Cảm biến Độ dẫn điện trong Phòng thí nghiệm

Cảm biến độ dẫn điện trong phòng thí nghiệm là công cụ đo độ dẫn điện của dung dịch điện ly và được dựa trên khả năng tạo ra dòng điện của vật liệu. Công cụ này được dùng để đo độ dẫn điện cho các ứng dụng trong phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường.

Chất điện ly hoà tan để tạo ra các ion dẫn điện. Mật độ ion càng cao thì khả năng dẫn điện càng lớn. Cảm biến đo của cảm biến độ dẫn điện có ít nhất hai cực dẫn điện với điện tích trái dấu để đo độ dẫn điện của mẫu.

Độ dẫn điện dựa trên định luật Ohm, trong đó điện áp (V) được đặt vào một dung dịch tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua (I) và điện trở (R) là một hằng số tỷ lệ thuận. Bạn có thể tính toán R bằng dòng điện chạy qua đo được, nếu áp dụng điện áp đã biết. Độ dẫn điện (G) là đại lượng nghịch đảo của điện trở. Để đo độ dẫn điện của một mẫu, cần có cảm biến đo. Kết quả độ dẫn điện phụ thuộc vào hình dạng cảm biến đo, được mô tả bằng hằng số cell (K). Đây là tỷ lệ giữa khoảng cách (l) và diện tích (A) của các cực. Có thể chuyển độ dẫn điện thành độ dẫn điện tiêu chuẩn bằng cách nhân độ dẫn điện với hằng số cell.

Hầu hết khách hàng đều đo độ dẫn điện trong một phạm vi khá hẹp, chẳng hạn như luôn là cùng một loại nước giải khát hoặc nước đã khử ion. Với hiệu chuẩn 1 điểm, phạm vi giữa 0 µS/cm và điểm hiệu chuẩn này được hiệu chuẩn. Bạn nên chọn chất chuẩn độ có độ dẫn điện cao hơn giá trị dự kiến trong mẫu, ví dụ: 1413 µS/cm khi dự kiến 1200 µS/cm. Việc thực hiện điểm hiệu chuẩn thứ hai trong ví dụ này sẽ không làm thay đổi đáng kể chỉ số vì các chất chuẩn liền kề 500 µS/cm và 12,88 mS/cm đều ở khá xa. Theo Phương pháp 2510B trong các Phương pháp Chuẩn để Kiểm tra Nước, Nước thải và ASTM D1125, việc hiệu chuẩn một điểm của hằng số cell tại độ dẫn điện đại diện là đủ để có chỉ số độ dẫn điện chính xác.

Hiệu chuẩn độ dẫn điện đa điểm chỉ có giá trị khi sử dụng cùng một cảm biến trên phạm vi rộng, ví dụ từ 50 đến 5000 µS/cm. Trong trường hợp này, bộ chất chuẩn độ thích hợp sẽ là 84 µS/cm, 1413 µS/cm và 12,88 mS/cm.

Cảm biến độ dẫn điện 2 cực cổ điển gồm hai tấm. Thông thường, các tấm này được bao quanh bằng ống bên ngoài, để tránh hư hỏng về mặt cơ học và giảm lỗi gây ra do tác động của trường. Ưu điểm của pin đo độ dẫn điện 2 cực là đo độ dẫn điện thấp với độ chính xác cao. Phạm vi đo thông thường là từ 0,001 μS/cm đến 1000 μS/cm. Các ứng dụng chính của pin 2 cực là đo độ dẫn điện của nước tinh khiết, dung dịch có nước với độ pha loãng cao và dung dịch không có nước.

