Konduktometri i njihovo umjeravanje

23.11.2020. | konduktometri, LorisQ, Umjeravanje |

Konduktometri su mjerni uređaji koje često susrećemo u laboratorijima. Mjere električnu provodnost tekućina, pa saznajemo koliko je otopljenih tvari u tekućini.

Slika 1. Konduktometar

Struju u tekućinama provode ioni, tj. pozitivno (kationi) i negativno (anioni) nabijene čestice. Tekućine koje dobro provode električnu struju nazivamo elektrolitima. Destilirana voda tako vrlo slabo provodi struju jer je iz nje destilacijom uklonjena većina tvari koja disocira, odnosno koja se u vodi razlaže (otapa) na ione koji provode struju. Obična pak voda sadrži minerale i soli zbog kojih će provoditi struju, pa se konduktometri često koriste u laboratorijima upravo za analizu vode, ali i raznih drugih tekućina. Mjerna jedinica električne provodnosti je simens po metru S/m, no u laboratoriju se najčešće koriste µS/cm i mS/cm u kojima konduktometri iskazuju provodnost. Konduktometrom se obično može mjeriti i otpor, veličina koja je recipročna vrijednost električne provodnosti, te TDS (total dissolved solids) odnosno količina mobilnih nabijenih iona u vodi izražena u mg/l ili ppm (parts per milion).

Na rezultate mjerenja konduktometrom utječe cijeli niz faktora poput temperature, promjene temperature tijekom mjerenja tj. uvjeta okoliša, kvalitete uređaja, kvalitete i istrošenosti sonde, učestalosti mjerenja, vrste medija kojega se mjeri i koji može biti agresivan za sondu, uzrokovati oštećenja i njezino ubrzano trošenje, skladištenje uređaja i sonde, čišćenje sonde itd. Ponekad su sonde koje dolaze na umjeravanje oštećene ili prljave, tj. nepropisno održavane. Mjerenje će naravno ovisiti i o integritetu samog uzorka. Primjerice, ako se mjere vrlo niske provodnosti od 1 µS/cm, 0,5 µS/cm ili čak niže, potrebno je osigurati kontrolirane uvjete u laboratoriju kako bi se uzorak čim manje kontaminirao. Iskustveno, što je duže uzorak tako niske provodnosti izložen zraku, njegova provodnost će rasti jer dolazi do kontaminacije. Već nakon samo desetak minuta uzorak može pokazati neku sasvim drugu, veću vrijednost očitanja. Sonda također može kontaminirati uzorak ako nije dobro očišćena. Nakon uranjanja sonde u bilo koju tekućinu, dobro ju je isprati deioniziranom vodom čija je provodnost jednaka, odnosno približno jednaka nuli. Iz istog razloga posuda u koju dolazi uzorak treba biti čista i suha.

Slika 2. Prikaz ispiranja sonde

Umjeravanje

Kako je sumnja u svaki rezultat opravdana, tako treba sumnjati i u onaj kojega se dobiva mjerenjem konduktometrom jer nema savršeno točnog uređaja. Koliko je sumnja u rezultate opravdana, odnosno koliko je odstupanje uređaja od stvarne vrijednosti, kazuju nam brojevi izraženi u potvrdi o umjeravanju. Nisu sve metode umjeravanja jednake i jednako dobre. Umjeravanje cijelog sustava je točnije (readout uređaja zajedno s pripadajućom sondom) nego uobičajeno i rasprostranjeno umjeravanje električnom simulacijom. Umjeravanjem samo readouta uređaja ne dobiva se informacija o utjecaju sonde koja može biti itekako značajna. Cilj je dobiti što točnije informacije o uređaju koji se umjerava.

Točke umjeravanja

Umjeravanje se uobičajeno provodi u tri točke, najčešće na 100 µS/cm, 1000 µS/cm i 10000 µS/cm. Cilj je odrediti koliko konduktometar griješi u tim točkama. Ako mjerimo vrijednost od 100 µS/cm, želimo znati hoće li konduktometar pokazivati više, manje ili točno toliko. Točke umjeravanja može odrediti klijent prema svojim potrebama i području primjene konduktometra. Postoje različite vrijednosti na kojima se može provesti umjeravanje, a ovisiti će i o potrebama klijenta i o dostupnosti pojedinih certificiranih referentnih materijala (etalonskih tekućina ili standarda). Primjerice,  ako se konduktometar koristi samo u rasponima mjerenja od 0-100 µS/cm, tada odstupanje na većim vrijednostima nije bitno za korištenje uređaja. Tada ćemo možda htjeti provjeriti (umjeriti) uređaj na 0, 50 i 100 µS/cm. Česta pogreška pri narudžbi umjeravanja konduktometara je upravo zahtjev da se konduktometar umjeri u cijelom rasponu kojega uređaj može mjeriti, što bi u slučaju uobičajenih laboratorijskih konduktometara predstavljalo raspon od 0 – 10 000 µS/cm ili 0 – 20 000 µS/cm. Samo za ilustraciju, provodnost deionizirane vode treba biti manja od 5×10-4 µS/cm, vode za piće od  50-800 µS/cm, a morske vode oko 50 000 µS/cm.

