Руководство включает все основные вопросы, необходимые для понимания процедуры измерения электропроводности. В руководстве также описаны все важнейшие факторы, которые влияют на измерение, и возможные источники ошибок. Брошюра не ограничивается теоретическими вопросами. Практическая часть содержит пошаговые инструкции, указания по калибровке и процедуре измерения, а также описания специальных методик.
Краткое содержание руководства по теории измерений электропроводности:
Электропроводность измерили впервые более 100 лет назад, и до сих пор это свойство играет важную роль. Его широко используют в качестве аналитического параметра. Высокая надежность, малое время отклика и доступная цена оборудования — неоспоримые преимущества электропроводности как параметра контроля качества. Электропроводность — это неспецифическое свойство всех растворенных веществ (солей, кислот, оснований и некоторых органических веществ). Поэтому измерение электропроводности не может определить ионы различного типа. Считываемый сигнал пропорционален суммарному эффекту всех ионов в образце. Данный параметр важен для наблюдения за различными типами воды (чистая, питьевая, природная, техническая и т. д.) и других растворителей. Его также используют для определения концентраций проводящих химических соединений.
2.1. Электропроводность — основные сведения
Электропроводность — это способность вещества проводить электрический ток. Термин «проводимость» используется и в других областях (например, теплопроводимость). Для простоты в данном руководстве термин «проводимость» всегда используется для описания электропроводности.
Для переноса электричества в веществе необходимы заряженные частицы. Проводники можно разделить на две основные группы в зависимости от характера заряженных частиц. Проводники первой группы состоят из решетки атомов с внешней оболочкой электронов. Электроны в таком «электронном облаке» могут свободно отделяться от атома и переносить электричество через решетку, а значит, и через вещество. К этой группе относятся металлы и графит, а также некоторые другие химические соединения.
Проводники второй группы называются ионными. В отличие от первой группы, движение тока здесь вызвано не свободно движущимися электронами, а ионами. Таким образом, перенос заряда в электролитах всегда связан с переносом вещества. Проводники второй группы состоят из электрически заряженных и подвижных ионов и называются электролитами. Возникновение ионизации
2.2. Определение электропроводности
Согласно закону Ома (1), напряжение (V) в растворе пропорционально протекающему току (I):
R — сопротивление (Ом);
V — напряжение (вольт, В);
Сопротивление (R) является коэффициентом пропорциональности и может быть вычислено с помощью измерения электрического тока, если известно напряжение:
2.1. Электропроводность — основные сведения
2.2. Определение электропроводности
2.3. Электропроводность растворов
2.3.1. Растворенные ионы
2.3.2. Самоионизация воды
2.4. Принцип измерения
2.5. Датчик электропроводности
2.5.1. Кондуктометрическая ячейка с двумя электродами
2.5.2. Кондуктометрическая ячейка с четырьмя электродами
2.6. Влияние температуры
2.6.1. Линейная температурная коррекция
2.6.2. Нелинейная коррекция
2.7. Помехи при измерении электропроводности
2.7.1. Растворение газообразных веществ
2.7.2. Пузырьки воздуха
2.7.3. Покрытие поверхности электрода
2.7.4. Ошибки, связанные с формой: эффекты поля
Электропроводность измеряется в самых различных областях. Во второй части настоящего руководства рассказывается о множестве новых областей применения. Сначала описаны общие указания по проведению калибровки, проверки и измерений электропроводности, включая частный случай измерения низкой электропроводности. Также обсуждаются вопросы обслуживания и хранения датчиков электропроводности. В следующих разделах подробно описаны наиболее важные области применения измерений.
Все кондуктометры МЕТТЛЕР ТОЛЕДО помимо электропроводности могут проводить дополнительные измерения. В таблице 7 собраны режимы измерений, которые поддерживают приборы. Измерения общего содержания растворенных веществ, солености, зольности и содержания биоэтанола подробно описаны в разделе 3.6.
