Hydrolab – Processövervakning

Ökade krav på kvaliteten hos ultrarent vatten (t.ex. för farmaci och bioteknik) gör att det finns ett ständigt behov av att öka graden av övervakning och kontroll av processen för att producera vatten av så hög kvalitet. De parametrar som i allt högre grad måste övervakas är konduktivitet och halten av organiskt kol (TOC – Total Organic Carbon).

Företaget Hydrolab fokuserar på att ta fram utrustning som är försedd med kontroll- och mätpaneler. Dessa enheter är ergonomiska, tillförlitliga och ger användaren möjlighet till bekvämlighet och användarvänlighet. I arbetet med att ta fram nya lösningar fokuserar företaget på de bästa och mest tillförlitliga lösningarna som för närvarande finns på marknaden för elektronik och automation. Systemen säkerställer kontinuerlig övervakning av konduktiviteten och temperaturen i det producerade vattnet. Forsknings- och utvecklingsavdelningen arbetar intensivt med mätning av TOC-parametern. Dessutom gör automationssystemet att du kan styra många parametrar. Dessa är systemets arbetstryck, nivån på påfyllningstankar, automatisk volymetrisk dosering av vatten och många andra.

Elektrisk ledningsförmåga

En av de mest populära mätparametrarna som står i proportion till vattnets renhet är dess elektriska konduktivitet. (Även kallad specifik elektrolytisk konduktivitet.) Normerna PN-EN 27888 och PN-EN 60746-3 gäller bestämning av elektrisk konduktivitet i alla vattentyper. Den specifika elektriska ledningsförmågan (uttryckt i [S/m]) är inversen av det specifika elektriska motståndet (uttryckt i [Ωm]) mätt under specifika förhållanden mellan de motsatta väggarna i en kub av en vattenlösning med specifika dimensioner.

I praktiken är den mest populära enheten för specifik elektrisk konduktivitet [μS/cm] eller motsvarande enhet för specifikt elektriskt motstånd [MΩ – cm]. Elektrisk konduktivitet är ett mått på koncentrationen av joniserande lösta ämnen i provet. Vid konduktivitetsmätningar är en viktig faktor den cellkonstant (uttryckt i [m-1]) som används för mätningarna, vilken beror på cellens geometriska dimensioner. I allmänhet kan man anta att cellkonstanten K ges av formeln:

K = l/A

där: l är längden på den elektriska ledaren, medan A är den effektiva tvärsnittsarean för den elektriska ledaren.

Elektrisk konduktivitet är ett mått på den ström som leds av de joner som finns i vatten. Den beror på jonernas koncentration och beskaffenhet samt lösningens temperatur och viskositet. Rent vatten har en specifik elektrisk konduktivitet på 0,05483 μS/cm vid 25°C till följd av självdissociation. Standarden PN-EN 27888 specificerar i detalj metoden för beredning av standardlösningar med kända konduktiviteter vid 25°C. Standardlösningar kan användas vid testning, kalibrering och kalibrering av utrustning för mätning av konduktivitet.

Olika typer av mätinstrument

Vid mätning av vattnets elektriska konduktivitet kan två olika typer av instrument användas. Den första typen är en apparat som är utrustad med en dopp- eller flödeskonduktivitetscell med två eller flera elektroder. Den andra typen är en apparat med induktionselektroder. Hydrolabs produkter är främst inriktade på mätningar med egenkonstruerade konduktometrar med flödescell med två elektroder. Flödeskärl rekommenderas för mätningar av konduktivitet mindre än 100 μS/cm. De används vid mätning av ultrarent vatten. Luft avlägsnas i flödeskärlen, vilket kan påverka mätresultatet för det låga konduktivitetsvärdet negativt. Enligt standarden PN-EN 27888 rekommenderas värdena för cellkonstantvärdet för givna mätområden för konduktivitet. Det antas att ju högre konduktivitet, desto större värde på cellkonstanten. Vid mätning av ultrarent vatten används vanligtvis kärl med en konstant på 0,1 eller 0,01. Hydrolabs konduktivitetsmätare är utrustade med ett styrsystem som tar hänsyn till cellkonstanten.

Påverkan av temperatur

För att uppnå hög precision bör konduktivitetsmätningar utföras när provet och konduktivitetscellen är i jämvikt vid 25°C ± 0,1°C. Detta gör det möjligt att eliminera fel som beror på användning av temperaturkompensatorer eller på matematiska kompensationsmetoder. För precisionsmätningar bör en termometer med en mätnoggrannhet på ± 0,1o°C inom det uppmätta temperaturområdet användas. För rutinmätningar räcker det med en termometer med en mätnoggrannhet på ± 0,5°C.

