Bílá kniha Elektrostatický náboj při vážení Inovativní řešení detekce Shrnutí Různé příklady rutinní laboratorní práce prokazují, že elektrostatický náboj působí na vážený materiál i na vážicí misku silami, které jsou příčinou výrazného zkreslování výsledků měření. Po stručném úvodu do fyzikálních zákonitostí statické elektřiny získají čtenáři v této bílé knize odpovědi na otázky, jak elektrostatický náboj vzniká a jak se vybíjí, jakým způsobem analytické váhy řady Excellence zjišťují jeho přítomnost, jak velké mohou být chyby měření a jak lze náboj statické elektřiny eliminovat a získat správné výsledky měření. Obsah 1. Úvod 2 2. Fyzika elektrostatického náboje kdy jsou podmínky 3 obzvláště kritické? 3. Elektrostatické síly a jejich vliv na přesnost vážení 4 4. Jakým způsobem zjišťují analytické váhy řady Excellence 5 elektrostatický náboj 5. Nová funkce StaticDetect pro uživatele vah řady 6 Excellence 6. Opatření k prevenci chyb vážení způsobených 7 elektrostatickými silami Závěr 8 Použitá literatura 8
Bílá kniha: statická elektřina 1. Úvod Následující příklad popisuje situaci, která je v mnoha laboratořích zcela běžná: Analytické váhy se často používají k dávkování určitého množství sypkého materiálu do skleněných zkumavek k přípravě roztoku s určitou koncentrací. Na vážicí misku se umístí například odměrná baňka s objemem 100 ml. Za běžných podmínek bude elektrostatickým nábojem nabitá zkumavka a další náboj se indukuje uvnitř vážicí komory. Výsledkem je výsledná přitažlivá síla. Tato výsledná síla může táhnout zkumavku směrem dolů, takže zkumavka se zdá těžší, než ve skutečnosti je, nebo ji naopak může tlačit vzhůru, takže zkumavka se může zdát lehčí. V suchém nebo klimatizovaném prostředí, jejichž typickým zástupcem je i analytická laboratoř, se elektrostatický náboj generuje snáze a způsobuje výraznější chyby. Jestliže váha zobrazuje stabilní hmotnost, uživatel váhu vytáruje a manuálně nadávkuje sypký materiál, což je nesnadný a časově poměrně náročný úkon. Výsledná síla v libovolném směru způsobuje nadávkování nadměrného nebo nedostatečného množství materiálu, a tudíž i k nesprávné výsledné koncentraci roztoku. Klasickým příkladem je situace, kdy se náboj tárovací nádobky postupně vybíjí do okolního prostředí, takže obsluha průběžně přidává stále vyšší množství materiálu, což způsobuje ještě výraznější chyby. Koncentrace výsledného roztoku je tedy příliš vysoká a může výrazně ovlivnit některá analytická měření, která mohou být příčinou porušení specifikací (OOS), či dokonce opakování velkého množství úkonů. Typickým příkladem, kdy dochází k výraznému zvětšení chyby výsledku vážení, je odvažování malého množství materiálu do velké skleněné nebo plastové nádoby. 2 Bílá kniha
2. Fyzika elektrostatického náboje kdy jsou podmínky obzvláště kritické? 2.1 Elektrostatické síly Coulombův zákon [1] uvádí, že dvě tělesa s elektrickým nábojem na sebe působí vzájemnou silou Fe, která je vyjádřena takto: FE = 1 Q1 Q2 neboli zjednodušeně FE = ke Q1 Q2 [1] 4πε0εr r 2 r 2 Kde: ke je Coulombova konstanta Q vyjadřuje jednotlivý náboj dvou oddělených těles r je vzdálenost mezi tělesy ε0 & εr jsou absolutní a relativní permitivita 2.2 Elektrostatické síly při vážení Elektrický náboj váhy nebo váženého materiálu/nádoby způsobuje vznik elektrostatické síly. Váha měří svislou složku této síly a interpretuje ji jako tíhu, která odpovídá hmotnosti Δm, jak vyjadřuje vzorec: FE = g Δm [2] kde g je gravitační konstanta. Jestliže sloučíme položky [1] a [2] a odlišíme změnu hmotnosti (neboli celkový účinek na výsledek vážení), rovnice bude vypadat takto: Δm = 1 Q1 Q2 [3] ( ke. ) g r 2 Schéma 1: Zobrazení siločar mezi záporným nábojem odměrné baňky a kladným nábojem pláště váhy. Rozdíl potenciálů se projevuje působením síly mezi váhou a váženým materiálem. Svislá složka této síly se připočítává k hmotnosti vzorku, a proto ovlivňuje výsledek vážení. Jak může těleso (například odvažovací nádobka) získat elektrostatický náboj? Nejběžnější metodu generování elektrostatického náboje představuje tření. Každý z nás si jistě z hodin fyziky pamatuje pokus s liščím ohonem a ebonitovou tyčí: třením liščího ohonu o ebonitovou tyč vznikl elektrostatický náboj, který umožnil zvednout malý list papíru nebo znehodnotit nejeden pečlivě připravený účes. 1) Náboj může vzniknout i bez působení tření. Vznik náboje může způsobit pouhé oddělení dvou různých materiálů od sebe (např. zvednutí skleněné baňky z plastového povrchu). Náboj je tím silnější, čím dále jsou od sebe oba materiály umístěny v triboelektrické řadě. Bílá kniha 3
