Geleidbaarheidsensor 0382 Gebruikershandleiding CENTRUM VOOR MICROCOMPUTER APPLICATIES http://www.cma-science.nl Figuur 1. Geleidbaarheidsensor 0382 CENTRUM VOOR MICROCOMPUTER APPLICATIES http://www.cma-science.nl
Beschrijving Geleidbaarheidsensor 0382 wordt gebruikt voor het meten van de geleidbaarheid van een oplossing of de totale ionconcentratie. Geleidbaarheid is één van de eenvoudigst meetbare milieu-parameters van water. De geleidbaarheidsensor wordt geleverd met een BT plug en is aan te sluiten op de volgende interfaces: CoachLab II/II+ (alleen kanalen 1 & 2, de sensor werkt niet i.c.m. verloper 0520) Lab CoachLab I ULAB De sensor kan ook direct worden aangesloten op andere interfaces, zoals de CBL en CBL2 van Texas Instruments en de LabPro van Vernier. Werking van de geleidbaarheidsensor De geleidbaarheidsensor meet het vermogen van een oplossing om een elektrische stroom te geleiden tussen twee elektroden. In de oplossing treedt geleiding op als gevolg van ionentransport. Een verhoogde ionconcentratie leidt dus tot verhoogde geleiding. Geleiding is het omgekeerde van weerstand. Weerstand wordt gemeten in ohm, de geleiding wordt uitgedrukt in de SI-eenheid siemens (S, voorheen mho). Een geleiding van 1 S is zeer hoog. De geleiding van een oplossing wordt meestal uitgedrukt in S. Hoewel de Geleidbaarheidsensor de geleiding meet is men meestal geïnteresseerd in de geleidbaarheid. Het verband tussen geleiding en geleidbaarheid is: C = G x k C C = Geleidbaarheid G = Geleiding k C = de celconstante De celconstante wordt bepaald met de formule: k C = d/a d = de afstand tussen de elektroden (in cm) A = het oppervlak van een elektrode (in cm 2 ) Voorbeeld: De cel in figuur 1 heeft een celconstante k C = d/a = 1,0 cm / 1,0 cm 2 = 1,0 cm -1. Daar de celconstante van deze geleidbaarheidsensor ook 1,0 cm -1 is hebben geleiding en geleidbaarheid dezelfde numerieke waarde. Voor een oplossing met een geleiding van 1000 S wordt de geleidbaarheid : C = G x k C = (1000 S) x 1,0 cm -1 = 1000 S/cm Over de elektroden van de sensor staat een wisselspanning. De stroom die door de oplossing loopt is evenredig met de geleidbaarheid van de oplossing. De stroom 2
wordt in de sensor omgezet naar een gelijkspanning die met een interface is te meten. Het gebruik van een wisselspanning gaat het optreden tegen van polarisatie en elektrolyse aan de elektroden. De oplossing wordt dus niet vervuild met elektrolyseprodukten. Een toepassing van de geleidbaarheidsensor is de schatting van de totale hoeveelheid opgeloste zouten in watermonsters, bijvoorbeeld als maat voor de totale zoutbelasting van oppervlaktewater (in het Engels: TDS = Total Disolved Solids). De geleidbaarheidsensor heeft drie bereiken: 0 tot 200 S (0 tot 100 mg/l TDS) 0 tot 2000 S (0 tot 1000 mg/l TDS) 0 tot 20000 S (0 tot 10000 mg/l TDS) Deze bereiken worden ingesteld met behulp van de tuimelschakelaar op het versterkerkastje van de sensor. Het is belangrijk om voorafgaande aan een ijking de juiste gevoeligheid te kiezen. Per bereik moet een aparte ijking worden gemaakt Materiaal dat met de Geleidbaarheidsensor wordt meegeleverd. Ga de aanwezigheid na van: de geleidbaarheidsensor (de elektrode en het versterkerkastje), Natriumchloride ijkoplossing (van 1000 S/cm ofwel 491 mg/l NaCl of 500 mg/l TDS), MSDS-datasheet voor de natriumchloride ijkoplossing, deze handleiding. Suggesties voor experimenten De geleidbaarheidssensor biedt de mogelijkheid tot het uitvoeren van een groot aantal experimenten waarbij het bepalen van de totale ionconcentratie of het zoutgehalte van belang is: - Onderzoek het verband tussen geleidbaarheid en ionconcentratie. - Kwalitatieve verschillen in de geleidbaarheid aantonen tussen oplossingen van sterke en zwakke zuren, elektrolyten, niet-elektrolyten etc. - Geleidbaarheidsverandering meten door fotosynthese van waterplanten ten gevolge van de afname van de waterstofcarbonaatconcentratie. - Bepalen van de totale belasting aan opgeloste zouten in oppervlaktewater. - Reactiesnelheid volgen van een reactie waarbij ionen worden gevormd of gebruikt. - Diffusiesnelheid van ionen bepalen door een membraan tijdens dialyse. - Geleidbaarheid volgen in een aquarium dat planten en dieren bevat. De veranderingen zijn het gevolg van fotosynthese en stofwisseling. 3
De sensor klaarmaken voor gebruik Zet de elektrode gedurende 10 minuten in gedestilleerd water. Droog de binnenzijde van de elektrode daarna voorzichtig met een tissue en verwijder zonodig onregelmatigheden van het elektrode-oppervlak. Verbind de elektrode met het versterkerkastje. Plaats het versterkerkastje op een interface. IJking van de sensor Voor de drie bereiken van de geleidbaarheidsensor zijn uit de sensorbibliotheek van Coach drie geijkte sensoren te kiezen onder: Geleidbaarheidsensor (0382bt) (CMA). Het is echter raadzaam de sensor altijd te ijken alvorens deze opnieuw te gebruiken. Stel het bereik van de sensor in. Laag: 0 200 S Midden: 0 2000 S Hoog: 0 20000 S Nulpunts-ijking.: Dompel de sensor in gedestilleerd water (een droge sensor in de lucht houden kan ook). Geef dit sensorsignaal de waarde 0 S of 0 mg/l. IJking met standaard oplossing Dompel de sensor in een ijkoplossing (bijvoorbeeld de natriumchloride-standaard die met de sensor wordt meegeleverd). De cel van de sensor moeten geheel in de vloeistof zijn gedompeld. Wacht dan tot de spanning is gestabiliseerd. Vul daarna de waarde in (bijv. 1000 S, 491 mg/l NaCl of 500 mg/l TDS) Nauwkeurige ijking Voer voor een nauwkeurige ijking twee ijkpunten in. Gebruik daarbij standaardoplossingen met een concentratie die in het gebied ligt dat tijdens het experiment wordt bestreken. Metingen uitvoeren met de sensor Ga na een ijking als volgt te werk: - Spoel de cel met gedestilleerd water. - Maak de cel droog voor het uitvoeren van nauwkeurige metingen - Plaats de sensor in de te onderzoeken oplossing. De cel moet geheel zijn 4
ondergedompeld. - Beweeg de sensor door de oplossing. Na hooguit 5 á 10 seconden moet het sensorsignaal gestabiliseerd zijn. - Spoel de cel na iedere bepaling af met gedestilleerd water. - Bij metingen boven 15 C en boven 30 C neemt de automatische temperatuurcompensatie meer tijd in beslag. Het duurt dan iets langer voor het signaal een stabiele waarde heeft. Waarschuwing: Plaats de sensor nooit in visceuze, organische vloeistoffen als olie, glycerol en ethyleenglycol. Ook aceton en apolaire oplosmiddelen als pentaan en hexaan kunnen de sensor aantasten. Zet een vervuilde sensor gedurende 15 min in een zeepoplossing en daarna gedurende 15 minuten in een verdunde zure oplossing (0,1 M HCl of 0,5 M azijnzuur). Spoel daarna met gedestilleerd. De natriumchloride standaard ijkoplossing Nauwkeurige standaard oplossingen zijn essentieel voor het uitvoeren van goede ijkingen. De meegeleverde oplossing is onbeperkt houdbaar. De oplossing blijft bruikbaar als voor ijkingen de sensor schoon en droog wordt gemaakt. Zie onderstaande tabel voor het maken van standaard natriumchloride oplossingen. Gebruik bij het maken van ijkoplossingen volumetrisch glaswerk. Hoeveelheid NaCl in 1 liter TDS Geleidbaarheid bij een bepaalde NaCl concentratie (of Total Dissolved Solid, TDS) Geleidbaarheid ( S/cm) 0,0474 g (47,4 mg/l) 0,491 g (491 mg/l) 1,005 g (1005 mg/l) 5,566 g (5566 mg/l) 50 mg/l TDS 500 mg/l TDS 1000 mg/l TDS 5000 mg/l TDS 100 S/cm 1000 S/cm 2000 S/cm 10000 S/cm 5
De automatische temperatuurcompensatie De automatische temperatuurcompensatie werkt tussen 5 C en 35 C. Tijdens metingen wordt automatisch gerefereerd aan waarden bij 25 C. Als de temperatuur van een oplossing 15 C is, dan ontstaat een sensorsignaal dat hoort bij 25 C. Zodoende is het mogelijk om één ijking te gebruiken bij metingen aan watermonsters van verschillende temperatuur. Zonder temperatuurcompensatie zou een een verschil in geleidbaarheid optreden op basis van het temperatuurverschil bij gelijke ionconcentratie. De geleidbaarheidsensor gebruiken in combinatie met andere sensoren De wisselspanning tussen de elektroden in de geleidbaarheidscel kan het signaal van andere sensoren beinvloeden. Niet bruikbaar in combinatie met de Geleidbaarheidsensor zijn: - zuurstofsensoren - ph-sensoren - ion specifieke sensoren Voorzie de metalen behuizing van de CMA temperatuursensor (-18 C