Konduktivitetssensor for laboratorier

En konduktivitetssensor for laboratoriebruk er et verktøy for å måle den elektriske konduktiviteten til en elektrolyttløsning og er basert på materialets evne til å lede en elektrisk strøm. Den brukes til å måle konduktivitet i laboratorie- og feltanvendelser.

Elektrolyttene løser seg opp for å gi ioner som leder elektrisitet. Jo høyere konsentrasjon av ioner, jo høyere konduktivitet. Målecellen til konduktivitetssensoren består av minst to elektrisk ledende poler med motsatt ladning for å måle konduktansen til en prøve.

Konduktivitet er basert på Ohms lov, hvori spenningen (V) satt opp over en løsning er proporsjonal med strømmen (I) og motstanden (R) er en proporsjonal konstant R kan beregnes med den målte strømmen, hvis en kjent spenning påføres. Konduktans (G) er definert som den inverse av motstand, og for å måle konduktansen til en prøve kreves en målecelle. Konduktansavlesningen avhenger av målecellens geometri, som beskrives med cellekonstanten (K). Dette er forholdet mellom avstanden (l) og arealet (A) av polene. Konduktansen kan omdannes til standard konduktivitet ved å multiplisere konduktansen og cellekonstanten.

De fleste kundene måler konduktivitet i et nokså smalt område, f.eks. alltid i den samme drikkevaren eller i avionisert vann. Med en 1-punkts kalibrering, kalibreres området mellom 0 µS/cm og dette kalibreringspunktet. Det anbefales å velge en standard med høyere konduktivitet enn forventet verdi i prøven, for eksempel 1413 µS/cm, når det forventes 1200 µS/cm. I dette eksempelet vil ikke utføring av et andre kalibreringspunkt føre til betydelig endring i avlesningen, ettersom begge de nærliggende standardene, 500 µS/cm og 12,88 mS/cm, er nokså langt unna. I henhold til metode 2510B i standardmetoder for undersøkelse av vann og spillvann og ASTM D1125, er en ettpunktskalibrering av cellekonstanten ved en representativ konduktivitet tilstrekkelig for nøyaktige konduktivitetsavlesninger.

Konduktivitetskalibrering med flere punkter er bare nyttig når den samme sensoren brukes over et stort område, for eksempel fra 50–5000 µS/cm. I dette tilfellet er et sett med standarder på 84 µS/cm, 1413 µS/cm og 12,88 mS/cm nyttig.

Klassiske 2-polede konduktivitetsceller består av to plater. Normalt er platene omgitt av et ytre rør som beskytter dem mot mekanisk skade og reduserer feil forårsaket av feltvirkninger. Den 2-polede konduktivitetscellens styrke er måling av lav konduktivitet med høy nøyaktighet. Et typisk måleområde går fra 0,001 μS/cm til 1000 μS/cm. De viktigste bruksområdene til en 2-polet celle er konduktivitetsmåling av rent vann, høyt fortynnede vannholdige løsninger og ikke-vannholdige løsninger.

En 4-polet cellekonstruksjon består av en ytre stang og en indre pol. De ytre polene er de aktuelle polene som påføres vekselstrøm. De drives på samme måte som den 2-polede sensoren. De indre målestengene plasseres innenfor strømstengenes elektrisk felt og måler spenningen ved hjelp av en høyimpedansforsterker. Dermed blir det svært lite strømgjennomstrømning i de indre polene der målingen blir gjort. Dermed oppstår ingen polariseringseffekter som påvirker målingen. Den 4-polet konduktivitetscellens styrke er måling av konduktivitet over et bredt måleområde, fra 10 μS/cm opp til 1000 µS/cm. Denne sensortypens viktigste bruksområde er målinger i sjøvann, avløpsvann eller fortynnede syrer eller baser.

Valg av riktig konduktivitetssensor for laboratoriebruk er avgjørende for å oppnå nøyaktige og pålitelige resultater. Den riktige sensoren er den som passer best til applikasjonens behov.

a. Et grunnleggende krav er at det ikke oppstår kjemiske reaksjoner mellom prøven og sensoren. For kjemisk reaktive prøver er glass og platina ofte de beste valgene fordi de har den beste kjemiske motstanden av alle vanlige cellematerialer. For feltapplikasjoner og mange laboratorieapplikasjoner er sensorens mekaniske stabilitet en mer kritisk faktor. En konduktivitetssensor med et epoksyhus og grafittelektroder brukes ofte, da den har vist seg å være svært holdbar og har god kjemisk motstand. For lavreaktive vannløsninger og organiske løsemidler er bruk av celler laget av stål eller titan ofte et godt alternativ. Valget blir spesielt viktig for ikke-vannholdige, lavkonduktive, proteinrike og viskøse prøver der rutinemessige pH-sensorer er mulige feilkilder.

b. En egnet cellekonstant korrelerer med prøvens konduktivitet. Jo lavere prøvens forventede konduktivitet er, desto mindre bør sensorens cellekonstant være. For å ta en beslutning mellom en 2-polet celle og en 4-polet celle, kan følgende grove og klare regel brukes: For måling av lav konduktivitet bør det brukes en 2-polet celle. For målinger med middels til høy konduktivitet foretrekkes en 4-polet celle, spesielt for målinger over et bredt konduktivitetsområde.
 

