Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Физика ядерного реактора Авария на ЧАЭС Повышение безопасности АЭС Системы контроля на атомной станции Авария на ЧАЭС

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОНДУКТОМЕТРА

Все вещества, существующие в природе, с точки зрения электротехники, в основном подразделяются на проводники и изоляторы. Еще существуют существа полупроводники, которые применяются для изготовления радиоэлектронной промышленности полупроводниковых элементов - диодов, транзисторов и т.п. К проводникам электрического тока относятся все металлы, кислотные, щелочные и солевые растворы в зависимости от их концентрации.

В растворах электролитов электрические заряды переносятся ионами. Способность раствора проводить электрический ток характеризуется его электрическим сопротивлением или его обратной величиной - электрической проводимостью. Электропроводность растворов зависит от физико-химических свойств растворителя и растворенного вещества: концентрации и подвижности находящихся в растворе ионов, зарядов ионов, температуры и вязкости растворителя и других факторов. По электропроводности раствора можно количественно определить концентрацию растворенного вещества. Измерение электропроводимости растворов называется кондуктометрией, а приборы, основанные на этом методе измерения - кондуктометрами. Использование кондуктометров сокращает затраты труда на ручной контроль, повышает оперативность и надежность контроля. На основе кондуктометрии автоматизируются различные технологические процессы и водоподготовка. Важным преимуществом кондуктометрии является возможность достаточно точного оперативного контроля качества воды высокой степени чистоты, химико-аналитические методы анализа которой становятся весьма сложными и трудоемкими.

Электрическое сопротивление проводника в электротехнике выражается формулой:

R = (1/c) x (L/S) , (18)

где

R - сопротивление, Ом;

c (каппа)- удельная электрическая проводимость, См/см (сименс на сантиметр);

L - длина проводника, см;

S - площадь поперечного сечения проводника, см2.

Формула 1 применима и для растворов электролитов. В этом случае L означает расстояние между электродами, S - площадь электродов.

Удельная электрическая проводимость электролита (c) представляет собой электропроводимость раствора, находящегося между параллельными электродами площадью 1 см2, отстоящими друг от друга на расстоянии 1см.

Проводимость растворов - величина обратная сопротивлению.

Обозначение проводимости - r (ро)

r = 1/R = 1/Ом или R = 1/r (Ом) (19)

т.е. сопротивление электрическому току растворов кислот, щелочей и солей находится в обратно-пропорциональной зависимости: чем выше концентрация растворов, тем меньше значение сопротивления электрическому току оказывают эти растворы. Это явление и положено в основу принципа действия кондуктометра. Измеряя проводимость (сопротивление) раствора, можно судить о концентрации солей. Изменение удельной электрической проводимости контролируемой пробы, функционально связанное с изменением ее концентрации, приводит к изменению сопротивления чувствительного элемента, которое измеряется при помощи блока преобразователя.

В электротехнике электрическая проводимость измеряется в сименсах (1Cм = 1/Ом). В кондуктометрии растворов небольшой концентрации пользуются обычно величиной, уменьшенной в 106 раз - микросименс (мкСм). Удельная электропроводимость имеет при этом размерность (мкСм/см).

Удельная электрическая проводимость растворов получила широкое распространение в качестве характеристики электролитов, она легко определяется экспериментально и специфична для каждого электролита. Зависимость между удельной электропроводимостью раствора и его электрическим сопротивлением, которое обычно измеряется приборами, находится по формуле:

c = (1/R) x (L/S) (20)

Отношение L/S характеризует геометрические размеры чувствительного элемента (датчика) кондуктометра и называется постоянной или константой элемента (С). Размерность постоянной часто выражают в сантиметрах, иногда встречается обратное значение С(см-1).

В датчиках сложной конфигурации постоянная не может быть определена расчетным путем, ее находят экспериментально, тарируя чувствительный элемент (датчик) по растворам с заведомо известной электропроводимостью.

