هدایت سنج یا کنداکتیویتی متر یا کنداکتومتر ــ انواع و اصول کاری

هدایت سنج یا کنداکتیویتی متر یا کنداکتومتر ــ انواع و اصول کاری

هدایت سنج یا کنداکتومتر یا کنداکتیومتر که به آن ECمتر یا کنداکتیویتی‌متر نیز می‌گویند، تجهیزی است که برای اندازه‌گیری هدایت الکتریکی محلول‌ها و مواد مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. واژه کنداکتیویتی (Conductivity) به توانایی یک ماده برای هدایت جریان الکتریکی اشاره دارد. در واقع کنداکتیویتی یک خاصیت اساسی در حوزه فیزیک، شیمی و مهندسی به شمار می‌آید و نقش مهمی در بسیاری صنایع و کاربردها بازی می‌کند. در این مقاله از وبلاگ پریسماتک به بررسی هدایت سنج یا کنداکتومتر یا کنداکتیومتر می‌پردازیم و اصول کار، ساختار، انواع مختلف، کاربردها و اجزای هدایت سنج را به تفصیل شرح می‌دهیم. توصیه می‌شود تا انتهای مطلب با ما همراه باشید.

کنداکتیویتی چیست؟

کنداکتیویتی با واحد زیمنس بر متر (S/m) و یا معکوس آن، مقاومت، با واحد اهم متر (Ω·m) اندازه‌گیری می‌شود. هرچه کنداکتیویتی یک ماده بالاتر باشد، بهتر می‌تواند جریان الکتریکی را از خود عبور دهد. در حالیکه مواد با کنداکتیویتی پایین به عنوان عایق الکتریکی در نظر گرفته می‌شوند. معمولا فلزات به دلیل ساختار اتمی خود رساناهای بسیار خوب الکتریسیته هستند. در فلزات، بیرونی‌ترین الکترون‌های اتم‌ها که به آن‌ها الکترون‌های والانس گفته می‌شود، می‌توانند آزادانه درون ماده حرکت کنند. وجود این دریای الکترون، عبور جریان الکتریکی هنگام اعمال یک ولتاژ را ممکن می‌سازد.

از طرف دیگر، در موادی که عایق الکتریکی هستند، الکترون‌ها به شدت مقید هستند و امکان حرکت آزادانه ندارند، همین دلیل، آن‌ها را رساناهای ضعیف الکتریسیته می‌سازد. پلاستیک، شیشه و لاستیک را می‌توان نمونه‌هایی از مواد عایق الکتریکی دانست. نیمه‌رساناها از لحاظ هدایت جریان الکتریکی، در حد وسط مواد رسانا و عایق قرار می‌گیرند. این مواد رسانایی الکتریکی متوسطی دارند که به شدت تحت تاثیر دما و ناخالصی قرار می‌گیرد. نیمه‌رساناها در ادوات الکترونیکی مانند ترانزیستورها، دیودها و مدارات مجتمع نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند.

کاربردهای هدایت الکتریکی یا کنداکتیوتی

ویژگی هدایت الکتریکی در عمل کاربردهای بسیار زیادی دارد. یکی از این کاربردها در سیم‌های الکتریکی است. مواد با رسانایی الکتریکی بالا مانند مس و آلومینیوم در سیم‌های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا مقدار اتلاف انرژی در طول انتقال را کمینه کنند. همچنین مواد رسانا اجزای ضروری در تجهیزات و مدارهای الکترونیکی هستند که سیگنال‌ها را از خود عبور می‌دهند. سنسورهای سنجش میزان هدایت الکتریکی از دیگر کاربردها هستند که برای اندازه‌گیری مقدار غلظت یون‌ها در محلول‌ها به کار می‌روند و در کاربردهایی نظیر مانیتورینگ یک محیط یا آنالیز شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در شیمی، الکترولیز (Electrolysis) شامل استفاده از جریان الکتریکی برای هدایت یک واکنش شیمیایی غیرخودبه‌خودی است. رسانایی در این فرایند بسیار مهم است. از دیگر کاربردهای هدایت الکتریکی یا کنداکتیویتی، انتقال گرما است. در برخی موارد، مواد دارای کنداکتیویتی حرارتی بالا، مانند فلزات، برای انتقال موثر گرما مورد استفاده قرار می‌گیرند. آگاهی از کنداکتیویتی مواد در طراحی و بهینه‌سازی تکنولوژ‌ی‌های وابسته به مشخصه‌های الکتریکی یا حرارتی امری ضروری است. چه در کاربردهای روزمره مانند ابزارهای خانگی و چه در کاربردهای لبه علم مانند نانوتکنولوژی، درک کنداکتیویتی یا هدایت الکتریکی برای پیشرفت و نوآوری حیاتی است.

