Кондуктометрические и TDS-зонды

Как работают EC-зонды, почему TDS в ppm зависит от скрытого коэффициента 0,5–0,9, приведение к 25 °C, солёность по PSS-78, стандарты KCl для калибровки и чистка зонда.

Что измеряет кондуктометрический зонд

Вода проводит электричество за счёт растворённых ионов: дистиллированная вода — почти изолятор, а солёная — неплохой проводник. Зонд электропроводности (EC) измеряет, насколько легко ток проходит между электродами известной геометрии, и сообщает результат в сименсах на метр (См/м) или, на практике, в микро- и миллисименсах на сантиметр (1 мСм/см = 1000 мкСм/см; 1 См/м = 10 000 мкСм/см). Сверхчистая вода показывает около 0,055 мкСм/см, типичная питьевая вода — 200–800 мкСм/см, морская вода — примерно 50 мСм/см. Зонд подаёт переменное напряжение, обычно 1–3 кГц, чтобы электроды не электролизовали воду и не поляризовались. Двухэлектродные ячейки служат для низкой и средней проводимости, а четырёхэлектродные сохраняют точность в высокопроводящей воде вроде морской. Константа ячейки — отношение расстояния между электродами к их площади — фиксируется калибровкой. Электроды делают из графита, платины или платино-иридиевого сплава, а современные ячейки содержат термистор для температурной компенсации.

EC против TDS: проблема коэффициента пересчёта

Общее содержание растворённых веществ (TDS) — масса всего растворённого неорганического и органического вещества, проходящего через фильтр 2 мкм, выраженная в мг/л или ppm. Референсный метод гравиметрический: выпарить воду и взвесить остаток. «TDS-метр» этого не делает; это кондуктометр, умножающий EC на фиксированный коэффициент, TDS = k × EC, и кондуктометрический путь точен лишь примерно на 10 процентов. Коэффициент зависит от того, какие ионы присутствуют: Wikipedia даёт 0,55–0,8, USGS ожидает 0,5–0,9 для природных вод, а таблица NDSU Extension показывает, что коэффициент для природных вод растёт с проводимостью — от 0,50 при 100 мкСм/см до 0,65 при 1000 мкСм/см, 0,75 при 3000 мкСм/см и 0,80 при 7000 мкСм/см. Раствор хлорида натрия пересчитывается примерно с коэффициентом 0,64 мг на литр на мкСм/см.

Карманные TDS-метры построены вокруг одного коэффициента, выбранного производителем. Два прибора с разными коэффициентами дают разные показания ppm для одной и той же воды: 400 мкСм/см становятся 200 ppm при коэффициенте 0,5, 256 ppm при 0,64 и 280 ppm при 0,7. Поэтому значение в ppm имеет смысл только вместе с использованным коэффициентом, а сравнивать аквариумы, выход обратного осмоса или опубликованные целевые значения надёжнее в мкСм/см. Кондуктометрический TDS также не видит всё, что не несёт заряда: растворённая органика, микроорганизмы и летучие соединения невидимы для зонда. О практическом применении этих показаний в работе с RO/DI и реминерализацией см. отдельный гид по TDS-метру.

Температурная компенсация

Проводимость растёт с температурой на 0,5–3 процента на °C в зависимости от присутствующих ионов; большинство приборов принимают линейные 2 процента на °C (коэффициент 0,019–0,020) или используют нелинейный алгоритм ISO 7888. Чтобы показания были сопоставимы, их приводят к 25 °C и сообщают как удельную электропроводность: κ25 = κ / (1 + α × (t − 25)). Приборы с автоматической температурной компенсацией делают это внутри, и USGS указывает, что поправка обычно точна до ±5 процентов для воды 5–35 °C с pH от 4 до 11, что покрывает аквариумные условия.

Солёность по проводимости в морских аквариумах

Океанографы определяют солёность через проводимость. Практическая шкала солёности 1978 года (PSS-78) выражает солёность как отношение проводимости пробы к проводимости стандартного раствора хлорида калия; морская вода с хлорностью 19,37 г/кг имеет проводимость 42,9 мСм/см при 15 °C, а стандартная морская вода имеет практическую солёность около 35. В 2010 году стандарт TEOS-10 ввёл абсолютную солёность в г/кг, объединяющую измерение проводимости с информацией об ионном составе воды, поскольку одна лишь проводимость предполагает ионные пропорции природной морской воды. Морской кондуктометрический зонд, показывающий солёность или удельный вес, выполняет пересчёт PSS-78 и поэтому тоже предполагает ионные соотношения, близкие к морской воде. Рефрактометры и ареометры, измеряющие показатель преломления и удельный вес, — распространённые альтернативы; их использование и калибровка описаны в гиде по рефрактометру.

Калибровочные стандарты

Кондуктометрические ячейки калибруют растворами хлорида калия с известной проводимостью. USGS использует прослеживаемые к NIST стандарты KCl с сертифицированными значениями от 50 до 50 000 мкСм/см; приборы обычно калибруют при 500, 1413 или 12 900 мкСм/см, и следует использовать стандарт, ближайший к ожидаемому показанию. Ключевые моменты полевого руководства:

При многоточечной калибровке начинайте с самого слабого стандарта и двигайтесь вверх; стандарты должны иметь температуру 5–35 °C и не быть просроченными.
Показание принимается, если оно в пределах ±5 мкСм/см от сертифицированного значения для стандартов до 100 мкСм/см или в пределах ±3 процентов выше 100 мкСм/см; если проверка пройдена, перекалибровка не нужна.
Отслеживайте константу ячейки (или крутизну): изменение более чем на 2 процента между калибровками указывает на загрязнённый стандарт или грязный зонд.
Проверяйте ноль: чистая ячейка в воздухе или в деионизированной воде должна показывать менее 3 мкСм/см.
Кондуктометры хорошо держат калибровку, поэтому частая перекалибровка мало что даёт. NDSU Extension рекомендует перекалибровать после замены батареек или падения прибора.

Загрязнение зонда и уход

Кондуктометрическая ячейка читает верно только когда электроды чистые, без царапин и смочены ничем, кроме пробы. На погружённых зондах накапливаются грязь и биоплёнка, требующие регулярной чистки.

Обильно промывайте деионизированной водой до и после каждого измерения; в большинстве случаев этой чистки достаточно.
Эпоксидные и графитовые зонды можно аккуратно протереть лабораторной салфеткой. Никогда не протирайте и не скоблите платинированные электроды.
Масляные или химические остатки удаляйте выдержкой в растворе детергента — при необходимости часами, затем промойте деионизированной водой.
При стойких отложениях выдержите в 5-процентной (об.) соляной кислоте до 2 часов и тщательно промойте, предварительно сверившись с указаниями производителя.
Никогда не чистите платиновые или платино-иридиевые электроды азотной кислотой, царской водкой или чем-либо, что травит платину или золото.
Большинство кондуктометрических зондов, включая графитовые, можно хранить чистыми и сухими.