Cómo funciona un Sensore de salinidad / conductividad
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1. La relación entre salinidad y conductividad
La salinidad se refiere a la concentración total de sales disueltas en el agua, expresada típicamente en unidades prácticas de salinidad (PSU) o partes por mil (‰). El agua destilada pura es un conductor de electricidad extremadamente deficiente. Sin embargo, cuando las sales —como el cloruro de sodio (NaCl), el sulfato de magnesio (MgSO₄) y el cloruro de potasio (KCl)— se disuelven en el agua, se disocian en iones con carga positiva y negativa. Estos iones libres son los que hacen que el agua salada sea eléctricamente conductora.
La conductividad eléctrica (CE) es una medida de la facilidad con la que una corriente eléctrica puede pasar a través de una sustancia. En soluciones acuosas, la conductividad es directamente proporcional a la concentración de especies iónicas disueltas. Cuantos más iones haya presentes, mejor conducirá la electricidad el agua y mayor será la lectura de conductividad.
Principio clave: Sales disueltas → iones libres → conducción eléctrica. A mayor salinidad, mayor conductividad. Esta relación es la base de todo sensore de salinidad basado en la conductividad.
2. Principio de medición central
En su esencia, un sensore de conductividad mide la facilidad con la que una corriente eléctrica pasa a través de una muestra de agua entre dos o más electrodos. La relación fundamental es:
La conductancia se mide en Siemens (S), y la conductividad —la conductancia normalizada para la geometría de la celda de medición— se expresa en Siemens por metro (S/m), o de manera más práctica en miliSiemens por centímetro (mS/cm) o microSiemens por centímetro (μS/cm).
La relación entre conductancia y conductividad implica una constante de celda (K), un factor geométrico que explica la distancia entre los electrodos y el área de la sección transversal de la trayectoria de la corriente:
Aquí, d es la distancia entre los electrodos y A es el área de la sección transversal efectiva. Los fabricantes calibran cada sensore para determinar su constante de celda específica.
3. Tipos de sensores de conductividad
Existen tres arquitecturas principales de sensores utilizadas en la medición de salinidad y conductividad:
3.1 Sensores de dos electrodos (amperométricos)
El diseño más simple utiliza dos electrodos metálicos —típicamente de platino, grafito o acero inoxidable— sumergidos en la muestra de agua. Se aplica un voltaje de corriente alterna (CA) a través de los electrodos y se mide la corriente resultante. La CA es esencial: la corriente continua (CC) provoca electrólisis y polarización de los electrodos, distorsionando las lecturas con el tiempo.
Los sensores de dos electrodos son económicos pero sufren de efectos de ensuciamiento y polarización, particularmente en soluciones de alta conductividad. Son más adecuados para aplicaciones de baja conductividad, como el monitoreo de agua de río y agua potable.
3.2 Sensores de cuatro electrodos (potenciométricos)
Para eliminar la polarización de los electrodos, los sensores de cuatro electrodos dividen las funciones de transporte de corriente y detección de voltaje entre pares de electrodos separados. Dos electrodos externos impulsan la corriente alterna a través del agua, mientras que dos electrodos internos miden la caída de voltaje resultante sin consumir una corriente significativa.
Debido a que los electrodos de detección de voltaje prácticamente no transportan corriente, no se polarizan, lo que da como resultado lecturas más estables y precisas. Los sensores de cuatro electrodos se adaptan bien a una amplia gama de conductividades y son la herramienta de trabajo del monitoreo oceanográfico y ambiental.
Consulte nuestro sensore Aqualabo C4E como ejemplo de sensore de cuatro electrodos, así como el Supmea SUP-TDS7002.
3.3 Sensores inductivos (toroidales)
Los sensores inductivos utilizan un enfoque completamente sin contacto. Dos bobinas toroidales (en forma de rosquilla) están incrustadas en una carcasa inerte y no conductora. Una bobina actúa como transmisora e induce un campo electromagnético alterno en el agua circundante. Los iones en el agua transportan la corriente inducida, que es detectada por la segunda bobina. La magnitud de la señal detectada es proporcional a la conductividad.
Debido a que las bobinas nunca tocan directamente el agua, los sensores inductivos son altamente resistentes al ensuciamiento, la corrosión y la contaminación. Son la opción preferida para entornos industriales hostiles, salmueras altamente salinas y aplicaciones de aguas residuales.
Consulte nuestro sensore Aqualabo CTZN como ejemplo de sensore inductivo.
4. Compensación de temperatura
La conductividad depende en gran medida de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura del agua, la viscosidad disminuye, los iones se mueven más libremente y la conductividad aumenta, típicamente alrededor de un 2% por cada °C. Una lectura de conductividad bruta a 10 °C y otra a 25 °C pueden diferir en un 30% o más, incluso si la salinidad es idéntica.
Para obtener una medición significativa, los sensores de conductividad incorporan compensación de temperatura en dos pasos:
Un sensore de temperatura integrado (típicamente un termistor NTC o un RTD de platino) mide la temperatura del agua simultáneamente con la conductividad.
Los algoritmos de corrección —a menudo basados en la Escala Práctica de Salinidad de 1978 (PSS-78) o la ecuación termodinámica del agua de mar TEOS-10— normalizan la conductividad a una temperatura de referencia (comúnmente 25 °C), produciendo la conductividad específica.
Nota: Sin datos de temperatura, una lectura de conductividad es ambigua: es imposible distinguir entre una muestra fría y salada y otra cálida y menos salada. Es por esto que todos los sensores de precisión informan la temperatura junto con la conductividad.
5. De la conductividad a la salinidad: El cálculo
Una vez que se obtiene un valor de conductividad compensado por temperatura, la salinidad se deriva utilizando una relación empírica calibrada. El estándar más utilizado para el trabajo oceanográfico es el PSS-78, que define la salinidad práctica como una relación adimensional basada en la conductividad de la muestra en relación con una solución estándar de cloruro de potasio (KCl).
La ecuación PSS-78 toma la forma de un polinomio:
Donde R es la relación de conductividad (conductividad de la muestra dividida por la conductividad del agua de mar estándar a 15 °C), T es la temperatura, y los coeficientes y el término de corrección de temperatura ΔS(T) son constantes determinadas empíricamente. El firmware de los sensores modernos realiza este cálculo en tiempo real, presentando la salinidad directamente en la pantalla o salida digital.
Para aplicaciones que no son de agua de mar —lagos de agua dulce, ríos, estuarios o salmueras industriales— se pueden aplicar diferentes curvas de calibración, ya que la composición iónica puede diferir significativamente del agua de mar estándar.
6. Construcción y materiales del sensore
Las consideraciones clave de construcción incluyen:
Materiales de los electrodos: El platino y el grafito ofrecen una excelente estabilidad electroquímica y resistencia a la corrosión. El acero inoxidable y el titanio se utilizan cuando el costo o la resistencia mecánica son prioridades.
Cuerpo de la celda: La carcasa del sensore se fabrica típicamente de HDPE, acetal (Delrin), titanio o cerámica, materiales que son eléctricamente no conductores, químicamente resistentes y tolerantes a la presión.
Geometría de la celda: El espaciado y el área superficial de los electrodos definen la constante de la celda. Los fabricantes utilizan mecanizado de precisión y calibración láser para caracterizar con precisión cada constante de celda.
Anti-incrustación: El bioensuciamiento —la acumulación de algas, bacterias y otros organismos en las superficies del sensore— es un desafío importante para los despliegues a largo plazo. Los sensores para uso marino a menudo incorporan protectores de aleación de cobre, materiales que liberan biocidas o limpiadores mecánicos.
7. Calibración y precisión
Incluso el mejor sensore experimenta desviaciones con el tiempo. La calibración regular es esencial. Los sensores de conductividad se calibran típicamente utilizando soluciones estándar con valores de conductividad conocidos y trazables; por ejemplo, una solución de KCl de 0.01 mol/L con una conductividad de 1.413 mS/cm a 25 °C.
En los despliegues de campo, la calibración in-situ o la validación posterior al despliegue utilizando muestras de agua analizadas por un salinómetro de laboratorio proporciona el estándar de oro para la calidad de los datos. Los sensores oceanográficos de alta precisión pueden alcanzar precisiones de ±0.001 PSU, mientras que los sensores ambientales rentables típicamente logran ±0.1 PSU o mejor.
8. Aplicaciones
Los sensores de salinidad y conductividad se despliegan en una amplia gama de campos:
Campo | Aplicación |
|---|---|
Oceanografía | Los instrumentos de perfilado CTD mapean masas de agua, circulación y mezcla |
Acuicultura | Monitoreo continuo de la salinidad del tanque para la salud de las especies marinas |
Monitoreo ambiental | Detección de intrusión de agua salada, seguimiento de la contaminación en ríos y estuarios |
Tratamiento de aguas | La conductividad como un indicador rápido de los sólidos disueltos totales (SDT) |
Control de procesos industriales | Monitoreo de concentraciones de soluciones químicas, plantas desalinizadoras |
Agricultura | Sensores de conductividad del suelo para medir la salinidad y optimizar el riego |