Thiết kế pin 4 cực gồm một cực ngoài và một cực trong. Cực ngoài là cực dòng điện có AC. Các cực này được điều khiển theo cách tương tự như cảm biến 2 cực. Các cực đo trong nằm bên trong điện trường của cực dòng điện và đo điện áp bằng cách sử dụng bộ khuếch đại trở kháng cao. Do đó, có rất ít dòng điện ở cực trong, nơi thực hiện phép đo. Vì vậy, không có hiệu ứng phân cực nào xảy ra và ảnh hưởng đến phép đo. Ưu điểm của cảm biến đo độ dẫn điện 4 cực là đo độ dẫn điện trong phạm vi đo rộng, từ 10 μS/cm lên tới 1000 mS/cm. Các ứng dụng chính của loại cảm biến này là đo trong nước biển, nước thải, axit hoặc bazơ pha loãng.

Chọn cảm biến độ dẫn điện trong phòng thí nghiệm phù hợp là yếu tố quan trọng để đạt được kết quả chính xác và đáng tin cậy. Cảm biến phù hợp là cảm biến đáp ứng tốt nhất nhu cầu của ứng dụng.

a. Yêu cầu cơ bản là không có phản ứng hoá học giữa mẫu và cảm biến. Đối với các mẫu có phản ứng hoá học, thuỷ tinh và bạch kim thường là lựa chọn phù hợp nhất vì các vật liệu này có khả năng kháng hoá chất mạnh nhất trong số tất cả vật liệu cell thường dùng. Đối với các ứng dụng ngoài hiện trường và nhiều ứng dụng trong phòng thí nghiệm, độ ổn định về mặt cơ học của cảm biến là yếu tố quan trọng hơn. Cảm biến độ dẫn điện có thân bằng epoxy và điện cực graphit thường được sử dụng vì độ bền cao và khả năng kháng hoá chất tốt. Đối với các dung dịch nước và dung môi hữu cơ phản ứng thấp, việc sử dụng cảm biến làm từ thép hay titan thường là lựa chọn thay thế hiệu quả. Lựa chọn này đặc biệt quan trọng với các mẫu nhớt, không có nước, giàu protein, có độ dẫn điện thấp có thể khiến cảm biến pH thông thường bị lỗi.

b. Hằng số cell phù hợp tương quan với độ dẫn điện của mẫu. Độ dẫn điện dự kiến của mẫu càng thấp, hằng số cell của cảm biến phải càng nhỏ. Để đưa ra quyết định giữa pin 2 cực và 4 cực, bạn có thể áp dụng quy tắc đơn giản nhưng hiệu quả sau: Để đo độ dẫn điện thấp, nên sử dụng pin 2 cực. Để đo độ dẫn điện từ trung bình đến cao, pin 4 cực được ưu tiên sử dụng, đặc biệt khi đo trong phạm vi độ dẫn điện rộng.
 

Có một số cách bù nhiệt.

Độ dẫn điện trong dung dịch nước bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ (~2%/°C). Đó là lý do mọi phép đo thường liên kết với nhiệt độ tham chiếu. 20 °C hoặc 25 °C là nhiệt độ tham chiếu thường dùng trong trường hợp đo độ dẫn điện.

Các phương pháp hiệu chỉnh nhiệt độ khác nhau đã được phát triển để phù hợp với những người dùng khác nhau:

• Tuyến tính: dành cho các dung dịch có độ dẫn điện trung bình và cao
• Phi tuyến tính: các loại nước tự nhiên như nước ngầm, nước bề mặt, nước uống và nước thải
• Nước tinh khiết: nước siêu tinh khiết, nước đã khử ion, nước cất
• Không có: một số chất chuẩn như USP <645> cấm bù nhiệt

Tác động của nhiệt độ đối với các ion khác nhau và thậm chí các mức nồng độ khác nhau của cùng một ion có thể là một thách thức. Do đó, hệ số bù, được gọi là hệ số nhiệt độ (α), phải được xác định cho từng loại mẫu. (Điều này cũng áp dụng với các chất chuẩn hiệu chuẩn. Tất cả máy đo của METTLER TOLEDO đều có thể tự động tính toán độ bù này bằng cách sử dụng các bảng nhiệt độ đã thiết lập trước.)

