Konduktivitetssensor för laboratoriet

En konduktivitetssensor för laboratoriet är ett verktyg för att mäta den elektriska konduktiviteten hos en elektrolytlösning och baseras på materialets förmåga att leda en elektrisk ström. Den används för att mäta konduktivitet i laboratorie- och fälttillämpningar.

Elektrolyterna löses upp för att avge joner som leder elektricitet. Ju högre jonkoncentration, desto högre konduktivitet. Konduktivitetssensorns mätcell består av minst två elektriskt ledande poler med motsatt laddning för att mäta ett provs konduktans.

Konduktivitet baseras på Ohms lag, där spänningen (V) i en lösning är proportionell mot den flödande strömmen (I) och resistansen (R) är en proportionalitetskonstant. R kan beräknas med det uppmätta strömflödet, om en känd spänning appliceras. Konduktans (G) definieras som motsatsen till resistans, och för att mäta konduktansen för ett prov, krävs det en mätcell. Konduktansavläsningen beror på mätcellens geometri, som beskrivs med cellkonstanten (K). Det är förhållandet av polernas avstånd (l) och area (A). Konduktansen kan omvandlas till standardiserad konduktivitet genom att man multiplicerar konduktansen och cellkonstanten.

De flesta kunder mäter konduktivitet i ganska små intervall, exempelvis alltid med samma dryck eller avjoniserat vatten. Med en 1-punktskalibrering kalibreras intervallet mellan 0 µS/cm och denna kalibreringspunkt. Det rekommenderas att man väljer en standard med högre konduktivitet än det förväntade värdet i provet, t.ex. 1 413 µS/cm när man förväntar sig 1 200 µS/cm. Om man utför en andra kalibreringspunkt i detta exempel skulle det inte göra någon större skillnad eftersom de angränsande standarderna 500 µS/cm och 12,88 mS/cm båda ligger ganska långt bort. Enligt metod 2510B i Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater och ASTM D1125, är det tillräckligt med en enpunktskalibrering av cellkonstanten vid en representativ konduktivitet för exakta konduktivitetsavläsningar.

Kalibrering av flerpunktskonduktivitet är endast giltig när man använder samma sensor över ett stort intervall, till exempel från 50 till 5 000 µS/cm. I detta fall kommer en lämplig standardsats att vara 84 µS/cm, 1 413 µS/cm och 12,88 mS/cm.

Klassiska 2-poliga konduktivitetsceller består av två plattor. Vanligtvis omges plattorna av ett yttre rör som skyddar dem mot mekanisk skada och minskar felen som orsakas av fälteffekter. Styrkan hos den 2-poliga konduktivitetscellen är att mäta låg konduktivitet med hög precision. Ett typiskt mätintervall sträcker sig från 0,001 μS/cm till 1 000 μS/cm. Den huvudsakliga tillämpningen för en 2-polig cell är konduktivitetsmätning av rent vatten, mycket utspädda vattenhaltiga lösningar, och icke-vattenhaltiga lösningar.

En 4-polig celldesign består av en yttre pol och en inre pol. De yttre polerna är strömpolerna till vilka en AC appliceras. De fungerar på samma sätt som den 2-poliga sensorn. De inre mätpolerna är placerade i strömpolernas elektriska fält och mäter spänningen med hjälp av en högimpedansförstärkare. Därför flödar mycket lite ström i de inre polerna där mätningen utförs. Därigenom uppstår inga polariserande effekter som påverkar mätningen. Styrkan hos en 4-polig konduktivitetscell är mätning av konduktivitet över ett stort mätintervall från 10 μS/cm upp till 1 000 mS/cm. De huvudsakliga tillämpningarna för denna sensortyp är mätningar i havsvatten, avloppsvatten eller utspädda syror eller baser.

Att välja rätt konduktivitetssensor för laboratoriet är avgörande för att uppnå korrekta och tillförlitliga resultat. Rätt sensor är den som bäst uppfyller tillämpningens behov.

a. Ett grundläggande krav är att inga kemiska reaktioner inträffar mellan provet och sensorn. För kemiskt reaktiva prover, är glas och platina oftast de bästa valen, eftersom de har bäst kemisk resistans av alla vanligtvis använda cellmaterial. För fälttillämpningar och många laboratorietillämpningar, är sensorns mekaniska stabilitet en viktigare faktor. En konduktivitetssensor med en epoxikropp och grafitelektroder används ofta, eftersom den har visat sig vara mycket hållbar och har god kemisk resistans. För lågreaktiva vattenhaltiga lösningar och organiska lösningsmedel, är användning av celler gjorda av stål eller titan ofta ett bra alternativ. Valet blir extra viktigt för icke-vattenbaserade, proteinrika och viskösa prover med låg konduktivitet där rutinmässiga pH-sensorer eventuellt kan orsaka fel.

b. En passande cellkonstant korrelerar med provets konduktivitet. Ju lägre konduktivitet provet förväntas ha, desto mindre ska sensorns cellkonstant vara. För att ta ett beslut mellan en 2-polig cell och en 4-polig cell, kan följande grova regel användas: för mätningar av låg konduktivitet bör man använda en 2-polig cell. För mätningar av medelhög till hög konduktivitet, är en 4-polig cell att föredra, särskilt för mätningar över ett stort konduktivitetsintervall.
 

