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Medición de Conductividad en fluidos

Las sondas de conductividad están muy extendidas en muchos procesos de fabricación de la industria. Desde Bürkert os mostramos las diferentes opciones que existen desde un punto de vista técnico y así, en función de cada necesidad, tener los datos para seleccionar el instrumento más adecuado.

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La conductividad eléctrica es la capacidad de una solución para conducir una corriente eléctrica. En fluidos está asociada a la presencia de más o menos iones, una concentración iónica más alta produce una mayor conductividad, siendo por ello una de las variables analíticas más importantes en los procesos de fabricación y control de calidad.

 

Sus aplicaciones dentro de la industria farmacéutica, biotecnología, química y alimentaria se centran principalmente en la determinación y monitorización de la calidad del agua ultrapura, el control e identificación de fluidos en procesos CIP o la detección de contaminaciones, por ejemplo.

La conductividad se mide por dos principios, conductivo e inductivo, y la unidad de medida SI es "Siemens por metro" que debe su nombre al ingeniero Alemán Werner von Siemens. La selección del instrumento de medida depende del rango a medir y de la aplicación, ya que los requisitos técnicos y normativas pueden ser diferentes.

En ambos principios el dispositivo de medición produce un voltaje eléctrico alterno entre dos electrodos, induciendo un flujo de corriente directamente proporcional a la conductividad. El voltaje aplicado genera una corriente que está determinada por la resistencia del fluido (ley de Ohm).

Otro parámetro importante es la constante de celda de medición. La constante de celda C describe la geometría de los electrodos relacionado la distancia que los separa L y su superficie A y está definida por la ecuación C = L / A, esta define el rango de conductividad que el conductivímetro será capaz de medir. La conductividad del fluido se calcula sobre la base de esta constante de celda C, conocida, y midiendo la corriente generada.

Cuanto más baja es la conductividad, más baja debe ser la constante de celda.

 

 La medición de la conductividad se puede realizar con celdas de 2 electrodos o polos o celdas de 4 electrodos o polos. Los electrodos están en contacto directo con el fluido.

En una celda de 2 electrodos, se aplica una corriente alterna entre los 2 electrodos, uno frente al otro, y se mide el voltaje resultante, la intensidad de la corriente depende del número de aniones y cationes libres del fluido que existen entre los electrodos. Cuantos más aniones y cationes libres contenga el líquido, mayor será la conductividad eléctrica y la corriente eléctrica conducida por el fluido. Cuanto más baja es la conductividad, más baja debe ser la constante de celda. Los instrumentos miden desde la conductividad del agua ultrapura hasta soluciones concentradas, dependiendo de la constante de celda seleccionada. Existen sistemas de medida o instrumentos con constantes de celda C=10, C = 1, C = 0.1 y C = 0.01. Habitualmente integran un sensor de temperatura, PT1000, para compensar el valor de conductividad en función de esta, ya que influye notablemente en la medida de la conductividad. (Una más alta temperatura hace que los aniones estén más agitados y esto favorece la conductividad, por lo que a igualdad de concentración tenemos más o menos conductividad según la temperatura. Más adelante en este artículo se profundiza más en este aspecto)

 

En una celda de 4 polos, se aplica una corriente alterna a dos electrodos opuestos (electrodos de corriente) de tal manera que se mantiene una diferencia de potencial constante entre los otros dos electrodos (electrodos potenciales, sin corriente). Como la medición de diferencia de potencial y corriente se realiza con una corriente muy baja entre los electrodos potenciales, estos no se polarizan. Al no tener efecto de polarización, el sensor puede medir con una única celda constante en un rango de conductividad muy grande.

 Las sondas con 4 electrodos eliminan los efectos de polarización que se pueden producir en los sensores de dos polos. Este efecto se produce si hay una alta concentración de iones en el fluido, provocando a una repulsión mutua de los iones, obteniendo como consecuencia una reducción de la corriente. Este efecto puede influir en la precisión de los equipos de medición.

