисоціації молекул; - рухливість іонів, м²/В*с; Кл – кулон, електричний заряд; моль – одиниця кількості речовин, для будь-яких частинок в об’ємі. Залежності по (9.2) - суттєво нелінійні (рис. 9.1, а).

Кондуктометричні аналізатори – мають високу чутливість, прості, надійні, використовуються для аналізу виноматеріалів, молочних продуктів, сольових і миючих розчинів, дають можливість контролювати просто і точно, концентрацію доповнень, які вводяться, напрклад, для різних сортів горілки.

Електропровідність розчину вимірюються або контактним способом (шляхом введення електродів в досліджуваний розчин), або безконтактним - безелектродним. Останній більш точний, так як немає недоліків контактної: а). поляризації електродів контактів: б). покриття їх кристалами речовини, їх забруднення та вихід їз ладу під дією електролітів.

а) б)

Рис. 9.1. Функціональна залежність питомої електропровідност розчинів різних речовин (а) та вимірювальна комірка контактного аналізатора (б).

Контактні кондуктометричні аналізатори - ґрунтуються на безпосередньому контакті електронів з аналізуємим розчином. Первинний вимірювальний перетворювач (ПВП) складається з вимірювальної мірки (рис. 9.1, б), яка має два електроди площиною S на певній відстані L один від одного і розміщених в розчині. Опір комірки R визначається тільки електропровідністю розчину. Вимірювання проводять на лінійних дільницях залежності 9.2 та за таких умов:

1). Використовують зрівноважений міст, який живлять напругою змінного струму, що зменшує вплив явища електролізу контрольованого середовища та поляризації електронів; 2). Електроди виготовляють із стійких малоактивних матеріалів (прототипи графіту). 3). Вимірювання проводять при малій силі струму в вимірювальному ланцюгу та підвищеній частоті напруги живлення (до 1кГц), але більшість працює на промисловій частоті 50 Гц.

При використовуванні кондуктометрів з концентратоміри в швидкокристалізуємих забруднених середовищах, наприклад, в цукровому виробництві на ділянках І і ІІ-ї сатурації, застосовують і 4-електродій ПВП (рис. 9.2 а), для зменшення впливу поляризації струмових електродів і впливу електричного опору залишків на електродах. В цих ПВП функції між електродами розділені і крайні використовуються для підведення живлення, з середніх – знімають напругу, яка пропорційна електричному опору аналізуємого розчину.

На розглянутому принципі та за мостовою схемою рис. 9.2, б, випускаються кондуктометри типу КК3, КК4-Е для експрес аналізів та метрологічних провірок. Діапазон вимірювання електродних кондуктометрів до 10 См/м за температури розчину в межах 25±15 ⁰С при класі точності 2, 5.

Безконтактні кондуктометричні аналізатори - не мають безпосереднього контакту з аналізуємим розчином і вільні від багатьох недоліків контактної кондуктометрії. Забезпечують вимірювання концентрацій сильно забруднених агресивних рідин, суспензій, колоїдної розчинів безпосередньо на технологічних лініях. Розділяються на низько до 1кГц та високочастотної до 20 кГц.

а) б)

Рис. 9.2. 4-х електродний ПВП а) та схема контактного кондуктометра б).

Рис. 9.3. Безконтактний ПВП аналізу складу рідин

Рис. 9.4. Електрична схема безконтактного ПВП

Фізична суть безконтактної низькочастотної кондуктометрії полягає в тому, що аналізована електропровідна рідина проходить в замкненій (кільцевій) трубці із діелектрика (рис. 9.3) і одночасно є витоком двох трансформаторів: живлення Тр1 та вимірювального Тр2 (рис. 9.4). Короткозамкнений рідинний виток є вторинною обмоткою Тр1 і одночасно первинною обмоткою вимірювального Тр2. Струм, який протікає через рідинний виток, пропорційний електропровідності розчину і вимірюється індукованою напругою у вторинній обмотці вимірювального трансформатору:

, (9.3)

де К- конструктивний коефіцієнт, R – опір рідинного кільця, залежний від електропровідності рідини.

а) ємнісні

б) індуктивні

Рис 9.5. Високочастотні кондуктометричні ПВП: а)ємнісний; б) індиктивний.

Високочастотні кондуктометри працюють за принципом взаємодії електричного поля високої частоти з контрольованим розчином, знаходяться або в трубі, або в посудині із ізоляційного матеріалу, до якої із зовнішнього боку прикріплюються первинні перетворювачі. До останніх підводиться напруга високої частоти (15-20 МГц) і визначається ємнісний або індуктивний опір первинного перетворювача, який пов'язаний із електропровідністю контрольованого розчину. Відповідно первинні перетворювачі бувають двох типів: ємнісні(рис. 9.5, а) та індуктивні(рис. 9.5, б).

Як вимірювальні схеми застосовуються мостові або резонансні схеми, що живляться від генераторів високої частоти. В резонансних схемах вимірюється частота власних коливань резонансного контура, яка залежить від ємності або індуктивності датчика. Досвід показує експлуатації, що ємнісні датчики доцільно застосовувати для розчинів з низькою електропровідністю до 1 См/м, а індуктивні – для сильних електролітів від 1 до 100 См/м.

Промисловість випускає такі кондуктометри типів КК-6 та КК-7 класу точності 2 і 2, 5.