Bílá kniha: statická elektřina Obvyklé laboratorní činnosti, které způsobují elektrostatický náboj těles, jsou například otírání skleněné kádinky hadříkem dosucha nebo manipulace s odměrnou baňkou v jednorázových rukavicích. Dokonce i vybalování laboratorní nádobky z plastového sáčku nebo její plnění sypkým materiálem dokáže nádobku nabít měřitelným elektrostatickým nábojem. Elektrostatický náboj se časem vybíjí. V případě špatně izolovaných těles se náboj vybíjí rychle, avšak v případě těles vyrobených z materiálů s dobrými izolačními vlastnostmi může vybíjení probíhat velmi pomalu. Většina laboratorních nádob a příslušenství je vyrobena z borosilikátového skla, které je vynikajícím elektrickým izolátorem. To je případ i takřka všech plastů používaných k výrobě mnoha laboratorních pomůcek. Dokonce i běžné okenní sklo (z křemičitanu sodného) je za sucha dobrým izolátorem. 2.3 Vybíjení náboje Jedním z důležitých faktorů, které ovlivňují rychlost vybíjení elektrostatického náboje, je vodivost povrchu nabitého tělesa: čím vyšší povrchová vodivost, tím rychleji se může elektrostatický náboj vybít. Kromě vlastností samotného materiálu povrchová vodivost do značné míry závisí i na vzdušné vlhkosti a na stupni kontaminace povrchu. Obsluha musí dbát zvýšené opatrnosti zejména při práci ve vytápěných místnostech v zimním období, kdy vlhkost vzduchu klesá pod 45 %. Mnoho plastů si zachovává vynikající izolační vlastnosti i za velmi vysoké vzdušné vlhkosti. Jestliže opakované vážení jednoho vzorku vede k rozdílným výsledkům nebo jestliže naměřená hodnota kolísá, lze příčinu zpravidla připsat na vrub vybití elektrostatického náboje. Vybíjením se průběžně mění svislá složka Coulombovy síly, což ztěžuje přesné měření. Schéma 2: Typické postupné vybíjení elektrostatického náboje z baňky z borosilikátového skla s objemem 100 ml. Zkreslení váhové hodnoty se tudíž časem zmenšuje. Při relativní vlhkosti vzduchu 80 % se skleněná baňka nikdy nenabije. Stejný graf, avšak tentokrát je měřeným tělesem vážicí nádobka z PTFE. I při vysoké vlhkosti vzduchu lze během dlouhé doby pozorovat výrazné chyby vážení. Kontaminace, relativní vlhkost a použité materiály tedy ovlivňují časovou konstantu vybíjení elektrostatického náboje. V závislosti na podmínkách může vybíjení náboje trvat několik málo sekund až několik minut. V regulované, suché atmosféře, kdy relativní vlhkost klesá pod 20 %, může náboj na váženém materiálu přetrvávat i mnoho hodin. 3. Elektrostatické síly a jejich vliv na přesnost vážení Pokusy s vážením vzorku v plastové nádobě vykazují chybu měření v řádu několika miligramů. Tato chyba vzniká v důsledku Coulombovy síly FE dle vzorce [1]. V některých případech však mohou chyby dosahovat i 100 mg. Při vážení malého množství vzorku tak může docházet k výrazným chybám. Tyto situace lze často rozpoznat na základě kolísání naměřených hodnot a na základě neopakovatelnosti výsledků měření. Tyto odchylky lze zpravidla vyvážit přijetím vhodných antistatických opatření, například použitím ionizátoru nebo vyčkáním na přirozené vybití elektrostatického náboje. V některých případech lze 4 Bílá kniha
však potíže rozpoznat pouze obtížně, či dokonce vůbec. Příkladem takové situace je stabilní naměřená hmotnost s působením stabilní výsledné elektrostatické síly. Automatická detekce vnějších vlivů na výsledek vážení, které jsou výsledkem působení elektrostatického náboje, v každém případě zjednodušuje a zpřesňuje vážení. Současně se jedná o důležitý pokrok v oblasti technologie vážení. 4. Jakým způsobem zjišťují analytické váhy řady Excellence elektrostatický náboj Ve váze je pod uzemněnou vážicí miskou umístěna koncentrická elektroda. Do elektrody je během detekční fáze přiváděna střídavá pravoúhlá vlna s amplitudou přibližně 60 V a kmitočtem 1,2 Hz. Kladná půlvlna vytváří na povrchu elektrody nosič kladného elektrického náboje. Jestliže vážený materiál neobsahuje nosiče elektrického náboje, nevzniknou elektrostatické síly dle vzorce [1], takže snímač hmotnosti změří skutečnou hmotnost vzorku. Je-li vzorek nabitý záporně, vznikne mezi elektrodou a záporně nabitým váženým materiálem okamžitá přitažlivá síla. Snímač hmotnosti zaznamená svislou složku této síly, která vytváří výsledek překračující skutečnou hmotnost vzorku. Tento případ je uveden na schématu 3a. V následující půlvlně se změní náboj elektrostatického pole na záporný, protože druhá půlvlna vytváří na elektrodě záporný náboj. Nyní dochází k vzájemnému odpuzování váženého materiálu a elektrody (schéma 3b), takže výsledek měření je nižší než skutečná hmotnost vzorku. Potenciální chyba měření se určuje z rozdílu mezi oběma hodnotami za použití korelačního činitele (schéma 4). Na schématu č. 4 je uvedeno měření, které tento vztah vyjadřuje názorně. V případě kladně nabitého vzorku se síly obracejí. 1. krok 2. krok Schéma 3a: Mezi elektrodou a váženým materiálem existuje přitažlivá síla. Svislá složka této síly se připočítává k hmotnosti vzorku, a proto zvyšuje hodnotu, která je výsledkem vážení. Schéma 3b: Mezi elektrodou a váženým materiálem existuje odpudivá síla. Svislá složka této síly se připočítává k hmotnosti vzorku, a proto snižuje hodnotu, která je výsledkem vážení. Rozdíl mezi příklady a a b slouží k výpočtu chyby vážení způsobené elektrostatickým nábojem. Bílá kniha 5
Bílá kniha: statická elektřina Inteligentní zpracování signálu umožňuje zablokování váhy a synchronizované detekční techniky zlepšují poměr signálu k šumu, který potlačují. Snímání náboje měří pouze přesnou budicí frekvenci generátoru náboje. Díky optimálnímu výběru frekvence trvá měření pouhých několik sekund, které zapadají do běžné doby ustálení, takže měření nezpomaluje práci s váhou. Schéma 4: Měření prokazuje vztah mezi skutečnou chybou vážení v rámci několika řádů desítek. Modré body představují měření provedená na různých vážicích nádobkách umístěných na různé části vážicí misky a nesoucích elektrostatický náboj různé síly. Detektor náboje je zkalibrován tak, aby skutečná chyba nepřekračovala zobrazenou chybu. Existují samozřejmě i jiné metody detekce elektrostatického náboje těles. Všem je však společná jedna nevýhoda: nedokáží odhadnout míru, ve které bude elektrostatický náboj ovlivňovat váhovou hodnotu. Ze vzorce [1] vyplývá, že vzájemná síla mezi dvěma náboji závisí i na vzdálenosti mezi nimi. Přitažlivá nebo odpudivá síla mezi náboji je tedy podmíněná vzdáleností mezi náboji. Tuto mezeru dokáže zakrýt pouze výše uvedená technika měření. V porovnání s jinými přístupy je tato technika navíc odolná proti elektromagnetickému rušení. 5. Nová funkce StaticDetect pro uživatele vah řady Excellence Analytické váhy řady Excellence automaticky spouštějí cyklus detekce elektrostatického náboje po umístění vzorku na vážicí misku. Zjistí-li přítomnost náboje, obsluha váhy je na tuto skutečnost upozorněna. Obsluha může navíc nastavit detekční práh v krocích po gramech. Tento doplňující krok, jehož popis je uveden v kapitole 4, nikterak neprodlužuje dobu před zobrazením výsledku měření. Během měření svítí modré kontrolní světlo. Po dokončení měření mohou nastat dvě situace: 6 Bílá kniha
kontrolní světlo zhasne: měření hmotnosti je správné a elektrostatický náboj je nikterak nezkresluje. kontrolní světlo začne svítit přerušovaně: toto přerušované svícení upozorňuje uživatele na skutečnost, že výsledek měření byl zkreslen významným elektrostatickým nábojem. Na displeji terminálu se současně zobrazí výstražná informace, která obsahuje údaj o velikosti chyby. Obnovení přesnosti měření v takovém případě vyžaduje přijetí vhodných antistatických opatření (viz kapitolu 6) 6. Opatření k prevenci chyb vážení způsobených elektrostatickými silami 1) Předcházejte tvorbě elektrostatického náboje: a) používejte elektricky vodivé materiály nebo materiály obsahující antistatickou úpravu, b) během manipulace se vyvarujte kontaktu s rozdílnými materiály (dle triboelektrické řady), c) kontaktní plochy řádně uzemněte, d) zvyšte vlhkost vzduchu. Elektrostatický náboj často vzniká v zimním období, kdy jsou vnitřní prostory vytápěné (suchý vzduch). V klimatizovaných místnostech může postačit nastavit klimatizační jednotku na 45 60 % relativní vlhkosti. 2) Snižte působení sil vznikajících v důsledku elektrostatického náboje: a) zajistěte elektrické odstínění váženého materiálu uvnitř Faradayovy klece na vážicí misce, např. použitím osvědčeného držáku tárovací nádobky ErgoClip, b) použijte menší tárovací nádobku, c) umístěte vážený materiál doprostřed vážicí misky a pokud možno zajistěte, aby materiál nepřesahoval okraj vážicí misky, d) používejte lehkou, elektricky vodivou podložku, která zvětší vzdálenost mezi tárovací nádobkou a povrchem vážicí plochy. 3) Vybíjejte elektrostatický náboj: a) zajistěte ionizaci vzduchu pomocí antistatické soupravy. Všechny antistatické soupravy METTLER TOLEDO využívají ionizátory na střídavý proud, které nejlépe vybíjejí náboj nádobek a vzorků, aniž by ovlivňovaly vzdušné proudění. b) používejte antistatické pistole, ačkoli ne všechny přístroje dostupné v prodejní síti jsou skutečně účinné, c) používejte radioaktivní zdroje (polonium-210, slabé zdroje rentgenového záření apod.) k ionizaci vzduchu, ačkoli taková opatření podléhají místním předpisům, d) uzemněte váhu (a tedy i vážicí misku). Všechny váhy vybavené trojkolíkovou vidlicí zástrčky jsou automaticky uzemněné. Obrázek 5: Kovová klícka slouží coby držák tárovací nádobky pro laboratorní sklo, navíc zajišťuje optimální odstínění elektrostatického náboje. Bílá kniha 7
Závěr Automatická detekce odchylek, které jsou výsledkem působení elektrostatického náboje, zjednodušuje a zpřesňuje vážení. Současně se jedná o důležitý pokrok v oblasti technologie vážení. Jelikož k detekci se používá stávající snímač hmotnosti, váha rozpozná nejen elektrostatický náboj váženého materiálu, ale poskytuje i informace o velikosti chyby měření, protože zohledňuje geometrii výsledných sil. Obsluha váhy tak má výrazně vyšší jistotu, že výsledky vážení jsou skutečně přesné a spolehlivé. Provozovatelé vah by měli používat zavedené způsoby potlačování elektrostatického náboje na váženém vzorku nebo na tárovací nádobce (viz bílou knihu na téma antistatických opatření), např. zmenšením velikosti tělesa, snížením povrchového odporu, odstíněním od elektrických polí (držáky ErgoClip ), zvýšením relativní vlhkosti vzduchu nebo použitím samostatného ionizačního vybavení. Použitá literatura Správné postupy při vážení Reichmuth, A. a kol.; Nejistota měření u dat pořízených elektronickými analytickými váhami. Microchimica Acta 148, 133 141 (2004) DOI 10.1007/s00604-004-0278-3 Reichmuth, A. (2001); Přesnost vážení při použití laboratorních vah. 4. dvouletá konference Australské metrologické společnosti, Broadbeach (QLD, AU), str. 38 Reichmuth, A., Mettler-Toledo AG; Vlivy působící na vážení a jejich prevence Reichmuth, A., Mettler-Toledo AG; Vážení malých vzorků na laboratorní váze Vliv elektrostatického náboje na vážení: opatření k prevenci chyb a potíží Česko Mettler-Toledo, s. r. o. Třebohostická 2283/2, 100 00 Praha 10 Tel.: +420 226 808 150, Fax: +420 226 808 170 Servis: +420 226 808 163, E-mail: sales.mtcz@mt.com www.mt.com Další informace Slovensko Mettler-Toledo s. r. o. Hattalova 12, 831 03 Bratislava Tel.: +421 2 44 44 12 20, 22, Fax: +421 2 44 44 12 23 Servis: +421 2 44 44 12 21, E-mail: predaj@mt.com Technické změny vyhrazeny, 30101203 11/2014 Mettler-Toledo, s.r.o. Vytištěno v České republice