Su diseño garantiza una excelente linealidad en todo el rango de medición y son utilizados en aplicaciones con un amplio rango de medida, por ejemplo, procesos CIP con agua pura para el aclarado. La medición con un sensor de 4 polos va desde 0,1µS/cm a 500.000 µS/cm (sonda de referencia tipo 8221 Bürkert)

 

Una celda de conductividad inductiva consta de dos bobinas: una bobina emisora de campo y una bobina receptora. Las bobinas están integradas en una carcasa con un orificio por el que pasa el fluido a medir. El fluido cubre la carcasa y fluye también a través del orificio. Un voltaje alterno sinusoidal estimula la bobina emisora, generando un campo eléctrico en el fluido, debido a la conductividad del fluido (presencia de cationes y aniones) este genera un voltaje en la bobina receptora. Midiendo este voltaje y conociendo la característica de la celda, es posible determinar la conductividad ya que la intensidad de corriente y la conductividad son directamente proporcionales al número de iones libres en el fluido. Del mismo modo que en los sensores anteriores se integra un sensor de temperatura para compensar la variación de conductividad debida a la temperatura, esta solución también cuenta con esta sonda ya que la temperatura también influye en su medida. Este método de medición, gracias a la separación física entre sensor y fluido, permite su uso en fluidos muy problemáticos, como los que presentan sólidos en suspensión, altas concentraciones salinas o complicaciones por compatibilidad química con el acero inoxidable u otros materiales. Dado que el electrodo de medición tiene un rango de medición muy amplio, no se requieren diferentes constantes de celda. Sin embargo, el uso de este dispositivo no es posible en fluidos con baja conductividad ya que no se puede detectar ningún valor por debajo de una conductividad específica.

 

 

 

La gama de sensores de conductividad Bürkert incluye ambos tipos. En todos los casos se trata de sensores adaptados a cada aplicación, cumpliendo con las más exigentes regulaciones del sector.

Compensación de temperatura

Como se ha comentado anteriormente, la temperatura influye en la conductividad, un aumento de temperatura produce una disminución de viscosidad y consecuente a estos factores se produce un incremento de movilidad de los iones provocando un aumento de conductividad en el fluido. Este aumento se suele expresar en %/Cº (coeficiente de temperatura “CT”). Podemos aproximar para soluciones acuosas un 2% de variación por ºC. Por lo que el resultado de dos equipos, o un patrón y el sensor a comprobar únicamente pueden ser comparados si la temperatura de las muestras es idéntica o está referenciada a una temperatura determinada de referencia.

Por ello muchos procesos incluyen una compensación de temperatura, que calcula el valor de conductividad que la muestra tendría a una temperatura de referencia, eliminando de esa forma el efecto de la temperatura en dicho valor de conductividad. Para ello emplean el mencionado coeficiente de temperatura CT.  

Es importante tener en cuenta que esta compensación aproxima el valor de conductividad en función de la temperatura, pero existe un error sobre el valor de lectura ya que el CT no es constante, depende de la concentración molar en la disolución y la temperatura.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Conductividad de diferentes fluidos en función de la concentración)

 

 

Existen varios procesos de cálculo de compensación de temperatura, a continuación, se describen los más habituales;

-       Compensación lineal: Esta es la compensación más habitual, siempre que la temperatura de su proceso sea siempre> 0 ° C, y consiste en usar un coeficiente lineal, calculado, a partir de dos valores conocidos. Este valor suele estar entre 1 y 3, y en agua ultra pura hasta 7,5.

 

α = Coeficiente

XT = Conductividad a temperatura T(Cº)

X25 = Conductividad a 25ºC

 

 

-       Compensación, no lineal, según EN 27888; Este cálculo sigue la siguiente ecuación, donde la conductividad medida se corrige a una temperatura de referencia de 25ºC.

K25ºC = f25(T) x KT

 * f25(T) es el factor de corrección de temperatura usado para ajustar los valores de conductividad del fluido (agua natural) a temperatura de la muestra (T) hasta la temperatura de referencia 25ºC (estos valores son fijos y están tabulados)

 -       Compensación UPW (agua Pura) la CT del agua pura varía debido a la autoionización, reacción química en la que dos moléculas de agua reaccionan para producir un ion oxonio (H3O+) y un ion hidróxido (OH)), el agua pura sin impurezas tiene una conductividad mínima causada por estos iones. Estos valores son conocidos y los instrumentos calculan el valor de la conductividad aplicando el CT correspondiente a la temperatura de la muestra. Cabe decir que la autoionización es mínima, pero se ha de tener en cuenta.

 -       Compensación UPW-NaCl (agua Pura-NaCl) Debido a la presencia de iones ajenos a la autoionización, existe una compensación que tiene en cuenta esta contaminación, tomando como referencia el cloruro de sodio (NaCl) La conductividad compensada es la suma de conductividad del agua y la conductividad de iones de Na y Cl.

El estándar USP <645> no usa CT, pero algunos instrumentos, por ejemplo, el tipo 8619 de Bürkert, permite programar una señal de alarma si el valor de lectura de conductividad dista un % de la gráfica USP <645>. Para las mediciones correspondientes a estos estándares, el modo de corrección de temperatura debe estar desactivado.

