In einer Wasseraufbereitung wird die elektrische Leitfähigkeit eines sauberen Prozesswassers zuverlässig mit einer klassischen Leitfähigkeitsmesszelle erfasst. Einige Meter weiter soll dieselbe Messgröße in einer stark leitfähigen Reinigungslauge überwacht werden. Dort entstehen jedoch regelmäßig Ablagerungen am Sensor, die Messwerte verändern sich und die Sonde muss wesentlich häufiger gereinigt werden.
Auf den ersten Blick ist die Messgröße identisch: elektrische Leitfähigkeit in µS/cm oder mS/cm. Messtechnisch handelt es sich trotzdem um zwei sehr unterschiedliche Anwendungen.
Bei der klassischen konduktiven Leitfähigkeitsmessung stehen Elektroden direkt mit dem Medium in Kontakt. Zwischen ihnen wird ein elektrischer Wechselstrom beziehungsweise eine Wechselspannung ausgewertet. Je nach Zellgeometrie, Zellkonstante und Messverfahren lässt sich damit ein sehr großer Leitfähigkeitsbereich abdecken.
Die induktive Leitfähigkeitsmessung arbeitet anders. Zwei magnetisch gekoppelte Spulen beziehungsweise Toroide sind vom Medium elektrisch isoliert. Eine Sendespule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld und induziert dadurch einen Strom im leitfähigen Medium. Dieser Strom erzeugt wiederum ein Magnetfeld, das von einer zweiten Spule erfasst wird. Die Leitfähigkeit wird damit ohne freiliegende Messelektroden bestimmt.
Beide Prinzipien haben klare Stärken. Eine konduktive Messzelle kann bei niedrigen Leitfähigkeiten ausgesprochen empfindlich messen und ist deshalb unter anderem für Reinstwasser und saubere Wasserproben interessant. Eine induktive Messstelle besitzt dagegen keine blanken Elektroden, an denen klassische Polarisation auftreten kann, und ist dadurch besonders attraktiv bei hohen Leitfähigkeiten, aggressiven Medien und stark belagbildenden Prozessen.
Die Entscheidung lautet daher nicht einfach „Elektrode oder keine Elektrode“. Entscheidend ist, welche elektrische Leitfähigkeit das Medium tatsächlich besitzt, wie stark seine Zusammensetzung schwankt, welche Ablagerungen auftreten, welche Reinigungsprozesse stattfinden und wie die Messstelle mechanisch eingebaut werden kann.
Die wichtigste Regel lautet deshalb: Das Messprinzip sollte zum realen Prozessmedium gewählt werden. Sehr saubere und schwach leitfähige Medien stellen andere Anforderungen an den Sensor als konzentrierte Laugen, verschmutztes Abwasser oder ein CIP-Prozess. Konduktive und induktive Leitfähigkeitsmessung sind keine konkurrierenden Varianten mit einem generellen Gewinner, sondern Werkzeuge für unterschiedliche Messaufgaben.
Was bedeutet elektrische Leitfähigkeit?
Die elektrische Leitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Mediums, elektrischen Strom zu transportieren. In wässrigen Lösungen erfolgt dieser Stromtransport hauptsächlich durch bewegliche Ionen.
Löst sich beispielsweise ein Salz in Wasser, zerfällt es in positiv und negativ geladene Ionen. Diese können sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes bewegen. Mit zunehmender Zahl frei beweglicher Ladungsträger steigt in der Regel auch die elektrische Leitfähigkeit.
Sehr reines Wasser besitzt dagegen nur eine geringe Ionenkonzentration und leitet entsprechend schlecht.
Damit kann die Leitfähigkeit je nach Anwendung über viele Größenordnungen variieren. Reinstwasser liegt in einem vollkommen anderen Bereich als Trinkwasser, Abwasser oder eine konzentrierte Säure beziehungsweise Lauge.
Typische Einheiten sind µS/cm, mS/cm und bei sehr hoch leitfähigen Medien auch S/cm.
1 mS/cm = 1.000 µS/cm
Ein Sensor misst dabei nicht unmittelbar die Ionenkonzentration eines einzelnen Stoffes. Unterschiedliche Ionen besitzen unterschiedliche Beweglichkeiten und mehrere gelöste Stoffe tragen gleichzeitig zur Gesamtleitfähigkeit bei.
Eine Leitfähigkeitsmessung ist deshalb zunächst eine Summenmessung der elektrisch wirksamen Ionen im Medium.
Für Prozessanwendungen ist genau das häufig von Vorteil. Leitfähigkeit kann beispielsweise zur Überwachung von Wasserqualität, Konzentrationsänderungen, Spülvorgängen, Produktwechseln oder Reinigungsprozessen verwendet werden.
Wie funktioniert die konduktive Leitfähigkeitsmessung?
Bei einer konduktiven Messzelle befinden sich leitfähige Elektroden direkt im Medium. Zwischen diesen Elektroden wird eine elektrische Wechselgröße angelegt beziehungsweise ausgewertet.
Das Medium bildet dabei einen Teil des elektrischen Strompfades.
Je größer seine Leitfähigkeit ist, desto kleiner ist der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden. Aus dem gemessenen Leitwert und der geometrischen Zellkonstante wird anschließend die spezifische Leitfähigkeit bestimmt.
