CHƯƠNG II: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ ĐO THÔNG SỐ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG
II.2. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH THIẾT BỊ ĐO ĐỘ DẪN ĐIỆN (CONDUCTOMET)
II.2.2. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CỦA CONDUCTOMET
II.2.2.1. Nguyên lý làm việc của Conductomet
II.2.2.1.1. Điện dẫn suất của dung dịch điện phân:
Điện dẫn suất của dung dịch điện phân phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch ấy.
γ = λf(c)
λ được gọi là suất điện dẫn riêng của dung dịch; ta thấy quan hệ giữa điện dẫn xuất của dung dịch, ở vùng nồng độ thấp tương đối tuyến tính còn ở nồng độ cao nó không còn tuyến tính nữa.
Hình 22 – Quan hệ giữa γ và nồng độ dung dịch.
Từ điện dẫn suất có thể suy ra nồng độ của dung dịch.
Đặt 2 điện cực vào dung dịch điên phân, điện trở giữa 2 điện cực được tính.
R = K
s γ
γ
1 1 1× =
K =s
1 hằng số của chuyển đổi điện dẫn
Thông thường khi thiết kế chuyển đổi điện dẫn ta phải bố trí sao cho K
=1 hoặc 0,1 vv…
Đặt một điện áp U vào chuyển đổi ta có:
U U. .S U.
I R e K
γ γ
= = =
KOH HCl
H2SO4
Ωm
Moll C
γ1
Dòng điện trong chuyển đổi tỷ lệ với γ và U; thông thường ta đo I để suy ra γ (u =const); một mặt khác dẫn suất γ thay đổi theo nhiệt độ
γt = γ0[1+(t - t0)β]
β : hệ số nhiệt độ của dung dịch
Ở nhiệt độ phòng, đối với dung dịch acid β = 0,016/oC đối với base β
=0,019/oC đối với muối β = 0,024/oC ở vùng nhiệt độ cao hơn trên 40 – 50oC thì β có xu hướng giảm.
Một hiện tượng khác trong chuyển đổi điện dẫn là giữa điện cực và dung dịch xảy ra hai hiện tượng gây ra sai số trong khi đo, đó là hiện tượng phân cực và tụ ký sinh.
- Hiện tượng phân cực: một điện cực nhúng vào một dung dịch điện phân, ion kim loại trong dung dịch sẽ đến bám vào điện cực và tạo ra một thế điện cực giữa điện cực và dung dịch.
- Muốn loại trừ được ảnh hưởng của hiện tượng phân cực này, ta phải sử dụng dòng xoay chiều chạy qua chuyển đổi. Tần số càng cao, hiện tượng phân cực càng giảm.
- Hiện tượng tụ ký sinh: giữa điện cực và dung dịch hình thành một lớp kép tạo ra một điện dung ký sinh làm thay đổi dòng điện đi qua dung dịch
Để loại trừ ảnh hưởng của tụ ký sinh tần số của điện áp cung cấp phải nhỏ.
Như vậy ảnh hưởng của hiện tượng phân cực và tụ ký sinh ngược nhau do đó người ta phải chọn một tần số tối ưu của nguồn điện cung cấp cho chuyển đổi
II.2.2.1.2. Điện cực:
Điện cực của conductomet thay đổi qua nhiều thời kỳ:
a) Thời kỳ đầu điện cực được làm bằng bạch kim như 2 bản cực cách nhau một khoảng cách thế nào cho k = 1.
Như vậy: l R =
γ
b) Tiếp đến điện cực được chế tạo bằng thép không rỉ có dạng vòng như chiếc nhẫn. Ở ngoài, có ống chụp để hạn chế một thể tích cố định xung quanh điện cực.
Cực dòng điện Cực điện áp Chụp
a. Điện cực bản b. Điện cực hình nhẫn C. Điện cực 4 đầu
Hình 23 – Các kiểu điện cực tiếp xúc của Conductormet.
c) Để giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng phân cực và tụ ký sinh người ta dùng điện cực 4 đầu. Hai đầu dòng điện ở ngoài có dòng điện chạy qua hai đầu điện áp ở trong được nối với dụng cụ đo điện tử có điện trở vào rất lớn nên không bị ảnh hưởng của tụ ký sinh.
