制藥用水在線電導(dǎo)率儀補(bǔ)償方式研究

摘要：目前大部分制藥用水在水機(jī)出水與分配循環(huán)系統(tǒng)上安裝在線電導(dǎo)率儀對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)對(duì)電導(dǎo)率儀進(jìn)行溫度補(bǔ)償。不同品牌電導(dǎo)率檢測(cè)設(shè)備之間存在不同的補(bǔ)償方式，導(dǎo)致同一水樣在使用不同品牌的電導(dǎo)率儀進(jìn)行在線檢測(cè)時(shí)結(jié)果不一樣，而且同一個(gè)儀器在不同的補(bǔ)償方式下檢測(cè)出來的結(jié)果也不一樣。鑒于此，對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量的概念、原理，溫度補(bǔ)償?shù)哪康?、補(bǔ)償方式、解決方案等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：制藥用水;線性25 ℃補(bǔ)償;補(bǔ)償系數(shù)

中圖分類號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）19-0064-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.015

0 引言

制藥用水作為制藥企業(yè)生產(chǎn)過程中的重要原料，貫穿于整個(gè)藥品生產(chǎn)的全過程，因此制藥用水水質(zhì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著很大的影響。制藥用水電導(dǎo)率作為水質(zhì)監(jiān)控中重要的指標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠快速反映水質(zhì)狀況，所以制藥用水系統(tǒng)無論是在產(chǎn)水口還是分配循環(huán)系統(tǒng)末端均安裝在線電導(dǎo)率儀，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制藥用水電導(dǎo)率指標(biāo)，并配合控制系統(tǒng)來完成水系統(tǒng)供水過程的電導(dǎo)率在線監(jiān)測(cè)。

1 電導(dǎo)率概念及原理

1.1 電導(dǎo)率測(cè)量的概念

電導(dǎo)率是溶液中所有溶解離子種類（鹽、酸、堿和一些有機(jī)物）的非特征性綜合指標(biāo)參數(shù)，反映物質(zhì)傳送電流的能力，是電阻率的倒ORgvJPGmrhXCvyB/tDQm5g==數(shù)。

根據(jù)歐姆定律，通過溶液的電壓（V）與電流（I）成正比：

V=RI

電阻（R）為比例常數(shù)，如果已知電壓就可以測(cè)出電流：

I=V/R

電導(dǎo)G為電阻的倒數(shù)：

G=1/R

電導(dǎo)測(cè)量值還取決于測(cè)量池的幾何形狀，由電極常數(shù)（K）表示，計(jì)算方法為電極間距（L）除以介于電極之間電解質(zhì)的有效橫斷面積（A）：

K=L/A

在進(jìn)行電導(dǎo)率探頭校準(zhǔn)時(shí)，除先校準(zhǔn)溫度以外，對(duì)電導(dǎo)檢測(cè)部分的校準(zhǔn)就是校準(zhǔn)電極常數(shù)（K）。2020版《中國(guó)藥典》“0681 制藥用水電導(dǎo)率測(cè)定法”規(guī)定，電極常數(shù)必須在儀器規(guī)定數(shù)值±2%范圍內(nèi)[1]。

電導(dǎo)率k：

k=GK

1.2 電導(dǎo)率測(cè)量原理

電導(dǎo)率測(cè)量池由一對(duì)帶電的電極組成，通過儀器測(cè)量電流并計(jì)算電導(dǎo)率。當(dāng)對(duì)電極施加直流電時(shí)，正電荷離子（陽離子）會(huì)朝向負(fù)極（陰極）移動(dòng)，而負(fù)電荷離子（陰離子）會(huì)朝向正極（陽極）移動(dòng)。影響電導(dǎo)率的主要因素為溶液中的溶質(zhì)類型、溶質(zhì)含量與溫度。電導(dǎo)率是用于測(cè)定溶質(zhì)含量的，但溫度會(huì)影響離子的移動(dòng)速度，因此不同溫度下測(cè)定同樣的溶劑，溫度將會(huì)影響電導(dǎo)率。溫度高時(shí)離子移動(dòng)速度更快，則溶液的電導(dǎo)率隨溫度升高而升高。

電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系取決于溶液中離子類型和濃度，由于每種溶液的離子類型和濃度都不相同，因此補(bǔ)償時(shí)要選擇合適的方式。為了比較不同溫度下的測(cè)量值，需要把它們補(bǔ)償?shù)絽⒖紲囟?，最好是降到同一溫度進(jìn)行測(cè)量。若無法實(shí)現(xiàn)，那么測(cè)量?jī)x表將會(huì)采用不同的溫度系數(shù)α，將不同溫度下測(cè)量的電導(dǎo)率值補(bǔ)償至參考溫度下的電導(dǎo)率值。溶液的溫度系數(shù)α是每1 ℃的電導(dǎo)率百分比變化量，取決于介質(zhì)的化學(xué)成分和溫度，是一個(gè)隨時(shí)變化的值。補(bǔ)償計(jì)算公式為：

K（T）=K（T0）[1+α（T-T0）]

式中：K（T）為不補(bǔ)償?shù)碾妼?dǎo)率;K（T0）為線性補(bǔ)償后的電導(dǎo)率;T為真實(shí)溫度;T0為需補(bǔ)償?shù)降臏囟龋?5 ℃。

2 電導(dǎo)率補(bǔ)償?shù)哪康?/p>

1）目前電導(dǎo)率使用“三步法”進(jìn)行測(cè)定。在第一步中，如將在線電導(dǎo)率作為放行標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，就必須使用不補(bǔ)償?shù)姆绞?。如果在線數(shù)據(jù)不作為放行標(biāo)準(zhǔn)，只用于過程控制，而把第二步離線測(cè)定作為放行標(biāo)準(zhǔn)，那么理論上在線電導(dǎo)率儀表上可以進(jìn)行補(bǔ)償，但是補(bǔ)償方式?jīng)]有規(guī)定。

2）為了準(zhǔn)確、連續(xù)監(jiān)測(cè)水的純度，會(huì)使用在線儀表，但這種監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵是去除溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響，在更高的溫度下，離子變得更具流動(dòng)性，因此導(dǎo)電性更好，所以溫度波動(dòng)就會(huì)造成電導(dǎo)率的波動(dòng)。為了在過程控制環(huán)節(jié)去除溫度的影響，為系統(tǒng)控制與報(bào)警提供固定的限度值[2]，就需要對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償去除了溫度波動(dòng)對(duì)電導(dǎo)率檢測(cè)的影響，這樣能更好地進(jìn)行趨勢(shì)分析，制定出準(zhǔn)確的警戒限和行動(dòng)限。

3 補(bǔ)償方式

現(xiàn)在能接觸到的電導(dǎo)率儀設(shè)備大部分來自梅特勒或E+H等一線大品牌，圖1、圖2是不同補(bǔ)償模式下，同一個(gè)梅特勒電導(dǎo)率儀在監(jiān)測(cè)過程中注射用水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的情況下的在線數(shù)據(jù)顯示。

1）同一種水質(zhì)（溫度略微變化）在線性25 ℃補(bǔ)償模式的電導(dǎo)率為0.237 μS/cm，標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償模式的電導(dǎo)率為0.033 μS/cm，不補(bǔ)償電導(dǎo)率為0.539 μS/cm。由此可見，選擇合理的補(bǔ)償方式是呈現(xiàn)電導(dǎo)率檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。

2）梅特勒變送器具有以下補(bǔ)償類型：

（1）標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償包括對(duì)非線性高純度效應(yīng)和常規(guī)中性鹽雜質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)償，并應(yīng)符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)D1125和D5391要求。

（2）Light84補(bǔ)償與T. Slight博士在1984年發(fā)表的關(guān)于高純水的研究結(jié)果一致，只有對(duì)此方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化之后才能使用。