3.1. Калибровка и проверка
3.2. Рекомендации по применению стандартных растворов
3.4. Измерение низкой электропроводности
3.5. Техническое обслуживание и хранение
3.6. Применение в конкретных областях
3.6.1. Общее содержание растворенных веществ
3.6.2. Измерение концентрации
3.6.4. Сверхчистая вода
3.6.5. Удельное сопротивление
3.6.6. Кондуктометрический метод определения зольности
Как правильно выбрать датчик?
Следующие критерии помогут подобрать нужный датчик:
1. Химическая устойчивость.
Выберите подходящий датчик электропроводности с помощью руководства по выбору датчиков МЕТТЛЕР ТОЛЕДО.
Электропроводность и удельное сопротивление водной среды: основные факторы влияния и особенности измерения
Требования к качеству воды в некоторых сферах деятельности человека являются довольно строгими – к примеру, это касается таких сфер, как фармацевтика, пищепром, микроэлектроника и т. д. И в числе наиболее важных параметров, изучаемых в ходе исследования водной среды, находятся электропроводность (проводимость) и удельное сопротивление. Именно свойство жидкой среды проводить электроток имеет сильное и во многом решающее влияние на правильность прохождения множества технологических процессов. Не случайно данная физическая способность воды находит обязательное отражение в различных регламентирующих документах в виде определённых нормативов. Поговорим о ключевых факторах, определяющих удельное сопротивление и электропроводность, единицах, в которых выражаются их значения, а также специальных профессиональных приборах, предназначенных для эффективного контроля этих параметров.
Что понимают под электропроводностью воды
Всем известен тот факт, что вода наделена способностью проводить электрический ток – переменный либо постоянный. Об этом нам твердили ещё на школьных уроках безопасности жизнедеятельности. Количественная характеристика этой способности как раз и называется электропроводностью или электропроводимостью. Проводимость характеризуется наличием позитивно либо отрицательно заряженных частиц – ионов. Причём показатель электропроводности находится в зависимости от концентрации в жидком образце ионов разной заряженности, то есть, по сути наличия таких «загрязнителей», как соли, щелочи либо кислоты. Тем самым, проводимость прямо связана с показателями солесодержания. Удельная электропроводность состоит в обратной зависимости с другой величиной – сопротивлением. Её значение служит важным критерием в ходе оценивания качества ультрачистой воды.
Стандарты электропроводимости природной воды, принятые в России
В нашей стране, как уже было сказано, параметры качества воды при водоподготовке регулируются посредством госстандартов и другой разрешительной документации. Между тем, показатели электропроводимости зависят от того, в какой сфере и для чего планируется использование водного сырья. Так, к примеру, для лабораторных анализов ГОСТом 52501-2005 установлены пределы не выше 0.1 и 1.0 мкСм/см, в зависимости от того, какова степень чистоты воды – первая либо вторая. Дистиллированная вода, согласно ГОСТу 6709-97, должна демонстрировать значения ниже 5*10-4 См/см. Что же касается воды, предназначенной для применения в фармацевтике, то проводимость тока для неё, в соответствии с ФС 2.2.20020.15, не может быть выше 4.3 мкСм/см.
Помимо фармацевтики, крайне жёсткие технологические стандарты воды приняты на предприятиях, которые производят различные составляющие для микроэлектроники. Вот почему для анализа качества водоподготовки здесь служат не просто контрольно-измерительные приборы, а целые специализированные лаборатории, укомплектованные сложным и высокоточным оборудованием, работающим в соответствии с утверждёнными алгоритмами.
Какие факторы имеют влияние на значения электропроводности
Главные физические свойства водной среды определяются с учётом растворимых неорганических примесей, которые в ней содержатся. Не является исключением и электропроводность. Её величина прямо зависит от таких условий, как степень нагрева (температура) среды, состав ионов и их природа, а также содержание заряженных частиц. Причём не все из них оказывают одинаковое влияние на данный физический параметр жидкости: к примеру, удельное сопротивление жидкости почти не зависит от небольших концентраций марганца и алюминия в ней, в то время как наиболее «влиятельными» являются соли жёсткости – катионы натрия, аниона хлора и прочие.
