Как сделать кондуктометр схема

Обновлено: 07.07.2024

Для промышленно выпускаемых кондуктометров постоянная ячейки (или датчика) обычно измеряется в заводских условиях. Конструкции используемых в практикуме кондуктометров и кондуктометрических ячеек описаны ниже.

Приборы и оборудование для измерения электропроводности

Мост постоянного тока. Для измерения электропроводности часто используют косвенный метод, состоящий в сравнении неизвестного сопротивления R_x с образцовыми точно известными сопротивлениями. Суть метода проще объяснить на примере моста постоянного тока (рис. 3), который чаще используется для измерения сопротивления образцов с электронной проводимостью, например, металлов. К одной из диагоналей моста (АС) подводится напряжение, другая диагональ подключается к нуль-индикатору, например, гальванометру. Ток в измерительной диагонали (BD) будет равен нулю, если потенциалы в точках B и D одинаковы. Такое состояние моста называется балансом. Легко показать, оно достигается при условии

Рис. 3. Мост постоянного тока

Часто используется симметричная схема моста, когда два сопротивления берутся постоянными и равными друг другу R₃ = R₂. При этом баланс моста достигается, когда R₁ = R_х. В качестве плечей моста применяют магазины сопротивлений, обеспечивающие быстрый набор сопротивления любой величины в пределах от 0.1 до 10 5 ом, а также образцовые катушки сопротивления.

Мост переменного тока используется для измерения сопротивления растворов электролитов. Он отличается от моста постоянного тока следующими особенностями. Мост питается переменным напряжением частотой от одного до сотен килогерц (в практикуме принято использовать частоту 1 кгц). В качестве нуль-индикатора применяют осциллограф, или специальный осциллографический индикатор баланса моста. В общем случае необходимо балансировать мост, как по активной составляющей сопротивления, так и по реактивной (ёмкостной) составляющей. При полном равновесии моста на экране осциллографа наблюдается горизонтальная прямая, а при разбалансе моста – эллипс. Мостовые схемы чаще используют в метрологических лабораториях, где проводится поверка и аттестация оборудования и калибровочных растворов.

Для проверки кондуктометра можно измерить удельную электропроводность стандартных растворов KCl (0.1 н и 0.01 н) и сравнить показания прибора со справочными данными.

Кондуктометр промышленного применения КС-1-3(К) (рис. 5.12) предназначен для непрерывного контроля УЭП жидких сред, приведённой к 25 °С, а также для определения концентраций солей, щелочей, кислот в водных растворах (в том числе загрязнённых) при однозначной зависимости УЭП от концентрации и температуры этих веществ. Прибор является современным аналогом кондуктометров КК-8, 9.

Основной областью применения прибора КС-1-3(К) являются предприятия химической, нефтехимической промышленности, энергетики, ТЭЦ, металлургии и нефтехимии.

Рис. 5.12. Внешний вил кондуктометра КС-1-3(К)

Рис. 5.13. Принципиальная электрическая схема кондуктометра КС-1-3(К)

Кондуктометр имеет бесконтактный датчик УЭП трансформаторного типа (рис. 5.14). Анализируемая жидкость поступает снизу и обтекает трансформаторы, образуя жидкостной виток связи между ними. Чувствительный элемент может быть вмонтирован в бачок - проточное исполнение, или укреплён на штанге длиной до 2 метров - погружное исполнение. Все детали датчика, контактирующие с измеряемой жидкостыо, опрессованы полипропиленом или покрыты защитным материалом, устойчивым к дайной среде, что позволяет контролировать электропроводность химически агрессивных жидкостей.

Рис. 5.14. Устройство датчика кондуктометра:

/ - корпус датчика; 2 - трансформаторы;

Корпус измерительного преобразователя имеет два барьера герметизации, что позволяет сохранять работоспособность прибора в любых условиях окружающей среды:

1. По устойчивости к механическим воздействиям прибор имеет виброустойчивое исполнение группы L3 (ГОСТ 12997-84).
2. По защите от проникновения внутрь твёрдых тел и воды прибор имеет брызгозащищёиное исполнение от IP-64 до IP-66 (ГОСТ 14254-80), зависит от типа внешних разъёмов.

Электронная схема измерительного преобразователя КС-1-3 (К) аналогична кондуктометру КС-1-2 (см. разд. 5.4).

Прибор имеет три уровня защиты от воздействия внешних электромагнитных полей на первичный измерительных преобразований.

Кондуктометр имеет статическую характеристику, аналогичную прибору КС-1-2К(5).

Кондуктометр КС-1-3(К) имеет следующие технические характеристики:

- диапазон измерений УЭП, См/м 0-100
- предел допустимого значения

основной приведённой погрешности, % 2

- выходной сигнал, мА 0 - 5, 4 - 20

Концентратомер имеет следующие диапазоны измерений веществ, приведённые в табл. 5.3.

