ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ КОНТАКТНОГО ТА БЕЗКОНТАКТНОГО МЕТОДІВ ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ ВОДНИХ РОЗЧИНІВ

В.О. Каберник; С.В. Ольшевський

doi:10.17721/2519-481X/2026/90-02

Автор(и)

В.О. Каберник Київський національний університет імені Тараса Шевченка Автор
С.В. Ольшевський Київський національний університет імені Тараса Шевченка Автор

DOI:

https://doi.org/10.17721/2519-481X/2026/90-02

Ключові слова:

електрохімічний імпеданс, електропровідність, безконтактний сенсор, електролітна комірка, опорний резистор, подільник напруги, дрейф, поляризація електродів, STM32G431, CD4051

Анотація

Метою дослідження є порівняльний аналіз контактного вимірювання електропровідності водних розчинів та імпедансного підходу, який розглядається як перший етап побудови безконтактного сенсора для визначення електропровідності. У роботі використано двоелектродний контактний датчик електропровідності з коефіцієнтом комірки K = 0.993 см⁻¹.

Для одного й того самого зразка води міського походження проаналізовано довготривалий дрейф прямого контактного каналу та досліджено вплив значення опорного резистора на точність визначення модуля імпедансу електролітної комірки у схемі подільника напруги змінного струму з керованим вибором опорного елемента. Комутація опорних резисторів номіналами від 1 кОм до 220 кОм здійснювалася аналоговим мультиплексором CD4051 під керуванням мікроконтролера STM32G431, а вхідна та вихідна напруги оцифровувалися вбудованим аналого-цифровим перетворювачем.

Експериментально встановлено, що прямий контактний канал для незмінного зразка води демонструє відносний дрейф електропровідності близько 12.03 %, зумовлений поляризаційними процесами на межі електрод–електроліт, формуванням подвійного електричного шару та повільною динамікою приелектродного шару. Показано, що навіть спрощений одночастотний імпедансний тракт суттєво зменшує вплив повільних дрейфових процесів порівняно з прямим контактним каналом, а найменша похибка визначення модуля імпедансу, яка становить 0.21 %, досягається за умови узгодження опорного резистора з модулем досліджуваного імпедансу, що повністю відповідає теоретичному мінімуму коефіцієнта похибки.

На основі отриманих результатів обґрунтовано доцільність подальшого переходу до безконтактного вимірювання електропровідності через аналіз повної форми спектра електрохімічного імпедансу в широкому частотному діапазоні, що дозволить одержувати не лише інтегральний показник провідності, а й додаткові інформативні параметри, пов’язані з концентрацією та рухливістю іонів у розчині.

Біографії авторів

автор В.О. Каберник, афіліація Київський національний університет імені Тараса Шевченка

ORCID: 0009-0004-6917-6431
автор С.В. Ольшевський, афіліація Київський національний університет імені Тараса Шевченка

ORCID: 0000-0003-4499-8485

Посилання

1. Kabernyk, V.O. and Olshevskyi, S.V. (2025), “Analiz dreifu ta variabelnosti vykhidnoho syhnalu kontaktnykh datchykiv elektroprovidnosti pry povtornykh vymiriuvanniakh zrazkiv miskoi vody” [Analysis of drift and variability of the output signal of contact conductivity sensors during repeated measurements of urban water samples], Proceedings of the Conference on Electronic Measurement and Instrumentation, Kyiv, Ukraine, pp. 45-49.

2. Olshevskyi, S.V., Bekh, I.I. and Kabernyk, V.O. (2024), “Vdoskonalennia system ekolohichnoho monitorynhu vodnykh resursiv shliakhom zastosuvannia bezkontaktnykh sensoriv elektrokhimichnoho impedansu” [Improvement of water resources ecological monitoring systems through the use of contactless electrochemical impedance sensors], Ekolohichni nauky, No. 2(53), pp. 39-49.

3. Wang, X., Zhao, H., Wang, A., Dong, Z., Fan, Y. and Zhai, Z. (2021), “A Portable Impedance Spectroscopy Measurement Method Through Adaptive Reference Resistance”, IEEE Access, Vol. 9, pp. 88011-88018. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3077308.

