Калибровка канала измерения УЭП

Кондуктометрические анализаторы жидкости в большинстве случаев имеют два канала измерения: температуры и УЭП анализируемой жидкости (разд. 2.3).

Выходной сигнал измерительной цепи канала измерения УЭП кондуктометров, как правило, пропорционален падению напряжения на датчике или току через него. Т.е. в кондуктометрах измеряют сопротивление первичного измерительного преобразователя с анализируемой жидкостью или его проводимость. Значение проводимости или сопротивления первичного преобразователя связано с УЭП анализируемого раствора следующими соотношениями:

где х - удельная электрическая проводимость анализируемого раствора; R - сопротивление первичного измерительного преобразователя с анализируемым раствором; g - проводимость первичного преобразователя с анализируемым раствором.

Калибровка канала измерения УЭП заключается в учёте значения этой постоянной. В аналоговых кондуктометрах для её учёта параметры измерительной цепи выбирают таким образом, чтобы выходной сигнал измерительной цепи был пропорционален УЭП анализируемой жидкости. В микропроцессорных кондуктометрах измеряют сопротивление или проводимость ячейки Значение УЭП анализируемой жидкости определяется микропроцессором по результатам измерения проводимости или сопротивления ПИП и введённой в память микропроцессора постоянной датчика А по формуле (3.2). Таким образом, калибровка канала измерения УЭП в приборах, использующих микропроцессор, сводится к вводу значения постоянной ячейки А в память микроконтроллера. Значение постоянной А ПИП определяют путём измерения его сопротивления с раствором, УЭП которого известна. При этом УЭП раствора измеряют прибором более высокого класса точности, например, лабораторным кондуктометром КЛ-1-С или образцовой установкой КПУ-1. Возможно использование для этих целей эталонных растворов, приготовленных в соответствии с рекомендациями по метрологии Р 50.2.021-2002 «Эталонные растворы удельной электрической проводимости жидкостей. Методика приготовления и первичной поверки». Сопротивление датчика R, заполненного раствором с известной УЭП, измеряют при нескольких её значениях. Полученные значения сопротивления описывает функция

где R - сопротивление ячейки с раствором; R,, - сопротивление проводов, полученное в результате аппроксимации; р - удельное электрическое сопротивление раствора, залитого в датчик УЭП. Удельное сопротивление р равно обратной величине УЭП, т.е.

р = — и имеет размерность Ом м.

X

В качестве примера можно привести определение постоянной контактного датчика УЭП с гладкими платиновыми электродами. Результаты измерения сопротивления ПИП и соответствующие им значения УЭП раствора приведены в табл. 3.2 и на рис. 3.4.

Таблица 3.2

Результаты измерения сопротивления датчика,

Зависимость сопротивления ПИП УЭП от удельного сопротивления эталонного раствора

Рис. 3.4. Зависимость сопротивления ПИП УЭП от удельного сопротивления эталонного раствора

заполненного жидкостью с известной УЭП

УЭП X, См/м

Удельное

сопротивление р, Ом м

Сопротивление датчика R, Ом

1,288

0,7764

8,2095

1,167

0,8569

9,0440

1,048

0,9542

10,0445

0,933

1,0718

11,2590

0,822

1,2165

12,7580

0,715

1,3986

14,6385

Относительное отклонение рассчитанного активного сопротивления ПИП от измеренного

Рис. 3.5. Относительное отклонение рассчитанного активного сопротивления ПИП от измеренного

Приведенные данные в соответствии с формулой (3.3) описываются зависимостью R = 0,196 + 10,325р, из которой следует, что сопротивление соединительных проводов равно 0,196 Ом, а постоянная датчика А = 10,325 м1.

На рис 3.5 показан график зависимости относительного отклонения сопротивления ПИП УЭП с эталонным раствором, рассчитанного по зависимости (3.3), от экспериментального. Как видно из приведённых графиков, полученная зависимость хорошо аппроксимирует экспериментальные точки. Относительное отклонение экспериментальных точек от аппроксимирующей функции не превышает 0,06 %.

При калибровке канала измерения УЭП необходимо ввести значение постоянной первичного измерительного преобразователя УЭП и сопротивление проводов, соединяющих датчик с измерительным преобразователем.

