VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE AINFORMATIKY FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMATION AND COMPUTER SCIENCE

MĚŘENÍ KONDUKTIVITY MEDU THE MEASUREMENT OF A HONEY CONDUCTIVITY

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS

AUTOR PRÁCE

JAROSLAV ZÁBRANSKÝ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2007

Ing. MIROSLAV HOLÝ

-2-

Vysoké učení technické v Brně,Fakulta strojního inženýrství Ústav automatizace a informatiky Akademický rok: 2006/07

ZADÁNÍ BAKALÁŔSKÉ PRÁCE Student(ka) : Zábranský Jaroslav který/která studuje v bakalářském studijním programu obor : Aplikovaná informatika a řízení (3902R001)

Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce: Měření konduktivity medu v anglickém jazyce:

The Measurement of a Honey Conductivity Stručná charakteristika problematiky úkolu: Zpracujte studii na téma určování druhové příslušnosti medu podle konduktivity a metod jejího měření. Cíle bakalářské práce: 1. teoretický rozbor problematiky 2. přehled používaných metod a přístrojů 3. prostředky a metody přímého měření konduktivity 4. experimentální ověření závislosti konduktivity na obsahu vody

-3-

Seznam odborné literatury: 1. Ďaďo,S.,Kreidl,M.:Senzory a měřicí obvody,ČVUT,Praha 1999 2. Zehnula,K.: Převodníky fyzikálních veličin,FE VUT Brno 1990 3. DIN Norm 10753 Bestimmung der elektrischen Leitfaehigkeit von Honig (1991)

Vedoucí bakalářské práce : Ing. Miroslav Holý

Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2006/07. V Brně,dne 21.11.2006

L.S.

doc.RNDr.Ing.Miloš Šeda,Ph.D. Ředitel ústavu

doc.RNDr.Miroslav Doupovec,CSc Děkan fakulty -4-

LICENČNÍ SMLOUVA POSKYTOVANÁ K VÝKONU PRÁVA UŽÍT ŠKOLNÍ DÍLO uzavřená mezi smluvními stranami: 1. Pan/paní Jméno a příjmení: Jaroslav Zábranský Bytem:

U Sladovny 170,671 25 Hodonice

Narozen/a (datum a místo): 8.2.1969,Brno (dále jen „autor“) a 2. Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství se sídlem Technická 2896/2, 616 69, Brno jejímž jménem jedná na základě písemného pověření děkanem fakulty: .............................................................................................. (dále jen „nabyvatel“) Čl. 1 Specifikace školního díla 1. Předmětem této smlouvy je vysokoškolská kvalifikační práce (VŠKP): □ disertační práce □ diplomová práce □ bakalářská práce □ jiná práce, jejíž druh je specifikován jako ....................................................... (dále jen VŠKP nebo dílo) Název VŠKP:

Měření konduktivity medu

Vedoucí/ školitel VŠKP:

Ing. Miroslav Holý

Ústav:

ÚAI FSI

Datum obhajoby VŠKP: VŠKP odevzdal autor nabyvateli v*: □ tištěné formě

*

–

počet exemplářů …2……………..

□ elektronické formě –

počet exemplářů …3……………..

hodící se zaškrtněte

-5-

2. Autor prohlašuje, že vytvořil samostatnou vlastní tvůrčí činností dílo shora popsané a specifikované. Autor dále prohlašuje, že při zpracovávání díla se sám nedostal do rozporu s autorským zákonem a předpisy souvisejícími a že je dílo dílem původním. 3. Dílo je chráněno jako dílo dle autorského zákona v platném znění. 4. Autor potvrzuje, že listinná a elektronická verze díla je identická.

Článek 2 Udělení licenčního oprávnění 1. Autor touto smlouvou poskytuje nabyvateli oprávnění (licenci) k výkonu práva uvedené dílo nevýdělečně užít, archivovat a zpřístupnit ke studijním, výukovým a výzkumným účelům včetně pořizovaní výpisů, opisů a rozmnoženin. 2. Licence je poskytována celosvětově, pro celou dobu trvání autorských a majetkových práv k dílu. 3. Autor souhlasí se zveřejněním díla v databázi přístupné v mezinárodní síti □ ihned po uzavření této smlouvy □ 1 rok po uzavření této smlouvy □ 3 roky po uzavření této smlouvy □ 5 let po uzavření této smlouvy □ 10 let po uzavření této smlouvy (z důvodu utajení v něm obsažených informací) 4. Nevýdělečné zveřejňování díla nabyvatelem v souladu s ustanovením § 47b zákona č. 111/ 1998 Sb., v platném znění, nevyžaduje licenci a nabyvatel je k němu povinen a oprávněn ze zákona.

Článek 3 Závěrečná ustanovení 1. Smlouva je sepsána ve třech vyhotoveních s platností originálu, přičemž po jednom vyhotovení obdrží autor a nabyvatel, další vyhotovení je vloženo do VŠKP. 2. Vztahy mezi smluvními stranami vzniklé a neupravené touto smlouvou se řídí autorským zákonem, občanským zákoníkem, vysokoškolským zákonem, zákonem o archivnictví, v platném znění a popř. dalšími právními předpisy. 3. Licenční smlouva byla uzavřena na základě svobodné a pravé vůle smluvních stran, s plným porozuměním jejímu textu i důsledkům, nikoliv v tísni a za nápadně nevýhodných podmínek. 4. Licenční smlouva nabývá platnosti a účinnosti dnem jejího podpisu oběma smluvními stranami.

V Brně dne:…………………………………….

………………………………………… Nabyvatel

………………………………………... Autor -6-

ANOTACE Určování druhové příslušnosti medu podle konduktivity a metod jejího měření, se zaměřením na možnost měření, bez nutnosti ředit med. Provedeme experimentální měření konduktivity medu. přímou metodou měření. Vybrali jsme dvě metody měření, induktivní a odporové. Určí kvalitu medu a tím i jeho cenu při výkupu, a to jen ponořením do medu. Odstraníme nutnost spíše laboratorního měření.

ANNOTATION Using a conductance measuring to determine the honey species withoutdiluting. We can do an experimental measuring of the honey conductance usinga direct measuring method. We chose a two different way of conductancemeasuring. Inductive and inductive resistance method. Using this method,simply by dipping the tester to the honey, we can immediately know thequality, and determine the purchase price and avoid the cost of thelaboratory test. -7-

PODĚKOVÁNÍ Touto cestou bych chtěl poděkovat vedoucímu bakalářské práce Ing. Miroslavu Holému, za věcné připomínky při vypracování této bakalářské práce. -8-

OBSAH

Zadání závěrečné práce………………………………………………….. Licenční smlouva……………………………………………………........ . Anotace......................................................................................................... Poděkování……………………………………………………………….. Obsah……………………………………………………………………… 1. Úvod………………………………………………………………………. 2. Konduktivita……………………………………………………………... 3. Konduktivita medu……………………………………………………..... 3.1. Definice…………………………………………………………..... 3.2. Princip …………………………………………………………....... 3.3. Činidla……………………………………………………………... 3.4. Přístroje…………………………………………………………..... 3.5. Postup………………………………………………………………. 3.6. Výpočet konstanty………………………………………………….. 3.7. Příprava roztoku vzorku………………………………………..….. 3.8 Výpočet konduktivity………………………………………..…….. 3.9. Přesnost……………………………………………………..……... 3.10. Příklad vlivu konduktivity na cenu medu………………….……… 4. Přístroje na trhu……………………………………………………........... 5. Teoretický rozbor……………………………………………..………...... 5.1. Snímač……………………………………………….…………….. 5.2. Měřící převodník………………………………….……………….. 6. Snímače elektrolytické vodivosti………...……….…………………. 6.1. Provedení vodivostních snímačů………………………………….. 6.2. Elektrodové snímače……………………….…………………….... 6.3. Konstanta měřící cely snímače……………………………............. 6.4. Čtyřelektrodový snímač…………………………………………… 6.5. Bezdotykové vodivostní snímače………………………….…….… 6.6. Bezkontaktní kapacitní snímače …………………………………… 7. Nízkofrekvenční konduktometrie ………………………………………. 7.1. Základní rovnice…………………………………………………… 8. Vysokofrekvenční konduktometrie ……………………….……………. 9. Přímá konduktometrie…………………………………………………... 10.Metody měření obsahu vody v medu ………………………………........ 10.1. Vážením……………………………………….…………………… 10.2. Měřením hustoty…………..……………………………………….. 10.3. Refraktometr..…………………………………………………..….. 10.4. Další metody……………………………………………………..... 11. Experimentální ověření závislosti konduktivity na obsahu vody……… 12. Závěr………………………………………………………………………. Seznam použité literatury……………………………………….……….. Přílohy..........................................................................................................