Podešavanje

Podešavanje konduktometra može se učiniti na poseban zahtjev klijenta. Tek nakon umjeravanja odnosno informacije koliko konduktometar odstupa može se pristupiti podešavanju. Podešavanjem pokušavamo približiti očitanje konduktometra što je više moguće stvarnoj vrijednosti certificiranog standarda, tj. ispraviti tzv. konstantu ćelije uređaja koja se s vremenom mijenja. Podešavanje se, ovisno o vrsti uređaja i njegovim mogućnostima, može učiniti na više načina. Određeni uređaji imaju ugrađene točne vrijednosti na kojima ih se može podešavati. U većini slučajeva se radi o nazivnoj vrijednosti od 1413 µS/cm, čija je točna vrijednost iskazana na pratećem certifikatu standarda. Pri tome treba voditi računa o isteku roka trajanja standarda koji je otisnut na pakiranju i roku trajanja kojega standard ima nakon prvog otvaranja. Dakle, uranjanjem sonde u standard, uređaj automatski prepoznaje standard i izmjerenu vrijednost ispravlja u vrijednost standarda. Ako je uređaj mjerio 1405 µS/cm, tada će se podešavanjem približiti vrijednosti od 1413 µS/cm, odnosno ispraviti ćemo buduća očitanja. Nakon toga,  odstupanja na drugim vrijednostima će se pomaknuti, pa se nakon podešavanja nanovo treba odrediti odstupanja u točkama umjeravanja, odnosno, potrebno je ponovno umjeriti uređaj da utvrdimo koliko smo ga “popravili”. Ponekad se dogodi da rezultati mjerenja budu točniji na vrijednostima bliskima točki u kojoj smo ga podešavali (u ovom slučaju na 1413 µS/cm), ali da se istovremeno rezultati neznatno “pokvare”, primjerice na 10 000 µS/cm. Ovdje je vrlo važno iskustvo mjeritelja koji provodi umjeravanje i podešavanje. Zato je korisno znati na kojoj je vrijednosti točan rezultat važniji tj. u kojemu se rasponu uređaj koristi i to je pitanje koje bi se trebalo uobičajeno postaviti klijentima. Ponekad je konduktometar prilično točan, pa će iskusan mjeritelj preporučiti da se takav uređaj uopće ne podešava jer to nije potrebno i može značiti neznatno poboljšanje ili čak malo pogoršanje rezultata mjerenja u određenom dijelu raspona. Prilikom podešavanja, na nekim konduktometrima se ručno namješta poznata vrijednost standarda, a na nekima se ručno podešava konstanta ćelije dok se izmjerena vrijednost maksimalno ne približi ili izjednači s vrijednošću standarda u kojega je uronjena sonda. Svaki je konduktometar priča za sebe.

Temperaturna kompenzacija

Većina konduktometara danas ima ugrađenu temperaturnu kompenzaciju. Zašto je to važno? Električna provodnost tekućina ovisi o temperaturi tekućine. Što je temperatura tekućine veća, električna provodnost će biti veća jer se povećanjem temperature tj. kinetičke energije iona, oni brže i lakše gibaju. Na temperaturi od 24 °C i temperaturi od 24,5 °C provodnost vode nije jednaka. Međutim kada želimo uspoređivati rezultate to ne možemo učiniti ako rezultate iskazujemo na različitim temperaturama. Potrebna nam je neka referentna temperatura. Konduktometri većinom imaju dvije postavke referentne temperature, one na 20 °C i 25 °C. Svaki laboratorij može odabrati na kojoj će temperaturi iskazivati provodnost. Na primjer, ako je uzorak u čaši 22,1 °C, a laboratorij je odabrao postavku referetne temperature (tj. temperaturne kompenzacije) na 20 °C, tada će uređaj automatski pokazivati kolika je provodnost uzorka na 20 °C. Ako je referetna temperatura postavljena na 25 °C, tada će uređaj automatski pokazivati provodnost uzorka na 25 °C, iako se uzorak nalazi na temperaturi od 22,1 °C što olakšava usporedbu rezultata i eliminira potrebu korištenja tablica i izračuna. Temperaturna kompenzacija se na nekim uređajima može isključiti, no tada je potrebno koristiti tablice te mjeriti temperaturu tekućine termometrom koji također treba biti umjeren. Dobro je i da temperatura uzorka bude stabilna jer i mala promjena temperature utječe na promjenu provodnosti tekućine.

Iz ovog razloga, metodu umjeravanja provodimo u termostatiranoj kupki na (+25±0.1) °C u silikonskom ulju, kako bismo osigurali stabilnu i točnu temperaturu standarda uronjenog u kupku koji se termostatira 30 minuta. Temperaturu pratimo putem umjerene temperaturne sonde.

Da ne bi bilo prejednostavno, kod temperaturne kompenzacije još valja spomenuti da postoji linearna i nelinearna temperaturna kompenzacija čiji odabir nude određeni tipovi uređaja. Npr. promjena provodnosti vode između +40 i +41 °C nije jednaka promjeni provodnosti između +60 i +61 °C. Prema grafu na Slici 3., ako mjerimo provodnost vode na sobnoj temperaturi, biti će sasvim u redu koristiti lineranu temperaturnu kompenzaciju. Međutim ako mjerenja vršimo u širokom rasponu temperature (npr od +20 do +100 °C) tada bi bilo točnije koristiti nelinearnu kompenzaciju, jer prema slici, ovisnost provodnosti i temperature iznad +45 °C više nije linearna. Svaka vrsta tekućine imati će drugačiji graf. Nekim konduktometrima moguće je i poželjno odrediti faktor kompenzacije za svaku vrstu uzorka u svrhu dobivanja što točnijih mjerenja.                        

Slika 3. Ovisnost provodnosti vode o temperaturi

Samo umjeravanje provodi se u propisanim uvjetima okoliša; temperatura zraka  treba biti između +19°C i +27 °C, s varijacijama manjima od ±2 °C tijekom mjerenja, a relativna vlažnost treba biti između 30 % RH i 80 % RH s varijacijama manjima od ±10 % RH. Između mjerenja s različitim standardima, sondu konduktometra potrebno je dobro isprati deioniziranom vodom i standardom čija će se provodnost upravo mjeriti, a sve kako bi se izbjegla kontaminacija standarda.

Slika 4. Termostatirana kupka s uronjenim cilindrima napunjenima certificiranim referetnim materijalom

Pri osmišljavanju metode umjeravanja konduktometara u Metroteci vodilo se računa i o ekonomičnosti metode umjeravanja. U skladu s dimenzijama otvora kupke naručeni su posebni stakleni cilindri točno određenih dimenzija kako bi istovremeno stali u kupku i udovoljili zahtjevima proizvođača certificiranoga referentnog materijala koji propisuje najmanji promjer posude i najmanju količinu materijala koja se unutra treba nalaziti da bi mjerenje bilo ispravno, a rezultati točni.

Mjerna nesigurnost

Već je spomenuto kako niti u jedno mjerenje ne možemo biti u potpunosti sigurni, da se pomak od stvarne vrijednosti zove odstupanje, a koliko smo sigurni da je odstupanje točno naziva se mjernom nesigurnošću. Na mjernu nesigurnost uvijek utječe više faktora, a ovdje najveći doprinos potječe od mjerne nesigurnosti i drifta standarda.

Doprinosi mjernoj nesigurnosti ove metode umjeravanja su:

  1. rezolucija konduktometra
  2. ponovljivost mjerenja (razlika između maksimalne i minimalne izmjerene vrijednosti)
  3. proširena (k = 2) mjerna nesigurnost certificiranog referentnog materijala (CRM)
  4. drift (pomak tijekom vremena) vrijednosti certificiranoga referentnog materijala (CRM)
  5. doprinos mjernoj nesigurnosti provodnosti zbog varijacije temperature referentne tekućine oko +25,0 °C
  6. doprinos mjernoj nesigurnosti provodnosti zbog prostornih gradijenata u termostatiranoj kupki.

Kako koristiti dobivene informacije ili zašto uopće umjeravati konduktometar?

