Die Leitfähigkeitsmessung zählt zu den Routineaufgaben. Planung und Ablauf sind in aller Regel wenig komplex – aud deshalb auch wenig fehleranfällig. Doch dieser erste Eindruck täuscht. Je nach verwendeter Sonde können unerwartete Einflüsse auftreten, welche das Messergebnis verfälschen und unbbrauchbar machen.
Leitfähigkeitsmessung: die Sondenarten
Die große Zahl an unterschiedlichen Anwendungen hat dazu geführt, dass es tatsächlich keine ideale Messtechnologie für alle Einsatzszenarien gibt. Dennoch haben sich über die Zeit drei Grundtypen an Messzellen am Markt behauptet. Es gibt auch für jede der Sondenarten typische Fehler bei der Leitfähigkeitsmessung. Wir haben nachfolgend die Sondenarten beschrieben, auf die Sie vermutlich häufig treffen werden. Wenn Sie prüfen, welche Sondenart Sie verwenden, können Sie mögliche Fehler leichter eingrenzen.
- Zweipolige Leitfähigkeitszelle: Sonde für eine amperometrische Messung
Eine Sonde für eine amperometrische Messung verfügt typischerweise über zwei Stifte oder zwei Platten aus Edelstahl oder Graphit. Es handelt sich also um eine Sonde mit zwei Elektroden.
Diese Leitfähigkeitszellen haben einen typischen Messbereich von 0,001 µS/cm bis 1000 µS/cm. Die Hauptanwendungen der zweipoligen Zellen sind Leitfähigkeitsmessungen von
- reinem Wasser,
- stark verdünnten wässrigen Lösungen und
- nicht wässrigen Lösungen.
Gerade geringe Leitfähigkeitswerte werden hier mit hoher Genauigkeit gemessen.
- Vierpolige Leitfähigkeitszelle: Sonde für eine potentiometrische Messung
Eine Sonde für eine potentiometrische Messung weist meist vier Ringe auf.
Die vierpolige Leitfähigkeitszelle besitzt eine gute Linearität über einen sehr großen Leitfähigkeitsmessbereich und zeichnet sich durch eine geringere Beeinflussung durch Oberflächenkontamination aus.
- Induktive Leitfähigkeitsmesszelle: Sonde für eine induktive Messung
Eine Sonde für eine induktive Messung besitzt meist einen großen Ring oder Torus am Ende.
Jedes Leitfähigkeitsmessgerät besitzt ein Manual. Diese Dokumentation enthält auch die technischen Daten von Messgerät und Sonde. Der Dokumentation lässt sich ebenfalls der Sondentyp entnehmen.
Video: elektrolytische Leitfähigkeitsmessung
Das Video veranschaulicht das konduktive und das induktive Messprinzip der Leitfähigkeitsmessung.
1. Problem einer Leitfähigkeitmessung: Die Sondenpolarisation
Von einer Sondenpolarisation spricht man, wenn sich eine Ladung auf den Sensoren aufgebaut hat. Die Folge der Sondenpolarisation ist eine Messungenauigkeit, die sich häufig in einem niedriger als erwarteten Leitfähigkeitswert äußert.
Das Problem der Sondenpolarisation tritt vorzugsweise bei Zwei-Elektroden-Sonden auf. Insbesondere Zwei-Elektroden-Sonden mit Edelstahlstiften sind hierfür anfällig.
Wie kann man die Sondenpolarisation vermeiden?
Messgeräte mit Graphitelektroden sind in aller Regel weniger reaktiv. Die Messgeräte nutzen auf den Messbereich abgestimmte Wechselstromfrequenzen und Zellkonstantenkombinationen. Die Polarisation kann wenn auch nicht ganz ausgeschlossen, so doch minimiert werden.
Unterschiedliche Leitfähigkeiten messen
Man sollte auch den Leitfähigkeitsbereich der Proben berücksichtigen. Sind die Leitfähigkeiten der Proben sehr unterschiedlich, sollte man über den Einsatz einer anderen Sondenart nachdenken. In einem solchen Fall wäre der Einsatz einer Vier-Ring-Leitfähigkeitssonde sinnvoll.
Die Elektroden einer Vier-Ring-Sonde haben unterschiedliche Funktionen. Die inneren Elektroden stellen Sensorelektroden da. Die beiden äußeren Elektroden der Vier-Ring-Sonde stellen Treiberelektroden dar. Die Leitfähigkeitsmessung betrachtet den Spannungsabfall an den Sensorelektroden. Die potentiometrische Spannungsmessung schaltet eine Polarisation weitgehend aus. So werden Messfehler bzw. Ungenauigkeiten vermieden.
2. Problem einer Leitfähigkeitmessung: Die Streufeldeffekte
Es gibt eine spezielle Konstellationen von Sonde und Festkörpern im Messgefäß, die sogenannte Streufeldeffekte hervorrufen kann. Dies tritt ein, wenn die Sonde einem Festkörper zu nahe kommt. Der gemessene Wert kann dann schwanken. Dabei erhöhen Metalle die Messwerte und Kunststoffe und Glas senken die Messwerte. Man sollte beachten, dass auch die Wände des Messgefäßes Einfluss auf die Leitfähigkeitsmessung haben. Dieses Verhalten betrifft vor allem die Vier-Ring-Sonden.