Kompensation

I praktiken är det dock mycket svårt att mäta vid 25°C ± 0,1°C i de flesta tillämpningar. Av denna anledning korrigeras det uppmätta konduktivitetsvärdet till dess ekvivalenta konduktivitet vid 25°C. Korrigeringen görs med hjälp av en lämplig korrigeringsmultiplikator, vars metod beskrivs i detalj i PN-EN27888. Tack vare den lämpliga kompensationsmetoden får vi ett mätresultat som enkelt kan jämföras med andra mätresultat, även gjorda vid andra temperaturer. Oavsett typ av temperaturkompensation kommer det kompenserade resultatet att vara mindre exakt än det faktiska resultatet som uppmätts vid en referenstemperatur på 25°C. Tidigare användes 20°C som referenstemperatur. Hydrolabs konduktivitetsmätare gör det möjligt att välja referenstemperatur via användargränssnittet.

Olika typer av temperaturkompensation

Dessutom kan Hydrolabs konduktivitetsmätare mätas i ett av tre lägen:
– utan hänsyn till temperaturkompensationen av resultatet
– med hänsyn till linjär kompensation
(möjligheten att ändra α-faktorn som bestämmer den procentuella förändringen i konduktivitet som orsakas av en temperaturförändring på 1°C)
– inklusive icke-linjär kompensation, vilket är den mest exakta metoden för temperaturkompensation i applikationer med ultrarent vatten.

Störande faktorer

Vid konduktivitetsmätningar bör man vara uppmärksam på störande faktorer. Mätresultaten kan påverkas av provföroreningar i form av suspensioner, fetter eller oljor som kan blockera elektrodernas yta. Det resulterar i en förändring av cellkonstanten. Ett annat viktigt element som måste undvikas vid mätningar är polarisationseffekten. Den uppstår på elektrodernas yta. Polariseringen sker när strömmen som flyter mellan elektroderna orsakar elektrolys och därmed delvis isolerar elektrodernas yta. För att undvika polarisering kan du använda:

• AC-mätningar vid tillräckligt hög frekvens
• mätning med fyra eller sex elektroder med separata mätelektroder för ström och potential
• induktiv eller kapacitiv mätning, bestående av en kombination av en elektrolytisk ledare och en elektrisk mätkrets genom icke ledande medier.

Innehållet av organiskt kol TOC

Ökade krav på kvaliteten hos ultrarent vatten (t.ex. för farmaceutiska och biotekniska behov) tvingar fram ett ständigt behov av att öka graden av övervakning och kontroll av processen för att producera vatten av så hög kvalitet. En av de parametrar som kräver alltmer övervakning är innehållet av organiskt kol (TOC – Total Organic Carbon). Innehållet av organiskt kol TOC bestäms av skillnaden mellan innehållet av totalt kol TC och innehållet av oorganiskt kol TIC enligt följande formel:

TOC = TC – TIC

Det finns ett antal mätinstrument och TOC-analysatorer som möjliggör en detaljerad och extremt exakt bestämning av TOC-parametervärdet. Tyvärr är dessa instrument mycket komplicerade och deras pris är mycket högt. Dessutom är en viktig nackdel med den allmänt tillgängliga utrustningen främst behovet av off-line-drift, dvs. att införa det testade provet i mätkammaren och utsätta det för analys. I processen för rening och beredning av ultrarent vatten är det emellertid viktigt att övervaka parametrarna för den erhållna produkten on-line, så att man omedelbart kan reagera på förändringar (försämring) i kvaliteten och införa modifieringar (t.ex. byte av filterelement).

Hydrolabs forsknings- och utvecklingsavdelning bedriver ett intensivt arbete med att utveckla metoder för mätning av parametern TOC. Vår prioritet är att göra mätningen möjlig on-line (i strömmande vatten).

Den andra viktiga aspekten är miniatyriseringen och minskningen av analysatorns produktionskostnader. Denna förbättring kommer att göra det möjligt att integrera analysatorn som en del av produktionslinjen för ultrarent vatten. De utvecklade analysatorerna tillhör den tekniskt avancerade högteknologiska klassen av kunskapsbaserade apparater som saknar motsvarighet på den globala marknaden. De kännetecknas av: miniatyrisering, energisnål strömförsörjning, låga kostnader och anpassning till kontinuerlig (inklusive telemetri) övervakning.