Chemia wody cz. XIV
Przewodnictwo elektrolityczne c.d.


(Przedruk elektroniczny za zgodą PZA z czasopisma "Akwarium" nr 2/88)

Helmut Krosny

    Akwaryści, będący w posiadaniu magnetolelektrycznego mikroamperomierza, mogą zbudować solomierz na zasadzie omomierza szeregowego. Wielozakresowość przyrządu uzyskuje się przez wbudowanie do przyrządu kilku dodatkowych par oporników oznaczonych na szkicu jako R1 i R2. Oporniki te włącza się zamiennie w obwód przełącznika klawiszowego typu isostat, lub o podobnych właściwościach. Należy zastosować przełącznik o większych gabarytach celem uzyskania stabilnych styków. Opornik R2 służy do zwiększenia zakresu pomiarowego przyrządu. Oblicza się go ze wzoru:

Rd = (n - 1)Ru

Gdzie Rd oznacza opór dodatkowy oznaczony na szkicu jako R2, n oznacza krotność poszerzenia zakresu pomiarowego, Ru oznacza rezystancję ustroju pomiarowego (którą zwykle trzeba zmierzyć, gdyż podawana jest tylko w dokumentacji fabrycznej), a w naszym przypadku mierzymy ją łącznie z mostkiem z oporu R3, przy czym suwak tego potencjometru powinien mieć położenie środkowe. Krotność n obliczamy przez podzielenie żądanego zakresu przez zakres uzyskany bez dodatkowych oporników, oznaczonych na szkicu małymi cyframi 2,3...
Solomierz zbudowany na bazie mikroamperomierza

    Przykład: Rezystancja wewnętrzna ustroju pomiarowego (mikroamperomierza) wynosi 965 omów. Mostek wykonano z potencjometru o rezystancji 10 kiloomów. Suwak potencjometru ustawiono w połowie, czyli położeniu środkowym. Rezystancja potencjometru przy takim położeniu suwaka wynosi 5000 omów. Rezystancja ustroju wraz z mostkiem (stanowiącym bocznik ustroju) wynosi około 809 omów. Dotychczasowy zakres pomiarowy wynosi 100 µS. Poszerzony zakres ma wynosić 500 µS. Obliczamy - 500:100 = 5, czyli n jest równe pięć. Od liczby tej odejmujemy jeden otrzymując cztery, które mnożymy przez rezystancję ustroju z mostkiem wynoszącą 809 omów. Z przemnożenia otrzymujemy liczbę 3236. Dodatkowy opór powinien posiadać rezystancję równą 3236 omom. Identycznie obliczamy dalsze zakresy. Wpięty równolegle do ustroju pomiarowego mostek z potencjometru daje możliwość zerowania przyrządu w przypadku wahań napięcia w sieci. Zwiększając lub zmniejszając rezystancję mostka R3, przez manipulowanie suwakiem, możemy zmniejszyć lub zwiększyć część prądu płynącą przez ustrój pomiarowy i tym samym ustawić wskazówkę na ostatnią kreskę podziałki. Rezystancja R3 powinna posiadać wartość kilkakrotnie większą od rezystancji samego ustroju pomiarowego, po to, aby maksimum prądu płynęło przez ustrój pomiarowy.
    Czujnik pomiarowy wykonujemy identycznie jak przy opisie solomierza. Jeżeli mikroamperomierz jest przeznaczony do pomiarów małych natężeń (100 µA, lub mniej), to możemy kupić gotowy czujnik platynowy typu PS-2 proGukowany przez "Energopomiar" w Gliwicach. Kupno gotowego czujnika jest jednak uzasadnione tylko w wypadku pomiaru konduktywności wody silnie zasolonej, lub słonej. W innych przypadkach czujnik wykonujemy sami, oszczędzając pieniędzy. Ze względu na mały rozmiar elektrod przy użyciu mikroamperomierza, budowa takiego czujnika nie nastręcza większych kłopotów.
    Budując solomierz według niniejszego opisu, możemy łatwiej dopasować czujnik do układu, albowiem elektrody wykonane z małym nadmiarem (trochę za dużą powierzchnią) zamiast obcinać, dopasujemy potencjometrem R2. Obliczenia wyżej omówione należy traktować jako orientacyjne, ażeby móc dokonać zakupu odpowiednich części. Potencjometr oznaczamy małą cyfrą 1. W układzie oporu R2 powinien posiadać rezystancję jak najmniejszą, gdyż tylko wtedy będzie w pełni wykorzystana czułość ustroju pomiarowego. Jeżeli z dopasowania czujnika wynikałaby dość duża wartość jego rezystancji, to należy zmniejszyć powierzchnię elektrod. Do budowy solomierza należy najlepiej użyć potencjometrów obrotowych. Potencjometry suwakowe muszą być zabudowane w pozycji poziomej, co zabezpiecza układ przed rozregulowaniem.
    Jeżeli decydujemy się na układ trzyzakresowy (taki jak na szkicu), to pierwszy zakres powinien wynosić 100 µS, drugi 600 µS, trzeci, w zależności od potrzeb � 4000 µS, lub 20 000 µS (dla miłośników Efroplus maculafus, Poecilia velifera, Der-mogenys pusillus i innych ryb ze środowisk o znacznym zasoleniu). Dokładając dalsze pary oporów R, i R2 możemy ograniczyć pierwszy zakres do 50 µS, co jest ważne dla miłośników części ryb kąsaczowatych, szczególnie z dorzecza Amazonki.
    Do zerowania (skalowania) przygotowujemy tyle roztworów soli według tabeli podanej poprzednio, ile mamy zakresów. Od staranności przygotowania roztworów zależy dokładność wskazań. Dlatego warto stracić na ten cel nieco czasu. Do pomiaru temperatury należy użyć dobrego termometru, a temperaturę roztworu trzeba utrzymywać dokładnie w granicy 20°C. Zwrócić należy także uwagę na dokładne odważanie i odmierzanie soli i wody, lub roztworu soli. Zdarza się, iż użyta na przykład menzurka ma dolny odcinek źle wyskalowany. Unikać należy małych potencjometrów - tak zwanych montażowych, gdyż może się zdarzyć, że nie wytrzymają natężenia płynącego przez nie prądu. Rezystancję potencjometrów oznaczonych na szkicu jako R1 można łatwo obliczyć znając przyłożone napięcie, oraz łączną rezystancję ustroju pomiarowego wraz z mostkiem R3 i rezystancję poszczególnych oporów R2. Zauważyć trzeba, że podczas .gdy rezystancja poszczególnych oporów R2 wzrasta, to rezystancja odpowiednich oporów. R1 maleje. Wiąże się to z faktem, że> opory oznaczone jako R1 stanowią 'rezystancje zastępcze roztworów wzorcowych (im większe stężenie solanki, tym mniejszy opór elektryczny).

    Montaż i uruchomienie solomierza
1) Montujemy wstępnie wszystkie części luźno rozłożone na stole
2) Przygotowujemy odpowiednie roztwory wzorcowe:
dla 50 µS o stężeniu 27,5 mg NaCI/ 1 litr H2O,
dla 100 µS o stężeniu 55 mg NaCI/ 1 litr H2O,
dla 300 µS o stężeniu 165 mg NaCI/ 1 litr H,O,
dla 400 µS o stężeniu 220 mg NaCI/ 1 litr H2O,
dla 500 µS o stężeniu 275 mg NaCI/ 1 litr H2O,
dla 600 µS o stężeniu 330 mg NaCI/ 1 litr H2O,
dla 1000 µS o stężeniu 550 mg NaCI/ 1 litr H2O,
dla 2000 µS o stężeniu 1100 mg NaCI/ 1 litr H2O,
dla 2500 µS o stężeniu 1 375 mg NaCI/ 1 litr H2O,
dla 12 500 µS o stężeniu 6875 mg NaCI/1 litr H2O,
dla 20 000 µS o stężeniu 11 000 mg (11 gram) NaCI/1 litr H2O.
Zakres 50 i 100 µS jest preferowany dla miłośników ryb kąsaczowatych.
Zakres 500 i 1000 jest potrzebny dla miłośników niektórych ryb pielęgnicowatych. Poza tym w tych przedziałach mieści się przewodnictwo wody wodociągowej.
Zakresy 12 500 i 20 000 µS potrzebne są miłośnikom ryb pochodzących z wód słonawych. Odpowiednie stężenia należy uzyskiwać przez rozcieńczanie roztworów o większych stężeniach.
3) Przeprowadzamy próby, sprawdzając przydatność posiadanych potencjometrów oraz walory wykonanego czujnika. 1 W razie potrzeby wymieniamy potencjometry, lub dopasowujemy czujnik (który najlepiej jest wykonać dopiero po wstępnym zamontowaniu części i przygotowaniu roztworów wzorcowych).
4) Po sprawdzeniu poprawnego działania zestawu demontujemy go i przystępujemy do projektowania obudowy, która koniecznie musi być wykonana z materiału niemagnetycznego, jak sklejka, linaks, pleksiglas, aluminium. Obudowę należy tak skonstruować, ażeby zaciski (lub gniazdo) czujnika znajdowały się z przodu, zaś klawiszowy przełącznik na górnej płycie. Przełącznik obrotowy może znajdować się na przedniej stronie. Przewód sieciowy powinien wychodzić z boku, lub z tyłu obudowy. W obudowie można zamontować ewentualny sygnał świetlny, wskazujący na włączenie zasilania. Na górnej płycie montujemy również przycisk do włączania oporu R1, natomiast potencjometr R3 możemy założyć z przodu, od góry, lub z boku. Pozostałe części powinny znajdować się wewnątrz obudowy, możliwie z dala od mikroamperomierza.
5) Montujemy wszystkie części w obudowie w taki sposób, by był dostęp do potencjometrów R1 i R2.
6) Zerujemy przyrząd, zaczynając od najmniejszego zakresu. Potencjometr R3 ustawiamy w położeniu środkowym, czujnik wkładamy do roztworu, wykonując przy tym kilka ruchów dla opłukania roztworem elektrod czujnika. Potencjometrem R2 - 1 dopasowujemy czujnik. Lepiej gdy czujnik jest tak wykonany, aby można było pominąć dławienie prądu przez potencjometr, gdyż tracimy przez to na czułości mikroamperomierza, a dodatkowo musimy zwiększyć wartość rezystancji pozostałych potencjometrów R2. Jeżeli na przykład rezystancja ustroju pomiarowego wraz z mostkiem wynosi 12,5 oma, a wartość nastawionej na potencjometrze rezystancji wynosi 2,5 oma (20% wartości 12,5), to następny opór przy poszerzeniu skali pięciokrotnie będzie wynosił nie 50, a 60 omów. Po ustawieniu wskazówki na zero (przez cały czas zerowania nie ruszamy potencjometru R3!), wyjmujemy czujnik z roztworu, a lepiej odłączamy go od przyrządu i przyciskając przycisk manipulujemy potencjometrem R1 - 1 tak, by wskazówka znów pokryła się z ostatnią kreską podziałki. Czynność tę należy powtórzyć dla kontroli. Analogicznie zerujemy pozostałe zakresy. Zerowania należy wykonywać przy pełnym napięciu w sieci bez wahań, np. późną nocą. Po ustawieniu wszystkich zakresów zabezpieczamy potencjometry R2 i R1 przed rozregulowaniem (można użyć kropelki lakieru nałożonej na oś lub suwak potencjometru) i zamykamy obudowę.
    Starannie i stabilnie wykonany w ten sposób solomierz przy pomiarach mniejszych zasoleń da błąd pomiaru w granicach 2%. Przy pomiarach dużych zasoleń błąd może być większy od 5%. Szczególnie wtedy, kiedy elektrody będą zbyt małe, a w związku z tym blisko siebie położone. Wystąpi wtedy większe zjawisko polaryzacji. Do pomiarów wysokich zasoleń należałoby użyć wysokich częstotliwości prądu i elektrod platynowych, ale z praktyki wynika, że czujnik ze stali nierdzewnej, o nie za małych elektrodach z powodzeniem zastępuje czernioną platynę, tym bardziej, że w akwarystyce chodzi o pomiary orientacyjne a nie - ścisłe. Solomierze tego rodzaju mogliby dla wygody akwarystów produkować wytwórcy sprzętu akwarystycznego. Zbyt byłby z pewnością taki sam jak termoregulatorów. Wśród akwarystów bywają w użyciu solomierze o podobnej konstrukcji, ale zazwyczaj mniej dokładne. Na niedokładność składa się sposób wykonania czujnika (według formuły jednostki przewodnictwa - 1 cm2 powierzchni elektrod i rozstaw elektrod wynoszący 1 cm). Czujnik tak wykonany powinien mieć dokładność wymiarów co do jednej setnej milimetra. Użyte oporniki (solomierze te budowane są na podstawie teoretycznych wyliczeń) w tych solomierzach powinny mieć dokładność 0,5%, a kupowane w sklepach wykazują błąd 5 a nawet 10%. W kraju produkowany jest bardzo dobry solomierz uniwersalny o symbolu N-572. Dystrybutorem jest Centrum Komputerowych Systemów Automatyki i Pomiarów "MERA-ELWRO". Dla ciekawości podaję, że składa się on ze 170 części i podzespołów. Opisany tu solomierz dla akwarystów składa się tylko z 18 części, wliczając w to obudowę.
Wykonywanie pomiarów przewodnictwa
1. Włączamy zasilanie.
2. Włączamy odpowiedni zakres, a jeżeli nie orientujemy się w jakim przedziale mieści się badane przewodnictwo, to włączamy zakres największy. Zabezpieczamy się w ten sposób przed ewentualnym spaleniem mikroamperomierza.
3. Naciskamy przycisk i potencjometrem R3 korygujemy ustawienie wskazówki na "zero", czyli ostatnią kreskę podziałki.
4. Puszczamy przycisk, a czujnik wkładamy do badanej wody.
5. Odczytu dokonujemy następująco: dany zakres dzielimy przez ilość działek na skali. Otrzymujemy w ten sposób wartość jednej działki. Następnie mnożymy wartość działki przez ilość dzia łek wskazanych, a jeżeli temperatura jest różna od 20°C, to uzyskaną wartość przewodnictwa musimy przeliczyć na daną temperaturę według wzorów podanych przy omawianiu najprostszego solomierza. Dla wygody należy sobie sporządzić odpowiednie tabele z przeliczeniem przewodnictwa w zakresie od 20-30°C co jeden stopień.
Mikroamperomierze produkują Zakłady Systemów Mikrokomputerowych "MERA-ZSM" ul. Łopuszańska 171, 02-232 Warszawa, tel. 23-76-11, oraz 23-70-44. Do solomierzy najbardziej przydatne są typy mikroamperomierzy MK-3A, MP-3A, MZ-3A. Zakłady produkują także mikroamperomierze do pehametrów - MK-4A, MP-4A, MZ-4A z zerem w środku skali.

Recenzował: mgr inż. Piotr Puczka

"Akwarium" 2/88

strona główna