（3）Std75 ℃補(bǔ)償是75 ℃下的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償算法。在較高溫度下測(cè)量超純水時(shí)，首選此補(bǔ)償方式（超純水的電阻率在75 ℃時(shí)是2.481 8 MΩ·cm）。

（4）線性25 ℃補(bǔ)償利用一個(gè)表示“%/℃”（偏離25 ℃）的系數(shù)來調(diào)節(jié)讀數(shù)，只有當(dāng)溶液具有良好的線性溫度系數(shù)時(shí)才使用。出廠默認(rèn)值為2.0%/℃。

（5）線性20 ℃補(bǔ)償利用一個(gè)表示“%/℃”（偏離20 ℃）的系數(shù)來調(diào)節(jié)讀數(shù)，只有當(dāng)溶液具有良好的線性溫度系數(shù)時(shí)才使用。出廠默認(rèn)值為2.0%/℃。

3）E+H變送器具有以下補(bǔ)償類型：

（1）線性溫度補(bǔ)償;

（2）NaCl補(bǔ)償;

（3）NaCl超純水補(bǔ)償（中性補(bǔ)償）;

（4）HCl超純水補(bǔ)償（酸性補(bǔ)償）。

儀表說明書顯示，梅特勒的標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償適用于超純水18.20 MΩ·cm（25 ℃），制藥用水指標(biāo)達(dá)不到超純水的指標(biāo)，顯然選用標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)償模式是不正確的;E+H的線性溫度補(bǔ)償為25 ℃線性溫度補(bǔ)償模式。為了在不同廠家與不同應(yīng)用環(huán)境下做出統(tǒng)一的補(bǔ)償，最好的方式為采用25 ℃線性溫度補(bǔ)償模式。

根據(jù)圖3，如果選擇線性25 ℃補(bǔ)償，不同儀器之間默認(rèn)的補(bǔ)償系數(shù)不同，25 ℃線性補(bǔ)償就是將α作為一個(gè)固定值進(jìn)行計(jì)算。梅特勒為α=2%/℃，E+H為α=2.1%/℃。α=2%/℃的斜率適用于天然水、飲用水、冷卻水等，不適用于制藥用水。因此，合理的補(bǔ)償系數(shù)成為電導(dǎo)率補(bǔ)償后數(shù)據(jù)真實(shí)性的關(guān)鍵。

4 補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算

在設(shè)備安裝好以后，工程公司或設(shè)備廠家很少會(huì)對(duì)設(shè)備的補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，一般為默認(rèn)值，因此需要設(shè)備維護(hù)人員經(jīng)過計(jì)算后進(jìn)行調(diào)整，在不補(bǔ)償模式下，根據(jù)USP表對(duì)比不同溫度下的電導(dǎo)率[3]。

以下使用90 ℃補(bǔ)償?shù)?5 ℃時(shí)電導(dǎo)率為1.3 μS/cm的水，根據(jù)梅特勒電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)電導(dǎo)率補(bǔ)償計(jì)算公式K（T）=K（T0）[1+α（T-T0）]，令α=2%/℃，當(dāng)K（T0）=1.3 μS/cm，T=90 ℃時(shí)，計(jì)算得出K（T）=2.99 μS/cm，而2.99 μS/cm@90 ℃的水超過USP表中的2.7 μS/cm@90 ℃。如果按照這個(gè)補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行反推，補(bǔ)償后原2.99 μS/cm@90 ℃的水補(bǔ)償?shù)?5 ℃時(shí)是1.3 μS/cm，原不合格的水經(jīng)過補(bǔ)償后就合格了，顯然在實(shí)際運(yùn)行過程中選用2%的補(bǔ)償系數(shù)是不合適的，具體的補(bǔ)償系數(shù)需要根據(jù)具體的循環(huán)溫度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

