Konduktivitetssensor til laboratoriebrug

En ledningsevnesensor til laboratoriebrug er et værktøj, der bruges til at måle den elektriske ledningsevne i en elektrolytopløsning ud fra materialets evne til at lede en elektrisk strøm. Den bruges til at måle ledningsevne ved anvendelser i laboratoriet og i marken.

Elektrolytterne opløses for at give ioner, som leder elektricitet. Jo højere koncentration af ioner, desto højere ledningsevne. Ledningsevnesensorens målecelle består af mindst to elektrisk ledende poler med modsat ladning, så det er muligt at måle en prøves konduktans.

Ledningsevne er baseret på Ohms lov, hvor spændingen (V) på tværs af en opløsning er proportional med elektrisk strøm (I) og modstand (R) er en konstant af proportionalitet. R kan beregnes med den målte strøm, hvis der påføres en kendt spænding. Konduktans (G) defineres som inversen af modstand, og der kræves en målecelle for at måle konduktans i en prøve. Konduktansværdien afhænger af målecellens geometri, som er beskrevet med cellekonstanten (K). Dette er forholdet mellem polernes afstand (l) og areal (A). Konduktans kan omdannes til standardiseret ledningsevne ved at multiplicere konduktans og cellekonstanten.

De fleste kunder måler ledningsevne i et ret snævert interval, for eksempel altid den samme drikkevare eller altid deioniseret vand. Ved en 1-punktskalibrering kalibreres intervallet mellem 0 µS/cm og det pågældende kalibreringspunkt. Derfor anbefales det at vælge en standard med højere ledningsevne end den forventede værdi i prøven, f.eks. 1413 µS/cm, når man forventer 1200 µS/cm. Kalibrering ved et andet kalibreringspunkt i dette eksempel ville ikke ændre aflæsningen nævneværdigt, fordi de tilstødende standarder på 500 µS/cm og 12,88 mS/cm begge ligger ret langt væk. Ifølge metode 2510B i standardmetoder til undersøgelse af vand og spildevand og ASTM D1125 er en étpunktskalibrering af cellekonstanten ved en repræsentativ ledningsevne tilstrækkelig til at opnå nøjagtige ledningsevneaflæsninger.

Ledningsevnekalibrering med flere punkter er kun gyldig, hvis du bruger den samme sensor over et bredt interval, for eksempel fra 50 til 5000 µS/cm. I dette tilfælde vil et passende sæt af standarder være 84 µS/cm, 1413 µS/cm og 12,88 mS.

Klassiske 2-polede ledningsevneceller består af to plader. Normalt er pladerne omgivet af et ydre rør, som beskytter dem mod mekanisk beskadigelse og reducerer fejl, der skyldes felteffekter. En 2-polet ledningsevnecelles styrke er måling af lav ledningsevne med høj nøjagtighed. Et typisk måleområde går fra 0,001 μS/cm til 1000 μS/cm. De vigtigste anvendelsesområder for en 2-polet celle er måling af ledningsevne i rent vand, meget fortyndede vandige opløsninger og ikke-vandige opløsninger.

Et 4-polet celledesign består af en udvendig pol og en indvendig pol. De udvendige poler er de strømpoler, som påføres vekselstrøm. De fungerer på samme måde som den 2-polede sensor. De indvendige målepoler er placeret i det elektriske felt fra strømpolerne, og de måler spændingen med en højimpedansforstærker. Derfor er der meget lidt strøm i de indvendige poler, hvor målingen foretages. Således opstår der ingen polariseringseffekt, der kan påvirke målingen. En 4-polet ledningsevnecelles styrke er måling af ledningsevne over et bredt måleområde fra 10 μS/cm op til 1000 mS/cm. De vigtigste anvendelsesområder for denne sensortype er målinger i havvand, spildevand eller fortyndede syrer og baser.

At vælge den rette ledningsevnesensor til laboratoriebrug er afgørende for at opnå nøjagtige og pålidelige resultater. Den rette sensor der den, der bedst opfylder anvendelsesområdets krav.

a. Et grundlæggende krav er, at der ikke sker en kemisk reaktion mellem prøven og sensoren. For kemisk reaktive prøver er glas og platin ofte de bedste valg, da de har den bedste kemiske bestandighed af alle almindeligt anvendte cellematerialer. Til anvendelser i marken og mange anvendelser i laboratoriet er sensorens mekaniske stabilitet en mere væsentlig faktor. En ledningsevnesensor med et kabinet af epoxy og elektroder af grafit anvendes ofte, da det er blevet påvist, at dette er meget robust og har god kemisk bestandighed. Til organiske opløsningsmidler og vandige opløsninger med lav reaktionsevne er det ofte et godt alternativ at bruge celler fremstillet af stål eller titan. Valget er særlig vigtigt i forbindelse med prøver, der er ikke-vandige, har lav ledningsevne eller er stærkt proteinholdige eller viskose, hvor almindelige pH-sensorer kan være kilder til fejl.

b. En egnet cellekonstant korrelerer med prøvens ledningsevne. Jo lavere prøvens ledningsevne forventes at være, desto mindre bør sensorens cellekonstant være. Denne tommelfingerregel kan bruges til at vælge mellem en 2-polet celle og en 4-polet celle: Til målinger af lav ledningsevne bør der vælges en 2-polet celle. Til målinger af mellemhøj til høj ledningsevne foretrækkes en 4-polet celle, især til målinger over et bredt ledningsevneområde.
 

