Leitfähigkeitssensoren

Die Messung der spezifischen Leitfähigkeit in wässrigen Lösungen wird immer wichtiger für die Bestimmung von Verunreinigungen im Wasser oder für die Konzentrationsmessung gelöster Chemikalien.

Was ist Leitfähigkeit?

(Elektrische) Leitfähigkeit ist das Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, z. B. einer Lösung, einen elektrischen Strom zu leiten. Der Begriff „elektrische Leitfähigkeit“ ist aus dem ohmschen Gesetz U=I•R abgeleitet; dabei ist die Spannung (U) das Produkt von Strom (I) und Widerstand (R); der Widerstand ergibt sich aus dem Verhältnis von Spannung zu Strom. Wird eine Spannung an einen Leiter angelegt, fließt ein Strom, der vom Widerstand des Leiters abhängt.  Leitfähigkeit ist einfach definiert als Kehrwert des Widerstands einer Lösung zwischen zwei Elektroden.

Wie wird Leitfähigkeit gemessen?

Es gibt zwei grundlegende Sensorarten zur Messung der Leitfähigkeit: Konduktive Sensoren und induktive Sensoren .

Im Fall von konduktiven Sensoren wird die Leitfähigkeit durch Anlegen eines Wechselstroms an die in eine Lösung eingetauchten Sensorelektroden und Messung der resultierenden Spannung bestimmt. Die Lösung fungiert als elektrischer Leiter zwischen den Sensorelektroden.


Bei induktiven Sensoren (auch als Ringsensoren bezeichnet) kommen die Messelemente (Elektrodenspulen) nicht in direkten Kontakt mit dem Prozess. Diese beiden auf einander abgestimmten Elektroden (identische Spulen) sind in PEEK (oder Teflon) gekapselt und so vor den schädlichen Wirkungen des Prozessmediums geschützt.   

Was macht eine Lösung leitfähig? 

Ionen in der Flüssigkeit (z.B. Na+, Ca2+, Cl-, H+, OH-) sind für das Entstehen des elektrischen Stroms verantwortlich.

Leitfähigkeit ist lediglich eine quantitative Größe: sie reagiert auf den gesamten Ionengehalt und kann nicht zwischen einzelnen leitfähigen Substanzen unterscheiden. Nur ionisierbare Stoffe tragen zur Leitfähigkeit bei, Stoffe wie Zucker oder Öle sind nicht leitfähig.

Leitfähigkeitsmessungen decken einen weiten Bereich ab von reinem Wasser mit weniger als 1x10^-7 S/cm bis zu konzentrierten Lösungen mit Werten von mehr als 1 S/cm. Die Leitfähigkeitsmessung findet Anwendung bei der Entsalzung von Wasser, der Osmose, der Absalzung von Kesseln, der Bestimmung der prozentualen Konzentration von Inhaltsstoffen oder der gesamten gelösten Feststoffe (TSD).

Im Allgemeinen stellt die Leitfähigkeitsmessung eine schnelle und preiswerte Methode zur Bestimmung der Ionenstärke einer Lösung dar. Die Leitfähigkeitsmessung dient zur Bestimmung der Wasserreinheit oder der Konzentration ionisierter Inhaltsstoffe im Wasser. Es ist eine unspezifische Technik, die nicht zwischen verschiedenen Ionentypen unterscheiden kann , sondern einen Messwert liefert, der proportional zur kombinierten Wirkung aller vorhandenen Ionen ist.

Die Messgenauigkeit wird stark beeinflusst von Temperaturschwankungen, Polarisierungseffekten an der Oberfläche der Kontaktelektroden, Kabelkapazitäten, usw.

Yokogawa hat ein vollständiges Programm an Präzisionssensoren und -instrumenten entwickelt, um diese Messungen auch unter extremen Bedingungen zuverlässig durchführen zu können.

Wie wählt man den richtigen Sensor aus? 

Bei der Auswahl eines Leitfähigkeitssensors für eine Anwendung sind folgende Punkte zu berücksichtigen:

• Wie groß ist der erforderliche Messbereich? (Davon hängt ab, welche Zellkonstante erforderlich ist).
• Welches ist die Prozesstemperatur? (Wir haben Pt1000 als Standard festgelegt)
• Wie sieht die chemische Zusammensetzung des Prozessmediums aus? (Davon hängt ab, welchen Werkstoff wir anbieten, um chemische Beständigkeit zu gewährleisten).

Was bedeutet die Zellkonstante, und warum muss man sich darüber Gedanken machen?

Die Zellkonstante ist ein mathematischer Wert für einen „Multiplikationsfaktor“ zur Bestimmung des Messbereichs des Sensors. Dieser mathematische Wert hängt von der Geometrie der Zelle ab. Er wird berechnet durch Division des Abstands zwischen den beiden Elektrodenplatten durch die Fläche der Elektrodenplatten (die Plattenfläche entspricht dem Bereich außerhalb minus dem Bereich innerhalb, woraus sich der Bereich zwischen den Elektroden ergibt).

Der Leitfähigkeitsrohwert wird dann mit der Zellkonstante multipliziert, weshalb die Einheit µS (Mikrosiemens)/cm angezeigt wird.

Yokogawa bietet Sensoren mit vier verschiedenen Zellkonstanten an: 0,01, 0,1, 1,0 und 10,0, die den gesamten Messbereich von 0–2.000.000 µS präzise abbilden. Diese Werte werden als nominale Zellkonstante bezeichnet, während die am Sensor angegebene Zellkonstante leicht davon abweichen kann. (z. B. ist 0,0198 statt 0,02 die spezifische Zellkonstante für diesen Sensor.) 

Eines der Probleme, die bei Verwendung einer falschen Zellkonstante auftreten können, ist Polarisierung. 

Das erste Beispiel zeigt eine Anwendung mit der korrekten Zellkonstante, bei der sich die Ionen frei von einer Platte zur anderen bewegen können.

Das zweite Beispiel zeigt die Anwendung der gleichen Zellkonstante in einem stark leitfähigen Medium.  Wenn die Spannung alterniert (die Polarität wechselt), können sich die Ionen nicht frei zur anderen Platte bewegen, da die Ionendichte zu hoch ist.  Dies hat zur Folge, dass weniger Ionen in Kontakt mit der richtigen Platte kommen, sodass sich ein falscher, zu niedriger, Ablesewert ergibt.


Für den induktiven Sensor ISC40 gibt es jedoch nur einen einzigen Zellfaktor (Zellkonstante). Er deckt den gesamten Leitfähigkeitsmessbereich von 0–2.000 S/cm ab. Aber nur am unteren Ende (unterhalb von 50µS) leidet die Sensorgenauigkeit.