3 5 7 8 9 10 11 12 12 12 12 12 12 13 13 14 14 14 15 16 16 16 17 19 19 21 22 23 25 26 26 28 31 32 32 32 33 33 34 50 51 52

1.

ÚVOD

Určování příslušnosti medu podle konduktivity a metod jejího měření. Konduktivita slouží k určování kvality medu a tím i jeho ceny při výkupu. Předním ukazatelem kvality medu je obsah vody (%) dle normy ČSV 1/1999 je max.18 % a dle vyhlášky č. 76/2003 Sb. max. 20 %. Elektrická vodivost medu je parametrem podle jehož hodnoty se medy dělí na květové a medovicové.Vyhláška č. 76/2003 Sb.určuje i vodivost, květové medy nejvýše 80 mS/m a medovicové medy nejméně 80mS/m. Problematika měření obsahu vody v medu je poměrně složitá, protože med je tak hustý, že ho již nepovažujeme ani za roztok (ten by měl koncentraci nejvýše 60 %), nýbrž rosol přecházející v gel..Úkolem je ověřit experimentálním měřením zda požadavkům vyhoví některá z možných metod měření konduktivity. Ověříme metodu přímého měření konduktivity bez nutnosti ředit med, a to induktivní a odporové měření.

- 10 -

2.

Konduktivita

Abychom mohli naměřené hodnoty navzájem lépe porovnávat, vztahujeme vodivost k jednotkovým rozměrům měřeného vzorku a nazýváme ji „měrná elektrická vodivost“. Konduktivita „κ“ je fyzikální veličina, která popisuje schopnost látky vést elektrický proud. Dobrý vodič, vysoká hodnota konduktivity, a naopak. Základní jednotka je S/m = m¯³kg¯¹s ³S ² = Ω¯¹m¯¹ Obvykle vyjádřenou S/cm, mS/cm, µS/cm. Konduktivita závisí nejen na množství a druhu rozpuštěných látek v roztoku, ale také na jeho teplotě. Vodivost se zvětšuje se stoupající teplotou, 1,5% až 7% na 1°C. Vzrůst vodivosti teplotou souvisí se skutečností, že s teplotou se snižuje viskozita a roste pohyblivost iontů. U slabých roztoků roste množství disociovaných molekul. Teplota má tudíž velký vliv na měření, proto se při laboratorním měření zajišťuje teplota termostatem. Provozní měřiče jsou vybaveny obvodem pro samočinnou kompenzaci vlivu teploty (termistory). S - Siemens je jednotka el. vodivosti (převrácená hodnota odporu). S =

1 Ω

(1).

- 11 -

3.

Konduktivita medu podle [6]

Metoda určování elektrické konduktivity medu v laboratorních podmínkách v rozsahu 0,1 – 3 mS/cm.

3.1.

Definice

Elektrická vodivost je definována u roztoku medu, obsahujícího 20% sušiny medu ve 100 ml destilované vody (při teplotě 20°C) a měřená pomocí vodivostní cely.Výsledek je v mS/m. 3.2.

Princip

Elektrická vodivost roztoku 20 g suché hmoty medu v 100 ml destilované vody je měřena použitím článku el. vodivosti. Určení el. vodivosti je založeno na měření elektrického odporu, ze kterého je el. vodivost převrácenou hodnotou. Metoda je založena na původní práci Vorwohla. 3.3.

Činidla

Pokud není jinak specifikováno, činidla musí mít uznanou analytickou kvalitu. Voda musí být čerstvě destilovaná stejné kvality. Roztok Chloridu draselného KCl c = 0.1 mol/l . Rozpustit 7.4557g chloridu draselného (KCl), vysušeného při 130°C, v čerstvě předestilované vodě v 1000 ml baňce a naplnit do objemu destilovanou vodou.Připravuje se v den použití. 3.4.

3.5.

Přístroje Měřič vodivosti na nízkém rozsahu 10ֿ7 (S). Článek elektrické vodivosti, platinová elektroda (ponorná elektroda). Teploměr s dělením na 0.1 °C. Vodní lázeň, termostaticky udržovaná při teplotě 20°C ±0,5°C. Objemové baňky, 100ml. a 1000 ml. Kádinky, vyšší tvar.

Postup

Stanovení konstanty článku el. vodivosti: Jestliže není známá konstanta článku, stanoví se následujícím způsobem: Do kádinky se připraví 40 ml. chloridu draselného, ponoří se článek a odečte se elektrická konduktance tohoto roztoku v mS při teplotě 20°C. Poznámka: Díky možnému polarizačnímu efektu je nutné provést měření v co nejkratším čase.

- 12 -

Obr.1. Laboratorní zařízení na měření konduktivity:

3.6.

Výpočet konstanty Konstanta K se vypočítá:

K = 11,691·

1 G

(cm¯ ¹)

(2).

K konstanta článku v (cm¯ ¹) G elektrická konduktance v (mS) 11,691..elektrická konduktance v mS/cm u čerstvě destilované vody a vodivost 0,1 M KCL při 20°C. Po stanovení konstanty článku se elektroda opláchne destilovanou vodou. Pokud elektrodu nepoužíváme, je třeba jí ponořit do destilované vody.

3.7.

Příprava roztoku vzorku

V destilované vodě se rozmíchá množství medu ekvivalentní 20 g. sušiny medu. Přenese se do 100 ml. baňky a doplní se destilovanou vodou po rysku 40 ml. takto připraveného roztoku se zahřeje ve vodní lázni na 20°C. Poté se ponoří vodivostní článek do roztoku a odečte se konduktivita v mS. Jestliže článek není termostatován, musí se pro výpočet použít korekční faktor: - teploty nad 20°C – odečíst 3,2% z hodnoty na °C. - teploty pod 20°C – přičíst 3,2% z hodnoty na °C.

- 13 -

3.8.

Výpočet konduktivity

SH = K·G

Vodivost medu se spočte ze vzorce:

(3).

SH = elektrická vodivost medného roztoku v mS cm ¯ ¹ K = konstanta článku G = vodivost v mS Výsledky zaokrouhlíme na nejbližší 0,01 mS/cm.

3.9.

Přesnost

Přesnost metody byla určena v normně DIN (Deutsche Industrie Normen) pokusech a data jsou platná pro medy v rozsahu mezi 0,1 až 3 (S/cm).

3.10. Příklad vlivu konduktivity na cenu medu

Druh medu Květový

Obsah vody 19 %

Smíšený

19 %

Lesní med

19 %

Lesní med

19 %

Vodivost Do 7,5• 10 4 µS/m Od 7,5 do 9,0• 10 4 µS/m Od9,0 do 11,0• 10 4 µS/m Nad 11,0• 10 4 µS/m

Dále se upravuje dle % vody: Všechny druhy Do 19 % Od 19 % do 21 %

Platba v hotovosti 32,00 Kč 35,00 Kč 40,00 Kč 45,00 Kč

100 % Srážky dle množství vody Nevykupuje se

21 % a více

- 14 -

4.

