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Elektrische Leitfähigkeit (sigma σ)

Grundprinzip und unsere Lösungen
Die elektrische Leitfähigkeit ist eine physikalische Größe, die beschreibt, in welchem Maß ein Stoff elektrischen Strom leitet. Sie entscheidet, ob ein Stoff als Isolator oder als elektrischer Leiter geeignet ist. Außerdem wird sie genutzt, um Stoffe zu identifizieren. Die üblichen Messwerte für die Leitfähigkeit liegen bei: < 1 µS/cm für Reinstwasser, ca. 1000 µ/S/cm (1 mS/cm) bei Trinkwasser sowie > 100 mS/cm bei Reinigungslösungen.

Die meisten im Wasser gelösten Stoffe sind Salze. Je niedriger der gemessene Wert, umso weniger gelöste Inhaltsstoffe (primär Salze) sind im Wasser gelöst. Im Umkehrschluss liegt bei einer hohen Leitfähigkeit eine hohe Salzkonzentration vor.

In Abhängigkeit von der Leitfähigkeit fließt ein elektrischer Strom. Bei konstanter Spannung nimmt der Strom proportional mit der Leitfähigkeit zu.

Leitfähigkeitssonden bestehen aus einem Elektrodenpaar. Die Zellkonstante ist eine wesentliche Eigenschaft der Sonde und gibt die Relation von Elektrodenabstand zu Elektrodenflächen wieder. Weil die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden durch die Zellgeometrie beeinflusst wird, müssen Querschnitt und Abstand der Elektroden berücksichtigt werden, um die Leitfähigkeitsmessung zu standardisieren.

Je nach Anwendungsbereich kommen unterschiedliche Leitfähigkeits-Messprinzipien zum Einsatz. Es wird unterschieden zwischen konduktiver und induktiver Messung.

Die Elektroden eines konduktiven Sensors bestehen aus leitenden Materialien (z.B. Metalle wie Platin, Gold, Stahl, Titan, und Nichtmetalle wie z.B. Graphit). Diese stehen in direkten Kontakt zum Wasser bzw. der Messlösung. Die primär gemessenen Parameter sind Spannung und angelegter Strom. Hieraus lässt sich gemäß dem Ohm’schen Gesetz, der Widerstand berechnen gemessen in Ohm [Ω]) oder als Kehrwert – der Leitwert G (gemessen in Siemens [S]). Mit konduktiven Sensoren können selbst Leitfähigkeiten < 1 µS/cm gemessen werden.

Induktive Sensoren verfügen über zwei elektromagnetische Spulen, welche in einem Kunststoffmantel eingeschlossen sind. Durch Anlegung einer Wechselspannung an die eine Spule (driving coil), wird in der anderen Spule (receiving coil) eine Spannung erzeugt. Die Leitfähigkeit des Mediums hat hierbei einen starken Einfluss auf die Höhe des induzierten Stroms. Durch die Kunststoffummantelung sind induktive Sensoren auch in aggressiven Medien einsetzbar, da der messrelevante Teil (Spulen) hierdurch vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Induktive Sensoren können ab einer Leitfähigkeit von > 15 µS/cm eingesetzt werden.

Das Grundprinzip eines elektrochemischen Sensors besteht aus mindestens zwei Elektroden (Mess- und Gegen-Elektrode), die auf unterschiedliche Weise miteinander Kontakt haben:

  • einerseits über ein elektrisch leitendes Medium (Elektrolyt, d.h. Flüssigkeit als Ionen Leiter),
  • andererseits über einen äußeren elektrischen Stromkreis (Elektronenleiter).

Die Elektroden sind aus speziellem Material und wirken katalytisch, so dass bestimmte chemische Reaktionen an der sog. 3-Phasen-Grenze, wo Gas, Katalysator und Elektrolyt vorhanden sind, stattfinden.

Der Begriff Messeinrichtung umfasst die komplette, zur Leitfähigkeits-Messung verwendete Geräteausstattung, bestehend aus:

  • Leitfähigkeitsgeber (Sensor),
  • Eintauch- oder Durchflussarmatur,
  • Messumformer (Messgerät),
  • Anschlussleitung

Armaturen dienen der Befestigung und dem Schutz des Sensors. Eintaucharmaturen ermöglichen nicht nur eine Messung an der Oberfläche der Flüssigkeit, sondern auch in der Tiefe bspw. in einem Behälter.

Der Messumformer hat die Aufgabe, das Signal des Sensors aufzubereiten. Hierbei wird das Sensorsignal in ein Normsignal (z. B. 4 … 20 mA) umgewandelt und kann so direkt an eine nachgeschaltete Steuerung (Microcontroller, SPS) oder Dosiereinheit weitergegeben werden. Hierdurch lassen sich bspw. einfache Verfahren, wie die Absalzung im Kühlturm, realisieren.

