مقياس التوصيل الكهربائي: دليل شامل للمبتدئين

في السياق الحديث لمراقبة الجودة، والرصد البيئي، والتصنيع المتخصص، تعد القدرة على تقييم تركيب السوائل بدقة أمرًا بالغ الأهمية.الموصلية الكهربائية(EC) يمثل معيارًا أساسيًا، حيث يوفر نظرة ثاقبة حول التركيز الإجمالي للمواد الأيونية المذابة داخل المحلول.جهاز قياس الموصلية الكهربائية(EC Meter) هو الجهاز التحليلي الذي لا غنى عنه المستخدم لقياس هذه الخاصية.

تم تصميم هذا الدليل الشامل للمحترفين والمبتدئين على حد سواء، حيث يوفر تفصيلاً دقيقًا لمبادئ عداد EC ووظيفته ومعايرته وتطبيقاته المتنوعة، مما يضمن أن يتمكن المبتدئين من دمج تقنية القياس الأساسية هذه بثقة في سير عملهم التشغيلي.

جدول المحتويات:

1. ما هي الموصلية الكهربائية؟

2. ما هو جهاز قياس الموصلية الكهربائية؟

3. ما هو مبدأ عمل جهاز قياس الموصلية الكهربائية؟

4. ماذا يقيس جهاز قياس الموصلية الكهربائية؟

5. جميع أنواع أجهزة قياس الموصلية الكهربائية

6. كيفية معايرة جهاز قياس الموصلية الكهربائية؟

7. تطبيقات واسعة النطاق لمقياس الموصلية الكهربائية

8. ما هو الفرق بين جهاز قياس الموصلية الكهربائية وجهاز قياس الرقم الهيدروجيني؟

1. ما هي الموصلية الكهربائية؟

الموصلية الكهربائية(κ) هو مقياس قدرة المادة على نقل التيار الكهربائي. في المحاليل المائية، لا يتحقق هذا النقل بواسطة الإلكترونات الحرة (كما في المعادن)، بل بحركة الأيونات المذابة. عندما تذوب الأملاح أو الأحماض أو القواعد في الماء، فإنها تتفكك إلى كاتيونات موجبة الشحنة وأنيونات سالبة الشحنة. هذه الجسيمات المشحونة تُمكّن المحلول من توصيل الكهرباء.

بشكل عام، يتم تعريف الموصلية (σ) رياضيا على أنها معكوس المقاومة (ρ)، مما يشير إلى قدرة المادة على توصيل التيار الكهربائي (σ = 1/ρ).

بالنسبة للحلول، تعتمد الموصلية بشكل مباشر على تركيز الأيونات؛ ببساطة،يؤدي التركيز الأعلى للأيونات المتحركة إلى زيادة التوصيل بشكل مباشر.

في حين أن الوحدة الدولية القياسية (SI Unit) للتوصيل هي سيمنز لكل متر (S/m)، إلا أنه في التطبيقات العمليةيحبتحليل جودة المياهوالتحليل المختبري، القيم ميكرو سيمنز لكل سنتيمتر (µS/cm) أو ملي سيمنز لكل سنتيمتر (mS/cm) هيأكثر شيوعاً واستخداماً على نطاق واسع.

II. ما هو جهاز قياس الموصلية الكهربائية؟

An جهاز قياس الموصلية الكهربائيةهو جهاز تحليلي دقيق تم تصميمه لقياس توصيل المحلول، والذي يعمل عن طريق تطبيق مجال كهربائي وقياس تدفق التيار الناتج.

تتكون الأداة عادة من ثلاث وحدات وظيفية رئيسية:

1. خلية التوصيل (المسبار/القطب الكهربائي):هذا هو المستشعر الذي يلامس المحلول المستهدف. يحتوي على قطبين كهربائيين أو أكثر (غالبًا ما يكونان مصنوعين من البلاتين أو الجرافيت أو الفولاذ المقاوم للصدأ) تفصل بينهما مسافة ثابتة.

2. وحدة القياس:هذا هو المكون الإلكتروني الذي يولد جهد الإثارة (التيار المتردد) ويعالج إشارة المستشعر.

3. مستشعر درجة الحرارة:غالبًا ما يتم دمج هذا المكون الضروري في المسبار لقياس درجة حرارة العينة للحصول على تعويض دقيق.

يوفر مقياس EC البيانات الأساسية المطلوبة لإدارة العمليات حيث يكون تركيز المواد الصلبة المذابة أمرًا بالغ الأهمية، مثل تنقية المياه والتصنيع الكيميائي.

ثالثًا: ما هو مبدأ عمل جهاز قياس الموصلية الكهربائية؟

يعتمد مبدأ القياس على العلاقة بين الموصلية والمقاومة، والتي تُحددها هندسة ثابتة. لنستكشف معًا خطوات القياس الأساسية:

1. تطبيق الجهد المتردد:يقوم الجهاز بتطبيق جهد تيار متناوب (AC) دقيق ومعروف عبر القطبين في المجس، مما يمنع الاستقطاب وتدهور أسطح القطب.

2. القياس الحالي:يقوم جهاز قياس الموصلية الكهربائية بقياس مقدار التيار (I) الذي يتدفق عبر المحلول، وهذا التيار يتناسب طرديا مع تركيز الأيونات المتحركة.

3. حساب الموصلية:يتم حساب الموصلية الكهربائية (G) للمحلول بين اللوحين باستخدام صيغة معاد ترتيبها لقانون أوم: G = I/V.

4. تحديد الموصلية:للحصول على الموصلية النوعية (κ)، يتم ضرب الموصلية المقاسة (G) بثابت خلية المجس (K): κ = G · K. ثابت الخلية (K) هو عامل هندسي ثابت يتم تحديده من خلال المسافة (d) بين الأقطاب الكهربائية ومساحة سطحها الفعالة (A)، K = d/A.

الموصلية حساسة للغاية لدرجة الحرارة؛ فزيادة درجة مئوية واحدة قد ترفع القراءة بنسبة ٢-٣٪ تقريبًا. ولضمان تطابق النتائج عالميًا، تستخدم جميع أجهزة قياس الموصلية الكهربائية الاحترافية تقنية التعويض الحراري التلقائي (ATC).

يقوم العداد بإرجاع قيمة الموصلية المقاسة إلى درجة حرارة قياسية، عادةً 25 درجة مئوية، باستخدام معامل درجة حرارة محدد، مما يضمن دقة القيمة المبلغ عنها بغض النظر عن درجة الحرارة الفعلية للعينة أثناء القياس.

رابعًا: ما الذي يقيسه جهاز قياس الموصلية الكهربائية؟

في حين أن الناتج الأساسي لمقياس EC هوالموصلية الكهربائية، يتم استخدام هذه القراءة بشكل روتيني لتحديد كمية أو تقدير معلمات جودة المياه الحرجة الأخرى في أنواع المنشآت الصناعية:

1. الموصلية الكهربائية (EC):القياس المباشر، يتم الإبلاغ عنه بوحدة µS/cm أو mS/cm.

2. إجمالي المواد الصلبة الذائبة (TDS): TDSيمثل إجمالي كتلة المواد العضوية وغير العضوية المذابة لكل وحدة حجم من الماء، ويُعبَّر عنه عادةً بالملغ/لتر أو جزء في المليون (ppm). ونظرًا لارتباط الموصلية الكهربائية ارتباطًا وثيقًا بالمحتوى الأيوني (أكبر نسبة من المواد الصلبة الذائبة الكلية)، يمكن لجهاز قياس الموصلية الكهربائية توفير قيمة تقديرية للمواد الصلبة الذائبة الكلية باستخدام عامل تحويل (عامل المواد الصلبة الذائبة الكلية)، والذي يتراوح عادةً بين 0.5 و0.7.

3. الملوحة:بالنسبة للمياه قليلة الملوحة ومياه البحر والمحاليل الملحية الصناعية، فإن الموصلية الكهربائية هي المحدد الأساسي للملوحة، وهو التركيز الإجمالي لجميع الأملاح المذابة في الماء، والتي يتم الإبلاغ عنها عادة بوحدات الملوحة العملية (PSU) أو أجزاء في الألف.

V. جميع أنواع أجهزة قياس الموصلية الكهربائية

تم تصميم أجهزة قياس EC في تكوينات مختلفة لتلبية المتطلبات المحددة للدقة والتنقل والمراقبة المستمرة، وفيما يليالشائعأنواع الموصليةأمتارالذي - التيتظهر بشكل متكرر في أنواع المشاهد الصناعية:

6. كيفية معايرة جهاز قياس الموصلية الكهربائية؟

المعايرة الدورية إلزامية للحفاظ على دقة وموثوقية أي نظام قياس EC. تُوحّد المعايرة استجابة الجهاز للقيم المعروفة، مع التحقق من ثابت الخلية (K).

إجراء المعايرة القياسية:

1. الاختيار القياسي:اختر معتمدًامحلول معياري للتوصيل(على سبيل المثال، محاليل كلوريد البوتاسيوم (KCl) ذات قيم معروفة مثل 1413 µS/cm أو 12.88 mS/cm) التي تحدد نطاق العينة المتوقع.

2. تحضير المجس:اشطف القطب جيدًا بالماء منزوع الأيونات (DI)، ثم بكمية قليلة من المحلول القياسي لترطيب السطح. جففه بورق خالٍ من الوبر؛ لا تمسحه بقوة.

3. القياس:اغمر المجس بالكامل في المحلول القياسي، مع التأكد من عدم وجود فقاعات هواء محصورة بالقرب من أسطح الأقطاب الكهربائية. اترك درجة الحرارة تستقر.

4. التعديل:ابدأ وظيفة معايرة العداد. سيقرأ الجهاز تلقائيًا القيمة المستقرة ويضبط معلماته داخليًا (أو يطلب من المستخدم إدخال القيمة القياسية المعروفة).

5. التحقق:بالنسبة للعمل عالي الدقة، تحقق من المعايرة باستخدام حل قياسي ثانٍ مختلف.

٧. تطبيقات واسعة لمقياس الموصلية الكهربائية

إن تطبيقات قياس الكفاءة الكهربائية واسعة النطاق وحاسمة في مختلف القطاعات:

1. تنقية المياه:مراقبة كفاءة أنظمة التناضح العكسي (RO) وإزالة الأيونات. تُعدّ موصلية المياه فائقة النقاء مقياسًا مباشرًا لجودتها (انخفاض ميكروسيمنز/سم يدل على نقاء عالٍ).

2. العلوم البيئية:تقييم الصحة العامة وملوحة المسطحات المائية الطبيعية (الأنهار والبحيرات والمياه الجوفية)، والتي تستخدم في كثير من الأحيان كمؤشر على التلوث المحتمل أو الجريان المعدني.

3. الزراعة والبستنة:السيطرة علىتركيز المحلول المغذيفي الزراعة المائية والتسميد بالري. ترتبط صحة النبات ارتباطًا مباشرًا بمستوى الموصلية الكهربائية في مياه التغذية.

4. التحكم في العمليات الصناعية:تنظيم دورات التفريغ في أبراج التبريد والغلايات لمنع الترسب والتآكل من خلال الحفاظ على تركيز المواد الصلبة المذابة ضمن الحدود المقبولة.

5. الأطعمة والمشروبات:مراقبة الجودة، وتستخدم لقياس تركيز المكونات (على سبيل المثال، الملح في المحاليل الملحية أو تركيز الحمض في المشروبات).

٨. ما الفرق بين جهاز قياس التوصيل الكهربائي وجهاز قياس الرقم الهيدروجيني؟

في حين أن كلاهما أدوات أساسية لتحليل السوائل، فإن مقياس EC وthهـجهاز قياس الرقم الهيدروجينيالقياساتأورالخصائص المميزة بشكل أساسي للحل:

في تحليل شامل للمياه، يُعدّ كلا المعيارين ضروريين. على سبيل المثال، بينما تدلّ الموصلية العالية على وجود العديد من الأيونات، يدلّ الرقم الهيدروجيني (pH) على ما إذا كانت هذه الأيونات تُساهم بشكل رئيسي في الحموضة أو القلوية.