Vereinfacht gilt:
κ = K × G
Dabei steht:
κ = spezifische Leitfähigkeit
K = Zellkonstante
G = gemessener Leitwert
Die Zellkonstante beschreibt vereinfacht die Geometrie von Elektrodenfläche und Elektrodenabstand. Deshalb kann dieselbe Flüssigkeit mit unterschiedlichen Messzellen elektrisch einen völlig unterschiedlichen Rohleitwert erzeugen, obwohl ihre spezifische Leitfähigkeit natürlich gleich bleibt.
Die Auswerteelektronik berücksichtigt diese Geometrie und stellt daraus den Leitfähigkeitswert des Mediums bereit.
Konduktive Messzellen können mit zwei oder mehreren Elektroden aufgebaut sein. Besonders verbreitet sind 2- und 4-Elektroden-Systeme.
Ihr großer Vorteil ist die direkte elektrische Kopplung an das Medium. Dadurch lassen sich auch sehr geringe Leitfähigkeiten erfassen, sofern Zellkonstante, Elektronik und Messzelle darauf ausgelegt sind.
Wie funktioniert die induktive Leitfähigkeitsmessung?
Bei der induktiven Leitfähigkeitsmessung gibt es keinen konventionellen Strompfad über freiliegende Elektroden.
Stattdessen befinden sich im Sensor zwei magnetische Spulen beziehungsweise Toroide.
Eine Sendespule wird mit einem Wechselstrom angeregt. Dadurch entsteht ein magnetisches Wechselfeld. Dieses Feld induziert im leitfähigen Medium einen elektrischen Strom.
Der Strom im Medium erzeugt seinerseits ein magnetisches Feld. Dieses wird von der Empfangsspule erfasst.
Die Stärke des empfangenen Signals hängt von der elektrischen Leitfähigkeit des Mediums ab.
Die Flüssigkeit übernimmt damit bildlich gesprochen die Funktion einer elektrisch gekoppelten Sekundärschleife zwischen den beiden Spulen.
Die eigentlichen Spulen können vollständig durch chemisch beständiges Sensormaterial vom Medium getrennt sein.
Genau darin liegt der wesentliche Vorteil des Prinzips: Es gibt keine blanken Messelektroden, deren Grenzfläche zum Medium unmittelbar Teil der Messung ist.
Dadurch treten keine klassischen Elektrodenpolarisationseffekte auf und der Sensor kann bei stark leitfähigen beziehungsweise belagbildenden Medien wesentlich robuster sein.
Induktiv bedeutet allerdings nicht, dass die Flüssigkeit nicht mit dem Sensor in Kontakt kommt. Das Prozessmedium strömt durch beziehungsweise um den isolierten Sensorkörper. Nur der elektrische Kontakt zu metallischen Messelektroden entfällt.
Die beiden Messprinzipien direkt vergleichen
| Kriterium | Konduktive Messung | Induktive Messung |
|---|---|---|
| Elektrischer Kontakt | Elektroden stehen direkt mit dem Medium in Kontakt | Spulen galvanisch vom Medium getrennt |
| Niedrige Leitfähigkeit | Sehr gut mit geeigneter Zellkonstante messbar | Je nach Sensor begrenzter unterer Messbereich |
| Hohe Leitfähigkeit | Je nach Zellaufbau Polarisation und Elektrodeneinflüsse beachten | Häufig besonders geeignet |
| Polarisation | Kann insbesondere bei ungünstiger Auslegung relevant werden | Keine klassische Elektrodenpolarisation |
| Ablagerungen | Belag direkt auf Elektroden kann Messwert beeinflussen | Keine freiliegenden Elektroden, daher oft robuster gegen Belag |
| Reinstwasser | Geeignete 2-Elektroden-Zellen besonders interessant | Oft nicht das bevorzugte Prinzip |
| CIP / Laugen / Säuren | Je nach Medium und Messbereich möglich | Häufig vorteilhaft bei hoher Leitfähigkeit und Belag |
| Sensorgröße | Auch sehr kompakte Messzellen möglich | Toroidaler Aufbau benötigt meist größeren Sensorquerschnitt |
| Einbauumgebung | Zellkonstante und Benetzung besonders wichtig | Zusätzlich Umgebung des elektromagnetischen Feldes berücksichtigen |
Diese Gegenüberstellung ist bewusst keine starre Auswahlregel.
Ein moderner 4-Elektroden-Sensor kann auch in vergleichsweise hohen Leitfähigkeitsbereichen ausgezeichnet arbeiten. Ebenso gibt es induktive Sensoren mit sehr breiten Messbereichen.
Die konkrete Sensorbauform bleibt deshalb entscheidend.
Warum konduktive Sensoren bei niedriger Leitfähigkeit Vorteile haben
Bei sehr geringer Leitfähigkeit fließt nur ein äußerst kleiner elektrischer Strom durch das Medium.
Genau hier spielt die direkte konduktive Messung ihre Stärke aus.
Durch geeignete Elektrodengeometrien und kleine Zellkonstanten lässt sich der hohe elektrische Widerstand sehr reiner Medien empfindlich erfassen.
Für Reinstwasser werden deshalb häufig speziell dafür ausgelegte 2-Elektroden-Messzellen verwendet.
Eine Zellkonstante von beispielsweise 0,1 cm-1 oder 0,01 cm-1 kann für solche Anwendungen wesentlich geeigneter sein als eine universelle Messzelle für normales Prozesswasser.
