Sensor de Condutividade de Laboratório

Um sensor de condutividade de laboratório é uma ferramenta para medir a condutividade elétrica de uma solução de eletrólito cujo funcionamento se baseia na capacidade de um material de conduzir uma corrente elétrica. Ele é usado para medir a condutividade em aplicações em laboratório e em campo.

Os eletrólitos se dissolvem na forma de íons que conduzem eletricidade. Quanto maior a concentração de íons, maior será a condutividade. A célula de medição do sensor de condutividade consiste em pelo menos dois polos eletricamente condutivos com a carga oposta, para medir a condutividade de uma amostra.

A condutividade se baseia na lei de Ohm, que afirma que a tensão (V) configurada em uma solução é proporcional ao fluxo de corrente (I) e a resistência (R) é uma constante de proporcionalidade. O valor de R poderá ser calculado com o fluxo de corrente medido, se uma tensão conhecida for aplicada. A condutância (G) é definida como o inverso da resistência e, para medi-la em uma amostra, é necessário ter uma célula de medição. A leitura da condutância depende da geometria da célula de medição, que é descrita com a constante de célula (K). Esta é a razão entre a distância (l) e a área (A) dos polos. A condutância pode ser transformada na condutividade padronizada, quando multiplicada junto com a constante de célula.

A maioria dos clientes mede a condutividade em uma faixa bastante estreita, por exemplo, sempre a mesma bebida ou sempre água deionizada. Com uma calibração de um ponto, é calibrada a faixa entre 0 µS/cm e esse ponto de calibração. É recomendado escolher um padrão com maior condutividade que o valor esperado na amostra, por exemplo, 1.413 µS/cm quando são esperados 1.200 µS/cm. Realizar um segundo ponto de calibração neste exemplo não mudaria a leitura de modo significativo, pois os padrões adjacentes 500 µS/cm e 12.88 mS/cm estão ambos bastante distantes. De acordo com o método 2510B nos Métodos Padrão para o Exame de Água e Efluentes e o ASTM D1125, uma calibração de um ponto da constante de célula a uma condutividade representativa é suficiente para leituras de condutividade precisas.

Uma calibração de condutividade de vários pontos é válida somente ao usar o mesmo sensor em uma ampla faixa, por exemplo, de 50 a 5.000 µS/cm. Nesse caso, um conjunto de padrões adequado será o de 84 µS/cm, 1.413 µS/cm e 12.88 mS/cm.

As células de condutividade clássicas de dois polos são compostas de duas placas. Normalmente, as placas são cercadas por um tubo externo que as protege de danos mecânicos e reduz o risco de erros causados por efeitos de campo. O ponto forte da célula de condutividade de dois polos é medir baixa condutividade com alta precisão. Uma faixa de medição típica varia de 0,001 μS/cm a 1.000 μS/cm. As principais aplicações de uma célula de dois polos são a medição de condutividade de água pura, soluções aquosas altamente diluídas e soluções não aquosas.

O design de uma célula de quatro polos é composto de um polo externo e um polo interno. Os polos externos são os polos de corrente onde uma CA é aplicada. Eles são acionados da mesma maneira que o sensor de dois polos. Os polos de medição internos são posicionados dentro do campo elétrico dos polos de corrente e medem a tensão usando um amplificador de alta impedância. Portanto, há muito pouco fluxo de corrente nos polos internos onde a medição é feita. Dessa forma, não ocorre nenhum efeito de polarização que influencie a medição. O ponto forte de uma célula de condutividade de quatro polos é a medição da condutividade em uma ampla faixa de medição, de 10 μS/cm a 1.000 mS/cm. As principais aplicações desse tipo de sensor são medições em água do mar, águas residuais ou ácidos ou bases diluídos.

Escolher o sensor de condutividade de laboratório certo é um aspecto essencial na obtenção de resultados precisos e confiáveis. O sensor certo é aquele que melhor se adapta às necessidades da aplicação.

a. Um requisito básico é a ausência de reações químicas entre a amostra e o sensor. No caso de amostras quimicamente reativas, vidro e platina costumam ser as melhores escolhas, pois têm a melhor resistência química de todos os materiais comumente usados em células. Para aplicações de campo e muitas de laboratório, a estabilidade mecânica do sensor é um fator mais crítico. Um sensor de condutividade com um corpo de epóxi e eletrodos de grafite geralmente é utilizado, já que demonstra ser altamente durável e ter boa resistência química. Para soluções aquosas de baixa reatividade e solventes orgânicos, o uso de células feitas de aço ou titânio costuma ser uma boa alternativa. A escolha torna-se especialmente importante para amostras não aquosas, de baixa condutividade, ricas em proteína e viscosas nas quais os sensores de pH de rotina são possíveis fontes de erro.

b. Uma constante de célula adequada se correlaciona com a condutividade da amostra. Quanto menor a condutividade esperada da amostra, menor deve ser a constante de célula do sensor. Para tomar uma decisão entre uma célula de dois polos e uma de quatro, a seguinte regra geral pode ser usada: a célula de 2 polos deve ser usada em medições de baixa condutividade. Em medições de condutividade média a alta, é preferível uma célula de quatro polos, especialmente para medições em uma ampla faixa de condutividade.
 