Có một điểm nhận xét nữa là : Khi có điện dẫn thấp ảnh hưởng của điện áp phân cực it trong khi ảnh hưởng của tụ ký sinh cao, ta phải dùng nguồn cung cấp ở tần số cao; tần số làm việc tối ưu là 800 – 1000Hz.
Các biện pháp nói trên dùng để giảm thiểu ảnh hưởng của điện áp phân cực và tụ ký sinh, tuy nhiên không loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của chúng.
d) Điện cực không tiếp xúc hay đầu đo cảm ứng: người ta cũng đã nghĩ đến tạo ra điện cực không tiếp xúc nhưng mãi đến gần đây mới xuất hiện một loại kiểu điện cực không tiếp xúc thích hợp.
Kết cấu và nguyên lý làm việc của điện cực này như sau :
- Nó gồm hai cuộn dây hình xuyến có kích thước giống nhau làm bằng vật liệu sắt từ cú hệ số dẫn từ à cao.
- Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ, cuộn thứ 2 là cuộn cảm ứng.
- Cuộn kích từ có dòng điện tần số ω=2πf chạy qua, tạo ra từ trường và từ thôngΦ1. Từ thông Ф1 này cảm ứng ra điện áp và dòng điện chạy qua dung dịch điện phân l2 .
- Dòng l2 cảm ứng vào cuộn dây thứ 2 một từ trường H2 và từ thông Φ2
từ thông Φ2 móc vòng quacuộn dây W2 sinh ra sức điện động E2 , đo E2
có thể suy ra điện trở R2 và độ đẫn điện của dung dịch.
φ1 φ2
W1
U1 W2 U2
Dung dịch điện phân
Hình 24 – Nguyên lý đầu đo kiểu cảm ứng.
Có thể tính toán như sau:
Điện áp U1 tạo ra từ thông φ1 theo công thức:
U1 = 4,44f w1 φ1 đối với áp cung cấp U1 hình sin U1 = 4fw1φ1 đối với xung vuông
1 1
1
U 4,44fW φ =
φ1 cảm ứng ra U’ qua dung dịch: 1
1
E U
′ = W
(Dung dịch điện phân lọc qua hai cuộn dây, được coi là thứ cấp 1 vòng dây)
2 1
1
E ' E ' E ' U
I R 1K K W K
γ γ
= = = =
γ
l2 tạo ra từ trường H2 và từ thông φ2 ở trong cuộn cảm ứng:
H2 = I2 2 Rπ
I2 dòng điện cảm ứng trong dung dịch
D = 2R = đường kính trung bình lõi hình xuyến Từ cảm ứng B2 = H2.à à = à0.à2
Từ thụng φ2 = B2s (à0 = 4π10-7H/m à2 = 50 - 100.000 đối với thộp KTĐ tốt)
S tiết diện của lõi xuyến.
Sức điện động cảm ứng.
E2 = 4,44fW2B2
Thay vào E2 = 4,44fW2.s.à I2 πD E2 = 4,44fW2 1 1
s.U D.W .K à. .γ π.
W1: số vòng cuộn dây kích từ.
U1: điện áp kích từ.
f: tần số kích từ.
D: đường kính trung bình 2 lõi xuyến.
s: tiết diện lõi hình xuyến.
K: hằng số điện cực của đầu đo.
Giữa U1 = const, đo E2 có thể suy ra γ.
II.2.2.1.3. Chọn đầu đo:
Như vậy, với nguyên lý trên, ta có thể tự chế tạo đầu đo điện dẫn suất.
Tùy nhiên để chắc chắn cho phần sau, ta chọn đầu đo dẫn kiểu cảm ứng ISC – 40 của YOKOGAWA.
Đó là đầu đo điện dẫn kiểu cảm ứng theo tiêu chuẩn mới, hình xuyến không tiếp xúc.
Hình 25 - Cấu tạo và kích thước đầu đo.
Tính năng kỹ thuật như sau:
- Khoảng đo: 0 – 2000 mS/cm
o Chia thành nhiều thang đo.
- Sai số tuyệt đối: 0,5 àS/cm.
- Hằng số chuyển đổi: 1,88/cm.
- Nhiệt độ làm việc -200C đến 1300C.
- Thời gian đáp ứng 5 phút.
- Áp suất làm việc 20 bar.