Giới thiệu
Tất cả các dung dịch có chứa nước thì luôn có độ dẫn điện trong một chừng mực nào đó. Việc đo đạc khả năng của một dung dịch có thể dẫn điện được gọi là độ dẫn (nghịch đảo của điện trở). Sự bổ sung các chất dẫn điện như muối, axit hay baz vào nước tinh khiết sẽ làm tăng khả năng dẫn điện của chất lỏng. Điều này làm tăng khả năng độ dẫn điện của dung dịch (giảm độ điện trở).
Một bộ thiết bị để đo đạc độ dẫn điện của dung dịch thông qua một bộ phân tích kết nối bên trong với dây cáp tới đầu do được nhúng ngập trong dung dịch. Đầu đo được thiết kế tích hợp với một cảm biến nhiệt độ và hai điện cực tiếp xúc với dung dịch. Dây vòng quanh bộ phân tích đưọc áp một điện thế vào giữa hai bản điện cực và độ lớn của dòng điện sinh ra tương quan tính tuyến với độ dẫn điện của dung dịch.
Khi nhiệt độ của dung dịch thay đổi, độ dẫn của nó cũng thay đổi. Thông thường, sự thay đổi nhiệt độ được bù trừ bởi một nhiệt kế (cái điện trở nhạy nhiệt độ) gắn trong cảm biến đo độ dẫn để sửa đổi hệ số góc đường tương quan từ đo đạc có được. Không quan tâm đến nhiệt độ thực của dung dịch, giá trị hiển thị là giá trị của độ dẫn điện của dung dịch nếu ở nhiệt độ là 25oC (nhiệt độ tham khảo được chấp nhận quốc tế). Sự bù trừ nhiệt độ này có thể thực hiện tự động hoặc thay đổi bằng tay.
Tất cả các dung dịch không có cùng sự thay đổi độ dẫn theo nhiệt độ. Ví dụ, đối với HCl thì thay đổi 1.5% trên mỗi oC, NaCl thì 2.1% mỗi °C. Tỉ lệ thay đổi độ dẫn điện theo thay đổi nhiệt độ được tham chiếu như độ dốc của đường bù trừ nhiệt độ và được diễn tả theo % trên °C.
Sự di chuyển của ion âm
Khi áp một điện thế vào giữa hai điện cực của một cảm biến độ dẫn điện thì các điện tích âm được di chuyển và khí được sinh ra. Các điện tích âm di chuyển tạo ra dòng điện chạy từ điện cực này sang điện cực kia. Khi các khí được thải ra, chúng bám quanh điện cực. Sự tích tụ này làm giảm sự tiếp xúc của điện cực với dung dịch và tạo ra một sức điện động ngược lại. Ảnh hưởng này được biết đến như là sự phân cực, cái mà có thể tránh được bằng cách đẩy một dòng điện xoay chiều (AC) chậm vào điện cực thay vì sử dụng điện thế một chiều (DC). Chu kì của dòng điện xoay chiều đủ ngắn và điện thế đủ thấp để điện cực không bị các khí sinh ra bám quanh.
Đơn vị đo của độ dẫn điện
Về mặt lịch sử, đơn vị chuẩn của độ dẫn điện là “mhos/cm” (mho là viết nghịch đảo của từ ohm). Độ điện trở có giá trị 100 ohms l cm tương đương với độ dẫn điện l/l00 mhos/cm. Đơn vị mhos/cm sau đó được thay thế do ngành công nghiệp sử dụng một đơn vị có thể chuyển đổi tương đương gọi là “Siemen/cm.” Độ dẫn điện luôn luôn được trình bày theo đơn vị microSiemens/cm (phần triệu Siemen) để mà toàn bộ các con số có thể được sử dụng. Một dung dịch có độ dẫn với điện trở là 100 ohms · cm
Có độ dẫn 10,000 microSiemens/cm. [l/l00 (nghịch đảo của ohm) x 1,000,000 (nhân hệ số chuyển đổi từ Siemen sang microSiemens)]. MilliSiemen cũng thường được sử dụng để đại điên l/l000 Siemen. Để đổi từ milliSiemens sang microSiemens, nhân thêm với hệ số 1000. (Ví dụ: 0.5 milliSiemens = 500 microSiemens.) MicroSiemens được viết tắt là μS; milliSiemens là mS. Bởi vì những từ và chữ viết tắt của chúng là tương tự nhau nên cần cẩn thận để tránh nhầm lẫn.
