3.2.1. Кондуктометрические преобразователи

Электрические проводимость или сопротивление измеряются с помощью контактных и бесконтактных методов.

Кондуктометрические контактные преобразователи (R –преобразователи, R– ячейки, контактные датчики), имея различия элементов, содержат электроды, которые погружаются в раствор и через которые в рабочем режиме протекает электрический ток.

В процессе кондуктометрического исследования выделяются среди физико-химических процессов, которые протекают в системе измеритель-объект, только процессы активного электрического транспорта в исследуемом объекте.

В основу анализа электрохимического поведения R-ячейки могут быть положены эквивалентные схемы, представленные на рис. 63 и уравнение импеданса электрода (22)

Рис. 63. Эквивалентные электрические схемы электродной системы: а) схема при наличии поляризации электродов; б) параллельная схема

На практике главным источником ошибок при контактном измерении электропроводности жидкостей является поляризационный импеданс

, (23)

где величины соответствуют формулам 21 и 22.

При использовании платиновых электродов справедлива упрощенная эквивалентная схема электрода (рис. 63, б)

На результатах измерения электропроводности растворов, помимо электрохимических электродных процессов, сказываются физические процессы, протекающие в измерительной ячейке: конвекция, диффузия, адсорбция и тепловое рассеяние энергии при прохождении электрического тока. Для увеличения скорости установления стационарного состояния на межфазной границе металл-раствор, применяют интенсивное перемешивание растворов и используют электроды с полированной поверхностью. Критерием достижения системой стационарного состояния является неизменность показаний измерительного прибора в пределах заданной погрешности на протяжении длительных интервалов времени.

При построении кондуктометрических систем используют четырех и двух электродные преобразователи. Наибольшее распространение в контактной кондуктометрии получили двух электродные преобразователи.

Четырех электродные преобразователи (рис. 64) имеют две пары электродов: одну токовую (1 и 2), другую потенциометрическую (3 и 4).

Рис. 64. Четырех электродный преобразователь

Бесконтактные методы кондуктометрических исследований отличаются от контактных отсутствием связи по постоянному току между входными измерительными цепями и раствором.

В основу методов положено использование емкостных, индуктивных и трансформаторных преобразователей. В зависимости от частоты используемых полей, методы делятся на низкочастотные и высокочастотные.

При работе с бесконтактными преобразователями достигается большая стабильность и меньшая инерционность измерений, чем при контактных методах.

Рассмотрим принцип действия указанных выше бесконтактных преобразователей.

Емкостными считаются преобразователи, в эквивалентных схемах которых индуктивные элементы не играют принципиальной роли. С-преобразователи обычно выполняются в виде электродных схем, изолированных от растворов диэлектрическими материалами, чаще всего стеклом, пластмассами или керамикой.

Такие преобразователи выполняются в виде кювет или проточных систем с электродами, расположенными с наружной стороны, различных изолированных зондов, погружаемых в растворы.

Эквивалентные схемы этих преобразователей должны обязательно учитывать наличие двойных электрических слоев и могут быть представлены цепью на рис. 65. При разработке С-преобразователей стремятся обеспечить максимальное значение емкости С₁ за счет увеличения площади электродов, уменьшение толщины стенок изолирующих сосудов, применением материалов с высокой диэлектрической проницаемостью и за счет уменьшения паразитной емкости между электродами по воздуху и через различные детали из диэлектрических материалов (емкость С₃).

Рис. 65. Эквивалентная схема емкостного преобразователя

К индуктивным преобразователям (L-преобразователи) относятся схемы, в которых принципиальную роль играют индуктивные элементы. Общей конструктивной чертой у них является наличие катушки индуктивности, изолированной от раствора. Если катушку индуктивности, покрытую диэлектриком, поместить в жидкость, сопротивление которой изменяется, то вокруг нее появится виток, сопротивление которого определяется удельным сопротивлением жидкости и размерами и формой сосуда, в котором выполняется измерительная операция (рис. 66, а). В этом витке изменяющееся магнитное поле катушки индуктивности наводит электродвижущую силу e.

