Konduktometr – zasada działania, budowa, metody pomiarowe i dostępne czujniki przewodności

349

Przewodnictwo

Miarą konduktywności jest zdolność danego materiału do przewodzenia prądu. W cieczach oraz ciałach stałych zjawisko to przebiega w różny sposób. W ciałach stałych np. w metalach, za przepływ prądu odpowiadają elektrony, czyli naładowane ujemnie cząstki elementarne. Natomiast w cieczach, za transport ładunku odpowiadają jony. Jony to pojedyncze atomy lub związki chemiczne, które dzielą się na kationy naładowane dodatnio oraz aniony naładowane ujemnie. Zawartość danych jonów w roztworze wodnym, a tym samym zdolność do przewodności, zależy od ilości rozpuszczonych soli, kwasów lub zasad. Im większa ilość rozpuszczonych danych związków chemicznych w cieczy, tym lepsza jest jej konduktywność.

Zasada pomiaru

Jednostką konduktancji w układzie SI jest simens – S. W praktyce stosuje się mniejsze jednostki µS lub mS. Zasada pomiaru w urządzeniach z zewnętrznymi elektrodami polega na tym, że konduktometr wytwarza napięcie elektryczne w mierzonym roztworze, a dokładnie między dwiema elektrodami celki konduktometrycznej. Przyłożone napięcie U [V] wywołuje przepływ prądu I [A] w roztworze, a jego wartość zależy od zasolenia, czyli przewodności cieczy. W zależności od zastosowania przyrząd albo utrzymuje stały poziom przyłożonego napięcia między elektrodami i równocześnie rejestruje zmiany natężenia płynącego prądu, albo też reaguje na zmiany napięcia w celu utrzymania stałej wartości natężenia płynącego prądu. W pierwszym przypadku, przy utrzymywaniu stałego napięcia między elektrodami, zmiany natężenia prądu zależą wprost proporcjonalnie od zmian wartości przewodności. Oznacza to, że wzrost stężenia jonów w wodzie wywołuje wzrost rejestrowanego natężenia prądu. Natomiast w drugim przypadku, przy utrzymywaniu stałej wartości natężenia prądu, kompensacja zmian napięcia między elektrodami są odwrotnie proporcjonalne do wartości konduktancji. A zatem wzrost stężenia jonów wywołuje spadek napięcia celki pomiarowej. Podsumowując, pomiar przewodności odnosi się tak naprawdę do pomiaru rezystancji R[Ω] danej cieczy, a obie zasady pomiaru opierają się na prawie Ohma:

U/I=R

Z poniższego wzoru wynika, że przewodność elektryczna γ równa się odwrotności rezystancji R:

γ=(I/U)*k’, gdzie:

γ – przewodność elektryczna [S]

I – natężenie prądu [A]

U – napięcie elektryczne [V]

k’ – stała celi

Stała celi to współczynnik wyrażany przez stosunek odległości między elektrodami do ich powierzchni. Określenie tej wartości jest niezbędne do przeprowadzenia prawidłowych pomiarów.

Stosowane urządzenia pomiarowe — konduktometry

Stosowane mierniki w zależności od zastosowania różnią się konstrukcją celi konduktometrycznej. Wyróżnia się 2-elektrodowe i 4-elektrodowe czujniki przewodności oraz cele pomiarowe działające na zasadzie indukcji elektromagnetycznej. Wybór optymalnego czujnika zależy od pożądanego stopnia dokładności, elastyczności zastosowania w przypadku mierników ręcznych czy też wymagań dotyczących pełnego obrazu zasolenia w roztworze.

Gdzie zastosować dwuelektrodowe czujniki przewodności?

Dwuelektrodowe czujniki przewodności wyróżnia proste pod względem technicznym rozwiązanie konstrukcji i znajdują one zastosowanie w pomiarach przemysłowych. W tego typu konstrukcjach do elektrod przykładane jest stałe napięcie zmienne AC, natomiast sygnałem pomiarowym jest natężenie prądu płynące w roztworze. Konduktometry powinny charakteryzować się stałą celi, której wartość powinna być przystosowana do składu chemicznego danej cieczy np. zasolenie. W przypadku roztworów o niskiej zawartości jonów, pożądanym efektem jest duży sygnał pomiarowy. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie małej wartości stałej celi.

Gdzie zastosować czteroelektrodowe czujniki przewodności?

Laboratoryjne urządzenia pomiarowe są najczęściej wyposażone w czteroelektrodowe sensory przewodności i umożliwiają uzyskanie precyzyjnych wyników pomiarów. Za pomocą dwóch par elektrod dokonywany jest równocześnie pomiar napięcia i natężenia prądu płynącego przez roztwór. W ten sposób kompensuje się wpływ czynników zakłócających prawidłowy przebieg pomiaru np. polaryzacja, zanieczyszczenia powierzchni elektrod lub efekty związane z długimi przewodami przyłączeniowymi.

Indukcyjne czujnik przewodności – jak działa pomiar indukcyjny?