4. Tůma, A. and Kubáň, P. (2012), “Capacitively coupled contactless conductivity detection: Principles, limitations and recent trends”, Analytical Methods, Vol. 4, No. 1, pp. 25-33. DOI: 10.1039/C1AY05424A.

5. Kubáň, P. and Hauser, P.C. (2008), “A review of the recent achievements in capacitively coupled contactless conductivity detection”, Analytica Chimica Acta, Vol. 607, No. 1, pp. 15-29. DOI: 10.1016/j.aca.2007.11.045.

6. Kubáň, P. and Hauser, P.C. (2009), “Ten years of axial capacitively coupled contactless conductivity detection for CZE - a review”, Electrophoresis, Vol. 30, No. 1, pp. 176-188. DOI: 10.1002/elps.200800478.

7. Kubáň, P. and Hauser, P.C. (2011), “Capacitively coupled contactless conductivity detection for microseparation techniques - recent developments”, Electrophoresis, Vol. 32, No. 1, pp. 30-42. DOI: 10.1002/elps.201000354.

8. Kubáň, P. and Hauser, P.C. (2017), “Contactless conductivity detection for analytical techniques - developments from 2014 to 2016”, Electrophoresis, Vol. 38, No. 1, pp. 95-114. DOI: 10.1002/elps.201600280.

9. Kubáň, P. and Hauser, P.C. (2019), “Contactless conductivity detection for analytical techniques: Developments from 2016 to 2018”, Electrophoresis, Vol. 40, No. 1, pp. 124-139. DOI: 10.1002/elps.201800248.

10. Hauser, P.C. and Kubáň, P. (2020), “Capacitively coupled contactless conductivity detection for analytical techniques - Developments from 2018 to 2020”, Journal of Chromatography A, Vol. 1632, Article 461616. DOI: 10.1016/j.chroma.2020.461616.

11. Hauser, P.C. and Kubáň, P. (2025), “Contactless conductivity detection for capillary electrophoresis - developments from 2020 to 2024”, Electrophoresis. DOI: 10.1002/elps.202400217.

12. Zemann, A.J., Schnell, E., Volgger, D. and Bonn, G.K. (1998), “Contactless conductivity detection for capillary electrophoresis”, Analytical Chemistry, Vol. 70, No. 3, pp. 563-567. DOI: 10.1021/ac9707592.

13. Fracassi da Silva, J.A. and do Lago, C.L. (1998), “An oscillometric detector for capillary electrophoresis”, Analytical Chemistry, Vol. 70, No. 20, pp. 4339-4343. DOI: 10.1021/ac980185g.

14. Brito-Neto, J.G.A., Fracassi da Silva, J.A., Blanes, L. and do Lago, C.L. (2005), “Understanding capacitively coupled contactless conductivity detection in capillary and microchip electrophoresis. Part 1. Fundamentals”, Electroanalysis, Vol. 17, No. 13, pp. 1198-1206. DOI: 10.1002/elan.200503237.

15. Brito-Neto, J.G.A., Fracassi da Silva, J.A., Blanes, L. and do Lago, C.L. (2005), “Understanding capacitively coupled contactless conductivity detection in capillary and microchip electrophoresis. Part 2. Peak shape, stray capacitance, noise, and actual electronics”, Electroanalysis, Vol. 17, No. 13, pp. 1207-1214. DOI: 10.1002/elan.200503238.

16. Barsoukov, E. and Macdonald, J.R. (eds.) (2018), Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications, 3rd ed., Wiley, Hoboken, 560 p. DOI: 10.1002/9781119381860.

17. Orazem, M.E. and Tribollet, B. (2017), Electrochemical Impedance Spectroscopy, 2nd ed., Wiley, Hoboken, 768 p. DOI: 10.1002/9781119363682.

18. Lasia, A. (2014), Electrochemical Impedance Spectroscopy and its Applications, Springer, New York, 367 p. DOI: 10.1007/978-1-4614-8933-7.

