Измерение электропроводности: типы датчиков, константа ячейки и выбор
Электропроводность — косвенный показатель концентрации растворённых ионов в воде; на ней основаны решения от качества чистой воды до циклов концентрирования в котлах и градирнях. Непрерывный контроль позволяет сразу увидеть потерю циклов или утечку.
Что измеряет электропроводность?
Электропроводность — косвенный показатель концентрации растворённых ионов в воде. В водных растворах она возникает из-за диссоциации растворённых кислот, оснований и солей на положительные и отрицательные ионы. В сверхчистой воде, где ионов почти нет, остаётся лишь небольшое количество ионов H₃O⁺ и OH⁻, и электропроводность чрезвычайно низка; эта собственная электропроводность воды образует нижнюю границу шкалы. Практические единицы — µS/cm и mS/cm (1 mS = 1000 µS); единица СИ — S/m.
При измерении на ячейку из двух или четырёх электродов подают переменное напряжение и измеряют сопротивление. Константа ячейки компенсирует геометрию ячейки и определяется калибровкой по стандарту электропроводности. Поскольку электропроводность зависит от температуры, в датчике есть температурный элемент, а значение приводится к эталонной температуре 25 °C.
Четыре вопроса, определяющие выбор датчика
- Диапазон: сверхчистая вода — несколько µS/cm и менее, вода котлов и градирен — десятки тысяч µS/cm, концентрированные растворы — сотни mS/cm. Диапазон определяет константу ячейки и число электродов.
- Среда: чистая вода или агрессивный раствор, оставляющий отложения или загрязнения? Во втором случае в игру вступает тороидальный (безэлектродный) датчик.
- Условия процесса: температура, давление, требования к CIP/SIP или автоклавированию и материал, контактирующий со средой (нержавеющая сталь, PEEK, графит, титан, платина).
- Присоединение и выход: PG13.5, Tri-Clamp, NPT или Varivent; цифровой Arc, 4-20 mA, пассивный или активный датчик; а также контроллер, к которому он подключается.
Сравнение 2-электродных, 4-электродных и тороидальных датчиков
| Тип | Принцип | Преимущество | Ограничение | Примеры продукции |
|---|---|---|---|---|
| 2-электродный контактный | Два электрода, сопротивление измеряется переменным напряжением | Прост и экономичен; чувствителен при низкой электропроводности (чистая и сверхчистая вода) | Одна ячейка не охватывает широкий диапазон; константа ячейки выбирается под диапазон | Conducell UPW (0.01-1500 µS/cm Arc), Conducell 2DC-PG (10 µS/cm - 20 mS/cm) |
| 4-электродный контактный | Четыре электрода, хорошая линейность в широком диапазоне | От следовых значений до очень высокой электропроводности одним датчиком | Для диапазона сверхчистой воды больше подходит 2-электродный тип UPW | Conducell 4UxF (1 µS/cm - 500 mS/cm аналоговый), Conducell 4US (0.1 µS/cm - 500 mS/cm) |
| Безэлектродный (тороидальный) | Бесконтактное индуктивное измерение герметизированными катушками | Нечувствителен к отложениям и загрязнению; долгий срок службы в агрессивных и концентрированных растворах | Диапазоны начинаются с сотен µS/cm; не подходит для чистой воды | Тороидальные датчики Walchem CPVC и PEEK (500 µS/cm - 2000 mS/cm) |
| Контактный, для градирен и котлов | Графитовый или стальной электрод, константа ячейки 0.01 - 10.0 | Выбор константы ячейки охватывает низкую и высокую электропроводность; доступны монтажные принадлежности для градирен и котлов | Не подходит для масляных сред и сред с отложениями | Контактные датчики Walchem (константа ячейки 1.0: 0-30 000 µS/cm; 10.0: 0-300 000 µS/cm) |
Диапазон, температура, давление и присоединение по семействам
Значения взяты из каталогов и брошюр производителей и приведены к 25 °C. Для получения кода заказа и актуальных технических значений пришлите номер модели.
