kirjoittanut
Tuotepäällikkö konetekniikan painotuksella, joka suunnittelee järjestelmiä ja yhdistää tuotteen, tuotannon sekä toiminnot saavuttaakseen parhaan mahdollisen vaikuttavuuden. Toimiston ulkopuolella olen intohimoinen kiipeilijä ja entinen kilpaurheilija, ja vapaa-ajallani valmennan edelleen sekä rakennan reittejä.
Tilaa kuukausittainen uutiskirjeemme vedestä
Saatamme lähettää sinulle sähköpostia, jos meillä on jotain uutisoinnin arvoista, jonka vesiensuojelun ammattilaisemme ovat kirjoittaneet
1. Suolaisuuden ja sähkönjohtavuuden välinen suhde
Suolaisuudella eli saliniteetilla tarkoitetaan veteen liuenneiden suolojen kokonaispitoisuutta, joka ilmaistaan tyypillisesti käytännön suolaisuusyksikköinä (PSU) tai promilleina (‰). Puhdas tislattu vesi johtaa sähköä erittäin huonosti. Kun suolat – kuten natriumkloridi (NaCl), magnesiumsulfaatti (MgSO₄) ja kaliumkloridi (KCl) – liukenevat veteen, ne kuitenkin jakautuvat positiivisesti ja negatiivisesti varautuneiksi ioneiksi. Nämä vapaat ionit tekevät suolavedestä sähköä johtavaa.
Sähkönjohtavuus (EC) on mitta sille, kuinka helposti sähkövirta voi kulkea aineen läpi. Vesiliuoksissa johtavuus on suoraan verrannollinen liuenneiden ionimuotoisten ainesten pitoisuuteen. Mitä enemmän ioneja on läsnä, sitä paremmin vesi johtaa sähköä ja sitä korkeampi on sähkönjohtavuuslukema.
Tärkein periaate: Liuenneet suolat → vapaat ionit → sähkönjohtavuus. Mitä suurempi suolaisuus, sitä korkeampi sähkönjohtavuus. Tämä suhde on jokaisen sähkönjohtavuuteen perustuvun suolaisuusanturin perusta.
2. Mittauksen perusperiaate
Sähkönjohtavuusanturi mittaa pohjimmiltaan sitä, kuinka helposti sähkövirta kulkee vesinäytteen läpi vähintään kahden elektrodin välillä. Perussuhde on:
Konduktanssia mitataan Siemenseinä (S), ja sähkönjohtavuus – mittauskennon geometrian mukaan normitettu konduktanssi – ilmaistaan Siemenseinä metriä kohti (S/m), tai käytännöllisemmin millisiemenseinä senttimetriä kohti (mS/cm) tai mikrosiemenseinä senttimetriä kohti (μS/cm).
Konduktanssin ja sähkönjohtavuuden välinen suhde sisältää kennovakion (K), joka on geometrinen tekijä ottaen huomioon elektrodien välisen etäisyyden ja virran kulkureitin poikkipinta-alan:
Tässä d on elektrodien välinen etäisyys ja A on tehokas poikkipinta-ala. Valmistajat kalibroivat jokaisen anturin määrittääkseen sen tarkan kennovakion.
3. Sähkönjohtavuusanturityypit
Suolaisuuden ja sähkönjohtavuuden mittaamiseen käytetään pääasiassa kolmea eri anturirakennetta:
3.1 Kaksielektrodijärjestelmät (amperometriset anturit)
Yksinkertaisimmassa rakenteessa käytetään kahta metallielektrodia – tyypillisesti platinaa, grafiittia tai ruostumatonta terästä – jotka on upotettu vesinäytteeseen. Elektrodien välille johdetaan vaihtovirta (AC) ja siitä syntyvä sähkövirta mitataan. Vaihtovirta on välttämätön: tasavirta (DC) aiheuttaa elektrolyysiä ja elektrodien polarisaatiota, mikä vääristää lukemia ajan mittaan.
Kaksielektrodiauturit ovat edullisia, mutta ne kärsivät likaantumisesta ja polarisaatiovaikutuksista, erityisesti korkean johtavuuden liuoksissa. Ne soveltuvat parhaiten alhaisen johtavuuden sovelluksiin, kuten makean veden ja juomaveden seurantaan.