С увеличением степени нагрева жидкости возрастает скорость движения ионов, а также меняются некоторые их свойства, поэтому электропроводность раствора также значительно возрастает. Что же касается зависимости электропроводимости от концентрации катионов и анионов, то рост возможен лишь до определённого порога, по достижении которого проводимость начинает снижаться. При повышении температуры сверхчистой воды всего на 1 С проводимость возрастёт уже на 6%. Вот почему для получения действительно корректных измерений следует приводить анализируемый образец к температуре 25 С. Благо, современные приборы для определения проводимости – кондуктометры – способны выполнять это в автоматическом режиме, с помощью встроенной температурной компенсации. Однако для достижения максимально достоверных результатов при исследованиях электропроводности непременно измеряют и температуру образцов.
Единицы измерения электропроводности воды
Как мы уже говорили, степень сопротивления воды электротоку определяют посредством особых приборов. Для этого приняты единицы измерения, которые определены и унифицированы по международной системе СИ – для упрощения исследований и их дальнейшего анализа. В России единицей исследования проводимости служит См/м (Сименс на метр). Название этой единицы принято в честь основателя компании Сименс – Эрнста Вернера фон Сименса, именитого немецкого учёного и изобретателя. С удельным сопротивлением этот параметр соотносится как 1 См/м = 1/1 Ом/м. Для определения проводимости в нашей стране применяют кондуктометры, дополненные датчиками проводимости.
В Соединённых Штатах Америки вместо мкСм/см для выявления электропроводности применяют параметр TDS, который измеряется в ppm и характеризует содержание в жидкости растворимых солей. Так или иначе, перевести любую «местную» единицу проводимости в международную можно, используя таблицы корректирующих коэффициентов.
Электропроводность сред и её роль в различных отраслях промышленности
Что такое проводимость?
Чаще всего под проводимостью понимается способность вещества передавать тепло, звук или электричество. В этом материале мы разберём электрическую проводимость (EC), которая представляет собой способность исследуемой среды проводить электрический ток. Небольшие положительно либо отрицательно заряженные частицы, называемые ионами, помогают переносить электрический заряд через вещество. Чем больше таких ионов, тем выше проводимость, соответственно, меньшее количество ионов приводит к снижению проводимости. А чем выше проводимость, тем выше способность среды проводить электричество. Это связано с большим количеством заряженных ионов, присутствующих в образце. Самой высокой электрической проводимостью обладают проводники – металлы и электролиты.
Электропроводность сред, также называемая ЕС, основана на проводимости, которая, как мы выяснили, является способностью вещества передавать ток. Единицами измерения электропроводности является Siemens/cm (S/cm, mS/cm, μS/cm, dS/m). Например, сверхчистая вода имеет удельную проводимость 0.055 μS/см при температуре 25 °С. Величина электропроводности обратна величине электрического сопротивления, несмотря на то, что обе они являются характеристиками электропроводящей способности материалов.
Какие отрасли промышленности полагаются на измерения ЕС?
Теперь давайте взглянем на конкретные применения измерений ЕС в конкретных отраслях жизнедеятельности человека.
ЕС и сельское хозяйство
В сельскохозяйственной промышленности знание электропроводности почвы чрезвычайно важно для здоровья и роста сельскохозяйственных культур. Фермеры и производители, как правило, регулярно производят мониторинг содержания фосфатов, нитратов, кальция и калия почвы, поскольку эти питательные вещества необходимы для успешного роста растений. Тестирование электропроводности (ЕС) почвы может помочь производителям отслеживать количество всех питательных веществ, присутствующих в почве, и определять, требует ли она больше питательных веществ или же, наоборот, имеет место её перенасыщение. Таким образом, измерение EC почвы помогает экономить денежные средства в долгосрочной перспективе и обеспечивает здоровое растениеводство.
