เซ็นเซอร์วัดค่าการนำไฟฟ้าสำหรับห้องปฏิบัติการ

เซ็นเซอร์วัดค่าการนำไฟฟ้าสำหรับห้องปฏิบัติการเป็นเครื่องมือตรวจวัดคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ โดยอ้างอิงจากความสามารถของวัสดุในการนำกระแสไฟฟ้า เซ็นเซอร์นี้ใช้สำหรับตรวจวัดค่าการนำไฟฟ้าในการใช้งานทางห้องปฏิบัติการและภาคสนาม

อิเล็กโทรไลต์จะละลายเพื่อให้ไอออนที่มีการนำไฟฟ้า ยิ่งมีความเข้มข้นของไอออนสูงเท่าใด ค่าการนำไฟฟ้าก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เซลล์ตรวจวัดของเซ็นเซอร์วัดค่าการนำไฟฟ้าประกอบด้วยขั้วที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าอย่างน้อย 2 ขั้วซึ่งมีประจุตรงข้ามกันสำหรับวัดสภาพการนำไฟฟ้าของตัวอย่าง

การนำไฟฟ้าเป็นไปตามกฎของโอห์ม โดยแรงดันไฟฟ้า (V) ที่เกิดขึ้นในสารละลายจะแปรผันกับกระแสไฟฟ้าที่ไหล (I) และความต้านทาน (R) จะเป็นค่าคงที่ตามการแปรผัน สามารถคำนวณ R ได้จากการไหลของกระแสไฟฟ้าที่วัดได้ หากใช้ค่าแรงดันไฟฟ้าที่ทราบค่า สภาพการนำไฟฟ้า (G) หมายถึงค่าผกผันของความต้านทาน และจำเป็นต้องใช้เซลล์ตรวจวัด หากต้องการวัดสภาพการนำไฟฟ้าของตัวอย่าง ค่าบอกสภาพการนำไฟฟ้าที่อ่านได้จะขึ้นอยู่กับรูปทรงของเซลล์ตรวจวัด ซึ่งอธิบายด้วยค่าคงที่ของเซลล์ (K) นี่คืออัตราของระยะห่าง (l) กับพื้นที่ (A) ของขั้ว สภาพการนำไฟฟ้าสามารถเปลี่ยนเป็นค่าการนำไฟฟ้ามาตรฐานได้โดยการคูณค่าของสภาพการนำไฟฟ้าและค่าคงที่ของเซลล์

ลูกค้าโดยส่วนใหญ่ตรวจวัดค่าการนำไฟฟ้าในช่วงแคบๆ เช่น วัดค่าเครื่องดื่มหรือน้ำปราศจากไอออนแบบเดิมเสมอ การสอบเทียบแบบ 1 จุดในช่วงระหว่าง 0 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร และดำเนินการสอบเทียบค่าที่จุดสอบเทียบนี้ แนะนำว่าควรเลือกสารมาตรฐานที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงกว่าค่าที่คาดหวังในตัวอย่าง เช่น 1,413 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร หากคาดหวังค่า 1,200 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร การสอบเทียบค่าที่จุดที่สองในตัวอย่างนี้จะไม่ให้ผลที่ต่างกันนัก เนื่องจากสารมาตรฐานรุ่นถัดมามีค่าการนำไฟฟ้า 500 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร และ 12.88 มิลลิซีเมนส์/เซนติเมตร ซึ่งเป็นค่าที่ค่อนข้างห่างกันเกินไป เมื่ออ้างอิงจากวิธีการ 2510B ในวิธีการมาตรฐานสำหรับการตรวจสอบน้ำและน้ำเสีย รวมถึง ASTM D1125 การสอบเทียบค่าคงที่ของเซลล์แบบ 1 จุด ณ ค่าการนำไฟฟ้าตัวแทนถือว่าเพียงพอสำหรับการอ่านค่าการนำไฟฟ้าที่แม่นยำแล้ว

การสอบเทียบค่าการนำไฟฟ้าแบบหลายจุดจะใช้ได้จริงต่อเมื่อดำเนินการด้วยเซ็นเซอร์เดิมในช่วงที่ครอบคลุมเท่านั้น เช่น 50 ถึง 5,000 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร ในกรณีนี้ ชุดสารมาตรฐานที่เหมาะสมจะมีค่าการนำไฟฟ้า 84 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร, 1,413 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร และ 12.88 มิลลิซีเมนส์/เซนติเมตร

