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『电导率系列专题』电导率溶液的特性与安装

  • 关键词:电导率传感器,电导率分析仪
  • 摘要:根据前几期介绍的内容,电导率传感器设计原理不同,其施加的电压大小、电压频率和供电回路的方式也不尽相同,所以设置选择正切的电极类型,是获得准确测量数值的关键之一。

前几期,

小梅介绍了电导率分析仪的选择、测量的干扰因素及解决方案。

 回顾链接:

·        你知道,如何正确的选择电导率传感器吗?

·        电导率测量的干扰因素及解决方案

·        电导率系列专题』电导率溶液的特性与安装

接下来,这一期将介绍电导率分析仪主要参数的设置,包括传感器信息的设置、温度补偿方式的选择,以符合法规和行业标准的应用要求。

1

传感器信息设置

A. 电极类型的选择

根据前几期介绍的内容,电导率传感器设计原理不同,其施加的电压大小、电压频率和供电回路的方式也不尽相同,所以设置选择正切的电极类型,是获得准确测量数值的关键之一。

B.电极常数输入

测量前的准备工作

在测量电导率之前,必须将电极常数与温度校准系数输入并存储在分析仪内。

·对于传统式模拟传感器,使用仪器菜单手动输入传感器证书或标签上的工厂校准电极常数与温度常数。为了确保最佳准确度和精度,梅特勒-托利多Thornton 所有传感器的电极常数均精确至小数点后四位。

·智能传感器管理 (ISM®) 功能的智能传感器与 UniCond® 传感器将工厂电极常数与温度常数存储在传感器内。这类传感器与变送器连接后,变送器将自动读取这些数据。

电极常数为什么非常重要?

电导率测量过程中,电导率分析仪首先测量的是两个电极板之间水溶液的电阻R(R=U / I)(图1),然后根据电极常数计算电导率或电阻率;

图1:电导池示意图

电阻R的大小取决于电阻的横截面积(H*W)和长度(L);电极常数K=W*H*L,这两个参数相辅相成,如果其中一个不匹配,就会导致非常大的电导率测量误差。


根据计算公式电导率G=R*K,电导率G的准确性和电极常数成正比例关系;电阻率ρ则成反比关系。

基于上述因素,根据测量范围选择合适电极常数的传感器,如果生产过程中电极常数容差过大,将无法确保准确的测量结果。


因此,梅特勒-托利多Thornton工厂对每一支传感器进行单独校准和验证,用于测量超纯水的2-电极传感器,校准的电导池常数和温度常数可溯源至ASTM 和NIST。


由于温度补偿也会产生比较大的测量误差,因此对温度传感器同样进行单独校准以确保高准确度。

1. 电导率温度补偿

a. 什么是电导率的温度补偿?

将测量所得电导率转化为参比温度(通常为25 °C)下的电导率测量值。温度补偿使测量数值不受温度波动的影响,换算成可与行业标准比较的数值。


b. 响温度补偿的因素?

由于不同种类的样品对温度的响应性各异,因此应当根据应用选择适用的补偿方式。


  • 样品粘度:温度同样会影响当量电导,温度较高时,离子的运动会加剧,溶剂的粘度降低,从而导致离子的移动性提高。因此,即使离子浓度有可能保持恒定,但是检测到的样品电导率也会上升, 这可以说是最常规测量的温度补偿。


  • 电解程度:在纯水中、高浓度电解质溶液中,特别是弱电解质溶液,温度会对电解程度产生不同程度的影响,因此离子浓度也会变化。这进一步证明了电导率会随着温度发生变化。


  • 举例说明:必须对每一个电导率结果指定温度或者进行温度补偿,通常补偿至行业标准温度(即:25 °C)。例如,在20 °C 条件下,0.01摩尔氯化钾的电导率为1278 μS/cm,而在25 °C 时变为1413 μS/cm。经常会使用电导率测量化学物质浓度,因此读数会参考或被补偿至参比温度,这样可将不同温度条件下的测量结果同标准值进行比较。


c. 如何选择温度补偿方式?

