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 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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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 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 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
فلومتر الکترومغناطیسی ــ از صفر تا صد
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