Ako konduktometrom mjerimo certificirani standard, za kojega znamo da mu je provodnost točno 100 µS/cm, a kao rezultat dobijemo 109 µS/cm, onda znamo da uređaj odstupa +9 µS/cm, pa kada u svom laboratoriju mjerimo provodnost uzoraka na tim vrijednostima možemo u obzir uzeti to odstupanje tj. korigirati rezultat. Npr. u laboratoriju izmjerimo uzorak čija je provodnost 99 µS/cm, znamo da je konduktometar u plusu na tim vrijednostima, pa ćemo mu oduzeti tih 9 µS/cm iskazanih kao odstupanje na potvrdi o umjeravanju. Rezultat mjerenja tada možemo iskazati kao 90 (99-9), a ne 99 µS/cm koje smo očitali na zaslonu uređaja. Mjerna nesigurnost U(k=2) reći će nam koliko smo sigurni da je to odstupanje baš 9 µS/cm. Na tim vrijednostima mjerna nesigurnost iznosi 3 µS/cm što stoji u potvrdi o umjeravanju. To znači da se stvarni rezultat sa 95%-tnom sigurnošću nalazi između 87 i 93 µS/cm (90 +/- 3). Na većim vrijednostima provodnosti, odstupanja i mjerna nesigurnost se povećavaju što se može vidjeti niže u primjeru danih rezultata u tablicama 1. i 2. Izmjerene vrijednosti u tablicama su decimalni brojevi jer se radi o prosjeku triju uzastopnih mjerenja na svakoj vrijednosti.

 

Etalonska  vrijednost  (µS/cm) / Standard value (µS/cm)

Očitanje mjerila prije podešavanja (µS/cm) / Item reading before adjustment (µS/cm)

Odstupanje mjerila prije podešavanja (µS/cm) / Item deviation before adjustment (µS/cm)

Uk = 2 (µS/cm)

100 

102,9 

2.9 

3.0 

1000 

1037,3 

37.3 

20 

10000 

10368.0 

368.0 

180 

Tablica 1. Primjer prikaza očitanja mjerila/konduktometra prije podešavanja

 

 

Etalonska vrijednost  (µS/cm) / Standard value (µS/cm)

 

Očitanje mjerila nakon podešavanja (µS/cm) / Item reading after adjustment (µS/cm)

 

Odstupanje mjerila nakon podešavanja (µS/cm) / Item deviation after adjustment (µS/cm)

 

Uk = 2 (µS/cm)

 

100 

99.1 

-0.9 

3.0 

 

1000 

998.0 

-2.0 

20 

 

10000 

10004.7 

4.7 

180 

Tablica 2. Primjer prikaza očitanja mjerila/konduktometra nakon podešavanja

 

Također se provodi postupak umjeravanja i izračun mjerne nesigurnosti za temperaturu. Promatramo koliko je odstupanje temperature na zaslonu konduktometra od očitanja etalona. Primjer očitanja rezultata prikazan je u Tablici 3.:

 

Temperatura (°C) / Temperature (°C)

 

Očitanje mjerila (°C) / Item reading (°C)

 

Odstupanje mjerila (°C) / Item deviation (°C)

 

U (°C)

 

25

24,8

-0,2

0,18

Tablica 3. Prikaz očitanja i odstupanje mjerila/konduktometra od etalonske vrijednosti

 

Na temelju ovih informacija možemo saznati koliko točno konduktometar mjeri temperaturu. Ovdje to ima dodatnu težinu jer ako konduktometar griješi u očitanju temperature, to znači da će i krivo “temperaturno kompenzirati”, odnosno pokazivati će netočnu vrijednost na 25 °C ili 20 °C, ovisno o postavkama uređaja.

Odgovor na pitanje zašto umjeravati konduktometar je – za dobivanje točnog rezultata mjerenja, radi planiranja servisa i nabave i zbog izbjegavanja potencijalno štetnih odluka koje su posljedica netočnih rezultata.

Koliko često umjeravati konduktometar?

Učestalost umjeravanja tj. umjerna razdoblja nisu propisana standardom, pravilnikom ili zakonom. Obično se konduktometri umjeravaju jedanputa godišnje kako često stoji u planovima o umjeravanju i održavanju mjerne opreme. Ako se uređaj servisira, nakon toga ga se, kao i svaki drugi, treba ponovno umjeriti. Ako mu se zamijeni sonda, treba ga ponovno umjeriti. Praćenjem rezultata umjeravanja može se odrediti promjena odstupanja uređaja tijekom vremena i prema tome planirati češće ili rjeđe intervale umjeravanja, te prilagoditi plan nabave opreme. Uvid u trendove koje pokazuje vlastiti uređaj omogućuje korištenje LorisQ aplikacije.

Podijeli ovaj članak

Prethodni članak

Covid-19 cjepiva: izazov niskih temperatura

Sljedeći članak

IMEKO konferencija: održavanje (mjerne) opreme više nije bauk