Безконтактні кондуктометри.
Особливістю приладів, що використовують безконтактний метод, є відсутність гальванічного контакту електродів з аналізованої середовищем. Низькочастотна безконтактна кондуктометрія реалізується на частоті до 1000 Гц і використовується для вимірювання сильних електролітів і слабких, якщо їх питома електрична провідність знаходиться в межах 1-10-6 См / см.
Метод безконтактної високочастотної кондуктометрії заснований на взаємодії електромагнітного поля високої частоти (порядку 105-108 Гц) з аналізованих розчином, що знаходиться в вимірювальної комірки ємнісного або індуктивного типу. У результаті взаємодії змінюється імпеданс комірки, який функціонально пов'язаний з електричними властивостями аналізованого розчину - електричну провідність і діелектричної проникністю. За конструктивним виконанням вимірювальні комірки поділяються на проточні та заглибні.
Контактні кондуктометри.
Кондуктометри складаються з чутливого елементу (кондуктометричної комірки) і вимірювального приладу, сполучених в загальне електричне коло. У комірці знаходяться два або більше за електроди, жорстко закріплених в корпусі з електроізоляційного матеріалу. Корпус і електроди формують певний постійний об'єм аналізованої рідини, чим забезпечується незмінність умов вимірювання. Через електроди і розчин, що заповнює комірку, пропускається змінний струм низької напруги, електричний опір рідини вимірюється приладом.
Електроди кондуктометричних комірок виготовляються з хімічно стійких електропровідних матеріалів: платини, нержавіючої сталі, графіту та ін. Кожна комірка характеризується електричними сталими, значення якої залежить від конфігурації електродів, їх площі і відстані між ними. Стала зберігає своє значення тільки в певному діапазоні електричної провідності, усередині якого забезпечується допустима похибка вимірювання, вказана в паспорті кондуктометра. Використання комірки для контролю розчинів, питома електропровідність ПЕП яких виходить за межі її робочого діапазону, приведе до росту похибки вимірювання. Робочий діапазон електричної провідності комірки залежить від матеріалу електроду і характеру їх поверхні, частоти змінного струму і ряду інших чинників. Найбільший діапазон мають комірки з платиновими електродами, покритими платиновою черню.
Для контролю чистих вод з ПЕП менше 5 мксм/см застосовуються кондуктометричні комірки з близько розташованими електродами великої площі (рис. 7-9). Сталі таких комірок складають 5-200 См. На водах підвищеного солевмісту (до 106 мкСм/см) використовуються комірки з електродами меншої площі, що знаходяться на більшій відстані, сталі таких комірок знаходяться в межах від 1 до 0,02 См (рис. 10-12).
1 - корпус; 2 - електроди; 3 - основа; 4 - ручка; 5 - захист; 6 - пробка; 7 - клеми
Рис. 7. Чутливий елемент кондуктометра КЛ-1-2 "Імпульс" з межами вимірювання 1-1000 мкСм/см:
1 - корпус; 2 - коаксіальні електроди; 3, 4 - прокладення; 5 - терморезистор; 6 - штуцер; 7 - клемник; 8 - кришка
Рис. 8. Чутливий елемент "А" кондуктометра АК-310 з сталими 10 і 100 См:
1 - корпус; 2 - електроди; 3, 4 - штуцери для підведення і відведення проби; 5 - прокладення; 6 - епоксидний компаунд; 7 – клеми.
Рис. 9. Комірка кондуктометра ПК-67М з межами вимірювання 0,04-10 мкСм/см.
Рис. 10. Чутливий елемент кондуктометра КЛ-1-2 "Імпульс" з межами вимірювання 103-106 мкСм/см.
Позначення – на рис. 7.
1 - корпус; 2 - електроди; 3 - термочутливий елемент; 4 - коробка затискачів
Рис. 11. Проточна триелектродна кондуктометрична комірка ЦЛЕМ, сталі 1-0,01 См:
1 - корпус; 2 - графітові електроди; 3 - термочутливий елемент; 4 - підвіска з упором; 5 - фіксатор; 6 - прокладка; 7 - гайка; 8 - клемна коробка; 9 - трубопровід з контрольованим середовищем.