При измерении активного сопротивления или проводимости датчика УЭП необходимо учитывать факторы, влияющие на их точность. Такими факторами для контактных первичных преобразователей в области измерения больших проводимостей являются поляризационное сопротивление электродов и ёмкость двойного электрического слоя на границе раздела сред. Известна эквивалентная схема замещения контактной двухэлектродной ячейки с равными площадями электродов (рис. 1.3 б и 3.3 а), учитывающая электрохимические процессы, происходящие на электродах первичного преобразователя, и параметры анализируемой жидкости (рис. 3.6).

Эквивалентная схема двухэлектродного контактного ПИП УЭП с анализируемым раствором

Рис. 3.6. Эквивалентная схема двухэлектродного контактного ПИП УЭП с анализируемым раствором

Постоянная датчика с одинаковыми по площади электродами, плоскости которых расположены параллельно друг другу, оценивается как отношение расстояния между электродами к

площади одного электрода А = —. Ёмкость такого преобразователя равна Ср = ЕЕо~- Таким образом, постоянная первичного

преобразователя и его электрическая ёмкость ячейки связаны друг с другом как Ср = А ‘. Сопротивление объёма жидкости

А

между электродами равно R= —, а реактивное сопротивление

ОХ?п

Применение конкретной эквивалентной схемы зависит от того, в каком диапазоне УЭП находятся значения удельной электрической проводимости, на какой частоте она измеряется и способа измерения.

Суммарный импеданс раствора в ПИП УЭП равен

Если частотный диапазон напряжения питания измерительной цепи выбран так, что выполняется условие х » (оее0, то им-

А

педанс жидкости в датчике УЭП равен г = — = R. Эквивалент-

X

ная схема замещения ячейки показана на рис. 3.7 а.

Эквивалентная схема замещения ПИП УЭП

Рис. 3.7. Эквивалентная схема замещения ПИП УЭП:

С, - электрическая ёмкость двойного электрического слоя электрода; С, - электрическая ёмкость двойного электрического слоя электрода; R, - поляризационное сопротивление электродов; R - сопротивление анализируемого раствора

Оценку влияния диэлектрической постоянной анализируемой жидкости на активное сопротивление можно показать на примере его влияния на активное сопротивление эталонных растворов, которые рекомендованы для определения постоянной первичных преобразователей УЭП кондуктометров. Для определения постоянной первичного преобразователя рекомендуется использовать водные растворы хлористого калия, имеющие концентрацию 1,0, 0,1 и 0,01 моль/л. УЭП таких растворов при различных температурах приведена в табл. 3.1. Минимальная УЭП этих растворов не превышает 0,07 См/м. Наибольшее влияние диэлектрических свойств раствора будет при минимальных значениях УЭП раствора и при максимальной частоте напряжения питания измерительной цепи. Как видно из выражения для импеданса первичного преобразователя, это влияние нс зависит от постоянной ячейки (3.4).

На рис. 3.8 показано влияние диэлектрических свойств раствора КС1 с концентрацией 0,01 моль/л при температуре 0 °С на его активное сопротивление в диапазоне частот 10- 10.000 Гц.

Как следует из этого рисунка, относительное изменение активного сопротивления не превышает -5-КГ5 %, что не влияет на активное сопротивление раствора в первичном преобразователе УЭП. Поэтому эквивалентная схема замещения контактного двухэлектродного первичного преобразователя УЭП в диапазоне частот от 10 до 10.000 Гц при использовании раствора хлористого калия с концентрацией 0,01 моль/л и более имеет вид, показанный на рис. 3.7 а.

Для определения постоянной первичного преобразователя и оценки величин, влияющих на результат измерения удельной электрической проводимости анализируемого раствора неинформативных параметров, используем суммарную ёмкость электродов первичного преобразователя С и их суммарное поляризационное сопротивление Rn (рис. 3.7 б). Эти параметры связаны с приведёнными на рис. 3.7 а в случае, если электроды имеют одинаковую площадь, следующими соотношениями:

Относительная зависимость активного сопротивления ПИП с раствором КС1 концентрацией 0,01 моль/л при температуре 0 °С от частоты напряжения питания

Рис. 3.8. Относительная зависимость активного сопротивления ПИП с раствором КС1 концентрацией 0,01 моль/л при температуре 0 °С от частоты напряжения питания

При измерении сопротивления первичного преобразователя с применением компенсационного метода и компенсации по различным схемам замещения получим разные результаты измерения. Их можно использовать для определения составляющих суммарного импеданса электродов первичного преобразователя, а величину разницы этих результатов - в качестве критерия окончания процесса измерения сопротивления анализируемого раствора.