Přístroje na trhu

Ukázka přístrojů dostupných na trhu s kterými je možné měřit konduktivitu medu. Pracují na principu porovnání s kalibračním roztokem, což znamená nutnost kalibrace. Většinou mají zabudovaný termočlánek pro automatickou kompenzaci. Rovněž je nutné ředit med.

Automatická kompenzace teploty (ATC). Rozsah měření: 0-1999mS/cm Rozlišení 0,1µS/cm. Jednoduchá jednobodová kalibrace.

Automatická kompenzace teploty (ATC) 0 až + 50°C. Rozsah měření: 0- 9999 µS/cm. Rozlišení: 10 µS/cm. Kalibrační roztok: 1430 µS/cm.

Automatická kompenzace teploty (ATC). Měřitelný rozsah vodivosti: 0 - 1999 mS/cm. Rozlišení: 1 mS/cm. Kalibrovatelné dle ISO.

- 15 -

5.

Teoretický rozbor

Rozbor měřiče konduktivity ,jeho hlavní součásti a popis funkce.Většina konduktometrů má stejný princip, liší se jen strukturou zapojení a rozsahem měření. Podle různých parametrů měření se používají i jiné snímače.

5.1.

Snímač

Snímač je funkční prvek, který je v přímém styku s měřeným prostředím, snímá sledovanou fyzikální veličinu a tuto transformuje na měřící veličinu (nejčastěji elektrickou).

Dělení dle transformace signálu: Aktivní - působením snímané veličiny se chová jako zdroj el. energie. Pasivní - je nutné el.veličinu transformovat na analogový napěťový nebo proudový signál (nutné napájení).

5.2.

Měřící převodník

Musí mít vstupní obvod navržen tak, aby vyhovoval měřené veličině. Transformovaný elektrický signál je nutno zesílit. Musíme zajistit dostatečný odstup signálu od šumu snímače a zesilovače a také od parazitních vlivů. Toto realizujeme speciálními zapojeními zesilovačů, frekvenčním omezením signálu, modulací měřené veličiny s následnou synchronní demodulací nebo číslicovým zpracováním signálu. Převodník pracuje ve dvou nebo čtyřvodičovém zapojení a po zesílení převádí vstupní měřený signál, zpravidla analogový, na signál digitální (tento převod odpadá, pokud senzor poskytuje digitální výstup). Ve vyhodnocovací jednotce řízené mikroprocesorem probíhá zpracování zesíleného signálu, především kompenzace vlivu teploty provozních podmínek (výpočet, kalibrace, atd.). Diskrétní signál v upravené podobě se převádí převodníkem D/A obvykle na unifikovaný analogový výstupní signál proudový 0/4 až 20 mA nebo napětí 0 až 10 V, a zobrazuje se i na displeji v digitálním tvaru. Převodník lze konfigurovat přes komunikační rozhraní nejčastěji se používá (RS-232 C pro oboustranný přenos potřebuji 5 a více vodičů - dosah 20 kbitů/s asi 15m nebo RS-485 -20 Mbitů/s; 1200m), s podporou menu na displeji. Měřené hodnoty se ukládají do energeticky nezávislé paměti EEPROM. Převodníky jsou vybaveny LCD displeji, z nich čteme měřenou veličinu a jiné údaje (čas, teplota , úroveň signálu…). Je možná i komunikace přes PC (PC-převodník/analyzátor) vhodným programem je možné konfigurovat systém na požadované měření (nastavit rozsah, kalibraci, kompenzace provozních vlivů atd.). PC může dle programu okamžitě vyhodnocovat data. Převodníky a analyzátory se liší mechanickým uspořádáním, měřícím rozsahem a přesností, obvodovým zapojením, způsobem teplotní kompenzace, komunikačními schopnostmi a dalším vybavením (autokalibrace, autodiagnostika, hlídání mezí, automatické čištění, regulační funkce….).

- 16 -

6.

Snímače elektrolytické vodivosti podle [5]

Konduktometrické snímače jsou založeny na měření elektrolytické vodivosti. Elektrolytická neboli elektrická vodivost roztoku, je závislá na koncentraci iontů rozpuštěných látek v roztoku. Většinou se používají snímače s dvěmi elektrodami ponořenými do roztoku. Elektrolytická vodivost je nepřímo úměrná vzdálenosti elektrod „l“ a přímo úměrná jejich ploše „S“ a měrné elektrické vodivosti. G = κi

S l

(4).

G

- elektrická vodivost (konduktance) (

S,l

- plocha a vzdálenost elektrod - měrná el. vodivost

κ

mS µS ; ). cm cm

κt = κto·[1+β1(t-to)+ β2(t-to) ²]

(5).

β1, β2 - teplotní koeficienty κt , κto - vodivost při teplotě t a to

Při menších teplotních intervalech je člen druhého řádu zanedbatelný. Pro malé koncentrace rozpuštěných látek je elektrická vodivost u většiny roztoků lineárně závislá na koncentraci, ale při vyšších hodnotách hmotnostního zlomku již nárůst lineární není. U některých kyselin a zásad dosahuje vodivost max. hodnoty a se stoupající hodnotou hmotnostního zlomku opět klesá (silné koncentrace).

- 17 -

Malé koncentrace κ  µS     cm 

κ  S     cm 

Velké koncentrace Obr.2. Konduktivita roztoků v závislosti na koncentraci a teplotě.

- 18 -

6.1.

Provedení vodivostních snímačů

Kontaktní snímače s elektrodami - snímače se dvěma elektrodami - snímače se čtyřmi elektrodami Bezelektrodové (induktivní) snímače

6.2.

Elektrodové snímače

Elektrodové snímače jsou většinou tvořeny skleněnou trubkou se zatavenými platinovými elektrodami, které jsou pokryty platinovou černí pro zvětšení povrchu a snížení polarizačních jevů. Na povrchu trubky je připevněn termistor. Skleněná trubka je chráněná novodurovou ochrannou trubkou.Vyhodnocuji konduktivitu měřením odporu roztoku mezi dvěma elektrodami ponořenými v roztoku, nebo průtokem. Snímače používané pro měření vodivosti jsou charakterizovány odporovou konstantou snímače K, která je definována vztahem:

K=

κ G

(6)

Výhody - velice citlivé - široké koncentrační rozmezí - el.vodivost je funkcí teploty

Nevýhody - znečištění elektrod (nutnost pro nový vzorek čistit) - přizpůsobení snímače pro daný roztok - díky možnému polarizačnímu efektu je nutné provést měření v co nejkratším čase

- 19 -

snímač t

snímačγ

ϑ

Obr.3. Dvouelektrodové zapojení.

elektrody

Senzor teploty

Obr.4. Schéma vodivostního snímače.

Materiál elektrod - závisí na použití senzoru - korozivzdorná ocel, platina, titano- pladiová slitina, speciální grafit, … atd.

- 20 -

6.3.

Konstanta měřící cely snímače K=

K l S

l S

(7).

konstanta (cm ¯¹) vzdálenost elektrod plocha elektrod

Hodnota konstanty se určí tak, že se změří odpor roztoku elektrolytu o známé konduktivitě. K (m¯¹) závisí na velikosti, tvaru a vzdálenosti elektrod, nezávisí na druhu měřeného média. Vypočte se z rovnice (4). po změření roztoku se známou konduktivitou.(př. KCl ve vodě).

Tab.1. Orientační hodnoty mezi měřícím rozsahem a konstantou.