Кондуктометры – необходимые приборы для предприятий, где нужно контролировать качество воды. В статье рассмотрим виды, конструкцию и принцип работы этих устройств, а также области их применения.

Кондуктометр для воды – прибор для измерения ее электропроводности, то есть способности проводить ток.

Устройство кондуктометра несложное. Это объединенные в одну электрическую цепь чувствительный датчик и измерительный преобразователь. Конструкция прибора бывает как моноблочной, так и раздельной.

Раздельная конструкция

Виды кондуктометров

В зависимости от метода измерения кондуктометры бывают:

Отличаются эти типы наличием или отсутствием гальванического контакта электродов ячейки с исследуемой средой.

Для определения электропроводности воды чаще используют контактные кондуктометры. Это объясняется высокой чувствительностью устройств: их можно применять даже для анализа дистиллированной воды.

По наличию термокомпенсации кондуктометры делятся на 3 группы:

Без термической компенсации;
С термокомпенсацией;
С возможностью произвольного выбора коэффициента температуры.

Колебания температуры влияют на показатели электропроводности, поэтому для более точных результатов рекомендуется выбирать 2 последних типа.

Принцип действия кондуктометров

Принцип работы кондуктометра рассмотрим на примере контактных приборов.

В исследуемый раствор погружают два электрода, после чего на них подается переменное напряжение. Затем измеряют силу возникшего электрического тока, а показатели выводят на экран устройства.

На точность измерения может повлиять температура, поэтому рекомендуется пользоваться устройством с температурной компенсацией. Альтернативой может стать калибровка кондуктометра при той же температуре, что и анализируемая жидкая среда.

Для измерения электропроводности жидкостей применяют два метода:

Двухэлектродный – падение напряжения определяется между токовыми электродами;
Четырехэлектродный – к токовым электродам подводят напряжение от сети, а со вспомогательных электродов снимают падение напряжения.

Для анализа жидкой среды подходит второй способ. Когда проводимость определяют по четырехэлектродной схеме, устраняется вредное влияние поляризации электродов на процесс измерения.

2-х электродная схема

4-х электродная схема

Электропроводность определяется по формуле:
σ = k / R или σ = (k * i) / Uвых,
где

σ – электропроводность, обратная сопротивлению величина,
R – сопротивление ячейки,
i – электрический ток,
Uвых – падение напряжения (переменная величина),
k = d / S – константа ячейки,
d – расстояние между токовыми электродами,
S – площадь токовых электродов.

Применение кодуктометров

Кондуктометры для воды и растворов широко применяются в следующих технических процессах и отраслях:

Предприятия теплоэнергетики;
Фармацевтическое производство;
Лабораторные исследования;
Охрана окружающей среды;
Анализ сточных вод;
Системы водоподготовки;
Оценка качества дистиллированной воды;
Нефтехимия и химическое производство;
Пищевая промышленность.

Кондуктометры определяют степень чистоты воды и измеряют концентрацию растворов солей, кислот и щелочей. С помощью этих устройств оценивают пригодность жидких сред для разного назначения. Поэтому кондуктометры – необходимые приборы для предприятий, где нужен жесткий контроль качества воды.

Кондуктометрические анализаторы жидкости, безэлектродные преобразователи которых питают переменным током частотой 50 Гц, принято называть низкочастотными безэлектродными кондуктометрами жидкости. Они получили широкое применение в различных отраслях промышленности для измерения электропроводности водных растворов электролитов. На электростанциях низкочастотные кондуктометры жидкости используются для контроля концентраций регенерационных растворов кислоты, щелочи и соли, а также для измерения электропроводности химически обессоленной воды. Достоинством низкочастотных кондуктометров жидкости является то, что их первичный преобразователь не имеет электродов, которые

могут подвергаться поляризации и загрязнению. Это повышает надежность работы кондуктометров жидкости и положительно сказывается на точности измерения. Низкочастотные безэлектродные кондуктометры жидкости позволяют измерять электропроводность как чистых, так и загрязненных водных растворов кислот, щелочей и солей.

Безэлектродные кондуктометры жидкости не могут быть использованы для контроля качества пара, конденсата турбин и питательной воды парогенераторов, а также других водных растворов, аналогичных по электропроводности конденсату пара.

Наряду с низкочастотными безэлектродными кондуктометрами жидкости существуют высокочастотные бесконтактные приборы для измерения электропроводности водных растворов [86], однако они не применяются на электростанциях и ниже рассматриваться не будут.

Рис. 22-4-1. Принципиальная схема низкочастотного безэлектродного кондуктометра жидкости.

Рассмотрим упрощенную принципиальную схему низкочастотного безэлектродного кондуктометра жидкости, показанную на рис. 22-4-1. Индуктивный безэлектродный первичный преобразователь кондуктометра состоит из силового и измерительного трансформаторов, связанных между собой электрически жидкостным контуром ЖК.