Tất cả hướng dẫn sử dụng đều cung cấp thông tin cần thiết về việc bảo quản cảm biến tương ứng trong ngắn hạn và dài hạn. Thông thường, đầu dò độ dẫn điện trong phòng thí nghiệm phải được bảo quản khô ráo trong dài hạn.

Điện cực độ dẫn điện trong phòng thí nghiệm không có hạn sử dụng. Khi cảm biến được sử dụng trong các giới hạn nhiệt độ quy định và không có lực cơ học nghiêm trọng hoặc điều kiện hoá học khắc nghiệt tác động lên cảm biến và cáp của cảm biến, về mặt lý thuyết thì có thể sử dụng cảm biến mãi mãi. Tuy nhiên, tình trạng thay đổi về hằng số cell có thể xảy ra do sự lắng đọng của các chất béo và kết tủa. Trong hầu hết các trường hợp, việc rửa bằng ethanol, cồn isopropyl hoặc axeton có thể phục hồi cảm biến.

Các cảm biến có phạm vi độ dẫn điện thấp như InLab 741, InLab 742 và InLab Trace có hằng số cell được đo trên chứng nhận của chúng. Đây là các hằng số cell được chứng nhận và xác định sau quy trình sản xuất, trực tiếp tại nhà máy với khả năng truy xuất theo ASTM và NIST. Với độ không đảm bảo đo tối đa là ±2%, các cảm biến này đủ chính xác và có thể dùng để đo độ dẫn điện bằng cách nhập trực tiếp giá trị hằng số cell vào máy đo mà không cần hiệu chuẩn. Hằng số cell được chứng nhận thể hiện trên chứng nhận chất lượng, in trên cáp cảm biến và lưu trữ trong chip cảm biến ISM.

Vì những cảm biến này được thiết kế đặc biệt để sử dụng trong môi trường có độ dẫn điện thấp, như nước tinh khiết, nước siêu tinh khiết, nước cất và nước đã khử ion, nên pin đo rất khó bị nhiễm bẩn. Do đó, hằng số cell có thể được coi là ổn định. Tuy nhiên, việc xác minh độ chính xác thường xuyên với chất chuẩn độ dẫn điện (ví dụ: 10 µS/cm) là rất quan trọng.

Tất cả các cảm biến độ dẫn điện khác của METTLER TOLEDO đều có hằng số cell danh nghĩa được in trên chứng nhận. Các cảm biến này phải được hiệu chuẩn trước khi sử dụng bằng các dung dịch chuẩn độ thích hợp.

Nếu không biết hằng số cell chính xác thì phải thực hiện hiệu chuẩn. Khi biết chính xác hằng số cell, thì việc xác minh là đủ. Đây là trường hợp cảm biến có hằng số cell được chứng nhận hoặc cảm biến đã được hiệu chuẩn trước đó.

Vâng, có thể. Các chất hữu cơ cũng có đặc tính phân ly. Các hợp chất hữu cơ như benzen, cồn và sản phẩm từ dầu mỏ thường có độ dẫn điện rất thấp.

Bạn nên rửa cảm biến sau mỗi lần đo với nước đã khử ion. Nếu cảm biến tiếp xúc với mẫu không hoà tan trong nước, bạn phải vệ sinh bằng dung môi có thể hoà tan trong nước, ví dụ: ethanol hoặc axeton, sau đó rửa cẩn thận bằng nước đã khử ion. Nếu có chất rắn tích tụ trong cảm biến đo, hãy cẩn thận loại bỏ bằng tăm bông tẩm dung dịch tẩy rửa, rồi rửa cảm biến với nước đã khử ion.

(Lưu ý: không bao giờ được vệ sinh cảm biến có cực mạ bạch kim theo cách cơ học, vì điều này có thể làm hỏng cảm biến).