19. Bard, A.J., Faulkner, L.R. and White, H.S. (2022), Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 3rd ed., Wiley, Hoboken, 1104 p. ISBN: 978-1-119-33406-4. Available at: https://books.wiley.com/titles/9781119334064/

20. Zoski, C.G. (ed.) (2007), Handbook of Electrochemistry, Elsevier, Amsterdam, 935 p. DOI: 10.1016/B978-0-444-51958-0.X5000-9.

21. Newman, J. and Thomas-Alyea, K.E. (2004), Electrochemical Systems, 3rd ed., Wiley-Interscience, Hoboken, 672 p. ISBN: 978-0-471-47756-3. Available at: https://books.google.com/books/about/Electrochemical_Systems.html?id=vArZu0HM-xYC

22. Randles, J.E.B. (1947), “Kinetics of rapid electrode reactions”, Discussions of the Faraday Society, Vol. 1, pp. 11-19. DOI: 10.1039/DF9470100011.

23. Brug, G.J., van den Eeden, A.L.G., Sluyters-Rehbach, M. and Sluyters, J.H. (1984), “The analysis of electrode impedances complicated by the presence of a constant phase element”, Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, Vol. 176, No. 1-2, pp. 275-295. DOI: 10.1016/S0022-0728(84)80324-1.

24. Hsu, C.H. and Mansfeld, F. (2001), “Technical note: Concerning the conversion of the constant phase element parameter Y0 into a capacitance”, Corrosion, Vol. 57, No. 9, pp. 747-748. DOI: 10.5006/1.3280607.

25. Boukamp, B.A. (1986), “A package for impedance/admittance data analysis”, Solid State Ionics, Vol. 18-19, Part 1, pp. 136-140. DOI: 10.1016/0167-2738(86)90100-1.

26. Ciucci, F. and Chen, C. (2015), “Analysis of electrochemical impedance spectroscopy data using the distribution of relaxation times: A Bayesian and hierarchical Bayesian approach”, Electrochimica Acta, Vol. 167, pp. 439-454. DOI: 10.1016/j.electacta.2015.03.123.

27. Effendy, S., Song, J. and Bazant, M.Z. (2020), “Analysis, design, and generalization of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) inversion algorithms”, Journal of The Electrochemical Society, Vol. 167, No. 10, Article 106508. DOI: 10.1149/1945-7111/ab9c82.

28. Hallemans, N., Howey, D., Battistel, A., Saniee, N.F., Scarpioni, F., Wouters, B., La Mantia, F., Hubin, A., Widanage, W.D. and Lataire, J. (2023), “Electrochemical impedance spectroscopy beyond linearity and stationarity - a critical review”, Electrochimica Acta, Vol. 466, Article 142939. DOI: 10.1016/j.electacta.2023.142939.

29. ASTM D1125-23 (2023), Standard Test Methods for Electrical Conductivity and Resistivity of Water, ASTM International, West Conshohocken, 8 p. DOI: 10.1520/D1125-23.

30. ISO 7888:1985 (1985), Water quality - Determination of electrical conductivity, International Organization for Standardization, Geneva, 6 p.

31. APHA, AWWA and WEF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, Method 2510B: Conductivity - Laboratory Method, Standard Methods Online. Available at: https://www.nemi.gov/methods/method_summary/5702/

32. U.S. Environmental Protection Agency (1982), Method 120.1: Conductance (Specific Conductance, μmhos at 25 °C), Approved for NPDES, Editorial Revision 1982. Available at: https://nepis.epa.gov/Exe/ZyPURL.cgi?Dockey=P101AVQP.txt

33. World Health Organization (2022), Guidelines for drinking-water quality: fourth edition incorporating the first and second addenda, World Health Organization, Geneva, 614 p. ISBN: 978-92-4-004506-4.

34. Storey, M.V., van der Gaag, B. and Burns, B.P. (2011), “Advances in on-line drinking water quality monitoring and early warning systems”, Water Research, Vol. 45, No. 2, pp. 741-747. DOI: 10.1016/j.watres.2010.08.049.

35. Banna, M.H., Imran, S., Francisque, A., Najjaran, H., Sadiq, R., Rodriguez, M. and Hoorfar, M. (2014), “Online drinking water quality monitoring: Review on available and emerging technologies”, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, Vol. 44, No. 12, pp. 1370-1421. DOI: 10.1080/10643389.2013.781936.

36. Lambrou, T.P., Anastasiou, C.C., Panayiotou, C.G. and Polycarpou, M.M. (2014), “A low-cost sensor network for real-time monitoring and contamination detection in drinking water distribution systems”, IEEE Sensors Journal, Vol. 14, No. 8, pp. 2765-2772. DOI: 10.1109/JSEN.2014.2316414.

37. Banna, M.H., Najjaran, H., Sadiq, R., Imran, S.A., Rodriguez, M. and Hoorfar, M. (2014), “Miniaturized water quality monitoring pH and conductivity sensors”, Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 193, pp. 434-441. DOI: 10.1016/j.snb.2013.12.002.

38. Zhou, B., Bian, C., Tong, J. and Xia, S. (2017), “Fabrication of a miniature multi-parameter sensor chip for water quality assessment”, Sensors, Vol. 17, No. 1, Article 157. DOI: 10.3390/s17010157.

39. Geetha, S. and Gouthami, S. (2017), “Internet of things enabled real time water quality monitoring system”, Smart Water, Vol. 2, Article 1. DOI: 10.1186/s40713-017-0005-y.

40. Pasika, S. and Gandla, S.T. (2020), “Smart water quality monitoring system with cost-effective using IoT”, Heliyon, Vol. 6, No. 7, Article e04096. DOI: 10.1016/j.heliyon.2020.e04096.

41. Droujko, J. and Molnar, P. (2022), “Open-source, low-cost, in-situ turbidity sensor for river network monitoring”, Scientific Reports, Vol. 12, Article 10341. DOI: 10.1038/s41598-022-14228-4.

42. Grossi, M. and Riccò, B. (2017), “Electrical impedance spectroscopy (EIS) for biological analysis and food characterization: a review”, Journal of Sensors and Sensor Systems, Vol. 6, pp. 303-325. DOI: 10.5194/jsss-6-303-2017.

43. Lisdat, F. and Schäfer, D. (2008), “The use of electrochemical impedance spectroscopy for biosensing”, Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, No. 5, pp. 1555-1567. DOI: 10.1007/s00216-008-1970-7.

44. Daniels, J.S. and Pourmand, N. (2007), “Label-free impedance biosensors: Opportunities and challenges”, Electroanalysis, Vol. 19, No. 12, pp. 1239-1257. DOI: 10.1002/elan.200603855.

45. Yang, L. and Bashir, R. (2008), “Electrical/electrochemical impedance for rapid detection of foodborne pathogenic bacteria”, Biotechnology Advances, Vol. 26, No. 2, pp. 135-150. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2007.10.003.

46. Patil, R.S., Juvekar, V.A. and Nalage, U. (2017), “An electrochemical technique for measurements of electrical conductivity of aqueous electrolytes”, arXiv preprint, arXiv:1712.07382.

47. STMicroelectronics, STM32G431C6 product page: Mainstream Arm Cortex-M4 MCU 170 MHz with 32 Kbytes Flash memory and medium analog integration, STMicroelectronics, Geneva. Available at: https://www.st.com/en/microcontrollers-microprocessors/stm32g431c6.html

48. Texas Instruments (2026), CD405xB CMOS Single 8-Channel Analog Multiplexer or Demultiplexer With Logic-Level Conversion: Datasheet SCHS047O Rev. O, Texas Instruments, Dallas, 48 p.

49. Kester, W. (ed.) (2005), The Data Conversion Handbook, Newnes, Burlington, 953 p. DOI: 10.1016/B978-0-7506-7841-4.X5000-3.

50. Kester, W. (2008), ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics, Tutorial MT-022, Analog Devices, Norwood, 12 p.