เซลล์วัดค่าการนำไฟฟ้า 2 ขั้วแบบเดิมประกอบด้วยแผ่นเพลต 2 แผ่น โดยปกติ แผ่นเพลตจะมีท่อชั้นนอกล้อมรอบเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเสียหายกับกลไกและลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากผลกระทบของสนามไฟฟ้า ความแข็งแรงของเซลล์วัดค่าการนำไฟฟ้าแบบ 2 ขั้วกำลังตรวจวัดค่าการนำไฟฟ้าต่ำด้วยความถูกต้องแม่นยำสูง ช่วงการตรวจวัดค่าทั่วไปเริ่มตั้งแต่ 0.001 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร ถึง 1,000 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร การใช้งานเซลล์แบบ 2 ขั้วโดยหลัก ได้แก่ การตรวจวัดค่าการนำไฟฟ้าของน้ำบริสุทธิ์ สารละลายชนิดมีน้ำเป็นส่วนประกอบที่มีการเจือจางสูง และสารละลายชนิดไม่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ

การออกแบบของเซลล์ 4 ขั้วจะประกอบด้วยขั้วด้านนอกและขั้วด้านใน ขั้วด้านนอกเป็นขั้วกระแสที่ใช้กระแสไฟสลับ ซึ่งทำงานในลักษณะเดียวกับเซ็นเซอร์แบบ 2 ขั้ว ขั้ววัดค่าด้านในจะวางอยู่ในสนามไฟฟ้าของขั้วกระแสและวัดแรงดันไฟฟ้าโดยใช้เครื่องขยายสัญญาณอิมพีแดนซ์สูง ส่งผลให้มีกระแสไฟไหลอยู่ในขั้วด้านในที่ทำการตรวจวัดน้อยมาก ดังนั้น จึงไม่มีผลกระทบโพลาไรเซชันที่อาจส่งผลต่อการตรวจวัดเกิดขึ้น ความแข็งแรงของเซลล์วัดค่าการนำไฟฟ้าแบบ 4 ขั้ววัดค่าการนำไฟฟ้าตามช่วงการวัดค่าตั้งแต่ 10 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตรถึง 1,000 มิลลิซีเมนส์/เซนติเมตร การใช้งานหลักของเซ็นเซอร์ชนิดนี้ ได้แก่ การตรวจวัดในน้ำทะเล น้ำเสีย หรือกรดหรือด่างเจือจาง

การเลือกเซ็นเซอร์วัดค่าการนำไฟฟ้าสำหรับห้องปฏิบัติการที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้ผลลัพธ์ที่ถูกต้องแม่นยำและเชื่อถือได้ เซ็นเซอร์ที่เหมาะสมหมายถึงเซ็นเซอร์ที่ตรงตามความต้องการใช้งานมากที่สุด

ก. ข้อกำหนดพื้นฐาน คือ ไม่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นระหว่างตัวอย่างกับเซ็นเซอร์ สำหรับตัวอย่างที่ทำปฏิกิริยาทางเคมี แก้วและแพลทินัมมักเป็นตัวเลือกที่เหมาะสม เนื่องจากมีความต้านทานเคมีดีที่สุดในกลุ่มวัสดุเซลล์ที่ใช้บ่อยทั้งหมด สำหรับการใช้งานภาคสนามและในห้องปฏิบัติการหลายๆ ประเภท ความเสถียรทางกลของเซ็นเซอร์เป็นปัจจัยที่สำคัญกว่า มักมีการใช้งานเซ็นเซอร์วัดค่าการนำไฟฟ้าที่ทำจากอีพอกซีและอิเล็กโทรดกราไฟต์อยู่บ่อยๆ เนื่องจากมีความทนทานสูงและทนต่อสารเคมีได้ดี สำหรับสารละลายชนิดมีน้ำเป็นส่วนประกอบและตัวทำละลายอินทรีย์ที่ทำปฏิกิริยาต่ำ การใช้เซลล์ที่ทำจากเหล็กหรือไทเทเนียมมักเป็นตัวเลือกที่ดี การเลือกยิ่งมีความสำคัญในกรณีที่เป็นตัวอย่างชนิดไม่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ มีการนำไฟฟ้าต่ำ โปรตีนสูง และมีความหนืด ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดได้ หากวัดค่าด้วยเซ็นเซอร์วัดค่า pH ที่ใช้เป็นประจำ

