LEITFÄHIGKEITSMESSUNG


LEITFÄHIGKEITSMESSUNG

Definition

Die Leitfähigkeit ist die Fähigkeit einer Lösung, eine elektrische Spannung zu übertragen. In Lösungen wird diese Spannung durch Kationen und Anionen übertragen.
Die Leitfähigkeit einer Lösung hängt von verschiedenen Faktoren ab:

  • Konzentration
  • Ionenmobilität
  • Ionenvalenz
  • Temperatur

Alle Stoffe besitzen eine unterschiedliche Leitfähigkeit. In wässrigen Lösungen variiert die Ionenstärke zwischen der geringen Leitfähigkeit von Reinstwasser und der hohen Leitfähigkeit chemischer Konzentrate.

Leitfähigkeits-Messtechnologie

Die Leitfähigkeit kann mithilfer alternierender elektrischer Ladungen (l) zweier in die Lösung eingetauchter Elektroden und der Messung der daraus resultierenden Spannung (V) erfolgen.
Während dieses Vorgangs migrieren Kationen zur negativen und Anionen zur positiven Elektrode, wobei die Lösung wie ein elektrischer Leiter agiert.

Leitfahigkeits-Messtechnologie

Leitfähigkeit - technische Begriffe

Widerstand
Der Widerstand einer Lösung (R) kann mithilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet werden.
(V = R x I).
R = V/I
wobei:
V = Spannung (Volts)
I = Strom (Ampere)
R = Widerstand der Lösung (Ohm)

Leitwert
Der Leitwert (G) ist reziprok zum elektrischen Widerstand (R) einer Lösung zwischen zwei Elektroden definiert.
G = 1/R
Tatsächlich misst der Leitfähigkeitsmesser den Leitwert und zeigt das in die Leitfähigkeit konvertierte Ergebnis an.

Zellkonstante
Dies ist das Verhältnis von der Distanz (d) zwischen den Elektroden zur Reichweite (a) der Elektroden.
K = d/a
K = Zellkonstante (cm-1)
a = effektive Reichweite der Elektroden (cm2)
d = Distanz zwischen den Elektroden (cm)

Leitfähigkeit
Elektrizität ist die Strömung von Elektronen. Dies zeigt, dass die Ionen in einer Lösung Elektrizität leiten. Die Leitfähigkeit ist die Fähigkeit einer Lösung eine elektrische Ladung zu
übertragen. Das Ergebnis der Leitfähigkeitsmessung einer Probe ändert sich mit der Temperatur.
C= G x K
C= Leitfähigkeit (S/cm)
G = Leitwert (S), wobei G = 1/R
K = Zellkonstante (cm-1)

Resistivität
Diese verhält sich reziprok zum Leitfähigkeitswert und wird in ohm•cm gemessen. Sie ist generell auf die Messung von Reinwasser beschränkt, dessen Leitfähigkeit sehr gering ist.

Kalibrierung
Die Bestimmung der Zellkonstante ist erforderlich für die Konvertierung des Leitwerts in Leitfähigkeitsergebnisse.

Standardlösung
Eine Lösung mit bekannter Leitfähigkeit zur Kalibrierung des Leitfähigkeitssystems.

Referenztemperatur
Bei Leitfähigkeitsmessungen wird zu Vergleichszwecken häufig auf eine spezifische Temperatur hingewiesen, üblicherweise 18°C, 20°C oder 25°C.

Automatische Temperaturkompensierung
Algorithmen für eine automatische Umwandlung der Probenleitfähigkeit in einen Leitfähigkeitswert bei Referenztemperatur.

Temperaturkompensierungsfaktor
Faktor für die automatische Kompensierung. Üblicherweise als % /°C angegeben. Für Reinstwasseranwendungen mit FLS Instrumenten ist eine spezielle Korrelation verfügbar,
die auf ASTM D1125-15 basiert. 

Gesamt gelöste Feststoffe (TDS)
Dies ist die Messung der Gesamtkonzentration aller Ionenarten einer Probe. Dieser steht in Relation zur Standardlösung, die zur Kalibrierung des Instruments benutzt wurde oder zur Salzlösung, die der Anwender verwendet hat.