Det er flere måter å kompensere for temperaturen på.

Temperatur har betydelig innvirkning på konduktivitet i vandige løsninger (~2 %/°C). Derfor er det vanlig å knytte hver måling til en referansetemperatur. 20 °C eller 25 °C er referansetemperaturene som ofte brukes innen konduktivitetsmålinger.

For å passe til ulike typer brukere har forskjellige metoder for temperaturkorrigering blitt utviklet:

• Lineær: for løsninger med middels og høy konduktivitet
• Ikke-lineær: naturlig vann som grunnvann, overflatevann, drikkevann og spillvann
• Rent vann: ultrarent vann, avionisert vann, destillert vann
• Ingen: noen standarder, som USP <645> hindrer all temperaturkompensasjon

Temperaturpåvirkningen på forskjellige ioner, og til og med varierende konsentrasjoner av samme ion, kan være en utfordring. Derfor må en kompensasjonsfaktor, kalt temperaturkoeffisient (α), fastslås for hver type prøve. (Dette er også tilfellet for kalibreringsstandardene. Alle målere fra METTLER TOLEDO kan automatisk ta hensyn til denne kompensasjonen ved hjelp av forhåndsinnstilte temperaturtabeller.)

Alle brukerhåndbøker inneholder nødvendig informasjon om langvarig og kortvarig oppbevaring av de respektive sensorene. Generelt bør konduktivitetssonder for laboratoriebruk lagres tørt for langtidslagring.

Konduktivitetselektroder for laboratoriebruk har ingen utløpsdato. Når sensoren brukes innenfor de angitte temperaturgrensene og hverken kraftig mekanisk kraft eller sterke kjemikalier virker på sensoren eller sensorkabelen, kan den teoretisk sett brukes for alltid. Det kan likevel inntreffe forskyvninger av cellekonstanten på grunn av avsetninger av fettstoffer og utfelling. I de fleste tilfeller kan sensoren gjenopprettes ved å skylle den med etanol, isopropanol eller aceton.

Sensorer med lavt konduktivitetsområde som InLab 741, InLab 742 og InLab Trace leveres med en målt cellekonstant på sertifikatet. Disse er sertifiserte cellekonstanter og fastslås etter produksjonsprosessen direkte på fabrikken med sporbarhet i henhold til ASTM og NIST. Med en maksimal usikkerhet på ± 2 % er de nøyaktige nok og kan brukes til konduktivitetsmåling ved direkte inntasting av cellekonstantverdien i måleren, uten behov for kalibrering. Den sertifiserte cellekonstanten er angitt på kvalitetssertifikatet, trykt på sensorkabelen og lagret på ISM-sensorbrikken.

Ettersom disse sensorene er spesialutformet for bruk i medier med lav konduktivitet, f.eks. rent vann, ultrarent vann, destillert vann og avionisert vann, er det svært lite sannsynlig at de påvirkes av kontaminasjon, og cellekonstanten kan således regnes som stabil. Dermed kan cellekonstanten betraktes som stabil. Jevnlig verifisering av presisjonen ved bruk av en konduktivitetsstandard (f.eks. 10 µS/cm) er imidlertid svært viktig.

Alle andre konduktivitetssensorer fra METTLER TOLEDO har nominelle cellekonstanter oppgitt på sertifikatene. Disse sensorene må kalibreres før bruk med relevante standardløsninger for kalibrering.

Hvis den nøyaktige cellekonstanten er ukjent, må kalibrering utføres. Når den nøyaktige cellekonstanten er kjent, er verifisering tilstrekkelig. Dette er tilfellet med sensorer med en sertifisert cellekonstant eller sensorer som tidligere er kalibrert.

Ja, det er mulig. Organiske stoffer har også dissosiative egenskaper. Organiske forbindelser som benzen, alkoholer og petroleumsprodukter har generelt svært lav konduktivitet.

Sensoren skal etter hver måling skylles med avionisert vann. Hvis sensoren har blitt utsatt for en prøve som ikke kan blandes med vann, bør den rengjøres med et løsemiddel som kan blandes med vann, for eksempel etanol eller aceton, og deretter skylles forsiktig med avionisert vann. Hvis det er en opphopning av faste stoffer inne i målecellen, fjern dem forsiktig med en bomullspinne dyppet i vaskemiddeloppløsning, og skyll deretter sensoren med avionisert vann.

(Forsiktig: sensorer med platinerte poler bør aldri rengjøres mekanisk, da dette kan skade sensorene).