Cho biết độ dẫn điện của một dung dịch, microSiemens có thể được tương quan với ppm (một phần triệu), đơn vị dùng để diễn tả cho nồng độ. Thông thường, microSiemens = 1.5 x TDS ppm (tổng chất rắn hòa tan). Tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch và thành phần của nó, hệ số 1.5 có thể thay đổi. Nếu TDS của dung dịch được viết theo muối NaCl, giá trị microSiemen sẽ xấp xỉ 2 lần giá trị TDS NaCl ppm. Bảng dưới đây mô tả mối tương quan này.
Cấu tạo của cảm biến đo độ dẫn điện
Một cảm biến độ dẫn thường bao gồm 2 điện cực được cách ly với nhau. Vật liệu điện cực thường làm bằng thép không rỉ 316, hợp kim titan-paladi hoặc cacbon. Theo lý thuyết, bất kì vật liệu dẫn điện nào cũng có thể dùng làm điện cực nếu nó không bị hòa tan trong dung dịch. Tuy nhiên, thực tế thì điều này không được áp dụng. Các kết quả không mong muốn có thể xảy ra khi dòng điện được áp vào hai điện cực. Độ lớn của điệnt thế và dòng điện có thể tạo một tác động lên tuổi thọ điện cực và độ chính xác của phép đo. Không có vật liệu điện cực nào có thể đáp ứng cho tất cả các ứng dụng.
Các điện cực được định kích thước và khoảng trống tại một khoảng cách chính xác để cho một giá trị hằng số K, được gọi là “hằng số tế bào”. Theo lý thuyết, hằng số này là 1.0 đối với hai điện cực có diện tích bề mặt 1 cm vuông và đặt cách nhau 1 cm. Thể tích khoảng trống giữa hai điện cực là 1 cm khối. Hình 1 mô tả kích thước điện cực cơ bản.
Hình 1: Kích thước lý thuyết của cảm biến có hằng số tế bào 1.0
Bởi vì thể tích của dung dịch đo là diện tích của điện cực nhân với khoảng cách giữa chúng, mối tương quan toán học không thay đổi nếu 1 đại lượng tăng và đại lượng kia giảm theo tỷ lệ. Tuy nhiên, mức độ biến đổi và dung sai trong khoảng trống tạo bởi điện cực và diện tích có thể làm cho thể tích này bị thay đổi nhỏ.
Hằng số tế bào phải phù hợp với bộ phân tích đối với thang đo được biết trước. Ví dụ, nếu cảm biến của độ dẫn với hằng số tế bào là 1.0 được dùng để đo nước tinh khiết có độ dẫn 1 microSiemen/cm, thì tế bào sẽ có độ điện trở là 1,000,000 ohms. Ngược lại, cùng cảm biến đó được dùng cho nước biển có thể có độ điện trở là 30 ohms. Bởi vì độ điện trở rất khác nhau, nên bộ phân tích rất khó để đo chính xác nếu chỉ dùng cảm biến có cùng một hằng số tế bào. Trong dung dịch đo có 1-microSiemen/cm tế bào phải được cấu tạo với khoảng trống giữa điện cực lớn nhưng khoảng cách giữa chúng nhỏ. Với cấu tạo như thế sẽ cho phép tế bào có độ điện trở xấp xỉ 10,000 ohms, để đo chính xác hơn. Bằng cách sử dụng các cảm biến có hằng số tế bào khác nhau, thiết bị đo đạc có thể hoạt động đối với thang đo của điện trở tế bào cho nước cực kì tinh khiết đến nước biển có độ dẫn cao.
