3/1:20238

2.2.38. ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТЬ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящей общей монографии представлена информация о том, как выполнять

измерения электропроводимости (далее «проводимость») жидкостей, включая чистые

жидкости. Проводимость используется для измерения, мониторинга или контроля

дозирования химических веществ (например, химической чистоты или концентрации

ионов), а также в случаях, когда необходимо знать или контролировать ионный характер

жидкости.

Областями применения являются (помимо других случаев): растворы, которые

используются для «очистки на месте», хроматографического детектирования,

приготовления ионных растворов, определения конечной точки процессов, дозирования,

ферментации и производства буферов. В некоторых случаях измерения проводимости

можно применять для чистых органических жидкостей, такие как спирты и гликоли в

которых присутствует слабый сигнал проводимости, и он может быть значительно

увеличен в случае контаминации органических жидкостей водой или солями.

Проводимость – это измерение способности жидкости проводить электричество через

содержащиеся в ней ионы. Способность любого иона проводить электричество напрямую

связана с подвижностью его ионов. Проводимость прямо пропорциональна концентрации

ионов в жидкости согласно следующему уравнению:

all ions

κ= 1000 ΣC

где:

–

проводимость, сименсах на сантиметр;

–

концентрация иона i, в молях на литр;

λi

–

удельная молярная проводимость иона i , в сименсах на

квадратный сантиметр на моль.

Единицей электрической проводимости в системе СИ является сименс на метр (См



-1

На практике электрическую проводимость раствора выражают в сименсах на сантиметр

(См



см

-1

Согласно этому уравнению, проводимость не является ионоселективной, поскольку она

определяется для всех ионов. Кроме того, удельная молярная проводимость для каждого

иона различна. В результате, если процентное соотношение ионов в растворе не

лимитировано и не известно, определить точные концентрации ионов, исходя из значений

проводимости, невозможно. Однако в случаях растворов одной соли, кислоты или

основания (например, раствор щелочи, используемый для очистки), точная концентрация

может быть установлена. Несмотря на отсутствие ионной специфичности, проводимость

является важным лабораторным и технологическим инструментом для измерения и

контроля общего содержания ионов, поскольку она пропорциональна сумме

концентраций всех ионных частиц (анионов и катионов) в разбавленных растворах, как

описано в приведенном выше уравнении. При более высоких концентрациях измерение

проводимости не находятся в полной линейной зависимости от концентрации. Измерения

проводимости не применимы к твердым веществам или газам, но могут быть применены

для газовых конденсатов (но их можно применять к конденсату газов).

температура жидкости. По мере повышения температуры жидкости ионная проводимость

увеличивается, что делает данное физико-химическое явление основной причиной для

использования температурной компенсации при испытаниях электропроводящих

жидкостей.

Проводимость (κ) пропорциональна электропроводности (G) жидкости между двумя

электродами:

где:

–

проводимость, в сименсах на сантиметр;

–

электропроводность, в сименсах;

–

расстояние между электродами, в сантиметрах;

–

площадь проводящих электродов, в сантиметрах квадратных;

–

константа ячейки в обратных сантиметрах, которая также

эквивалентна соотношению d / A.

Удельное сопротивление жидкости ρ, выраженное в Ом·см, по определению обратно

пропорционально проводимости:

где:

–

удельное сопротивление, в ом·сантиметрах;

–

проводимость, в сименсах на сантиметр;

–

электропроводность, в сименсах;

–

сопротивление в омах, является обратным к электропроводности (G);

–

константа ячейки, в обратных сантиметрах.

ПРИБОР

Измерение проводимости заключается в определении сопротивления жидкости между и

вокруг электродов датчика проводимости. Основным инструментом при этом измерении

является схема измерения сопротивления и датчик проводимости, которые обычно

соединены между собой кабелем в случае, если датчик и пользовательский интерфейс

отделены друг от друга.