 

 

 

 

Relación Conductividad / Concentración

La conductividad se puede usar como medida indirecta de la concentración de electrolitos (soluciones conductoras de electricidad). Por ejemplos, la concentración de fluidos en un proceso CIP. Se ha de tener en cuenta que la solución ha de ser única o mayoritaria en el fluido y la variación de conductividad ha de ser medible.

 

Una curva de concentración normalmente se comporta con una línea de conductividad muy baja, casi lineal, donde ECE es el valor de conductividad máximo y para un mismo valor de conductividad ECmeas, inferior a ECE, suelen haber 2 concentraciones diferentes c1 y c2 donde c1 <c2.

Por lo tanto, la medida tiene que ser limitada. p.ej. c  {[0, cE [; ] cE, cE2 [; ..} y cE no debe incluirse dentro de un intervalo.

Se ha de garantizar en el proceso que las concentraciones no puedan confundirse para evitar errores.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Calibración de sondas de conductividad

Principalmente se contemplan dos tipos de calibraciones, mediante una o varias soluciones patrón con valor de conductividad conocido o puede calibrarse con la referencia de un sensor patrón calibrado a su vez con una disolución patrón. El sensor puede calibrarse en uno o varios puntos, siendo recomendable usar puntos de referencia lo más cercanos posibles a los puntos de trabajo. Es imprescindible seguir los pasos establecidos por los diferentes fabricantes, donde la formación y asesoramiento de los técnicos es básica para obtener el mejor resultado. Este punto es digno de ser tratado en profundidad en otro artículo.

Transmisores / Controladores

Por último y no menos importante, nos hemos de referir al transmisor / controlador remoto que nos va a permitir visualizar y retransmitir los valores de conductividad a los sistemas de control de la planta.

En este ámbito cada fabricante dispone de diferentes electrónicas y prestaciones, por lo que me centraré en lo que Bürkert puede ofrecer.

El transmisor 8619 de Bürkert permite integrar hasta 8 sensores con una arquitectura modular, tanto de cuanto a software o hardware. Adaptándose fácilmente a las necesidades de la aplicación integrando funciones matemáticas, controlador PID, funciones analíticas, diagnóstico y datalogger, entre otras muchas opciones.

Está especialmente diseñado para entornos industriales, incluso corrosivos. Incorpora una pantalla monocromática retroiluminada, de fácil lectura, con una botonera grande, y simplicidad de operación. Permite instalarlo en armarios de control –versión panel-, en pared –versión mural- y/o estructuras.

Dispone de comunicación analógica, salidas/entradas digitales y/o integración en entornos Ethernet industriales como Modbus TCP, PROFINET (Conformance Class B) o EtherNet/IP. Debido al interface de dos puertos Ethernet, se pueden realizar todo tipo de topologías de conexión y ahorrar esfuerzo en cableado.

No podríamos decir que un sistema es mejor que el otro, simplemente, cada sistema se adapta en mayor o menor medida a las necesidades de su aplicación. Y por ello, desde Bürkert le ofrecemos nuestra experiencia y una amplia gama de sensores de conductividad y otras variables analíticas que seguro se adaptarán a proceso. Cuente con nosotros y deje que sus ideas fluyan. 

Puede encontrar más información sobre nuestros equipos de instrumentación analítica en:

https://www.burkert.es/es/content/download/297972/8371268/version/1/file/Product-Overview-Measurement-Devices.pdf

 

Más información acerca de Bürkert Fluid Control Systems

Bürkert Fluid Control Systems es uno de los fabricantes mundiales líderes en sistemas de medición, regulación y control de líquidos y gases. Las soluciones Bürkert se utilizan en diferentes sectores y aplicaciones: desde la industria farmacéutica o alimentaria hasta tecnología médica, biológica y espacial. Con un catálogo de más de 30.000 productos, Bürkert es el único proveedor que ofrece todos los componentes de control de fluidos, desde electroválvulas a válvulas de proceso y válvulas analíticas, desde sistemas neumáticos a sensores analíticos.

La empresa, con sede en Ingelfingen (Alemania), dispone de una amplia red comercial en 36 países con más de 2.800 trabajadores en todo el mundo. Bürkert desarrolla soluciones personalizadas y productos innovadores en sus cinco centros de producción Systemhaus en Alemania, Estados Unidos y China, y en sus cuatro centros de investigación.

Más información en:

www.burkert.es

Texto:          Luis Terés, Field Segment Manager Hygienic- Bürkert Fluid Control Systems

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