Gleichzeitig wird die gesamte Messstelle anspruchsvoller.
Bei sehr niedriger Leitfähigkeit können bereits geringe Verunreinigungen einen deutlichen relativen Einfluss besitzen. Ein nicht sauber gespültes Probengefäß, Rückstände an der Messzelle oder Kohlendioxidaufnahme aus der Umgebungsluft können den Messwert verändern.
Das Messprinzip allein garantiert deshalb keine gute Reinstwassermessung. Sensor, Probe, Temperatur und Handhabung gehören zusammen.
Warum induktive Sensoren bei hoher Leitfähigkeit interessant werden
Mit steigender Leitfähigkeit verändert sich die Herausforderung.
Der elektrische Widerstand zwischen konduktiven Elektroden wird kleiner und die Stromdichte an den Elektroden kann steigen. Gleichzeitig werden Grenzflächeneffekte und Polarisation stärker relevant, wenn Messfrequenz, Zellgeometrie und Elektronik nicht passend ausgelegt sind.
Bei einer induktiven Messung gibt es diese direkte Elektrode-Medium-Grenzfläche nicht.
Das macht das Prinzip besonders attraktiv für hoch leitfähige Säuren, Laugen und konzentrierte Prozesslösungen.
Auch bei CIP-Prozessen lässt sich die Leitfähigkeit beispielsweise nutzen, um zwischen Spülwasser und hoch leitfähiger Reinigungslösung zu unterscheiden.
In solchen Anwendungen sind nicht nur hohe Leitfähigkeitswerte relevant. Häufig kommt zusätzlich eine erhebliche chemische Beanspruchung hinzu.
Ein vollständig gekapselter Sensorkörper aus einem geeigneten Kunststoff kann dann eine robustere Lösung darstellen als mehrere freiliegende metallische Elektroden.
Die untere Messgrenze eines induktiven Sensors muss allerdings immer geprüft werden. Ein Messprinzip, das hervorragend in einer konzentrierten Lauge funktioniert, muss nicht automatisch für sehr reines Spülwasser dieselbe Messqualität erreichen.
Elektrodenpolarisation richtig einordnen
Bei einer konduktiven Messzelle findet an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt ein elektrochemischer Übergang statt.
Wird diese Grenzfläche ungünstig elektrisch belastet, können sich Ladungsträger in unmittelbarer Elektrodennähe anders verteilen als im übrigen Medium.
Dieser Effekt wird als Polarisation bezeichnet.
Dadurch entsteht ein zusätzlicher elektrischer Einfluss, der nicht mehr ausschließlich vom eigentlichen Volumenwiderstand der Flüssigkeit stammt.
Moderne Leitfähigkeitsmessgeräte arbeiten deshalb mit Wechselgrößen und angepassten Messfrequenzen. Dadurch werden elektrochemische Gleichspannungseffekte reduziert.
Bei 4-Elektroden-Messzellen werden Strom- und Spannungsmessung außerdem funktional getrennt. Zwei Elektroden speisen den Messstrom ein, während ein weiteres Elektrodenpaar die Spannung im Medium erfasst.
Dadurch kann der Einfluss der stromführenden Elektrodenoberflächen auf die Spannungsmessung deutlich reduziert werden.
Das erweitert den nutzbaren Leitfähigkeitsbereich und macht 4-Elektroden-Zellen insbesondere für wechselnde Leitfähigkeiten interessant.
Eine induktive Messung besitzt dagegen keine freiliegenden Elektroden und damit auch keinen klassischen Polarisationseffekt an einer Elektrodenoberfläche.
Verschmutzung und Belag wirken bei beiden Prinzipien unterschiedlich
Der oft genannte Vorteil induktiver Sensoren lautet „unempfindlich gegen Verschmutzung“. Das ist als Grundtendenz richtig, sollte aber nicht als absolute Aussage verstanden werden.
Bei einer konduktiven Messzelle liegt der kritische Bereich direkt auf den Elektroden.
Ein isolierender Belag reduziert die elektrisch wirksame Oberfläche beziehungsweise verändert den Strompfad. Der gemessene Leitwert kann dadurch sinken.
Leitfähige Ablagerungen können wiederum zusätzliche elektrische Wege erzeugen.
Selbst eine geometrisch kleine Veränderung an einer Elektrode kann bei einer präzisen Messzelle relevant werden.
Bei einem induktiven Sensor gibt es keine blanken Elektroden, deren Oberfläche Teil dieses Stromübergangs ist. Deshalb ist eine dünne Ablagerung häufig deutlich weniger kritisch.
Völlig wirkungslos ist Verschmutzung trotzdem nicht.
Wächst beispielsweise der ringförmige Durchgang eines toroidalen Sensors stark mit Belag zu, verändert sich die Geometrie des stromführenden Mediums. Ein dicker elektrisch schlecht leitender Belag kann außerdem den wirksamen Bereich der Messung verändern.
Induktive Sensoren sind deshalb häufig verschmutzungsrobuster, aber nicht automatisch wartungsfrei.
2- und 4-Elektroden-Zellen unterscheiden
Die Entscheidung zwischen konduktiv und induktiv ist nicht die einzige Prinzipentscheidung.
Auch innerhalb der konduktiven Messtechnik existieren unterschiedliche Zellkonzepte.
Bei einer klassischen 2-Elektroden-Zelle übernehmen dieselben beiden Elektroden sowohl die Einspeisung des Messstromes als auch die elektrische Bewertung.