tot 120 C) van elektrische isolatie (met Parafilm o.i.d.) bij gebruik in combinatie met de Geleidbaarheidsensor. De sensoren zijn wel allen op één interface aan te sluiten maar moeten dan om beurten in het watermonster worden gestoken. Experimenten met de Geleidbaarheidsensor Eigenschappen van oplossingen (van elektrolyten en niet-elektrolyten) Meten van de geleidbaarheid tijdens het toevoegen van een geconcentreerde NaCloplossing levert een lineair verband op tussen geleidbaarheid en ion-concentratie. Onderzoek oplossingen van suiker, NaCl, KCl en CaCl 2 (allen 0,005 M) op de geleidbaarheid. Het blijkt dat de waarden van de geleidbaarheid zich nagenoeg verhouden als het aantal ionen in oplossing per mol opgeloste stof. Onderzoek naar de geleidbaarheid van oplossingen van sterke en zwakke zuren (allen 0,005 M) levert het volgende op: CH 3 COOH (142 S), H 3 PO 4 (1230 S), HCl (1990 S). Equivalentiepuntbepalen tijdens een titratie Tijdens de titratie van 0,01 M bariumhydroxide met 0,080 M zwavelzuur treedt bij het equivalentiepunt een minimum op in de geleidbaarheid. Er zijn dan nauwelijks ionen in oplossing. Ba 2+ (aq) + 2 OH - (aq) + 2 H + (aq) + SO 4 2- (aq) BaSO 4 (s) + H 2 O(l) 6
Diffusie over membranen Een dialyse-slang gevuld met NaCl of KCl-oplossing hangt in gedestilleerd water. Het zout diffundeert door de slang. De diffusie is te volgen door de geleidbaarheid te meten. Onderzoek de afhankelijkheid tussen de diffusiesnelheid en het concentratieverschil van de oplossing binnen en buiten de slang. Het nemen van watermonsters in zeewater en oppervlaktewater Bemonster zeewater, voor het bepalen van de gemiddelde geleidbaarheid, bij voorkeur op enige afstand van de kust en onder het wateroppervlak. Ook stilstaand oppervlaktewater dient onder het wateroppervlak bemonsterd te worden. Neem bijvoorkeur een aantal monsters op verschillende diepte. De menging van waterlagen in plassen met stilstaand water is sterk seizoenafhankelijk. Stromend oppervlaktewater is in het algemeen goed gemengd, bemonstering luistert dan minder nauw. Hulpmiddelen voor het nemen van watermonsters staan in vele boeken over veldwerk beschreven. Steek in iedergeval niet de Geleidbaarheidsensor geheel onder water. Bij een te hoge waterdruk kan in de sensor lekkage ontstaan. Het is aan te bevelen om de geleidbaarheid ter plekke te meten. De geleidbaarheid is echter niet dusdanig veranderlijk dat bepaling achteraf bezwaarlijk is. Enkele maatregelen die men moet nemen zijn: - verdamping tegengaan door monsterpotjes goed af te sluiten - monsterpotjes bij voorkeur tot de rand vullen om oplossen van koolstofdioxidegas tegen te gaan Wijziging van de temperatuur wordt door de sensor automatisch gecompenseerd. Monsters die veel organismen bevatten zullen in het algemeen minder geschikt zijn voor bepalingen achteraf. In open zee heeft zeewater een geleidbaarheid van circa 53000 S/cm (27000 mg/l NaCl). Dit ligt buiten het bereik van de sensor (maximaal 20000 S ). Verdun daarom zeewater voor bepalingen van de geleidbaarheid met gedestilleerd water (bijvoorbeeld 25 ml zeewater op 100 ml oplossing) en reken de verdunning (1/4) achteraf terug. 7
Technische specificaties Meetbereik Laag: 0 to 200 S/cm Midden: 0 to 2000 S/cm Hoog: 0 to 20000 S/cm Resolutie bij 12 bits 5V AD omzetterter Laag: Midden: Hoog: 0,082 S/cm (0,041 mg/l TDS) 0,82 S/cm (0,41 mg/l TDS) 8,2 S/cm (4,1 mg/l TDS) Nauwkeurigheid Responstijd Temperatuur - compensatie - toepassingsgebied Celconstante Aansluiting ±1% van de volle schaal, geldt voor ieder bereik 98% van de volle schaal in 5 s, 100% in 15 s. automatisch van 5 C tot 35 C. van 0 C tot 80 C. 1,0 cm -1 Rechtshandige BT-plug (British Telecom) Garantie Barosensor 032 wordt gegarandeerd voor een periode van 12 maanden na datum van aankoop mits gebruikt overeenkomstig de aanwijzingen in deze handleiding. De garantie vervalt indien als op enigerlei wijze sprake is van beschadiging door ongeval of ondeskundig gebruik. N.B.: Dit product is uitsluitend bedoeld voor onderwijsdoeleinden. Het is niet geschikt voor industriële -, medische -, onderzoeks-, of commerciële toepassingen. 8 Rev. 24/07/12