Elektrische Leitfähigkeit (sigma σ)
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.
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.
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.