3.2 Nelielektrodijärjestelmät (potentiometriset anturit)
Elektrodien polarisaation eliminoimiseksi nelielektrodiauturit jakavat virran syöttö- ja jännitteen mittaustoiminnot erillisten elektrodiparien välillä. Kaksi ulompaa elektrodia johtavat vaihtovirran veden läpi, kun taas kaksi sisempää elektrodia mittaavat syntyvän jännitehäviön kuluttamatta merkittävästi virtaa.
Koska jännitettä mittaavat elektrodit eivät käytännössä kuljeta virtaa, ne eivät polaroidu, mikä johtaa vakaampiin ja tarkempiin lukemiin. Nelielektrodiauturit soveltuvat hyvin laajalle johtavuusalueelle ja ne ovat oseanografisen ja ympäristön seurannan luottotyökaluja.
Tutustu esimerkkinä nelielektrodiauturista Aqualabo C4E -anturiimme sekä malliin Supmea SUP-TDS7002.
3.3 Induktiiviset (toroidiset) anturit
Induktiiviset anturit käyttävät täysin kosketuksetonta menetelmää. Inerttiin, sähköä johtamattomaan koteloon on upotettu kaksi toroidista (munkin muotoista) käämiä. Yksi käämi toimii lähettimenä ja indusoi ympäröivään veteen vaihtelevan sähkömagneettisen kentän. Vedessä olevat ionit kuljettavat indusoitunutta virtaa, jonka toinen käämi havaitsee. Havaitun signaalin suuruus on verrannollinen sähkönjohtavuuteen.
Koska käämit eivät koskaan kosketa suoraan vettä, induktiiviset anturit kestävät erittäin hyvin likaantumista, korroosiota ja kontaminaatiota. Ne ovat ensisijainen valinta vaativiin teollisuusympäristöihin, erittäin suolaisiin suolavesiin ja jätevesisovelluksiin.
Tutustu esimerkkinä induktiivisesta anturista Aqualabo CTZN -anturiimme.
4. Lämpötilan kompensointi
Sähkönjohtavuus on voimakkaasti riippuvainen lämpötilasta. Veden lämpötilan noustessa viskositeetti laskee, ionit liikkuvat vapaammin ja sähkönjohtavuus kasvaa – tyypillisesti noin 2 % astetta (°C) kohden. Sähkönjohtavuuden raakalukema 10 °C:ssa ja 25 °C:ssa voi erota 30 % tai enemmän, vaikka suolapitoisuus olisi täysin sama.
Mielekkään mittaustuloksen saamiseksi sähkönjohtavuusanturit sisältävät lämpötilan kompensoinnin kahdessa vaiheessa:
Integroitu lämpötila-anturi (tyypillisesti NTC-termistori tai platina-RTD) mittaa veden lämpötilan samanaikaisesti sähkönjohtavuuden kanssa.
Korjausalgoritmit – jotka usein perustuvat Practical Salinity Scale 1978 (PSS-78) -asteikkoon tai meriveden termodynaamiseen TEOS-10-yhtälöön – normittavat sähkönjohtavuuden vertailulämpötilaan (yleensä 25 °C), mikä antaa ominaisjohtavuuden.
Huomautus: Ilman lämpötilatietoja sähkönjohtavuuslukema on epämääräinen – on mahdotonta erottaa kylmää, suolaista näytettä lämpimästä, vähemmän suolaisesta näytteestä. Tämän vuoksi kaikki tarkkuusanturit ilmoittavat lämpötilan sähkönjohtavuuden ohella.
5. Sähkönjohtavuudesta suolaisuuteen: Laskenta
Kun lämpötilakompensoitu sähkönjohtavuusarvo on saatu, suolaisuus johdetaan kalibroidun empiirisen suhteen avulla. Oseanografisessa työssä laajimmin käytetty standardi on PSS-78, joka määrittelee käytännön suolaisuuden ulottuvuudettomana suhteena, joka perustuu näytteen sähkönjohtavuuteen verrattuna standardiin kaliumkloridiliuokseen (KCl).
