Введение к работе
Актуальность работы. Современными кондуктометрическими методами определяют многие физико-химические характеристики растворов, описывающие как их равновесные свойства, так и кинетику протекающих реакций, а также проводят количественный анализ растворов. Кондуктометрия нашла широкое применение для технологического контроля жидкофазных процессов (водоочистка, водоподготовка, синтез серной и фосфорной кислот, аммиачных удобрений и ряд других химических производств). В медицинской практике кондуктометрические методы широко используются для анализа биологических жидкостей и тканей. Также известны кондуктометрические сенсоры для количественного определения индивидуальных веществ, например, алифатических спиртов, ионов аммония, аминокислот.
В настоящее время значительно возрос интерес к миниатюрным кондуктометрическим датчикам и сенсорам для измерения электропроводности: малоразмерные кондуктометрические датчики используются в медицине для выявления патологии работы различных органов, в проточно-инжекционном химическом анализе, а также в тех случаях, когда измерение электропроводности необходимо проводить в малых объемах исследуемых веществ (ионная жидкостная хроматография).
Методы измерения электрической проводимости растворов электролитов на переменном токе низкой частоты отличаются высокой точностью, и детально разработаны как методически, так и схемотехнически. Использование лишь одной измерительной ячейки не позволяет получить высокую стабильность и чувствительность кондуктометрических измерений в широком диапазоне удельной электропроводности растворов, что более всего проявляется для миниатюрных кондуктометрических ячеек и сенсоров. Поэтому явление поляризации на границе раздела фаз с ионной и электронной проводимостью при использовании контактных ячеек приводит к необходимости использования разных типов ячеек для каждого измерительного диапазона проводимости, что представляет определенные трудности.
По мнению большинства специалистов, актуальной задачей при создании приборов для кондуктометрического контроля является разработка измерительных схем инвариантных к изменениям неинформативных параметров, прежде всего емкости двойного электрического слоя.
Целью диссертационной работы является разработка способа контроля удельной электропроводности растворов при использовании одной двухэлектродной кондуктометрической ячейки в диапазоне от 1x10" до 100 См/м с относительной погрешностью не более 4 %.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Анализ существующих способов повышения точности кондуктометрических измерений. Выбор типа ячейки для контактной кондуктометр ИИ.
-
Разработка математической модели, описывающей взаимосвязь тока и напряжения на кондуктометрической ячейке при его электрическом возмущении.
-
Разработка электрической схемы для измерения удельной электропроводности растворов при импульсном электрическом воздействии на кондуктометрическую ячейку.
-
Проведение измерений удельной электропроводности стандартных растворов и сравнение метрологических характеристик разработанной схемы с аттестованными кондуктометрами.
Методы исследования: теоретические и экспериментальные,
основанные на теории электрического поля, математическом анализе,
прикладных программах для персонального компьютера, математическом и
физическом моделировании, проведении экспериментов, а также на принципах
построения электрохимической аналитической аппаратуры.
Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности ИНК ТПУ.
Достоверность полученных результатов. В процессе разработки
кондуктометра измерения удельной электропроводности проводили по
ГОСТ 8567-90. Результаты измерения сравнивались с метрологическими
характеристиками аттестованных приборов «Анион-7500» и «Эксперт-002-2-
6н» с использованием государственных стандартных образцов удельной
электропроводности (ГСО УЭП). Полученные в работе экспериментальные
результаты соответствуют современным представлениям об
электропроводности растворов и двойном электрическом слое на границе раздела фаз с электронной и ионной проводимостью.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработан импульсный способ электрического воздействия на кондуктометрическую ячейку позволяющий контролировать ионную проводимость растворов с помощью одной двухэлектродной кондуктометрической ячейки в диапазоне 1^10 -100 См/м с погрешностью не более 4 %.
-
Показано, что сокращение времени воздействия импульса позволяет повысить линейность отклика тока в зависимости от возмущающего напряжения на кондуктометрической ячейке за счет уменьшения заряда, протекающего за время воздействия импульса.
-
Получено критериальное уравнение связывающее измерительный диапазон удельной электропроводности, расстояние между электродами и точность измерения.
-
Показано, что при импульсном воздействии напряжения треугольной формы со скоростью нарастания 0.1В/мкс материал электрода и скорость движения среды относительно ячейки не влияет на точность измерения электропроводности растворов.
Практическая ценность работы. Разработанный в диссертации способ измерения электропроводности с импульсным электрическим воздействием на
кондуктометрическую ячейку позволяет свести к минимуму погрешность измерения, вызванную явлением поляризации на границе раздела фаз с ионной и электронной проводимостью.
Отсутствие влияния материала электродов на точность измерения электропроводности позволяет заменить традиционно использующуюся в кондуктометрии платину на более дешевые металлы без снижения метрологических характеристик измерительной схемы.
Использование импульсного напряжения треугольной формы со скоростью нарастания зависящей от удельной электропроводности раствора позволяет уменьшить размер кондуктометрической ячейки, снизив содержание металла в кондуктометрической ячейке и объем пробы раствора для измерения до 1-2 см .
Разработанный способ позволяет проводить измерения электропроводности растворов в малых объемах с применением одной двухэлектродной ячейки в диапазоне 1x10 -100 См/м, что упрощает и ускоряет процесс проведения кондуктометрического анализа.
Наличие геометрической емкости ячейки при воздействии импульса напряжения треугольной формы приводит к линейному сдвигу тока. Поэтому погрешность измерения вызванная геометрической емкостью может быть учтена как информативный параметр первичного измерительного преобразователя непосредственно при измерении электропроводности и без предварительной калибровки ячейки.
Перспективно использование разработанной измерительной схемы при контроле электропроводности жидкостей и тканей непосредственно в живом организме (in vivo), при этом появляется возможность повысить удобство ввода первичного преобразователя в тело за счет уменьшения его размеров при сохранении точности кондуктометрических измерений.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Разработанная математическая модель отклика тока двухэлектродной кондуктометрической ячейки на возмущение импульсным напряжением треугольной формы, позволяет определить диапазон измеряемой электропроводности при заданной погрешности измерения.
-
При измерении электропроводности с помощью импульсного воздействия напряжения треугольной формы материал измерительных электродов и их площадь не влияет на точность измерения электропроводности растворов.
-
Использование напряжения треугольной формы позволяет повысить точность измерения за счет учета собственной емкости кондуктометрической ячейки как информативного параметра первичного измерительного преобразователя непосредственно при измерении электропроводности раствора и без предварительной калибровки ячейки.
-
Алгоритм, полученный на основе математической модели, позволяет провести разбиение измерительного диапазона с оптимальным соотношением времени воздействия импульса и удельной электропроводности для проведения измерений с заданной погрешностью.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований по теме диссертации используются при выполнении НИОКР по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2011-2012 гг.) и федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Предложенные в диссертационной работе рекомендации использованы при создании измерительного комплекса «ЭкоЛаб» ООО «ТехноАналит» г. Томска.
Математические модели применяются в учебном процессе при проведении лабораторных работ по дисциплине «Теоретические основы защиты окружающей среды» на кафедре ЭБЖ ИНК ТПУ.
Диссертация выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Номер государственного соглашения 14.В37.21.0457 «Разработка высокопроизводительного модульного приборного комплекса для автоматизированных систем экспериментальных исследований и управления электрофизическими установками ядерной энергетики»).
Апробация результатов. Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:
XIII Всероссийской научно-практической конференции имени профессора Л.П. Кулёва студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке»;
XVII Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность»;
II Всероссийской научно-практической конференции «Неразрушающий контроль: электронное приборостроение, технологии, безопасность» (работа отмечена дипломом II степени);
-XVI международном научном симпозиуме имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр»;
II Всероссийской научно-практической конференции школьников, студентов, аспирантов и молодых ученых «Исследования молодых- регионам» (работа отмечена дипломом I степени);
Научных семинарах кафедры экологии и безопасности жизнедеятельности ИНК ТПУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 6 рецензируемых статей в центральной печати (4 из списка рекомендованных ВАК).
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 125 библиографических ссылок. Текст диссертации изложен на 125 страницах, 15 таблицах и иллюстрирован 39 рисунками.