При последовательной схеме компенсирующего элемента и питании измерительной цепи переменным напряжением синусоидальной формы результат измерения активной составляющей первичного преобразователя равен

При параллельной схеме компенсирующего элемента получим следующий результат измерения:

Результаты измерения при использовании параллельной и последовательной схем компенсирующего элемента отличаются на величину AR

Приближённое равенство AR нулю возможно при условии gTC2/?,,2 » 1. Выполнение этого условия приводит к тому, что

R, = R2 = R.

Таким образом, критерием отсутствия влияния на результат измерения сопротивления анализируемой жидкости поляризационного импеданса является равенство результатов измерения сопротивления первичного преобразователя при использовании последовательной и параллельной схем соединения компенсирующего элемента.

Для оценки величины суммарной емкостной составляющей можно использовать соотношение для AR. Если учесть, что с ростом частоты наибольший вклад вносит член со4С4/?,,4/?, получим

Оценку величины поляризационного сопротивления можно получить из результатов измерения сопротивления первичного преобразователя с анализируемым раствором при последовательной схеме компенсирующего элемента и при условии, что Rt ф R. Все рассмотренные параметры связаны следующим соотношением:

Используя соотношение (3.10), можно получить оценку поляризационного сопротивления R„

Аналогичные результаты измерения активной составляющей сопротивления первичного преобразователя с анализируемым раствором можно получить, если использовать в канале сравнения активную меру. В качестве критерия равенства активных составляющих сопротивления измеряемого объекта и в канале сравнения используют критерий равенства нулю среднего значения разности токов через первичный преобразователь и канал сравнения за половину периода их напряжения питания. При этом результат измерения, отсчитываемый по каналу сравнения, будет связан с параметрами первичного преобразователя соотношением (3.6). Во втором случае за критерий окончания процесса измерения принимают равенство нулю разности падений напряжения на первичном преобразователе и канале сравнения за половину периода тока через них. Результат измерения активной составляющей первичного преобразователя связан в этом случае с параметрами первичного преобразователя соотношением (3.7).

Постоянная первичного преобразователя А определяется как произведение измеренного активного сопротивления первичного преобразователя с эталонным раствором на удельную электрическую проводимость такого раствора. В этом случае не учитывается влияние импеданса электродов первичного преобразователя и активного сопротивления соединительных проводов на результат определения постоянной.

Можно предложить следующую последовательность операций определения постоянной первичного преобразователя с гладкими платиновыми электродами:

  • - приготовить несколько растворов с известной удельной электрической проводимостью х',
  • - измерить сопротивление первичного преобразователя с каждым раствором по последовательной и параллельной схемам соединения компенсирующего элемента;
  • - определить активное сопротивление раствора в первичном преобразователе из линейной зависимости R =J[(o~2) при частоте

су = со;

- определить постоянную первичного преобразователя А и суммарное активное сопротивление контактов и подводящих про-

„ „ А

водов г из линеинои зависимости R = г н--.

/гг

Для прецизионных измерений в распространённых лабораторных кондуктометрах КЛ-3, КЛ-4, КЛ-С и поверочных установках КПУ-1 (см. разд. 3.6) для измерения УЭП менее 0,1 См/м используют проточно-погружные и наливные первичные преобразователи с гладкими платиновыми электродами.

В табл. 3.3 приведены экспериментальные данные измерения активного сопротивления первичного преобразователя с растворами различной удельной электрической проводимости при параллельной и последовательной схемах соединения компенсирующего элемента.

На рис. 3.9 и 3.10 показаны эти зависимости для первичного преобразователя УЭП с гладкими платиновыми электродами при двух значениях удельной электрической проводимости жидкости в первичном преобразователе.

Таблица 3.3

Результаты эксперимента

Часто- та, Гц

Сопротивление ПИП при УЭП контрольного раствора, Ом

0,628206 См/м

0,628206 См/м

0,24265 См/м

Поел.

Парал.

Поел.

Парал.

Поел.

Парал.