Det finns flera sätt att kompensera för temperatur.

Konduktivitet i en vattenhaltig lösning påverkas starkt av temperatur (~2 %/°C). Det är därför som det är vanligt att länka varje mätning till en referenstemperatur. 20 °C eller 25 °C är de referenstemperaturer som vanligen används för konduktivitetsmätningar.

Olika temperaturkorrigeringsmetoder har tagits fram för att passa olika användare:

• Linjär: för medel och mycket konduktiva lösningar
• Icke linjär: naturligt vatten som dagvatten, ytvatten, dricksvatten och avloppsvatten
• Rent vatten: ultrarent vatten, avjoniserat vatten, destillerat vatten
• Ingen: vissa standarder, som exempelvis USP <645>, förbjuder temperaturkompensering

Temperturpåverkan på olika joner, och även varierande koncentrationer av samma jon, kan vara utmanande. Därför måste man bestämma en kompensationsfaktor, som kallas för temperaturkoefficient (α), för varje typ av prov. (Detta gäller även för kalibreringsstandarder. Alla METTLER TOLEDO-mätare kan automatiskt ta denna kompensation i beräkning med hjälp av förinställda temperaturtabeller.)

Alla bruksanvisningar tillhandahåller nödvändig information om kort- och långtidsförvaring av respektive sensor. I allmänhet ska konduktivitetssensorer för labbet förvaras torrt under långa förvaringstider.

Konduktivitetselektroder för laboratoriet har inget utgångsdatum. När sensorn används inom de specificerade temperaturgränserna och när varken betydande mekanisk kraft eller hårda kemiska förhållanden tillämpas på sensorn eller dess kabel, kan den teoretiskt användas för alltid. Men byte av cellkonstant kan utföras på grund av ansamlingar med fettiga ämnen och kondensationer. I de flesta fall kan sensorn återställas genom att man sköljer den med etanol, isopropanol eller aceton.

Sensorer för låga konduktivitetsintervall, som InLab 741, InLab 742 och InLab Trace, levereras med en uppmätt cellkonstant i sitt certifikat. De är certifierade cellkonstanter och fastställs efter tillverkningsprocessen direkt på anläggningen med spårbarhet enligt ASTM och NIST. Med en maximal osäkerhet på ± 2 % är de exakta nog och kan användas för konduktivitetsmätning genom att man anger cellkonstantvärdet direkt i mätaren, utan att man behöver kalibrera. Den certifierade cellkonstanten är angiven på kvalitetscertifikatet, tryckt på sensorkabeln och lagrad på ISM-sensorchippet.

Eftersom dessa sensorer är särskilt utformade för användning i medier med låg konduktivitet, t.ex. rent vatten, ultrarent vatten, destillerat vatten och avjoniserat vatten, är det mycket osannolikt att mätcellen påverkas av föroreningar. Därför kan cellkonstanten anses vara stabil. Oavsett är det nödvändigt med regelbunden verifikation av exaktheten med en konduktivitetsstandard (t.ex. 10 µS/cm).

Alla andra konduktivitetssensorer från METTLER TOLEDO har nominella cellkonstanter tryckta på certifikaten. Dessa sensorer måste kalibreras innan användning med lämplig standardlösning för kalibrering.

Om den exakta cellkonstanten är okänd, måste kalibrering utföras. Om den exakta cellkonstanten är känd, är det tillräckligt med verifiering. Så är fallet med sensorer med en certifierad cellkonstant eller sensorer som har kalibrerats tidigare.

Ja, det är möjligt. Organiska substanser har också dissociativa egenskaper. Organiska sammansättningar som bensen, alkoholer och petroleumprodukter har vanligtvis mycket låg konduktivitet.

Sensorn ska sköljas med avjoniserat vatten efter varje mätning. Om sensorn har utsatts för ett prov som inte kan blandas med vatten, ska den rengöras med ett lösningsmedel som kan blandas med vatten, till exempel etanol eller aceton, och därefter sköljas försiktigt med avjoniserat vatten. Om det finns en ansamling av fasta partiklar i mätcellen, ska du försiktigt avlägsna den med en bomullspinne indränkt i rengöringsmedelslösning, och sedan skölja sensorn med avjoniserat vatten.

(Observera: sensorer med poler av platina ska aldrig rengöras mekaniskt, eftersom det kan skada sensorerna).