Контактные кондуктометры. 
Технические измерения и приборы в 2 т. Том 2 в 2 кн. Книга 1

В основе кондуктометрических методов лежит несколько принципов, каждый из которых может быть реализован как с помощью разнообразных конструкций измерительных ячеек, так и большого числа измерительных схем. Метрологические характеристики кондуктометра зависят от используемого ПИП и структуры измерительного преобразователя.

В контактной НЧ кондуктометрии амплитудные и фазовые методы измерения УЭП отличаются высокой точностью. Прямое измерение тока или напряжения осуществляют в нескольких вариантах:

• — измеряют падение напряжения на известном резисторе, включённом последовательно с двухэлсктродным ПИП;
• — измеряют падение напряжения на датчике, включенном последовательно с известным резистором;
• — измеряют ток через ячейку;
• — измеряют падение напряжения на известном резисторе, поддерживая падение напряжения на ПИП, равным опорному;
• — измеряют падение напряжения на двухэлекгродном ПИП синхронно с напряжением питания и т. д.

Простейшей схемой кондуктометра является схема прямого измерения, когда измеряют падение напряжения на датчике при постоянном токе (рис. 2.10) или ток при питании ПИП постоянным по величине напряжением.

В первом случае (/= const) падение напряжения на ячейке.

откуда.

Во втором (t/= const) ток через ячейку равен.

откуда.

Как следует из формул (2.8) и (2.10), вторая схема более предпочтительна, поскольку выходной сигнал в ней прямо пропорционален УЭП раствора^.

В п. 2.2 уже говорилось о том, что УЭП раствора существенно зависит от температуры, поэтому кондуктометрические измерения без учёта температуры невозможны.

Кондуктометрические анализаторы жидкости в большинстве случаев имеют два канала измерения: УЭП анализируемой жидкости и температуры.

Рассмотрим простейший способ термокомпенсации кондуктометрических измерений, когда последовательно с ячейкой включён терморезистор R, (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Кондуктометр прямого измерения с термокомпенсацией.

Для температурной компенсации необходимо, чтобы температурный коэффициент сопротивления (ТКС) терморезистора и ячейки был бы одинаков. Для этого параллельно ячейке включают шунт благодаря чему ТКС параллельного соединения ячейки и шунта существенно снижается и приблизительно становится равным ТКС терморезистора. Поскольку температурные коэффициенты тсрморсзистора R, и цепи R — R, имеют разные знаки, общее сопротивление всей цепи при изменении температуры будет оставаться почти неизменным.

В кондуктометрах в качестве ПИП температуры чаще всего используют металлические (проволочные и плёночные) или полупроводниковые терморезисторы. Статическая характеристика металлических терморезисторов имеет следующий вид:

где R — сопротивление терморезистора; R₀ — его сопротивление при I = О °С; а — ТКС.

Калибровка прибора по каналу измерения температуры анализируемого раствора сводится к определению сопротивления ПИП температуры при О °С и его ТКС, а также учёту полученных значений при наладке измерительных цепей в аналоговом кондуктометре. В кондуктометрах с микроконтроллером калибровку можно осуществить без наладки измерительной цепи, введя полученные значения в память прибора. Терморезисторы в большинстве случаев имеют малое сопротивление в несколько десятков или сотен Ом, что связано с определёнными требованиями к линиям их связи с ИГ1, особенно в приборах, предназначенных для контроля технологических процессов. На результат определения температуры существенно влияет длина линии связи и температура окружающего воздуха. Это вызвано тем, что чувствительность металлических терморезисторов к температуре намного ниже, чем у полупроводниковых, а сопротивление линии связи с ИП может быть сравнимо с их сопротивлением, причём относительное изменение сопротивления линий связи от температуры может быть таким же, что и у чувствительного элемента.