1.000

13,695

14,541

16,799

18,188

33,99

34,822

2.000

13,335

13,599

16,347

16,774

33,506

33,752

3.000

13,205

13,336

16,181

16,393

33,344

33,462

4.000

13,141

13,212

16,099

16,224

33,264

33,334

5.000

13,101

13,149

16,05

16,131

33,218

33,262

6.000

13,076

13,109

16,016

16,075

33,19

33,221

7.000

13,059

13,084

15,994

16,037

33,168

33,19

8.000

13,046

13,061

15,979

16,012

33,154

33,171

9.000

13,036

13,049

15,967

15,991

33,141

33,153

10.000

13,03

13,039

15,949

15,969

33,134

33,144

Часто- та, Гц

Сопротивление ПИП при УЭП контрольного раствора, Ом

0,12600 См/м

0,07771 См/м

0,24265 См/м

Поел.

Парал.

Поел.

Парал.

Поел.

Парал.

1.000

64,421

64,930

103,739

104,078

167,358

167,579

2.000

63,931

64,077

103,245

103,345

166,878

166,960

3.000

63,775

63,844

103,070

103,116

166,743

166,780

4.000

63,688

63,73

102,981

103,010

166,670

166,710

5.000

63,641

63,667

102,926

102,946

166,608

1'66,628

6.000

63,602

63,621

102,885

102,895

166,585

166,590

7.000

63,579

63,578

102,858

102,863

166,558

166,548

8.000

63,557

63,557

102,835

102,841

166,530

166,535

9.000

63,542

63,550

102,814

102,823

166,520

166,525

10.000

63,530

63,541

102,793

102,795

166,498

33,508

Использовать линейную функцию для экстраполяции зависимости R -J[co~2) на <ц —»со целесообразно в диапазоне частот, где она отражается этой функцией наилучшим образом. Для определения этого диапазона можно применять критерий постоянства результатов экстраполяции сопротивления на частотах со —? оо. На рис. 3.11 показаны результаты экстраполяции (от экстра... и лат. polio - приглаживаю, изменяю) в зависимости от диапазона частот, который определялся как разница между неизменной максимальной частотой, равной 10.000 Гц, и изменяемой минимальной частотой.

Зависимость сопротивления ПИП R с/=0,628206 См/м

Рис. 3.9. Зависимость сопротивления ПИП R с/=0,628206 См/м: активное сопротивление R ПИП при параллельной (I) и последовательной (2) схеме соединения компенсирующего элемента

Зависимость сопротивления ПИП R с/=0,12600 См/м

Рис. 3.10. Зависимость сопротивления ПИП R с/=0,12600 См/м: активное сопротивление R ПИП при параллельной (/) и последовательной (2) схеме соединения компенсирующего элемента

Зависимость сопротивления ПИП R от частоты

Рис. 3.11. Зависимость сопротивления ПИП R от частоты

Относительное изменение активной составляющей импеданса раствора от его УЭП

Рис. 3.12. Относительное изменение активной составляющей импеданса раствора от его УЭП

Из рис. 3.12 следует, что данному критерию удовлетворяют частоты, находящиеся в пределах от 5 до 10 кГц. Зависимость активного сопротивления ПИП от удельного сопротивления эталонных растворов (рис. 3.3 6) хорошо описывается функцией R = 0,268 + 7,9695р, т.е. постоянная датчика А = 7,9695 м~', а сопротивление соединительных проводов г = 0,268 Ом.

Изложенная методика определения постоянной контактного двухэлсктродного датчика позволяет учесть и, следовательно, исключить влияние на результат измерения факторов, связанных с электрохимическими процессами, происходящими на его электродах, и активным сопротивлением подводящих проводов.

Кроме растворов, рекомендованных для определения постоянной ПИП, можно применять и другие водные растворы, УЭП которых предварительно была измерена на образцовой установке. Критерием их использования является практическое отсутствие влияния диэлектрических свойств этого раствора на его активное сопротивление в диапазоне частот от 1.000 до 10.000 Гц. Эту границу можно определить из зависимости активной составляющей импеданса раствора в первичном преобразователе от его УЭП на частоте 10 кГц. Относительное отклонение активной составляющей импеданса раствора от его активного сопротивления в зависимости от УЭП при частоте 10.000 Гц показано на рис. 3.8. Как следует из приведённой зависимости, для определения постоянной первичного преобразователя можно применять водные растворы, УЭП которых не превышает 20 мСм/м, при этом влияние диэлектрических свойств раствора не более 0,05 %.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >