CC BY
318
УДК 537.9 ББК 22.3
БЕСКОНТАКТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
И.Г. Симаков, С.А. Бальжинов, Т.С. Дембелова, Б.Б. Бадмаев
Бурятский научный центр Сибирского отделения РАН, Улан-Удэ E-mail: lmf@ofp srv. bsc. bury atia.ru
Изучены особенности бесконтактной передачи электрического сигнала через воду в зависимости от частоты при наличии примесей. Предложена методика бесконтактного измерения проводимости водных растворов.
Ключевые слова: водный раствор, электропроводность.
CONTACTLESS METHOD OF DEFINITION CONDUCTANCE OF WATER AND WATER SOLUTIONS
I.G. Simakov, S.A. Balzhinov, T.S. Dembelova, B.B. Badmaev Buryat Scientific Centre, Siberian Branch of RAS, Ulan-Ude
Features of contactless transfer of an electric signal through water depending on frequency in the presence of impurity are studied. The technique of contactless measurement of conductivity of water solutions is offered.
Key words: water solutions, conductance.
Вода является важнейшим звеном, объединяющим все живое на земле, она задействована во многих технологических процессах, поэтому в первую очередь испытывает загрязнение. Из анализа аномалий свойств воды и водных растворов следует, что наиболее чувствительными к загрязнению воды являются ее электрофизические свойства. Растворенные в воде примеси изменяют ее проводимость, следовательно, проводимость природной воды может характеризовать степень ее загрязненности. В связи с этим для мониторинга загрязненности природной воды актуальным становится разработка методов контроля содержания примесей, например по изучению изменений ее проводимости.
При длительном времени наблюдения к методам измерения проводимости воды и водных растворов предъявляются определенные требования. Главным условием является исключение возможности загрязнения измеряемой жидкости в результате растворения измерительных электродов, чтобы исключить соответствующее изменение ее проводимости. Этому требованию удовлетворяет предлагаемый ниже бесконтактный метод измерения проводимости.
Ранее было обнаружено явление бесконтактной передачи электрического сигнала через жидкость
[1]. В работе [2] было показано, что определяющим фактором при бесконтактной передаче электрического сигнала через полярную жидкость является электропроводность этой жидкости, которая возникает в результате растворения различных примесей. Целью настоящей работы является развитие метода определения электропроводности воды и водных растворов на основе изучения явления бесконтактной передачи электрического сигнала через полярные жидкости.
При увеличении концентрации примесей существенно изменяется проводимость водного электролита. Поэтому для контроля состояния природной воды был выбран бесконтактный метод измерения проводимости, предложенный в работе [1].
Экспериментальная установка состоит из генерирующего устройства, измерительной ячейки и измерительного приемника. Блок - схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Для возбуждения электрического сигнала в диапазоне частот 100-5 -105 Гц используется генератор низкой частоты 1 с амплитудой до 10 В. С генератора низкой частоты электрический сигнал подается на электроды 2 измерительной ячейки. Далее, с электродов измерительной ячейки 3 сигнал подается на вход регистрирующего устройства 5, в качестве которого выступает осциллограф или милливольтметр. Измерительная ячейка представляет собой кварцевую трубку 4 для помещения в нее исследуемой жидкости и две пары одинакового размера электродов передающих и принимающих сигнал. Чтобы исключить попадание прямого сигнала наводки с передающих электродов 2 на принимающие электроды 3, последние помещены в заземленный металлический экран 6.
Трубка может быть сделана из любого диэлектрического материала (например, стекла), однако предпочтительнее использовать кварцевую трубку, размеры которой практически не зависят от перепадов температуры. Следовательно, температурные изменения размеров столба исследуемой жидкости не будут влиять на ее проводимость, т.е. изменение проводимости столба жидкости будет зависеть только от температуры.
Размеры трубки (длина и диаметр) выбираются из соображений удобства заполнения ее жидкостью. В измерительной ячейке была предусмотрена возможность изменения длины и диаметра квар-
цевой трубки. Температура жидкости контролировалась ртутным термометром либо прибором, основанным на измерении ЭДС термопары. Чтобы исключить градиенты температуры вдоль длины, трубка термостатировалась.
Поскольку исключалась возможность попадания на вход регистрирующего устройства прямого сигнала наводки, то сигнал с передающих электродов, пройдя столб жидкости до принимающих, будет отставать по фазе от сигнала на передающих электродах. Следовательно, зависимость амплитуды выходного сигнала будет зависеть от частоты. Частотная зависимость амплитуды может достигать максимального значения, а затем уменьшаться. Чтобы проанализировать характер изменения амплитуды в зависимости от частоты электрического сигнала при бесконтактной передаче сигнала через жидкость, а также влияние температуры, рода жидкости и геометрических параметров трубки, необходимо проанализировать полную схему измерительной установки.
Все полярные жидкости, в отличие от неполярных, в какой-то степени диссоциированы и могут растворять электропроводящие примеси. Поэтому они обладают относительно высокой электропроводностью по сравнению с чистыми диэлектриками и ее нужно учитывать в электрической схеме измерительной системы. Также нужно учитывать входное сопротивление и входную емкость измерительного прибора вместе с емкостью входного кабеля, так как они становятся сравнимыми с элементами измерительной ячейки.
В работе [2] было получено выражение, которое объясняет все особенности поведения сигнала, обнаруженные в [1]. Уменьшение сопротивления столба жидкости или увеличения его проводимости приводит к сдвигу частоты максимума в сторону высоких частот. Величина смещения частоты максимума при небольших изменениях проводимости равна
-05
-
Это выражение показывает высокую чувствительность девиации частоты максимума к изменению электропроводности жидкости. Следовательно, чтобы определить проводимость водного раствора, достаточно измерить относительное изменение частоты максимума проходной амплитудночастотной характеристики (АЧХ). Таким образом, методика бесконтактного определения проводимости водных растворов сводится к измерению частоты максимума проходной АЧХ исследуемой жидкости и сравнению ее с частотой максимума эталонной жидкости (дважды дистиллированной воды). В процессе измерения нужно контролировать и поддерживать неизменной температуру исследуемой и эталонной жидкости.
Экспериментально изучена зависимость амплитуды прошедшего через жидкость сигнала от частоты переменного электрического поля. В эксперименте использовалась измерительная ячейка, описанная выше. Исследуемые жидкости помещались в кварцевую трубку диаметром 10 мм, расстояние между передающими и принимающими электродами было 5 см.
На рис. 2 показаны характерные кривые частотной зависимости амплитуды переданного через
гл
2
3
Рис. 1. Схема экспериментальной установки 1 — генератор низкой частоты; 2, 3 — электроды; 4 — кварцевая трубка с исследуемой жидкостью; 5 — осциллограф или милливольтметр; 6 — заземленный металлический экран
жидкость сигнала для воды и для ацетона. Как видим, при увеличении частоты от нуля величина
4
переданного сигнала возрастает, достигая при определенной частоте максимального значения, а затем падает. При частоте, близкой к 100 кГц, амплитуда проходного сигнала асимптотически стремится к нулю. Характер изменения зависимости различный на начальном и конечном участках кривой.
Производная ди/д/ меняет знак, на начальном участке кривой она положительная, на конечном участке кривой отрицательная. При некоторой частоте /т зависимость и(/) проходит через нулевое значение. Изменение амплитуды в зависимости от частоты, по абсолютной величине, на начальном участке кривой выше, чем на конечном участке.
0 20 40 / кГц
Рис 1. Кривые зависимости амплитуды наведенного сигнала от частоты для воды (1) и для ацетона (2).
Характер кривой АЧХ в случае ацетона остается без изменения, однако амплитуда сигнала достигает максимального значения при большей частоте. Для других полярных жидкостей проходной сигнал достигает максимальной величины при разных частотах, амплитуда проходного сигнала на частоте максимума для различных жидкостей имеет неодинаковое значение.
Были проведены исследования зависимости данного эффекта от температуры для дважды дистиллированной воды. С увеличением температуры максимум кривых сдвигается в сторону больших частот. Наблюдается рост амплитуды максимального значения переданного сигнала, кроме того, имеет место тенденция его уширения (смазывания) при увеличении температуры. Увеличение концентрации примесей изменяет частотную зависимость проводимости и диэлектрической постоянной сильных электролитов. С экспериментальной точки зрения важ -но, что для любой заданной концентрации примеси имеется такая длина волны (частота), для которой соответствующее возрастание молярной проводимости оказывается наибольшим. Была изучена частотная зависимость амплитуды проходного сигнала для разных значений концентрации поваренной соли в воде. С увеличением концентрации соли максимум смещается в сторону больших частот с тенденцией полного его смазывания. Достаточно ничтожного количества соли (нескольких сотых долей весовых процентов), чтобы максимум практически исчез. Это понятно, поскольку помещение трубки с электролитом высокой концентрации между электродами равносильно помещению туда металлического стержня.