Кроме металлических, в качестве ПИП температуры используют также полупроводниковые терморезисторы с отрицательным ТКС. Сопротивление и чувствительность этих терморезисторов на порядок больше, чем у металлических. При этом требования к линиям связи их с ИП существенно облегчаются. Так, медный терморезистор, имеющий сопротивление 100 Ом при 0 °C, увеличивает своё сопротивление в интервале температур от 0 до 100 °C на 42,9% (от 100 до 142,9 Ом). Полупроводниковый же терморезистор изменяет своё сопротивление в этом интервале температур более чем на 3.000%. Следовательно, для измерения их сопротивления можно использовать измерительную цепь канала УЭП. Зависимость такого сопротивления от температуры имеет следующий вид:

где R — сопротивление полупроводникового терморезистора; А и В — постоянные коэффициенты.

В диапазоне температур анализируемого раствора от 0 до 100 °C, в котором сейчас работает большинство кондуктометров, статическая характеристика полупроводникового терморезистора имеет вид.

где t — температура; а, Ь, с и к — постоянные коэффициенты; g — проводимость тсрморсзистора.

Нередко в качестве схем кондуктометров используют уравновешенные, неуравновешенные дифференциальные или мостовые схемы на переменном токе (рис. 2.11), реже — схемы сравнения и компенсационные с одновременным или последовательным сравнением сопротивления датчика с образцовой мерой.

Рис. 2.11. Мостовая схема кондуктометра: а — с частичной компенсацией; б- с полной компенсацией Условием баланса таких мостовых схем (уравновешенные мосты) является.

или.

где Z, — полное (комплексное) сопротивление /-го плеча моста; z, — модуль сопротивления /-го плеча; (pi = arctg— - фазовый.

^Ri

угол /-го сопротивления.

Равенство (2.15) равносильно системе равенств.

Из (2.16) следует, что для уравновешивания моста с комплексными сопротивлениями необходимо регулировать активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления Z. Осуществляется это уравновешивание последовательно для активной и реактивной составляющей.

Мостовая схема кондуктометра на рис. 2.11, а применяется тогда, когда емкостной составляющей сопротивления ячейки можно пренебречь, в противном случае необходимо воспользоваться схемой на рис. 2.11, б.

В промышленных приборах чаще всего используют схемы непосредственной оценки и дифференциальные. Применяют также благодаря своей высокой точности, удобству автоматизации и теоретической обоснованности автоматические и полуавтоматические мосты, а также схемы с синхронными детекторами и раздельной регистрацией составляющих импеданса датчика.

Компенсационный способ на переменном токе НЧ получил распространение для измерения УЭП жидкостей в основном с помощью четырёхэлектродных ПИП. Его суть заключается в компенсации падения напряжения на ПИП встречным напряжением до нуля.

Таким образом, из всех рассмотренных устройств, использующих мостовые и компенсационный способы измерения, полууравновешенные мосты полностью отвечают требованиям простоты реализации и достаточно высокой точности. Кондуктометры на полууравновешенных мостах, кроме того, инвариантны к изменению напряжения питания.

В последнее время всё большее распространение получают микропроцессорные приборы (см. п. 1.7).

Перечень задач, решаемых микроконтроллером в кондуктометрах, и выполняемые им функции приведены в табл. 2.3.

Таблица 2.3.

_Функции микропроцессора в кондуктометре_.

Окончание таблицы 2.3.

Представленные функции реализуются конкретными устройствами, для чего кондуктометр должен содержать:

• — ПИП УЭП;
• — ПИП температуры;
• — измерительную цепь;
• — микропроцессор;
• — устройство индикации;
• — устройство ввода калибровочных данных;
• — устройство формирования аналоговых выходных сигналов;
• — устройство для формирования сигналов интерфейса.

Структурная схема микропроцессорного кондуктометра без учёта специфики используемого способа измерений показана на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Структурная схема микропроцессорного кондуктометра:

• 1 — измерительная цепь; 2 — микроконтроллер; 3 — устройство индикации; 4 — устройство ввода калибровочных данных; 5 — устройство формирования аналоговых выходных сигналов;
• 6 — устройство формирования сигналов интерфейса

Внешний вид микропроцессорного лабораторного кондуктометра показан на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Микропроцессорный лабораторный кондуктометр.

