1.2. Бесконтактные кондуктометры

К недостаткам контактных кондуктометров можно отнести, помимо явления поляризации, растворимость, загрязнение электродов, образование на них окисных пленок и осадков. От этих недостатков практически свободны бесконтактные кондуктометры.

Б есконтактные кондуктометры подразделяются на низкочастотные (до 1000 Гц) и высокочастотные (до десятков МГц). Принципиальная схема низкочастотного бесконтактного кондуктометра представляет собой замкнутый виток, образованный трубкой из диэлектрика, которая и заполнена анализируемым раствором. Этот виток является короткозамкнутой вторичной обмоткой трансформатора возбуждения ТV1 и первичной обмоткой измерительного трансформатора ТV2 (рис. 1.4).

R

ω_к

Рис. 1.4

1, R2, R3 – постоянные сопротивления; R_t – термопреобразователь сопротивления; R_p –переменное сопротивление.

В результате электромагнитного взаимодействия в жидкостном витке индуцируется потенциал Е_р:

E_p = Uω₁/ω₂ ,

где ω₁ - число витков первичной обмотки;

ω₂ - число витков жидкости ;

U - напряжение, питающее первичную обмотку TV1.

Сила тока в жидкостном витке:

I_p=E_p/R_p= ǽ E_p/К_p= ǽ ω₁U/ω₂К_р ,

где R_p – сопротивление жидкостного витка (раствора);

К_р – постоянная ячейки.

Таким образом, сила тока I_p пропорциональна концентрации контролируемого раствора. I_p измеряется вторым трансформатором TV2. Величина электродвижущей силы Е_изм, наводимая во вторичной обмотке трансформатора ТV2, пропорциональна концентрации раствора. Как правило, измерение производится компенсационным методом, для этого исполь­зуется дополнительная обмотка ω_к ТV2, ампер-витки которой вычитаются из ампер-витков раствора:

I_к ω_к=I_p ω₂; I_к=I_p ∙ω ₂/ ω_к= ω₁/ ω_к∙U/К_р∙ǽ.

Изменение I_к производится реверсивным двигателем РД, перемещающим движок реохорда и показывающего прибора. Компенсация температурной погрешности осу­ществляется находящимся в контролируемом растворе термометром сопротивле­ния, включенным в мостовую корректирующую цепь.

Бесконтактный кон­дуктометр используется в устройстве для контроля и регулирования кон­центрации моющего раствора в бутылкомоечных машинах типа УКР. Устройство имеет погружной бесконтактный кондуктометрический датчик, устанавливаемый в отмачивающем баке бутылкомоечной машины. Вторичный прибор связан с диафрагмовым клапаном на линии подачи концентрированного раствора каустической соды. При снижении концентрации раствора ниже допустимого значения происходит срабатывание клапана, при этом концентрация моющего раствора повышается на 0,1 %. В баке в результате движения кассетоносителя с бутылками происходит непрерывное перемешивание моющего раствора.

Диапазон измерения концентрации раствора составляет 0,5–3 %. Погрешность ±0,2 % концентрации.

Прибор может быть также использован для автоматического контроля и регулирования концентрации моющих растворов (технической соды и азотной кислоты) на централизованных станциях приготовления моющих растворов.

Низкочастотные кондуктометры, обладая преимуществами бесконтактности, имеют ряд существенных недостатков. Так, они чувствительны к наводкам со стороны внешних магнитных полей той же частоты, что и питающее напряжение.

В последнее время широкое применение находят высокочастотные безэлектродные кондуктометрические анализаторы. В основе действия этих прибо­ров лежит взаимодействие электрического поля высокой частоты с находящимся в ячейке раствором.

Измерительная ячейка представляет собой выполненный из изоляционного материала сосуд, на внешней стороне которого крепятся электроды (емкостные датчики) или катушка (индуктивные).

Полная проводимость высокочастотной ячейки Y определяется по формуле

Y=G + jB = G + j ω С_э,

где G – активная составляющая проводимости;

В – реактивная составляющая;

j – мнимое число, j = ;

ω – частота;

С_э – высокочастотная емкость, пФ.

Активная G и реактивная B составляющие полной проводимости функционально связаны с электрофизичес­кими свойствами вещества – электропроводностью ǽ и диэлектрической проницаемостью ε.

Для ячейки емкостного типа (рис 1.5):

Y= æ ω²C₁² / æ ² + ω²(C₂+C₁)² +

+ j ω [æ ²C₁+ ω²C₁C₂(C₁+C₂)/ æ ² + ω²(C₁+C₂)² ] .

Р ис. 1.5

С 1 - емкость стенок сосуда; С2 - электрическая емкость продукта ;

R2 - cопротивление продукта

Рис. 1.6 Рис. 1.7

Анализируя активную составляющую полной проводимости G= f(æ) (рис. 1.6), можно сделать вывод, что G растет с повышением частоты ω и емкости С₁. При этом если æ =0, то G=0 , и если æ → ∞ , то G→0.

При æ=ω( С₁+С₂) (определяется при dG/dæ =0) :

G _max = ω²C₁²/(C₁+C₂) .

Анализируя зависимость высокочастотной (эквивалентной) емкости С_э = f(æ) (рис. 1.7), можно отметить, что при æ→ 0 :

С_э= C₁C₂/ (C₁+C_{2 ,})

а при æ→ ∞ :

С_э=С₁.

Точка перегиба функции С_э=f (æ) (определяется при

d²С_э /dæ²=0) соответствует электропроводности :

æ_пер = ω( С₁+С₂)/ .

Ячейки индуктивного тока более эффективны для измерения высоких концентраций растворов.

В последнее время промышленностью выпускаются как емкостные, так и индуктивные высокочастотные кондуктометры.

Для контроля концентрации синтетических моющих растворов в настоящее время разработан высокочастотный бесконтактный кондуктометр с частотой изменения 25 МГц.