هدایت سنج یا کنداکتومتر یا کنداکتیومتر چیست؟

چنانکه در ابتدای مطلب اشاره شد، هدایت سنج یا کنداکتومتر یا کنداکتیومتر که گاهی به آن ECمتر یا کنداکتیویتی‌متر نیز می‌گویند، تجهیزی است که برای اندازه‌گیری هدایت الکتریکی محلول‌ها و مواد مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدایت سنج یک تجهیز بسیار ضروری در بسیاری حوزه‌ها از جمله شیمی، علوم محیط زیست، هیدرولوژی، کشاورزی و مانیتورینگ کیفیت آب است. در واقع هر هدایت سنج دارای یک پرب یا پروب (probe) است که درون آن دو عدد یا بیشتر الکترود از جنس مواد رسانا (عمدتا فلز) قرار دارند. زمانی که پروب درون محلول فرو برده می‌شود، جریان الکتریکی بین الکترودها برقرار می‌شود.

نکته اساسی و مبنای کار هر هدایت سنج این است که میزان هدایت الکتریکی محلول بر میزان جریان الکتریکی بین الکترودها تاثیر می‌گذارد. کنداکتیویتی یک محلول با غلظت یون‌های حاضر در محلول رابطه مستقیم دارد. محلول‌های با غلظت یونی بالا، مانند نمک‌ها، اسیدها و بازها هدایت الکتریکی بالاتری نسبت به آب خالص یا محلول با غلظت یونی پایین دارند. همان طور که اشاره شد، هدایت سنج یا کنداکتیومتر برای تعیین شوری آب، ارزیابی غلظت یون‌های حل‌شده، مانیتورینگ خلوص آب و در فرایندهای صنعتی و کنترل سلامت اکوسیستم‌های آبی کاربرد دارد. همچنین این تجهیزات در کشاورزی و هیدروپونیک برای کنترل سطح مواد مغذی در محلول‌های آبیاری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

اجزای یک هدایت سنج

هر هدایت سنج از چند جز اساسی تشکیل شده است که با همدیگر کار می‌کنند تا مولفه کنداکتیویتی محلول اندازه‌گیری شود. این اجزا ممکن است بسته به نوع طراحی و کاربرد، تفاوت‌هایی با هم داشته باشند، اما قسمت‌های اصلی معمولا به شرح زیر هستند.

الکترودها

الکترودها اصلی‌ترین المان اندازه‌گیری در هر هدایت سنج یا کنداکتیویتی متر به شمار می‌آیند. الکترودها معمولا از مواد رسانا مانند فلز یا گرافیت ساخته می‌شوند تا امکان عبور جریان الکتریکی وجود داشته باشد. تعداد الکترودها می‌تواند در مدل‌های مختلف با همدیگر تفاوت داشته باشد، اما متداول‌ترین پیکربندی‌ها به صورت دو و چهار الکترودی هستند. تفاوت بین این دو نوع الکترود در ادامه بیان می‌شود.

بدنه سنسور

هاوزینگ یا بدنه کنداکتیومتر الکترودها را در خود جای می‌دهد و از آن‌ها در برابر آلودگی و آسیب محافظت می‌کند. جنس بدنه معمولا از موادی مانند استیل ضدزنگ است تا در برابر محلول مورد سنجش مقاوم باشد. ممکن است هاوزینک هدایت سنج دارای شکل و طراحی خاصی باشد تا عملکرد آن در محیط‌های مختلف بهینه شود.

تنظیم‌کننده ثابت سلول

ثابت سلول (cell constant) یک فاکتور کالیراسیون است که فاصله بین الکترودها را به مقادیر هدایت الکتریکی اندازه‌گیری‌شده ارتباط می‌دهد. از آنجا که کنداکتیویتی یک محلول با غلظت یون‌های آن‌‌‌‌ رابطه مستقیم و با فاصله بین الکترودها رابطه معکوس دارد، پس تنظیم ثابت سلول، از طریق احتساب فضای بین الکترودها، موجب افزایش دقت اندازه‌گیری می‌شود.

سنسور دما

وجود سنسور دما در هدایت سنج الزامی نیست. برخی انواع کنداکتیومتر دارای سنسور دما یا ترمیستور نیز هستند. دما می‌تواند تاثیر مستقیم روی میزان هدایت الکتریکی داشته باشد. بنابراین وجود سنسور دما امکان جبرانسازی دمایی و در نتیجه اندازه‌گیری دقیق‌تر را مخصوصا در صورت وجود تغییرات دمایی فراهم می‌کند.

کانکتور یا کابل

کنداکتومتر معمولا دارای کانکتور یا کابل جهت اتصال به تجهیز اندازه‌گیری است. این کابل امکان انتقال سیگنال الکتریکی بین الکترودها و تجهیز اندازه‌گیری به منظور پردازش سیگنال و نمایش را فراهم می‌کند.

محلول کالیبراسیون

برای اطمینان از اندازه‌گیری دقیق، هر هدایت سنج باید در فواصل معین و توسط محلول‌های استاندارد کالیبراسیون شود. محلول‌های استاندارد دارای هدایت الکتریکی معینی هستند و کمک می‌کنند تا خوانش کنداکتیویتی‌متر متناسب با یک نقطه مرجع استاندارد تنظیم شود.

تجهیز اندازه‌گیری

پروب‌‌ها همراه با تجهیز اندازه‌گیر مورد استفاده قرار می‌گیرند. وظیفه این قسمت از هدایت سنج دریافت سیگنال‌های الکتریکی از پروب، تحلیل داده و نمایش مقدار کنداکتیویتی بر حسب واحد مورد نظر (زیمنس بر متر یا میکروزیمنس بر سانتی‌متر) است.

نحوه کار هدایت سنج یا کنداکتیومتر

اصول کار هدایت سنج مبتنی بر هدایت الکتریکی محلول است که معیاری از توانایی آن در هدایت جریان الکتریکی به شمار می‌آید. کنداکتومتر از طریق تشخیص کنداکتیویتی الکتریکی بین الکترودها هنگام غرق شدن در محلول کار می‌کند. هر چقدر غلظت یون‌ها در محلول بیشتر باشد، کنداکتیویتی الکتریکی مقداری بالاتر است. در ادامه توضیح گام به گام مراحل کار هدایت سنج آمده است.

• پروب هدایت سنج شامل دو یا تعداد بیشتر الکترود از جنس آهن یا گرافیت است که اگر درون یک محلول فرو برده شود، بین آن الکترودها جریان الکتریکی برقرار می‌شود.
• محلول مورد اندازه‌گیری از یون‌هایی تشکیل شده است که ذراتی باردار هستند و از نمک‌های حل شده، اسید، باز و یا سایر مواد موجود در محلول ناشی می‌شوند. حضور یون در محلول امکان هدایت الکتریکی را برقرار می‌سازد.
• زمانی که یک جریان الکتریکی به الکترودها اعمال می‌شود، یون‌های درون محلول به سمت الکترود با بار مخالف می‌روند. یون‌های مثبت یا کاتیون به سمت الکترود با بار منفی و یون‌های منفی یا آنیون به سمت الکترود با بار مثبت می‌روند.
• حرکت یون‌ها درون محلول، جریانی از بار را می‌سازد که منجر به کنداکتیویتی الکتریکی می‌شود. هر چقدر یون‌های محلول بیشتر باشد، مقاومت کمتر بوده و جریان بیشتری عبور می‌کند.
• هدایت سنج مقدار جریان عبوری بین الکترودها و نیز اختلاف ولتاژ بین آن‌ها را اندازه می‌گیرد. با دانستن مقادیر ولتاژ و جریان، می‌توان هدایت الکتریک که عکس مقاومت الکتریکی است را از طریق قانون اهم اندازه‌گیری کرد.  ( ولتاژ * ثابت سلول) / جریان = کنداکتیویتی
• در مرحله بعد می‌توان با استفاده از سنسور دما جبرانسازی دمایی را برای حذف اثر دما بر کنداکتیویتی انجام داد.
• پروب مقدار هدایت الکتریکی اندازه‌گیری‌شده را به data logging منتقل می‌کند تا بر روی آن تحلیل‌های لازم انجام شود و با واحد مورد نظر نمایش داده شود.

انواع پروب هدایت سنج

پروب هر هدایت سنج یا کنداکتیومتر معمولا دارای طراحی‌های مختلفی است که هر کدام برای کاربرد مختلفی مناسب است. در ادامه برخی از مهم‌ترین انواع پروب هدایت سنج یا کنداکتومتر را بررسی می‌کنیم.

پروب‌های هدایت سنج دو الکترودی

پروب دو الکترودی ساده‌ترین نوع پروب است که از دو الکترود تشکیل شده است که با یک فاصله ثابت از یکدیگر جدا شده‌اند. هدایت سنج دو الکترودی برای کاربردهای معمولی سنجش کنداکتیویتی در محلول‌های با غلظت یونی متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پروب‌های هدایت سنج چهار الکترودی

هدایت سنج با پروب چهار الکترودی در واقع از دو جفت الکترود بهره می‌برد. یکی از این جفت الکترودها برای تزریق جریان و دیگری برای اندازه‌گیری ولتاژ مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع از کنداکتومتر دقت بالاتری دارد و کمتر تحت تاثیر قطبیدگی (polarization) قرار می‌گیرد. به همین دلیل کنداکتیومتر چهار الکترودی برای گستره وسیعی از کاربردها و مقادیر کنداکتیویتی مناسب است.

پروب‌های هدایت سنج القایی

مواردی که در بالا بیان شدند را می‌توان در گروه هدایت سنج‌های تماسی طبقه‌بندی کرد. اما گروه دیگری از هدایت‌سنج‌ها وجود دارند که به آن‌ها هدایت سنج بدون الکترود یا غیرتماسی یا القایی می‌گویند. این نوع کنداکتومتر از جریان متناوب (AC) برای اندازه‌گیری هدایت الکتریکی استفاده می‌کند و نیازی به تماس مستقیم با سیال فرایند ندارند. این نوع هدایت سنج بیشتر در نوع آنلاین یا اینلاین و برای سیستم‌های مانیتورینگ پیوسته مانند آنالیز کیفیت محصولات مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای اطلاعات بیشتر از نحوه کار این نوع هدایت سنج به مطلب کنداکتیویتی‌متر بدون الکترود مراجعه بفرمایید.

پروب‌های هدایت سنج Submersible

پروب‌های کنداکتیومتر Submersible به این منظور طراحی شده‌اند که به صورت مستقیم در مخازن و تانکرهای حاوی محلول مورد سنجش فرو برده شوند. این نوع کنداکتومتر بیشتر در مانیتورینگ محیط، آنالیز کیفیت آب و تحقیقات هیدرولوژی کاربرد دارد. این نوع پروب‌ها معمولا در برابر خوردگی مقاوم هستند و به همین دلیل برای کاربردهای گسترده در محیط‌های مختلف مناسب هستند.

پروب کنداکتیومتر Flow-Through

پروب کنداکتیومتر Flow-Through برای ادغام با سیستم‌های با سیال جاری طراحی شده‌اند. این نوع هدایت سنج معمولا در فرایندهای صنعتی و پلنت‌های بهسازی آب برای بررسی کنداکتیویتی سیال مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از پروب‌های Flow-Through امکان مانیتورینگ پیوسته را فراهم می‌کند و می‌تواند برای نصب بر روی لوله‌های با سایز مختلف ساخته شود.

پروب کنداکتیومتر دمای بالا

پروب کنداکتومتر دمای بالا (High-temperature) به منظور تحمل دماهای بیش از حد نرمال طراحی شده‌ است. این نوع پروب هدایت سنج معمولا در فرایندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند که در آن‌ها نیاز به اندازه‌گیری کنداکتیویتی سیال با دمای بسیار بالا باشد.

پروب هدایت سنج چند پارامتری

برخی کنداکتیویتی مترهای پیشرفته با سنسورهای دیگر، مانند سنسور دما، PH، اکسیژن حل‌شده یا سنسورهای میزان کدری (turbidity) ادغام شده‌اند که در این حالت به آن‌ها چند پارامتری (multiparameter) می‌گویند. این تجهیزات چندمنظوره می‌توانند اندازه‌گیری‌های هم‌زمان چندیت پارامتر مختلف را انجام دهند و فقط با یک وسیله، آنالیزی جامع  از کیفیت سیال داشته باشند.

مقایسه انواع هدایت سنج

انتخاب نوع هدایت سنج یا کنداکتیویتی متر به کاربرد مورد نظر، بازه مقادیر کنداکتیویتی، شرایط محیطی و سطح دقت مورد نیاز بستگی دارد. هر نوع پروب مزایا و معایب خاص خود را دارد. بنابراین انتخای نوع مناسب هدایت سنج برای اطمینان از اندازه‌گیری دقیق و صحیح الزمی است.

مقایسه کنداکتیویتی متر با پروب تماسی و غیرتماسی

هدایت سنج با پروب‌های تماسی از طریق تماس مستقیم با محلول مورد سنج و فرو بردن الکترودها در آن کار می‌کند. این نوع به هدایت الکتریکی محلول متکی است که امکان عبور جریان را بین الکترودها فراهم می‌کند. اندازه‌گیری جریان و ولتاژ با تماس فیزیکی مستقیم با سیال و برقراری اتصال الکتریکی مستقیم با الکترودها انجام می‌شود. از طرف دیگر، هدایت سنج‌های با پروب غیرتماسی یا القایی به تماس مستقیم با محلول نیاز ندارند. این نوع کنداکتیومتر از جریان AC برای اندازه‌گیری میزان کنداکتیویتی استفاده می‌کند و با بهره‌گیری از میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی را درون محلول القا می‌کند. کنداکتومتر القایی از یک سیم‌پیچ تشکیل شده است که در اطراف بدنه پروب میدان مغناطیسی تولید می‌کند. زمانی که محلول از درون این میدان مغناطیسی عبور کند، کنداکتیویتی محلول بر اندوکتانس تاثیر می‌گذارد و از این تغییر در اندوکتانس، برای اندازه‌گیری هدایت الکتریکی استفاده می‌شود.

کنداکتیومتر با پروب‌ تماسی دارای دقت بالایی است و در اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی کاربرد دارد. اما در محلول‌های با هدایت الکتریکی پایین، مشکل قطبیدگی دارند و نیاز به نگهداری و تمیز کردن مداوم دارند تا رسوبات از روی الکترودها زدوده شوند. از طرف دیگر، کنداکتیومترهای با پروب‌ غیرتماسی کمتر تحت تاثیر مشکل قطبیدگی قرار می‌گیرند و این واقعیت که با سیال تماس مستقیم ندارند آن‌‌ها را برای کاربردهای آنلاین یا اینلاین و مانیتورینگ پیوسته ایده‌آل می‌سازد. البته این نوع هدایت سنج در کنداکتیویتی‌های بسیار کم یا بسیار زیاد دارای دقت پایینی هستند.

مقایسه هدایت سنج اینلاین و هدایت سنج آزمایشگاهی

هدایت سنج آزمایشگاهی برای استفاده در شرایط آزمایشگاهی کنترل‌شده طراحی می‌شوند. این نوع هدایت سنج معمولا در تحقیقات، آنالیزهای شیمیایی، تست کیفیت آب و آزمایش‌های علمی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آن‌ها نیاز به اندازه‌گیری دقیق مقدار کنداکتیویتی وجود دارد. هدایت سنج آزمایشگاهی معمولا دارای طراحی benchtop یا رومیزی و مجهز به data logging برای ضبط و نمایش نتایج است. کنداکتیومتر آزمایشگاهی دارای عملکرد دستی بوده و توسط شخص آزمایش‌کننده به درون محلول مورد سنجش فرو برده می‌شود. برای اندازه‌گیری دقیق‌ حتما باید پروب با محلول در تماس مستقیم باشد. پروب کنداکتیومتر آزمایشگاهی چندکاره است و برای گستره وسیعی از انواع محلول‌ها با مقادیر کنداکتیویتی مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع هدایت سنج به محققان این امکان را می‌دهد که آنالیز جزئی و دقیقی را در آزمایش‌های مختلف انجام دهند. هدایت سنج‌های آزمایشگاهی تجهیزاتی با دقت بسیار بالا هستند که برای انعطاف‌پذیری بیشتر، ممکن است کالیبراسیون‌های مختلف و بازه‌های چندگانه اندازه‌گیری داشته باشند.

هدایت سنج اینلاین یا هدایت سنج آنلاین (In-line) برای مانیتورینگ پیوسته و کنترل کنداکتیویتی سیالات در فرایندهای صنعتی و پلنت‌های بهسازی آب و سایر کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آن‌ها به داده‌های زمان واقعی (real-time) نیاز است. پروب کنداکتیومتر اینلاین با لوله‌های فرایند یا سیستم فلو تجمیع می‌شود. طراحی این نوع هدایت سنج‌ها به نحوی است که شرایط سخت صنعتی را تحمل کنند و در برابر خوردگی و رسوب مقاوم باشند. پروب یک کنداکتومتر اینلاین به صورت دائمی در مسیر عبور سیال نصب می‌شود و امکان مانیتورینگ پیوسته کنداکتیویتی سیال را بدون نیاز به کنترل دستی فراهم می‌کند. هدایت سنج آنلاین مستقیما به سیستم‌های کنترل فرایند یا سیستم‌های کنترل توزیع‌شده (DCS) متصل می‌شود و داده‌های آنلاین برای استفاده در بهینه‌سازی فرایند و کنترل اتوماتیک فراهم می‌کند.

کنداکتومتر اینلاین برای تحمل عملیات پیوسته در محیط‌های صنعتی طراحی شده است و دارای ویژگی‌هایی است که از رسوب و انسداد الکترودها جلوگیری می‌کنند تا اندازه‌گیری پیوسته و قابل اطمینان حاصل شود. کنداکتومترهای آنلاین برای مقاوم بودن و نیز پایداری در بازه‌های زمانی طولانی مهندسی شده‌اند. بنابراین، اگرچه ممکن است سطح دقتی در حد کنداکتومتر آزمایشگاهی نداشته باشند، اما اندازه‌گیری‌های با دقت مناسب و پیوسته فراهم می‌کنند که برای کنترل و مانیتورینگ اولیت بالاتری دارند.

مقایسه کالیبراسیون ۱ نقطه‌ای و ۲ نقطه‌ای

کالیبراسیون ۱ نقطه‌ای و ۲ نقطه‌ای در واقع دو روش متداول برای کالیبراسیون تجهیزات مختلف مانند هدایت سنج ها هستند. با انجام کالیبراسیون از دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری‌ها مطمئن می‌شویم. تفاوت بین این دو روش در تعداد نقاط کالیبراسیون مورد استفاده در طول فرایند است. در روش کالیبراسیون ۱ نقطه‌ای، تجهیز با استفاده از فقط یک استاندارد مرجع کالیبره می‌شود که به آن استاندارد کالیبراسیون می‌گویند.

استاندارد مرجع یک محلول با مقدار معین و پایدار متناظر با یک پارامتر اندازه‌گیری مخصوص (مانند PH، کنداکتیویتی، دما) است. در طول فرایند کالیبراسیون ۱ نقطه‌ای، تجهیز بر اساس خوانش به دست آمده از استاندارد مرجع در یک نقطه خاص تنظیم می‌شود. زمانی که در این نقطه کالیبره شد، تجهیز مورد نظر یک رابطه خطی بین پارامتر اندازه‌گیری و خوانش متناظر برای تمام بازه اندازه‌گیری فرض می‌کند.

اگرچه کالیبراسیون ۱ نقطه‌ای روشی سرراست و راحت است، اما برای سایر نقاط محدوده اندازه‌گیری عدم دقت‌های بالقوه را در نظر نمی‌گیرد. در نتیجه، بیشتر برای کاربردهایی مناسب است که در آن‌ها یا دقت اندازه‌گیری کمتر اهمیت دارد و یا پاسخ تجهیز در طول تمام بازه خطی باشد.

 در روش کالیبراسیون ۲ نقطه‌ای، تجهیز با دو استاندارد مرجع مختلف با مقادیر مشخص کالیبره می‌شود. این استانداردها نشان دهنده دو نقطه مختلف در بازه اندازه‌گیری تجهیز هستند که معمولا یکی از آن‌ها در پایین‌ترین و دیگری در بالاترین انتهای بازه قرار دارند. در طول فرایند کالیبراسیون ۲ نقطه‌ای، تجهیز بر اساس خوانش به دست آمده از هر دو استاندارد مرجع تنظیم می‌شود. این کار به تجهیز این امکان را می‌دهد که هرگونه غیرخطی بودن و یا خطای سیستماتیک موجود در طول گستره اندازه‌گیری را به حساب آورد.

با استفاده از روش کالیبراسیون دو نقطه‌ای، منحنی کالیبراسیون می‌تواند با دقت بیشتری بر پاسخ‌های تجهیز فیت شود و در نتیجه دقت اندازه‌گیری بهبود می‌یابد. کالیبراسیون دو نقطه‌ای معمولا دقیق‌تر و قابل اعتمادتر از کالیبراسیون تک نقطه‌ای است، به همین دلیل برای کاربردهایی ترجیح داده می‌شود که یا به دقت بالا نیاز است و یا پاسخ تجهیز غیرخطی است.

نحوه کار کانداکتیویتی متر دو الکترودی

کانداکتیویتی محلول را از طریق عبور جریان الکتریکی از آن اندازه‌گیری می‌کنیم. ابتدایی‌ترین شکل کنداکتیویتی مترها که به آن‌ها کانداکتیویتی سل (conductivity cell) می‌گویند، دارای دو الکترود فلزی هستند. این الکترودها وارد محلول می‌شوند و خود به مداری متصل هستند که برای اندازه‌گیری کندوکتانس (G) یا همان معکوس مقاومت الکتریکی طراحی شده است.

یک مشکل متداول در اندازه‌گیری الکتریکی کندوکتانس مایعات این است که مقدار کندوکتانس به دست آمده اطلاعات زیادی درباره خود مایع به ما نمی‌دهد. زیرا اندازه‌گیری همان قدر که به هندسه صفحات (سطح مقطع A و فاصله d آن‌ها) بستگی دارد، به فعالیت یونی محلول هم وابسته است. آنچه که واقعا به اندازه‌گیری آن نیاز داریم، کانداکتیویتی مخصوص (K) است که مستقل از هندسه صفحات باشد.

هنگام اندازه‌گیری مقاومت رساناهای فلزی نیز دقیقا با همین مشکل روبه‌رو می‌شویم. اگر تلاش کنیم مقاومت یک تکه سیم را با روشی مشابه آنچه در بالا گفتیم به دست آوریم، آن‌گاه نتیجه‌ای که به دست می‌آوریم علاوه بر مقاومت، به طول و سطح مقطع سیم نمونه یا مدل نیز وابسته خواهد بود. به عبارت دیگر، مقدار محاسبه شده برای مقاومت بر حسب اهم که از روی ولتاژ و جریان اندازه‌گیری شده به دست آوردیم، اطلاعاتی کلی راجع به نوع فلز به ما نمی‌دهد. بلکه آن‌چه به دست آورده‌ایم، صرفا مقاومت آن تکه سیم خاص است. به منظور اندازه‌گیری مقاومت مخصوص (ρ) یا رزیستانس یک فلز، باید طول مخصوص و سطح مقطع مخصوص را نیز مد نظر قرار دهیم.

فرمول کندوکتانس

رابطه ریاضی بین کندوکتانس (G) سطح مقطع صفحه (A)، فاصله صفحات (d) و کانداکتیویتی مخصوص مایع (K) به صورت زیر بیان می‌شود:

G = K * A / d

که در این رابطه، G کندوکتانس بر حسب زیمنس، K کندوکتانس مخصوص مایع بر حسب زیمنس بر سانتی متر، A مساحت الکترود بر حسب سانتی متر مربع و d فاصله بین الکترودها بر حسب سانتی متر است. واحد زیمنس بر سانتی متر برای کندوکتانس مخصوص مایع ممکن است ابتدا عجیب به نظر برسد. اما توجه به این نکته ضروری است که تمام واحدها در فرمول باید مطابق آنچه گفتیم باشد.

به منظور اندازه گرفتن هندسه صفحات در هر سلول مخصوص، سازنده معمولا مقدار کسر d/A را به عنوان یک ثابت (با نام ثابت سلول) ارائه می‌دهد. نماد این ثابت حرف یونانی تتا (θ) و واحد آن معکوس سانتی متر است. حال با جایگذاری ثابت تتا در فرمول، به رابطه ساده شده زیر می‌رسیم:

K = Gθ

در تصویر زیر نمایی از اندازه‌گیری کانداکتیویتی یک محلول در شیشه با استفاده از هدایت سنج با پروب دارای دو الکترود نشان داده شده است.

معمولا استفاده از کنداکتیویتی مترهای با پروب دو الکترودی در کاربردهای عملی رایج نیستند. زیرا در این نوع هدایت سنج الکتریکی مشکلی که وجود دارد این است که غظت بالای یون‌ها در یک محلول ممکن است باعث عقب‌زنی (repulsion) یون‌ها و کاهش جریان الکتریکی شود. به این پدیده اثر قطبیدگی (polarization) می‌گویند که می‌تواند بر دقت سنجش در کنداکتیویتی مترهای دو الکترودی تاثیر منفی بگذارد.