EC и обработка воды
Электрическая проводимость играет огромную роль в различных сферах, связанных с контролем качества воды. При очистке сточных вод ЕС измеряется для того, чтобы сопоставить параметры отходящих сточных вод со свойствами воды, в которую они поступают. Попадание в чистую воду стоков с чрезвычайно высокой или низкой солёностью может иметь пагубные последствия для здоровья водной флоры и фауны. Таким образом, сохранение измерений ЕС в приемлемых диапазонах является важным и полезным для поддержания здоровой и устойчивой экосистемы наших океанов и других природных водоёмов.
EC и гальванические ванны
Проводимость может также оказывать воздействие на гальванические ванны, с помощью которых проводятся процедуры нанесения на металлы слоёв защищающих веществ и/или придания им определённой окраски. Поэтому измерения ЕС являются обычным делом в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, изготовление ювелирных изделий и т. д.
Измерения ЕС и общего содержания растворенных твердых веществ (TDS)
Между тем, электропроводимость можно измерять и с целью определения общего количества растворенных твердых веществ в средах (TDS) и их солёности, что также весьма востребовано в различных отраслях промышленности. Обычно измерение EC используется для оценки параметров TDS. Это подразумевает то, что природа твёрдых частиц является ионной и соотношение между растворенными ионами и проводимостью ЕС нам известно.
Для измерения TDS используются единицы мг/л (ppm) или г/л. Некоторые модели измерителей электропроводимости разрешают пользователю осуществлять введение коэффициента TDS для последующего преобразования, однако в большинстве приборов данный коэффициент устанавливается автоматически на значении 0.50. Для растворов с высоким содержанием ионов коэффициент TDS составляет 0.5, а для слабых образцов, таких как, например, удобрения, он равен 0.7. Следует заметить, что коэффициенты преобразования TDS для разных твёрдых тел являются различными.
Измерения электропроводимости и солёности
Влияние температуры измеряемого вещества на показатели проводимости
Следует также иметь в виду, что температура измеряемого образца влиять на измерения ЕС. Ведь от температуры зависит активность ионов и концентрация вещества, а это, в свою очередь, влияет на проводимость. Чем выше температура раствора, тем ниже сопротивление (что соответствует более высокой проводимости). И, наоборот, чем ниже температура вещества, тем выше сопротивление (и тем ниже проводимость). Встроенные датчики температуры в приборах для измерения проводимости определяют температуру раствора в режиме реального времени. Встроенная автокомпенсация корректирует измеряемую проводимость до контрольной температуры с помощью фиксированного коэффициента β для линейной компенсации. Более продвинутые измерители проводимости позволяют регулировать β для компенсации различных сред и осуществляют регулировку эталонной температур в максимально широких температурных диапазонах.
Какие датчики используют для измерения проводимости?
Существует несколько типов зондов для измерения проводимости. Они подключаются к корпусу измерительного оборудования для сбора максимально точных показаний.
Амперометрический датчик
Амперометрический датчик – это двухэлектродный зонд, измеряющий проводимость с применением амперометрического метода. Эти два электрода изолированы друг от друга, однако и тот и другой при этом контактируют с раствором, для измерения. Данный зонд функционирует с использованием переменного напряжения на определенной частоте между парой электродов, находящихся в растворе.
Двухэлектродные зонды не требуют большого объёма образца, чтобы полностью покрыть датчики, однако измерительный диапазон таких электродов ограничен. Также если вы тестируете образцы, обладающие переменной электропроводимостью, вам вероятнее всего придётся приобрести более одного двухэлектродного зонда и/или измерительного прибора.
Потенциометрический зонд
Данный измерительный датчик представляет собой четырёхкольцовый зонд, который использует для анализа сред потенциометрический подход. В «кольцо» входят два внешних «приводных» и два внутренних электрода. На внешние электроды подаётся переменный ток для индукции тока через раствор. В свою очередь, внутренняя пара электродов измеряет падение потенциала, вызванное наличием тока. Четырёхдиапазонные зонды могут покрывать более широкий измерительный диапазон (концентрацию ионов) и демонстрируют более высокую степень точности, в сравнении с амперометрическим методом исследования. Однако зонд такого типа потребует большего количества измеряемого вещества.
