Кондуктометричні та TDS-зонди

Як працюють EC-зонди, чому TDS у ppm залежить від прихованого коефіцієнта 0,5–0,9, приведення до 25 °C, солоність за PSS-78, стандарти KCl для калібрування і чищення зонда.

Що вимірює кондуктометричний зонд

Вода проводить електрику завдяки розчиненим іонам: дистильована вода — майже ізолятор, а солона — непоганий провідник. Зонд електропровідності (EC) вимірює, наскільки легко струм проходить між електродами відомої геометрії, і повідомляє результат у сименсах на метр (См/м) або, на практиці, у мікро- та мілісименсах на сантиметр (1 мСм/см = 1000 мкСм/см; 1 См/м = 10 000 мкСм/см). Надчиста вода показує близько 0,055 мкСм/см, типова питна вода — 200–800 мкСм/см, морська вода — приблизно 50 мСм/см. Зонд подає змінну напругу, зазвичай 1–3 кГц, щоб електроди не електролізували воду і не поляризувалися. Двоелектродні комірки служать для низької та середньої провідності, а чотириелектродні зберігають точність у високопровідній воді на кшталт морської. Константа комірки — відношення відстані між електродами до їхньої площі — фіксується калібруванням. Електроди роблять із графіту, платини або платино-іридієвого сплаву, а сучасні комірки містять термістор для температурної компенсації.

EC проти TDS: проблема коефіцієнта перерахунку

Загальний вміст розчинених речовин (TDS) — маса всієї розчиненої неорганічної та органічної речовини, що проходить через фільтр 2 мкм, виражена в мг/л або ppm. Референсний метод гравіметричний: випарувати воду і зважити залишок. «TDS-метр» цього не робить; це кондуктометр, який множить EC на фіксований коефіцієнт, TDS = k × EC, і кондуктометричний шлях точний лише приблизно на 10 відсотків. Коефіцієнт залежить від того, які іони присутні: Wikipedia дає 0,55–0,8, USGS очікує 0,5–0,9 для природних вод, а таблиця NDSU Extension показує, що коефіцієнт для природних вод зростає з провідністю — від 0,50 при 100 мкСм/см до 0,65 при 1000 мкСм/см, 0,75 при 3000 мкСм/см і 0,80 при 7000 мкСм/см. Розчин хлориду натрію перераховується приблизно з коефіцієнтом 0,64 мг на літр на мкСм/см.

Кишенькові TDS-метри побудовані навколо одного коефіцієнта, обраного виробником. Два прилади з різними коефіцієнтами дають різні показання ppm для однієї й тієї самої води: 400 мкСм/см стають 200 ppm за коефіцієнта 0,5, 256 ppm за 0,64 і 280 ppm за 0,7. Тому значення в ppm має сенс лише разом із використаним коефіцієнтом, а порівнювати акваріуми, вихід зворотного осмосу чи опубліковані цільові значення надійніше в мкСм/см. Кондуктометричний TDS також не бачить усього, що не несе заряду: розчинена органіка, мікроорганізми та леткі сполуки невидимі для зонда. Про практичне застосування цих показань у роботі з RO/DI та ремінералізацією див. окремий гід по TDS-метру.

Температурна компенсація

Провідність зростає з температурою на 0,5–3 відсотки на °C залежно від присутніх іонів; більшість приладів приймають лінійні 2 відсотки на °C (коефіцієнт 0,019–0,020) або використовують нелінійний алгоритм ISO 7888. Щоб показання були порівнюваними, їх приводять до 25 °C і повідомляють як питому електропровідність: κ25 = κ / (1 + α × (t − 25)). Прилади з автоматичною температурною компенсацією роблять це всередині, і USGS зазначає, що поправка зазвичай точна до ±5 відсотків для води 5–35 °C з pH від 4 до 11, що покриває акваріумні умови.

Солоність за провідністю в морських акваріумах

Океанографи визначають солоність через провідність. Практична шкала солоності 1978 року (PSS-78) виражає солоність як відношення провідності проби до провідності стандартного розчину хлориду калію; морська вода з хлорністю 19,37 г/кг має провідність 42,9 мСм/см за 15 °C, а стандартна морська вода має практичну солоність близько 35. У 2010 році стандарт TEOS-10 запровадив абсолютну солоність у г/кг, яка поєднує вимірювання провідності з інформацією про іонний склад води, оскільки сама лише провідність передбачає іонні пропорції природної морської води. Морський кондуктометричний зонд, що показує солоність або питому вагу, виконує перерахунок PSS-78 і тому також передбачає іонні співвідношення, близькі до морської води. Рефрактометри та ареометри, які вимірюють показник заломлення і питому вагу, — поширені альтернативи; їхнє використання і калібрування описані в гіді по рефрактометру.

Калібрувальні стандарти

Кондуктометричні комірки калібрують розчинами хлориду калію з відомою провідністю. USGS використовує простежувані до NIST стандарти KCl із сертифікованими значеннями від 50 до 50 000 мкСм/см; прилади зазвичай калібрують при 500, 1413 або 12 900 мкСм/см, і слід використовувати стандарт, найближчий до очікуваного показання. Ключові моменти польового посібника:

При багатоточковому калібруванні починайте з найслабшого стандарту і рухайтеся вгору; стандарти повинні мати температуру 5–35 °C і не бути простроченими.
Показання приймається, якщо воно в межах ±5 мкСм/см від сертифікованого значення для стандартів до 100 мкСм/см або в межах ±3 відсотків вище 100 мкСм/см; якщо перевірку пройдено, перекалібрування не потрібне.
Відстежуйте константу комірки (або крутість): зміна більш ніж на 2 відсотки між калібруваннями вказує на забруднений стандарт або брудний зонд.
Перевіряйте нуль: чиста комірка в повітрі або в деіонізованій воді має показувати менше 3 мкСм/см.
Кондуктометри добре тримають калібрування, тому часте перекалібрування мало що дає. NDSU Extension рекомендує перекалібрувати після заміни батарейок або падіння приладу.

Забруднення зонда і догляд

Кондуктометрична комірка читає правильно лише коли електроди чисті, без подряпин і змочені нічим, крім проби. На занурених зондах накопичуються бруд і біоплівка, які потребують регулярного чищення.

Рясно промивайте деіонізованою водою до і після кожного вимірювання; у більшості випадків цього чищення достатньо.
Епоксидні та графітові зонди можна обережно протерти лабораторною серветкою. Ніколи не протирайте і не шкребіть платиновані електроди.
Масляні або хімічні залишки видаляйте витримкою в розчині детергенту — за потреби годинами, потім промийте деіонізованою водою.
При стійких відкладеннях витримайте в 5-відсотковій (об.) соляній кислоті до 2 годин і ретельно промийте, попередньо звірившись із вказівками виробника.
Ніколи не чистьте платинові або платино-іридієві електроди азотною кислотою, царською водкою або чимось, що травить платину чи золото.
Більшість кондуктометричних зондів, включно з графітовими, можна зберігати чистими і сухими.