مشکل دیگری که وجود دارد این است که مواد معدنی و یون‌هایی که به سمت الکترودها جذب می‌شوند، در طول زمان الکترودها را کثیف کرده و روی آن مانعی جامد و عایق‌کننده تشکیل می‌دهند. اگرچه می‌توان با استفاده از جریان AC به جای DC در مدار تحریک تشکیل این لایه رسوبی را کاهش داد، اما معمولا این کار کافی نیست. در طول زمان، سدهای رسانایی که توسط یون‌های برخوردی با سطوح الکترودها به وجود می‌آيند، موجب خطاهای کالیبراسیون می‌شوند. این خطاها ECمتر را در تشخیص میزان رسانایی واقعی محلول مورد سنجش دچار اشتباه می‌کنند.

به همین دلیل از نوع دیگری از کنداکتیویتی مترها استفاده می‌شود که دارای چهار الکترود هستند. در ادامه به بررسی ساختار کنداکتیویتی متر چهار الکترودی می‌پردازیم.

نحوه کار کانداکتیویتی متر چهار الکترودی

یک تکنیک الکتریکی بسیار قدیمی به نام تکنیک کلوین (Kelvin) یا روش اندازه‌گیری مقاومت چهار سیمی، راه حل عملی مقابله با مشکل قطبیدگی و رسوب در کنداکتیویتی مترهای دو الکترودی است. از روش چهار سیمی معمولا در اندازه‌گیری دقیق مقاومت در آزمایش‌های علمی تحت شرایط آزمایشگاهی و نیز اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی در استرین گیج‌ها و سایر سنسورهای مقاومتی مانند ‌RTDها استفاده می‌شود. اما از همین روش می‌توان در کنداکتیویتی مترها برای اتصال مقاومت تحت آزمایش (محلول) به ابزار اندازه‌گیری هم استفاده کرد. نمایی از روش چهار الکترودی برای اندازه‌گیری مقاومت در تصویر زیر نشان داده شده است.

فقط دو رسانای بیرونی در تصویر فوق حامل جریان قابل توجه هستند. دو رسانای درونی که ولت متر را به نمونه تست متصل کرده‌اند، جریان ناچیزی دارند. دلیل این امر امپدانس ورودی بالای ولت متر است. به دلیل کوچک بودن جریان، افت ولتاژ در طول این مسیر بسیار کم است. اما افت ولتاژ در طول مسیر حامل جریان (بیرونی) بی‌اهمیت است، زیرا این مقدار افت ولتاژ هیچ‌گاه توسط ولت متر خوانده نمی‌شود.

چون ولت متر تنها افت ولتاژ را در نمونه تحت سنجش اندازه می‌گیرد (نه مقاومت نمونه و سیم‌ها)، در نتیجه مقدار مقاومت اندازه‌گیری شده دارای دقت و صحت بالاتری است. در مورد کانداکتیویت متر، مقاومت سیم‌ها نیست که ترجیح می‌دهیم صرف نظر شوند، بلکه مقدار مقاومت افزوده شده توسط رسوبات است. با استفاده از چهار الکترود به جای دو الکترود، قادر خواهیم بود افت ولتاژ فقط در طول محلول را اندازه بگیریم و کاملا از اثر مقاومت رسوبات روی الکترود صرف نظر کنیم. همچنین به دلیل اینکه الکترودهای داخلی دارای جریان نیستند، پس تحت تاثیر پدیده قطبیدگی قرار نمی‌گیرند.

در EC متر چهار الکترودی، هر آلودگی روی الکترود فقط روی منبع جریان تاثیر دارد و باعث می‌شود ولتاژ بزرگتری را در خروجی بدهد. اما این رسوبات هیچ اثری روی ولتاژ تشخیص داده شده توسط دو الکترود درونی هنگام عبور جریان از محلول نخواهند داشت. در واقع چون جریان در الکترودهای درونی ناچیز است، پس افت ولتاژ بر اثر رسوبات عایقی ایجاد شده روی الکترودها نیز قابل صرف نظر است و ولتاژ اندازه‌گیری شده توسط ولت متر به عنوان افت ولتاژ محلول باز هم هم کاملا معتبر خواهد بود.

کنداکتیویتی متر بدون الکترود

کنداکتیویتی متر بدون الکترود (electrodeless) یا تروئیدال (toroidal) یا القایی نام گروه دیگری از کنداکتیویتی مترها یا هدایت سنج‌ها است. برای اندازه گیری کنداکتیوتی محلول‌ها، کنداکتیویتی متر بدون الکترود از روش القای الکترومغناطیس به جای تماس مستقیم الکتریکی استفاده می‌کند. در مقالات قبلی به بیان انواع مختلف و اصول کار کنداکتیوتی مترها پرداختیم. در این مقاله قصد داریم به بررسی اصول کاری و ساختمان کنداکتیویتی متر بدون الکترود بپردازیم.