Zaletą indukcyjnych czujników przewodności jest ich bezdotykowa technika pomiarowa. Umożliwiają one uzyskanie precyzyjnych wyników pomiaru przewodności wód o wysokim stopniu agresywności oraz roztworów silnych zasad lub kwasów. Taki typ konstrukcji niweluje negatywny wpływ zanieczyszczenia czujnika jak również zjawiska polaryzacji wynikającej z wysokiej zawartości danych jonów. W czujniku wyposażonym w indukcyjną celę pomiarową, zamiast elektrod występują dwie cewki. Jedna z nich jest cewką wzbudzającą, w której płynie prąd zmienny wywołujący pole magnetyczne. To pole magnetyczne indukuje przepływ prądu w badanym roztworze, którego wartość zależy od przewodności cieczy. Prąd przepływający przez roztwór wytwarza własne pole magnetyczne, które z kolei indukuje w cewce odbiornika prąd o odpowiednim napięciu. Konduktancja medium wpływa na wartość prądu płynącego przez roztwór, a zatem na wartość napięcia cewki odbiornika. Korpus czujnika wykonany jest z tworzywa sztucznego, które chroni cewki pomiarowe przez bezpośrednim oddziaływaniem medium pomiarowego.

Budowa systemu pomiarowego konduktywności

Podczas instalacji systemu pomiarowego należy mieć na uwadze ewentualny serwis komponentów. Dlatego montaż należy przeprowadzić w miejscu, które umożliwia łatwy i bez zbędnego nakładu pracy dostęp do punktu pomiarowego.

Zestaw przyrządów i urządzeń, za pomocą których dokonywany jest pomiar przewodności to nie tylko konduktometr, ale również przetwornik przekształcający odczytaną wartość na sygnał standardowy np. sygnał prądowy 4-20mA. Przetwornik może być wyposażony w wyświetlacz pełniący funkcję wyświetlania wartości na miejscu aplikacji. Nie mniej jednak pomiary mogą być wykonywane na pewnej głębokości medium pomiarowego. W takim przypadku niezbędne jest zastosowanie armatury zanurzeniowej, która służy do zamocowania i ochrony celi pomiarowej. Wśród oferty JUMO można znaleźć szeroką gamę elementów montażowych i akcesoriów umożliwiających dokonanie pomiarów montaż na prawie wszystkich zbiornikach.

Regulacja, kontrola i monitorowanie

Przekształcony przez przetwornik sygnał standardowy może być przekazany do sterownika PLC lub regulatorów odpowiedzialnych za dozowanie danych substancji chemicznych w celu osiągnięcia pożądanej jakości roztworu. Dzięki takiemu rozwiązaniu stężenie roztworu jest utrzymywane w optymalnym zakresie i podlega regulacji w sposób automatyczny. Większość dostępnych obecnie przyrządów pomiarowych wyposażonych jest w mikroprocesor, co daje im możliwość indywidualnego dostosowania do danej pętli pomiarowej. Takie rozwiązanie umożliwia kalibrację stałej celi oraz współczynników temperatury.

Dlaczego mierzy się temperaturę przy pomiarze przewodności?

Przewodność danego roztworu zależy od temperatury. Aby konduktometr wskazał prawidłową wartość pomiaru, należy uwzględnić współczynnik temperaturowy. Określa on zakres zmiany rezystancji, a zatem i przewodności medium przy zmianie temperatury o znaną wartość i wyrażany jest w %*K-1. Prawidłowo ustawiona kompensacja temperaturowa zapewnia wiarygodność wyników. Temperatura medium może być mierzona poprzez zintegrowany pomiar temperatury (np. czujnik Pt100 lub Pt1000) lub ustawiona ręcznie.

Co to jest instalacja CIP?

Zastosowanie pomiaru przewodności jest niezbędne do przeprowadzenia prawidłowej procedury czyszczenia instalacji metodą Clean in Place. Metoda ta polega na czyszczeniu instalacji i przewodów rurowych bez konieczności demontażu. Pomiaru przewodności dokonuje się w wodzie powrotnej. Środki czyszczące, kwasy lub zasady charakteryzują się pewnym stopniem przewodności i dzięki temu konduktometry są w stanie dokładnie określić moment zupełnego oczyszczenia instalacji ze środków czyszczących. Takie rozwiązanie pozwala oszczędzić zużycie wody.

Oferta JUMO

JUMO oferuje szeroką gamę produktów przeznaczonych do pomiaru i analizy właściwości fizykochemicznych cieczy w tym również przewodnictwo elektrolityczne. Zastosowane oprzyrządowanie nie tylko dostarcza informacji na temat składu chemicznego cieczy, ale również reguluje poziom stężenia jonów w medium w danym procesie produkcji. Produkty JUMO obejmują:

  • czujniki przewodności indukcyjne, dwuelektrodowe i czteroelektrodowe dostępne w różnych wersjach w zależności od zakresu pomiarowego i miejsca aplikacji
  • przetworniki z systemem komunikacji IO Link i protokołem Modbus RTU
  • Regulatory PID, również w wersjach z funkcją rejestratora ekranowego
  • Systemy automatyki, sterowniki PLC
  • Platforma IoT — rozwiązanie JUMO Cloud SCADA do bezpiecznego zarządzania procesami w chmurze
  • Oprogramowanie do zdalnego monitorowania i sterowania procesami — JUMO smartWARE SCADA

Więcej informacji: www.jumo.pl

JUMO Sp. z o.o.
ul. Bierutowska 57-59
51-317 Wrocław

 

 

 

Telefon: 71 339 32 79
Fax: 71 339 32 80
E-Mail: info.pl@jumo.net