Dieser Aufbau ist konstruktiv einfach und kann bei passenden Zellkonstanten extrem empfindlich sein.
Gerade bei niedrigen Leitfähigkeiten ist dies ein wichtiger Vorteil.
Bei hohen Leitfähigkeiten steigt dagegen der Einfluss der Elektroden-Grenzflächen. Hier können 4-Elektroden-Systeme Vorteile bieten.
Eine universelle 4-Pol-Zelle wie die TetraCon 325 nutzt beispielsweise Graphitelektroden und ist für einen breiten Bereich typischer wässriger Anwendungen vorgesehen.
Das bedeutet jedoch nicht, dass eine 4-Elektroden-Zelle grundsätzlich besser ist.
Für Reinstwasser kann eine speziell optimierte 2-Elektroden-Zelle deutlich geeigneter sein.
Die tatsächliche Auswahl lautet deshalb häufig nicht nur:
konduktiv oder induktiv?
sondern:
2-Elektroden, 4-Elektroden oder induktiv?
Die Zellkonstante bleibt bei konduktiver Messung entscheidend
Bei konduktiven Messzellen bestimmt die Zellkonstante, wie der gemessene elektrische Leitwert in die spezifische Leitfähigkeit des Mediums umgerechnet wird.
Eine kleine Zellkonstante eignet sich grundsätzlich besser für sehr geringe Leitfähigkeiten. Eine größere Zellkonstante verschiebt den geeigneten Bereich in Richtung höherer Leitfähigkeiten.
Wird eine falsche Zellkonstante im Messgerät eingestellt, kann der angezeigte Wert entsprechend systematisch falsch sein.
Ein Faktor zehn bei der Zellkonstante kann beispielsweise auch einen ungefähr um Faktor zehn falschen Leitfähigkeitswert erzeugen.
Gerade bei austauschbaren Handmessgeräte-Sensoren sollte deshalb überprüft werden, welche Messzelle tatsächlich angeschlossen ist und welche Zellkonstante das Gerät verwendet.
Bei hochwertigen Messzellen ist die individuelle Zellkonstante häufig werkseitig bestimmt beziehungsweise kalibriert.
Bei einer induktiven Messung existiert ebenfalls eine sensor- und geometrieabhängige Kennlinie, die Auswertung erfolgt jedoch nach dem elektromagnetischen Messprinzip und nicht über zwei direkt benetzte Elektroden.
Warum die Einbaugeometrie bei induktiven Sensoren wichtig ist
Dass ein induktiver Sensor keine freiliegenden Elektroden besitzt, bedeutet nicht, dass seine Umgebung elektrisch bedeutungslos wäre.
Das elektromagnetische Messfeld erstreckt sich durch den Sensorring und das umgebende leitfähige Medium.
Eine Rohrwand in unmittelbarer Nähe kann deshalb Einfluss auf die Feldverteilung nehmen.
Ob dieser Einfluss relevant ist, hängt unter anderem davon ab, ob das Rohr elektrisch leitend oder isolierend ist, wie groß der Rohrdurchmesser ist und wie weit der Sensor von der Wand entfernt sitzt.
Hersteller können für solche Situationen einen Einbaufaktor beziehungsweise Installationsfaktor angeben.
Damit wird die reale Feldbeeinflussung durch die Prozessgeometrie berücksichtigt.
Ein Sensor, der in einem großen offenen Tank korrekt arbeitet, kann deshalb bei sehr engem Einbau in einer kleinen Rohrleitung andere Randbedingungen besitzen.
Bei induktiven Sensoren sollte die Montageanleitung daher genauso ernst genommen werden wie die Zellkonstante bei einer konduktiven Messzelle.
Temperaturkompensation bei beiden Prinzipien berücksichtigen
Die elektrische Leitfähigkeit einer Flüssigkeit ist stark temperaturabhängig.
Steigt die Temperatur, bewegen sich Ionen in vielen wässrigen Lösungen leichter und die Leitfähigkeit nimmt zu.
Damit können zwei Proben mit identischer chemischer Zusammensetzung unterschiedliche Leitfähigkeitswerte zeigen, wenn sie bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen werden.
Für vergleichbare Messwerte wird deshalb häufig auf eine Referenztemperatur – beispielsweise 25 °C – kompensiert.
Diese Temperaturkompensation ist vom eigentlichen Sensorprinzip unabhängig.
Sowohl eine konduktive als auch eine induktive Messstelle benötigt eine zur Anwendung passende Temperaturbewertung.
Entscheidend ist außerdem das verwendete Kompensationsmodell.
Eine einfache lineare Temperaturkorrektur kann für bestimmte Salzlösungen ausreichend sein. Natürliches Wasser oder stark konzentrierte Säuren und Laugen können jedoch ein deutlich nichtlineares Verhalten besitzen.
Ein induktiver Sensor in einer CIP-Lauge ist deshalb nicht automatisch genauer, nur weil er weniger empfindlich auf Elektrodenbeläge reagiert. Wenn eine ungeeignete Temperaturkompensation verwendet wird, kann die Konzentrationsbewertung trotzdem falsch sein.
Chemische Beständigkeit passend zum Medium auswählen
Die chemische Beständigkeit ist bei beiden Messprinzipien ein zentraler Auswahlpunkt.