Rozsah vodivosti 0,001 až 10 µS

Konstanta K 0,01 cm¯¹

0,01 až 100µS

0,1 cm¯¹

0,01 až 200mS

1 cm¯¹

0,1 až 500mS

10 cm¯¹

Dvouelektrodové měřící sondy s deskovými, soustřednými nebo kolíkovými elektrodami se používají pro měření elektrické vodivosti čisté vody nebo silně zředěných vodných roztoků s měrnou vodivostí od 0,04 µS/cm do 25 mS/cm Při vodivostech nad 5 mS/cm dochází u dvouelektrodových soustav často k polarizačním jevům a tím i k chybám měření.

- 21 -

6.4.

Čtyřelektrodový snímač

Čtyřelektrodové snímače se používají pro měření vzorků se středně velkou měrnou vodivostí asi od 0,01 mS/cm do 500 mS/cm. - Odstraňuje vliv polarizačních jevů. - Napájecí proud prochází přes dvě proudové elektrody. - Úbytek potenciálu je snímán mezi měřícími napěťovými elektrodami. - Napětí na měřících elektrodách je snímáno zesilovačem s velkou vstupní impedancí. - minimalizace procházejícího proudu - minimalizace polarizace elektrod. Polarizace která vzniká na proudových elektrodách měření neovlivňuje. Jinak mají stejné vlastnosti jako již zmíněné dvouelektrodové snímače viz kapitola 6.2.

Obr.5. 1+4- proudová elektroda; 2.+3.- měřící elektrody; 5- skleněná podpora. .

MĚŘÍCÍ ZESILOVAČ

PROUDOVÁ ELEKTRODA MĚŘÍCÍ ELEKTRODA

Měřící cela

ZDROJ PROUDU

Obr.6. Zapojeni čtyřelektrodové sondy.

- 22 -

6.5.

Bezdotykové vodivostní snímače podle[7]

Uvedené nedostatky které mají elektrodové snímače nemají induktivní snímače jelikož nepřijdou do styku s měřenou kapalinou, jejich princip je na obr .7. Do trubice z nevodivého materiálu přivedeme měřenou vodivou kapalinu. Trubice je provlečena jádry dvou toroidních transformátorů Tr1 a Tr2, takže kapalina v trubici představuje jednozávitové sekundární vinutí budícího transformátoru Tr1 a součastně jednozávitové primární vinutí měřícího transformátoru Tr2. Jestliže se primární vinutí napájí konstantním nízko-frekvenčním napětím UN indukuje se v kapalném okruhu měřené kapaliny proud úměrný její vodivosti. V sekundárním vinutí se indukuje napětí UM, které je úměrné proudu procházejícího měřenou kapalinou a tedy její měrné vodivosti. Elektrická vodivost roztoků je teplotně závislá zejména při nízkých hodnotách vodivosti a může výrazně ovlivnit přesnost měření. Proto je součástí měřících sond teplotní čidlo.

odvod vzorku

náhradní obvod

přívod vzorku Obr.7. Princip bezdotykového měření vodivosti.

-

-

-

-

Proud závitem nakrátko E I= 1 E1 = k1 iU N R Výstupní napětí je úměrné protékajícímu proudu E U M = k2 il = k2 i 1 R Výstupní napětí je i vodivosti měřené kapaliny U 1 U M = k1 ik2 i N = K i R R Měření je nezávislé na kmitočtu. Provozní snímač vyžaduje obvod pro teplotní kompenzaci. Nevadí přítomnost látek znečišťujících elektrody.

- 23 -

(8).

(9).

(10).

Obr.8. Bezelektrodový vodivostní snímač. 1- detektor (přijímač); 2- kabel; 3- sekundární toroid B; 4- těleso senzoru; 5- dutina senzoru, 6- primární toroid A; 7- oscilátor(vysílač); 8- indukovaný elektrický proud. - toroidní vinutí A je napájeno střídavým napětím z oscilátoru - v měřeném roztoku je indukován střídavý proud, který prochází dutinou senzoru a indukuje výstupní napětí v toroidním vinutí B - indukované napětí je snímáno detektorem - velikost výstupního signálu je funkcí vodivosti roztoku - primární i sekundární vinutí jsou uložena v pouzdru z nevodivého a chemicky odolného materiálu (nejčastěji teflon viz Obr.9)

Obr.9. Bezelektrodový vodivostní snímač - 24 -

6.6.

Bezkontaktní kapacitní snímače

Mají na vnější straně nekovové trubice umístěny dvě kovové elektrody. Výsledná impedance mezi elektrodami je dána kapacitami stěn trubice, kapacitou a odporem analyzovaného elektrolytu. Odporová složka a tedy konduktance se zjišťuje fázovým rozkladem impedance při kmitočtech od 1 MHz do 100 MHz. Vzhledem k vysokým kmitočtům se neuplatní polarizační kapacita.

- 25 -

7.

Nízkofrekvenční konduktometrie podle [4]

Při nízkofrekvenční. konduktometrii je měření optimalizováno volbou frekvence střídavého proudu (desítky až jednotky kHz), jeho amplitudou a konstrukcí vodivostní nádobky tak, aby dominantní složkou impedance byl ohmický odpor.

7.1.

Základní rovnice

Odpor R(Ω), ve vodivostní nádobce mezi elektrodami o ploše S(cm²) vzdálené od sebe l(cm) je l R = ρi R (Ω), S(cm²), l (cm), ρ(Ω·cm)- měrný odpor. (11). S Odpor mezi elektrodami je nepřímo úměrný koncentraci iontů, z analytického hlediska je výhodnější měřit vodivost G (Ω¯¹,S)

G=

1 S = κi R l

(12).

κ (S·cm) je měrná vodivost a charakterizuje analyzovaný roztok Zatím co podíl S/l charakterizuje experimentální zařízení- vodivostní nádobku: l = Gi K (13). S K (cm¯ ¹)- konstanta vodivostní nádobky.Aby bylo možno ze změřené vodivosti G v dané vodivostní nádobce určit měrnou vodivost analyzovaného roztoku, musí být její hodnota známá.Ve valné většině případů ji nelze určit z geometrických rozměrů.Proto se danou nádobkou změří vodivost standardního roztoku o známé měrné vodivosti a konstanta se vypočítá z rovnice(13). Základní roztoky pro tato měření jsou v tabulkách.Optimální frekvenci a amplitudu je nutné nastavit při analýze. κ = Gi

Příspěvek jednotlivých iontů k celkové měrné vodivosti roztoku je dán rovnicí

κ = ∑ ci iλi i zi ci (mol·cm¯ ³), λi (S·cm²·mol¯ ¹) a zi jsou koncentrace.

(14).

Molární vodivost : Λ (S·cm²·mol¯ ¹)

κ c Molární vodivost při nekonečném zředění: Λ °

Λ=

(15).

Λ 0 = ∑ λi0

(16).

- 26 -

Obr.10. Mechanizmus přenosu náboje v roztocích H3O+ a OH ¯ iontů (Grotthussův mechanizmus). Vodíkové vazby jsou čárkovaně. Závislost molární vodivosti na koncentraci: Silné elektrolyty:

Λ = Λ0 − k i c

(17).

k–experimentálně zjišťovaná konstanta Slabé elektrolyty: závislost stupně disociace α, na koncentraci

Λ = Λ 0 iα

α =c−

c(nedisoc.) c

(18).

α– stupeň disociace

c- analytická koncentrace, c(nedisoc.)koncentrace nerozdisiciovaných molekul. Touto metodou lze zjistit pouze celkovou vodivost.

A

Vodivostní nádobka

B

C

Analyzovaný roztok Vodivostní elektrody

Obr.11. Možnosti měření: A- Průtok; B- Ponorné v kombinaci se snímačem teploty(korekce); C- Vodivostní elektrody.

- 27 -

8.