Há várias maneiras de fazer a compensação de temperatura.

A condutividade em uma solução aquosa é altamente afetada pela temperatura (~2%/°C). Por isso, é comum vincular cada medição a uma temperatura de referência. As temperaturas de referência mais usadas são de 20 °C ou 25 °C, nos casos de medição de condutividade.

Diferentes métodos de correção de temperatura foram desenvolvidos para atender às necessidades de diferentes usuários:

• Linear: para soluções de condutividades média e alta
• Não linear: águas naturais, como água subterrânea, água de superfície, água potável e efluentes
• Água pura: água ultrapura, água deionizada, água destilada
• Nenhum: alguns padrões, como USP <645>, proíbem qualquer compensação de temperatura

O impacto da temperatura em diferentes íons, e até mesmo em concentrações variadas do mesmo íon, pode ser desafiador. Assim, um fator de compensação, chamado de coeficiente da temperatura (α), precisa ser determinado para cada tipo de amostra. (Esse também é o caso para os padrões de calibração. Todos os medidores da METTLER TOLEDO são capazes de considerar automaticamente essa compensação usando tabelas de temperatura predefinidas.)

Todos os manuais do usuário apresentam as informações necessárias sobre o armazenamento de curto e longo prazo do respectivo sensor. Geralmente, os sensores de condutividade de laboratório devem estar secos para armazenamento de longo prazo.

Os eletrodos de condutividade de laboratório não têm data de vencimento. Quando o sensor é utilizado nos limites de temperatura especificados e nem força mecânica severa nem condições químicas adversas são aplicadas ao sensor e ao seu cabo, ele teoricamente pode ser usado para sempre. Contudo, mudanças na constante de célula podem ocorrer, devido a depósitos de substâncias gordurosas e precipitados. Na maioria dos casos, enxaguar com etanol, álcool isopropílico ou acetona pode restaurar o sensor.

Sensores para faixa de baixa condutividade, como o InLab 741, InLab 742 e InLab Trace, vêm com uma constante de célula medida no certificado. Essas são constantes de célula certificadas, determinadas após o processo de fabricação diretamente na planta, com rastreabilidade de acordo com ASTM e NIST. Com uma incerteza máxima de ± 2%, eles são precisos o suficiente e podem ser usados para medições de condutividade, bastando inserir diretamente o valor da constante da célula no medidor, sem a necessidade de calibração. A constante de célula certificada é indicada no certificado de qualidade, impressa no cabo do sensor e armazenada no chip do sensor ISM.

Como esses sensores são particularmente projetados para uso em meio de baixa condutividade, como água pura, água ultrapura, água destilada e água deionizada, é muito improvável que a célula de medição seja afetada por contaminação. Portanto, a constante de célula pode ser considerada estável. Contudo, a verificação regular da precisão com um padrão de condutividade (por exemplo, 10 µS/cm) é crucial.

Todos os outros sensores de condutividade da METTLER TOLEDO têm constantes da célula nominal impressas nos certificados. Esses sensores precisam ser calibrados antes do uso, com as soluções padrão de calibração adequadas.

Se a constante de célula exata for desconhecida, a calibração deve ser realizada. Quando a constante de célula exata é conhecida, uma verificação é suficiente. Esse é o caso dos sensores com uma constante de célula certificada ou aqueles que já foram calibrados anteriormente.

Sim, é possível. As substâncias orgânicas também têm propriedades dissociativas. Compostos orgânicos como benzeno, álcoois e derivados de petróleo geralmente têm condutividade muito baixa.

O sensor deve ser enxaguado após cada medição, com água deionizada. Se o sensor tiver sido exposto a uma amostra imiscível com água, ele deverá ser limpo com um solvente miscível com água, por exemplo, etanol ou acetona, e enxaguado cuidadosamente com água deionizada. Se houver acúmulo de sólidos dentro da célula de medição, remova-o cuidadosamente com um cotonete embebido em uma solução de detergente e, em seguida, enxágue o sensor com água deionizada.

(Cuidado: sensores com polos platinados nunca devem ser limpos mecanicamente, pois isso pode danificá-los).