Bei konduktiven Messzellen stehen die Elektroden direkt mit dem Prozessmedium in Kontakt. Elektrodenmaterial und Sensorkörper müssen deshalb gegenüber Säuren, Laugen, Salzen, Lösungsmitteln und gegebenenfalls Reinigungsmitteln beständig sein.
Graphit, Edelstahl, Platin oder andere Elektrodenwerkstoffe besitzen unterschiedliche Einsatzgrenzen.
Bei einem induktiven Sensor sind die Spulen durch den Sensorkörper vom Medium isoliert. Dadurch entfällt die direkte chemische Belastung einer metallischen Elektrode.
Stattdessen wird die Beständigkeit des vollständigen Sensorkörpers entscheidend.
Materialien wie PEEK oder PFA werden deshalb für anspruchsvolle chemische Prozessanwendungen eingesetzt.
Auch hier bleibt jedoch die konkrete Kombination aus Medium, Konzentration, Temperatur und Prozessdruck entscheidend.
Ein Werkstoff, der bei Raumtemperatur gegenüber einer verdünnten Chemikalie beständig ist, muss bei 120 °C und deutlich höherer Konzentration nicht zwangsläufig dieselbe Lebensdauer erreichen.
Gasblasen und unvollständige Benetzung erkennen
Bei konduktiver Leitfähigkeitsmessung müssen die relevanten Elektroden vollständig mit dem Medium benetzt sein.
Eine Luftblase an einer Elektrode ersetzt einen Teil des leitfähigen Mediums durch praktisch nichtleitende Luft. Dadurch verändert sich der elektrische Strompfad unmittelbar.
Der Messwert kann springen, zu niedrig werden oder ungewöhnlich instabil reagieren.
Bei einem induktiven Sensor ist die Situation etwas anders, aber auch hier kann eingeschlossene Luft problematisch sein.
Der für die induktive Stromschleife vorgesehene Bereich muss ausreichend mit leitfähigem Medium gefüllt sein.
Eine große Gasblase innerhalb der Sensoröffnung verringert den wirksamen leitfähigen Querschnitt und kann das Messsignal verändern.
Damit gilt für beide Prinzipien: Eine geeignete Einbaulage und vollständige Benetzung bleiben wichtig.
Die Aussage „induktiv misst ohne Kontakt“ darf deshalb nicht mit „die Einbausituation spielt keine Rolle“ verwechselt werden.
Reinigung und Wartungsaufwand realistisch bewerten
Eine saubere Leitfähigkeitsmesszelle benötigt nicht automatisch regelmäßige Reinigung nach einem festen Kalenderintervall.
Der Wartungsbedarf hängt wesentlich davon ab, welches Medium die Messstelle sieht.
In sauberem Trink- oder Prozesswasser kann eine konduktive Zelle über lange Zeit stabil arbeiten.
In biologisch belastetem Wasser, fetthaltigen Medien oder stark auskristallisierenden Salzlösungen kann derselbe Sensortyp dagegen schnell Beläge entwickeln.
Hier besitzt die induktive Messung einen klaren praktischen Vorteil. Da keine Elektrodenoberfläche als empfindliche elektrochemische Grenzfläche vorhanden ist, beeinflussen viele Ablagerungen die Messung weniger unmittelbar.
Trotzdem muss auch ein induktiver Sensor inspiziert und gegebenenfalls gereinigt werden.
Besonders starke Ablagerungen im Sensorauge beziehungsweise an der Strömungsöffnung können die Geometrie verändern. Auch hygienische Anforderungen können eine regelmäßige Reinigung unabhängig vom unmittelbaren Messeffekt erforderlich machen.
Das Ziel ist deshalb nicht „wartungsfrei“, sondern ein Messprinzip, dessen Wartungsbedarf zum realen Prozess passt.
Kalibrierung und Referenzlösungen
Eine Leitfähigkeitsmessstelle kann mit geeigneten Referenzlösungen überprüft werden.
Dabei müssen Referenzwert, Temperatur und Messbereich zur tatsächlichen Messzelle passen.
Eine Kalibrierlösung von 1.413 µS/cm beziehungsweise 1,413 mS/cm ist beispielsweise eine verbreitete Referenz für viele Wasseranwendungen.
Für Reinstwassermessungen oder hochkonzentrierte Prozessmedien kann jedoch ein anderer Prüfpunkt sinnvoller sein.
Bei konduktiven Messzellen wird dabei unter anderem geprüft, ob die effektive Zellkonstante noch zum erwarteten Wert passt.
Beläge, Beschädigungen oder Änderungen der Elektrodenoberfläche können eine Abweichung verursachen.
Auch bei induktiven Systemen ist eine Überprüfung mit bekannten Lösungen möglich. Die sensor- und einbauspezifischen Herstellerverfahren sollten dabei berücksichtigt werden.
Die Kalibrierung sollte außerdem von der Prozessdiagnose getrennt werden.
Zeigt ein Sensor im Labor in einer sauberen Referenzlösung korrekt an, im Prozess aber nicht, liegt die Ursache wahrscheinlich eher bei Einbau, Medium, Temperatur, Verschmutzung oder Prozessbedingungen als bei der grundlegenden Gerätekalibrierung.
Praxisbeispiel: Prozesswasser und CIP-Lauge
Eine Anlage besitzt zwei Leitfähigkeitsmessstellen.