Этот контур выполняет функции вторичной обмотки силового трансформатора и первичной обмотки измерительного трансформатора и представляет собой замкнутую трубу из изоляционного материала, через которую протекает анализируемая жидкость.

Для уменьшения влияния колебаний напряжения и частоты питающей сети предусмотрен компенсационный контур, состоящий из обмоток и реохорда Для автоматической коррекции влияния температуры анализируемой жидкости на показания вторичного прибора кондуктометра используется компенсатор температуры включенный в цепь компенсационного контура последовательно с реохордом Компенсатор температуры представляет собой мостовую схему, работающую в неравновесном режиме. В одно плечо этого моста включены терморезистор (например, типа ММТ), помещенный в жидкостный контур, и резистор из манганиновой проволоки. Резисторы образующие остальные три плеча моста, выполнены из манганиновой проволоки. Мост компенсатора температуры питается переменным

напряжением от вторичной обмотки трансформатора Резистор служит для регулировки тока.

Переменный ток в обмотке силового трансформатора создает в его сердечнике переменный магнитный поток, который индуктирует э. д. с. Еж в жидкостном контуре. Если обозначить электрическое сопротивление жидкостного контура через то ток в нем определится выражением

которое с учетом уравнения (22-2-3) принимает вид:

Из этого выражения следует, что сила тока пропорциональна удельной электропроводности анализируемой жидкости Ток в жидкостном контуре, являющемся одновременно первичной обмоткой измерительного трансформатора создает в его сердечнике переменный магнитный поток, который наводит во вторичной обмотке пропорциональную Выходной сигнал с вторичной обмотки подается на вход усилителя вторичного прибора, где усиливается до значения, достаточного для приведения в действие реверсивного двигателя Вал реверсивного двигателя, кинематически связанный с движком реохорда и кареткой, перемещает их до тех пор, пока ток в обмотке компенсационного контура не создаст в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток равный и противоположный магнитному потоку создаваемому в том же сердечнике током В этом случае сигнал на входе усилителя уменьшится практически до нуля, ротор реверсивного двигателя остановится, а движок реохорда и каретки с указателем займет положение, соответствующее измеряемой электропроводности и концентрации С анализируемой жидкости. Значение измеряемой электропроводности анализируемой жидкости при этом определяется выражением

где k — постоянный коэффициент; здесь текущее значение сопротивления реохорда; приведенное сопротивление моста компенсатора температуры, соответствующее 20° С.

При повышении температуры анализируемой жидкости сопротивление уменьшается, и вследствие этого ток в жидкостном контуре увеличивается на а вместе с тем возрастет на и магнитный поток При этом одновременно уменьшается сопротивление терморезистора компенсатора температуры, что приводит к разбалансу моста и к возникновению в его диагонали тока Вследствие этого при неизменном положении движка реохорда ток в компенсационном контуре увеличится на значение а

следовательно, возрастет на и магнитный поток При равенстве значений будет обеспечена температурная компенсация с некоторой погрешностью. В выпускаемых низкочастотных кондуктометрах жидкости при отклонении температуры анализируемой жидкости на С от среднего значения рабочего интервала температур изменение показаний вторичного прибора составляет верхнего предела измерения, что не удовлетворяет современным требованиям к точности измерения электропроводности и вызывает необходимость усовершенствования температурной компенсации.

Вторичные приборы низкочастотных безэлектродных кондуктометров жидкости выполняют на базе автоматических уравновешенных мостов КСМ2, КСМ3 или других типов. Вторичные приборы могут быть снабжены контактным устройством для сигнализации или регулирования.

Из числа выпускаемых низкочастотных безэлектродных кондуктометров жидкости, разработанных СКВ АП, на электростанциях применяют кондуктометры жидкости типа для контроля концентраций регенерационных растворов. Кондуктометр жидкости имеет безэлектродный преобразователь проточного типа, кондуктометр погружного типа. Эти кондуктометры жидкости используются также и в других отраслях промышленности для измерения электропроводности чистых и загрязненных водных растворов кислот, щелочей и солей. Кондуктометры типа рассчитаны на диапазон измерения удельной электропроводности с двумя поддиапазонами: . Предел допускаемой основной погрешности этих кондуктометров жидкости — 2,5%.

Технические характеристики низкочастотных кондуктометров жидкости других типов приведены в [75].

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.

Бесконтактныекондуктометры 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).

В результате электромагнитного взаимодействия в жидкостном витке индуцируется потенциал Е_р:

где ω₁ - число витков первичной обмотки;

ω₂ - число витков жидкости ;

U - напряжение, питающее первичную обмотку TV1.

Сила тока в жидкостном витке:

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:

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 погружнойбесконтактный 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 = ;

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):

Рис. 1.5

С1-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 Gрастет 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) :

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

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

d 2 С_э /dæ 2 =0) соответствует электропроводности :

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.

Читайте также: