что это такое + таблица значений

Строительное дело предусматривает использование любых подходящих материалов. Главные критерии – безопасность для жизни и здоровья, тепловая проводимость, надёжность. Далее следуют, цена, свойства эстетичности, универсальность применения и т.д.

Рассмотрим одну из важнейших характеристик стройматериалов – коэффициент теплопроводности, так как именно от этого свойства во многом зависит, к примеру, уровень комфорта в доме.

Содержание статьи:

Что такое КТП строительного материала?

Теоретически, да и практически тоже, строительными материалами, как правило, создаются две поверхности – наружная и внутренняя. С точки зрения физики, теплая область всегда стремится к холодной области.

Применительно к стройматериалу, тепло будет стремиться от одной поверхности (более теплой) к другой поверхности (менее теплой). Вот, собственно, способность материала относительно такого перехода и называется – коэффициентом теплопроводности или в аббревиатуре – КТП.

Схема, поясняющая эффект теплопроводности: 1 – тепловая энергия; 2 – коэффициент теплопроводности; 3 – температура первой поверхности; 4 – температура второй поверхности; 5 – толщина стройматериала

Характеристика КТП обычно строится на основе испытаний, когда берётся экспериментальный экземпляр размерами 100х100 см и к нему применяется тепловое воздействие с учётом разницы температур двух поверхностей в 1 градус. Время воздействия 1 час.

Соответственно, измеряется теплопроводность в Ваттах на метр на градус (Вт/м°C). Коэффициент обозначается греческим символом λ.

По умолчанию, теплопроводность различных материалов для строительства со значением меньше 0,175 Вт/м°C, приравнивает эти материалы к разряду изоляционных.

Современным производством освоены технологии изготовления стройматериалов, уровень КТП которых составляет меньше 0,05 Вт/м°C. Благодаря таким изделиям, удается достичь выраженного экономического эффекта в плане потребления энергетических ресурсов.

Влияние факторов на уровень теплопроводности

Каждый отдельно взятый стройматериал имеет определенное строение и обладает своеобразным физическим состоянием.

Основой этого являются:

• размерность кристаллов структуры;
• фазовое состояние вещества;
• степень кристаллизации;
• анизотропия теплопроводности кристаллов;
• объем пористости и структуры;
• направление теплового потока.

Все это – факторы влияния. Определенное влияние на уровень КТП также оказывает химический состав и примеси. Количество примесей, как показала практика, оказывает особенно выразительное влияние на уровень теплопроводности кристаллических компонентов.

Изоляционные стройматериалы – класс продуктов под строительство, созданных с учётом свойств КТП, приближенных к оптимальным свойствам. Однако достичь идеальной теплопроводности при сохранении других качеств, крайне сложно

В свою очередь влияние на КТП оказывают условия эксплуатации стройматериала – температура, давление, уровень влажности и др.

Стройматериалы с минимальным КТП

Согласно исследованиям, минимальным значением теплопроводности (около 0,023 Вт/м°C) обладает сухой воздух.

С точки зрения применения сухого воздуха в структуре строительного материала, необходима конструкция, где сухой воздух пребывает внутри замкнутых многочисленных пространств небольшого объёма. Конструктивно такая конфигурация представлена в образе многочисленных пор внутри структуры.

Отсюда логичный вывод: малым уровнем КТП должен обладать стройматериал, внутренняя структура которого представляет собой пористое образование.

Причём, в зависимости от максимально допустимой пористости материала, значение теплопроводности приближается к значению КТП сухого воздуха.

Созданию строительного материала с минимальной теплопроводностью способствует пористая структура. Чем больше содержится пор разного объема в структуре материала, тем лучший КТП допустимо получить

В современном производстве применяются несколько технологий для получения пористости строительного материала.

В частности, используются технологии:

• пенообразования;
• газообразования;
• водозатворения;
• вспучивания;
• внедрения добавок;
• создания волоконных каркасов.

Следует отметить: коэффициент теплопроводности напрямую связан с такими свойствами, как плотность, теплоемкость, температурная проводимость.

Значение теплопроводности может быть рассчитано по формуле:

λ = Q / S *(T₁-T₂)*t,

Где:

• Q – количество тепла;
• S – толщина материала;
• T₁, T₂ – температура с двух сторон материала;
• t – время.

Средняя величина плотности и теплопроводности обратно пропорциональна величине пористости. Поэтому, исходя из плотности структуры стройматериала, зависимость от нее теплопроводности можно рассчитать так:

λ = 1,16 √ 0,0196+0,22d² – 0,16,

Где: d – значение плотности. Это формула В.П. Некрасова, демонстрирующая влияние плотности конкретного материала на значение его КТП.

Влияние влаги на теплопроводность стройматериала

Опять же судя по примерам использования стройматериалов на практике, выясняется негативное влияние влаги на КТП стройматериала. Замечено – чем большему увлажнению подвергается стройматериал, тем более высоким становится значение КТП.

Различными способами стремятся защитить от воздействия влаги материал, используемый в строительстве. Эта мера вполне оправдана, учитывая повышение коэффициента для мокрого стройматериала

Обосновать такой момент несложно. Воздействие влаги на структуру строительного материала сопровождается увлажнением воздуха в порах и частичным замещением воздушной среды.

Учитывая, что параметр коэффициента теплопроводности для воды составляет 0,58 Вт/м°C, становится понятным существенное повышение КТП материала.

Следует также отметить более негативный эффект, когда вода, попадающая в пористую структуру, дополнительно замораживается – превращается в лёд.

Соответственно, несложно просчитать ещё большее увеличение теплопроводности, принимая во внимание параметры КТП льда, равного значению 2,3 Вт/м°C. Прирост примерно в четыре раза к параметру теплопроводности воды.

Одной из причин отказа от зимнего строительства в пользу стройки летом следует считать именно фактор возможного подмораживания некоторых видов стройматериалов и как следствие – повышения теплопроводности

Отсюда становятся очевидными строительные требования относительно защиты изоляционных стройматериалов от попадания влаги. Ведь уровень теплопроводности растёт в прямой пропорциональности от количественной влажности.

Не менее значимым видится и другой момент – обратный, когда структура строительного материала подвергается существенному нагреву. Чрезмерно высокая температура также провоцирует рост теплопроводности.

Происходит такое по причине повышения кинематической энергии молекул, составляющих структурную основу стройматериала.

Правда, существует класс материалов, структура которых, напротив, приобретает лучшие свойства теплопроводности в режиме сильного нагрева. Одним из таких материалов является металл.

Если под сильным нагревом большая часть широко распространенных стройматериалов изменяет теплопроводность в сторону увеличения, сильный нагрев металла приводит к обратному эффекту – КТП металла понижается

Методы определения коэффициента

Используются разные методики в этом направлении, но по факту все технологии измерения объединены двумя группами методов:

1. Режим стационарных измерений.
2. Режим нестационарных измерений.

Стационарная методика подразумевает работу с параметрами, неизменными с течением времени или изменяющимися в незначительной степени. Эта технология, судя по практическим применениям, позволяет рассчитывать на более точные результаты КТП.

Действия, направленные на измерения теплопроводности, стационарный способ допускает проводить в широком температурном диапазоне – 20 – 700 °C. Но вместе с тем, стационарная технология считается трудоёмкой и сложной методикой, требующей большого количества времени на исполнение.

Пример аппарата, предназначенного под выполнение измерений коэффициента теплопроводности. Это одна из современных цифровых конструкций, обеспечивающая получение быстрого и точного результата

Другая технология измерений – нестационарная, видится более упрощенной, требующей для исполнения работ от 10 до 30 минут. Однако в этом случае существенно ограничен диапазон температур. Тем не менее, методика нашла широкое применение в условиях производственного сектора.

Таблица теплопроводности стройматериалов

Подвергать измерениям многие существующие и широко используемые стройматериалы не имеет смысла.

Все эти продукты, как правило, испытаны неоднократно, на основании чего составлена таблица теплопроводности строительных материалов, куда входят практически все нужные на стройке материалы.

Один из вариантов такой таблицы представлен ниже, где КТП – коэффициент теплопроводности:

Материал (стройматериал)	Плотность, м3	КТП сухая, Вт/мºC	% влажн. _1			% влажн._2	КТП при влажн._1, Вт/мºC		КТП при влажн._2, Вт/мºC
Битум кровельный	1400	0,27	0			0	0,27		0,27
Битум кровельный	1000	0,17	0			0	0,17		0,17
Шифер кровельный	1800	0,35	2			3	0,47		0,52
Шифер кровельный	1600	0,23	2			3	0,35		0,41
Битум кровельный	1200	0,22	0			0	0,22		0,22
Лист асбоцементный	1800	0,35	2			3	0,47		0,52
Лист асбестоцементный	1600	0,23	2			3	0,35		0,41
Асфальтобетон	2100	1,05	0			0	1,05		1,05
Толь строительная	600	0,17	0			0	0,17		0,17
Бетон (на гравийной подушке)	1600	0,46	4			6	0,46		0,55
Бетон (на шлаковой подушке)	1800	0,46	4			6	0,56		0,67
Бетон (на щебенке)	2400	1,51	2			3	1,74		1,86
Бетон (на песчаной подушке)	1000	0,28	9			13	0,35		0,41
Бетон (пористая структура)	1000	0,29	10			15	0,41		0,47
Бетон (сплошная структура)	2500	1,89	2			3	1,92		2,04
Пемзобетон	1600	0,52	4			6	0,62		0,68
Битум строительный	1400	0,27	0			0	0,27		0,27
Битум строительный	1200	0,22	0			0	0,22		0,22
Минеральная вата облегченная	50	0,048	2			5	0,052		0,06
Минеральная вата тяжелая	125	0,056	2			5	0,064		0,07
Минеральная вата	75	0,052	2			5	0,06		0,064
Лист вермикулитовый	200	0,065	1			3	0,08		0,095
Лист вермикулитовый	150	0,060	1			3	0,074		0,098
Газо-пено-золо бетон	800	0,17	15			22	0,35		0,41
Газо-пено-золо бетон	1000	0,23	15			22	0,44		0,50
Газо-пено-золо бетон	1200	0,29	15			22	0,52		0,58
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	300	0,08	8			12	0,11		0,13
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	400	0,11	8			12	0,14		0,15
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	600	0,14	8			12	0,22		0,26
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	800	0,21	10			15	0,33		0,37
Газо-пено-бетон (пенно-силикат)	1000	0,29	10			15	0,41		0,47
Строительный гипс плита	1200	0,35	4			6	0,41		0,46
Гравий керамзитовый	600	2,14	2			3	0,21		0,23
Гравий керамзитовый	800	0,18	2			3	0,21		0,23
Гранит (базальт)	2800	3,49	0			0	3,49		3,49
Гравий керамзитовый	400	0,12	2			3	0,13		0,14
Гравий керамзитовый	300	0,108	2			3	0,12		0,13
Гравий керамзитовый	200	0,099	2			3	0,11		0,12
Гравий шунгизитовый	800	0,16	2			4	0,20		0,23
Гравий шунгизитовый	600	0,13	2			4	0,16		0,20
Гравий шунгизитовый	400	0,11	2			4	0,13		0,14
Дерево сосна поперечные волокна	500	0,09	15			20	0,14		0,18
Фанера клееная	600	0,12	10			13	0,15		0,18
Дерево сосна вдоль волокон	500	0,18	15			20	0,29		0,35
Дерево дуба поперек волокон	700	0,23	10			15	0,18		0,23
Металл дюралюминий	2600	221	0			0	221		221
Железобетон	2500	1,69	2			3	1,92		2,04
Туфобетон	1600	0,52	7			10	0,7		0,81
Известняк	2000	0,93	2			3	1,16		1,28
Раствор извести с песком	1700	0,52	2			4	0,70		0,87
Песок под строительные работы	1600	0,035	1			2	0,47		0,58
Туфобетон	1800	0,64	7			10	0,87		0,99
Облицовочный картон	1000	0,18	5			10	0,21		0,23
Многослойный строительный картон	650	0,13	6			12	0,15		0,18
Вспененный каучук	60-95	0,034	5			15	0,04		0,054
Керамзитобетон	1400	0,47	5			10	0,56		0,65
Керамзитобетон	1600	0,58	5			10	0,67		0,78
Керамзитобетон	1800	0,86	5			10	0,80		0,92
Кирпич (пустотный)	1400	0,41	1			2	0,52		0,58
Кирпич (керамический)	1600	0,47	1			2	0,58		0,64
Пакля строительная	150	0,05	7			12	0,06		0,07
Кирпич (силикатный)	1500	0,64	2			4	0,7		0,81
Кирпич (сплошной)	1800	0,88	1			2	0,7		0,81
Кирпич (шлаковый)	1700	0,52	1,5			3	0,64		0,76
Кирпич (глиняный)	1600	0,47	2			4	0,58		0,7
Кирпич (трепельный)	1200	0,35	2			4	0,47		0,52
Металл медь	8500	407	0			0	407		407
Сухая штукатурка (лист)	1050	0,15	4			6	0,34		0,36
Плиты минеральной ваты	350	0,091	2			5	0,09		0,11
Плиты минеральной ваты	300	0,070	2			5	0,087		0,09
Плиты минеральной ваты	200	0,070	2			5	0,076		0,08
Плиты минеральной ваты	100	0,056	2			5	0,06		0,07
Линолеум ПВХ	1800	0,38	0			0	0,38		0,38
Пенобетон	1000	0,29	8			12	0,38		0,43
Пенобетон	800	0,21	8			12	0,33		0,37
Пенобетон	600	0,14	8			12	0,22		0,26
Пенобетон	400	0,11	6			12	0,14		0,15
Пенобетон на известняке	1000	0,31	12			18	0,48		0,55
Пенобетон на цементе	1200	0,37	15			22	0,60		0,66
Пенополистирол (ПСБ-С25)	15 – 25	0,029 – 0,033	2			10	0,035 – 0,052		0,040 – 0,059
Пенополистирол (ПСБ-С35)	25 – 35	0,036 – 0,041	2			20	0,034		0,039
Лист пенополиуретановый	80	0,041	2			5	0,05		0,05
Панель пенополиуретановая	60	0,035	2			5	0,41		0,41
Облегченное пеностекло	200	0,07	1			2	0,08		0,09
Утяжеленное пеностекло	400	0,11	1			2	0,12		0,14
Пергамин	600	0,17	0			0	0,17		0,17
Перлит	400	0,111	1			2	0,12		0,13
Плита перлитоцементная	200	0,041	2			3	0,052		0,06
Мрамор	2800	2,91	0			0	2,91		2,91
Туф	2000	0,76	3			5	0,93		1,05
Бетон на зольном гравии	1400	0,47	5			8	0,52		0,58
Плита ДВП (ДСП)	200	0,06	10			12	0,07		0,08
Плита ДВП (ДСП)	400	0,08	10			12	0,11		0,13
Плита ДВП (ДСП)	600	0,11	10			12	0,13		0,16
Плита ДВП (ДСП)	800	0,13	10			12	0,19		0,23
Плита ДВП (ДСП)	1000	0,15	10			12	0,23		0,29
Полистиролбетон на портландцементе	600	0,14	4			8	0,17		0,20
Вермикулитобетон	800	0,21	8			13	0,23		0,26
Вермикулитобетон	600	0,14	8			13	0,16		0,17
Вермикулитобетон	400	0,09	8			13	0,11		0,13
Вермикулитобетон	300	0,08	8			13	0,09		0,11
Рубероид	600	0,17	0			0	0,17		0,17
Плита фибролит	800	0,16	10			15	0,24		0,30
Металл сталь	7850	58	0			0	58		58
Стекло	2500	0,76	0			0	0,76		0,76
Стекловата	50	0,048	2			5	0,052		0,06
Стекловолокно	50	0,056	2			5	0,06		0,064
Плита фибролит	600	0,12	10			15	0,18		0,23
Плита фибролит	400	0,08	10			15	0,13		0,16
Плита фибролит	300	0,07	10			15	0,09		0,14
Клееная фанера	600	0,12	10			13	0,15		0,18
Плита камышитовая	300	0,07	10			15	0,09		0,14
Раствор цементо-песчаный	1800	0,58	2			4	0,76		0,93
Металл чугун	7200	50	0			0	50		50
Раствор цементно-шлаковый	1400	0,41	2			4	0,52		0,64
Раствор сложного песка	1700	0,52	2			4	0,70		0,87
Сухая штукатурка	800	0,15	4			6	0,19		0,21
Плита камышитовая	200	0,06	10			15	0,07		0,09
Цементная штукатурка	1050	0,15	4			6	0,34		0,36
Плита торфяная	300	0,064	15			20	0,07		0,08
Плита торфяная	200	0,052	15			20	0,06		0,064

Рекомендуем также прочесть и другие наши статьи, где мы рассказываем о том как правильно выбирать утеплитель:

Выводы и полезное видео по теме

Видеоролик тематически направленный, где достаточно подробно разъясняется – что такое КТП и «с чем его едят». Ознакомившись с материалом, представленным в ролике, появляются высокие шансы стать профессиональным строителем.

Очевидный момент – потенциальному строителю обязательно необходимо знать о теплопроводности и ее зависимости от различных факторов. Эти знания помогут строить не просто качественно, но с высокой степенью надежности и долговечности объекта. Использование коэффициента по существу – это реальная экономия денег, допустим, на оплате за те же коммунальные услуги.

Если у вас появились вопросы или есть ценная информация  по теме статьи, пожалуйста, оставляйте свои комментарии в расположенном ниже блоке.

Коэффициент теплопередачи, формула и примеры

Определение и формула коэффициента теплопередачи

Процесс теплопередачи можно разделить на теплоотдачу энергии горячим веществом стенке, процесс теплопроводности внутри стенки и теплоотдачу стенки энергии холодному веществу.

Поток тепла при стационарной теплопередаче величина постоянная, то есть не зависит от времени и координат.

Теплопередача через плоскую стенку

Рассмотрим плоскую стенку, через которую происходит теплопередача. Поток тепла через нее равен:

   

где — температура холодного вещества (), — температура горячего вещества, S — площадь стенки, — коэффициент теплопередачи.

Коэффициентом теплопередачи через плоскую стенку является физическая величина () равная:

   

где — коэффициент теплоотдачи от первой среды к стенке, — коэффициент теплоотдачи от стенки ко второй среде, — толщина стенки, — коэффициент теплопроводности стенки.

Теплопередача через цилиндрическую стенку

Поток тепла свозь стенку в виде цилиндра вычисляют при помощи формулы:

   

где — линейный коэффициент теплопередачи, — высота цилиндра.

Линейным коэффициентом теплопередачи через стенку в виде цилиндра является физическая величина () равная:

   

где — внутренний диаметр цилиндра, — внешний диаметр цилиндра. Для цилиндрических стенок, у которых для расчета теплопередачи применяют формулы (1) и (2) для плоской стенки. Если цилиндр (труба) выполнен из материала с высокой теплопроводностью, то величина термического сопротивления () стенки стремится к нулю ( ), тогда коэффициент теплопроводности рассчитывают по формуле:

   

Теплопередача через шаровую стенку

Поток тепла через шаровую стенку с внутренним диаметром и наружным — , которая разделяет две среды с постоянными температурами и равен:

   

Линейным коэффициентом теплопередачи через стенку в виде шара является физическая величина () равная:

   

Единицы измерения коэффициента теплопередачи

Основной единицей измерения коэффициента теплопередачи в системе СИ является:

=Вт/м²К

=Вт/мК

=Вт/К

Примеры решения задач

Сравнительная таблица утеплителей по теплопроводности, толщине и плотности

Автор Марсель Сагитов На чтение 6 мин. Просмотров 53

В привычной для населения страны холодной зиме, востребованность теплоизоляционных материалов всегда на высоком уровне. Необходимо учитывать все особенности каждого из утеплителей, чтобы сделать выбор в пользу качественного и целесообразного материала.

Зачем нужна теплоизоляция?

Актуальность теплоизоляции заключается в следующем:

• Сохранение тепла в зимний период и прохлады в летний период.

Потери тепла сквозь стены обычного многоэтажного жилого дома составляют 30-40%

. Для снижения теплопотерь нужны специальные теплоизоляционные материалы. Применение в зимний период электрических обогревателей способствует дополнительному расходу на электроэнергию. Эти расходы выгодней компенсировать использованием качественного теплоизоляционного материала, обеспечивающего сохранение тепла в зимний период и прохладу в летнюю жару. При этом затраты на охлаждение помещения кондиционером также будут сведены к минимуму.

• Увеличение долговечности конструкций здания.

В случае промышленных зданий с использованием металлического каркаса, утеплитель позволяет защитить поверхность металла от коррозии, являющейся самым пагубным дефектом для данного вида конструкций. А срок службы для здания из кирпича определяется количеством циклов замораживания/оттаивания. Воздействие этих циклов воспринимает утеплитель, ведь точка росы при этом находится в теплоизоляционном материале, а не материале стены. Такое утепление позволяет увеличить срок службы здания во много раз.

• Шумоизоляция.

Защита от возрастающего уровня шума достигается при использовании таких шумопоглощающих материалов (толстые матрасы, звукоотражающие стеновые панели).

• Увеличение полезной площади зданий.

Использование системы теплоизоляции позволяет уменьшить толщину наружных стен, при этом увеличивая внутреннюю площадь здания.

Как правильно выбрать утеплитель?

При выборе утеплителя нужно обращать внимание на: ценовую доступность, сферу применения, мнение экспертов и технические характеристики, являющиеся самым важным критерием.

Основные требования, предъявляемые к теплоизоляционным материалам:

• Теплопроводность.

Теплопроводность подразумевает под собой способность материала передавать теплоту. Это свойство характеризуется коэффициентом теплопроводности, на основе которого принимают необходимую толщину утеплителя.

Теплоизоляционный материал с низким коэффициентом теплопроводности является лучшим выбором.

Также теплопроводность тесно связана с понятиями плотности и толщины утеплителя, поэтому при выборе необходимо обращать внимание и на эти факторы. Теплопроводность одного и того же материала может изменяться в зависимости от плотности.

Под плотностью понимают массу одного кубического метра теплоизоляционного материала. По плотности материалы подразделяются на: особо лёгкие, лёгкие, средние, плотные (жёсткие). К легким относятся пористые материалы, подходящие для утепления стен, перегородок, перекрытий. Плотные утеплители лучше подходят для утепления снаружи.

Чем меньше плотность утеплителя, тем меньше вес, а теплопроводность выше. Это является показателем качества утепления. А небольшой вес способствует удобству монтажа и укладки. В ходе опытных исследований установлено, что утеплитель, имеющий плотность от 8 до 35 кг/м³ лучше всего удерживает тепло и  подходят для утепления вертикальных конструкций внутри помещений.

А как зависит теплопроводность от толщины? Существует ошибочное мнение, что утеплитель большой толщины будет лучше удерживать тепло внутри помещения. Это приводит к неоправданным расходам. Слишком большая толщина утеплителя может привести к нарушению естественной вентиляции и в помещении будет слишком душно.

А недостаточная толщина утеплителя приводит к тому, что холод будет проникать через толщу стены и на плоскости стены образуется конденсат, стена будет неотвратимо отсыревать, появится плесень и грибок.

Толщину утеплителя необходимо определять на основании теплотехнического расчета с учетом климатических особенностей территории, материала стены и её минимально допустимого значения сопротивления теплопередачи.

В случае игнорирования расчета может появиться ряд проблем, решение которых потребует больших дополнительных затрат!

Таблица теплопроводности материалов

Материал	Теплопроводность материалов, Вт/м*⸰С	Плотность, кг/м³
Пенополиуретан	0,020	30
	0,029	40
	0,035	60
	0,041	80
Пенополистирол	0,037	10-11
	0,035	15-16
	0,037	16-17
	0,033	25-27
	0,041	35-37
Пенополистирол (экструдированный)	0,028-0,034	28-45
Базальтовая вата	0,039	30-35
	0,036	34-38
	0,035	38-45
	0,035	40-50
	0,036	80-90
	0,038	145
	0,038	120-190
Эковата	0,032	35
	0,038	50
	0,04	65
	0,041	70
Изолон	0,031	33
	0,033	50
	0,036	66
	0,039	100
Пенофол	0,037-0,051	45
	0,038-0,052	54
	0,038-0,052	74

• Экологичность.

Этот фактор является значимым, особенно в случае утепления жилого дома, так как многие материалы выделяют формальдегид, что влияет на рост раковых опухолей. Поэтому необходимо делать выбор в сторону нетоксичных и биологически нейтральных материалов. С точки зрения экологичности лучшим теплоизоляционным материалом считается каменная вата.

• Пожарная безопасность.

Материал должен быть негорючим и безопасным. Гореть может любой материал, разница состоит в том, при каком температуре он возгорается. Важным является то, чтобы утеплитель был самозатухающим.

• Паро- и водонепроницаемость.

Преимущество имеют те материалы, которые обладают водонепроницаемостью, так как впитывание влаги приводит к тому, что  эффективность материала становится низкой и полезные характеристики утеплителя через год использования снижаются на 50% и более.

• Долговечность.

В среднем срок службы изоляционных материалов составляет от 5 до 10-15 лет. Теплоизоляционные материалы, имеющие в составе вату  в первые годы службы значительно снижают свою эффективность.  Зато пенополиуретан обладает сроком службы свыше 50 лет.

Достоинства и недостатки утеплителей

1. Пенополиуретан – на сегодняшний день самый эффективный утеплитель.

   Виды ППУ

Достоинства: бесшовный монтаж пеной, долговечность, лучшая тепло- и гидроизоляция.

Недостатки: дороговизна материала, неустойчивость к УФ-излучению.

2. Пенополистирол (пенопласт) – востребован для использования в качестве утеплителя для помещений разных типов.

Достоинства: низкая теплопроводность, невысокая стоимость, удобство монтажа, водонепроницаемость.

Недостатки: хрупкость, легкая воспламеняемость, образование конденсата.

3. Экструдированный пенополистирол – прочный и удобный материал, при необходимости элементов нужного размера легко разрезается ножом.

Достоинства: очень низкая теплопроводность, водонепроницаемость, прочность на сжатие, удобство монтажа, отсутствие плесени и гниения, возможность эксплуатации от -50⸰С до +75⸰С.

Недостатки: намного дороже пенопласта, восприимчивость к органическим растворителям, образование конденсата.

4. Базальтовая (каменная) вата – минеральная вата, изготавливающаяся на базальтовой основе.

Достоинства: противостояние образованию грибков, звукоизоляция, прочность к механическим воздействиям, огнеупорность, негорючесть.

Недостатки: более высокая стоимость, по сравнению с аналогами.

5. Эковата – утеплитель, выполненный на основе естественных материалов (волокна дерева и минералы). На сегодняшний день применяется довольно часто.

Достоинства: звукоизоляция, экологичность, влагостойкость, доступная стоимость.

Недостатки: во время эксплуатации повышается теплопроводность, необходимость специального оборудования для монтажа, возможность усадки.

6. Изолон – современный утеплитель, изготавливаемый путем вспенивания полиэтилена. Является одним из самых востребованных.

Достоинства: низкая теплопроводность, низкая паропроницаемость, высокая шумоизоляция, удобство резки и монтажа, экологичность, гибкость, небольшой вес.

Недостатки: низкая прочность, необходимость устройства вентиляционного зазора.

7. Пенофол – утеплитель, который отвечает многим требованиям, предъявляемым к качеству утеплителя и утепления различных помещений, а также конструкций и т.д.

Достоинства: экологичность, высокая способность к отражению тепла, высокая шумоизоляция, влагонепроницаемость,  негорючесть, удобство перевозки и монтажа, отражение воздействия радиации.

Недостатки: малая жесткость, затрудненность крепления материала, в качестве теплоизоляции одного пенофола недостаточно.

Заключение

Рассмотренные достоинства и недостатки утеплителей позволят выбрать самый подходящий вариант уже на стадии проектирования. При этом учитывать все требования, предъявляемые к теплоизоляционному материалу, в первую очередь теплопроводность.

Полезно1Бесполезно

Теплопроводность

Каждый газ имеет известную теплопроводность — насколько хорошо он передает тепло. Теплопроводность измеряется датчиком, в котором используются четыре согласованных нити, сопротивление которых изменяется в зависимости от теплопроводности газа, проходящего по нему.

Значения теплопроводности некоторых газов можно найти в таблице ниже.

Коэффициент теплопроводности обычных газов

Газ	Теплопроводность
АЦЕТИЛЕН	4.400
АММИАК	5,135
АРГОН	3,880
ДИОКСИД УГЛЕРОДА	3,393
ОКИСЬ УГЛЕРОДА	5,425
ХЛОР	1,829
ЭТАН	4. 303
ЭТИЛЕН	4,020
ГЕЛИЙ	33,60
ВОДОРОД	39.60
СУЛЬФИД ВОДОРОДА	3,045
МЕТАН	7.200
НЕОН	10,87
ОКСИД АЗОТА	5,550
АЗОТ	5,680
ОКСИД АЗОТА	3,515
КИСЛОРОД	5,700
ДИОКСИД СЕРЫ	1,950

Принцип работы для анализа теплопроводности

В датчике используются четыре согласованных нити, сопротивление которых изменяется в зависимости от теплопроводности газа, проходящего по нему.Эти четыре нити соединены в конфигурацию моста Уитстона, как показано ниже на Рисунке 1.

Рисунок 1. Мост Уитстона детектора теплопроводности

Когда все четыре сопротивления одинаковы, VOUT равен нулю, и мост считается сбалансированным. При обнулении эталонный газ пропускается через все нити, сопротивления будут одинаковыми (поскольку нити согласованы), а мост уравновешен. Когда измеряемый газ проходит через половину перемычки, значение VOUT коррелирует с содержанием измеряемого газа в эталоне.

Детектор представляет собой четырехэлементный катарометр, имеющий два элемента, расположенных в эталонном газе, и два элемента в анализируемом газе, как показано на Рисунке 2 ниже.

Рис. 2. Датчик теплопроводности в разрезе.

Четыре элемента соединены электроникой в ​​мостовую схему, и через мост пропускается постоянный ток для нагрева элементов. Если каждый элемент окружен одним и тем же газом, тогда температура и, следовательно, сопротивление каждого элемента будут одинаковыми, и мостовая схема будет сбалансирована.

Рисунок 3. Электрическая схема датчика теплопроводности.

Когда измеряемый газ вводится в поток измеряемого газа, два элемента катарометра в этом потоке газа будут охлаждаться в большей степени, чем два элемента в эталонном газе. Мостовая схема будет несбалансированной, создавая напряжение сигнала, связанное с измерением содержания газа в измеряемом газе. Это отношение нелинейное. В результате программируемый газоанализатор Systech Illinois 542 откалиброван на нулевой, средний и высокий диапазон, а программное обеспечение математически линеаризует кривую.

Теория

Загрузите полное обсуждение уравнений для выходного напряжения моста и теплопроводности ниже.

Приложения

Измерьте содержание газа в образце смеси образец / эталон, сравнив теплопроводность смеси с теплопроводностью эталона.

Например, водород имеет теплопроводность, которая примерно в семь раз больше, чем у азота, поэтому небольшие изменения легко обнаруживаются. Все другие обычные газы имеют теплопроводность, аналогичную азоту, поэтому метод измерения довольно избирательный.

Гелий — единственный другой газ, теплопроводность которого сравнима с водородом.

Другие газы, которые могут быть измерены с помощью этого метода:

• Двуокись углерода
• Кислород
• Аргон
• Метан
• Диоксид серы
• Аммиак

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Многие датчики нельзя использовать для измерения газо-воздушных или газо-кислородных смесей, которые могут воспламениться.

Газовый программируемый газоанализатор Systech Illinois 542 используется промышленными газовыми компаниями, компаниями по термообработке металлов и производителями печей.

Область применения — от производства газа высокой чистоты до печной атмосферы.

Электропроводность, соленость и общее количество растворенных твердых веществ

Что такое электропроводность?

Соли растворяются в воде с образованием аниона и катиона. Эти ионы составляют основу проводимости воды.

Электропроводность — это мера способности воды пропускать электрический ток. Эта способность напрямую связана с концентрацией ионов в воде ¹ . Эти проводящие ионы происходят из растворенных солей и неорганических материалов, таких как щелочи, хлориды, сульфиды и карбонатные соединения ³ .Соединения, растворяющиеся в ионах, также известны как электролиты ⁴⁰ . Чем больше ионов присутствует, тем выше проводимость воды. Точно так же, чем меньше ионов в воде, тем она менее проводящая. Дистиллированная или деионизированная вода может действовать как изолятор из-за ее очень низкого (если не пренебрежимо малого) значения проводимости ² . С другой стороны, морская вода имеет очень высокую проводимость.

Ионы проводят электричество благодаря своим положительным и отрицательным зарядам ¹ .Когда электролиты растворяются в воде, они разделяются на положительно заряженные (катионы) и отрицательно заряженные (анион) частицы. Поскольку растворенные вещества расщепляются в воде, концентрации каждого положительного и отрицательного заряда остаются равными. Это означает, что, хотя проводимость воды увеличивается с добавлением ионов, она остается электрически нейтральной ² .

Единицы электропроводности

Электропроводность обычно измеряется в микро- или миллисименсах на сантиметр (мкСм / см или мСм / см).Он также может быть указан в микромосе или миллимос / сантиметр (умос / см или ммос / см), хотя эти единицы встречаются реже. Один симен равен одному mho ¹ . Микросименс на сантиметр — это стандартная единица измерения для пресной воды. В отчетах о проводимости морской воды используются микро-, милли-, а иногда даже просто симен / милли на сантиметр, в зависимости от публикации.

Удельная проводимость

Удельная проводимость при 25 ° C используется в качестве эталона сравнения для различных источников воды, так как коэффициенты проводимости меняются с температурой.

Удельная проводимость — это измерение проводимости при температуре 25 ° C или с поправкой на нее. ³ . Это стандартизированный метод представления данных о проводимости. Поскольку температура воды влияет на показания проводимости, сообщение о проводимости при 25 ° C позволяет легко сравнивать данные ³ . Удельная проводимость обычно указывается в мкСм / см при 25 ° C ⁶ .

Если измерение проводимости производится при 25 ° C, его можно просто указать как удельную проводимость. Если измерение проводится при другой температуре и откорректировано до 25 ° C, необходимо учитывать температурный коэффициент. Температурный коэффициент удельной проводимости может изменяться в зависимости от измеренной температуры и ионного состава воды ³² . Обычно используется коэффициент 0,0191–0,02 на основе стандартов KCl ^3,32 . Растворы на основе NaCl должны иметь температурный коэффициент 0,02-0,0214 ³³ .

Удельное сопротивление

Электропроводность формально определяется как величина, обратная удельному сопротивлению, что стоит уточнить на примере ³ .Удельное сопротивление — это показатель сопротивления воды течению на расстоянии. Чистая вода имеет сопротивление 18,2 МОм * см ⁵ . Удельное сопротивление уменьшается с увеличением концентрации ионов в воде. Интересный способ запомнить, что удельное сопротивление и проводимость являются обратными величинами (1 / измерение), можно найти в названии единицы измерения — mho и ohm — это одни и те же буквы в обратном порядке.

Проводимость

Электропроводность — это часть проводимости, но сама по себе это не конкретное измерение.Электрическая проводимость зависит от длины проводника, так же как сопротивление составляет ¹⁸ . Электропроводность измеряется в mhos или сименсах ¹⁹ . Электропроводность — это проводимость (S), измеренная на заданном расстоянии (1 см), которая включается в единицы (См / см) ¹⁹ . Таким образом, проводимость воды будет меняться с указанным расстоянием. Но пока температура и состав остаются неизменными, проводимость воды не изменится.

Что такое соленость?

Соленость — термин неоднозначный.В качестве основного определения соленость — это общая концентрация всех растворенных солей в воде ⁴ . Эти электролиты при растворении образуют ионные частицы, каждая из которых имеет положительный и отрицательный заряд. Таким образом, соленость является сильным фактором проводимости. Хотя соленость можно измерить с помощью полного химического анализа, этот метод сложен и требует много времени. ¹³ . Морскую воду невозможно просто испарить до измерения массы сухой соли, поскольку хлориды теряются во время процесса ²⁶ .

Самые распространенные ионы в морской воде.

Чаще всего соленость не измеряется напрямую, а определяется путем измерения проводимости ⁶ . Это известно как практическая соленость. Эти расчеты сравнивают удельную проводимость образца со стандартом солености, таким как морская вода ⁶ . Измерения солености, основанные на значениях электропроводности, безразмерны, но часто сопровождаются обозначением практических единиц солености (psu) ²⁵ .

Есть много различных растворенных солей, которые способствуют солености воды.Основными ионами морской воды (с практической соленостью 35) являются: хлорид, натрий, магний, сульфат, кальций, калий, бикарбонат и бром ²⁵ . Многие из этих ионов также присутствуют в источниках пресной воды, но в гораздо меньших количествах ⁴ . Ионный состав внутренних водных источников зависит от окружающей среды. Большинство озер и рек содержат соли щелочных и щелочноземельных металлов, с кальцием, магнием, натрием, карбонатами и хлоридами, составляющими высокий процент ионного состава ⁴ .Пресная вода обычно имеет более высокое соотношение бикарбонатов, в то время как морская вода имеет более высокие концентрации натрия и хлоридов ³⁹ .

Абсолютная соленость

Функция Гиббса является основой расчета абсолютной солености. Он рассматривает всю систему в целом, а не полагается только на проводимость.

В то время как практическая шкала солености приемлема в большинстве ситуаций, в 2010 году был принят новый метод измерения солености. Этот метод, получивший название TEOS-10, определяет абсолютную соленость в отличие от практической солености, полученной по проводимости.Абсолютная соленость обеспечивает точное и последовательное представление термодинамического состояния системы ²⁴ . Абсолютная соленость является более точной и более точной, чем практическая соленость, и может использоваться для оценки солености не только в океане, но и на больших глубинах и в диапазонах температур ²⁴ . TEOS-10 выводится из функции Гиббса, которая требует более сложных вычислений, но предлагает более полезную информацию ²⁴ .

Единицы измерения солености

Единицы, используемые для измерения солености, колеблются в зависимости от приложения и процедуры отчетности.Части на тысячу или грамм / килограмм (1 ppt = 1 г / кг) раньше были стандартом ²² . В некоторых источниках пресной воды это указано в мг / л ^{4, 37} . Теперь значения солености сообщаются на основе безразмерной практической шкалы солености (иногда обозначаемой в практических единицах солености как psu) ²² . По состоянию на 2010 год был разработан расчет абсолютной солености, но он не используется для архивов базы данных ²⁴ . Абсолютная соленость указывается в г / кг и обозначается символом S _A .TEOS-10 предлагает предварительно запрограммированные уравнения для расчета абсолютной солености.

Все различные методы и единицы измерения солености основаны на точке отсчета 35 для морской воды.

Единицы psu, ppt и S _A г / кг почти эквивалентны (и часто меняются местами) ⁶ . Все три метода основаны на приблизительном значении солености 35 в морской воде ²⁴ . Однако следует сделать некоторые различия.

Практические единицы солености безразмерны и основаны на исследованиях проводимости растворов хлорида калия и морской воды ¹³ .Эти исследования проводились с 32,4356 г / кг раствора KCL и «Копенгагенской водой», имеющей хлорсодержание 19,374 ppt ²⁵ . Эта морская вода в Северной Атлантике имела заданную практическую соленость 35 psu ²⁵ . Практическая шкала солености считается точной для значений от 2 до 42 psu ²⁶ . Это наиболее часто используемые единицы, и практическая соленость остается наиболее распространенным значением солености, сохраняемым в архивах данных ²⁴ .

Историческое определение солености основывалось на концентрации хлоридов (которая могла быть определена титрованием) ²⁸ . В этом расчете использовалось следующее уравнение:

Определение общей солености на основе концентраций хлоридов с точностью только для источников воды с известным соотношением хлорид-соленость, таких как морская вода.

Этот метод приемлем только для морской воды, так как он ограничен в устьях, солоноватых и пресноводных источниках ²⁸ . В то время как соленость и хлорность в морской воде пропорциональны, уравнения, основанные на этом, не точны в пресной воде или при изменении соотношений хлоридов ²⁶ .

Абсолютная соленость в г / кг лучше всего подходит для исследований, требующих очень точных данных.Он согласуется с другими единицами СИ как истинная массовая доля и гарантирует, что все термодинамические отношения (плотность, звук, скорость и теплоемкость) остаются согласованными. ²⁴ . Эти единицы также помогают определить вклад конкретных ионов в значения солености ³⁹ . Абсолютная соленость также предлагает больший диапазон и более точные значения, чем другие методы солености, когда ионный состав известен ²⁴ .

Что такое общее количество растворенных твердых веществ?

EPA, USPHS и AWWA рекомендуют верхний предел TDS в 500 мг / л, хотя в некоторых регионах он превышается с незначительным вредным эффектом. ⁴¹ .

Общее количество растворенных твердых веществ (TDS) объединяет сумму всех ионных частиц размером менее 2 микрон (0,0002 см) ¹¹ . Сюда входят все диссоциированные электролиты, составляющие концентрацию солей, а также другие соединения, такие как растворенное органическое вещество. В «чистой» воде TDS примерно равна солености ¹² . В сточных водах или загрязненных областях TDS может включать в себя органические растворенные вещества (такие как углеводороды и мочевина) в дополнение к солевым ионам ¹² .

Общие концентрации растворенных твердых веществ вне нормального диапазона могут вызвать набухание или сжатие клетки. Это может негативно повлиять на водную жизнь, которая не может компенсировать изменение удержания воды.

Хотя измерения TDS основаны на проводимости, некоторые штаты, регионы и агентства часто устанавливают максимум TDS вместо предела проводимости для качества воды ³⁷ . В лучшем случае пресная вода может содержать 2000 мг / л растворенных твердых веществ, а в большинстве источников должно быть гораздо меньше этого ¹³ .В зависимости от ионных свойств чрезмерное количество растворенных твердых веществ может оказывать токсическое воздействие на рыбу и икру. У лососевых, подвергавшихся воздействию CaSO4 на разных этапах жизни уровень выше среднего, снизились показатели выживаемости и воспроизводства ³⁷ . Когда общее количество растворенных твердых веществ превышало 2200-3600 мг / л, у лососевых, окуня и щуки наблюдались пониженные показатели вылупления и выживаемости яиц ³⁷ .

Растворенные твердые вещества также важны для водной флоры и фауны, поскольку они поддерживают баланс плотности клеток ¹¹ .В дистиллированной или деионизированной воде вода поступает в клетки организма, вызывая их набухание ¹¹ . В воде с очень высокой концентрацией TDS клетки будут сокращаться. Эти изменения могут повлиять на способность организма двигаться в толще воды, заставляя его плавать или опускаться за пределы своего обычного диапазона ¹¹ .

TDS также может влиять на вкус воды и часто указывает на высокую щелочность или жесткость ¹² .

Единицы TDS

Общее количество растворенных твердых веществ указано в мг / л.TDS можно измерить гравиметрическим методом (с помощью испарительной чашки) или рассчитать, умножив значение проводимости на эмпирический коэффициент ¹³ . Хотя определение TDS путем испарения занимает больше времени, это полезно, когда состав источника воды неизвестен. Определение TDS на основе проводимости происходит быстрее и подходит как для полевых измерений, так и для непрерывного мониторинга ⁴² .

При вычислении общего количества растворенных твердых веществ на основе измерения проводимости используется коэффициент TDS. Эта постоянная TDS зависит от типа твердых веществ, растворенных в воде, и может изменяться в зависимости от источника воды. Большинство кондуктометров и других средств измерения используют общую приблизительную константу около 0,65 ³² . Однако при измерении смешанной или соленой воды (со значением проводимости более 5000 мкСм / см) константа TDS должна быть выше: около 0,735 и 0,8 соответственно ²⁰ . Точно так же пресная или почти чистая вода должна иметь более низкую константу TDS, близкую к 0.47-0,50 ³⁶ .

Стандартные методы исследования воды и сточных вод допускают константу TDS 0,55-0,7, хотя, если известно, что источник воды содержит много ионов кальция или сульфата, можно использовать константу 0,8 ¹³ . Некоторые измерители электропроводности принимают константу за пределами этого диапазона, но рекомендуется повторно проанализировать образец испарением, чтобы подтвердить это соотношение ¹³ .

Как видно из приведенной ниже таблицы, растворы с одинаковым значением проводимости, но с различным ионным составом (KCl против NaCl против 442) будут иметь разные общие концентрации растворенных твердых веществ. Это связано с разницей в молекулярной массе ⁴⁰ . Кроме того, ионный состав изменит рекомендуемую константу TDS.

При одном и том же значении проводимости каждый раствор будет иметь разную концентрацию растворенных твердых веществ и, следовательно, разный коэффициент TDS.

Все три стандарта подходят для калибровки проводимости. Однако при расчете общего количества растворенных твердых веществ следует учитывать ионный состав. Если проект позволяет это, константа TDS должна определяться для каждого конкретного участка на основе известных ионных компонентов в воде ⁶ .

Почему важна проводимость?

Факторы, влияющие на объем воды (например, сильный дождь или испарение), влияют на проводимость. Сток или затопление почв с высоким содержанием солей или минералов может вызвать всплеск проводимости, несмотря на увеличение потока воды.

Электропроводность, в частности удельная проводимость, является одним из наиболее полезных и часто измеряемых параметров качества воды. ³ . Проводимость не только является основой большинства расчетов солености и общего количества растворенных твердых веществ, но и является ранним индикатором изменений в водной системе.Большинство водоемов поддерживают довольно постоянную проводимость, которую можно использовать в качестве основы для сравнения с будущими измерениями ¹ . Значительные изменения, вызванные ли они естественными наводнениями, испарением или техногенным загрязнением, могут иметь очень пагубное влияние на качество воды.

Морская вода не может удерживать столько растворенного кислорода, как пресная вода, из-за ее высокой солености.

Электропроводность и соленость имеют сильную корреляцию ³ . Поскольку электропроводность легче измерить, она используется в алгоритмах оценки солености и TDS, которые влияют на качество воды и водную жизнь.

Соленость особенно важна, так как она влияет на растворимость растворенного кислорода ³ . Чем выше уровень солености, тем ниже концентрация растворенного кислорода. Кислород примерно на 20% менее растворим в морской воде, чем в пресной воде при той же температуре ³ . Это означает, что в среднем в морской воде концентрация растворенного кислорода ниже, чем в пресной воде. Влияние солености на растворимость растворенных газов обусловлено законом Генри; используемая константа будет изменяться в зависимости от концентрации солевых ионов ³⁹ .

Устойчивость к водным организмам

Евригалинные виды имеют самый широкий диапазон устойчивости к солености, поскольку они перемещаются как из соленой, так и из пресной воды.

Большинство водных организмов могут переносить только определенный диапазон солености ¹⁴ . Физиологическая адаптация каждого вида определяется соленостью окружающей среды. Большинство видов рыб — стеногалинные, или исключительно пресноводные, или исключительно морские ⁴³ . Однако есть несколько организмов, которые могут адаптироваться к разным уровням солености.Эти эвригалинные организмы могут быть анадромными, катадромными или истинно эвригалинными. Проходные организмы живут в соленой воде, но нерестятся в пресной. Катадромные виды — наоборот — они живут в пресной воде и мигрируют в соленую, чтобы нереститься ⁴³ . Настоящие эвригалинные виды можно найти в соленой или пресной воде в любой момент их жизненного цикла ⁴³ . Эстуарные организмы — настоящие эвригалинные.

Эвригалинные виды обитают в эстуариях или перемещаются по ним, где очевидна засоленная зональность.Уровни солености в эстуарии могут варьироваться от пресной до морской на небольшом расстоянии ²¹ . В то время как эвригалинные виды могут комфортно перемещаться по этим зонам, стеногалинные организмы не могут и будут найдены только на одном конце эстуария или на другом. Такие виды, как морские звезды и морские огурцы, не переносят низких уровней солености, и, будучи прибрежными, не встречаются во многих эстуариях ²¹ . Некоторые водные организмы могут быть даже чувствительны к ионному составу воды.Приток определенной соли может негативно повлиять на вид, независимо от того, остается ли уровень солености в приемлемом диапазоне ¹⁴ .

Допуск к солености зависит от осмотических процессов в организме. Рыба и другие водные животные, обитающие в пресной воде (с низкой проводимостью), гиперосмотичны ¹⁵ . Гиперосмотика определяет способность клетки выводить воду и удерживать ионы. Таким образом, эти организмы поддерживают более высокие внутренние ионные концентрации, чем окружающая вода ¹⁶ .С другой стороны, морские организмы (с высокой проводимостью) гипоосмотичны и поддерживают более низкую внутреннюю ионную концентрацию, чем морская вода. Эвригалинные организмы способны адаптироваться к изменяющимся уровням соли. Каждая группа организмов адаптировалась к ионным концентрациям в их соответствующих средах и будет поглощать или выделять соли по мере необходимости ¹⁶ . Изменение проводимости окружающей среды путем увеличения или уменьшения уровня соли отрицательно повлияет на метаболические способности организмов.Даже изменение типа иона (например, калия на натрий) может быть вредным для водных организмов, если их биологические процессы не могут иметь дело с другим ионом ¹⁴ .

Большинство водных организмов предпочитают пресную или соленую воду. Некоторые виды пересекают градиенты солености, и еще меньшее количество видов переносят суточные колебания солености.

Изменение проводимости может указывать на загрязнение

Нефть или углеводороды могут снизить проводимость воды. (Фото: Lamiot через Wikimedia Commons)

Внезапное увеличение или уменьшение проводимости воды может указывать на загрязнение.Сельскохозяйственные стоки или утечки сточных вод увеличивают проводимость из-за дополнительных ионов хлорида, фосфата и нитрата ¹ . Разлив нефти или добавление других органических соединений приведет к снижению проводимости, поскольку эти элементы не распадаются на ионы ³⁴ . В обоих случаях дополнительные растворенные твердые частицы будут иметь негативное влияние на качество воды.

Соленость способствует конвекции океана

Влияние солености на плотность воды является одной из движущих сил конвекции океана.

Соленость влияет на плотность воды. Чем выше концентрация растворенной соли, тем выше плотность воды ⁴ . Увеличение плотности с увеличением уровня соли является одной из движущих сил циркуляции океана ²² . Когда морской лед образуется вблизи полярных регионов, он не включает ионы соли. Вместо этого молекулы воды замерзают, заставляя соль попадать в карманы с соленой водой ²² . Этот рассол со временем вытекает изо льда, оставляя воздушную яму и повышая соленость воды, окружающей лед.Поскольку эта соленая вода более плотная, чем окружающая вода, она тонет, создавая конвекционный узор, который может влиять на циркуляцию океана на сотни километров ²² .

Откуда берутся TDS и соленость?

Электропроводность и соленость сильно различаются между разными водоемами. Большинство пресноводных ручьев и озер имеют низкие значения солености и проводимости. Океаны обладают высокой проводимостью и соленостью из-за большого количества присутствующих растворенных солей.

Источники электропроводности пресной воды

На общий уровень растворенных твердых веществ в воде может влиять множество различных источников.

В ручьях и реках нормальные уровни проводимости зависят от окружающей геологии ¹ . Глинистые почвы будут способствовать проводимости, в то время как гранитная коренная порода не будет ¹ . Минералы в глине ионизируются по мере растворения, в то время как гранит остается инертным. Точно так же приток грунтовых вод будет способствовать проводимости ручья или реки в зависимости от геологии, по которой протекают грунтовые воды.Подземные воды, сильно ионизированные растворенными минералами, увеличивают проводимость воды, в которую они впадают.

Источники проводимости соленой воды

Большая часть соли в океане поступает из стока, наносов и тектонической активности ¹⁷ . Дождь содержит углекислоту, которая может способствовать эрозии горных пород. Когда дождь стекает по камням и почве, минералы и соли распадаются на ионы и уносятся, в конечном итоге достигая океана ¹⁷ . Гидротермальные источники на дне океана также вносят растворенные минералы ¹⁷ . По мере того как горячая вода выходит из вентиляционных отверстий, она выделяет минералы. Подводные вулканы могут извергать растворенные минералы и углекислый газ в океан ¹⁷ . Растворенный углекислый газ может стать угольной кислотой, которая может разрушать горные породы на окружающем морском дне и увеличивать соленость. Когда вода испаряется с поверхности океана, соли из этих источников остаются и накапливаются в течение миллионов лет ²⁷ .

Сбросы, такие как загрязнение, также могут влиять на соленость и TDS, поскольку сточные воды увеличивают содержание ионов солей, а разлив нефти увеличивает общее количество растворенных твердых веществ ¹ .

Когда происходит флуктуация проводимости?

Электропроводность зависит от температуры и солености воды / TDS ³⁸ . Изменения расхода и уровня воды также могут влиять на проводимость, поскольку влияют на соленость. Температура воды может вызывать ежедневные колебания уровня проводимости.Помимо прямого влияния на проводимость, температура также влияет на плотность воды, что приводит к расслоению. Стратифицированная вода может иметь разные значения проводимости на разной глубине.

Поток воды, будь то родник, грунтовые воды, дождь, слияние или другие источники, может влиять на соленость и проводимость воды. Точно так же сокращение стока из плотин или отводов рек также может изменить уровни проводимости ²⁹ . Изменения уровня воды, такие как стадии приливов и испарения, также вызывают колебания уровней солености и проводимости.

Электропроводность и температура

Электропроводность зависит от температуры.

При повышении температуры воды увеличивается и проводимость ³ . При увеличении на 1 ° C значения проводимости могут увеличиваться на 2–4% ³ . Температура влияет на проводимость, увеличивая ионную подвижность, а также растворимость многих солей и минералов ³⁰ . Это можно увидеть в суточных колебаниях, когда водоем нагревается из-за солнечного света (и проводимость увеличивается), а затем охлаждается ночью (уменьшается проводимость).

Из-за прямого воздействия температуры проводимость измеряется при стандартной температуре (обычно 25 ° C) или приводится с поправкой на нее для сравнения. Этот стандартизированный метод отчетности называется удельной проводимостью ¹ .

Сезонные колебания проводимости, хотя и подвержены влиянию средних температур, также зависят от расхода воды. В некоторых реках, поскольку весна часто имеет самый высокий объем стока, проводимость в это время может быть ниже, чем зимой, несмотря на разницу в температуре ²³ .В воде с небольшим притоком или без него средние сезонные значения больше зависят от температуры и испарения.

Электропроводность и расход воды

Влияние расхода воды на значения электропроводности и солености является довольно основным. Если приток является источником пресной воды, это уменьшит значения солености и проводимости ²⁹ . Источники пресной воды включают родники, талые воды, прозрачные чистые ручьи и пресные грунтовые воды ²¹ . С другой стороны, приток высокоминерализованных подземных вод увеличивает проводимость и соленость ¹ .Сельскохозяйственные стоки, помимо высокого содержания питательных веществ, часто имеют более высокую концентрацию растворенных твердых веществ, которые могут влиять на проводимость ²³ . Как для пресной, так и для минерализованной воды, чем выше объем потока, тем больше он влияет на соленость и проводимость ²⁹ .

Сам дождь может иметь более высокую проводимость, чем чистая вода, из-за включения газов и частиц пыли ²³ . Однако сильные дожди могут снизить проводимость водоема, поскольку они разбавляют текущую концентрацию солености ²⁹ .

Наводнение может увеличить проводимость, если вымывает соли и минералы из почвы в источник воды.

Если сильные дожди или другое крупное погодное явление способствуют наводнению, влияние на проводимость зависит от водоема и окружающей почвы. В районах с засушливым и влажным сезонами проводимость обычно падает в целом в течение сезона дождей из-за разбавления источника воды ⁴⁴ . Хотя общая проводимость ниже для сезона, часто наблюдаются всплески проводимости, поскольку вода изначально попадает в пойму.Если в пойме есть богатая питательными веществами или минерализованная почва, ранее сухие ионы соли могут попадать в раствор, когда он затоплен, повышая проводимость воды ⁴⁴ .

При затоплении прибрежной воды может произойти обратный эффект. Хотя мутность будет увеличиваться, проводимость воды часто снижается во время прибрежного наводнения ⁴⁵ . Морская вода будет собирать взвешенные твердые частицы и питательные вещества из почвы, но также может откладывать соли на суше, уменьшая проводимость воды ⁴⁵ .

Плотины и отводы рек влияют на проводимость, уменьшая естественный объем стока воды на территории. Когда этот поток отводится, эффект дополнительной пресной воды (снижение проводимости) сводится к минимуму ²³ . Районы ниже плотины или отвода реки будут иметь измененное значение проводимости из-за уменьшения притока ²³ .

Электропроводность и уровень воды

Поскольку поток воды в эстуарии колеблется, изменяется и уровень солености.

Проводимость воды из-за колебаний уровня часто напрямую связана с расходом воды.Колебания электропроводности и солености из-за изменения уровня воды наиболее заметны в эстуариях. По мере подъема приливов соленая вода из океана выталкивается в устье, повышая соленость и проводимость ²⁹ . Когда прилив падает, соленая вода уносится обратно в океан, снижая проводимость и соленость. ²⁹ .

Испарение может вызвать повышение концентрации солей. При понижении уровня воды присутствующие ионы концентрируются, что способствует повышению уровня проводимости ³⁴ .Вот почему значения электропроводности и солености летом часто увеличиваются из-за меньшего расхода и испарения ²¹ . С другой стороны, дождь может увеличивать объем и уровень воды, снижая проводимость ²⁹ .

Соленость и стратификация

Уровни температуры и солености изменяют плотность воды и, таким образом, способствуют стратификации водной толщи ²¹ . Подобно тому, как при понижении температуры увеличивается плотность воды, повышение солености дает тот же результат.Фактически, изменение плотности воды из-за увеличения солености на 1 PSU эквивалентно изменению плотности из-за снижения температуры на 4 ° C ²⁸ .

Вертикальная стратификация из-за засоления. Более глубокая вода имеет большую плотность и большую соленость, чем поверхностная вода.

Стратификация может быть вертикальной через толщу воды (наблюдается в озерах и океанах) или горизонтальной, как видно в некоторых эстуариях ⁸ . Эти слои разделены границей, известной как галоклин ⁹ .Галоклин разделяет слои воды с разной соленостью ⁹ . Когда уровни солености сильно различаются (часто из-за особенно свежего или соленого притока), образуется галоклин ²⁸ . Галоклин часто совпадает с термоклином (температурная граница) и пикноклином (граница плотности) ( ²⁸ . Эти клины отмечают глубину, на которой свойства воды (такие как соленость, температура и плотность) претерпевают резкое изменение.

Эстуарии уникальны тем, что они могут иметь горизонтальные или вертикальные галоклины.Вертикальные галоклины присутствуют при снижении уровня солености по мере того, как вода движется в устье из открытого океана ⁸ . Вертикальные галоклины часто возникают, когда приливы достаточно сильны, чтобы перемешивать толщу воды по вертикали для получения однородной солености, но уровни различаются между пресноводной и океанической сторонами эстуария ⁸ .

Эстуарии могут расслаиваться по горизонтали между источником пресной воды и соленым океаном.

Горизонтальная стратификация присутствует в устьях слабых приливов.Поступающая пресная вода из рек может тогда плавать над более плотной морской водой, и происходит небольшое перемешивание ²³ . Горизонтальная стратификация также существует в открытом океане из-за градиентов солености и температуры.

Соленость притока может способствовать стратификации. Пресная вода, впадающая в соленую воду, будет плавать, а соленая вода, текущая в пресную, будет тонуть.

Галоклины развиваются в озерах, которые не испытывают полного оборота. Эти озера называются меромиктическими озерами и не смешиваются полностью сверху вниз ⁴ .Вместо этого у них есть нижние слои, известные как монимолимнионы. Монимолимнион остается изолированным от остальной части водной толщи (миксолимнион) за счет галоклина ⁴ . Меромиктические озера могут образовываться, когда приток соленой воды (естественный или искусственный) попадает в пресноводное озеро или если соленое озеро получает приток пресной воды ⁴ . (стратификация)

Поскольку соленая вода не может удерживать столько растворенного кислорода, сколько пресная вода, стратификация из-за галоклинов может способствовать возникновению гипоксических и аноксических условий на дне водоема ²¹ .

Типичные уровни проводимости и солености

Хотя источники пресной воды обладают низкой проводимостью, а морская вода — высокой проводимостью, нет установленного стандарта для проводимости воды. Вместо этого некоторые организации и регионы установили ограничения на общее количество растворенных твердых веществ для водоемов ^14,37 . Это связано с тем, что проводимость и соленость могут различаться не только между океанами и пресной водой, но даже между соседними потоками. Если окружающая геология достаточно отличается или если один источник имеет отдельный приток, значения проводимости соседних водоемов не будут одинаковыми.

Несмотря на отсутствие стандартов и влияние окружающей среды на проводимость, существуют приблизительные значения, которые можно ожидать на основе источника ^13,14 :

Пресная вода имеет широкий диапазон проводимости из-за геологических эффектов. Пресная вода, протекающая через гранитную коренную породу, будет иметь очень низкое значение проводимости ³⁴ . Глинистые и известняковые почвы могут способствовать повышению значений проводимости пресной воды ³⁴ . Некоторые соленые озера существуют из-за ограниченного стока ⁴ .Электропроводность этих озер зависит от конкретного ионного состава ⁴ .

Электропроводность эстуариев, как правило, наиболее изменчива, поскольку на них постоянно влияют потоки пресной и соленой воды. Электропроводность морской воды зависит от солености и температуры воды ³⁸ . Измерения будут варьироваться между экватором и полюсами, а также с глубиной из-за зависимости проводимости от температуры ³⁸ .

Как и в случае с проводимостью, ожидаемую соленость водоема можно только оценить.Значения солености океана могут варьироваться от 30 до 37 PSU ²² . Несмотря на различия в солености, ионный состав морской воды остается на удивление постоянным по всему миру ³ . Соленость поверхности океана зависит от количества осадков. В районах вокруг экватора и побережья, где выпадает много осадков, значения поверхностной солености ниже среднего значения ²⁸ . Эти разные значения солености способствуют циркуляции океана и глобальным климатическим циклам ³¹ .

В следующей таблице представлены приблизительные значения солености в ppt (частях на тысячу) ²⁷ :

После того, как будет проведена история измерений проводимости, легко увидеть установленный диапазон для конкретного водоема ¹ .Этот диапазон можно использовать в качестве основы для оценки результатов измерений ожидаемых (и неожиданных) значений ¹ .

Деионизированная вода

Важно отметить, что отсутствие посторонних ионов в деионизированной или сверхчистой воде не означает, что она имеет проводимость 0 мкСм / см ⁴⁵ . Значение проводимости будет очень маленьким и в большинстве случаев пренебрежимо малым, но даже в деионизированной воде присутствуют ионы H + и OH-. При комнатной температуре концентрация как ионов H +, так и ионов OH- составляет 10 мкМ (предположим, что pH — деионизированная вода будет иметь нейтральный pH 7 без контакта с атмосферой), создавая очень маленькое значение проводимости ⁴⁶ .Несмотря на такое низкое значение проводимости, деионизированная вода все равно будет иметь нулевую соленость; там нет солевых ионов, только H + и OH-, которые естественным образом существуют в чистой воде.

Деионизированная вода должна иметь проводимость 0,055 мкСм / см или удельное сопротивление 18 МОм при 25 ° C до тех пор, пока она не контактирует с воздухом (особенно с CO2). ^5,47 . Если деионизированная вода уравновесилась с воздухом, проводимость будет ближе к 1 мкСм / см (1 МОм) при 25 ° C (и pH будет 5.56). Большинство стандартов допускают диапазон проводимости дистиллированной воды 0,5–3 мкСм / см при 25 ° C в зависимости от продолжительности воздействия воздуха ^13,14 .

Изменения температуры будут иметь большее влияние на проводимость деионизированной воды (или любой почти чистой воды) из-за молярной эквивалентной проводимости H + и OH- в отсутствие других ионов ³ . Вместо увеличения проводимости на 2-3% на градус Цельсия, она может увеличиваться примерно на 5% на градус Цельсия ³ .

Последствия необычных уровней

Необычные уровни проводимости и солености обычно указывают на загрязнение ¹ . В некоторых случаях, таких как обильные осадки или засуха, они могут быть связаны с чрезвычайными естественными причинами. Независимо от того, был ли результат вызван искусственными или естественными источниками, изменения проводимости, солености и TDS могут повлиять на водную жизнь и качество воды.

Большинство водных видов адаптировались к определенным уровням солености ⁴ .Значения солености за пределами нормального диапазона могут привести к гибели рыбы из-за изменений концентрации растворенного кислорода, регулирования осмоса и токсичности TDS ^4,21,37 .

Когда значения проводимости и солености выходят слишком далеко за пределы своего обычного диапазона, это может нанести ущерб водным организмам, обитающим в водоеме. Вот почему меньшее количество, но, возможно, более выносливых видов адаптировалось к жизни в эстуариях, где соленость постоянно меняется. Эстуарные обитатели могут переносить быстро меняющиеся уровни солености лучше, чем их пресноводные и морские аналоги ⁴ .Но даже эти солоноватоводные виды могут пострадать, если изменение солености станет слишком сильным.

Процитируйте эту работу

Fondriest Environmental, Inc. «Электропроводность, соленость и общее количество растворенных твердых веществ». Основы экологических измерений. 3 марта 2014 г. Web. .

Дополнительная информация

Электропроводность раствора — Энди Коннелли

Впервые опубликовано 14 июля 2017 г.

Введение

Электропроводность раствора представляется очень простым измерением. Зонд входит, номер выходит. Просто? Однако вопрос о том, имеет ли это число какое-либо значение, требует более осторожного обращения. Чтобы получить достоверные данные, нужно учесть определенные идеи.

ОТКАЗ ОТ ОТВЕТСТВЕННОСТИ : Я не эксперт в измерениях проводимости. Содержание этого блога — это то, что я обнаружил, стараясь понять предмет.Я сделал все возможное, чтобы информация здесь была как можно более точной. Если вы заметите какие-либо ошибки или допущения, или у вас есть какие-либо комментарии, сообщите мне.

Электропроводность

Электропроводность — важное измерение для многих приложений [1,2]. Если все сделано правильно, это быстрый и простой способ измерить чистоту воды. Однако есть некоторые ключевые идеи, которые необходимо понять, прежде чем начинать измерения проводимости.

Для начала есть три важных определения:

• Электрический ток — это движение заряженных частиц (измеряется в амперах, А).
• Проводимость — это мера того, насколько легко эти заряженные частицы перемещаются через раствор / материал (измеряется в Siemens, S).
• Электропроводность — это проводимость (S), измеренная на заданном расстоянии через материал / раствор (измеряется в Сименсах на сантиметр, См / см)

В металлической проволоке заряженными частицами, движущимися через материал, являются электроны, в растворе — ионы. Примеры этих ионов показаны на рисунке 1.

Величина тока зависит от [3, 5]:

• Природа ионов: заряд, размер и подвижность
• Тип растворителя: диэлектрическая проницаемость и вязкость
• Концентрация ионов: чем больше ионов, тем выше проводимость, поэтому проводимость можно использовать как меру концентрации.
• Температура

Как правило, чем больше ионов присутствует в растворе, тем выше проводимость; однако не все добавки к водным растворам надежно образуют ионы (например,г. сахар и алкоголь). Кроме того, проводимость увеличивается только с увеличением концентрации до максимального значения, после чего проводимость может фактически уменьшаться с увеличением концентрации [8].

Стабильность и чистота пробы, а также то, как с ней обращаются, могут повлиять на точность считывания пробы. На пробы с низким уровнем содержания легко повлиять загрязнение, абсорбция CO2 и дегазация [3].

Рисунок 1: Образование ионов в растворе [7]

Удельное сопротивление

Для некоторых растворов, таких как чистая вода, проводимость настолько мала, что иногда легче использовать удельное сопротивление и сопротивление в качестве меры.

• Сопротивление — это измерение сопротивления материала или раствора потоку тока (измеряется в Ом (Ом)). Это величина, обратная проводимости.
• Удельное сопротивление — это сопротивление, измеренное на заданном расстоянии (в Сименсах на сантиметр (Ом · см)). Это величина, обратная проводимости.

См. Рисунок 2 для сравнения проводимости и удельного сопротивления. Эти значения варьируются от сверхчистой воды с проводимостью 0.От 055 мкСм / см до 30 мас.% Азотной кислоты с проводимостью 861000 мкСм / см.

Рисунок 2: Электропроводность обычных растворов. Диапазоны проводимости констант зонда зависят от производителя и типа зонда.

Концентрация и общее количество растворенных твердых веществ (TDS)

Связь между проводимостью и количеством ионов в растворе означает, что ее можно использовать для измерения концентрации раствора и получения значения общего растворенного твердого вещества (TDS). Однако проводимость неспецифична; все ионы вносят вклад в электролитическую проводимость раствора, и один набор ионов невозможно отличить от другого [3].Это означает, что измерения относятся к общей концентрации ионов в растворе, а не к концентрации какого-либо одного иона.