Рис. 12. Занурювальна комірка з межами вимірювання 103-105 мкСм/см:
Кількість електродів в комірці може бути різною. У двоелектродній комірці (див. рис. 9) обидва електроди ізольовані від землі, тому підведення проби до неї має бути виконане гумовими або пластиковими шлангами. Ця ж комірка може бути встановлена в трубопровід з контрольованим середовищем, в цьому випадку її зовнішній електрод заземляється і екранує внутрішній від зовнішніх електричних полів. Такий же принцип використаний в трьохелектродній комірці кондуктометра АК-310 (її чутливий елемент "А" показаний на рис. 8). У цій комірці заземлений корпус 1 виконує роль зовнішнього електроду, а внутрішні електроди, що підключаються по вибору, 2 в парі з корпусом утворюють комірки з сталими близько 100 і 10 См. При підключенні верхнього електроду більшої площі діапазон вимірів складає 0-1 мкСм/см (0-0,1 мСм/см), нижнього електроду 0-10 мкСм/см (0-1,0 мСм/см). У трьохелектродній комірці (див. рис. 11) штуцера для приєднання комірки до пробопровідної лінії виконують роль зовнішніх електродів і екранують центральний ізольований електрод. Міняючи відстань між центральним і крайнім електродами, отримують комірки з різними сталими на різні діапазони вимірювань.
Для метрологічних цілей розроблена чотириелектродна комірка з двома струмовими електродами (робочими) і двома потенціальними (вимірювальними), з яких знімають значення спаду напруги на певній ділянці комірки з відомими геометричними розмірами. На основі такої комірки створений Державний спеціальний еталон одиниці ПЕП.
Кондуктометричні комірки можуть бути проточними або занурювальними. Проточна комірка (див. рис. 8, 9, 11) приєднується безпосередньо до точки відбору, або проба заливається в неї. Занурювальна комірка (див. рис. 9, 12) опускається в посудину з аналізованою рідиною або встановлюється в трубопровід з контрольованим середовищем. Повне заповнення комірки є обов'язковою умовою правильного вимірювання, в ній не повинно бути бульбашок повітря, тому потік рідини через комірку або її наповнення повинні робитися від низу до верху. В процесі експлуатації на поверхні електродів і корпусу комірки можуть з'явитися відкладення, що спотворюють результати вимірювання. Комірки необхідно періодично очищати відповідними розчинниками.
Шкали кондуктометрів градуюються в одиницях питомої електричної провідності. У приладах, призначених для контролю концентрацій монорозчинів, застосовується градуювання шкал в одиницях концентрацій - такі прилади називають солемірами або концентратомірами. Результати виміру ПЕП багатокомпонентних розчинів доцільно виражати в одиницях електричної провідності, оскільки цей показник об'єктивніше характеризує якість проби, ніж умовний солевміст. При використанні кондуктометрів для контролю водно-хімічного режиму норми слід також встановлювати в одиницях ПЕП, а перерахунок електричної провідності в солевміст виконувати тільки у разі потреби при налагодженні систем контролю або теплохімічних випробуваннях. У ряді випадків для змінного персоналу встановлюють норми ПЕП для декількох температур проби, щоб уникнути необхідності наведення результатів до однієї температури.
Для, нашого пристрою найкраще підходить проточна триелектродна кондуктометрична комірка ЦЛЕМ.
Блок вимірювання електропровідності молока.
Імпедансні методи знаходять застосування в електрохімічному аналізі речовин, біологічних дослідженнях (імпедансна мікробіологія), імпедансній спектроскопії, для контролю якості елементів живлення та акумуляторних батарей, цементів, деревини, продуктів харчування тощо. Для реалізації та ширшого впровадження цих методів у практичну діяльність необхідною умовою є створення відповідної апаратної бази, яка би задовольняла такі критерії: точність і швидкість вимірювання, виконання вимірювань у широкому частотному діапазоні, можливість пересилання інформації у комп’ютер для подальшого оброблення і зберігання, мала споживана потужність, невисока собівартість. Під час створення вимірювача імпедансу на дискретних елементах чи універсальних ІС необхідно забезпечити стійкість вимірювального каналу у широкій частотній смузі та здійснювати корекцію із урахуванням частоти тестового сигналу, взяти до уваги похибку кожного вузла вимірювального каналу і вплив температури зовнішнього середовища. Такий підхід призводить до високої собівартості і часових затрат.
Сучасні досягнення мікроелектроніки дають змогу вирішити цю проблему ефективніше.
Опис вимірювальної системи.
Основою вимірювальної системи є мікросхема AD5933 (Analog Devices), що є інтегральним перетворювачем імпедансу на цифровий код. Мікросхема побудована за принципом прямого перетворення. AD5933 містить у собі синтез – генератор (DDS) сигналу збудження, 12-розрядний АЦП із частотою дискретизації 1 МГц, DSP процесор, давач температури. Задавальний генератор забезпечує вимірювання імпедансу від 100 Ом до 9 МОм у частотній смузі 1–100 кГц з можливістю дискретної зміни амплітуди сигналу збудження від 2 В до 200 мВ. Оброблення сигналу відгуку здійснює АЦП і сигнальний DSP процесор, що застосовує алгоритм дискретного перетворення Фур’є (ДПФ) для обчислення дійсної та уявної складових імпедансу.
