hoofdartikel artikelen
technologie > instrumentatie > analyse > geleidbaarheid
Download download article

Geleidbaarheid

Inhoudsopgave
 De celconstante
 Temperatuureffecten
 Temperatuurcompensatie.
 USP <645>
Geleidbaarheid is het vermogen van een oplossing om stroom te geleiden. De stroom is evenredig aan het aantal ionen dat aanwezig is in de oplossing. Ondanks het feit dat de meting van geleidbaarheid niet-specifiek is, wordt de techniek wijd gebruik in analytische chemie, vooral in de karakterisering van waterzuiverheid. Meting van geleidbaarheid wordt ook gebruikt om de concentratie van chemicaliën vast te stellen, omdat het een goed gedefinieerd maar niet altijd lineair verband geeft tussen geleiding en concentratie over een groot concentratiebereik. Het is een snelle en goedkope manier om de ionische sterkte van een oplossing te bepalen.
In fig.1 zijn twee platen van een zeker materiaal in een oplossing geplaatst. De geometrie bestaat uit de lengte L van de vloeistofkolom tussen de platen en de doorsnede A van de vloeistofkolom. Als een wisselspanning E aangesloten wordt tussen de twee platen (elektrodes genoemd), zullen de ionen tussen de elektrodes bewegen en een elektrische stroom I zal beginnen te vloeien.

(Fig.1: Opzet om geleidbaarheid van een oplossing te meten)

Geleidbaarheid wordt aangeduid door het symbool κ (kappa) en heeft de eenheid Siemens per centimeter: S/cm.





(Fig.2: Geleidbaarheid versus soortelijke weerstand)

Voor ultrazuivere watertoepassingen is de omgekeerde waarde van geleidbaarheid, de soortelijke weerstand, gebruikelijk. Soortelijke weerstand wordt uitgedrukt in Ohm cm (Ω cm). Sommige overeenkomende waarden worden in Fig. 2 getoond.

De celconstante

Geleidbaarheid wordt gemeten in een geleidbaarheidscel. Aangenomen dat de mechanische eigenschappen van de cel niet veranderen over het gehele temperatuurbereik blijft de term L/A constant. Deze term kan worden vervangen door c, de celconstante, uitgedrukt in cm-1.



In een cel waarbij vierkanten van 1 bij 1 cm platina worden gebruikt, 1 cm van elkaar, is de celconstante 1.0 cm-1 en de geleiding in μS is numeriek gelijk aan de geleidbaarheid in μS/cm. Voor oplossingen met lage geleidbaarheid kunnen de elektrodes dichtbij elkaar worden geplaatst (vermindering van L) om celconstanten van 0.1 cm-1 of 0.01 cm-1 te geven. Dit verhoogt de geleiding tussen de platen en maakt het gemakkelijker voor het elektronisch circuit om resultaat te verkrijgen. Zo ook voor oplossingen met hoge geleidbaarheid: L kan verhoogd worden om een celconstante van 10.0 of meer te geven.

Alternatieve sensoren zijn ontwikkeld om de problemen van traditionele cellen te overwinnen: 4-elektrode geleidbaarheidssensoren bestaan uit twee stroom- en twee spanningselektrodes. Polarisatie treedt namelijk alleen op aan de stroomelectrodes terwijl er een spanningsverlies wordt gemeten tussen de spanningselectrodes waar polarisatie geen effect heeft. Het voordeel van een dergelijke sensor is als volgt:
  • Geen polarisatie
  • Groot meetbereik met een vaste celkonstante
  • Bruikbare sensorafmetingen
Inductieve geleidbaarheidssensoren (zonder electrodes, ringvormig) bestaan uit twee hoogwaardige ringvormige spoelen die concentrisch naast elkaar geplaatst zijn in een niet-geleidende houder. Deze spoelen vormen een spanning- en stroomomzetter.

De sensor is ontwikkeld op zo'n manier dat een deel van het vloeibare middel een gesloten geleidende stroomkring vormt door de spoelen.

De primaire spoel wordt onder een sinusvormige wisselspanning gezet die een magneetveld doet ontstaan. In vloeistoffen die stroom geleiden veroorzaakt dit een stroomsterkte evenredig met het oplossingsmonster. De vloeistofkring werkt tegelijkertijd als de primaire winding van de tweede spoel waarin het magnetisch veld een spanning opwekt. Deze stroom wordt gecorrigeerd naar de juiste fase en versterkt. Een inductieve sensor heeft de volgende voordelen:
  • Geen polarisatie
  • Ongevoelig voor vervuiling, afzetting of laagvorming op het sensoroppervlak
  • Totale galvanische scheiding van de meetcomponenten en het procesmedium

Temperatuureffecten

De beweeglijkheid van ionen (en dus geleidbaarheid) in een vloeibare oplossing neemt toe als de temperatuur stijgt. De verandering per ºC wordt uitgedrukt in een temperatuurcoëfficiënt α. Zodra deze coëfficiënt is vastgesteld voor een bepaalde oplossing kan de geleidbaarheid bij elke temperatuur berekend worden.