| Датчик | Диапазон измерения | Константа ячейки | Температура | Давление | Применение |
|---|---|---|---|---|---|
| Hamilton Conducell UPW (на английском) | Arc: 0.01-1500 µS/cm; аналоговый: 0.02-2000 µS/cm | менее 0.1/cm (2-электродный) | 0-130 °C | 10 bar (130 °C) | Сверхчистая вода, чистая вода, WFI |
| Hamilton Conducell 4UxF (на английском) | Arc: 1 µS/cm - 300 mS/cm; аналоговый: 1 µS/cm - 500 mS/cm | 0.36/cm (4-электродный) | от -20 до 150 °C | 20 bar (135 °C); 10 bar (150 °C) | CIP, биопроцессы, химическая и фармацевтическая промышленность |
| Hamilton Conducell 4US (на английском) | 0.1 µS/cm - 500 mS/cm | 0.147/cm (4-электродный) | 0-135 °C | 0-20 bar (135 °C) | Контроль CIP, ферментация |
| Hamilton Conducell 2DC-PG (на английском) | 10 µS/cm - 20 mS/cm | 1/cm (2-электродный) | от -5 до 80 °C | 6 bar | Вода и сточные воды |
| Walchem контактный (градирня) (на английском) | 0-30 000 µS/cm (константа ячейки 1.0) | 1.0 | Типично для градирни 0-70 °C | Полипропилен 10 bar; нержавеющая сталь + PEEK 20 bar | Управление продувкой градирни |
| Walchem контактный (котёл) (на английском) | 0-30 000 µS/cm; константа ячейки 10.0 с W100/W600 достигает 0-300 000 µS/cm | 1.0 или 10.0 | Типично для котла 0-205 °C | 17.2 bar (250 PSI) | Непрерывная продувка котла |
| Walchem контактный (общий) (на английском) | Константа ячейки 0.01: 0-0.3 mS; 0.1: 0-3 mS; 1.0: 0-30 mS; 10.0: 0-300 mS | 0.01 / 0.1 / 1.0 / 10.0 | Полипропилен 0-100 °C; нержавеющая сталь 0-120 °C | PP 6.9 bar; SS 13.8 bar | Система RO, линия конденсата |
| Walchem тороидальный (на английском) | 500 µS/cm - 2000 mS/cm; активные узкие диапазоны 0.1-1, 1-10, 10-100, 100-1000 mS | 6.286 (пассивная модель) | Корпус CPVC и PEEK; примерно 70-120 °C в зависимости от модели | CPVC 140 PSI (около 9.7 bar); PEEK 250 PSI (около 17 bar) | Химическая ванна, хроматы, скруббер |
Согласование константы ячейки и диапазона
Один датчик не работает одинаково хорошо при любой электропроводности: малая константа ячейки подходит для низкой электропроводности, большая — для высокой. У контактных датчиков Walchem, совместимых с контроллерами W100/W600, константа ячейки 0.01 достигает 0-0.3 mS, 0.1 — 0-3 mS, 1.0 — 0-30 mS и 10.0 — 0-300 mS.
Температура непосредственно влияет на диапазон. В таблице множителей диапазона Walchem значение составляет 100 % при 25 °C, 181.3 % при 0 °C, 75.5 % при 40 °C, 55.6 % при 60 °C и 35.7 % при 100 °C, а для тороидального датчика 22.9 % при 180 °C: на горячей линии верхний предел, который может измерить датчик, заметно ниже каталожного значения. Проверяйте диапазон при температуре процесса, а не при 25 °C.
Встроенный температурный элемент датчиков Hamilton Conducell предназначен только для компенсации электропроводности и не должен использоваться для управления температурой процесса. В руководстве 4UxF также отмечено, что константа ячейки зависит от геометрии монтажа, поэтому датчик следует калибровать в установке, подобной процессу, а уплотнительные кольца — расходные детали, которые заменяют не позднее чем через год.
Какой датчик для какого применения?
| Применение | Зачем электропроводность | Подход к выбору датчика | Подробнее |
|---|---|---|---|
| Чистая вода, WFI, сверхчистая вода | Критерий приёмки/отбраковки фармацевтического класса воды; непрерывная регистрация | 2-электродный датчик UPW, соответствующий USP 645, Arc или VP6 | Электропроводность чистой воды и USP 645 (на английском) |
| Пермеат RO и выход EDI | Производительность мембраны и качество на выходе | Контактный датчик с малой константой ячейки или тип UPW | Системы RO · Системы EDI |
| Котловая вода и конденсат | Управление продувкой, уносом и пенообразованием; чистота конденсата | Контактный датчик котлового типа, константа ячейки 1.0 или 10.0 | Электропроводность котловой воды (на английском) |
| Градирня | Циклы концентрирования и уставка продувки | Константа ячейки 1.0, корпус из полипропилена или нержавеющей стали + PEEK | Автоматизация градирен (на английском) |
| CIP и пищевая промышленность и напитки | Разделение фаз, вытеснение промывной воды, концентрация химических реагентов | 4-электродный 4UxF или 4US; детали, контактирующие со средой, соответствуют требованиям FDA | CIP и SIP: пояснения (на английском) |
| Химическая ванна, хроматы, скруббер | Концентрация ванны, подача химических реагентов | Безэлектродный тороидальный датчик; результат в µS/cm, mS/cm, ppm или % концентрации | Тороидальный датчик электропроводности (на английском) |
Контроллеры, трансмиттеры и выходы
Walchem: контроллерам WebMaster нужен активный датчик с электроникой, преобразующей сигнал в напряжение; для контактных датчиков серии W400, W600 и W100 работают с пассивными датчиками. Intuition-6 и Intuition-9 имеют универсальный вход датчика и принимают как контактные, так и безэлектродные датчики электропроводности. См. контроллеры Walchem для водоподготовки (на английском).
Hamilton: датчики Arc выдают полностью температурно-компенсированный сигнал непосредственно по Modbus и 4-20 mA, поэтому трансмиттер не нужен; аналоговые датчики (VP) подключаются ко входу трансмиттера.
О портативных измерениях см. руководство по портативным анализаторам воды (на английском). Более широкий ряд онлайн-приборов — на странице онлайн-анализаторов (на английском) и на страницах брендов Hamilton и Walchem (на английском).
Если вы ищете аналог вашего текущего прибора, пришлите марку и модель на [email protected], и наши инженеры смогут предложить аналог с тем же присоединением и диапазоном измерения.
Часто задаваемые вопросы
Технические ответы от Mikron Proses.
Как выбрать датчик электропроводности?
Решают четыре вопроса. 1) Ожидаемый диапазон: сверхчистая вода и пермеат RO имеют несколько µS/cm и менее, вода котлов и градирен — десятки тысяч µS/cm, концентрированные растворы — сотни mS/cm; диапазон определяет константу ячейки и число электродов. 2) Среда: чистая вода или агрессивный раствор, образующий отложения или загрязнение на электродах, — в последнем случае рассматривают тороидальный (безэлектродный) датчик. 3) Условия процесса: температура, давление, требования к CIP/SIP и автоклавированию. 4) Присоединение и выход: PG13.5, Tri-Clamp, NPT, цифровой Arc, 4-20 mA, пассивный или активный датчик.
Чем отличаются 2-электродные и 4-электродные датчики электропроводности?
Оба типа подают на электроды переменное напряжение и измеряют сопротивление. 2-электродная ячейка проста и экономична и очень хорошо работает при низкой электропроводности, например в сверхчистой и чистой воде; Hamilton Conducell UPW — 2-электродный и в исполнении Arc измеряет 0.01-1500 µS/cm. 4-электродная ячейка даёт широкий диапазон и хорошую линейность: Conducell 4UxF измеряет от 1 µS/cm до 500 mS/cm по аналоговому выходу и до 300 mS/cm по выходу Arc. Как общее правило, 2-электродные датчики применяют для чистой воды с предельно низкой электропроводностью, а 4-электродные — для процессов с широким диапазоном или высокой электропроводностью.
