Кондуктометры. Конспект лекций

электроды и выполнены длинные жидкостные каналы для увеличения измеряемого электрического сопротивления.

Рис. 5. Измерительная ячейка с длинными каналами: 1 – корпус; 2, 3 – электроды; 4, 5 – каналы

Как уже указывалось, материал электродов оказывает влияние на характер поляризации. Приведем и материалы в порядке возрастания склонности к поляризации: платина; сталь, покрытая неорганическими карбидами; спеченный уголь; нержавеющая сталь.

Измерение проводится на переменном токе, поэтому измерительная ячейка помимо активного сопротивления имеет емкость. Типичные измерительные частоты находятся в диапазоне от 1 до 5 кГц. Эквивалентная электрическая схема контактной ячейки приведена на рис. 6.

Рис. 6. Эквивалентная схема контактной ячейки:

R – истинное сопротивления ячейки; CГ – геометрическая емкость ячейки; СД – емкость двойного слоя; CП и RП – емкость и сопротивление поляризации; C1 и R1 – шунтирующие емкость и сопротивление, зависящие от конструкции ячейки; С2 – емкость проводов

11

По числу электродов в контактной измерительной ячейке различают двух-, трех- и четырех электродные ячейки (рис. 7).

Рис. 7. Схемы электролитических контактных ячеек:

а – двухэлектродная; б – трехэлектродная; в – четырехэлектродная

В отличие от двухэлектродной ячейки (рис. 7а) в трехэлектродной ячейке (рис. 7б) имеется средний электрод, размещенный между двумя внешними. Внешние электроды соединены друг с другом и обычно заземлены. Трехэлектродная ячейка по существу представляет собой две двухпроводные ячейки, включенные параллельно. Трехэлектродные ячейки применяют для уменьшения внешних электромагнитных полей.

Для уменьшения погрешности, вызванной поляризацией электродов, применяют четырехэлектродные ячейки (рис. 7в). Метод измерения электрической проводимости, основанный на использовании четырехэлектродной измерительной ячейки, занимает промежуточное положение между контактным и бесконтактным методами измерения. Четырехэлектродная измерительная ячейка состоит из двух токовых электродов, к которым подводится переменное напряжение ~ U, и двух потенциальных, служащих для снятия падения напряжения в анализируемом растворе, Uх и она менее восприимчива к помехам, вызываемым загрязнением электродов, и характеризуется меньшей склонностью к поляризации.

12

2.2. Измерительные схемы для контактных ячеек

Исторически наиболее широкое применение для измерения сопротивления контактных ячеек нашли четырехплечие измерительные мосты (мосты Уинстона). Принципиальная схема неуравновешенного моста переменного тока приведена на рис. 8.

Рис. 8. Принципиальная схема неуравновешенного моста:

R1, R2, R3, Rx – сопротивления плеч моста; ас – выходная (измерительная диагональ); bd – диагональ питания; ИП – измерительный прибор

В одно из плеч моста подключается измерительная ячейка, имеющая сопротивление Rx. К диагонали bd – переменное стабилизированное напряжение Ubd. Изменение Rx приводит к изменению напряжения в измерительной диагонали ac (Uac), которое воспринимается измерительным прибором ИП. Значение Rx определятся по известной зависимости Uac = f(Rx).

Напряжение в выходной диагонали Uac пропорционально напряжению питания моста Ubd. Поэтому питание неуравновешенных мостов должно проводиться от стабилизированных источников.

В уравновешенных мостах одно или несколько плеч моста выполняются изменяемыми. При измерении сопротивления плеч устанавливаются таким, чтобы мост находился в состоянии равновесия, т. е. ток и напряжение в выходной диагонали моста

13

ac были равны нулю. Значение сопротивления измерительной ячейки определяется по известным сопротивлениям других плеч моста. Состояние равновесия не зависит от напряжения питания. Поэтому в уравновешенных мостах могут использоваться нестабилизированные источники питания.

На рис. 9 приведена схема уравновешенного моста Кольрауша.

Рис. 9. Схема моста Кольрауша: 1 – источник электрического тока звуковой частоты; 2 – сосуд с анализируемым раствором;

3 – микрофонный наушник; R – магазин сопротивлений; Rр – реохорд

Схема включает в себя источник переменного тока звуковой частоты 1, сосуд с анализируемым раствором 2, в котором размещены электроды, телефонный наушник 3, магазин сопротивлений R и реохорд Rр. При измерении сначала устанавливают движок реохорда в среднее положение. Затем подбирают сопротивление R на магазине сопротивлений так, чтобы звук в наушниках был минимальный.

Передвигают движок реохорда и находят такое положение, при котором звук в наушниках отсутствует. Электрическое сопротивление раствора определяется из соотношения

Rx R r1 r2 .

14

При измерении сопротивления электролита с помощью простейшей схемы не обеспечивается полная уравновешенность. Полное сопротивление измерительной ячейки на переменном токе включает в себя емкость, которая приводит к сдвигу фаз. Компенсация сдвига фаз обеспечивается включением в схему электрической емкости.

В настоящее время более широкое применение находят другие способы измерений электрического сопротивления измерительных ячеек.

Наиболее простой способ измерения электрической проводимости σ заключается в измерении тока I, протекающего в измерительной ячейке при постоянном приложенном напряжении U. В этом случае ток буде равен

I U U σ .

Rx K

Для обеспечения термокомпенсации в схему измерения включаются терморезистор.

