Laboratóriumi vezetőképesség szenzor

A laboratóriumi vezetőképesség szenzor az elektrolitoldat elektromos vezetőképességének mérésére alkalmas, és működése az anyag elektromosáram-vezetési képességén alapul. Laboratóriumi és terepi alkalmazásoknál a vezetőképesség mérésére használatos.

Az elektrolitok oldódáskor az elektromosságot vezető ionokat adnak le. Minél nagyobb az ionkoncentráció, annál magasabb a vezetőképesség. A vezetőképesség szenzor mérőcellája legalább két, ellentétes töltésű, elektromosan vezető pólusból áll, és a minta konduktanciáját méri.

A vezetőképesség alapja Ohm törvényén nyugszik, mely szerint a oldat egészében jelen lévő feszültség (V) arányos az áramerősséggel (I), és az arányosság állandója az ellenállás (R). Az R a feszültség ismeretében a mért áramerősségből számítható ki: A konduktancia (G) meghatározása szerint az ellenállás fordítottja, és a minta konduktanciájának méréséhez mérőcella szükséges. A konduktancia mérési eredménye a mérőcella geometriájától függ, amely a cellaállandóval (K) írható le. Ez a pólusok távolságának (l) és területének (A) aránya. A konduktancia átalakítható a standardizált vezetőképesség értékére, ha a konduktanciát megszorozzuk a cellaállandóval.

A legtöbb ügyfél igen szűk tartományban mér vezetőképességet, például mindig ugyanolyan italban vagy ioncserélt vízben. Az 1 pontos kalibrálással a 0 µS/cm és az illető kalibrálási pont közötti tartomány kalibrálható. Ajánlott a minta várt vezetőképességénél magasabb vezetőképességű standardot választani: például 1413 µS/cm-t, ha a várt érték 1200 µS/cm. Ebben a példában egy újabb kalibrálási pont bevonása nem okozna lényeges változást az értékekben, mert a legközelebb eső, 500 µS/cm, illetve 12,88 mS/cm értékű standardok egyaránt viszonylag távol esnek a fenti várt értéktől. A Víz- és szennyvízvizsgálat standard módszerei (Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater) 2510B jelű módszere és az ASTM D1125 alapján a cellaállandó jellemző vezetőképességi értékkel végzett egypontos kalibrálása kellően pontos vezetőképességi eredményeket biztosít.

A többpontos vezetőképességi kalibrálás csak akkor érvényes, ha ugyanazzal a szenzorral kell széles tartományban mérni, például 50–5000 µS/cm között. Ebben az esetben a megfelelő standardsor a következő lenne: 84 µS/cm, 1413 µS/cm és 12,88 mS/cm.

A klasszikus 2 pólusú vezetőképesség-mérő cella két lemezből áll. Normál esetben a lemezeket külső cső veszi körül, amely védi őket a mechanikai károsodástól, és csökkenti a térvezérlés okozta hibák lehetőségét. A 2 pólusú vezetőképesség-mérő cella erőssége, hogy nagy pontossággal méri az alacsony vezetőképességet. A tipikus mérési tartomány 0,001 μS/cm és 1000 μS/cm között van. A 2 pólusú cellák fő alkalmazási területe a tisztított víz, a rendkívül híg vizes oldatok és a nem vizes oldatok vezetőképességének mérése.

A 4 pólusú celladizájn külső pólusból és belső pólusból áll. A külső pólusok az árampólusok a váltakozó áram alkalmazására. Működésük módja megegyezik a 2 pólusú szenzoréval. A belső mérőpólusok az árampólusok elektromos mezején belülre kerülnek, és magas impedanciájú erősítő használatával mérik a feszültséget. Ennélfogva a belső pólusokban, ahol a mérés történik, nagyon alacsony az elektromos áramlás. Emiatt nem lép fel olyan polarizációs hatás, amely egyébként befolyásolhatná a mérést. A 4 pólusú vezetőképesség-mérő cella erőssége, hogy széles tartományban, 10 μS/cm-től egészen 1000 µS/cm-ig méri a vezetőképességet. Ezt a szenzortípust főképp tengervíz, szennyvíz, illetve oldott savas és lúgos anyagok esetében végzett mérésnél használják.

A pontos és megbízható eredmények érdekében kritikus fontosságú, hogy a megfelelő laboratóriumi vezetőképesség szenzort válassza. A legmegfelelőbb szenzor az, amelyik a legjobban megfelel az alkalmazás igényeinek.

a. Alap elvárás, hogy ne jöjjön létre kémiai reakció a minta és a szenzor között. A kémiailag reaktív mintákhoz sokszor az üveg és a platina a legjobb választás, mivel kémiai ellenállásuk az összes gyakran használt anyag közül a legjobb. Terepi alkalmazásoknál és számos laboratóriumi alkalmazásnál a szenzor mechanikai stabilitása kritikusabb tényező. Gyakran használnak epoxi szenzortesttel és grafitelektródákkal ellátott vezetőképesség szenzort, mivel ez a forma bizonyítottan igen tartós, emellett jó a kémiai ellenállósága is. A kevésbé reaktív vizes oldatok vagy szerves oldószerek esetében sokszor jó megoldás az acél- vagy titáncella használata. A választás különösen a nem vizes, alacsony vezetőképességű, nagy fehérjetartalmú és viszkózus minták esetében válik fontossá, ahol a szokásos pH szenzorok esetleg hibás eredményeket adhatnak.

b. A megfelelő cellaállandó korrelációban van a minta vezetőképességével. Minél alacsonyabb a minta várt vezetőképessége, annál kisebbnek kell lennie a szenzor cellaállandójának. Amikor a 2 pólusú és a 4 pólusú cella közül választ, a következő általános szabályt veheti alapul: alacsony vezetőképesség méréséhez 2 pólusú cellát kell használni. Közepes–magas vezetőképesség mérésénél jobb a 4 pólusú cella; különösen ha a tág vezetőképességi tartományban végez méréseket.
 