Такой кондуктометр выполняет следующие функции:

• — измерение УЭП жидкости у при данной температуре (без термокомпенсации) в диапазоне 1 • 10 ⁶ — 150 См/м;
• — определение УЭП анализируемой жидкости, приведённой к заданной температуре (с термокомпенсацией);
• — определение температурных коэффициентов УЭП анализируемой жидкости:
• — определение температурных коэффициентов ПИП температуры анализируемой жидкости, т. е. терморезистора.

В зависимости от УЭП анализируемой среды частотный диапазон контактной кондуктометрии лежит в пределах 50 Гц — 10 кГц. При измерении проводимости веществ с малой проводимостью лабораторные измерения проводят на постоянном токе.

Частотные кондуктометрические методы основаны на том, что изменение активной (контактная кондуктометрия) или реактивной составляющей (бесконтактная кондуктометрия) сопротивления датчика в колебательной цепи RC-, RL- или LC- генератора влечёт за собой изменение генерируемой частоты. Подбором параметров колебательной цени можно расширить диапазон измерений, а изменением типа генератора, используя, например, принцип нулевых биений или регистрации их частоты вместо метода прямого измерения частоты генератора, можно значительно повысить чувствительность метода.

Использование этого метода позволяет повысить точность измерения, его помехозащищённость, упростить кондуктометр, легко осуществить связь с микропроцессором и г. п.

В качестве генератора удобно использовать, например, мультивибратор, состоящий из инвертирующего триггера Шмитта, охваченного обратной связью с помощью фильтра низких частот (рис. 2.14).

Если вместо резистора R в схему включить контактный ПИП и при этом выполнить условие /?2 >> R, что обеспечивает протекание через ячейку малого тока и слабую поляризацию на электродах, частота выходного напряжения мультивибратора и будет функцией сопротивления ПИП R, т. е.

Рис. 2.14. Мультивибратор на триггере Шмитта.

Поскольку УЭ11 анализируемого раствора % и сопротивление ПИП R связаны между собой постоянной датчика А, выражение (2.17) можно записать в следующем виде.

где В =——.

4 R, C,

Автоматический частотный кондуктометр (рис. 2.15) имеет диапазон измерений УЭП 1 -1О^⁶ — 110 ² См/м, относительную iioipeuiiiocTb не более ±1%, цифровую индикация показаний.

Структурная схема частотного кондуктометра показана на рис. 2.16.

Двухэлектродный ПИП УЭП / является частотно-задающим узлом преобразователя УЭП-частота 3, к которому для осуществления термокомпенсации также подключён ПИП температуры 2. Далее частотный сигнал превращается преобразователем частота-напряжснис в аналоговый, который подастся на масштабный усилитель 5, откуда через согласующее устройство 6 поступает на цифровой индикатор (дисплей) 7. Питание схемы осуществляется от блока питания 8.

Рис. 2.15. Внешний вид частотного кондуктометра: 1 — кондуктомето: 2 — ПИП УЭП.

Рис. 2.16. Структурная схема частотного кондуктометра:

1 — ПИП УЭП; 2 — ПИП температуры; 3 — преобразователь УЭП-частота; 4 — преобразователь частота-напряжение; 5 — масштабный усилитель; б — согласующее устройство; 7 — цифровой индикатор; 8 — блок питания Кондуктометр снабжен контактным двухэлектродным датчиком (рис. 2.15 и 2.17), который выполнен в виде двух металлических электродов /, разделённых изолятором — фторопластовой трубкой 2 и закреплённых на специальном основании 3, установленном на металлической трубке 4. На это же основание 3 навинчены пластмассовые элементы корпуса — чехол 5 и колпак 6, который по завершении монтажа заливают эпоксидной смолой.

Рис. 2.17. Конструкция ПИП УЭП:

• 1 — электроды; 2 — изолятор; 3 — основание; 4 — трубка;
• 5 — чехол; 6 — колпак; 7 — терморезистор; 8 — втулка

В качестве чувствительного элемента температуры использован стандартный терморезистор типа МКМТ-16, который установлен во втулке 8 у основания трубки 4 и также залит эпоксидной смолой. Выводы от электродов и терморезистора делают с помощью монтажного провода и через кабель подсоединяют к ИП.