В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.
Для начала вспомним о том, что же такое электрический ток. Если поместить вещество во внешнее электрическое поле, то под действием сил со стороны этого поля, в веществе начнется движение элементарных носителей заряда — ионов или электронов. Это и будет электрическим током. Сила тока I измеряется в амперах, и один ампер — это ток, при котором через поперечное сечение проводника протекает за секунду заряд, равный одному кулону.
Ток бывает постоянным, переменным, пульсирующим. Постоянный ток не меняет своей величины и направления в каждый конкретный момент времени, переменный ток с течением времени меняет свои величину и направление (генераторы переменного тока и трансформаторы дают именно переменный ток), пульсирующий ток меняет свою величину, но не меняет направления (например выпрямленный переменный ток является пульсирующим).
Вещества имеют свойство проводить электрический ток под действием электрического поля, и это свойство называется электропроводностью, которая у разных веществ различна. Электропроводность веществ зависит от концентрации в них свободных заряженных частиц, то есть ионов и электронов, не связанных ни с кристаллической структурой, ни с молекулами, ни с атомами данного вещества. Так, в зависимости от концентрации в веществе свободных носителей заряда, вещества по степени электропроводности подразделяются на: проводники, диэлектрики и полупроводники.
Наиболее высокой электропроводностью обладают проводники электрического тока, и по физической природе, проводники в природе представлены двумя родами: металлами и электролитами. В металлах ток обусловлен перемещением свободных электронов, то есть проводимость у них электронная, а в электролитах (в растворах кислот, солей, щелочей) — перемещением ионов — частей молекул, имеющих положительный и отрицательный заряд, то есть проводимость у электролитов ионная. Ионизированные пары и газы отличаются смешанной проводимостью, в них ток обусловлен движением и электронов и ионов.
Электронная теория отлично объясняет высокую электропроводность металлов. Связь валентных электронов с их ядрами в металлах слаба, потому эти электроны свободно перемещаются от атома к атому по объему проводника.
Получается, что свободные электроны в металлах заполняют пространство между атомами подобно газу, электронному газу, и находятся в хаотичном движении. Но при внесении металлического проводника в электрическое поле, свободные электроны станут двигаться упорядоченно, они переместятся по направлению к положительному полюсу, чем создадут ток. Таким образом, упорядоченное движение свободных электронов в металлическом проводнике называется электрическим током.
Известно, что скорость распространения электрического поля в пространстве примерно равна 300000000 м/с, то есть скорости света. Это та же скорость, с которой ток проходит по проводнику.
Что это значит? Это не значит, что каждый электрон в металле движется с такой огромной скоростью, электроны в проводнике напротив — имеют скорость от нескольких миллиметров в секунду до нескольких сантиметров в секунду, в зависимости от напряженности электрического поля, а вот скорость распространения электрического тока по проводнику как раз равна скорости света.
Все дело в том, что каждый свободный электрон оказывается в общем электронном потоке того самого «электронного газа», и во время прохождения тока, электрическое поле оказывает действие на весь этот поток, в итоге электроны непрерывно друг другу передают это действие поля — от соседа к соседу.
Но движутся электроны на своих местах очень медленно, несмотря на то, что скорость распространения электрической энергии по проводнику оказывается огромной. Так, когда на электростанции включают рубильник, ток мгновенно возникает во всей сети, а электроны при этом практически стоят на местах.
Однако, когда свободные электроны движутся по проводнику, они испытывают многочисленные столкновения на своем пути, они сталкиваются с атомами, ионами, молекулами, передавая им часть своей энергии. Энергия движущихся электронов, преодолевающих такое сопротивление, частично рассеивается в виде тепла, и проводник нагревается.
Эти столкновения служат сопротивлением движению электронов, потому свойство проводника препятствовать движению заряженных частиц и называют электрическим сопротивлением. При малом сопротивлении проводника проводник нагревается током слабо, при значительном — намного сильнее, и даже до бела, этот эффект применяется в нагревательных приборах и в лампах накаливания.
