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FAQ - Häufige Fragen

Leitfähigkeitsmessung

https://www.imp-deutschland.de/iag/faq_leitwert.htm ¦ Letzte Änderung: 17.11.2020

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Mit Leitwert oder auch Leitfähigkeit ist die spezifische Leitfähigkeit gemeint. Flüssigkeiten leiten den elektrischen Strom mittels Ionen. Je mehr Ionen, desto höher die Leitfähigkeit. Maßeinheiten: µS/cm (Mikrosiemens pro Zentimeter) oder mS/cm (Millisiemens pro Zentimeter).

Die meisten der im Wasser befindlichen Ionen sind Teile gelöster Salze. So zerfällt beispielsweise Kochsalz (chem. NaCl) in ein positives Natrium-Ion (Na+) und ein negatives Chlorid-Ion (CL-). Beide lonenarten leiten den elektrischen Strom. Die Leitfähigkeit ist vereinfacht ausgedrückt ein Maß für die Menge der im Wasser gelösten Salze.

Leitfähigkeitssensoren bestehen aus einem Elektrodenpaar. Die Zellkonstante K ist eine wesentliche Eigenschaft des Sensors und gibt die Relation von Elektrodenabstand zu Elektrodenflächen wieder.
Weil die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden durch die Zellgeometrie beeinflusst wird, müssen Fläche und Abstand als ZK definiert werden.
Für eine traditionelle Zelle mit zwei Platin-Elektroden von 1 cm² Fläche im Abstand von 1 cm beträgt die Zellkonstante K = 1,0 cmˉ¹.

  • C = Leitfähigkeit in Siemens pro cm (S/cm)
  • R = elektrischer Widerstand in Ohm
  • G = Leitwert in Siemens (S; 1 S = 1 Ohmˉ¹)
  • L = Elektrodenabstand (cm)
  • A = Elektrodenfläche (cm²)
  • K = Zellkonstante ( cmˉ¹); K = L/A

Für schwach leitende Proben werden die Elektroden unter Verkleinerung von L näher zusammengerückt, um kleinere Zellkonstanten von ZK 0,1 und ZK 0,01 cm-1 zu erhalten. Diese Maßnahme erhöht die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden und vereinfacht so die elektronische Auswertung durch das Messgerät. Umgekehrt erhöht man L für stark leitende Lösungen (Zellkonstante K = 3 cmˉ¹)

Werden LMP-Sensoren eingesetzt, so erfolgt die Berechnung der Temp.-Kompensation im Auswertegerät (z.B: SMART, nicht aber ISO-Meßwandler). Dieses hat einen extra Eingang für das Signal des Pt100 und kompensiert (a) linear oder (b) natürlich, im Bereich 0…2,2% je Kelvin nach einer festen math. Formel welche Wärme und Leitwert in Beziehung stellt. Die meisten Anwender verwenden die natürliche Kompensation. Der Graph nach b) ist nur annähernd linear, ist eher bananenförmig.

Werden LMN-Sensoren eingesetzt, erfolgt die Temp.-Kompensation linear im ISO-Messwandler. Dieser kann im Unterschied zum SMART keine Berechnung vornehmen, da keine CPU vorhanden,d.h. ein Pt100 kann nicht ausgewertet werden.

Sämtliche Leitfähigkeits-Sensoren sind passiv / konduktiv, d.h., sie müssen an ein aktives Gerät (z.B. Meßwandler od. SMART) angeschlossen werden. Dieses stellt dann verwertbare Strom- oder Spannungssignale zur Verfügung.

Hohe mS Werte gehen oft einher mit schlammhaltigen Medien; deshalb ist hier - wo möglich - eine weniger schmutzanfällige LF Messzelle zu favorisieren, also Typ 9 (ZK-1) eher als Typ 6 (ZK-5).
ZK-1 können, obwohl optimal nur bis 40mS betrieben, z.B. am SMART 96-2 LF bis max. 200mS verwendet werden!

Die Bauform der Leitfähigkeits-Sensoren hängt ausschliesslich von der Zellenkonstante ab, d.h. hat nichts mit der Anwendung zu tun.
Eine typische Frage ist z.B., ob der Konus der ZK-5 Zellen auch für Durchflussmessung im Rohr geeignet wäre. Dem ist so, da Bauform nichts mit Einsatzgebiet zu tun hat.

ZK 0.01 + ZK 0.1: kleine kreisrunde Öffnung
ZK 1: grosse kreisrunde Öffnung
ZK 5: Konus

Auf keinen Fall mit den von der IMP GmbH angebotenen, konduktiven Sensoren.
Bei diesen, egal ob mit Graphit- oder Edelstahlplatten bestückt, muß die Oberfläche der Platten sauber bleiben. Das Schweröl würde die Edelstahloberfläche überziehen bzw. in das Graphit eindringen und eine Messung unmöglich machen.
Ggf. sind Sensoren nach dem induktiven Meßverfahren einsetzbar.

Durch Verschmutzung der Elektrode mit isolierenden Stoffen (Öle etc.) verändert sich der ZK, die Messergebnisse werden verfälscht.
Bei der 4E-Messzelle wird deshalb zusätzlich eine stromlose elektr. Feldmessung über Sensemessung durchgeführt. Die 4E-Elektrode ist daher unempfindlicher gegen Verschmutzung.
Das Auswertegerät muss 4-Elektroden Messzellen unterstützen (z.B. SMART 96-2 LF). Die 4E-Messzellen gibt es in einer ZK1 und ZK5 Variante, wobei die ZK im vorab nur ungefähr angegeben werden kann und z.B. bei der ZK1 Variante zwischen 0.85 und 1.15 liegen kann. Der Aufkleber auf der Messzelle gibt dann jeweils den genauen Wert der ZK an; dieser muss dann am Anzeigegerät eingegeben werden.

Mit max. 5mA

Nein, eine Kalibrierung ist weder möglich noch notwendig. Allerdings sollten die Elektroden regelmäßig gereinigt werden.

Die Elektroden sollten regelmäßig gereinigt werden.

Elektroden aus Edelstahl (z.B. LM-LIU) können auf 3 Arten gereinigt werden:

  • Bei weißlichen oder braunen Ablagerungen legen Sie die Elektroden für einige Minuten in 3%-ige Salzsäure, bis sich die Ablagerungen auflösen. Danach (unbedingt und sehr gründlich!) mit klarem Wasser spülen (ggf. VE-Wasser)
  • Bei organischer Verschmutzung, d.h. Biofilm- oder Ölverunreinigung tauchen Sie die Elektroden in ein Ultraschallbad mit fettlösendem Zusatz (z.B. Spüli) oder
  • reinigen Sie die Elektroden mit Alkohol, Lösungsmitteln oder Seifenwasser. Zusätzlich können Sie die Verschmutzungen durch die mechanische Reinigung von Innenstift und Außenelektrode mit einer weicher Bürste beseitigen. Allerdings sind diese nicht optimal erreichbar. Achten Sie darauf, dass bei der mechanischen Reinigung die Oberfläche der Elektroden nicht beschädigt wird, da sich sonst die Zellenkonstante ändert.

Graphitelektroden reinigen Sie vorsichtig mit einer weichen Bürste und etwas Scheuermilch. Danach mit klarem Wasser spülen. Nach der Reinigung sollten die Elektroden das Wasser gut annehmen, d.h. das Wasser sollte nicht abperlen. Alternativ können auch Graphitelektroden in 3%-iger Salzsäure gereinigt werden. Auch hier gilt: danach äußerst gründlich mit klarem Wasser spülen. Achten Sie darauf, dass bei der mechanischen Reinigung die Oberfläche der Elektroden nicht beschädigt wird, da sich sonst die Zellenkonstante ändert.

Bis ca. 50°C, unabhängig vom Material des Gehäuses (PP oder PVDF).
Die Elektronik sitzt so nahe an Elektrode und Gehäuse, dass bei Temperaturen über 50°C eine zu starke Erwärmung der analogen und digitalen Bauteile zu erwarten ist.