ข. ค่าคงที่ของเซลล์ที่เหมาะสมจะสัมพันธ์กับค่าการนำไฟฟ้าของตัวอย่าง ยิ่งค่าการนำไฟฟ้าที่คาดหวังของตัวอย่างต่ำ ค่าคงที่ของเซลล์ในเซ็นเซอร์ก็จะยิ่งต่ำด้วย เมื่อต้องเลือกว่าจะใช้เซลล์แบบ 2 ขั้วหรือเซลล์แบบ 4 ขั้ว คุณสามารถใช้กฎความสะดวกรวดเร็วได้ กล่าวคือ ควรใช้เซลล์แบบ 2 ขั้วสำหรับการตรวจวัดที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ สำหรับการตรวจวัดที่มีค่าการนำไฟฟ้าปานกลางถึงสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการตรวจวัดที่มีช่วงการนำไฟฟ้ากว้าง ขอแนะนำให้ใช้เซลล์แบบ 4 ขั้ว
 

การชดเชยอุณหภูมิทำได้หลายวิธีด้วยกัน

อุณหภูมิมีผลอย่างมากต่อค่าการนำไฟฟ้าในสารละลายที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ (~2%/องศาเซลเซียส) จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมักมีการเชื่อมโยงทุกการตรวจวัดกับอุณหภูมิอ้างอิง โดยอุณหภูมิที่ใช้อ้างอิงส่วนใหญ่ในกรณีที่ตรวจวัดค่าการนำไฟฟ้าจะอยู่ที่ 20 หรือ 25 องศาเซลเซียส

วิธีการแก้ไขอุณหภูมิที่แตกต่างกันพัฒนาขึ้นเพื่อให้เหมาะกับผู้ใช้ที่หลากหลาย ได้แก่

• แบบเชิงเส้น: สำหรับตัวกลางและสารละลายที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง
• แบบไม่ใช่เชิงเส้น: สำหรับน้ำธรรมชาติ เช่น น้ำใต้ดิน น้ำผิวดิน น้ำดื่ม และน้ำเสีย
• น้ำบริสุทธิ์: น้ำบริสุทธิ์สูง น้ำปราศจากไอออน น้ำกลั่น
• ไม่มี: บางมาตรฐานอย่างเช่น USP <645> ห้ามไม่ให้มีการชดเชยอุณหภูมิใดๆ ทั้งสิ้น

ผลกระทบจากอุณหภูมิที่มีต่อไอออนต่างๆ และแม้แต่ความเข้มข้นที่แตกต่างกันของไอออนเดียวกันก็อาจสร้างความท้าทายได้ ดังนั้น จึงต้องมีการกำหนดค่าปัจจัยการชดเชยที่เรียกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (α) สำหรับตัวอย่างแต่ละประเภท (เช่นเดียวกับสารมาตรฐานการสอบเทียบ เครื่องวัดของ METTLER TOLEDO ทั้งหมดสามารถดำเนินการชดเชยนี้ได้โดยอัตโนมัติด้วยการใช้ตารางค่าอุณหภูมิที่กำหนดไว้ล่วงหน้า)

คู่มือการใช้งานทั้งหมดมีข้อมูลที่จำเป็นเกี่ยวกับการเก็บรักษาเซ็นเซอร์ที่เกี่ยวข้องทั้งในระยะสั้นและในระยะยาว โดยทั่วไปแล้วควรจัดเก็บหัววัดค่าการนำไฟฟ้าสำหรับห้องปฏิบัติการไว้ในที่แห้ง หากต้องเก็บรักษาไว้เป็นเวลานาน

อิเล็กโทรดวัดค่าการนำไฟฟ้าสำหรับห้องปฏิบัติการไม่มีวันหมดอายุ หากใช้เซ็นเซอร์ในขีดจำกัดอุณหภูมิที่กำหนด และตัวเซ็นเซอร์รวมถึงสายเคเบิลไม่ได้รับแรงเชิงกลอย่างรุนแรง อีกทั้งไม่ได้อยู่ในสภาวะทางเคมีที่รุนแรง ในเชิงทฤษฎีแล้วเซ็นเซอร์นี้จะใช้งานได้ตลอดไป อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงของค่าคงที่ของเซลล์อาจเกิดขึ้นได้เช่นกัน เนื่องจากการสะสมของสารไขมันและสารตกตะกอน ในเกือบทุกกรณี การล้างด้วยเอทานอล ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์ หรืออะซิโตน จะช่วยคืนสภาพให้กับเซ็นเซอร์ได้