Bù trừ nhiệt độ trong phép đo độ dẫn
Hệ thống đo độ dẫn đạt sự chính xác chỉ khi được bù trừ nhiệt độ tốt. Bởi vì hệ số chung của dung dịch từ khoảng 2-3% trên °C, cần phải cẩn thận trong sản xuất và thiết kế các thiết bị có bù trừ nhiệt độ tự động. Tương tự như thế, người vận hành phải đo nhiệt độ chính xác khi cài đặt thiết bị với sự bù trừ nhiệt độ bằng tay để cho kết quả chính xác. Hệ số nhiệt độ dung dịch đôi khi không tuyến tính và luôn thay đổi theo độ dẫn thực tế. Việc hiệu chuẩn tại nhiệt độ đo thực tế sẽ giúp phép đo đạt độ chính xác tốt nhất.
Hầu hết các bộ phân tích độ dẫn có khả năng điều chỉnh sự bù trừ nhiệt độ bằng tay. Người vận hành phải cài đặt bù trừ nhiệt độ theo nhiệt độ dung dịch tại thời điểm thực hiện đo độ dẫn. Sự bù trừ nhiệt độ bằng tay thích hợp với các ứng dụng đo đạc có sự thay đổi nhiệt độ ít. Tuy nhiên, sự bù trừ tự động được ưu tiên sử dụng hơn bởi vì sau khi thiết bị hoạt động nó sẽ không thay đổi nếu với việc cài đặt sai do không để ý hay thao tác thực hành kém.
Mã sản phẩm:
Model sc100™ Controller LXV401.52.02002
Model D3400 sc-series Contacting Conductivity Sensor
Tất cả các dung dịch có chứa nước thì luôn có độ dẫn điện trong một chừng mực nào đó. Việc đo đạc khả năng của một dung dịch có thể dẫn điện được gọi là độ dẫn (nghịch đảo của điện trở). Sự bổ sung các chất dẫn điện như muối, axit hay baz vào nước tinh khiết sẽ làm tăng khả năng dẫn điện của chất lỏng. Điều này làm tăng khả năng độ dẫn điện của dung dịch (giảm độ điện trở).
Một bộ thiết bị để đo đạc độ dẫn điện của dung dịch thông qua một bộ phân tích kết nối bên trong với dây cáp tới đầu do được nhúng ngập trong dung dịch. Đầu đo được thiết kế tích hợp với một cảm biến nhiệt độ và hai điện cực tiếp xúc với dung dịch. Dây vòng quanh bộ phân tích đưọc áp một điện thế vào giữa hai bản điện cực và độ lớn của dòng điện sinh ra tương quan tính tuyến với độ dẫn điện của dung dịch.
Khi nhiệt độ của dung dịch thay đổi, độ dẫn của nó cũng thay đổi. Thông thường, sự thay đổi nhiệt độ được bù trừ bởi một nhiệt kế (cái điện trở nhạy nhiệt độ) gắn trong cảm biến đo độ dẫn để sửa đổi hệ số góc đường tương quan từ đo đạc có được. Không quan tâm đến nhiệt độ thực của dung dịch, giá trị hiển thị là giá trị của độ dẫn điện của dung dịch nếu ở nhiệt độ là 25oC (nhiệt độ tham khảo được chấp nhận quốc tế). Sự bù trừ nhiệt độ này có thể thực hiện tự động hoặc thay đổi bằng tay.