例如，循環(huán)溫度為85 ℃，由于溫度波動(dòng)一般在80～90 ℃，選擇90 ℃時(shí)套入公式K（T）=K（T0）[1+

α（T-T0）]，當(dāng)K（T0）=1.3 μS/cm時(shí)，K（T）=2.7 μS/cm@

90 ℃。經(jīng)過計(jì)算α=1.65%/℃。80 ℃時(shí)套入公式K（T）=

K（T0）[1+α（T-T0）]，當(dāng)K（T0）=1.3 μS/cm時(shí)，K（T）=

2.7 μS/cm@80 ℃。經(jīng)過計(jì)算α=1.96%/℃。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況斜率應(yīng)該在1.65%～1.96%進(jìn)行選擇。

由圖4可知，針對(duì)不同的循環(huán)溫度應(yīng)選擇其中最高的溫度來計(jì)算相關(guān)的斜率，例如最高溫度90 ℃在1.65%補(bǔ)償系數(shù)模式下，電導(dǎo)率都會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)不補(bǔ)償?shù)姆秶畠?nèi)，處于USP標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)。但是如果選用80 ℃/1.96%的補(bǔ)償系數(shù)模式，90 ℃超標(biāo)的水，經(jīng)過補(bǔ)償后也會(huì)合格。所以，要在最高溫度下去計(jì)算并選取相應(yīng)的補(bǔ)償溫度系數(shù)。

補(bǔ)償后使用人員制定設(shè)備和系統(tǒng)電導(dǎo)率的警戒限和行動(dòng)限更加方便。但補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)不是最真實(shí)的數(shù)據(jù)，目前注射水系統(tǒng)的電導(dǎo)率采用不補(bǔ)償?shù)脑诰€檢測(cè)已經(jīng)成為趨勢(shì)。

5 解決方案建議

目前部分品牌的電導(dǎo)率監(jiān)測(cè)設(shè)備，有的型號(hào)具備同時(shí)傳輸補(bǔ)償和不補(bǔ)償信號(hào)的功能，可以在水系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)上同時(shí)接入兩個(gè)電導(dǎo)率信號(hào)，將補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔，用于系統(tǒng)趨勢(shì)分析，根據(jù)趨勢(shì)分析做出報(bào)警限，此報(bào)警限范圍是一定在USP表限值以內(nèi)的，這樣可以去除溫度影響做出合理的警戒限及行動(dòng)限。如果需要最真實(shí)的報(bào)警限，也可以將USP表植入程序內(nèi)部，做一個(gè)固定數(shù)據(jù)的補(bǔ)償，將USP表對(duì)應(yīng)的溫度值減去設(shè)定固定補(bǔ)償值等于報(bào)警值，這樣報(bào)警范圍也在USP表限值以內(nèi)。將不補(bǔ)償?shù)男盘?hào)作為顯示或生產(chǎn)數(shù)據(jù)，具體管理可由公司QA部門作出相應(yīng)規(guī)定。同時(shí)接收兩組信號(hào)可以很好地避免電導(dǎo)率檢測(cè)時(shí)溫度波動(dòng)的影響，并滿足未來的趨勢(shì)，顯示出最真實(shí)的電導(dǎo)率值。

6 結(jié)束語

制藥用水電導(dǎo)率檢測(cè)在實(shí)際生產(chǎn)中有著極其重要的作用，選擇合適的溫度補(bǔ)償方式與補(bǔ)償系數(shù)是企業(yè)生產(chǎn)過程中制定相應(yīng)質(zhì)量控制線的重要依據(jù)。設(shè)備維護(hù)人員可以根據(jù)產(chǎn)水與循環(huán)溫度對(duì)儀表初始補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，選用最高溫度的點(diǎn)作為補(bǔ)償系數(shù)的計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)。

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收稿日期：2024-06-11

作者簡(jiǎn)介：羅建偉（1991—），男，四川眉山人，工程師，研究方向：設(shè)備維護(hù)。