Die erste Messstelle überwacht aufbereitetes Prozesswasser. Die Leitfähigkeit bewegt sich normalerweise zwischen etwa 100 und 800 µS/cm. Das Wasser ist optisch sauber und es treten nur geringe Ablagerungen auf.
Eine konduktive 4-Elektroden-Messzelle bietet hier einen großen Messbereich und eine robuste Wasseranalyse. Die Messung reagiert schnell und die Sensorgröße bleibt vergleichsweise kompakt.
Die zweite Messstelle befindet sich in der CIP-Rücklaufleitung.
Dort wechseln Spülwasser und hoch leitfähige alkalische Reinigungslösung. Zusätzlich können Produktreste und Ablagerungen auftreten. Die Leitfähigkeit liegt während der Reinigung um Größenordnungen höher als während des Wasserschrittes.
Ein konduktiver Sensor kann diese Aufgabe grundsätzlich ebenfalls übernehmen, sofern Messbereich, Elektroden und chemische Beständigkeit passen.
Die induktive Messung bietet hier jedoch mehrere praktische Vorteile. Es gibt keine freiliegenden Messelektroden, Polarisation spielt keine klassische Rolle und Ablagerungen auf dem Sensorkörper wirken häufig weniger kritisch.
Für die CIP-Anwendung wird deshalb eine induktive Prozessmessstelle gewählt.
Damit ist die Aufgabe jedoch nicht vollständig gelöst. Die untere Leitfähigkeitsgrenze muss noch ausreichend weit in den Spülwasserbereich reichen. Sensorkörper und Dichtungen müssen für die verwendete Lauge und Temperatur geeignet sein. Außerdem muss die Rohrgeometrie zur induktiven Messstelle passen.
Das Beispiel zeigt den entscheidenden Punkt: Nicht die abstrakte Messgröße „Leitfähigkeit“ bestimmt den Sensor, sondern die komplette Prozesssituation.
Unplausible Messwerte systematisch diagnostizieren
Wenn ein Leitfähigkeitswert plötzlich unplausibel erscheint, sollte zuerst geklärt werden, welches Messprinzip installiert ist.
Bei einer konduktiven Messstelle sind Elektrodenzustand, Belag, Benetzung und Zellkonstante besonders wichtige Prüfpunkte.
Bei einem induktiven Sensor rücken dagegen Sensoröffnung, Einbaugeometrie, ausreichende Mindestleitfähigkeit und mögliche starke Ablagerungen in den Vordergrund.
Temperatur und Prozesszusammensetzung sind bei beiden Prinzipien zu kontrollieren.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvoller Prüfschritt |
|---|---|---|
| Konduktiver Sensor driftet langsam | Elektrodenbelag oder Veränderung der Oberfläche | Sensor inspizieren, reinigen und mit Referenzlösung prüfen |
| Konduktiver Wert springt | Luftblasen oder instabile Benetzung | Einbaulage und Probe prüfen |
| Induktiver Sensor zeigt bei schwach leitendem Medium instabile Werte | Leitfähigkeit nahe beziehungsweise unter Gerätegrenze | Messbereich und Mindestleitfähigkeit prüfen |
| Induktiver Messwert verändert sich nach Umbau der Rohrleitung | Geänderte Einbaugeometrie oder Wandeinfluss | Installationsvorgaben und Einbaufaktor prüfen |
| Beide Sensorprinzipien ändern sich stark mit Temperatur | Reale Temperaturabhängigkeit oder falsche Kompensation | Temperaturwert und Kompensationsmodell überprüfen |
| Messwert stimmt in Standardlösung, nicht aber im Prozess | Prozess-, Einbau- oder Verschmutzungseinfluss | Messstelle unter realen Bedingungen untersuchen |
Eine strukturierte Diagnose vermeidet, dass ein Sensor unnötig ersetzt wird, obwohl eigentlich die Messaufgabe oder Einbausituation verändert wurde.
Messprinzip systematisch auswählen
Die Auswahl sollte mit dem realen Leitfähigkeitsbereich beginnen.
Liegt das Medium im sehr niedrigen µS/cm-Bereich beziehungsweise handelt es sich um Reinstwasser, ist eine speziell dafür ausgelegte konduktive Messzelle häufig die naheliegende Lösung.
Bei normalem Wasser und wechselnden mittleren Leitfähigkeiten bietet eine 4-Elektroden-Messzelle einen sehr breiten praktischen Einsatzbereich.
Steigt die Leitfähigkeit stark an und kommen gleichzeitig aggressive Chemikalien, Ablagerungen oder CIP-Prozesse hinzu, wird das induktive Prinzip zunehmend interessant.
Anschließend müssen Temperatur, Druck, Materialverträglichkeit und mechanische Einbausituation geprüft werden.
Bei einer induktiven Messung ist außerdem genügend Platz für die vorgesehene elektromagnetische Messgeometrie erforderlich.
Bei einer konduktiven Messstelle muss die Zellkonstante zum Messbereich passen.
Erst danach sollte die Frage nach Schnittstelle, Display, Datenlogger oder Automatisierung beantwortet werden.
Damit wird verhindert, dass ein komfortables Messgerät mit umfangreicher Elektronik ausgewählt wird, dessen eigentliche Messzelle nicht zum Prozessmedium passt.
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ICS Schneider Messtechnik bietet innerhalb der Kategorie pH / Leitfähigkeit / Sauerstoff / Messgeräte unterschiedliche portable Systeme für Wasseranalytik, Umweltmessung, Labor und Kontrollaufgaben an.