Wenn eine Temperaturkompensation nicht erforderlich bzw. gewünscht ist, kann der pt100-Sensor zur Temperaturmessung verwendet werden. Der Sensor ist etwas träger als ein dedizierter Pt100 Sensor. Der Anschluß an einen Pt100-Eingang des Anzeigegerätes erfolgt mit den beiden dem Sensor zugeordneten Anschlussleitungen.

Beispiel: Ein Sensor mit der Zellekonstante ZK=0.1 mit einem empfohlenen Meßbereich bis 500µs soll am Messwandler bis 2000µS verwendet werden. Dies ist mit der entsprechenden Einstellung am Messwandler möglich. Die Zelle sollte für Messungen bis 2000µS aber nur dann verwendet werden, wenn die Messung im hohen, über den empfohlenen Bereich hinausgehenden Bereich nur kurzfristig ist und nicht sehr exakt sein muss. Wenn also hauptsächlich unter 500µS gemessen wird, aber der Wert kurzfristig ansteigen kann. Für exakte, dauerhafte Messungen über den empfohlenen Meßbereich hinaus sollte eine Zelle mit der nächst höheren Zellenkonstante eingesetzt werden.

Das Kabel für die Leitfähigkeit kann auch 50 - 100 Meter lang sein. Die Messung der Leitfähigkeit wird nicht langsamer, wenn das Kabel länger ist, jedoch wenn Sie sich in einem niedrigen Messbereich (z.B. 50 µS) befinden, ist die Messung empfindlicher als wenn Sie sich bei z.B. bei 20mS befinden.

Die Toleranz der ZK der Messzelle beträgt bei ZK=1 ±3%. Während bei den SMART Anzeige- und Regelgeräten diese Toleranz durch die auf die zweite Dezimalstelle genaue Einstellung der ZK egalisiert werden kann, muss sie bei der Messkette aus Messzelle und Messwandler mit in die Betrachtung der Messungenauigkeit gezogen werden.

Der Messwandler hat eine Messunsicherheit von ±1% (bei Messung bis 2mS) vom aktuell gemessenen Wert (also nicht vom Endwert!). Nur bei ganz kleinen Messwerten ist die Messunsicherheit etwas deutlicher, da die 1% Unsicherheit dann ja sehr stark im Nachkommabereich ist.

Die Messunsicherheit errechnet sich somit aus Toleranz der ZK und aus Messunsicherheit des Wandlers.

Die 3/4"-Gewinde sind vom Typ G (zylindrisch), die 1/2"-Gewinde vom Typ NPD (konisch).

Die Schutzkappe sitzt in der Tat sehr fest und muss zum Abziehen ggf. eingespannt werden, z.B. in einen Schraubstock. Dann den Sondenkörper einfach herausziehen.
Die Schutzkappe muss aber nach der Reinigung der Elektroden auf jeden Fall wieder aufgesetzt werden, da sie die Zellenkonstante des Sensors erheblich beeinflußt.
Die Antwort auf Ihre Frage ist also, nein, die Schutzkappe darf auf keinen Fall weggelassen werden.

Uns sind bislang keine Probleme beim Betrieb des Sensors in alkalischen Medien bekannt. Der im Datenblatt angegebene Temperaturbereich muss eingehalten werden. Dieser beträgt 70°C für PP.

Der Messeingang des Auswertegerätes (SMART oder Messwandler) ist vermutlich mit den Klemmen 1 und 3 des LF-Sensors verbunden, muss aber an die Klemmen 2 und 4 (Masse) angeschlossen werden.

Hintergrund: Die Sensoren vom Typ LM haben an Stelle eines Temperatursensors einen 2 kOhm Festwiderstand eingebaut. Dieser Widerstand ist an den Klemmen 1 und 3 ausgeführt und der Kehrwert wird als konstanter Leitwert angezeigt, wenn der Messeingang des SMART oder des Messwandlers mit diesen beiden Klemmen verbunden wird.

Bei einem Sensor vom Typ LMN tritt der Fehler auch mit dem konstanten Wert 5, 50 oder 500 auf; bei einem Sensor vom Typ LMP wird bei falschem Anschluß ein konstanter Wert von 10, 100 oder 1000 angezeigt.