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Messparameter

Leitfähigkeit erklärt

Veröffentlicht von Stefan Langner am 02.02.2017 14:56:05

Die Leitfähigkeit σ ist die Fähigkeit eines Materials elektrischen Strom zu leiten. Sie ist eine wichtige Messgröße für viele Bereiche wie etwa im Trink- und Abwasserbereich, bei industriellen Herstellungsprozessen, bei der Qualitätskontrolle oder in der Lebensmittelbranche. Die Leitfähigkeitsmessung einer Lösung ist die der Gesamtkonzentration an Ionen - bestehend aus Anionen und Kationen -, die den elektrischen Strom leiten, man spricht deswegen auch von der elektrolytischen Leitfähigkeit. Sie gibt Aufschluss über die ionische Stärke einer Lösung, nicht jedoch über die Art der Ionen.
Die Leitfähigkeit ist das Reziprok des spezifischen Widerstands. Der spezifische Widerstand ist der Widerstand bezogen auf einen Würfel der Substanz mit der Kantenlänge 1 cm und wird daher angegeben in Ω•cm. Daraus abgeleitet wird die Leitfähigkeit in μS/cm (Mikrosiemens) oder mS/cm (Millisiemens; 1 mS/cm = 1000 μS/cm) angegeben.
Leitfähigkeitswert einer Lösung hängt ab von der:

  • Ionenkonzentration
  • Valenz der Ionen
  • Mobilität der Ionen
  • Temperatur

Die Leitfähigkeitsmessbereiche reichen etwa von 1 x 10-7 S/cm bei reinem Wasser bis hin zu 1 S/cm bei stark konzentrierten Lösungen.

Leitfähigkeitsmessung

Prinzipbild der LeitfähigkeitsmessungDas Leitfähigkeitsmesssystem besteht aus: einer Leitfähigkeitsmesszelle, einem Temperaturfühler/-sensor, einem Leitfähigkeitsmessgerät.
Die Leitfähigkeitsmesszelle besteht aus 2 Elektroden, denen eine Wechselspannung angelegt wird, und die in eine Lösung getaucht werden. Gemessen wird der elektrische Stromfluss zwischen den beiden Elektroden. Je nach Anwendungsbereich wird die Leitfähigkeit oder der Widerstand gemessen.

Verhältnis Leitfähigkeit/Temperatur

Die Leitfähigkeit einer Lösung ist stark temperaturabhängig. Je höher die Temperatur, desto höher der Leitwert. Diese Leitfähigkeitsveränderung wird in %/°C ausgedrückt und ist als Temperaturkoeffizient β bekannt. Bei den meisten Anwendungen, wie etwa bei Trinkwasser, liegt β bei 2%/°C. Um Leitfähigkeitsmesswerte vergleichbar zu machen, bezieht man die Ergebnisse auf eine Referenztemperatur von in der Regel 25°C.

Temperaturkompensation

Die Temperaturkompensation besteht darin, den Leitwert bei der gewählten Referenztemperatur aus der gemessenen Leitfähigkeit und Temperatur sowie der Temperaturkoeffizienten β zu berechnen. Sie erfolgt manuell mit einem separaten Temperaturfühler bzw. Thermometer oder automatisch mithilfe einer Leitfähigkeitssonde mit integriertem Temperatursensor. Man unterscheidet 3 Arten der Temperaturkompensation:

  • die lineare Temperaturkompensation: sie wird bei den meisten Anwendungen verwendet, vor allem bei Proben mittlerer oder hoher Leitfähigkeit.
  • die nichtlineare Temperaturkompensation: für natürliche Gewässer und Reinstwasser.
  • keine Kompensation: gemäß der USP (United States Pharmacopeia) -Normen oder bei Messung der absoluten Leitfähigkeit, beispielsweise für die Messung von Wasser zur Injektion.

Die Zellkonstante

Leitfähigkeitssonden bestehen aus einem Elektrodenpaar. Die Zellkonstante K ist eine wesentliche Eigenschaft der Sonde und gibt die Relation von Elektrodenabstand zu Elektrodenflächen wieder:

K = Elektrodenabstand / Elektrodenfläche (cm-1)

Leitfähigkeitssonden mit einer Zellkonstante K = 1 cm-1 sind universell einsetzbar und ermöglichen die genaue Messung von Proben sowohl mit geringer als auch mit hoher Leitfähigkeit. Bei Proben mit sehr niedriger Leitfähigkeit, die eine sehr hohe Messgenauigkeit erfordern (wie etwa bei reinem Wasser), werden Leitfähigkeitssonden mit einer Zellkonstante von K = 0,1 cm-1 bevorzugt. Bei Proben mit einer sehr hohen Leitfähigkeit sind Leitfähigkeitssonden mit einer Zellkonstante von K = 10 cm-1 empfehlenswert. Jede Leitfähigkeitssonde hat eine eigene Zellkonstante. Zeit, Häufigkeit der Anwendungen und Verschmutzungen führen jedoch dazu, dass sich die Zellkonstante verschiebt. Aus diesem Grund wird empfohlen, die Zellkonstante durch Kalibrierung mit einer Leitfähigkeitslösung mit bekanntem Wert festzuhalten.