Der er flere måder at kompensere for temperaturen.

Ledningsevne i en vandig opløsning påvirkes meget af temperaturen (ca. 2 %/°C). Derfor knytter man traditionelt hver måling til en referencetemperatur. 20 °C eller 25 °C er de almindeligt anvendte referencetemperaturer i forbindelse med ledningsevnemålinger.

Der er udviklet forskellige metoder til temperaturkorrektion, som egner sig til forskellige brugere:

• Lineær: Til opløsninger med mellemhøj og høj ledningsevne
• Ikke-lineær: Naturligt vand som f.eks. grundvand, overfladevand, drikkevand og spildevand
• Rent vand: Ultrarent vand, deioniseret vand, destilleret vand
• Ingen: Visse standarder såsom USP <645> tillader ikke temperaturkompensation

Temperaturens effekt på forskellige ioner og endda varierende koncentrationer af samme ion kan være en udfordring. Derfor skal der fastlægges en kompensationsfaktor, kaldet temperaturkoefficienten (α), for hver prøvetype. (Dette gælder også for kalibreringsstandarderne. Alle METTLER TOLEDO-målere kan automatisk medregne denne kompensation ved hjælp af forudindstillede temperaturtabeller).

Alle brugervejledninger indeholder de nødvendige oplysninger om langsigtet og kortsigtet opbevaring af den pågældende sensor. Generelt skal ledningsevnesensorer til laboratoriebrug anbringes på et tørt sted, hvis de skal opbevares i længere tid.

Ledningsevnesensorer til laboratoriebrug har ingen udløbsdato. Når en sensor anvendes inden for de angivne temperaturgrænser, og sensoren og dens kabel ikke udsættes for hård mekanisk kraft eller barske kemiske betingelser, kan den teoretisk set holde evigt. Der kan dog ske en ændring af cellekonstanten på grund af aflejringer af fedtstoffer og udfældninger. I de fleste tilfælde kan skylning med ætanol, isopropylalkohol eller acetone genoprette sensoren.

Sensorer til lavt ledningsevneområde, som f.eks. InLab 741, InLab 742 og InLab Trace, leveres med en målt cellekonstant på deres certifikat. Det er certificerede cellekonstanter, som fastlægges efter fremstillingsprocessen direkte på fabrikken med sporbarhed i henhold til ASTM og NIST. Med en maksimal usikkerhed på ± 2% er de nøjagtige nok og kan anvendes til ledningsevnemålinger ved at indtaste cellekonstantværdien direkte på måleren, uden behov for kalibrering. Den certificerede cellekonstant er angivet på kvalitetscertifikatet, trykt på sensorkablet og lagret på ISM-sensorchippen.

Da disse sensorer er særligt udformet til brug i medier med lav ledningsevne som f.eks. rent vand, ultrarent vand, destilleret vand og ioniseret vand, er det meget usandsynligt, at målecellen bliver påvirket af kontaminering. Dermed kan cellekonstanten betragtes som stabil. Ikke desto mindre er regelmæssig kontrol af præcisionen med en ledningsevnestandard (f.eks. 10 µS/cm) afgørende.

Alle andre ledningsevnesensorer fra METTLER TOLEDO har nominelle cellekonstanter trykt på certifikatet. Disse sensorer skal kalibreres før brug med de rette kalibreringsstandardopløsninger.

Hvis den nøjagtige cellekonstant ikke kendes, skal der udføres en kalibrering. Hvis den nøjagtige cellekonstant kendes, er det nok med en verifikation. Dette er tilfældet med sensorer med en certificeret cellekonstant eller sensorer, som tidligere er blevet kalibreret.

Ja, det kan det. Organiske stoffer har også dissociationsegenskaber. Organiske forbindelser som f.eks. benzen, alkoholer og petroleumsprodukter har generelt meget lav ledningsevne.

Sensoren skal skylles med deioniseret vand efter hver måling. Hvis sensoren er blevet eksponeret for en prøve, som er ublandelig med vand, skal den rengøres med et opløsningsmiddel, der er blandeligt med vand, for eksempel ætanol eller acetone, og derefter skylles omhyggeligt med deioniseret vand. Hvis der er ophobet faste partikler inde i målecellen, skal de fjernes omhyggeligt med en vatpind vædet med detergentopløsning, hvorefter sensoren skylles med deioniseret vand.

(Forsigtig: sensorer med platinbelagte poler må aldrig rengøres mekanisk, da dette kan beskadige sensorerne).