Tất cả các dung dịch không có cùng sự thay đổi độ dẫn theo nhiệt độ. Ví dụ, đối với HCl thì thay đổi 1.5% trên mỗi oC, NaCl thì 2.1% mỗi °C. Tỉ lệ thay đổi độ dẫn điện theo thay đổi nhiệt độ được tham chiếu như độ dốc của đường bù trừ nhiệt độ và được diễn tả theo % trên °C.
Sự di chuyển của ion âm
Khi áp một điện thế vào giữa hai điện cực của một cảm biến độ dẫn điện thì các điện tích âm được di chuyển và khí được sinh ra. Các điện tích âm di chuyển tạo ra dòng điện chạy từ điện cực này sang điện cực kia. Khi các khí được thải ra, chúng bám quanh điện cực. Sự tích tụ này làm giảm sự tiếp xúc của điện cực với dung dịch và tạo ra một sức điện động ngược lại. Ảnh hưởng này được biết đến như là sự phân cực, cái mà có thể tránh được bằng cách đẩy một dòng điện xoay chiều (AC) chậm vào điện cực thay vì sử dụng điện thế một chiều (DC). Chu kì của dòng điện xoay chiều đủ ngắn và điện thế đủ thấp để điện cực không bị các khí sinh ra bám quanh.
Đơn vị đo của độ dẫn điện
Về mặt lịch sử, đơn vị chuẩn của độ dẫn điện là “mhos/cm” (mho là viết nghịch đảo của từ ohm). Độ điện trở có giá trị 100 ohms l cm tương đương với độ dẫn điện l/l00 mhos/cm. Đơn vị mhos/cm sau đó được thay thế do ngành công nghiệp sử dụng một đơn vị có thể chuyển đổi tương đương gọi là “Siemen/cm.” Độ dẫn điện luôn luôn được trình bày theo đơn vị microSiemens/cm (phần triệu Siemen) để mà toàn bộ các con số có thể được sử dụng. Một dung dịch có độ dẫn với điện trở là 100 ohms · cm
Có độ dẫn 10,000 microSiemens/cm. [l/l00 (nghịch đảo của ohm) x 1,000,000 (nhân hệ số chuyển đổi từ Siemen sang microSiemens)]. MilliSiemen cũng thường được sử dụng để đại điên l/l000 Siemen. Để đổi từ milliSiemens sang microSiemens, nhân thêm với hệ số 1000. (Ví dụ: 0.5 milliSiemens = 500 microSiemens.) MicroSiemens được viết tắt là μS; milliSiemens là mS. Bởi vì những từ và chữ viết tắt của chúng là tương tự nhau nên cần cẩn thận để tránh nhầm lẫn.
Cho biết độ dẫn điện của một dung dịch, microSiemens có thể được tương quan với ppm (một phần triệu), đơn vị dùng để diễn tả cho nồng độ. Thông thường, microSiemens = 1.5 x TDS ppm (tổng chất rắn hòa tan). Tùy thuộc vào nồng độ của dung dịch và thành phần của nó, hệ số 1.5 có thể thay đổi. Nếu TDS của dung dịch được viết theo muối NaCl, giá trị microSiemen sẽ xấp xỉ 2 lần giá trị TDS NaCl ppm. Bảng dưới đây mô tả mối tương quan này.
Cấu tạo của cảm biến đo độ dẫn điện
Một cảm biến độ dẫn thường bao gồm 2 điện cực được cách ly với nhau. Vật liệu điện cực thường làm bằng thép không rỉ 316, hợp kim titan-paladi hoặc cacbon. Theo lý thuyết, bất kì vật liệu dẫn điện nào cũng có thể dùng làm điện cực nếu nó không bị hòa tan trong dung dịch. Tuy nhiên, thực tế thì điều này không được áp dụng. Các kết quả không mong muốn có thể xảy ra khi dòng điện được áp vào hai điện cực. Độ lớn của điệnt thế và dòng điện có thể tạo một tác động lên tuổi thọ điện cực và độ chính xác của phép đo. Không có vật liệu điện cực nào có thể đáp ứng cho tất cả các ứng dụng.
