کنداکتیویتی متر (conductivity meter) یا هدایت سنج الکتریکی یا ECمتر یکی از ابزارهای بسیار مهم در فرایندهای صنعتی است که برای سنجش کنداکتیوتی یا هدایت الکتریکی محلول‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. کنداکتیوتی یا رسانایی در واقع توانایی یک محلول برای هدایت جریان الکتریکی است. یون‌های یک محلول (نمک‌های حل شده یا اسیدها) حامل بار الکتریکی هستند. یون‌هایی که الکترون از دست داده‌اند، دارای بار مثبت و یون‌هایی که الکترون گرفته‌اند، دارای بار منفی هستند. هرچه ذرات موجود در یک محلول بیشتر باشند و هرچه الکترون‌ها بیشتر حرکت کنند، یک محلول دارای رسانایی بیشتری خواهد بود. بنابراین کنداکتیویتی متر برای اندازه‌گیری مقدار جامدات حل‌شده در یک محلول مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله قصد داریم به بررسی کنداکتیویتی مترها، انواع مختلف و اصول کاری آن‌ها بپردازیم.
رسانایی الکتریکی در مواد مختلف
رسانایی الکتریکی در فلزات نتیجه حرکت الکترون‌های آزاد در یک شبکه هسته‌های اتمی است که اشیای فلزی را تشکیل می‌دهد. هنگامی که به دو نقطه از یک شی فلزی ولتاژی اعمال می‌شود، این الکترون‌های آزاد فورا به سمت قطب مثبت (آند) حرکت کرده و از قطب منفی (کاتد) دور می‌شوند.
اما رسانایی الکتریکی در مایعات به کلی موضوع دیگری است. همان طور که در ابتدای مقاله ذکر شد، در این حالت، حامل‌های بار یون‌ها هستند که اتم‌ها یا مولکول‌های نامتعادل الکتریکی هستند. این یون‌ها به این دلیل که مانند مواد جامد در ساختار شبکه‌ای قفل نشده‌اند، برای حرکت کردن کاملا آزاد هستند. بنابراین درجه رسانایی هر محلول به چگالی یون‌های موجود در محلول (تعداد یون‌های آزاد موجود در هر واحد حجمی از محلول) بستگی دارد. زمانی که به دو نقطه از محلول اعمال می‌شود، یون‌های منفی به سمت قطب مثبت یا آند و یون‌های مثبت به سمت قطب منفی یا کاتد حرکت می‌کنند. به دلیل این فرایند یون‌های منفی را آنیون و یون‌های مثبت را کاتیون می‌گویند.
رسانایی الکتریکی در گازها هم شبیه موارد بالا است. یون‌ها حامل‌های بار الکتریکی هستند. البته در مورد گازها در دمای اتاق، فعالیت یونی تقریبا وجود ندارد. یک گاز باید حرارت داده شود تا به حالت پلاسما برسد و مقدار قابل توجه یون برای ایجاد جریان الکتریکی در آن به وجود بیاید.
اصول کار کنداکتیویتی متر یا هدایت سنج الکتریکی
کنداکتیویتی متر یا هدایت سنج الکتریکی یا ECمتر برای اندازه‌گیری رسانایی از یک پروب استفاده می‌کند و یک جریان الکتریکی متغیر را به دو یا چهار الکترود اعمال می‌کند. با این کار مقاومت الکتریکی محلول اندازه‌گیری می‌شود. بعد از غوطه‌ور کردن الکترودها در محلول، دستگاه ولتاژی را بین دو الکترود اعمال می‌کند. مقاومت الکتریکی محلول باعث ایجاد افت ولتاژی می‌شود که مقدار آن را اندازه‌گیری می‌کنیم. هنگام اعمال جریان الکتریکی به محلول، کاتیون‌ها یا همان یون‌های با بار مثبت، به سمت الکترود منفی و آنیون‌ها یا یون‌های با بار منفی به سمت الکترود مثبت حرکت می‌کنند. این حرکت یون‌ها باعث رسانایی محلول می شود.
اصول کار کنداکتیویتی متر دو الکترودی
همان طور که در بالا ذکر کردیم، 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.
معایب
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.
کنداکتیویتی 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.
مزیت
در ECمتر 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.
موارد کاربرد هدایت سنج الکتریکی یا ECمتر
با اندازه‌گیری رسانایی یک محلول می‌توان بینش بسیار خوبی درباره طبیعت یک محلول و ذرات موجود در آن به دست آورد. اندازه‌گیری PH و کانداکتیویتی دو پارامتر اساسی در اندازه‌گیری اسیدیته و یا قلیایی بودن محلول‌ها هستند. همچنین سنجش کانداکتیوتی محلول‌ها یک اندازه‌گیری تحلیلی بسیار مهم در بسیاری از فرایندهای صنعتی به شمار می‌آید. این اندازه‌گیری یکی از غیراختصاصی‌ترین انواع تکنیک‌های تحلیلی است، زیرا بین مواد مختلف رسانای حل‌شده در محلول تفاوتی قائل نمی‌شود. به همین دلیل، سنجش کانداکتیویتی در فرایندهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که دانستن نوع ماده رسانا موجود در محلول غیرضروری باشد. به عنوان مثال، در مورد آب کاملا خالص در ساخت چیپ‌های نیمه‌رسانا از این نوع سنجش استفاده می‌شود، زیرا هر نوع ماده رسانای محلول در آب نامطلوب به شمار می‌آيد. مورد دیگر کاربرد سنجش کانداکتیویتی، در حالتی است که می‌دانیم ماده مورد نظر تنها ماده رسانای موجود در یک محلول خاص است. مثلا در مورد آب نمک که مقادیر زیادی نمک در آب حل شده باشد.