Tab. 1 Auflistung der Leitfähigkeit verschiedener Wassersorten

Reinstwasser 0,055 μS/cm
Destilliertes Wasser 0,5 μS/cm
Bergwasser 1,0 μS/cm
Regenwasser 50 μS/cm
Trinkwasser 500-800 μS/cm
Trinkwasser (max. Leitwert)  10055 μS/cm
Industrieabwasser 5 mS/cm
Meerwasser ca. 50 mS/cm

Potentiometrische Vier-Ring-Leitfähigkeitssonde
Die Leitfähigkeitssonde

Man unterscheidet 3 Arten von Leitfähigkeitssonden:

  • Amperometrische Zwei-Elektroden-Sonden: es handelt sich hier um Sonden, die vornehmlich bei Messungen in Proben niedriger Leitfähigkeit (bis 2 mS/cm) eingesetzt werden. Bei Messungen über mehrere weite Messbereiche, haben sie den Nachteil, Messwerte aufgrund ihres Polarisationsseffekts zu verfälschen. Elektrodenmaterialen sind meist Edelstahl oder Graphit.
  • Potentiometrische Platin-Vier-Ring-Sonden: sie werden bei Messungen über weite Messbereiche eingesetzt. Durch die beiden zusätzlichen Ringe wird dem Polarisierungseffekt entgegengewirkt.
  • Induktionssonden: sie werden hauptsächlich bei industriellen Anwendungen mit sehr hoher Leitfähigkeit und starker Verschmutzung eingesetzt.

Die Lebensdauer einer Sonde

Im Gegensatz zu pH-Elektroden verbrauchen sich Leitfähigkeitssonden bei einer ordnungsgemäßen Handhabung nicht. Lediglich in Ausnahmefällen, z.B. der Messung extrem aggressiver Lösungen kann der Austausch einer Sonde bzw. eine Replatinisierung bei Platin-Vier-Ring-Sonden empfehlenswert sein. Die Zellkonstante kann sich allerdings bei Veränderung der Oberfläche verschieben. Eine Veränderung der Oberfläche ist zurückzuführen auf Luftbläschen, die sich zwischen den Elektroden bilden, Fingerabdrücke, Kratzer oder Salzablagerungen.

TDS-Messungen

TDS steht für Total Dissolved Solids, d.h. die Gesamtkonzentration der gelösten Feststoffe in einer Lösung. Ausgedrückt wird der TDS-Wert in ppm (parts per million) oder mg/L bzw. ppt (parts per thousand) oder g/l. In wässrigen Lösungen verhält sich die Leitfähigkeit direkt proportional zur Konzentration der gelösten Feststoffe: je mehr gelöste Feststoffe, je höher die Leitfähigkeit. Es ergibt sich näherungsweise folgende Gleichung:

2 μS/cm = 1 ppm (mg/L)

Der TDS-Wert ist oftmals eine Messgröße bei der Papierherstellung.  Viele Messgeräte verfügen heutzutage sowohl über einen Leitfähigkeits- als auch über einen TDS-Messbereich.

TDS-Faktor

Unter TDS-Faktor versteht man den vom Messgerät verwendeten Wert zur Konvertierung der Leitfähigkeit in TDS. Bei normalem Wasser liegt der TDS-Faktor zwischen 0,50 und 0,70. Grundsätzlich muss der TDS-Faktor zwischen 0,40 und 1,00 liegen. Je nach Modell ist der TDS-Faktor durch den Nutzer frei wählbar.

Wasserhärte

Die Wasserhärte kann mit guter Annäherung mithilfe eines Leitfähigkeits- oder TDS-Messgerätes bestimmt werden. Sie hängt hauptsächlich von der Konzentration an gelösten Calcium- und Magnesium-Ionen ab und wird ausgedrückt in deutsche Härtegrade (°dH). 1°dH = 30 μS/cm. Vor Behandlungen mit Chemikalien, die die Wasserhärte mindern, ist eine Bestimmung der Wasserhärte stets erforderlich.

Mehr lesen: Abgeleitete Parameter der Leitfähigkeit

Themen: Leitfähigkeit

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