در کنداکتیویتی متر بدون الکترود برای اندازه‌گیری هدایت الکتریکی محلول، به جای استفاده از دو یا چهار الکترود که درون محلول غوطه‌ور می‌شوند، از دو سلف تروئیدی (toroidal inductor) استفاده می‌شود. یکی از سلف‌ها برای القای ولتاژ AC به محلول است. سلف دوم هم به منظور اندازه‌گیری شدت جریان الکتریکی حاصل در محلول به کار می‌رود. مزیت اصلی این طراحی، در امان بودن از مشکل رسوب روی الکترودها است. دلیل این مزیت این است که سیم‌پیچ‌های مدار درون یک محفظه تفلون احاطه شده‌اند، بنابراین بین محلول و المان اندازه‌گیر هیچ تماس مستقیمی وجود ندارد. نمایی از اندازه‌گیری کنداکتیویتی محلول با استفاده از هدایت سنج بدون الکترود در تصویر زیر نمایش داده شده است.

ایده اساسی در این ابزار اندازه‌گیری این است که یک سیم‌پیچ اولیه توسط جریان AC تحریک و دارای انرژی می‌شود. سپس جریان الکتریکی که توسط این سیم‌پیچ القا می‌شود از درون محلول تحت آزمایش عبور می‌کند. این جریان نیز به نوبه خود باعث القای یک ولتاژ قابل اندازه‌گیری در سیم‌پیچ ثانویه می‌شود. توجه به این نکته هم ضروری است که اندوکتانس متقابل بین دو سیم‌پیچ در هدایت سنج القایی قابل صرف نظر است.

تنها راه القای ولتاژ در سیم‌پیچ ثانویه این است که یک جریان AC از مرکز سیم‌پیچ و از درون محلول عبور کند. اگر محلول تحت آزمایش هدایت الکتریکی نداشته باشد، سیم‌پیچ ثانویه حتی با وجود نزدیک بودن به سیم‌پیچ اولیه تحریک شده هم دارای ولتاژ القایی نخواهد بود. هرچه مقدار رسانایی محلول بیشتر باشد، مقدار جریان بیشتری از مرکز هر دو سیم‌پیچ و از میان محلول عبور خواهد کرد. بنابراین مقدار ولتاژ القا شده در سیم‌پیچ ثانویه هم بزرگتر خواهد بود. به همین دلیل می‌توان گفت ولتاژ سیم پیچ ثانویه تناسب مستقیم با رسانایی محلول دارد. به این نکته باید توجه کرد که این حالت برخلاف رفتار هدایت سنج‌های تماس مستقیم است که در آن‌ها هر چقدر رسانایی محلول بیشتر باشد، مقدار ولتاژ تولید شده کمتر می‌شود.

مدار الکتریکی معادل کنداکتیویتی متر بدون الکترود

مدار الکتریکی معادل برای پروب یک کنداکتیویتی متر بدون الکترود یا تروئیدی مانند یک جفت ترانسفورمر است که محلول مانند یک مسیر مقاومتی در برابر جریان برای اتصال دو ترانسفورمر به همدیگر عمل می‌کند. این مدار معادل در تصویر زیر نشان داده شده است.

مزایا و معایب هدایت سنج القایی

در هر جایی که امکان داشته باشد استفاده از کنداکتیویتی متر تروئیدال بر استفاده از کنداکتیویتی متر تماس مستقیم ارجحیت دارد. دلیل این امر نیز همان طور که بیان کردیم ایمنی آن‌ها در برابر رسوبات و استحکام و طول عمر بالاتر آن‌ها است. با این وجود، این نوع از کنداکتیویتی مترها دارای حساسیت کافی برای اندازه گیری رسانایی در کاربردهای با خلوص بالا نیست. به عنوان نمونه‌ای از چنین شرایطی می‌توان به رسانایی بویلر فیدواتر (boiler feedwate) و نیز آب فوق خالص (ultra-pure) اشاره کرد که در صنایع داروسازی و نیمه‌رسانا بسیار ضروری هستند.

 همانند سایر ابزارهای دقیق، مشخصات بیان شده توسط کارخانه سازنده بهترین منبع اطلاعات برای شرایط استفاده از کنداکتیویتی مترها در فرایندهای صنعتی مختلف است. در تصویر زیر یک کنداکتیوتی متر بدون الکترود نصب شده روی یک مخزن همراه با ترانسمیتر کنداکتیویتی نشان داده شده است. کنداکتیویتی اندازه گیری شده بر حسب میلی زیمنس بر سانتی متر است که اندازه‌گیری توسط ترانسمیتر به یک سیگنال آنالوگ ۴ تا ۲۰ میلی آمپر تبدیل می‌شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:

نحوه کار با هدایت سنج یا ECمتر

عیب‌یابی کنداکتیویتی متر ــ راهنمای کاربردی

چگالی سنج دیجیتال چیست؟

فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد

اصول کار کنداکتیوتی‌متر

پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.

محصولات پریسماتک:

انواع رفرکتومترهای دیجیتال

انواع فلومترهای الکترومغناطیسی

انواع کنداکتیویتی متر یا هدایت سنج یا کنداکتیومتر

مرجع