Значение постоянной (С) приводится в паспорте кондуктометра. По известному значению постоянной и измеренному электросопротивлению раствора определяют его электропроводимость (мкСм/см).

c = 106/Rс (21)

Если в растворе содержится несколько растворенных веществ, то для вычисления его электропроводимости применимо правило аудитивности (независимости) электропроводимостей ионов, согласно которому c раствора См/см является суммой электропроводимостей содержащихся в нем ионов:

c = 10-3Sli х Сi , (22)

где:

Ci - концентрация i-того иона, г-экв /л;

li - эквивалентная электропроводимость соответствующего этой концентрации иона, Смсм2/г.экв.

Б 2.8.3 ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНДУКТОМЕТРОВ (ДАТЧИКИ)

По роду взаимодействия чувствительного элемента с исследуемым раствором методы кондуктометрии делятся на контактные и неконтактные. 

В контактных кондуктометрах электролит (раствор) находится в непосредственном соприкосновении с электродами ячейки. Контактные методы дают возможность производить точные измерения, но не свободны от погрешностей, обусловленных поляризацией и другими процессами, протекающими на поверхности электродов.

По характеру тока в измерительной цепи контактные методы разделяются на методы переменного и постоянного токов. Методы переменного тока наиболее разработаны теоретически и практически, они делают возможным непосредственный отсчет измеряемой величины, обеспечивают достаточно высокую точность измерений. Методы постоянного тока отличаются простотой измерительного преобразователя, но имеют меньшую точность из-за значительных поляризационных эффектов.

В неконтактных кондуктометрах исследуемый раствор связан с электродами чувствительного элемента индуктивно или через емкость.

Неконтактные методы применимы для контроля агрессивных или сильно загрязненных жидкостей, а так же для исследования процессов, протекающих в замкнутой системе.

Подавляющее большинство кондуктометров, применяемых при контроле водно-химического режима АЭС, основано на контактном методе измерений с переменным током.

Кондуктометры этого типа состоят из чувствительного элемента (датчика) и измерительного преобразователя, соединенных в общую электрическую цепь. Через анализируемый раствор, заполняющий датчик, пропускается переменный ток низкого напряжения. Возникающее при прохождении тока электрическое сопротивление жидкости, находящейся между электродами, определяется измерительным преобразователем.

Прохождение переменного тока через систему [электрод-жидкость] сопровождается рядом электродных процессов.

Часть тока расходуется на перезарядку конденсатора, образованного электродами, другая часть на электрохимический разряд ионов на поверхности электродов, в результате чего возникают дополнительное поляризационное сопротивление и поляризационная емкость.

Электродные эффекты в значительной степени зависят от параметров системы: материала электродов и состояния их поверхности, наличия на ней ионов, атомов или молекул, от обратимости электродного процесса, ионной силы раствора и его температуры, от частоты переменного тока.

Материал электродов и корпус чувствительного элемента выбирают, исходя из условий эксплуатации кондуктометра. Для изготовления электродов обычно используют химически стойкие электропроводящие материалы: платину, золото, нержавеющую сталь, графит.

Датчики с платиновыми электродами, покрытые платиновой чернью,  обладают наименьшим поляризационным сопротивлением и поэтому часто используются в кондуктометрах для измерений высокой точности.

В промышленных кондуктометрах применяются электроды из нержавеющей стали, графита и других материалов.

Погрешность датчиков с такими электродами несколько выше, а диапазон измерений - меньше, чем у датчиков с платиновыми электродами. Так, отношение конечного значения электрического сопротивления к начальному для рабочего диапазона датчика с электродами из нержавеющей стали не превышает нескольких сотен, тогда как у датчика с платиновыми электродами это отношение может достигать нескольких тысяч.

Контроль электропроводимости пробы осуществляется автоматическими кондуктометрами АК-310. В его комплект входят:

а) первичный преобразователь (датчик);

б) вторичный преобразователь (измерительный блок);

в) нормирующий преобразователь (Ш-78 или ПТ-ТП-68);

г) регистрирующий и сигнализирующий прибор (КСП-016; РП-160);

д) диодная развязка РТ (сигнал на УВС).

Первичный преобразователь (блок чувствительного элемента с фильтром) представляет собой проточную кондуктометрическую ячейку, предназначенную для преобразования солесодержания анализируемой пробы в электрический сигнал.


На главную