Konduktivitet

Elektrisk konduktivitet, även kallat ledningsförmåga eller endast ”EC”, är en naturlig egenskap hos de flesta material. Storleken sträcker sig från högkonduktiva material som metaller till helt isolerande material som glas och keramik.

Vår utrustning mäter konduktivitet i vattenlösningar. I detta fall bärs den elektriska strömmen fram av joner i lösning. Fler joner i lösning ger i de flesta fall en högre konduktivitet. Detta gäller dock inte vid högre koncentrationer, se Konduktivitet och koncentration. En lösnings konduktivitet varierar också kraftigt med temperatur, läs mer om detta under Konduktivitet och temperatur.

Konduktivitet mäts med en konduktivitetsmätare. Denna består av en mätenhet och en konduktivitetsprob. I de flesta fall har proben även en inbyggd temperaturgivare.

 

Vid mätning skickas en växelström mellan probens poler och lösningens resistans mäts, se Figur 1.1. Eftersom arean av, och avståndet mellan, polerna är konstant, och definierat i probens cellkonstant, ger denna mätning provets resistivitet, och därmed konduktivitet, enligt formel 1.1 nedan.

Formel 1.1 Konduktivitet (κ) är det reciproka värdet av resistivitet (ρ)

Formel 1.2 R=resistans, d=avstånd mellan poler, A=polernas area, ρ= resistivitet

Formel 1.3 Konduktivitet (κ) är det reciproka (omvända) värdet av resistivitet (ρ)

 

Innan mätning kalibreras utrustningen genom mätning av resistans (R*) i en lösning med känd konduktivitet (ρ*) och en cellkonstant C (med enheten cm^-1) erhålles. Denna beräkning sker automatiskt i mätaren.

Cellkonstanten beror på designen av konduktivitetsproben och påverkas av både avståndet mellan polerna och deras area. Prober med små cellkonstanter (t.ex. 0,1 cm^-1) är anpassade för mätning i jonsvaga prover som t.ex. pannvatten, medan större konstanter (t.ex. 10,0 cm^-1) lämpar sig bättre i starka saltlösningar. Se Tabell 1.1 nedan.

 

Skillnaden mellan konduktivitetsprober med två och fyra poler

Informationen ovan gäller specifikt för konduktivitetsprober med två poler, som är den vanligaste designen på marknaden. I detta fall skickas en växelström mellan två poler och motståndet mäts mellan dem. Prober med fyra poler, som exempelvis Orion DuraProbe, fungerar på liknande sätt, men använder fyra elektroder i stället för två. Denna design är bättre på nästan alla sätt.

Denna teknik ger fördelar som:

• Bredare mätområde
• Stabilare kalibrering
• Mätning kompenserad för beläggningar på, och polarisering av, polerna
• Cellkonstant och mätresultat är oberoende av kabelns och kontakternas resistans. Detta möjliggör kabellängder på upp till 10m för mätning på djup i sjöar, vattendrag och brunnar.

 

Konduktivitetsprober med fyra elektroder

Prober med fyra elektroder ger användaren betydande fördelar, särskilt i lösningar med hög konduktivitet. 4-elektrodceller består av två drivelektroder och två mätelektroder, se Figur 1.2. Drivelektroderna drivs av växelspänning, och strömstyrkan mellan dem mäts för att bestämma lösningens konduktivitet. Amplituden för spänningen vid drivelektroderna styrs av den spänning som mäts vid mätelektroderna.
Mätelektroderna är placerade i en del av cellen med låg strömstyrka och spänningen mäts med högimpedanskrets. På detta sätt mäts den elektriska fältstyrkan i cellen med hög noggrannhet. Genom att hålla fältstyrkan konstant blir strömstyrkan mellan drivelektroderna proportionell mot provets konduktivitet.

Vår mest populära konduktivitetsprob, Orion DuraProbe, 013005MD använder sig av ”4-polsdesign”, något som Orion kallar för ”DuraProbe”. Denna design innebär att proben består av dubbla mätceller som kan kompensera för exempelvis beläggningar på elektroderna som kan uppstå under mätning. Även effekten av polariseringsfel, även om denna är relativt liten, elimineras. Temperaturgivaren i denna modell är placerad nära mätcellerna och ger mycket snabba resultat vid förändringar.

Fördelar med DuraProbe gentemot prober med två poler:

• Bredaste mätområdet i vårt sortiment, 1 µS/cm till 200 mS/cm
• Stabilare kalibrering
• Mätning kompenserad för beläggningar på poler
• Cellkonstant och mätresultat är oberoende av kabelns resistans. Detta möjliggör kabellängder på upp till 10m för mätning i sjöar, vattendrag och brunnar
• Temperaturprobens placering ger mycket snabbt resultat vid temperaturförändringar.

Designen innebär kalibreringar som håller längre och en prob som lämpar sig väl både på labb och i fält.
Vid mätning i ultrarent vatten som pann- och WFI-vatten under 1 µS/cm bör dock en prob med två poler och cellkonstant 0,1 cm^-1 användas. För dessa mätningar är Orion 013016MD med flödescell det bästa alternativet till Orions mätare.

 

Applikationer för konduktivitetsmätning

Några vanliga applikationer för konduktivitetsmätning är:

• Övervakning av renhet i skölj- och pannvatten.
• Mätning av renhet i WFI-vatten (water for injection)
• Riktvärde för total kemikaliehalt i kemiska processer
• Mätning av salinitet och TDS (total dissolved solids) i sjöar, vattendrag och akvarier
• Mätning av koncentration i utspädda saltlösningar med känd sammansättning

 

Varför mäter man konduktivitet?