Vysokofrekvenční konduktometrie

podle [4]

Frekvence proudu při vysokofrekvenční konduktometrii leží v oblasti jednotek až stovek MHz, v oblasti radiových vln. Při těchto frekvencích prochází elektromagnetická energie stěnami nádobek, vodivostní elektrody mohou být umístěny vně nádobky, nejsou v kontaktu s analyzovaným roztokem. To lze považovat za hlavní přednost oproti nízkofrekvenční konduktometrii, ostatní je stejné. Zdrojem je elektronický oscilátor o konstantní frekvenci, k němuž je připojena vodivostní nádobka (kapacitní nádobka), jsou to skleněné tenkostěnné válcové nádobky na nichž jsou přilepeny vodivostní elektrody buď nad sebou (Obr.12 B) nebo proti sobě. Méně často jsou používány induktivní nádobky (Obr.12 A) což jsou skleněné válcové nádobky tvořící jádro cívky. Změna impedance nádobky v důsledku změny chemického složení roztoku se projeví změnou procházejícího proudu a snímá se vysokofrekvenčním voltmetrem například jako úbytek napětí na známé impedanci zařazené v sérii s vodivostní nádobkou (obr.12 C).

oscilátor

Známá impedance Vodivostní nádobka .

Vf.voltmetr

C

Obr.12. A- induktivní; B- kapacitní; C- příklad zapojení pro měření impedance.

Kapacita kondenzátoru s dielektrikem: Jestliže je prostor mezi elektrodami kondenzátoru zcela vyplněn dielektrikem, zvětší se jeho kapacita ε-krát, kde ε je relativní permitivita která charakterizuje materiál(dielektrikum). Platí Gaussův zákon elektrostatiky v dielektriku:

ε ioi ∫ ε i E idS = Q respektive

∫ i DidS = Q

D je elektrická indukce, Q je volný náboj.

- 28 -

(19).

Vysokofrekvenční měření umožňuje nejen měření vodivosti, ale i permitivitu (relativní). Permitivita ε, je definována jako podíl kapacity kondenzátoru jehož dielektrikem je příslušná látka C a kapacity téhož kondenzátoru, jehož dielektrikem je vakuum (nebo vzduch, proto že permitivita vzduchu se liší od jedné nepatrně) C°.

ε=

C C0

(20).

Místo proudu tekoucího nádobkou, jehož velikost je závislá na vodivosti roztoku, měří se její kapacita závisející na permitivitě roztoku. Nádobka kapacitního typu (Obr.12 B) je zapojena v oscilačním obvodu vysokofrekvenčního oscilátoru místo kondenzátoru, na jehož kapacitě závisí frekvence oscilátoru, analyzovaný roztok je dielektrikem. Kapacitu nádobky lze určit (Obr.13) například porovnáním frekvence oscilátoru, v jehož obvodu je zapojena nádobka o kapacitě C(x) s frekvencí referenčního oscilátoru v jehož oscilačním obvodu je kondenzátor o proměnné, ale známé kapacitě C(ref.). Jakmile dosáhneme změnou proměnného kondenzátoru rovnosti frekvence obou oscilátorů, ∆f = 0, je kapacita nádobky rovna kapacitě kondenzátoru C(x) = C(ref.). K přepočtu změřené kapacity na permitivitu je nutno přístroj zkalibrovat tak, že se zjistí kapacity nádobky naplněné postupně kapalinami o známé permitivitě a závislost kapacity na permitivitě se vynese do kalibračního grafu. Ten bývá lineární v celém rozmezí hodnot ε, protože kapacita je přímo úměrná permitivitě. Permitivita souvisí se strukturou molekul.

Tab.2. Některé vlastnosti dielektrik

Materiál Vakuum Vzduch transformátorový olej Porcelán Křemík Etalon Voda (20°C) Voda (25°C) Titanová keramika Titaničitan strontnatý

- 29 -

ε 1 1,00054 4,5 6,5 12 25 80,4 78,5 130 310

C(x)

Měrný oscilátor f(x) ∆f

C(ref)

Referenční oscilátor

Měřidlo frekvence

f(ref)

Obr.13. Princip měřícího obvodu pro zjišťování kapacity nádobky

Tab.3. Některé roztoky pro kalibraci.

Čisté kapaliny Látka

ε

Směs dioxin-voda Objem % vody

ε

Benzen

2,3

0(čistý dioxin)

2,2

Chloroform

4,8

20

11,5

Pyridin

13,6

40

27,0

Aceton

21,4

60

44,4

Methanol

33,8

80

61,8

Nitrobenzen

35,7

100(čistá voda)

80,3

- 30 -

9.

Přímá konduktometrie

podle [4]

Ze změřených vodivostí nelze stanovit příspěvek jednotlivých složek roztoku. Chceme-li z hodnot vodivosti stanovit koncentrace určité látky (přítomné v roztoku), musíme směsi nejprve vhodnou metodou separovat. Stanovením látek ze změřených vodivostí se používají metody přímé konduktometrie. Z rovnice (14) Příspěvek jednotlivých iontů k celkové měrné vodivosti roztoku, kde ci [mol·cm¯ ³], λi [S·cm²·mol¯ ¹] a zi jsou koncentrace, iontová vodivost a náboj jednotlivých iontů přítomných v roztoku mezi elektrodami. Je-li v roztoku jediný elektrolyt o koncentraci c, pak podíl měrné vodivosti tohoto roztoku a koncentrace je molární vodivost κ Λ (S·cm²·mol¯ ¹), Λ = , plyne vztah mezi koncentrací a měrnou vodivostí roztoku. c Po úpravě: c = k iκ kde k- je empiricky zjištěná konstanta. Z něj by bylo možné koncentraci ze změřené měrné vodivosti vypočítat. V praxi se stanovují látky na základě kalibrace. Kalibrační závislost vodivosti na koncentraci bývá lineární pouze ve zředěných roztocích, v koncentrovaných má kombinovaný průběh viz Obr.2 v některých případech prochází kalibrační závislost maximem, takže jedna hodnota může být přiřazena dvěma koncentracím. Vodivost je po znovu naředění vodou na jinou koncentraci potřeba změřit znova a podle vzrůstu nebo poklesu usoudit, zda má být obsah látky odečten ze vzestupné či sestupné části kalibrační křivky. Při laboratorních měřeních jsou používány většinou konduktometry se dvěma nebo čtyřma elektrodami ponořenými do roztoku (kontaktní konduktivita).

Použití přímé konduktometrie -

K indikaci čistoty destilované vody. K stanovení obsahu iontů v roztocích (kvalita vody, medu). K určování minerálních látek v roztocích neelektrolytů (cukrovarnictví). K detekci v separačních metodách (iontová chromatografie, elektromigrační metody). K stanovení obsahu solí, kyselin či louhů. V laboratořích ke stanovení řady fyzikálně-chemických konstant (disociační konstanta, produkt rozpustnosti).

- 31 -

10.

Metody měření obsahu vody v medu Med je možno měřit vícero metodami, některé příklady uvádím v této kapitole.

Vážením Tato metoda spočívá v tom že 1 litr medu převážíme a odečteme hodnoty z tabulek,viz Tab.4.

10.1

Hmotnost 1,45 (kg) 1,44 1,43 1,42 1,41 1,4 1,39 1,38 1,37 1,36 13

14

15

16

17

18

19

20

21

Objem vody(%)

Obr.14. Graf závislosti hmotnosti litru medu na obsahu vody.

Tab.4. Hmotnost litru medu v závislosti na obsahu vody.

10.2

Objem vody

Hmotnost 1 litru medu

13% 14% 15% 16% 17% 18% 19% 20% 21%

1,4457 kg 1,4404 kg 1,4350 kg 1,4295 kg 1,4237 kg 1,4171 kg 1,4101 kg 1,4027 kg 1,3950 kg

Měřením hustoty:

ρ=

m V

(kg m¯³)

Hustota je odvoditelná z vážení. Při správném provádění měření je tato metoda spolehlivá.

- 32 -

Refraktometr Refraktometr je optický přístroj měřící index lomu kapaliny na principu mezního úhlu odrazu světla.

10.2

Obr.15. Princip refraktometru pracujícího na principu měření mezního úhlu.

Mezi hustotou a indexem lomu n platí vztah:

kde r je specifická refrakce. Tato metoda se používá nejčastěji.

10.3

Další metody

Jsou i další metody rozlišení příslušnosti medu, jako například - viskozita, barevná škála, vlhkost,…atd.

- 33 -

11.

Experimentální ověření závislosti konduktivity na obsahu vody

Původně uvažovaná induktivní metoda se pro měření vodivosti medu ukázala jako nevhodná. Vzhledem k nízké vodivosti medu je vazba mezi dvěma toroidními cívkami velmi malá a indukované napětí v sekundární cívce je nízké. Měření byla provedena ohmickou metodou, jako měřicí cela byl použit skleněný zátav vývodů autožárovky. Scema zapojení je na obr. 19. Z důvodů polarizace je nutno měřit střídavým proudem. Vhodný je obdélníkový průběh, protože po odeznění přechodového děje není naměřená úroveň napětí ovlivněna kapacitou přívodů. Toto měření bylo provedeno 20.4.2007.

Seznam použitých přístrojů Digitální měřič vodivosti medu EC-.3:

Výrobní č. Měřící rozsah Přesnost

Digitální osciloskop Generátor

Tektronix TDS 2014 HC 9205

Teplota v místnosti Obdélníkový průběh U celkové

20 (°C) 2 (kHz) Uc = 25(V)

20021 (27.12.2003) S 0,0 – 19,9· 10 = 4 cm S +0,2· 10 = 4 cm

Průběh měření Mněli jsme k dispozici šest vzorků medu o různé vodivosti, tato byla zjištěna digitálním měřičem vodivosti medu EC- 3. Každý vzorek jsme rozředili na čtyři (A, B, C, D) různé koncentrace vody (%). Vzorky jsme zchladili v lednici, postupně jsme zahřáli v termostatu a zároveň měřili za různých teplot napětí U na našem snímači Po několikerém měření jsme ověřili pomocí refraktometru koncentraci vody, byla stejná i když se zvýšila teplota. Při zvyšování teploty mohou vzniknout nepřesnosti odparem vody. Snímali jsme pomocí snímače vyrobeného z autožárovky, která má piny zalité ve skle, čímž jsme potlačili parazitní jevy způsobené navlháním. Navlhání vzniklo při oplachování v destilované vodě, které se musí provádět po každém měření (osušení bylo provedeno ventilátorem). Dále jsme problém kapacity přívodů. Zkusili jsme stíněné přívody, čímž dosáhneme rozdělení kapacity na poloviny.Tento způsob vodičů byl nevyhovující. Proto jsme zachovali jednoduché přívody, které musí být od sebe dostatečně vzdálené tim jsme docílili toho, že parazitní kapacita byla malá a pro naše měření vyhovující. Abychom snížili vliv parazitních jevů nastavili jsme na osciloskopu obdélníkový signál, čímž vznikla lineární část na které je možno odečíst měřené hodnoty napětí U. Tyto hodnoty jsou zapsány v tabulkách(Tab.5 až 10). - 34 -

Tabulky naměřených hodnot Snímali jsme napětí na snímači U[V] u šesti vzorků, při různých teplotách [°C] a koncentracích vody [%].Výsledky zapsány v tabulkách:

A B C D

Vzorek 1 Tab.5. Naměřené napětí U[V], pro různé koncentrace vody [%] vzorku 1. Teplota °C Koncentrace Základní vodivost 19,0 22,0 24,5 29,0 Vody [%] [S/cm] U[V] U[V] U[V] U[V] −4 17,5 19,0 19,0 20,0 21,0 9,7· 10 19,0 --19,5 20,0 21,5 22,5 20,5 --22,0 22,0 23,0 23,0 24,0 --23,0 24,0 24,0 24,0

A B C D

Vzorek 2 Tab.6. Naměřené napětí U[V], pro různé koncentrace vody [%] vzorku 2. Teplota °C Koncentrace Základní vodivost 17,5 20,0 25,0 28,5 Vody [%] [S/cm] U[V] U[V] U[V] U[V] − 4 14,9 16,5 19,0 20,0 17,5 7,8· 10 19,0 --17,5 19,0 20,5 21,5 20,0 --19,0 20,5 22,0 23,0 21,5 --22,0 24,0 23,0 23,5

A B C D


A B C D


- 35 -

A B C D

Vzorek 5 Tab.9. Naměřené napětí U[V], pro různé koncentrace vody [%] vzorku 5. Teplota °C Koncentrace Základní vodivost 15,0 18,5 22,0 26,0 Vody [%] [S/cm] U[V] U[V] U[V] U[V] −4 19,5 5,0 8,0 8,8 12,2 1,0· 10 21,0 --10,3 13,5 13,8 15,2 23,0 --12,0 15,0 16,0 18,5 25,0 --17,0 18,0 20,0 21,0

A B C D


Na lineární části lze vzorkovat Obr.18. Zapojení snímače na obrazovce osciloskopu jsou vidět počáteční parazitní jevy, proudová špička (nabíjení kondenzátoru parazitní kapacity).

- 36 -

Generátor

Ucelk. = 25 V Osciloskop K1 Snímač

I Osciloskop K2 R = 1MΩ

Zem gen. Osciloskop Generátor

Frekvence 2kHz (20 ms)

Obr.19. Zapojení snímače.

Kalibrace sondy Kalibrace ponořením snímače do roztoku chloridu draselného s hodnotou 0,001M KCl. Snímáme napětí U na sondě při různých odporech

0,001 M KCl R[KΩ] 30,0 18,0 7,5

[V] 19,0 16,5 12,5

Z rovnice (1) vodivost S= 1/7500 = 1,333· 10−4 (S). Při teplotě 23,5°C je vodivost 133,33µS, dle vodivosti tabulkově zjistíme konstantu (Tab.1), ta je pro náš rozsah K = 1 cm ¯ ¹

- 37 -

Výpočtové vztahy

Základem je Ohmův zákon. U I= R U c = ( Rs + R )i I (Rs –odpor systému, počítám) 1 G= R S H = K iG (konduktivita medu)

Známé hodnoty: Uc = 25 V R = 1000 k Ω

K = 1 cm ¯ ¹

Tabulky a grafy vypočtených hodnot Tabulky obsahují vypočítané hodnoty konduktivity medu S H .Pro každý vzorek je sestrojen graf ze kterého je vidět vliv teploty a koncentrace vody na průběh.

Vzorek 1

U [V] I [mA] Rs [k Ω] G [S] SH [S/cm] % vody

Tab.11. Vypočítané hodnoty pro vzorek 1 při teplotě 19°C. 19 19,5 22 23 0,019 0,0195 0,022 0,023 316 282 136 87 3,55· 10−3 7,35· 10−3 1,15· 10−2 3,16· 10−3 3,16· 10−3 3,55· 10−3 7,35· 10−3 1,15· 10−2 17,5 19,0 20,5 24,0


Tab.12. Vypočítané hodnoty pro vzorek 1 při teplotě 22°C. 19 20 22 24 0,019 0,020 0,022 0,024 316 250 136 42 3,16· 10−3 4· 10−3 7,35· 10−3 2.38· 10−2 3,16· 10−3 4· 10−3 7,35· 10−3 2.38· 10−2 17,5 19,0 20,5 24,0


Tab.13. Vypočítané hodnoty pro vzorek 1 při teplotě 24,5°C. 20 21,5 23 24 0,020 0,0215 0,023 0,024 250 163 87 42 4· 10−3 6,13· 10−3 1,15· 10−2 2.38· 10−2 4· 10−3 6,13· 10−3 1,15· 10−2 2.38· 10−2 17,5 19,0 20,5 24,0 - 38 -


