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導電度量測的 cell constant 量程 溫度補償與電極極化怎麼搭配

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用κ=K×G=K/R與cm⁻¹、µS/cm單位示例,區分二極、四極與感應式電導池,說明25°C溫補係數需配對液體,並以極化、髒污、純水CO2污染和校正紀錄排查量測失敗。

先固定公式與單位

導電度κ描述溶液傳導電流的能力,cell constant記為K,電導記為G,三者關係可寫成κ=K×G=K/R,其中R是量到的電阻,G=1/R。若K用cm⁻¹,κ可用S/cm;換成µS/cm時要乘上一百萬。K不是任意校正倍率,而是電極幾何與電場有效路徑的參數。清潔、定位、氣泡和校正液狀態改變時,算出的表觀K可能變動;直接把K改到讀值好看,可能掩蓋髒污或電極損壞。

本篇只用兩個教學數字,不宣稱精度。假設K=0.1 cm⁻¹、量得R=100 kΩ,G=10 µS,κ=1 µS/cm。假設K=1.0 cm⁻¹、量得R=10 kΩ,G=100 µS,κ=100 µS/cm。單位必須跟著公式走;把K=1.0當成無單位,或把µS/cm直接當成S/m,會造成單位或倍率錯誤;1 µS/cm等於0.0001 S/m,直接沿用數字會差一萬倍。

定義 本例 常見錯誤
K cell constant 0.1或1.0 cm⁻¹ 輸入時漏掉cm⁻¹
R 電阻 100 kΩ或10 kΩ 把電阻當電導
G 電導=1/R 10或100 µS 未換算S與µS
κ K×G 1或100 µS/cm 混用µS/cm與S/m

量程要與K搭配,而不是先選一個漂亮的K。低導電度通常使電極電流小,較容易受漏電、線纜與污染影響;高導電度則可能出現極化或前端範圍限制。選定電極後,要用該型號的K、工作範圍、材質、溫度條件和儀表輸入範圍一起判斷。量測範圍必須在校正和製程溫度下重新確認。若製程可能跨越兩個量級,應確認儀表自動換檔和校正液涵蓋,而不是只記錄一個名義K。

二極 四極與感應式不可混用

二極電導池以兩個電極施加交流並量測響應,結構簡單,適合其資料表定義的範圍;電極表面污染、極化與線纜電阻可能直接影響讀值。四極電導池把通電與量測功能分開,能降低接觸電阻、線纜電阻與部分極化影響,但仍需遵守該探頭的量程、安裝與校正條件。感應式或電磁式電導計沒有浸入式金屬電極的同一種接觸結構,其有效K與安裝因子要按廠商模型設定,不能把二極探頭的數值和電極間距直接套過去。

Thermo Scientific的2002CC資料把4電極型與2電極型分列,並各自列出名義K與範圍;這說明不同結構不可共用設定。Endress+Hauser的Memosens資料也把導電式、四極式與感應式校正分開。更換探頭時要以料號和接頭確認,不能只看外觀。

結構 量到的主要問題 適用判斷 不可做的事
二極 接觸、污染、極化與線阻 依料號K與量程選擇 拿四極K套用
四極 通電與取樣分開,仍受污染與安裝影響 依資料表範圍與校正液 宣稱完全沒有極化
感應式 線圈耦合、安裝因子與管路條件 依感應式資料表 直接搬用另一探頭的K
未知型式 結果無法可靠解釋 先查銘牌與手冊 靠讀值猜K

電極極化常在較高導電度、較大電流或直流成分不當時加劇,表現可能是讀值隨量測時間下降、換頻率後改變或靠近電極表面時不穩。清洗後若K突然大幅變動,不應立即接受新K;先檢查電極表面、氣泡、流速、溫度感測和校正液,再判斷是否真的是幾何或探頭老化。

溫度補償要配對液體

導電度通常會隨溫度變化,因此儀表可把讀值換算到25°C等參考溫度。線性補償常用κ25=κT/[1+α(T−25)],但α不是所有液體都相同。酸、鹼、鹽水、天然水、超純水和混合製程的溫度曲線可能不同;只能在已明訂的係數範圍與液體條件下使用線性模型。補償會改變顯示值,不會修好錯誤K、髒污、氣泡或極化。

Endress+Hauser的資料將α係數、參考溫度與補償模式分開設定,並列出線性、NaCl、天然水與超純水等選項。Thermo Scientific資料也以特定洗脫液說明補償係數可調範圍。這些數字只屬於各自設備與應用,不應拿某篇手冊的1.7%/°C套到所有水溶液。若沒有液體相符的曲線,應顯示未補償導電度或建立經驗曲線並保留驗證紀錄。

例如假設特定溶液在20至35°C已驗證α=0.020/°C,35°C未補償值120 µS/cm,換算為120/[1+0.020×10]=100 µS/cm。若把百分數2直接代入,會算成5.71 µS/cm;這是係數單位錯誤。校正標準液則要使用證書的溫度表,不能因為這個算例採2%就替代標準液資料。

條件 應確認 錯誤後果 排查
25°C參考 參考溫度與報表單位 不同批次不可比較 看儀表與校正液證書
α係數 液體、溫度範圍、線性適用性 溫度一變就假穩定 停用補償做對照
溫度來源 探頭溫度或手動值 補償用錯溫度 比較獨立溫度計
高溫取樣 冷卻與污染控制 取樣後已變質 記錄取樣時間與溫度

純水和低導電度水特別容易被空氣中的二氧化碳、容器殘留、手套粉塵或取樣管污染。取樣杯放置幾分鐘後,數值可能已不是製程原水;此時用一個漂亮的K去追讀值,不能證明探頭準確。校正要使用適合範圍、溫度已知、未過期且未被污染的標準液,並以穩定性和重複性作為接受條件。

用K=0.1與K=1示例排查

假設低導電度回路採K=0.1 cm⁻¹,兩次量到R=100 kΩ,則G=10 µS、κ=1 µS/cm;若清洗後R仍大致相同而溫度改變,應先看補償模型。另一回路採K=1.0 cm⁻¹,量到R=10 kΩ,得到κ=100 µS/cm。這兩個算例只示範單位和比例,不提供允差或精度承諾。實際讀值還要受儀表激勵頻率、電極表面、安裝流場、溫度與液體組成影響。

症狀 可能原因 先做的比較 不要先做
清洗後K需大改 髒污、氣泡、電極磨損 同一標準液重測R與溫度 直接保存新K
讀值隨時間下降 極化、沉積、溫度未穩 換量測時間與流速記錄趨勢 用平均數遮住漂移
兩探頭差一千倍 K單位或結構不同 核對K、型式與單位 只調縮放倍率
純水現場高於實驗室 CO2、取樣容器或溫度 比較密閉即時與暴露取樣 宣稱感測器失準

若校正液測試失敗,先確認探頭完全浸沒、無氣泡、電極間無沉積,溫度已穩定且標準液沒有被稀釋。二極探頭與四極探頭的校正流程不可互換;感應式探頭還要查管徑、安裝因子與空管條件。若標準液重複性正常、製程液異常,問題可能是液體組成或製程污染,而不是把K再改一次。

  1. 記錄探頭料號、K名義值、型式、溫度與原始電阻。

  2. 用適合的標準液做重複測試,保留未補償與補償後結果。

  3. 比較清洗前後、靜置與流動、不同溫度下的趨勢。

  4. 只有確認探頭幾何與標準液結果後,才更新校正值並保存原值。

FAQ與校正紀錄

FAQ 1:cell constant越大,量測就一定越準嗎?答:不一定。K要和導電度範圍、電極結構、儀表輸入及液體匹配;K=0.1與K=1只是不同幾何與應用示例,不能用大小判斷準確度。

FAQ 2:讀值不對時,把K改到標準液數值就可以嗎?答:不應直接這樣做。先檢查髒污、氣泡、浸入深度、溫度和校正液;K大幅偏移可能是探頭或安裝問題,校正值不能掩蓋失效。

FAQ 3:25°C線性溫補可以套所有液體嗎?答:不可以。α係數必須對應液體、溫度範圍與模型;低導電度水、酸鹼和混合液尤其不能用未驗證的固定係數。

FAQ 4:二極、四極和感應式探頭可以共用一個K欄位嗎?答:不可直接共用。三種結構的電場與校正方式不同,感應式還有安裝因子;應依實際料號手冊設定。

校正紀錄至少保存探頭料號與結構、名義與實測K、標準液批號和溫度、未補償導電度、補償模式與α、清洗前後結果、浸入和流動條件及異常判定。另應記錄校正者、日期、原始值與是否接受,避免只留下最後一個K。本文未宣稱任何型號精度,未提供PLC寄存器。

參考:Endress+Hauser導電度校正手冊

參考:Thermo Scientific導電度電極規格

參考:Thermo Dionex溫度補償手冊

參考:Endress+Hauser CLL47E產品頁

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