TDS-Faktor
Leitfähigkeitsmessungen werden durch Multiplikation mit einem bekannten mathematischen Faktor in TDS-Werte umgewandelt Der Faktor ist abhängig von der Referenzverbindung
(üblicherweise ein Salz), die zur Vorbereitung des Standard- oder Referenzmaterials verwendet wurde. Zum Beispiel: Seewasser enthält eine große Anzahl unterschiedlicher Salze, hauptsächlich jedoch NaCl, sodass der Anwender dieses als Referenz auswählen kann.

Nachfolgend einige Beispiele für den Faktor:

TDS-Faktor

Arbeitsweise von Leitfähigkeitsmessern

2-Elektroden-Leitfähigkeitssensor
Ein 2-Elektroden-Leitfähigkeitssensor besteht aus einem isolierenden Material mit 2 eingbetteten Elektroden. Die Elektroden können aus Platin, Graphit, Edelstahl oder anderen Metallen bestehen. Diese Metallkontakte arbeiten als Sensorelemente und werden in einem festen Abstand voneienander platziert, um den Kontakt mit der zu messenden Lösung herzustellen. Der Abstand zwischen den Sensorelementen sowie die Oberfläche des Metallteils bestimmen die Zellkonstante der Elektrode, die als Relation zwischen Abstand/Oberflächenbereich definiert wird. Die Zellkonstante ist ein wichtiger Parameter, der Auswirkungen auf den von der Zelle ermittelten und vom elektronischen Schaltkreis verarbeiteten Leitwert hat.

Eine Zellkonstante von 1,0 erzeugt eine Leitwertmessung, die in etwa der Leitfähigkeit der Lösung entspricht. Bei Lösungen mit geringer Leitfähigkeit können die Sonsorelektroden
in geringerem Abstand zueinander platziert werden und so Zellkonstanten von 0,1 oder 0,01 erzeugen. Dies erhöht die Leitwertmessung um den Faktor 10 bis 100 zum Ausgleich
der geringen Lösungsleitfähigkeit und zur Erzeugung eines besseren Signals für den Leitfähigkeitsmesser. Bei Lösungen mit hoher Leitfähigkeit kann durch eine Vergrößerung
des Elektrodenabstands eine Zellkonstante von 10 erzielt werden. Dies erzeugt ebenfalls einen akzeptablen Leitwert zur Messung, indem das Messergebnis um den Faktor 10 reduziert wird.

Um ein für den Leitfähigkeitsmesser akzeptables Ergebnis zu produzieren, ist die Auswahl einer Leitfähigkeitselektrode mit einer für die Probe geeigneten Zellkonstante von großer
Wichtigkeit. Die nachfolgende Tabelle zeigt die optimalen Leitfähigkeitsbereich für Zellen mit unterschiedlichen Zellkonstanten.

Leitfähigkeitsmesser Zellkonstanten

Induktives Ringleitfähigkeitsinstrument
Der induktive Ringleitfähigkeitssensor besteht aus zwei hochwertigen Ringen (Spulen), die konzentrisch aneinander grenzend in einem nicht leitfähigen Gehäuse angeordnet sind. Die
Primärspule erzeugt eine sinusförmige Wechselspannung, die ihrerseits ein wechselndes Magnetfeld generiert. Dieses wechselnde Magnetfeld bewirkt, dass sich die Ionen in der
Lösung durch die Mitte des Rings bewegen. Diese Ionenbewegung verhält sich äquivalent zu einem Gleichstromfluss durch das Zentrum des Rings. Dieser Gleichstrom erzeugt
einen Gleichstrom in der Sensorspule, der proportional zur Leitfähigkeit der Lösung ist. Idealerweise sollte das Signal in der Sensorspule nur durch die Ionenbewegung und nicht
durch das wechselnde Magnetfeld der Primärspule erzeugt werden. Daher ist eine gute magnetische Abschirmung zwischen den Spulen erforderlich.

Induktives Ringleitfähigkeitsinstrument

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