• Концентрация: Некоторые виды более полно ионизируются в воде (например, NaCl и HCl), чем другие [5]. Это означает, что их растворы в результате становятся более проводящими. Каждая кислота, основание или соль имеет свою характеристическую кривую зависимости концентрации от проводимости. Требуется калибровка с растворами известного состава и концентрации.
• TDS : Существует множество допущений при вычислении значения TDS на основе значения проводимости [5]. Как правило, используется коэффициент преобразования, который будет варьироваться в зависимости от характера решения. Эти коэффициенты преобразования можно откалибровать, обычно используя растворы NaCl. Если используется раствор NaCl, предполагается, что основными присутствующими ионами являются Na + и Cl-. См. [1] для получения дополнительной информации.

Электропроводность и температура

Проводимость увеличивается с температурой.Это значительное увеличение — от 1,5 до 5,0% на ° C. Таким образом, если вы измеряете один и тот же раствор при разных температурах, вы получите разную проводимость, если не использовать температурную поправку. По этой причине показания проводимости должны быть компенсированы по температуре.

Температурная компенсация обычно выполняется путем приведения показаний к эталонной температуре, обычно 25 ° C. Датчики проводимости должны иметь встроенный датчик температуры для облегчения такой компенсации.

Обычно используются два основных алгоритма температурной коррекции [4,5,6]:

• Линейный температурный коэффициент : используется в большинстве приложений
• Нелинейный температурный коэффициент: используется при измерении воды с низкой проводимостью
  

Ни один из них не идеален, поэтому в идеале все ваши растворы должны измеряться при одной и той же эталонной температуре.Однако это явно не всегда возможно. Ошибки при измерении температуры также будут способствовать проблемам с компенсацией, поэтому очень важно, чтобы зонд проводимости и раствор пришли в тепловое равновесие.

Температурный коэффициент

Изменение проводимости с температурой выражается как изменение проводимости (в процентах) на градус Цельсия. Обычно это называют температурным коэффициентом (α). Значение α варьируется в зависимости от раствора, концентрации раствора и температуры (см. Таблицы 1 и 2).

Таблица 1: Примеры температурных коэффициентов проводимости для различных растворов [5]. Таблица 2: Температурная зависимость температурного коэффициента проводимости [5]. Линейная температурная поправка широко используется. Он основан на наблюдении, что проводимость электролита изменяется на один и тот же процент при каждом изменении температуры на ° C. Один температурный коэффициент может использоваться с разумной точностью
только в небольшом диапазоне 30 ° или 40 ° C. Самый точный способ — рассчитать коэффициент специально для температуры образца для вашего раствора.Табличные значения могут отличаться для одного и того же решения в зависимости от источника.

Для расчета коэффициента один метод описан ниже (подробнее см. [5] или [8]):

1. Проверьте проводимость репрезентативной пробы при эталонной температуре (обычно 25 ° C). Эта температура обычно соответствует температуре, указанной в вашем калибровочном стандарте.
2. Используя тот же образец, найдите проводимость при другой температуре. Обычно это температура, при которой вы будете измерять другие образцы.
3. Расчет процентного изменения на ° C
4. Введите это значение в настройки счетчика.

Измерение проводимости

Измерение электропроводности можно осуществить разными способами. Наиболее распространенным методом является использование зонда проводимости, как показано на рисунке 1. В них используются два или более платиновых электрода, и они напрямую измеряют проводимость.

Рисунок 1: Схема зонда проводимости.

Другим основным методом измерения проводимости является тороидальный «индуктивный» метод.Более подробную информацию об этом можно найти в ссылках [2] и [5].

В простейшем варианте зонда с платиновым электродом (двухэлектродная ячейка) напряжение прикладывается к двум плоским пластинам, погруженным в раствор, и измеряется результирующий ток, а затем может быть рассчитана проводимость G с использованием инвертированного Закон Ома [5]. Где R — сопротивление, V = напряжение и I = ток:

и

В принципе можно использовать напряжение постоянного тока. Однако постоянное напряжение скоро истощит ионы возле пластин, вызывая поляризацию и сопротивление, превышающее действительное.По существу, во избежание этой проблемы обычно используется переменное напряжение (более подробную информацию см. В [3]).

В более совершенной кондуктометрической ячейке используются четыре электрода (см. Рисунок 2). Эти датчики используют переменный ток через внешние электроды и измеряют напряжение на внутренних электродах [5]. Четырехэлектродная система дает более низкий ток и, следовательно, имеет меньший перенос заряда на границе раздела металл-жидкость. Это позволяет измерять гораздо более широкий динамический диапазон, чем двухэлектродный датчик.Такие измерения зависят от объема, а внешняя оболочка зонда гарантирует, что объем раствора пробы остается постоянным для всех анализов.

Рисунок 2: Схема зонда проводимости с 4 электродами.

Ячейка проводимости

На рис. 3 показана установка основного зонда проводимости с двумя квадратными платиновыми электродами. Конструкция зонда зависит от диапазона измеряемой проводимости. Площадь электродов и расстояние между ними определяет этот диапазон.Эти значения инкапсулированы в константу ячейки K.

Проводимость C между электродами определяется выражением:

C = проводимость (См / см), G = проводимость (S), d = расстояние между электродами (см) и A = площадь пластины электродов (см2).

Рисунок 3: Схема, показывающая работу зонда проводимости.

Константа ячейки

Постоянная ячейки (K) определяется как отношение расстояния между электродами (d) к площади электрода (A).Однако эффект краевого поля (AF) изменяет площадь электрода, поэтому:

Для растворов с низкой проводимостью электроды можно разместить ближе друг к другу или сделать больше, чтобы постоянная ячейки была меньше единицы. Это приводит к увеличению проводимости для получения значения, которое легче интерпретировать измерителем. Обратное также применимо: в растворах с высокой проводимостью электроды размещают дальше друг от друга или делают меньше, чтобы уменьшить проводимость образца.

Идеальное значение K для датчика зависит от диапазона измеряемых проводимостей. Обычно ячейка с K = 0,1 см – 1 выбирается для измерений чистой воды, а для воды из окружающей среды и промышленных растворов. Ячейки с K = 10 см – 1 лучше подходят для образцов с очень высокой проводимостью (см. Рисунок 1).

Теоретически константа ячейки может быть применена прямо из коробки без калибровки. К сожалению, краевое поле и другие эффекты могут привести к изменению постоянной ячейки на 10% от номинальной постоянной ячейки; он также может меняться со временем.Это означает, что постоянная ячейки должна быть рассчитана с использованием стандартного раствора с известной проводимостью (см. Ниже).

Выбор датчика

Ключевым решением при выборе датчика является постоянная ячейки. Различные константы ячейки будут охватывать разные диапазоны проводимости. Подробности этого приведены выше. В противном случае выбор зависит от вопросов, включая [5]:

1. Прочность зонда
2. Материал корпуса зонда
3. Уровень точности, который вам нужен,
4. Различные другие факторы в зависимости от датчика и измерителя, которые зависят от производителя.

Очистка и репатинизация

Ваш зонд может потребовать очистки, если он загрязнится, подробности этого процесса можно найти в ссылках [3] и [5].

Некоторые зонды имеют платиновое покрытие на поверхности некоторых платиновых электродов для создания более эффективной площади поверхности для измерений проводимости. При плохом обращении с датчиком платина может потребовать повторной атинизации.

Реплатинизация требуется, когда измерения становятся медленными, нестабильными или противоречивыми, или когда константа ячейки смещается более чем на 10% от номинальной постоянной ячейки.Платинирование элемента приводит к осаждению полного свежего слоя платиновой черноты на поверхности пластины, что восстанавливает производительность и надежность. Комплект обычно можно приобрести для этой задачи в зависимости от производителя вашего зонда.

Хранилище

Между измерениями зонды электропроводности

следует промывать деионизированной водой. Между измерениями зонд может храниться в деионизированной воде; однако для хранения в течение ночи или длительного хранения зонд следует промыть и хранить в сухом виде.Зонд можно осторожно высушить, используя подходящую ткань.

Нормы проводимости

Принято считать, что калибровка постоянной ячейки по одной точке при представительной проводимости достаточна для точных показаний проводимости. Если образцы покрывают широкий диапазон уровней проводимости, можно указать одну или несколько точек.

Частота калибровки зависит от типа кондуктометрической ячейки и области применения. Обычно это не нужно делать так регулярно, как измерения pH с помощью зонда pH.

Стандарты проводимости обычно представляют собой растворы хлорида натрия различной концентрации. Их можно купить или приготовить самостоятельно; однако это не рекомендуется (подробнее см. [3]).

Сводка

Электропроводность — полезное значение во многих приложениях. Зонд проводимости — полезный способ измерения этого значения, пока учитываются несколько важных идей [см. 5 для более подробной информации]:

1. Следует выбрать правильный зонд для интересующего диапазона проводимости.
2. Датчик должен быть откалиброван
3. Электропроводность зависит от температуры, поэтому необходимо дать датчику проводимости время, чтобы уравновеситься до той же температуры, что и образец.
4. Температура раствора должна быть измерена
5. Применена соответствующая поправка на температуру

Если принять во внимание эти пять факторов, ваши измерения электропроводности будут быстрыми и, что более важно, надежными.

Ссылки и дополнительная литература

• Руководство по проводимости и растворенному кислороду,
• Мур 2004, Бюллетень по рациональному использованию водоразделов 8 (1) 11-15

[1] http: // www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/water-quality/conductivity-salinity-tds/ (по состоянию на июнь 2017 г.)

[2] ТЕОРИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ, Таблица данных по применению ADS 43-018 / rev.D Январь 2010 г.

[3] Shreiner R.H. & Pratt K.W. Первичные стандарты и стандартные стандартные образцы для электролитической проводимости. Специальная публикация NIST 260-142, 2004.

[4] Thermo Scientific, Умные заметки, SN-CONDMETER-E 0514 RevA, 2014.

[5] Радиометр аналитический, Электропроводность: теория и практика, D61M002.