PSS-78-yhtälö on polynomimuotoinen:
Missä R on sähkönjohtavuussuhde (näytteen johtavuus jaettuna standardimeriveden johtavuudella 15 °C:ssa), T on lämpötila, ja kertoimet sekä lämpötilan korjaustermi ΔS(T) ovat empiirisesti määritettyjä vakioita. Nykyaikaisten anturien ohjelmisto suorittaa tämän laskennan reaaliajassa ja esittää suolaisuuden suoraan näytöllä tai digitaalisessa lähdössä.
Muissa kuin merivesisovelluksissa – kuten makean veden järvissä, joissa, suistoissa tai teollisuuden suolavesissä – voidaan soveltaa erilaisia kalibrointikäyriä, koska ionikoostumus voi poiketa merkittävästi standardimerivedestä.
6. Anturirakenne ja materiaalit
Keskeisiä rakenteellisia näkökohtia ovat:
Elektrodimateriaalit: Platina ja grafiitti tarjoavat erinomaisen sähkökemiallisen stabiiliuden ja korroosionkestävyyden. Ruostumatonta terästä ja titaania käytetään silloin, kun kustannukset tai mekaaninen lujuus ovat etusijalla.
Kennon runko: Anturikotelo valmistetaan tyypillisesti polyeteenistä (HDPE), asetaalista (Delrin), titaanista tai keraamista – materiaaleista, jotka ovat sähköä johtamattomia, kemiallisesti kestäviä ja paineensietokykyisiä.
Kennon geometria: Elektrodien välinen etäisyys ja pinta-ala määrittävät kennovakion. Valmistajat käyttävät tarkkuuskoneistusta ja kalibrointilaserointia kunkin kennovakion tarkan määrittämiseen.
Likaantumisen esto: Biofouling eli levien, bakteerien ja muiden eliöiden kertyminen anturin pinnoille on suuri haaste pitkäaikaisissa mittauksissa. Merikäyttöön tarkoitetuissa antureissa käytetään usein kupariseoksesta valmistettuja suojia, biosideja vapauttavia materiaaleja tai mekaanisia pyyhkimiä.
7. Kalibrointi ja tarkkuus
Paraskin anturi ajaa lukemissa ajan mittaan ohi. Säännöllinen kalibrointi on välttämätöntä. Sähkönjohtavuusanturit kalibroidaan tyypillisesti käyttämällä standardiliuoksia, joiden sähkönjohtavuusarvot tunnetaan ja ovat jäljitettävissä – esimerkiksi 0,01 mol/l KCl-liuoksella, jonka sähkönjohtavuus on 1,413 mS/cm 25 °C:ssa.
Kenttäasennuksissa paikan päällä tehtävä kalibrointi tai jälkitarkistus käyttämällä laboratorio-salinometrillä analysoituja vesinäytteitä tarjoaa parhaan standardin tietojen laadulle. Korkean tarkkuuden oseanografiset anturit voivat saavuttaa ±0,001 PSU:n tarkkuuden, kun taas kustannustehokkaat ympäristöanturit saavuttavat tyypillisesti ±0,1 PSU:n tai paremman tarkkuuden.
8. Sovellukset
Suolaisuus- ja sähkönjohtavuusantureita käytetään laajasti eri aloilla:
Ala | Sovellus |
|---|---|
Oseanografia | CTD-profilointilaitteet kartoittavat vesimassoja, kiertoa ja sekoittumista |
Vesiviljely | Altaan suolaisuuden jatkuva seuranta merilajien hyvinvoinnin varmistamiseksi |
Ympäristön seuranta | Suolaveden tunkeutumisen havaitseminen, saasteiden seuranta joissa ja suistoissa |
Vedenkäsittely | Sähkönjohtavuus pika-arviona liuenneiden kiintoaineiden kokonaismäärälle (TDS) |
Teollisuuden prosessinohjaus | Kemiallisten liuosten pitoisuuksien seuranta, suolanpoistolaitokset |
Maatalous | Maaperän sähkönjohtavuusanturit suolaisuuden mittaamiseen ja kastelun optimointiin |