Tab.14. Vypočítané hodnoty pro vzorek 1 při teplotě 29°C. 21 22,5 23 24 0,021 0,0225 0,023 0,024 190 111 87 42 5,26· 10−3 9· 10−3 1,15· 10−2 2.38· 10−2 5,26· 10−3 9· 10−3 1,15· 10−2 2.38· 10−2 17,5 19,0 20,5 24,0

[S/cm] 0,025

0,02

19°C

0,015

22°C 24,5°C 0,01

29°C

0,005

0 17,5

19

20,5

24

Koncentrace % vody

Obr.20. Průběh konduktivity ovlivněný teplotou a koncentrací vzorku 1

- 39 -

Vzorek 2


Tab.15. Vypočítané hodnoty pro vzorek 2 při teplotě 17,5°C. 14,9 17,5 19 22 0,0149 0,0175 0,019 0,022 678 429 316 136 −3 −3 −3 1,47· 10 2,33· 10 3,16· 10 7,35· 10−3 1,47· 10−3 2,33· 10−3 3,16· 10−3 7,35· 10−3 17,5 19,0 20,0 21,0


Tab.16. Vypočítané hodnoty pro vzorek 2 při teplotě 20°C. 16,5 19 20,5 24 0,0165 0,019 0,0205 0,024 515 316 220 42 1,94· 10−3 3,16· 10−3 4,5· 10−3 9· 10−3 1,94· 10−3 3,16· 10−3 4,5· 10−3 9· 10−3 17,5 19,0 20,0 21,0


Tab.17. Vypočítané hodnoty pro vzorek 2 při teplotě 25°C. 19 20,5 22 23 0,019 0,0205 0,022 0,023 316 220 136 87 3,16· 10−3 4,5· 10−3 7,35· 10−3 1,15· 10−2 3,16· 10−3 4,5· 10−3 7,35· 10−3 1,15· 10−2 17,5 19,0 20,0 21,0


Tab.18. Vypočítané hodnoty pro vzorek 2 při teplotě 28,5°C. 20 21,5 23 23,5 0,020 0,0215 0,023 0,0235 250 163 87 64 4· 10−3 6,13· 10−3 1,15· 10−2 1,56· 10−2 4· 10−3 6,13· 10−3 1,15· 10−2 1,56· 10−2 17,5 19,0 20,0 21,0

- 40 -

[S/cm] 0,018 0,016 0,014 0,012 17,5°C 0,01

20°C 25°C

0,008

28,5°C 0,006 0,004 0,002 0 17,5

19

20

21

Koncentrace % vody

Obr.21 Průběh konduktivity ovlivněný teplotou a koncentrací vzorku 2.

Vzorek 3


Tab.19. Vypočítané hodnoty pro vzorek 3 při teplotě 16°C. 12 16,5 18 21 0,012 0,0165 0,018 0,021 1083 515 389 190 −4 −3 −3 9,23· 10 1,94· 10 2,57· 10 5,26· 10−3 9,23· 10−4 1,94· 10−3 2,57· 10−3 5,26· 10−3 17,0 19,0 21,0 23,0


Tab.20. Vypočítané hodnoty pro vzorek 3 při teplotě 19°C. 13,5 17 19,5 21,5 0,0135 0,017 0,0195 0,0215 852 470 282 163 1,17· 10−3 2,13· 10−3 3,55· 10−3 6,13· 10−3 1,17· 10−3 2,13· 10−3 3,55· 10−3 6,13· 10−3 17,0 19,0 21,0 23,0

- 41 -


Tab.21. Vypočítané hodnoty pro vzorek 3 při teplotě 21°C. 14 17,5 20 22 0,014 0,0175 0,020 0,022 786 429 250 136 1,27· 10−3 2,33· 10−3 4· 10−3 7,35· 10−3 1,27· 10−3 2,33· 10−3 4· 10−3 7,35· 10−3 17,0 19,0 21,0 23,0


Tab.22. Vypočítané hodnoty pro vzorek 3 při teplotě 29°C. 17 20 22 23 0,017 0,020 0,022 0,023 470 250 136 87 −3 −3 −3 2,13· 10 4· 10 7,35· 10 1,15· 10−2 2,13· 10−3 4· 10−3 7,35· 10−3 1,15· 10−2 17,0 19,0 21,0 23,0

[S/cm]

1,40E-02 1,20E-02 1,00E-02 16°C 19°C 21°C 29°C

8,00E-03 6,00E-03 4,00E-03 2,00E-03 0,00E+00 17

19

21

23

Koncentrace % vody


- 42 -

Vzorek 4


Tab.23. Vypočítané hodnoty pro vzorek 4 při teplotě 13,5°C. 4,8 9,5 13 15,2 0,0048 0,0095 0,013 0,0152 4208 1632 923 645 −4 −4 −3 2,38· 10 6,13· 10 1,08· 10 1,55· 10−3 2,38· 10−4 6,13· 10−4 1,08· 10−3 1,55· 10−3 19,5 20,5 22,0 24,0


Tab.24. Vypočítané hodnoty pro vzorek 4 při teplotě 18°C. 7,9 12 15 17,5 0,0079 0,012 0,015 0,0175 2165 1083 667 429 4,62· 10−4 9,23· 10−4 1.5· 10−3 2,33· 10−3 4,62· 10−4 9,23· 10−4 1,5· 10−3 2,33· 10−3 19,5 20,5 22,0 24,0


Tab.25. Vypočítané hodnoty pro vzorek 4 při teplotě 20°C. 8,8 13,3 15,8 19 0,0088 0,0133 0,0158 0,019 1841 880 582 316 5,43· 10−4 1,14· 10−3 1,72· 10−3 3,16· 10−3 5,43· 10−4 1,14· 10−3 1,72· 10−3 3,16· 10−3 19,5 20,5 22,0 24,0


Tab.26. Vypočítané hodnoty pro vzorek 4 při teplotě 27,5°C. 12 15,8 18 20 0,012 0,0158 0,018 0,020 1083 582 389 250 9,23· 10−4 1,72· 10−3 2,57· 10−3 4· 10−3 9,23· 10−4 1,72· 10−3 2,57· 10−3 4· 10−3 19,5 20,5 22,0 24,0

- 43 -

[S/cm]

0,0045 0,004 0,0035 0,003 0,0025

13,5°C 18°C

0,002

20°C 27,5°C

0,0015 0,001 0,0005 0 19,5

20,5

22

24

Koncentrace % vody


Vzorek 5


Tab.27. Vypočítané hodnoty pro vzorek 5 při teplotě 15°C. 5 10,3 12 17 0,005 0,0103 0,012 0,017 4000 1427 1083 471 −4 −4 −4 2,5· 10 7· 10 9,23· 10 2,12· 10−3 2,5· 10−4 7· 10−4 9,23· 10−4 2,12· 10−3 19,5 20,5 22,0 24,0


Tab.28. Vypočítané hodnoty pro vzorek 5 při teplotě 18,5°C. 8 13,5 15 18 0,008 0,0135 0,015 0,018 2125 852 667 389 −4 −3 −3 4,7· 10 1,17· 10 1,5· 10 2,57· 10−3 4,7· 10−4 1,17· 10−3 1,5· 10−3 2,57· 10−3 19,5 20,5 22,0 24,0

- 44 -


Tab.29. Vypočítané hodnoty pro vzorek 5 při teplotě 22°C. 8,8 13,8 16 20 0,0088 0,0138 0,016 0,020 1841 812 563 250 5,43· 10−4 1,23· 10−3 1,78· 10−3 4· 10−3 5,43· 10−4 1,23· 10−3 1,78· 10−3 4· 10−3 19,5 20,5 22,0 24,0


