Leitfähigkeitssensoren – Aufbau und Funktion

Jeder Stoff ist durch seine physikalischen Parameter charakterisiert. Das sind zum Beispiel die Dichte, die Härte, die Wärmekapazität oder eben die elektrische Leitfähigkeit, die den Kehrwert des spezifischen Widerstandes darstellt. Dieser Messwert gibt zum Beispiel Auskunft über die Qualität beziehungsweise Kontamination von Wasser, was mit einem Leitfähigkeitssensor leicht zu bestimmen ist. Die technische Umsetzung des Messsystems erfolgt heute entweder konduktiv oder induktiv.

Quelle: ist-ag.com

Konduktive Leitfaehigkeitssensoren
Bei dieser Bauart stehen die Elektroden in direktem galvanischen Kontakt mit dem Medium, dessen elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden soll. Wenn die Ionenkonzentration darin sehr hoch ist, kann es zu erheblichen Messfehlern kommen, da an der Oberfläche der Elektroden intensive Polarisationseffekte auftreten können. Praktisch wirkt sich dies wie ein zusätzlicher, in Reihe geschalteter Widerstand aus. Nicht selten kommt es zu harten Ablagerungen wie Laugenstein, die geradezu wie eine vollständige Isolierung wirken, wodurch eine konduktive Leitfähigkeitsmessung nicht möglich ist.

Bei Ionenkonzentrationen von Laugen oder Säuren, die zu Leitfähigkeitswerten über 100 mS/cm führen, wodurch Ablagerungen an den Elektroden fast unvermeidbar sind, ist es immer besser, Leitfähigkeitssensoren einzusetzen, die auf der induktiven Technik basieren, insbesondere dann, wenn den Messwerten eine bestimmte Prozesssteuerung nachgeschaltet ist. Dagegen ist das induktive Messverfahren zur Registrierung sehr geringer Leitfähigkeiten weniger geeignet. Die Grenzauflösung liegt ungefähr bei 50 µS/cm, die den Übergang zur konduktiven Messung verlangt.

Typischer Aufbau von induktiven Leitfaehigkeitssensoren
Das Sensorelement ist heute oft in einem PEEK-Gehäuse (Polycarbonat) verbaut und enthält zwei Ringkernspulen. Diese wirken gleichsam wie zwei kleine hintereinandergeschaltete Transformatoren. Die erste Primärwicklung erhält ihren Strom von einem Oszillator, der im Kilohertz-Bereich schwingt. Der sogenannte Strom-Mess-Kanal führt unter anderem durch die Innenräume beider Ringkernspulen und verbindet die Primärseite des zweiten Transformators mit der Sekundärseite des ersten Transformators. Diese Verbindung stellt im Prinzip eine gemeinsame Windung der beiden Transformatoren dar.

Der Strommesser hängt an der Sekundärwicklung des zweiten Transformators. Gemäss dem Ohmschen Gesetz ergibt sich dann der Widerstand der Flüssigkeit aus dem gemessenen Stromfluss und der bekannten Oszillatorspannung, wobei der Flüssigkeitswiderstand noch in die entsprechende elektrische Leitfähigkeit umgerechnet wird. Je nach Messbereich kann die Empfindlichkeit des Strommessers voreingestellt werden, entsprechend werden im Gerät bestimmte Steuereingänge ausgewählt.

Zur Durchführung einer induktiven Messung ist es nicht erforderlich, dass sich die Flüssigkeit im Strom-Mess-Kanal bewegt beziehungsweise fliesst. Dass der Kanal dennoch in Fliessrichtung ausgerichtet wird, hängt vor allem mit einer besseren Reinigungswirkung durch die Strömung zusammen.

Der elektrische Widerstand ist grundsätzlich temperaturabhängig
Die Sensorelemente sind heute mit sehr präzisen Pt100-Temperaturfühlern, die überdies besonders schnell ansprechen, ausgestattet. Die auf diese Weise bestimmte Temperatur des Mediums wird intern zur Temperaturkompensation des Rohwertes der Leitfähigkeit herangezogen.

Üblich ist eine in etwa zweiprozentige Zunahme der Leitfähigkeit einer Flüssigkeit pro Grad Celsius. Dies hängt unter anderem mit der zunehmenden Beweglichkeit von Ionen und Elektronen bei höheren Temperaturen zusammen. Um nun die Messungen stets vergleichen zu können, muss die konkret gemessene Leitfähigkeit unter Berücksichtigung der momentanen Temperatur auf eine Referenztemperatur, die meistens auf 25 Grad Celsius festgelegt wird, zurückgeführt werden.

Wer es noch genauer braucht, kann bei modernen Leitfaehigkeitssensoren den gewünschten Temperaturkoeffizienten in Prozent pro Grad Celsius eingeben. Das ist vor allem dann sinnvoll, wenn die elektrische Leitfähigkeit des Mediums quasi temperaturunabhängig ist oder sich sogar bei höheren Temperaturen verringert. Bei nicht linearem Temperaturverhalten besteht die Möglichkeit, zusätzlich ein quadratisches Glied einzugeben.