Измерение сопротивления производится путем подачи переменного тока (переменный

ток, то есть поток электрического заряда, периодически меняющий направление),

напряжения (или тока) на электроды, измерение тока (или напряжения) и вычисление

сопротивления по закону Ома. Переменный источник используется для предотвращения

поляризации (скопления ионов) на электродах. В зависимости от конструкции

оборудования частота измерительной системы регулируется автоматически в

соответствии с условиями измерения, и в измерительную систему может быть встроено

несколько схем измерения сопротивления. Схема измерения сопротивления может быть

встроена в преобразователь или в датчик.

Измерение сопротивления производится путем подачи переменного тока (переменный

ток, означающий, что поток электрического заряда периодически меняет направление)

напряжение (или ток) к электродам, измеряя ток (или напряжение) и вычисляя

сопротивление в соответствии с законом Ома

Датчик проводимости состоит как минимум из 2 электрических проводников

фиксированного размера и геометрии, разделенных электрическим изолятором.

Электроды, изолятор и любые другие части, контактирующие с рабочей средой,

изготовлены из материалов, не вступающих в реакцию с жидкостями, с которыми они

потенциально могут контактировать. Кроме того, конструкция датчика должна позволять

выдерживать факторы воздействия (температура процесса или окружающей среды,

давление, чистящие средства), которым он будет подвергаться.

Большинство датчиков проводимости имеют встроенные приспособления для измерения

температуры, например платиновый RTD (термостат сопротивления) или встроенный в

датчик терморезистор NTC (отрицательный температурный коэффициент), хотя внешнее

измерение температуры также возможно. Установление температуры необходимо для

дальнейшего использования температурной компенсации измерений проводимости.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ ЯЧЕЙКИ

Константа ячейки датчика предназначена для нормализации измерения проводимости

(или сопротивления) для геометрической конструкции двух электродов.

Константа ячейки определяется путем погружения датчика проводимости в раствор с

известной проводимостью. Растворы с известной проводимостью можно получить,

приготовив их согласно национальным нормативным документам или приобрести

коммерчески доступные сертифицированные и отслеживаемые стандартные растворы.

Приготовленные или приобретенные стандартные растворы могут иметь диапазон

проводимости от 5 мкСм·см

-1

до 200 000 мкСм·см

-1

в зависимости от необходимого

уровня точности. В качестве альтернативы, константа ячейки может определяться в

сравнении с эталонными приборами для измерения проводимости (также c помощью

калибровки в аккредитованной организации).

(ПРИМЕЧАНИЕ: проводимость не соотносится абсолютно линейно с концентрацией).

Измеренная константа ячейки датчика проводимости должна иметь отклонение в

пределах 5 % от номинального значения, указанного в сертификате датчика, если не

указано иное.

Современные датчики проводимости обычно не меняют свою константу ячейки в течение

срока службы. Если во время калибровки обнаружено изменение константы ячейки,

необходимо произвести очистку датчика в соответствии с рекомендациями производителя

с последующим повторением процедуры калибровки. Иногда могут появляться «эффекты

памяти», особенно при переходе от высоких концентраций к низким, если датчик

недостаточно промыт.

КАЛИБРОВКА ТЕМПЕРАТУРЫ

Помимо подтверждения константы ячейки датчика, встроенное устройство измерения

температуры (или внешнее устройство измерения) должно быть соответствующим

образом откалибровано для применения, для точного использования алгоритма

температурной компенсации. Требуемая точность температуры зависит от критичности

температуры для применения. Обычно достаточно точности ± 1 °C.

КАЛИБРОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Измерительная схема системы представляет собой устройство для измерения

сопротивления переменному току. Для измерительных систем с передачей сигнала по

аналоговому кабелю требуется соответствующая проверка и/или калибровка

измерительной схемы. Это достигается путем отсоединения измерительной схемы от

электродов датчика, подключения прослеживаемых резисторов известного значения к

измерительной цепи с помощью того же кабеля измерительной системы и проверки

соответствия измеренного сопротивления значению резистора на приемлемом уровне.