Các điện cực được định kích thước và khoảng trống tại một khoảng cách chính xác để cho một giá trị hằng số K, được gọi là “hằng số tế bào”. Theo lý thuyết, hằng số này là 1.0 đối với hai điện cực có diện tích bề mặt 1 cm vuông và đặt cách nhau 1 cm. Thể tích khoảng trống giữa hai điện cực là 1 cm khối. Hình 1 mô tả kích thước điện cực cơ bản.
Hình 1: Kích thước lý thuyết của cảm biến có hằng số tế bào 1.0
Bởi vì thể tích của dung dịch đo là diện tích của điện cực nhân với khoảng cách giữa chúng, mối tương quan toán học không thay đổi nếu 1 đại lượng tăng và đại lượng kia giảm theo tỷ lệ. Tuy nhiên, mức độ biến đổi và dung sai trong khoảng trống tạo bởi điện cực và diện tích có thể làm cho thể tích này bị thay đổi nhỏ.
Hằng số tế bào phải phù hợp với bộ phân tích đối với thang đo được biết trước. Ví dụ, nếu cảm biến của độ dẫn với hằng số tế bào là 1.0 được dùng để đo nước tinh khiết có độ dẫn 1 microSiemen/cm, thì tế bào sẽ có độ điện trở là 1,000,000 ohms. Ngược lại, cùng cảm biến đó được dùng cho nước biển có thể có độ điện trở là 30 ohms. Bởi vì độ điện trở rất khác nhau, nên bộ phân tích rất khó để đo chính xác nếu chỉ dùng cảm biến có cùng một hằng số tế bào. Trong dung dịch đo có 1-microSiemen/cm tế bào phải được cấu tạo với khoảng trống giữa điện cực lớn nhưng khoảng cách giữa chúng nhỏ. Với cấu tạo như thế sẽ cho phép tế bào có độ điện trở xấp xỉ 10,000 ohms, để đo chính xác hơn. Bằng cách sử dụng các cảm biến có hằng số tế bào khác nhau, thiết bị đo đạc có thể hoạt động đối với thang đo của điện trở tế bào cho nước cực kì tinh khiết đến nước biển có độ dẫn cao.
Bù trừ nhiệt độ trong phép đo độ dẫn
Hệ thống đo độ dẫn đạt sự chính xác chỉ khi được bù trừ nhiệt độ tốt. Bởi vì hệ số chung của dung dịch từ khoảng 2-3% trên °C, cần phải cẩn thận trong sản xuất và thiết kế các thiết bị có bù trừ nhiệt độ tự động. Tương tự như thế, người vận hành phải đo nhiệt độ chính xác khi cài đặt thiết bị với sự bù trừ nhiệt độ bằng tay để cho kết quả chính xác. Hệ số nhiệt độ dung dịch đôi khi không tuyến tính và luôn thay đổi theo độ dẫn thực tế. Việc hiệu chuẩn tại nhiệt độ đo thực tế sẽ giúp phép đo đạt độ chính xác tốt nhất.
Hầu hết các bộ phân tích độ dẫn có khả năng điều chỉnh sự bù trừ nhiệt độ bằng tay. Người vận hành phải cài đặt bù trừ nhiệt độ theo nhiệt độ dung dịch tại thời điểm thực hiện đo độ dẫn. Sự bù trừ nhiệt độ bằng tay thích hợp với các ứng dụng đo đạc có sự thay đổi nhiệt độ ít. Tuy nhiên, sự bù trừ tự động được ưu tiên sử dụng hơn bởi vì sau khi thiết bị hoạt động nó sẽ không thay đổi nếu với việc cài đặt sai do không để ý hay thao tác thực hành kém.
Mã sản phẩm:
Model sc100™ Controller LXV401.52.02002
Model D3400 sc-series Contacting Conductivity Sensor
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét