اندازه‌گیری هدایت الکتریکی (EC)

  • ۱۳۹۸/۰۴/۱۴
  • 65 بازدید
  • ادمین کل

اندازه‌گیری هدایت الکتریکی

Electrical Conductivity, EC



چکیده

اندازه­‌گیری هدایت الکتریکی (electrical conductivity) یک روش بسیار گسترده و مفید، به ویژه در کاربردهایی نظیر کنترل کیفیت است. نظارت بر خلوص آب ورودی به سیستم‌­های صنعتی، کنترل کیفیت آب آشامیدنی و آب مصرفی در فرایندهای گوناگون، برآورد تعداد کل یون­‌ها در یک محلول یا اندازه‌­گیری مستقیم اجزای موجود در محلول، می‌­تواند با استفاده از اندازه‌­گیری هدایت انجام شود. ضریب اطمینان بالا، حساسیت و هزینه نسبتاً کم ابزارِ اندازه‌­گیری رسانایی، این روش را به یکی از تکنیک­‌های اصلی برنامه‌­های پایش (monitoring) تبدیل کرده است.

رسانایی یک محلول به میزان عبور جریان از محلول وابسته است. از آن­جا که عوامل انتقال­‌دهنده جریان همان یون‌­ها هستند، پس رابطه مستقیمی بین غلظت یون­‌های موجود در محلول و رسانایی وجود دارد. البته رسانایی فقط تابع غلظت یونی نیست و پارامترهای دیگری مانند دما، تحرک (mobility) و ظرفیت (valence) یون­‌ها نیز تأثیرگذارند. هدایت الکتریکی را می‌­توان با اعمال جریان الکتریکی متناوب (I) به دو الکترود غوطه­‌ور شده در محلول و اندازه‌­گیری ولتاژ حاصله (V) اندازه‌­گیری کرد. در واقع، ابزار اندازه‌­گیری رسانایی (conductivity, k)، هدایت الکتریکی (conductance) را اندازه­‌گیری و سپس آن را به رسانایی تبدیل می­‌کند. بدین منظور باید هدایت الکتریکی (G) در ثابت سلول (cell constant, K) ضرب شود.

به طور کلی، با افزایش دما، میزان تحرک یون­‌ها افزایش یافته و رسانایی افزایش می­‌یابد. به همین دلیل دستگاه اندازه‌­گیری رسانایی، دما را نیز به صورت هم‌زمان اندازه­‌گیری می­‌کند. سپس با استفاده از یک تابع یا ضریب اصلاح (correction function)، دما را در رسانایی تأثیر داده و نتیجه را گزارش می‌­کند. اگر هیچ فاکتور دمایی اعمال نشود، باید رساناییِ اندازه‌­گیری شده به همراه دمای اندازه‌­گیری گزارش شود.

حسگرهای دو الکترودی یا دو قطبی (2-pole cell) جریان و ولتاژ را بین دو الکترود اندازه‌­گیری می­‌کنند. حسگرهای سه الکترودی نیز در گذشته موجود بوده‌­اند که امروزه جای خود را به حسگرهای چهار الکترودی داده‌­اند. در یک حسگر 4 قطبی، جریان معینی به حلقه‌­های بیرونی (1 و 4) اعمال می­‌شود به طوری که یک اختلاف پتانسیل ثابت بین حلقه‌­های داخلی (2 و 3) برقرار شود. حین اندازه‌­گیری ولتاژ با جریان بسیار ناچیز، دو الکترود داخلی دچار پلاریزاسیون نمی‌­شوند (حذف خطای ناشی از پلاریزاسیون). نمونه دیگری از حسگرِ اندازه‌­گیری رسانایی به نام حسگر القایی (inductive) وجود دارد که توسط عبور جریان متناوب از طریق یک سیم‌­پیچ حلقوی (toroidal) (drive coil)، باعث ایجاد جریان در محلول الکترولیت می‌­شود. این جریان القایی، به نوبه خود، باعث ایجاد یک جریان در یک کویل حلقوی دیگر (pick-up coil) می­‌شود. مقدار جریان القایی در سیم‌­پیچ دوم تابعی از رسانایی الکتریکی است.




مقدمه

اندازه‌­گیری هدایت الکتریکی (electrical conductivity) یک روش بسیار گسترده و مفید، به ویژه در کاربردهایی نظیر کنترل کیفیت است. نظارت بر خلوص آب ورودی به سیستم­‌های صنعتی، کنترل کیفیت آب آشامیدنی و آب مصرفی در فرایندهای گوناگون، برآورد تعداد کل یون­‌ها در یک محلول یا اندازه­‌گیری مستقیم اجزای موجود در محلول می‌­تواند با استفاده از اندازه‌­گیری هدایت انجام شود. ضریب اطمینان بالا، حساسیت و هزینه نسبتاً کم ابزارِ اندازه‌­گیری رسانایی، این روش را به یکی از تکنیک‌­های اصلی برنامه‌­های پایش (monitoring) تبدیل کرده است.

اندازه‌­گیری هدایت الکتریکی طیف گسترده‌­ای از رسانایی از جمله آب خالص در کمتر از  S/cm  10-7 تا مقادیر بیشتر از 1 S/cm برای محلول­‌های غلیظ را شامل می­‌شود. به طور کلی، اندازه‌­گیری هدایت، یک راه سریع و ارزان برای تعیین قدرت یونی (ionic strength) یک محلول است. نکته قابل توجه آن است که این روش بین انواع مختلف یون­‌ها تمایزی قائل نمی­‌شود و در نتیجه آن، اثرات مجموع تمامی یون­‌های موجود در محلول در نظر گرفته شده است [1].

رسانایی الکتریکی

مقاومت الکتریکی (electrical resistivity) یک عدد است که نشان می­‌دهد ماده مورد نظر در مقابل عبور جریان الکتریکی چقدر مقاومت از خود نشان می­‌دهد. مقاومت با واحد اهم‌­متر (mΩ) اندازه‌­گیری می­‌شود. اگر الکتریسیته بتواند به راحتی در یک ماده جریان یابد، ماده دارای مقاومت کمی (رسانایی زیاد) است. مقاومت الکتریکی یک خاصیت فیزیکی-شدتی (intrinsic) است به این معنا که مستقل از اندازه خاص، شکل یا جرم نمونه است.

بر خلاف مواد جامد، انتقال جریان در مایعات یا محلول­‌ها توسط گونه‌­های باردار یا یون­‌ها (کاتیون با بار مثبت، آنیون با بار منفی) انجام می‌­گیرد (ion, cation, anion). رسانایی یک محلول به میزان عبور جریان از محلول وابسته است. از آنجا که عوامل انتقال دهنده جریان در محلول، همان یون­‌ها هستند، پس رابطه مستقیمی بین غلظت یون­‌های موجود در محلول و رسانایی وجود دارد. البته رسانایی فقط تابع غلظت یونی نیست و پارامترهای دیگری مانند دما، تحرک (mobility) و ظرفیت (valence) یون‌­ها نیز تأثیرگذارند، (شکل (1)). به منظور استانداردسازی مفهوم رسانایی، "رسانایی ویژه" تعریف می‌شود (specific conductivity) که رسانایی یک محلول بین دو الکترود با فاصله 1 cm و مساحت 1 cm2 است، (شکل (1)) [1، 2].

 

شکل 1. (سمت راست) شماتیکی از گونه‌های باردار به عنوان عامل انتقال دهنده الکتریسیته در محلول‌ها،

(سمت چپ) دو الکترود به فاصله cm  1 و مساحت cm2 1 برای اندازه‌گیری رسانایی ویژه محلول [3].

اندازه‌گیری رسانایی الکتریکی

هدایت الکتریکی را می‌­توان با اعمال جریان الکتریکی متناوب (I) به دو الکترود غوطه­‌ور شده در محلول و اندازه‌­گیری ولتاژ حاصله (V) محاسبه کرد. در طول این فرایند، کاتیون‌­ها به سمت الکترود یا قطب منفی و آنیون­‌ها به سمت الکترود یا قطب مثبت مهاجرت کرده و محلول به عنوان یک هادی الکتریکی عمل می­‌کند. اگر از جریان مستقیم (dc) استفاده شود، یون‌­ها بر روی الکترودها تجمع کرده و یک لایه غیررسانا تشکیل می­‌دهند (که منجر به پلاریزاسیون (polarisation) الکترودها می­‌شود). البته امکان انتقال بار یا رخداد واکنش­‌های شیمیایی نیز وجود دارد. به همین دلیل، از جریان متناوب استفاده می‌­شود. در این حالت گونه­‌ها در یک حرکت رفت و برگشتی بین دو الکترود باقی می‌­مانند، (شکل (2)) [3].

 

شکل 2. مقایسه اندازه‌گیری رسانایی با جریان مستقیم (راست) و متناوب (چپ) [3].

مقاومت محلول (resistance, R) را می‌­توان با استفاده از قانون اهم محاسبه کرد:

V = R × I

R = V / I

که در آن V  ولتاژ (ولت)، I جریان (آمپر) و R مقاومت محلول (اهم) است. هدایت الکتریکی (conductance, G) عکس مقاومت است، به آن معنا که مقاومت بالا همان رسانایی کم و مقاومت کم، همان هدایت الکتریکی بالا است:

G = 1/R

در واقع دستگاه، هدایت الکتریکی (conductance) را اندازه­‌گیری می­‌کند و سپس آن را به رسانایی (conductivity, k)، تبدیل می­‌کند. بدین منظور، باید هدایت الکتریکی (G) در ثابت سلول (cell constant, K) ضرب شود:

k = G . K

که در آن واحد هدایت زیمنس (S) و واحد ثابت سلول (cm-1) است. بدین ترتیب واحد رسانایی (S/cm-1) خواهد بود.

همان­طور که پیش تر ذکر شد، هندسه دو الکترودِ به کار رفته برای انداز‌ه‌­گیری، بر عدد گزارش شده تأثیر دارد. ثابت سلول نسبت فاصله (d) بین الکترودها به مساحت آن­‌هاست:

K = d / a

که در آن K ثابت سلول (cm-1a سطح موثر الکترود (cm2) و d فاصله بین الکترودها (cm) است [1، 3].

اثر دما

به طور کلی، با افزایش دما، میزان تحرک یون­‌ها افزایش یافته و رسانایی افزایش می­‌یابد. به همین دلیل معمولاً در گزارشِ رسانایی، دما را به صورت پیش‌­فرض 20 یا 25 درجه سانتی‌گراد در نظر می­‌گیرند (دمای مرجع، reference temperature). دستگاه اندازه‌­گیری رسانایی، دما را نیز به صورت هم‌زمان اندازه­‌گیری می­‌کند. سپس با استفاده از یک تابع یا ضریب اصلاح (correction function)، دما را در رسانایی تأثیر داده و نتیجه را گزارش می­‌کند. اگر هیچ فاکتور دمایی اعمال نشود، باید رساناییِ اندازه‌­گیری شده به همراه دمای اندازه‌­گیری گزارش شود. برای اعمال اثر دما در رسانایی می‌توان از توابع خطی یا توابع غیرخطی (برای آب های طبیعی طبق استاندارد ISO / DIN7888) یا  بدون اصلاح استفاده کرد. معمولاً تغییرات رسانایی بر حسب دما غیرخطی است. بدین ترتیب، در تمامی دستگاه‌­های سنجش رسانایی، درصد مشخصی از خطا برای عدد اندازه‌­گیری شده در نظر گرفته شده است [1، 2].

دستگاه اندازه‌گیری رسانایی

همانطور که ذکر شد، یک حسگر (sensor) یا دستگاه سنجش رسانایی، یک جریان متناوب (I) را به دو الکترود فعال اعمال و پتانسیل (V) را اندازه‌­گیری می­‌کند. از جریان و پتانسیل برای محاسبه هدایت الکتریکی و نهایتاً رسانایی استفاده می­‌شود. انواعی از دستگاه‌­های سنجش رسانایی با قابلیت­‌های مختلف وجود دارند. لازم به ذکر است که در عمل، الکترودِ حسگرها، ورق‌­های صاف نبوده و خود انواعی مانند میله ای (rod)، حلقه ای (ring) و... دارند، (شکل (3)) [3].

