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1. La relazione tra salinità e conducibilità
La salinità si riferisce alla concentrazione totale di sali disciolti nell'acqua, tipicamente espressa in unità di salinità pratica (PSU) o in parti per mille (‰). L'acqua distillata pura è un conduttore di elettricità estremamente scarso. Tuttavia, quando i sali — come il cloruro di sodio (NaCl), il solfato di magnesio (MgSO₄) e il cloruro di potassio (KCl) — si dissolvono in acqua, si dissociano in ioni con carica positiva e negativa. Questi ioni liberi sono ciò che rende l'acqua salata elettricamente conduttiva.
La conducibilità elettrica (EC) è una misura di quanto facilmente una corrente elettrica possa passare attraverso una sostanza. Nelle soluzioni acquose, la conducibilità è direttamente proporzionale alla concentrazione delle specie ioniche disciolte. Più sono gli ioni presenti, meglio l'acqua conduce l'elettricità e maggiore sarà il valore di conducibilità rilevato.
Principio chiave: Sali disciolti → ioni liberi → conduzione elettrica. Maggiore è la salinità, maggiore è la conducibilità. Questa relazione è alla base di ogni sensore di salinità basato sulla conducibilità.
2. Principio di misura fondamentale
Nel profondo, un sensore di conducibilità misura con quanta facilità una corrente elettrica attraversa un campione d'acqua tra due o più elettrodi. La relazione fondamentale è:
La conduttanza si misura in Siemens (S) e la conducibilità — ovvero la conduttanza normalizzata rispetto alla geometria della cella di misura — è espressa in Siemens per metro (S/m), o più praticamente in milliSiemens per centimetro (mS/cm) o microSiemens per centimetro (μS/cm).
La relazione tra conduttanza e conducibilità comporta una costante di cella (K), un fattore geometrico che tiene conto della distanza tra gli elettrodi e dell'area della sezione trasversale del percorso di corrente:
Qui, d rappresenta la distanza tra gli elettrodi e A è l'area effettiva della sezione trasversale. I produttori calibrano ciascun sensore per determinare la sua specifica costante di cella.
3. Tipi di sensori di conducibilità
Esistono tre architetture principali di sensori utilizzate per la misura della salinità e della conducibilità:
3.1 Sensori a due elettrodi (amperometrici)
Il design più semplice utilizza due elettrodi metallici — tipicamente in platino, grafite o acciaio inossidabile — immersi nel campione d'acqua. Tra gli elettrodi viene applicata una tensione in corrente alternata (AC) e viene misurata la corrente risultante. La corrente alternata è essenziale: la corrente continua (DC) causa elettrolisi e polarizzazione degli elettrodi, distorcendo le letture nel tempo.
I sensori a due elettrodi sono economici ma risentono degli effetti di sporcamento e polarizzazione, in particolare nelle soluzioni ad alta conducibilità. Sono più adatti per applicazioni a bassa conducibilità come il monitoraggio delle acque dolci e potabili.
3.2 Sensori a quattro elettrodi (potenziometrici)
Per eliminare la polarizzazione degli elettrodi, i sensori a quattro elettrodi suddividono le funzioni di trasporto della corrente e di rilevamento della tensione tra coppie di elettrodi separate. Due elettrodi esterni fanno passare la corrente alternata attraverso l'acqua, mentre due elettrodi interni misurano la caduta di tensione risultante senza assorbire una corrente significativa.
Poiché gli elettrodi di rilevamento della tensione non trasportano quasi nessuna corrente, non si polarizzano, garantendo letture più stabili e accurate. I sensori a quattro elettrodi sono ideali per un'ampia gamma di conducibilità e rappresentano lo standard per il monitoraggio oceanografico e ambientale.
Date un'occhiata al nostro sensore Aqualabo C4E come esempio di sensore a quattro elettrodi, così come a Supmea SUP-TDS7002.
3.3 Sensori induttivi (toroidali)
I sensori induttivi utilizzano un approccio completamente senza contatto. Due bobine toroidali (a forma di ciambella) sono incorporate in un alloggiamento inerte e non conduttivo. Una bobina funge da trasmettitore e induce un campo elettromagnetico alternato nell'acqua circostante. Gli ioni presenti nell'acqua trasportano la corrente indotta, che viene rilevata dalla seconda bobina. L'intensità del segnale rilevato è proporzionale alla conducibilità.
Poiché le bobine non toccano mai direttamente l'acqua, i sensori induttivi sono altamente resistenti allo sporcamento, alla corrosione e alla contaminazione. Rappresentano la scelta preferita per gli ambienti industriali difficili, salamoie altamente saline e applicazioni con acque reflue.
Date un'occhiata al nostro sensore Aqualabo CTZN come esempio di sensore induttivo.
4. Compensazione della temperatura
La conducibilità dipende fortemente dalla temperatura. Con l'aumentare della temperatura dell'acqua, la viscosità diminuisce, gli ioni si muovono più liberamente e la conducibilità aumenta, tipicamente di circa il 2% per ogni °C. Una misurazione della conducibilità grezza a 10 °C e una a 25 °C possono differire del 30% o più, anche se la salinità è identica.