Таким образом, при определении проводимости природной воды бесконтактным методом необходимо учитывать особенности ее строения. Структурные особенности воды влияют на релаксационные процессы в ней, определяют зависимость проходной характеристики сигнала от частоты.
Если полярную жидкость поместить в переменное электрическое поле, то вектор поляризации структурных ячеек будет поворачиваться вслед за изменением поля. Таким образом, в жидкости возможно наличие переменного тока аналогично току смещения. Такое поведение структурных образований (ячеек) будет обеспечивать эффект передачи электрического сигнала через жидкость.
Наблюдаемый эффект также можно попытаться объяснить исходя из предположения, что измерительная система эквивалентна ЛС-цепочке, которая с изменением сопротивления может менять как величину передаваемого сигнала, так и его фазу. В формате представлений об ЯС-
цепочке эффект объясняется наличием электропроводности жидкости и несовершенством измерительного прибора, т.е. наличием у него входного сопротивления и емкости. Данный эффект может служить новым методом исследования жидкостей. Подтверждением этому являются подмеченные интересные явления зависимости эффекта от температуры, в частности временная релаксация эффекта, некоторые нелинейные свойства данного эффекта в зависимости от амплитуды напряжения и т. д. Кроме того, данное явление оказалось весьма чувствительным к различным примесям, что дает возможность применять его в качестве нового метода контроля чистоты жидкости.
Основанное на этом эффекте измерение проводимости жидкостей, по-видимому, особенно ценно при мониторинге состояния окружающей среды и необходимости проведения длительных измерений, когда контактные измерения из-за деградации поверхности электродов могут приводить к большим погрешностям измерения.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 08-02-98006, 08-02-98008_р_сибирь_а).
ЛИТЕРАТУРА
1. Егоров И. Д., Базарон У.Б., Булгадаев А.В. О передаче электрического сигнала через жидкость // Тр. БИЕН БФ СО АН СССР «Исследования в области молекулярной физики». - 1971. - С. 96-102.
2. Бальжинов С.А. Передача электрического сигнала через жидкость // Сб. «Исследования в области молекулярной физики». - Улан-Удэ: БНЦ СО РАН. - 1994. - С. 58-62.
УДК 539.2
РАЗНОСТЬ СКОРОСТЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНОЙ И ПОПЕРЕЧНОЙ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН И ПАРАМЕТР ГРЮНАЙЗЕНА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
А.А. Машанов*, М.В. Дармаев*, Д.С. Сандитов*’**, С.С. Бадмаев*
*Бурятский государственный университет, Улан-Удэ. E-mail: [email protected] **Отдел физических проблем Бурятского научного центра СО РАН, Улан-Удэ
Между параметром Грюнайзена и относительной разностью скоростей распространения продольной и поперечной акустических волн в твердых телах установлена эмпирическая линейная корреляция.
Ключевые слова: параметр Грюнайзена, акустические волны
DIFFERENCE OF VELOCITIES OF DISTRIBUTION OF DILATATIONAL AND TRAVERSAL ULTRASONIC WAVES AND PARAMETER GRUNEISEN OF SOLID BODIES A.A. Mashanov, M.V. Darmaev, D.S. Sanditov, S.S.Badmaev Buryat State University, Ulan-Ude Department of Physical Problems of the Buryat Scientific Center of the Siberian Branch of the RAS, Ulan-Ude Between parametre Gruneisen and the relative difference of velocities of distribution of dilatational and traversal ultrasonic waves in solid bodies the empirical linear correlation is erected.
Key words: parametre Gruneisen, ultrasonic waves
Параметр Грюнайзена входит в уравнение состояния твердого тела и служит характеристикой нелинейности силы межатомного взаимодействия и ангармонизма колебаний решетки. Он вычисляется обычно из экспериментальных данных о коэффициенте объемного теплового расширения в, изотермическом модуле объемного сжатия В, молярном объеме V и молярной теплоемкости Су
г . (1)
і в с
С V
Представляет интерес установление связи ув с другими характеристиками твердых тел [1-4]. Недавно было показано, что между параметром Грюнайзена и отношением скоростей распространения продольной (у£) и поперечной (у5) акустических волн наблюдается линейная корреляция [4]
(2)
у D = C 11-М - C
2
где С1 и С2 - эмпирические постоянные. Эта зависимость справедлива как для кристаллических, так и для стеклообразных твердых тел [4].
Данное сообщение посвящено дальнейшему изучению корреляции (2).
v
S
1l8