Единица изменения сопротивления — Ом. Сопротивление R = 1 Ом — это сопротивление такого проводника, при прохождении по которому постоянного тока в 1 ампер, разность потенциалов на концах проводника равна 1 вольту. Эталон сопротивления в 1 Ом — столб ртути высотой 1063 мм, сечением 1 кв.мм при температуре 0°С.
Поскольку проводникам характерно электрическое сопротивление, то можно сказать, что в какой-то степени проводник способен проводить электрический ток. В связи с этим введена величина, называемая проводимостью или электропроводностью. Электропроводность — это способность проводника проводить электрический ток, то есть величина, обратная электрическому сопротивлению.
Единица измерения электропроводности G (проводимости) — Сименс (См), и 1 См = 1/(1 Ом). G = 1/R.
Так как атомы различных веществ в разной степени препятствуют прохождению электрического тока, то и электрическое сопротивление у различных веществ разное. По этой причине введено понятие удельное электрическое сопротивление, величина которого «р» характеризует проводящие свойства того или иного вещества.
Сегодня проводящие материалы в электротехнике используют в основном в виде лент, шин, проволок, с определенной площадью поперечного сечения и определенной длины, но не в виде метровых кубов. И для более удобных расчетов электрического сопротивления и электропроводности проводников конкретных размеров были введены более приемлемые единицы измерения как для удельного электрического сопротивления, так и для удельной электропроводности. Ом*мм2/м — для удельного сопротивления, и См*м/мм2 — для удельной электропроводности.
Теперь можно говорить, что удельное электрическое сопротивление и удельная электропроводность характеризуют проводящие свойства проводника площадью поперечного сечения в 1 кв.мм, длиной в 1 метр при температуре 20°C, это более удобно.
Лучшей электропроводностью обладают такие металлы как: золото, медь, серебро, хром, алюминий. Сталь и железо проводят ток хуже. Чистые металлы всегда обладают лучшей электропроводностью, чем их сплавы, поэтому чистая медь в электротехнике предпочтительней. Если нужно специально высокое сопротивление, то используют вольфрам, нихром, константан.
Зная величину удельного электрического сопротивления или удельной электропроводности, можно легко вычислить сопротивление или электропроводность конкретного проводника, изготовленного из данного материала, приняв в расчет длину l и площадь поперечного сечения S этого проводника.
При понижении температуры — наоборот, колебания атомов кристаллической решетки становятся меньше, сопротивление уменьшается (возрастает электропроводность). У одних веществ зависимость сопротивления от температуры выражена слабее, у других — сильнее. Например такие сплавы как константан, фехраль и манганин слабо меняют удельное сопротивление в определенном интервале температур, поэтому из них делают термостабильные резисторы.
Зная температурный коэффициент сопротивления и приращение температуры, можно легко вычислить удельное сопротивление вещества при заданной температуре.
Чаще всего под проводимостью понимается способность вещества передавать тепло, звук или электричество. В этом материале мы разберём электрическую проводимость (EC), которая представляет собой способность исследуемой среды проводить электрический ток. Небольшие положительно либо отрицательно заряженные частицы, называемые ионами, помогают переносить электрический заряд через вещество. Чем больше таких ионов, тем выше проводимость, соответственно, меньшее количество ионов приводит к снижению проводимости. А чем выше проводимость, тем выше способность среды проводить электричество. Это связано с большим количеством заряженных ионов, присутствующих в образце. Самой высокой электрической проводимостью обладают проводники – металлы и электролиты.
Амперометрический датчик
В этой статье раскроем тему электропроводности, вспомним о том, что такое электрический ток, как он связан с сопротивлением проводника и соответственно с его электропроводностью. Отметим основные формулы для вычисления данных величин, коснемся темы скорости тока и ее связи с напряженностью электрического поля. Также затронем связь электрического сопротивления и температуры.