由于不同样品,尤其是纯水受温度影响的程度不同,因此已开发了不同方法应对这些效应。

制药用水标准,需要符合 ChP 2015<0681>、USP<645>或类似药典要求的制药用水电导率测量,补偿方式设定为“无”,即不补偿。所以制药用水必须报告未补偿时的电导率和温度测量值,并确保其符合药典限制要求(表1和表2)。

温度

电导率限值

μS/cm

温度

电导率限值

μS/cm

0

0.6

55

2.1

5

0.8

60

2.2

10

0.9

65

2.4

15

1

70

2.5

20

1.1

75

2.7

25

1.3

80

2.7

30

1.4

85

2.7

35

1.5

90

2.7

40

1.7

95

2.9

45

1.8

100

3.1

50

1.9



表1:无温度补偿时注射水(WFI)温度和电导率限值表


温度

电导率限值

μS/cm

温度

电导率限值

μS/cm

0

2.4

60

8.1

10

3.6

70

9.1

20

4.3

75

9.7

25

5.1

80

9.7

30

5.4

90

9.7

40

6.5

100

10.2

50

7.1



表2:纯化水(PW)无温度补偿时温度和电导率限值表

因为在线监测水质的限值是根据未补偿电导率与温度之间的关系表判断,这可消除温度补偿带来的不确定误差。用于这些应用的测量仪通常内置监控限值表,从而在达到限制时及时发出报警。


不过,大部分位于最终产水前端的测量点的制药过程监测电导率分析仪,则使用温度补偿测量方式,这样可以非常简单的实现过程监控。梅特勒-托利多电导率分析仪可同时显示补偿和未补偿的数值,并且可分别输出参与自动化控制。


例如: 温度73.7℃未补偿的电导率值是2.6 μS/cm,但 70℃时电导率限度值为2.5μS/cm. 所以不通过!


  • 电力行业比导,指样品(通常含有氨和/或胺)的直接电导率测量结果(电导率范围在 2 至 15 μS/cm 之间),通常与控制pH的加氨量相关,所以该测量选择“氨”温度补偿方式。


电力行业阳离子电导率,指样品通过阳离子交换柱,将所有氨与胺去除后的电导率测量值(通常在小于 0.5 μS/cm范围内)。它可反映阴离子总浓度(例如:氯化物、硫化物等ppb浓度值)。此测量亦称为氢导或阳 导。所以该测量选择“阳离子”温度补偿方式。


浓度测量:在特定应用中,可使用电导率计算溶液中酸碱盐的浓度,在梅特勒-托利多Thornton 变送器中,当选择直接显示化学浓度时,不论温度补偿设定为那种类型,均会使用特定化学品的独特温度特性进行补偿。


  • 电子半导体和其他行业,也希望使用温度补偿方式测量。梅特勒-托利多Thornton开发了“标准”温度补偿算法,该补偿涵盖多种中性离子,可适用超纯水至高盐度水的温度补偿需求。因此,该补偿方式广泛用于超纯水处理海水淡化工艺过程。

  • 梅特勒-托利多 Thornton 变送器中提供更多专业的补偿算法,准确进行电导率测量(表3)。

温度补偿算法

应用

非补偿测量满足最终制药用水监测要求

线性% / °C

通常涉及酸性或碱性物质的特殊工艺;可以 20 或25 °C 为参考温度

Ammonia(氨)

含有氨和/或胺的发电工业循环化学样品

Cation(阳离子)

已通过阳离子交换器和含有微量酸性物质的发电工业循环化学样品

Light 84

使用 T.S. Light 公布的 1984 年纯水数据,与标准补偿方式类似,但略有差异

标准 75 °C

与标准补偿方法类似,但参考温度为75 ℃,用于微电子超纯水工艺

Alcohol(酒精)

含有大约 50% 异丙醇的纯水

Glycol(乙二醇)

含有大约 50% 异丙醇或 100% 异丙醇(可选)的纯水

表3:梅特勒-托利多 Thornton温度补偿方式

所以选择正确的温度补偿曲线,

不仅能够确保准确的测量,

也是符合法规或行业标准的关键。

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下一期,将介绍电导率分析仪的校准与验证。

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http://www.mt.com/cn/zh/home/products/Process-Analytics/conductivity-sensor.html


发布时间:2017年7月24日 15:32  人气:   审核编辑(王静)
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