 

Für die Genauigkeit der Messung ist neben der regelmäßigen Wartung des Sensors auch dessen Genauigkeit entscheidend. Aus diesem Grund müssen die Sensoren regelmäßig kalibriert werden.

Beim Kalibrieren ist Folgendes zu beachten: Zur Prüfung der einwandfreien Funktion des Messumformers sind Prüfwiderstände erhältlich. Diese Widerstände simulieren einen definierten Leitfähigkeitswert. Beim Kalibrieren eines Messinstrumentes kann festgestellt werden, ob und wie stark sich die Messergebnisse von den tatsächlichen Werten unterscheidet.

Die Leitfähigkeit hängt neben der Salzkonzentration auch von der Temperatur ab. Bei der Kalibrierung des Systems ist somit darauf zu achten, dass eine nach internationalen Standards hergestellte Referenzlösung verwendet wird. Diese sind in unterschiedlichen Konzentrationen erhältlich. Die Hersteller geben für diese Lösungen die Leitfähigkeit unter Berücksichtigung der Medientemperatur an. Bei der Kalibrierung ist darauf zu achten, dass die Sonde zuerst einige Zeit im Medium verbleibt, um sich der Temperatur anzupassen. Anschließend erfolgt die Kalibrierung auf dem vom Hersteller angegebenen Wert für die gemessene Temperatur.

Kalibrierlösungen werden durch Techniker im Zuge der Wartung des Systems verwendet. Mit ihnen kann die Messgenauigkeit der Leitfähigkeitssonde überprüft und das System entsprechend kalibriert werden. Es handelt sich hierbei um wässrige Kaliumchloridlösungen mit bekannten Leitfähigkeitswerten. Nach ihren Eigenschaften sind Kalibrierlösungen in primäre, sekundäre und Arbeits-Lösungen zu unterscheiden. Primäre Referenzlösungen weisen die geringste Unsicherheit der Leitfähigkeitswerte (U(J) = 0,03 %) auf. Sie werden vorwiegend im wissenschaftlichen Umfeld eingesetzt. Sekundäre Referenzpufferlösungen haben die gleiche Zusammensetzung primärer Lösungen. Die Unsicherheit der Leitfähigkeitswerte liegt bei U(J) = 0,12 %. Arbeits-Referenzlösungen sind Lösungen für die Praxis; ihre Unsicherheit hängt vom Hersteller ab, sollten jedoch im Bereich von U(J) ±0,4 % bis U(J) ±1 % liegen.

Ablagerungen auf den Elektroden führen, durch eine Verringerung der Fläche der Elektrode, zu einer ungenauen Messung bzw. Abweichung des Messergebnisses. Durch die Ablagerungen wird ein zu geringes Stromsignal an den Messumformer übertragen und somit ist der gemessene Wert geringer als der tatsächlich vorliegende Wert in der Lösung.

Leitfähigkeitsmessungen sind in vielen Bereichen der Technik und des Umweltschutzes von Bedeutung. Je nach Anwendung findet die Messung im Labor, mit einem Handgerät vor Ort oder kontinuierlich, z. B. im Prozess, statt.

Ein häufiger Einsatzbereich im industriellen Umfeld ist die Überwachung sogenannter Mischbett Ionenaustauscher. Ist das hier drin enthaltene Harz (Kationen- und Anionen-Austauscherharz) erschöpft bzw. nähert sich seiner Erschöpfung an, werden die gelösten Salze nicht mehr vollständig zurückgehalten und im Ergebnis steigt die Leitfähigkeit wieder an. Die Überwachung erfolgt hierbei auf einen verfahrenstechnisch definierten Grenzwert. Wird dieser überschritten, muss der betroffene Filter ersetzt werden.
Als weiterer klassischer Bereich der Leitfähigkeitsüberwachung ist die Absalzung im Kühlturm zu benennen. Je nach Auslegung des Gesamtsystems und der technischen Leistungsdaten erfolgt durch die Verdampfung des im Kreislauf geführten Wassers eine Aufkonzentration der hierin gelösten Stoffe. Hiermit einher geht somit auch ein Anstieg der Leitfähigkeit. Erreicht diese den festgesetzten maximal Wert für das System, wird das dem Messwert zugeordnete Grenzwertrelais geschaltet und die sogenannte Absalzung eingeleitet.
Messtechnologie zur Kühlwassersteuerung in Rückkühlwerken

Rückkühlwerke VDI 2047-2 | Hygienegerechte Kühlwassersteuerung

Kühlwassersteuerung und Überwachung mit führender Messtechnologie