Többféle módon lehet a hőmérsékletet kompenzálni.

A vizes oldatoknál a vezetőképességet erősen befolyásolja a hőmérséklet (~2%/ °C). Ezzel magyarázható, hogy konvenció szerint minden mérést egy referencia-hőmérséklethez kötnek. A vezetőképességi mérések esetében a 20 °C és a 25 °C gyakran alkalmazott referencia-hőmérséklet.

Különböző hőmérséklet-korrekciós módszereket dolgoztak ki a különböző felhasználói igényeknek megfelelően:

• Lineáris: közepes–magas vezetőképességű oldatokhoz
• Nem lineáris: természetes vizekhez, például talajvízhez, felszíni vizekhez, ivóvízhez és szennyvízhez
• Tisztított víz: ultratiszta víz, ioncserélt víz, desztillált víz
• Nincs: egyes standardok, köztük az USP <645> tiltják a hőmérséklet-kompenzációt.

Kihívást jelenthet a hőmérséklet hatása a különböző ionokra, sőt még ugyanazon ion eltérő koncentrációira is. Ezért minden mintatípushoz meg kell határozni egy hőmérsékleti együtthatónak (α) nevezett kompenzációs tényezőt. (Ez a kalibrálási standardokra is vonatkozik. Minden METTLER TOLEDO mérőkészülék képes előre megadott hőmérsékleti táblázatok használatával automatikusan figyelembe venni ezt a kompenzációt.)

Minden egyes felhasználói kézikönyvben megtalálhatók az adott szenzor rövid és hosszú távú tárolásával kapcsolatos információk. A laboratóriumi vezetőképesség szondákat általában szárazon kell tárolni hosszú távú tárolás esetében.

A laboratóriumi vezetőképesség elektródáknak nincs lejárati dátumuk. Ha a szenzort a megadott hőmérsékleti határértékeken belül használják és a szenzort vagy kábelét nem éri súlyos mechanikai vagy agresszív kémiai behatás, akkor elméletben korlátlan ideig használható. A cellaállandó azonban eltolódhat a zsíros lerakódások és csapadékképződés miatt. A szenzor a legtöbb ilyen esetben regenerálható etanolos, izopropil-alkoholos vagy acetonos öblítéssel.

Az alacsony vezetőképességi tartományban alkalmazható szenzorok, így az InLab 741, az InLab 742 és az InLab Trace tanúsítványán mért cellaállandó szerepel. Ezek tanúsított cellaállandók, amelyeket a közvetlenül a gyártóüzemben, a gyártási folyamatot követően határoznak meg az ASTM és a NIST szabványai alapján. Legfeljebb ± 2%-os bizonytalanságuk mellett elegendő mértékben pontosak, és a cellaállandó értékének közvetlenül a mérőkészülékben történő megadásával használhatók vezetőképesség mérésére; anélkül, hogy kalibrálásra lenne szükség. A tanúsított cellaállandó megtalálható a minőségi tanúsítványon, nyomtatva a szenzor vezetékén is szerepel, illetve az ISM szenzor chipje is tárolja.

Mindezeket a szenzorokat kifejezetten alacsony vezetőképességű közegekhez, például tisztított vízhez, ultratiszta vízhez, desztillált vízhez és ioncserélt vízhez fejlesztették, a mérőcella szennyeződésének esélye nagyon alacsony. Ennek köszönhetően a cellaállandó stabilnak tekinthető. Ugyanakkor a precizitás vezetőképességi standarddal (pl. 10 µS/cm) történő rendszeres ellenőrzése létfontosságú.

Minden egyéb METTLER TOLEDO vezetőképesség szenzor tanúsítványán névleges cellaállandó szerepel. Ezeket a szenzorokat használat előtt kalibrálni kell a megfelelő kalibrálási standard oldatok segítségével.

Ha nem ismert a pontos cellaállandó, kalibrálást kell végezni. Ha a pontos cellaállandó ismert, elegendő az ellenőrzés. Ez a helyzet például a tanúsított cellaállandóval rendelkező vagy a korábban kalibrált szenzoroknál.

Igen, ez lehetséges. A szerves anyagoknak disszociatív tulajdonságaik is vannak. A szerves vegyületek, így a benzol, az alkoholok és a petróleumtermékek általában nagyon alacsony vezetőképességűek.

A szenzort minden mérés után le kell öblíteni ioncserélt vízzel. Ha a szenzor vízzel nem elegyedő mintával érintkezett, akkor vízzel elegyedő oldószerrel, például etanollal vagy acetonnal kell megtisztítani, majd alaposan le kell öblíteni ioncserélt vízzel. Ha szilárd anyag rakódott a mérőcella belsejébe, óvatosan távolítsa el tisztítószeres oldatba mártott vattapamacs segítségével, majd öblítse le a szenzort ioncserélt vízzel.

(Figyelem: a platinázott pólusú szenzorokat soha nem szabad mechanikusan tisztítani, mivel az a szenzor károsodását okozhatja.)