قسمت‌های مختلف هدایت سنج آزمایشگاهی پریسماتک
هدایت سنج یا ECمتر دارای قسمت‌های مختلفی است که در ادامه به آن‌ها می‌پردازیم.
بدنه اصلی
تمام قطعات الکترونیکی و نمایشگر دستگاه در این بدنه قرار دارند.
کابل ارتباطی پروب
سیگنال‌های مربوط به اندازه‌گیری هدایت الکتریکی محلول که در بوردهای الکترونیکی دستگاه ایجاد می‌گردد از طریق این کابل به پروب منتقل می‌شوند.
کانکتور پروب
کابل ارتباطی پروب از طریق این کانکتور ضد آب به پشت دستگاه متصل می‌گردد.
نگهدارنده پروب
برای جلوگیری از آسیب رسیدن به هد پروب، پس از اندازه‌گیری، پروب در داخل نگهدارنده خود قرار داده می‌شود.
صفحه نمایشگر لمسی
تمام نتایج اندازه‌گیری پارامترهای مختلف در این نمایشگر رنگی قابل مشاهده است. همچنین تمامی تنظیمات و عملیات کالیبراسیون دستگاه توسط همین نمایشگر قابل انجام است.
دکمه Power
این دکمه در هدایت سنج آزمایشگاهی پریسماتک بر روی نمایشگر در زیر لیبل قرار گرفته است و برای خاموش روشن کردن دستگاه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
پروب
الکترودهای کنداکتیو دستگاه درون پراب آن قرار داده شده‌اند. سیگنال‌های الکتریکی با فرکانس و ولتاژ مخصوص از طریق کابل ارتباطی پراب، به الکترودها فرستاده می‌شوند. سپس میزان هدایت الکتریکی محلول نمونه با اندازه‌گیری خواص الکترونیکی القا شده بین الکترودها در پردازنده مرکزی محاسبه می‌شود. هر پروب از پنج قسمت زیر تشکیل شده است.
- هد:
هد پروب از چهار الکترود دوار تشکیل شده است که توسط رینگ‌های مخصوص از هم فاصله داده شده‌اند. برای اندازه‌گیری هدایت الکتریکی، این قسمت باید درون محلول نمونه غوطه‌ور شود. در زمان اندازه‌گیری باید مراقب بود که هد به جایی برخورد نکند.
- بدنه پروب:
قسمت‌های الکترونیکی پروب در داخل بدنه پروب قرار دارند.
- گلند کابل‌گیر:
کابل ارتباطی پروب از این گلند وارد پروب می‌گردد.
- الکترودها:
هدایت سنج یا ECمتر آزمایشگاهی پریسماتک دارای یک مجموعه الکترود چهار پل چهت اندازه‌گیری کنداکتیوتی طیف وسیعی از محلول‌ها است. این الکترودها از جنس استیل 316L هستند که در مقابل خوردگی و تغییر طول در مدت زمان استفاده از دستگاه مقاوم هستند و به آن‌ها آسیبی وارد نمی‌شود. الکترودهای کوتاه‌تر در قسمت بالای پروب قرار دارند و یک الکترود بلند در نوک پروب علاوه بر القای جریان الکتریکی وظیفه اندازه‌گیری دمای نمونه را بر عهده دارند.
- محفظه شیشه‌ای پروب:
به منظور اندازه‌گیری دقیق میزان هدایت الکتریکی نمونه مورد نظر، الکترودها درون یک محفظه شیشه‌ای شفاف قرار داده شده‌اند. دلیل دیگر این کار این است که در هنگام اندازه‌گیری اثر عوامل محیطی بر سنجش کاهش یابد.
کنداکتیویتی متر یا هدایت سنج پریسماتک
شرکت پریسماتک تولید کننده کنداکتیویتی مترهای اینلاین و آزمایشگاهی است. اگر قصد خرید کنداکتیویتی متر دارید، می‌توانید با شماره‌های شرکت تماس بگیرید تا همکاران ما اطلاعات فنی محصولات را به شما ارائه دهند.
هدایت سنج یا ECمتر اینلاین PTCond
هدایت سنج یا ECمتر آزمایشگاهی BPTCond
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:
هدایت سنج یا کنداکتومتر ــ انواع و اصول کاری
فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد
کنداکتیویتی‌متر بدون الکترود ــ اصول کاری
عیب‌یابی کنداکتیویتی متر ــ راهنمای کاربردی
نحوه کار با هدایت سنج یا ECمتر
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 فلومترهای الکترومغناطیسی