Tab.30. Vypočítané hodnoty pro vzorek 5 při teplotě 26°C. 12,2 15,2 18,5 21 0,0122 0,0152 0,0185 0,021 1049 645 351 190 −4 −3 −3 9,53· 10 1,55· 10 2,85· 10 5,26· 10−3 9,53· 10−4 1,55· 10−3 2,85· 10−3 5,26· 10−3 19,5 20,5 22,0 24,0

[S/cm] 0,006

0,005

0,004 15°C 18,5°C 22°C 26°C

0,003

0,002

0,001

0 19,5

20,5

22

24

Koncentrace % vody


- 45 -

Vzorek 6


Tab.31. Vypočítané hodnoty pro vzorek 6 při teplotě 14°C. 6 11,5 14,8 16 0,006 0,0115 0,0148 0,016 3117 1174 689 563 −4 −4 −3 3,21· 10 8,52· 10 1,45· 10 1,78· 10−3 3,21· 10−4 8,52· 10−4 1,45· 10−3 1,78· 10−3 18,0 19,5 21,0 23,0


Tab.32. Vypočítané hodnoty pro vzorek 6 při teplotě 18,5°C. 12 14,8 18 20 0,012 0,0148 0,018 0,020 1083 689 389 250 9,23· 10−4 1,45· 10−3 2,57· 10−3 4· 10−3 9,23· 10−4 1,45· 10−3 2,57· 10−3 4· 10−3 18,0 19,5 21,0 23,0


Tab.33. Vypočítané hodnoty pro vzorek 6 při teplotě 21,5°C. 13 16,5 19 21 0,013 0,0165 0,019 0,021 923 515 316 190 1,08· 10−3 1,94· 10−3 3,16· 10−3 5,26· 10−3 1,08· 10−3 1,94· 10−3 3,16· 10−3 5,26· 10−3 18,0 19,5 21,0 23,0


Tab.34. Vypočítané hodnoty pro vzorek 6 při teplotě 26°C. 15,6 18 20 22 0,0156 0,018 0,020 0,022 603 389 250 136 1,66· 10−3 2,57· 10−3 4· 10−3 7,35· 10−3 1,66· 10−3 2,57· 10−3 4· 10−3 7,35· 10−3 18,0 19,5 21,0 23,0

- 46 -

[S/cm] 0,008 0,007 0,006 0,005

14°C 18,5°C 21,5°C 26°C

0,004 0,003 0,002 0,001 0 18

19,5

21

23

Koncentrace % vody


Na Obr. 26 a 27. zjišťujeme vztah mezi základní vodivosti (vodivost která byla zjištěna) vzorků a vodivostí naměřenou naší sondou. a to za stejných podmínek (teplota, koncentrace, vodivost medu). Z průběhů je vidět. že je možné zjistit souvislosti i když je průběh nelineární.

- 47 -

[S/cm]

0,0045 0,004 0,0035 0,003 Zákl.vod.

0,0025

20°C 22°C

0,002 0,0015 0,001 0,0005 0 19

19

19

19,5

19,5

19,5

Koncentrace % vody

Obr.26. Průběh základní vodivosti vzorku a vodivostí naměřenou. [S/cm]

0,0045 0,004 0,0035 0,003 Zákl.vod. 20°C

0,0025 0,002

22°C

0,0015 0,001 0,0005 0 19

19

19

19,5

Obr.27. Naměřené hodnoty zprůměrované.

- 48 -

19,5

19,5

Koncentrace % vody

Tab.35. Poměr mezi základní vodivostí a naměřenou, hodnoty odečteny z Obr.27. Koncentrace % vody je přibližně stejná.

Základní vodivost- A Naměřená při 20°C- B Naměřená Při 22°C- C B A C A

9,70· 10−4

7,80· 10−4

5,20· 10−4

1,40· 10−4

1,00· 10−4

3,20· 10−4

3,69· 10−3

3,16· 10−3

2,22· 10−3

5,43· 10−4

5,01· 10−4

1,69· 10−3

4,00· 10−3

3,72· 10−3

2,44· 10−3

5,97· 10−4

5,43· 10−4

1,94· 10−3

3,80

4,05

4,27

3,98

5,01

5,26

4,12

4,77

4,69

4,26

5,43

6,06

Vydělením naměřené ku základní vodivost získáme poměr kolikrát je naměřená hodnota větší. Ideální by bylo kdy byly poměry stejné. Z vypočtených poměrů mezi naměřenými vodivostmi a základními je vidět nelinearitu.

- 49 -

12

ZÁVĚR

Předmětem této práce bylo zjistit zda je možné měřit konduktivitu medu přímou metodou, bez nutnosti ředění, což je zdlouhavé a spíše laboratorní měření.Vybrali jsme dva způsoby měření vodivosti a to induktivní, původně uvažovaná induktivní metoda se pro měření vodivosti medu ukázala jako nevhodná. Vzhledem k nízké vodivosti medu je vazba mezi dvěma toroidními cívkami velmi malá a indukované napětí v sekundární cívce je nízké. Odporová metoda je použitelná, z výsledků experimentálního měření bude možné odečítat odezvy na osciloskopu. Z naměřených hodnot. a grafů je možné pozorovat vliv teploty a obsahu vody v medu. Což znamená nutnost korekce na teplotu a obsah vody. Z grafů průběhu měřené vodivosti jsme určili u každého vzorku aproximační bod. Ten jsme vybrali pro stejnou koncentraci (19%) a teplotu (20 a 22 °C). Porovnali jsme naměřené (vypočtené) hodnoty vodivosti se základní vodivostí. Výsledky ukazují nelineární vztah. Touto prací jsme dokázali, že je možné měření konduktivity přímo (ponořením snímače do medu), bez nutnosti ředění medu, a to odporovou metodou. Digitální měřič: Jsou potřeba tři parametry - vodivost, teplota, vlhkost . Měření teploty zajistíme, vlhkost buď zadáme na klávesnici (po přečtení z refraktometru), nebo je možné použít (sestrojit) digitální refraktometr. Z obdélníkového průběhu lze v lineární části načíst více vzorků a z nich vypočítat průměr. Korekce se musí dopočítat.

- 50 -

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

[1] [2] [3] [4]

[5]

[6]

[7]

Ďaďo,S.,Kreidl,M.: Senzory a měřící obvody, ČVUT, Praha 1999. Zehnula, K.: Převodníky fyzikálních veličin, FE VUT Brno 1990. DIN Norm 10753 Bestimmung der elektrischen Leitfaehigkeit Honig (1991) Konduktometrie a dk metrie prof.RNDr.František Opekar CSc.: Učební texty na Př.f.UK [cit.4.3.2007] dostupné z [http://www.eurochem.cz/polavolt/obecne/elchem-metody/konduktometrie/ opekar/konduktometrie.htm] Měřící technika pro chemické inženýry. Autor: doc.Ing. Karel Kadlec CSc Vydáno 21.2.2006 Analizátory kapalin. [cit.4.3.2007] dostupné z [http://web.vscht.cz/kadleck/aktual/mt_chi/prednasky/MT-CHI_06_Kapal2.pdf] Stanovení elektrické vodivosti medu Autor: Emanuel Veselý ([email protected]), Téma: Med. Zdroj: Harmonised Methods of the International Honey Commission, st Vydáno dne 12. 02. 2004 [cit.4.3.2007] dostupné z [http://vcelarskenoviny.cz/rservice.php?akce=tisk&cisloclanku=2004020301] Elektrická vodivost Autor:doc.Ing. Karel Kadlec CSc [cit.5.3.2007] dostupné z [http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F4/F4k46-sloz.htm]

- 51 -

PŘÍLOHY

Součástí bakalářské práce je CD obsahující: Bakalářská práce ve formátu Adobe Acrobat [PDF] • Bakalářská práce ve formátu MS Word [DOC] •

- 52 -

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Recommend Documents