Waar:
κ: Geleidbaarheid bij T
κ0: Geleidbaarheid bij T0
α0: Temperatuurcoëfficiënt bij T0
T: Gemeten temperatuur
T0: Referentietemperatuur

In ultrapuur water is de verandering in geleidbaarheid bij stijgende temperatuur veel groter dan in goed geleidende oplossingen. Fig. 3 laat deze afhankelijkheid zien over en temperatuurbereik van 0ºC tot 100ºC. De temperatuurcoëfficiënt verandert van 7,3%/ºC bij 0ºC tot 2,3%/ºC bij 100ºC. Het is duidelijk dat deze functie niet lineair is.


(Fig. 3: Soortelijke weerstand van ultrapuur water bij verschillende temperaturen)

De temperatuurafhankelijkheid, die ook afhangt van de concentratie, is verschillend voor elke component. Gewoonlijk varieert de temperatuurcoëfficiënt tussen 1% en 6% per ºC.

Voor natuurlijk water en de meeste zoutoplosingen is de temperatuurcoëfficiënt ongeveer 2%/ºC. Voor sterkte zuren is de temperatuurcoëfficiënt ongeveer 1,9%/ºC. Voor sterke basen is de temperatuurcoëfficiënt ongeveer 1,6%/ºC.

Temperatuurcompensatie.

Om metingen, die gedaan zijn bij verschillende temperaturen, te kunnen vergelijken, moeten ze aan een standaardtemperatuur gerefereerd worden. De huidige standaardtemperatuur is 25ºC. Temperatuurcompensatie is het terugrekenen van de geleidbaarheid bij een gegeven temperatuur naar die bij de standaardtemperatuur. Voor de meeste zoutoplossingen verandert de geleidbaarheid lineair met de temperatuur. Dus kan er een recht verband tussen κ en T gedefinieerd worden:



Waar:
κ25: geleidbaarheid bij 25ºC
κ: geleidbaarheid bij temperatuur T
α: temperatuurcoëfficiënt
T: temperatuur

Helaas hebben sommige oplossingen geen lineair verband tussen geleidbaarheid en temperatuur. Dergelijke verbanden moeten met meervoudige vergelijkingen aangepakt worden om tot betrouwbare resultaten te komen. Hedendaagse, met microprocessoren uitgeruste analyseapparatuur kunnen goed voldoen aan de behoefte van gebruikers.

USP <645>

Deze richtlijn van USP (United States Pharmacopoeia) stelt een standaard vast voor bepalen van de kwaliteit van puur water gebaseerd op de meting van elektrische geleidbaarheid. Aan de ene kant is deze methode werkbesparend voor de farmaceutische industrie, maar aan de andere kant stelt het concrete eisen aan de gebruikte geleidbaarheidstechnieken. De richtlijn werd ingesteld in de farmaceutische industrie in november 1996 en vervangt in principe een serie chemische testen waarmee waterkwaliteit werd vastgesteld voor WFI (Water for Injection) en puur water (PW). Beschreven wordt een 3-staps test waarin stap 1 de mogelijkheid geeft voor online, niet-temperatuurgecompenseerde geleidbaarheidsmetingen. Stap 2 en 3 beschrijven off-line geleidbaarheidsmetingen voor het geval stap 1 mislukt. Onderstaande tabel (Fig. 4) laat de maximaal toegestane online geleidbaarheid volgens stap 1.


(Fig. 4: Maximum geleidbaarheidslimieten voor online geleidbaarheidsmetingen)

Specifieke eisen voor de meetapparatuur (sensor en transmitter) staan beschreven in de richtlijn en in Fig. 5.

De sensoren moeten voor de celconstante een nauwkeurigheidsbereik hebben kleiner dan 2%, terwijl er verschillende specificaties bestaan voor de transmitter.


(Fig. 5: Specifieke eisen voor de meetapparatuur)


Klik voor aanvullende informatie over Geleidbaarheid
forumGeef uw reactie op dit artikel
Alle velden zijn verplicht. Uw persoonlijke informatie wordt niet op de site geplaatst. Hyfoma levert geen machines, maar verwijst alleen naar de bedrijven die de machines leveren. De meeste genoemde bedrijven leveren alleen machines voor de voedselindustrie en produceren geen voedsel.

Naam: Email:
Functie: Bedrijf:

geleidbaarheid

Geleidbaarheid is het vermogen van een oplossing om stroom te geleiden. De stroom is evenredig aan het aantal ionen dat aanwezig is in de oplossing. Ondanks het feit dat de meting van geleidbaarheid niet-specifiek is, wordt de techniek wijd gebruik... lees volledige beschrijving

Klik voor aanvullende informatie over Geleidbaarheid