ДПФ здійснюється для кожної точки частотної смуги, в якій виконують вимірювання за таким алгоритмом:
;
де X (ω) є модулем сигналу на частотіw, x (n) є результатом вимірювання АЦП.
Добуток обчислюється за 1024 відліками для кожної частотної точки. Результат суми зберігається у двох 16-бітних регістрах, які відображають дійсну (Re) та уявну (Im) складові імпедансу. Відносні модуль M(ω) і фаза φ (ω) обчислюються за формулами:
;
;
Для переходу від відносного до реального значення величина відносного модуля M(ω) повинна бути помножена на передатний коефіцієнт K(ω) каналу вимірювання. Для отримання достовірного значення фази результат вимірювання необхідно скоректувати з урахуванням внутрішнього фазового зсуву φ0 (ω), що наявний у каналі вимірювання. К(ω) та φ0 (ω) знаходять в результаті процедури калібрування, яка зводиться до вимірювання апріорі відомого імпедансу (точного активного опору) на цій частоті:
;
│Zcal│– модуль калібрувального імпедансу, M(ω)cal – результат вимірювання калібрувального імпедансу на цій частоті. 
Отже, під час вимірювання невідомого імпедансу
;
де │Zx│ – модуль невідомого імпедансу, Mx – результат вимірювання.
Вимірювальна система (рис. 2) побудована на основі мікросхеми AD5933 і керівного мікроконтролера MSP430F155 (Texas Instruments). Алгоритм функціонування мікроконтролера реалізовано мовою ASSEMBLER у комп’ютерному середовищі програмування IAR Workbench. Мікроконтролер здійснює такі функції:
· керує роботою перетворювача по послідовній шині I2C;
· визначає граничні межі та автоматично перемикає діапазони вимірювання;
· виконує математичні операції з перетворення і оброблення результатів вимірювання;
· пересилає результати вимірювання на рідко-кристалічний дисплей для індикації;
· виконує процедуру калібрування, записує і зчитує значення К(ω) та φ0 (ω) з енергонезалежної пам’яті EEPROM;
· працює під керуванням комп’ютерної програми при під’єднанні до комп’ютера через послідовний порт;
Процедура калібрування здійснюється для кожного діапазону вимірювання окремо. У загальному випадку передатний коефіцієнт K(ω) і внутрішній фазовий зсув φ0 (ω) залежать від частоти. Для здійснення вимірювань у частотній смузі 1–100 кГц значення передатного коефіцієнта та внутрішнього фазового зсуву знаходять для множини частотних опорних точок з кроком 500 Гц. Для частот, не кратних 500 Гц, значення K(ω) і φ0 (ω) обчислюють за допомогою лінійної інтерполяції між двома сусідніми опорними точками. Значення передатного коефіцієнта K(ω) і фазового зсуву φ0 (ω) зберігаються у вигляді масиву даних у енергонезалежній пам’яті EEPROM. Для візуалізації, оброблення і зберігання результатів вимірювання розроблено прикладну комп’ютерну програму у середовищі візуального програмування LabWindows, що керує вимірювальною системою через послідовний порт.
На рис. 4, 6 наведено експериментальні результати вимірювання імпедансних характеристик тестових паралельно та послідовно сполучених RLC кіл (рис. 3, 5). Ці результати цілком узгоджуються з теоретичними даними.
Розроблено прототип аналізатора імпедансу на основі мікросхеми AD5933 та керівного мікроконтpолера сім’ї MSP430 (Texas Instruments). За відносної простоти схемної реалізації вимірювальна система забезпечує вимірювання імпедансу від 10 Ом до 1 МОм у смузі частот 1–100 кГц з мінімальним кроком 50 Гц і базовою похибкою 3%. З огляду на те, що основні компоненти працюють на доволі низькій напрузі живлення (3.5 вольт) із мінімальним споживанням струму, подібні вимірювальні системи можуть знайти широке застосування у портативних вимірювальних приладах з автономним живленням. Зокрема, у вимірювачах CLR, приладах, призначених для електрохімічного аналізу речовин, імпедансної спектроскопії, для контролю якості елементів живлення та акумуляторних батарей. Цифровий метод калібрування забезпечує гнучкість побудови вимірювального каналу, простоту калібрування, сталість метрологічних параметрів і є базою для реалізації цифрових методів корекції й компенсації передатних характеристик первинних перетворювачів у широкому частотному діапазоні.
