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
Измерения EC также могут применяться для определения солёности морской воды. Существуют различные шкалы, предназначенные для измерений солёности в солёной воде в зависимости от возможностей вашего измерительного прибора. Три общих шкалы солености – это практическая шкала минерализации (от 0.00 до 42.00 единиц практической солености, определенных Организацией Объединенных Наций по вопросам образования и культуры (ЮНЕСКО) в 1978 году; процентная шкала (от 0.0 до 400.0 %), где 100 % - морская вода; и природная шкала морской воды (от 0.00 до 80.00 п.п.), определенная ЮНЕСКО в 1966 году. Каждый измеритель электропроводности обладает собственными алгоритмами для преобразования результатов измерений проводимости в желаемый масштаб в соответствии с этими шкалами.
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.
По материалам Brown, M. (октябрь, 2015). Гальваника: о чём должен знать каждый инженер