Låg konduktivitet innebär ett vatten med låg halt av lösta salter. Konduktivitet används därför ofta som ett sätt att kontrollera renhet i vatten. Detta är mycket vanligt vid exempelvis ytbehandling, där för hög konduktivitet i sköljvatten kan ge korrosion på behandlat material.

Vid miljöarbete och ekologiska mätningar mäts konduktivitet för att kontrollera salinitet i naturliga vattendrag, sjöar och hav. I vissa fall mäts även konduktivitet direkt i jord.

Onormalt hög konduktivitet kan indikera föroreningar från utsläpp eller låg tillförsel av sötvatten.

I fall där man vet vad ett prov innehåller eller skall innehålla kan konduktivitet användas som ett sätt att veta hur mycket (vattenlösliga) kemikalier som finns, dvs koncentration. Emulgerade ämnen leder inte ström och påverkar i teorin inte konduktiviteten. Dessa kan dock påverka konduktivitetsmätningen genom att blockera mätcellen.

 

Kalibrering av konduktivitetsmätare

Den nominella cellkonstanten för ansluten prob matas in i mätaren innan kalibrering. Detta möjliggör automatisk igenkänning av standardlösningar, som 1413 µS/cm och 84 µS/cm. Vid kalibrering justeras konstanten till sitt verkliga värde, vilket förändras i takt med att proben åldras och används. När konstanten hamnar för långt ifrån sitt nominella värde går det ej längre att kalibrera och proben behöver rengöras och eventuellt bytas. Metoden för rengöring varierar mellan olika prober.

Enligt Europeiska Farmakopén skall en prob bytas ut när konstantens värde skiljer mer än 5% från dess nominella värde (European Pharmacopoeia: 01/2008:20238).

Värdet på en konduktivitetsstandard gäller vid en bestämd temperatur, oftast 25°C. Vid andra temperaturer är värdet annorlunda. Kalibrering bör därför om möjligt ske vid 25°C. En tabell över hur standardernas värde ändras med temperatur finns i de flesta fall på flaskan. Dessa värden är inbyggda i moderna mätare och mätaren kompenserar automatiskt för detta vid kalibrering.

Temperaturen påverkar även konduktiviteten i provet man mäter i, och det finns olika sätt att kompensera för detta. Mer information om detta finns under ”kond och temp.”.

 

Konduktivitet och temperatur

Generellt ökar konduktiviteten i en lösning vid ökad temperatur. Vätskans viskositet blir lägre och joner rör sig snabbare. För att kunna jämföra mätningar utförda vid olika temperaturer rapporteras konduktivitet vid en bestämd temperatur, oftast 25°C.

Oftast används en linjär temperaturkoefficient. För rena saltlösningar är temperatur-konduktivitetssambandet linjärt upp till en viss koncentration.
För en ren lösning av NaCl är koefficienten 2,12%/°C.

 

I många lösningar, som exempelvis avjoniserat och naturligt vatten, är temperaturberoendet inte linjärt, se Figur 4.1. I dessa fall rekommenderas att både kalibrering och mätning sker vid 25°C.

Vid mätning i fält är det oftast inte rimligt att justera temperaturen. Man har i dessa fall ett antal alternativ för temperaturkorrigering:

• Räkna ut en approximerad linjär koefficient genom att mäta konduktiviteten (utan temperaturkorrigering) i ett eller flera representativa prov vid ett antal noggrant uppmätta temperaturer.
• Använd icke-linjär temperaturkorrigering för naturligt vatten (nLFn).
  Detta används vid mätning i mycket jonsvaga vatten (runt 1µS/cm) samt naturliga grund-, brunns-, och ytvatten som står i jämvikt med luftens koldioxid.
  I detta fall används en icke-konstant faktor för att justera mätvärdet efter referenstemperatur.
  Denna funktion stöds endast av våra mätare i Orions Star A200 och 300-serier.
• Använd icke-linjär temperaturkorrigering för ultrarent vatten (nLFu)
  Detta används vid mätning i ultrarent vatten (destillerat, avjoniserat, WFI) utan kontakt med atmosfären. Här tas alltså ingen hänsyn till effekten av löst koldioxid som i nLFn.
  Denna funktion stöds endast av våra mätare i Orions Star A300-serie.
• Stäng av temperaturkorrigeringen. I detta fall antecknas både uppmätt konduktivitet och temperatur och omräkningen sker i efterhand.

 

Konduktivitet och koncentration

Det finns ett samband mellan konduktivitet och koncentration.

Detta samband är ofta linjärt vid visst koncentrationsintervall, och konduktivitet kan därmed användas för koncentrationsbestämning av många lösningar med känt innehåll.

Detta gäller för utspädda lösningar upp till en viss gräns. När för många joner finns i lösning begränsas deras rörlighet och och konduktiviteten kan därmed i vissa fall sjunka vid ökad koncentration. Effekten kan även bli att en lösning kan ha samma konduktivitet vid olika koncentrationer. Se NaOH och HCl i Tabell 5 nedan.

Prov vid 25 °C	Konduktivitet, µS/cm
Destillerat, avgasat vatten	0,055
NaOH, 5%	223 000
NaOH, 50%	150 000
HCl, 10%	700 000
HCl, 32%	700 000
Salpetersyra, 31%	865 000

Tabell 5 Konduktiviteter för ett antal lösningar vid olika koncentrationer

 

Konduktivitetsproben

Våra prober finns i ett antal modeller. Det som skiljer dem åt är:

• Antal celler och placeringen av dessa (2- eller 4-polsdesign)
• Polernas material
• Probens material
• Integrerad temperaturgivare