 

شکل 3. انواع مختلفی از حسگرهای رسانایی.

حسگرهای دو الکترودی یا دو قطبی (2-pole cell) جریان و ولتاژ را بین دو الکترود اندازه­‌گیری و گزارش می­‌کنند. حسگرهای سه الکترودی نیز در گذشته موجود بوده‌­اند که امروزه جای خود را به حسگرهای چهار الکترودی داده‌­اند. در یک حسگر 4 قطبی، جریان معینی به حلقه‌­های بیرونی (1 و 4) اعمال می‌­شود به طوری که یک اختلاف پتانسیل ثابت بین حلقه­‌های داخلی (2 و 3) به وجود آید. حین اندازه‌­گیری ولتاژ با جریان بسیار ناچیز، دو الکترود داخلی دچار پلاریزاسیون نمی­‌شوند (حذف خطای ناشی از پلاریزاسیون). هندسه حسگرهای چهار قطبی با یک لوله بیرونی، باعث کاهش اثر میدان الکتریکی می­‌شود زیرا حجم محلول تحت اندازه­‌گیری به خوبی به درون لوله محدود شده است، (شکل (4)).

 

شکل 4. نمونه‌ای از حسگر رسانایی چهار قطبی.

این حسگرها درون محلول قرار گرفته و به صورت تماسی (contacting) سنجش را انجام می­‌دهند. معمولاً سطوح الکترودها را با پلاتین پوشش داده و اصطلاحاً آن‌ها را پلاتینیزه (platinized) می­‌کنند. این امر موجب کاهش پدیده پلاریزاسیون و همچنین عدم خوردگی الکترودها در تماس با محلو‌‌ل­‌های گوناگون می‌­گردد [2، 3].

نمونه دیگری از حسگرِ اندازه‌­گیری رسانایی به نام حسگر القایی (inductive) وجود دارد که توسط عبور جریان متناوب از طریق یک سیم‌­پیچ حلقوی (toroidal) (drive coil)، باعث ایجاد جریان در محلول الکترولیت می‌شود، (شکل (5)). این جریان القایی، به نوبه خود، باعث ایجاد یک جریان در یک کویل حلقوی دیگر (pick-up coil) می­‌شود. مقدار جریان القایی در سیم‌­پیچ دوم تابعی از رسانایی الکتریکی است.

 

شکل 5. حسگر رسانایی القایی.

مزیت اصلی این حسگرها آن است که سیم‌­پیچ ها با محلول تماسی ندارند. آن­‌ها یا در یک ماده پلیمری قرار می­‌گیرند یا محلول از درون آن­‌ها عبور داده می‌­شود. یکی از معایب اصلی اندازه‌­گیری رسانایی با حسگرهای القایی آن است که حساسیت حسگرهای تماسی را ندارند. همچنین از حسگرهای تماسی بزرگ­ترند و قابلیت نصب در لوله­‌های باریک را ندارند. محدودیت دیگر حسگرهای القایی این است که محدوده اندازه‌­گیری رسانایی در آن­‌ها به وسعت حسگرهای تماسی نیست. توصیه می­‌شود که قبل از هر بار استفاده، حسگر با محلول‌­های استاندارد، کالیبره (calibration) شود [2، 3].

مراجع

[1] Siegfried Flügge, “Electrical Conductivity I”, Volume 19, Springer, 1956.

[2] Michael B. Heaney, “Electrical Conductivity and Resistivity”, Electrical Measurement, Signal Processing, and Displays, CRC Press, 2004.

[3] Leif Jensen, “CONDUCTIVITY MEASUREMENT AND ITS CALIBRATION”, Insatech A/S, 2017.

به این محتوا امتیاز دهید

برای دوستانتان ارسال کنید

برای ثبت نظر ابتدا لاگین نمایید.

ما مشتاق دیدگاه شما هستیم.

مطالب پیشنهادی