เซ็นเซอร์ที่มีช่วงการวัดค่าการนำไฟฟ้าต่ำอย่าง InLab 741, InLab 742 และ InLab Trace มาพร้อมกับใบรับรองที่ระบุค่าคงที่ของเซลล์ที่วัดได้ โดยเป็นค่าคงที่ของเซลล์ที่ผ่านการรับรองและมีการกำหนดทันทีหลังเสร็จสิ้นกระบวนการผลิตที่โรงงาน ทั้งยังมาพร้อมความสามารถในการตรวจสอบย้อนกลับตามมาตรฐาน ASTM และ NIST ด้วยค่าความไม่แน่นอนสูงสุดที่ ± 2% จึงมีความแม่นยำเพียงพอ และสามารถใช้สำหรับการตรวจวัดค่าการนำไฟฟ้าได้ด้วยการป้อนค่าคงที่ของเซลล์ลงในเครื่องวัดโดยตรงและไม่จำเป็นต้องสอบเทียบ ค่าคงที่ของเซลล์ที่รับรองมีระบุไว้ในใบรับรองคุณภาพ พิมพ์ติดอยู่ที่สายเคเบิลเซ็นเซอร์ และบันทึกไว้ในชิปเซ็นเซอร์ ISM

เนื่องจากเซ็นเซอร์นี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้งานในตัวกลางที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ เช่น น้ำบริสุทธิ์ น้ำบริสุทธิ์สูง น้ำกลั่น และน้ำปราศจากไอออน เซลล์ตรวจวัดจึงแทบไม่มีแนวโน้มที่จะได้รับผลกระทบจากการปนเปื้อน จึงนับว่าค่าคงที่ของเซลล์มีความเสถียร แต่อย่างไรก็ตาม การตรวจสอบความแม่นยำโดยทั่วไปด้วยสารมาตรฐานการนำไฟฟ้า (เช่น 10 ไมโครซีเมนส์/เซนติเมตร) มีความสำคัญอย่างยิ่ง

เซ็นเซอร์วัดค่าการนำไฟฟ้าอื่นๆ ทั้งหมดของ METTLER TOLEDO มีค่าคงที่ของเซลล์ที่ระบุแสดงอยู่บนใบรับรอง เซ็นเซอร์เหล่านี้ต้องได้รับการสอบเทียบก่อนนำไปใช้กับสารมาตรฐานการสอบเทียบที่เหมาะสม

หากไม่ทราบค่าคงที่ของเซลล์ที่แน่นอน ต้องทำการสอบเทียบ เมื่อทราบค่าคงที่ของเซลล์ที่แน่นอน แค่ทำการตรวจสอบยืนยันก็เพียงพอแล้ว ซึ่งจะทำได้ในกรณีที่เซ็นเซอร์มีค่าคงที่ของเซลล์ที่ผ่านการรับรองหรือเซ็นเซอร์ได้รับการสอบเทียบก่อนหน้านี้

ได้ หากทำได้ สสารอินทรีย์มีคุณสมบัติที่ไม่แตกตัว สารประกอบอินทรีย์ เช่น ผลิตภัณฑ์เบนซิน แอลกอฮอล์ และปิโตรเลียมมีการนำไฟฟ้าที่ต่ำมาก

ควรล้างเซ็นเซอร์ด้วยน้ำปราศจากไอออนหลังการตรวจวัดทุกครั้ง หากเซ็นเซอร์สัมผัสกับตัวอย่างที่ผสมกับน้ำไม่ได้ ควรล้างด้วยตัวทำละลายที่ผสมกับน้ำได้ เช่น เอทานอลหรืออะซิโตน และล้างให้สะอาดอีกครั้งด้วยน้ำปราศจากไอออน หากมีของแข็งสะสมอยู่ด้านในเซลล์ตรวจวัด ให้ขจัดออกอย่างระมัดระวังโดยใช้ก้านสำลีจุ่มน้ำยาทำความสะอาด แล้วล้างเซ็นเซอร์ด้วยน้ำปราศจากไอออน

(ข้อควรระวัง: ห้ามทำความสะอาดกลไกเซ็นเซอร์ที่มีขั้วเคลือบแพลทินัม เนื่องจากอาจทำให้เซ็นเซอร์เสียหายได้)