Per ottenere una misurazione significativa, i sensori di conducibilità integrano la compensazione della temperatura in due passaggi:
Un sensore di temperatura integrato (tipicamente un termistore NTC o un RTD in platino) misura la temperatura dell'acqua contemporaneamente alla conducibilità.
Gli algoritmi di correzione — spesso basati sulla Scala Pratica di Salinità 1978 (PSS-78) o sull'equazione termodinamica dell'acqua marina TEOS-10 — normalizzano la conducibilità a una temperatura di riferimento (solitamente 25 °C), restituendo la conduttanza specifica.
Nota: Senza i dati di temperatura, una lettura di conducibilità è ambigua: è impossibile distinguere tra un campione freddo e salato e uno caldo e meno salato. Questo è il motivo per cui tutti i sensori di precisione indicano la temperatura insieme alla conducibilità.
5. Dalla conducibilità alla salinità: il calcolo
Una volta ottenuto un valore di conducibilità compensato in temperatura, la salinità viene calcolata tramite una relazione empirica calibrata. Lo standard più diffuso per il lavoro oceanografico è la formula PSS-78, che definisce la salinità pratica come un rapporto adimensionale basato sulla conducibilità del campione rispetto a una soluzione standard di cloruro di potassio (KCl).
L'equazione PSS-78 assume la forma di un polinomio:
Dove R rappresenta il rapporto di conducibilità (la conducibilità del campione divisa per la conducibilità dell'acqua marina standard a 15 °C), T è la temperatura, e i coefficienti insieme al termine di correzione della temperatura ΔS(T) sono costanti determinate empiricamente. Il firmware dei moderni sensori esegue questo calcolo in tempo reale, presentando la salinità direttamente sul display o sull'uscita digitale.
Per applicazioni diverse dall'acqua di mare — laghi d'acqua dolce, fiumi, estuari o salamoie industriali — possono essere applicate curve di calibrazione diverse, in quanto la composizione ionica può variare notevolmente rispetto all'acqua di mare standard.
6. Costruzione e materiali del sensore
Le principali considerazioni costruttive includono:
Materiali degli elettrodi: Il platino e la grafite offrono un'eccellente stabilità elettrochimica e resistenza alla corrosione. L'acciaio inossidabile e il titanio vengono utilizzati laddove il costo o la resistenza meccanica rappresentano delle priorità.
Corpo della cella: L'alloggiamento del sensore è tipicamente realizzato in HDPE, acetale (Delrin), titanio o ceramica — materiali che sono elettricamente non conduttivi, chimicamente resistenti e tolleranti alla pressione.
Geometria della cella: Lo spazio e l'area superficiale degli elettrodi definiscono la costante di cella. I produttori utilizzano lavorazioni meccaniche di precisione e la calibrazione laser per caratterizzare accuratamente ogni costante di cella.
Anti-vegetativo: Il biofouling — l'accumulo di alghe, batteri e altri organismi sulle superfici del sensore — rappresenta una sfida importante per i posizionamenti a lungo termine. I sensori per uso marino spesso integrano protezioni in lega di rame, materiali a rilascio di biocidi o spazzole tergitrici meccaniche.
7. Calibrazione e accuratezza
Anche il miglior sensore subisce una deriva nel tempo. Una calibrazione regolare è essenziale. I sensori di conducibilità vengono generalmente calibrati utilizzando soluzioni standard con valori di conducibilità noti e tracciabili — ad esempio, una soluzione di KCl da 0,01 mol/L con una conducibilità di 1,413 mS/cm a 25 °C.
Nei posizionamenti sul campo, la calibrazione in situ o la validazione post-recupero mediante campioni d'acqua analizzati da un salinometro da laboratorio rappresentano lo standard di riferimento per la qualità dei dati. I sensori oceanografici ad alta precisione possono raggiungere accuratezze di ±0,001 PSU, mentre i sensori ambientali più economici raggiungono solitamente ±0,1 PSU o valori migliori.
8. Applicazioni
I sensori di salinità e conducibilità vengono impiegati in una vasta gamma di settori:
Settore | Applicazione |
|---|---|
Oceanografia | Gli strumenti per profili CTD mappano le masse d'acqua, la circolazione e il rimescolamento |
Acquacoltura | Monitoraggio continuo della salinità delle vasche per la salute delle specie marine |
Monitoraggio ambientale | Rilevamento dell'intrusione salina, tracciamento dell'inquinamento nei fiumi e negli estuari |
Trattamento dell'acqua | La conducibilità come indicatore rapido dei solidi totali disciolti (TDS) |
Controllo dei processi industriali | Monitoraggio delle concentrazioni di soluzioni chimiche, impianti di desalinizzazione |
Agricoltura | Sensori di conducibilità del suolo per misurare la salinità e ottimizzare l'irrigazione |