,

где  – потокосцепление магнитного поля с витком жидкости.

Рис. 66. Датчик бесконтактного кондуктометрического измерителя электропроводности на основе катушки индуктивности (а): 1 – ферромагнитный магнитопровод; 2 – обмотка катушки индуктивности с диэлектрической изоляцией; 3 – сосуд; 4 – жидкость; эквивалентная электрическая схема датчика (б); эквивалентная схема, используемая при расчетах параметров измерительной цепи (в)

Эта ЭДС замыкается через сопротивление витка из жидкости R_В. При этом появляется ток i

,

который создает магнитное поле размагничивания. В результате магнитное поле катушки индуктивности уменьшается, что эквивалентно уменьшению значения ее индуктивности. Измеряя значение импеданса можно оценить сопротивление витка из жидкости. А если объем и форма сосуда 3, а также уровень жидкости 4 постоянны, то градуировку измерителя индуктивности можно выполнить в значениях удельного сопротивления одного см³ жидкости. Среди возможных эквивалентных схем наиболее точную физическую интерпретацию имеет схема на рис. 66 (б), где W_L – индуктивность катушки; W_Ж – индуктивность витка из жидкости, имеющей сопротивления R_B. Схема на рис. 66 (в) удобна для электрических расчетов. В ней электрическое сопротивление витка жидкости приведено к катушке индуктивности с числом витков W_L по формуле приведения сопротивлений обмоток трансформатора

.

Нашли широкое применение низкочастотные трансформаторные преобразователи с двумя катушками индуктивности, намотанными на ферромагнитных магнитопроводах связанными через исследуемую жидкость (рис. 67, а).

Катушки выполнены так, что магнитные поток, создаваемый электрическим током возбуждения, протекающим через одну из катушек, не наводит электродвижущей силы в другой катушке индуктивности. Ток в выходной катушке и напряжение на выходе зависит от сигнала возбуждения, подаваемого на входную катушку и от электропроводности жидкости. Если датчик поместить в электропроводящую жидкость, то вокруг катушек индуктивности появится электропроводящий виток. Магнитные поток той катушки, через которую протекает электрический ток возбуждения, индуцирует в жидкости электродвижущую силу. Она создает электрический ток в витке, который проходит через вторую катушку индуктивности. Значение его пропорционально электрическому сопротивлению витка жидкости.

Рис. 67. Трансформаторный датчик электропроводности (а) и его электрическая эквивалентная схема (б): 1, 5 – ферромагнитные магнитопроводы; 2, 6 – обмотки катушек индуктивности; 3 – сосуд; 4 – жидкость

Эквивалентная электрическая схема трансформаторного датчика электропроводности жидкости показана на рис. 67 (б). Схема включает в себя две идеальные катушки индуктивности: задающую W₁ и измерительную W₂, сопротивление генератора R₁, сопротивление нагрузки R₂, а так же сопротивление R_B и индуктивность W_Ж жидкостного короткозамкнутого витка. Если R_B, то электрическая связь отсутствует и Vизм = 0. Если R_B, то Vизм есть функция от значения сопротивления R_B.

Трансформаторные преобразователи по конструктивному исполнению делятся на два класса. Один класс характеризуется тем, что связь между неподвижными катушками преобразователя осуществляется жидкостью, пропускаемой через специальный трубопровод, который имеет замкнутый виток.

В другом классе первичная и вторичная тороидальные обмотки трансформаторного преобразователя располагаются коаксиально и объединены в один узел, погружаемый в раствор.

При разработке электродов для контактных методов трудно обеспечить их одинаковые характеристики при длительной работе в различных средах. Электроды для бесконтактных методов лишены этого недостатка, но их конструкция значительно сложнее и дороже.