Der WTW ProfiLine Cond 3310 ist für Anwendungen interessant, bei denen unterschiedliche Leitfähigkeitsbereiche und Messzellen eingesetzt werden sollen. Das Gerät unterstützt 2- und 4-Pol-Messzellen, besitzt einen integrierten Datenlogger und ist auch für Reinstwassermessungen vorgesehen.
Dadurch eignet es sich insbesondere als flexibles Handmessgerät für Labor, Wasseraufbereitung, Prozesskontrollen und vergleichende Messungen an unterschiedlichen Medien.
Als universelle Messzelle kann unter anderem die TetraCon 325 eingesetzt werden. Sie arbeitet nach dem konduktiven 4-Pol-Prinzip mit Graphitelektroden und besitzt eine Zellkonstante von ungefähr 0,475 cm-1. Damit deckt sie einen breiten Bereich typischer wässriger Medien ab.
Für sehr niedrige Leitfähigkeiten stehen dagegen spezielle 2-Pol-Zellen mit kleinerer Zellkonstante zur Verfügung. Genau hier zeigt sich, dass selbst innerhalb eines einzigen Messgerätes die Auswahl der Messzelle genauso wichtig sein kann wie die Auswahl des Messgerätes selbst.
Der WTW ProfiLine Cond 3110 ist auf robuste Routinemessungen ausgerichtet. Das portable und wasserdichte Gerät wird insbesondere für natürliche Wässer und Abwasser eingesetzt und bietet automatische Temperaturkompensation sowie Salinitätsmessung.
Für eine Prozessmessstelle sollte bereits bei der Anfrage angegeben werden, ob eine portable Stichprobenmessung oder eine kontinuierliche Inline-Messung benötigt wird.
Bei einer kontinuierlichen Anwendung sind zusätzlich Prozessanschluss, Druck, Temperatur, Werkstoff, Reinigungsbedingungen und gewünschtes Ausgangssignal wichtig. Für stark leitfähige beziehungsweise belagbildende Anwendungen sollte dabei gezielt geprüft werden, ob eine induktive Messstelle gegenüber einer klassischen Elektrodenmessung Vorteile bietet.
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Fazit
Konduktive und induktive Leitfähigkeitsmessung verfolgen dasselbe Ziel, nutzen dafür aber zwei grundlegend unterschiedliche elektrische Prinzipien.
Bei der konduktiven Messung ist die Elektrodenoberfläche unmittelbarer Bestandteil des Messsystems. Bei der induktiven Messung wird die Leitfähigkeit dagegen elektromagnetisch über einen vom Medium galvanisch getrennten Spulenaufbau erfasst.
Diese konstruktive Trennung bestimmt einen großen Teil der praktischen Unterschiede.
Für geringe Leitfähigkeiten und insbesondere Reinstwasser sind speziell ausgelegte konduktive Messzellen häufig die bessere Lösung. Mit passender Zellkonstante können sie sehr kleine Leitwerte empfindlich erfassen.
Bei höheren Leitfähigkeiten, starken Ablagerungen und aggressiven Prozessmedien gewinnt dagegen die induktive Messung an Attraktivität. Es gibt keine freiliegenden Elektroden, klassische Polarisation entfällt und Beläge beeinflussen die Messung häufig weniger stark.
Das bedeutet jedoch nicht, dass ein induktiver Sensor universell besser ist. Er benötigt selbst eine ausreichende Mindestleitfähigkeit und seine elektromagnetische Messzone kann durch die Einbaugeometrie beeinflusst werden. Auch starke Verschmutzungen können langfristig relevant werden.
Ebenso wenig ist eine konduktive Messstelle grundsätzlich wartungsintensiv. In sauberem Wasser kann eine korrekt ausgelegte Elektrodenzelle über lange Zeit sehr stabil arbeiten.
Die richtige Entscheidung entsteht deshalb aus der Kombination von Leitfähigkeitsbereich, Verschmutzungsneigung, Medium, Temperatur, chemischer Beständigkeit, Einbausituation und Wartungsstrategie.
Wer diese Faktoren bereits bei der Auswahl berücksichtigt, vermeidet später viele typische Probleme: ständig driftende Elektroden in einer stark belagbildenden Lauge ebenso wie einen induktiven Sensor, der bei sehr geringer Leitfähigkeit kaum noch ausreichende Signalreserve besitzt.
FAQ zu konduktiver und induktiver Leitfähigkeitsmessung
Was ist der wichtigste Unterschied zwischen konduktiver und induktiver Leitfähigkeitsmessung?
Bei der konduktiven Messung stehen Elektroden direkt mit dem Medium in elektrischem Kontakt. Bei der induktiven Messung wird der Strom über elektromagnetisch gekoppelte Spulen erfasst, ohne freiliegende Messelektroden.
Welche Messung eignet sich besser für Reinstwasser?
Für sehr niedrige Leitfähigkeiten sind speziell ausgelegte konduktive 2-Elektroden-Messzellen mit kleiner Zellkonstante häufig besonders geeignet.
Welche Messung eignet sich besser für stark leitfähige Laugen?
Bei hoher Leitfähigkeit, starker chemischer Belastung und Ablagerungsneigung kann eine induktive Messstelle deutliche praktische Vorteile bieten.