Что такое константа ячейки и почему она важна?
Электропроводность определяют, подавая переменное напряжение на измерительную ячейку и измеряя сопротивление; константа ячейки компенсирует геометрию ячейки и определяется калибровкой по стандарту электропроводности. Малая константа ячейки подходит для области низкой электропроводности, большая — для высокой. Контактные датчики Walchem выпускаются с константами ячейки 0.01 / 0.1 / 1.0 / 10.0; по каталогу Hamilton константа составляет менее 0.1/cm для UPW, 0.147/cm для 4US, 0.36/cm для 4UxF и 1/cm для 2DC-PG. Константа ячейки зависит также от монтажа, поэтому Hamilton рекомендует калибровать датчик в той геометрии, в которой он установлен.
Когда предпочтителен тороидальный (безэлектродный) датчик электропроводности?
Когда раствор образует отложения на электродах, загрязняет или корродирует их, как в масляных моющих ваннах, растворах хроматов, промывочных баках и скрубберах. Герметизированный тороидальный датчик Walchem не имеет прямого электрического контакта с раствором, и тонкие отложения на него не влияют. Его диапазоны — примерно 500 µS/cm - 2000 mS/cm (узкополосные активные модели начинаются с 0.1-1 mS/cm), поэтому для очень малоэлектропроводных вод, таких как чистая вода и пермеат RO, нужен контактный датчик или датчик типа UPW. См. руководство по тороидальным датчикам электропроводности (на английском).
Почему электропроводность указывают при 25 °C?
Электропроводность растворов заметно меняется с температурой, поэтому измерение выполняют вместе с температурным элементом (термистором или RTD), а значение приводят к эталонной температуре 25 °C. В таблице диапазонов Walchem 25 °C принято за 100 %; множитель составляет 181.3 % при 0 °C, 55.6 % при 60 °C и 35.7 % при 100 °C, поэтому верхний предел, который может измерить данный датчик, уменьшается с ростом температуры. При выборе датчика проверяйте диапазон при температуре процесса.
Как связаны электропроводность и TDS?
TDS напрямую не измеряется, а рассчитывается из электропроводности с помощью коэффициента. Коэффициент различается для каждого типа воды; в руководствах по эксплуатации производителей RO приводится зависимость TDS = K × EC25 и указано, что K следует определять для каждого потока. Портативный измеритель Pyxis SP-600 по умолчанию использует 0.67 × µS/cm, коэффициент настраивается пользователем. В управлении котлами и градирнями электропроводность обычно используют непосредственно как уставку, а пересчёт в TDS нужен только для отчётности.
Какой стандарт используется для калибровки датчика электропроводности?
Стандарт электропроводности, близкий к ожидаемому диапазону. В каталоге Hamilton перечислены стандарты 1.3 / 5 / 15 / 84 / 100 / 147 / 706 / 1413 / 12 880 / 100 000 µS/cm (25 °C); стандарты 1.3 и 5 µS/cm поставляются с сертифицированной точностью 1 %. Обычные стандарты низкой электропроводности после вскрытия флакона дрейфуют из-за поглощения CO2, а состав Hamilton на глицериновой основе, как указано, этой проблемы лишён. Для чистой воды подробная методика изложена в руководстве по электропроводности чистой воды (на английском).
Связанные страницы
- Датчики электропроводности Hamilton Conducell (на английском)
- Онлайн-анализаторы (на английском)
- Контроллеры Walchem для водоподготовки (на английском)
- Электропроводность чистой воды и USP 645 (на английском)
- Руководство по тороидальным датчикам электропроводности (на английском)
- Руководство по электропроводности котловой воды (на английском)
- Руководство по автоматизации градирен (на английском)
- Hamilton (на английском)
- Walchem (на английском)
- Страница контактов
Версия на турецком языке: İletkenlik ölçümü