Типичный критерий приемлемости для точности сопротивления составляет менее 2 % от

показаний при сопротивлении более 100 Ом и увеличивается до 5 % при более низких

сопротивлениях. Однако, рекомендуется учитывать критичность погрешностей в

измерениях, так как они в конечном итоге и определяют желаемую точность.

Для систем проводимости, в которых схема измерения сопротивления не может быть

отсоединена от электродов (например, измерительная схема и электроды находятся в

одном общем корпусе), может возникнуть сложность прямой настройки или проверки

точности схемы, в зависимости от конструкции датчика. Альтернативным методом

проверки целостности измерительной системы является калибровка системы в

соответствии с методиками определения константы ячейки для каждой измерительной

схемы, которая предназначена для использования.

Если проверка/калибровка константы ячейки датчика, температурного устройства и

измерительной схемы выполняется с одинаковым интервалом обслуживания,

рекомендуется сначала проверить измерительную схему, затем температурное устройство

и в последнюю очередь константу ячейки. Поскольку все эти параметры, как правило,

очень стабильны благодаря используемой современной электронике и стабильной

конструкции датчиков, частая калибровка (например, ежедневная) обычно не требуется.

Сравнение с квалифицированными эталонными системами также является подходящим

способом калибровки. Калибровка выполняется в соответствующие интервалы,

определенные в системе менеджмента качества.

ТЕМПЕРАТУРНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ

Поскольку проводимость жидкости зависит от температуры, необходима температурная

компенсация измерения, если не указано иное (например, в случае воды очищенной, воды

для инъекций). Соответствующий алгоритм температурной компенсации гарантирует, что

изменения в измерения проводимости можно отнести к изменениям концентрации, а не к

изменениям температуры. Измерения проводимости обычно проводят при температуре

25 °C. Обычная форма линейной температурной компенсации использует температурный

коэффициент согласно следующему уравнению:

где:

–

проводимость, компенсированная при температуре 25 °C;

–

проводимость при температуре Т;

–

температурный коэффициент проводимости;

–

измеренная температура.

Температурный коэффициент 2.1 %/

С обычно используется для растворов солей.

Большинство растворов на основе солей имеют температурный коэффициент

проводимости в диапазоне от 1.9 %/ °С до 2.2 %/ °С. В зависимости от образцов жидкости

могут использоваться и другие формы температурной компенсации. Данные о нелинейной

температурной компенсации для различных растворов описаны в литературе, например, в

стандарте ISO 7888 «Качество воды. Определение электрической проводимости». В

случаях очень низкой проводимости (менее 10 мкСм·см

-1

), например, в случае воды

очищенной, используемой для очистки /промывки необходимо выполнить две

компенсации. Одна из них для собственной проводимости воды), а другая предназначена

для других ионных частиц в воде. Эти компенсации обычно комбинируются и

встраиваются в управляемые микропроцессором системы измерения проводимости.

Данная функция предусмотрена не во всех технологиях измерения проводимости.

ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ЖИДКОСТЕЙ

Для испытания серий испытуемых образцов в «оффлайн» или в «онлайн» режиме

необходимо промыть предварительно очищенный датчик измеряемой жидкостью, после

чего выполнить измерения. Необходимо убедиться, что положение датчика в контейнере с

жидкостью не влияет на измерение проводимости, поскольку стенки контейнера могут

искажать измерения при использовании некоторых видов электродов. Температуру и

проводимость с учетом температурной компенсации записывают согласно требованиям.

Для измерений в онлайн режиме или поточных измерений, очищенный датчик

устанавливают в трубу, резервуар или другую защитную емкость и при необходимости

промывают. Необходимо убедиться в правильном выполнении процедуры установки для

предотвращения образования пузырьков или частиц между электродами. Кроме того,

необходимо удостовериться, что положение датчика в трубе или резервуаре не влияет на

измерение электропроводности, так как их поверхности могут повлиять на измерение при

использовании некоторых видов электродов. Температуру и проводимость с учетом

температурной компенсации записывают согласно требованиям. Для всех видов

измерений следует убедиться, что смачиваемые компоненты датчика совместимы с

измеряемой жидкостью и температурой.