Warum sind induktive Sensoren unempfindlicher gegen Polarisation?
Sie besitzen keine freiliegenden Messelektroden. Damit entfällt die klassische elektrochemische Grenzfläche zwischen Elektrode und Medium, an der Polarisation auftreten kann.
Ist ein induktiver Leitfähigkeitssensor vollkommen unempfindlich gegen Verschmutzung?
Nein. Er ist häufig deutlich robuster gegenüber Belägen, aber starke Ablagerungen können die Geometrie der Messzone verändern und damit ebenfalls die Messung beeinflussen.
Kann ein induktiver Sensor sehr geringe Leitfähigkeit messen?
Das hängt vom konkreten Sensor ab. Induktive Systeme besitzen eine gerätespezifische untere Leitfähigkeitsgrenze und sind für extrem schwach leitende Medien häufig weniger geeignet als speziell ausgelegte konduktive Zellen.
Warum gibt es 2- und 4-Elektroden-Sensoren?
Bei 2-Elektroden-Zellen werden Strom und Spannung über dasselbe Elektrodenpaar erfasst. 4-Elektroden-Systeme trennen Stromeinspeisung und Spannungsmessung und können dadurch den Einfluss der Elektrodenpolarisation reduzieren.
Ist ein 4-Elektroden-Sensor immer besser als ein 2-Elektroden-Sensor?
Nein. 4-Elektroden-Sensoren bieten einen breiten Messbereich, während spezielle 2-Elektroden-Zellen beispielsweise bei sehr niedrigen Leitfähigkeiten klare Vorteile besitzen können.
Was ist die Zellkonstante?
Die Zellkonstante beschreibt die Geometrie der konduktiven Messzelle und wird benötigt, um aus dem gemessenen Leitwert die spezifische Leitfähigkeit des Mediums zu bestimmen.
Warum muss die Zellkonstante zum Messbereich passen?
Eine kleine Zellkonstante ist grundsätzlich für geringe Leitfähigkeiten günstiger, während größere Zellkonstanten für höhere Leitfähigkeitsbereiche geeignet sein können.
Spielt die Zellkonstante auch bei induktiven Sensoren eine Rolle?
Induktive Sensoren besitzen ebenfalls eine geometrieabhängige Sensorkennlinie. Die klassische Elektroden-Zellkonstante einer konduktiven Messzelle wird dort jedoch nicht auf dieselbe Weise angewendet.
Warum beeinflusst die Temperatur die Leitfähigkeit?
Die Beweglichkeit der Ionen verändert sich mit der Temperatur. Bei vielen wässrigen Lösungen steigt die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur deutlich an.
Braucht ein induktiver Sensor ebenfalls Temperaturkompensation?
Ja. Die Temperaturabhängigkeit stammt in erster Linie aus dem Medium und nicht aus dem Elektrodenprinzip. Deshalb muss sie bei konduktiver und induktiver Messung berücksichtigt werden.
Kann eine Luftblase die Leitfähigkeitsmessung beeinflussen?
Ja. Bei einer konduktiven Zelle kann sie den direkten Elektrodenkontakt beziehungsweise Strompfad unterbrechen. Bei einem induktiven Sensor kann eine Gasblase den leitfähigen Querschnitt innerhalb der Messzone reduzieren.
Warum ist die Einbaugeometrie bei induktiven Sensoren wichtig?
Das elektromagnetische Messfeld kann durch nahe Rohrwände beeinflusst werden. Rohrwerkstoff, Durchmesser und Sensorabstand zur Wand müssen deshalb entsprechend den Herstellervorgaben berücksichtigt werden.
Ist induktive Messung für CIP-Anlagen geeignet?
Sie ist dafür häufig besonders interessant, weil CIP-Medien hohe Leitfähigkeiten erreichen können und keine freiliegenden Elektroden vorhanden sind. Temperatur, Chemikalienbeständigkeit und untere Leitfähigkeitsgrenze müssen dennoch geprüft werden.
Kann ein konduktiver Sensor ebenfalls in CIP-Medien eingesetzt werden?
Ja. Wenn Messbereich, Elektrodenmaterial, Zellkonstante, Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit passen, kann auch eine konduktive Messung geeignet sein.
Wie erkenne ich, dass die falsche Sensortechnik ausgewählt wurde?
Typische Hinweise sind ständig notwendige Elektrodenreinigung, unzureichende Signalreserve bei sehr geringer Leitfähigkeit, starker Messwertdrift, Probleme über einen sehr großen Leitfähigkeitsbereich oder deutlich veränderte Werte bei Prozess- und Reinigungswechseln.
Welches portable Leitfähigkeitsmessgerät bietet ICS an?
Unter anderem sind der WTW ProfiLine Cond 3110 und Cond 3310 verfügbar. Der Cond 3310 kann mit unterschiedlichen 2- und 4-Pol-Messzellen eingesetzt werden und besitzt einen integrierten Datenlogger.
Welche Angaben sind für die Auswahl einer Leitfähigkeitsmessstelle wichtig?
Benötigt werden insbesondere minimaler und maximaler Leitfähigkeitsbereich, Medium und Konzentration, Temperatur, Druck, Verschmutzungs- beziehungsweise Belagverhalten, Reinigungsprozess, gewünschte Genauigkeit, Einbauart sowie die Frage, ob eine portable Kontrollmessung oder eine kontinuierliche Prozessmessung vorgesehen ist.