Приборы, в которых производится непосредственное измерение тока, обычно пригодны для измерений, к которым не предъявляются требования к высокой точности. Более высокая точность обеспечивается применением схемы с делителем напряжения, приведенной на рис. 10.

Рис. 10. Схема измерения с делителем напряжения: У – усилитель; ОУ– отсчетное устройство; RN – калиброванное сопротивление; Rx – сопротивление измерительной ячейки; Rt – терморезистор

15

По сравнению с Rx сопротивление RN пренебрежимо мало

RN << Rx,

поэтому можно считать, что ток I, текущий в измерительной цепи определяется исключительно величиной Rx:

I U U σ . Rx K

Ток I вызывает на сопротивлении RN падение напряжения UN = IRN, которое подается на вход усилителя с большим входным сопротивлением.

Величина UN пропорциональна удельной проводимости:

U N U RN σ . K

Температурная компенсация обеспечивается включением в схему усилителя терморезистора Rt, помещенного в анализируемую жидкость.

Изменением напряжения или выбором сопротивления RN характеристики прибора, выполненного по этой схеме, легко согласуются со всеми практическими требованиями.

На рис. 11 представлена схема замещения при измерении УЭП с использованием четырехэлектродной измерительной ячейки.

16

Рис. 11. Схема замещения с 4-электродной измерительной ячейкой: I – амперметр; 1 – измерительная ячейка; 2 – усилитель; 3 – регулятор;

4 – генератор переменного тока

Схема замещения ячейки состоит из двух сопротивлений токоподводящих электродов RA и находящегося между ними сопротивления Rx, величина которого обратно пропорциональна электропроводности контролируемой среды.

Падение напряжения на резисторе Rx, равное Ux = I∙Rx снимается двумя измерительными электродами и поступает на усилитель У. После усиления и выпрямления напряжение сравнивается регулятором с опорным напряжением Uоп. При отклонении величины падения напряжения от величины опорного напряжения регулятор изменяет напряжение, подаваемое генератором, и компенсирует это отклонение. Протекающий в датчике ток I измеряется прибором амперметром.

Ток I не зависит от величины сопротивления токовых электродов RA. Он является мерой сопротивления Rx и пропорционален значению

Uоп Uоп σ .

Rx K

17

2.3. Бесконтактные ячейки

При бесконтактном методе отсутствует контакт чувствительной части первичного измерительного преобразователя с анализируемой средой, что исключает погрешность, связанную с поляризацией электродов. Загрязнение электродов также практически не сказывается на результате измерений. Бесконтактный метод обеспечивает возможность измерения концентрации сильно загрязненных агрессивных жидкостей, суспензий и коллоидных растворов.

Бесконтактное измерение УЭП может осуществляться двумя

На рис. 12 представлена схема проточной бесконтактной индуктивной измерительной ячейки с жидкостным витком.

.

Рис. 12. Схема проточной бесконтактной измерительной ячейки:

Т1 и Т2 – входной и выходной трансформаторы; W1 – первичная обмотка входного трансформатора; W2 – вторичная обмотка выходного трансформатора; Wж – жидкостной виток; Uпит – напряжение питания; U – выходное напряжение

18

Жидкостной контур (жидкостной виток) Wж является вторичной обмоткой входного трансформатора T1. При подаче напряжения питания Uпит на первичную обмотку W1 трансформатора T1 протекающий в ней ток наводит ЭДС во вторичном жидкостном витке Wж. В жидкостном витке возникает ток. При неизменном напряжении Uпит ток в жидкостном витке определяется электрической проводимостью анализируемой жидкости. Жидкостной виток Wж является одновременно первичной обмоткой измерительного трансформатора T2. Ток во вторичной обмотке W2 измерительного трансформатора и напряжение U определяются током, протекающем в жидкостном витке и, следовательно электрической проводимостью анализируемой жидкости.

Таким образом, выходное напряжение U пропорционально УЭП анализируемой жидкости.

На рис. 13 приведена схема погружной индуктивной измерительной ячейки (тороидальной).

Рис. 13. Схема погружной индуктивной измерительной ячейки:

1 – генерирующий тороид; 2 – чувствительный тороид; 3 – терморезистор

Принцип действия аналогичен приведенному принципу действия проточной индуктивной измерительной ячейки. В возбуждающем тороиде генерируется переменный синусоидальный переменный магнитный поток. При погружении в электропроводящую жидкость, в этой жидкости индуцируется (наводится) переменный ток, значение которого зависит от УЭП. Чувствительный (измерительный) тороид работает в режиме трансформатора тока. Его выходной сигнал

19

пропорционален току в жидкости и, следовательно, УЭП анализируемой жидкости.

Для обеспечения термокомпенсации в корпусе ячейки размещается терморезистор.

и индуктивной и измерительных ячеек. Обкладки конденсатора или обмотка индуктивности располагаются снаружи тонкостенной изолирующей трубки с раствором.

Упогружных преобразователей обкладки или обмотка

располагаются внутри закрытой трубки, которая помещается в раствор.

Недостатками этого способа измерения являются ярко выраженная нелинейность и относительно узкий диапазон измерения. Поэтому кондуктометры, основанные на высокочастотном бесконтактном способе измерения, применяются редко. Высокочастотные датчики используются для индикации конечной точки титрования при высокочастотном кондуктометрическом титровании.

Рис. 14. Схемы емкостных (а и б) и индуктивной (в) высокочастотных преобразователей

20