Wie kann man den Streufeldeffekten vorbeugen?
Die Gegenmaßnahme ist sehr simpel. Wenn man auf einen Abstand von mehreren Zentimetern von der Sonde zu Festkörpern in der Umgebung achtet, werden Streufeldeffekte weitgehend vermieden.
Flüssige und gasförmige Substanzen
Die Leitfähigkeitsmessung kann nicht nur von festen Substanzen in der Probe beeinflusst werden. Auch flüssige und gasförmige Substanzen können in der Probe gelöst sein und dort Ionenspezies herausbilden. In der Umgebungsluft ist Kohlendioxid (CO2) das einzige Gas, welches die Leitfähigkeitsmessung stark beeinflusst.
3. Problem einer Leitfähigkeitmessung: Kalibrierungsfehler der Sonde
Für eine exakte Kalibrierung muss eine Kalibrierlösung verwendet werden, welche nicht kontaminiert ist. Hier empfiehlt sich eine Vorbehandlung der Sonde mit der Kalibrierlösung. Erst danach sollte die Sonde in das Messgefäß mit einer unbenutzten Kalibrierlösung eingebracht werden.
Das Problem ist darauf zurückzuführen, dass Leitfähigkeitskalibrierlösungen keine Pufferkapazität besitzen. Wenn sich ander Sonde noch Rückstände von der Probe oder von deionisiertem Wasser befinden, kann keine zuverlässige Kalibrierung durchgeführt werden. Das Problem tritt vor allem auch dann auf, wenn man Kalibrierungen eher selten durchführt. In diesem Fall sollte man prüfen, ob die Kalibrierlösung auch in Beuteln portioniert geliefert werden kann.
Leitfähigkeit von Lösung und Probe
Bei der Auswahl der Kalibrierungslösung sollte man darauf achten, dass die Leitfähigkeit von Lösung und Probe ähnlich sind. Ein Blick ins Handbuch zeigt die empfohlene Kalibrierlösung für das jeweilige Gerät.
Betagte Sonden kalibrieren
Die Kalibrierung gleicht Veränderungen an der Sonde aus. Solche Veränderungen können Beschädigungen sein oder auch Verschmutzungen. Wer die Sonden regelmäßig wartet, minimiert damit die Messfehler der Messsonden.
4. Problem einer Leitfähigkeitmessung: Eine kontaminierte Probe
Beim Eintauchen der Sonde in die Messprobe kann es unbeabsichtigt zum Hinzufügen von Ionen kommen. Auch kann die Probe unbeabsichtigt verdünnt werden. Beides kann zu einem Verfälschen des Messergebnisses führen.
Die Verfälschung der Leitfähigkeitsmessung durch eine kontaminierte Probe kann vermieden werden, in dem die Sonde vor dem Eintauchen in das eigentliche Messgefäß in ein Spülgefäß, das ebenfalls Probenflüssigkeit enthält, eingetaucht wird. So können etwaige Reste deionisierten Wassers abgewaschen werden. Auch nach der Leitfähigkeitsmessung sollte die Sonde gereinigt oder zumindest gespült werden. Rückstände der Probe an Sonde oder im Messgefäß können künftige Leitfähigkeitmessungen beeinträchtigen.
5. Problem einer Leitfähigkeitmessung: TDS-Umrechnungsfaktor fehlerhaft
Die TDS-Bestimmung durch eine Leitfähigkeitsmessung ist sehr simpel. Hat man den Leitfähigkeitsmesswert bestimmt, kann man den Wert mit dem TDS-Umrechnungsfaktor multiplizieren und erhält so die TDS-Angabe – das ist die Konzentration an gelösten Feststoffen in einer Probe. So werden µS/cm in ppm und mS/cm in ‰ umgerechnet.
Die Umrechnungsfaktoren unterscheiden sich von Ionenart zu Ionenart – z.B. bei Kalium, Calcium, Nitrat, etc. Während es oft noch Messgeräte mit einer TDS-Anzeige gibt, die nur über einen oder zwei Umrechnungsfaktoren (0,5 und 0,7 sind üblich) verfügen, bieten moderne Messgeräte eine Option zur Einprogrammierung individueller Faktoren. Hier sollte man bei der Beschaffung beachten, den korrekten TDS-Umrechnungsfaktor verwenden oder denselben einprogrammieren zu können.
6. Problem einer Leitfähigkeitmessung: Unvollständig eingetauchte Sonde
Häufig kommt es besonders bei den Vier-Ring-Sonden vor, dass diese unvollständig in die Probe eingetaucht sind. Nur wenn die Sonde bis zu den Entlüftungslöchern eingetaucht ist, kann die Leitfähigkeit der Probe korrekt gemessen werden. Ist das Probenvolumen im Messgefäß zu gering, kann dies dazu führen, dass ein entsprechend tiefes Eintauchen gar nicht erst möglich ist.
Setzen sich in der Sonde Luftblasen fest, wird dies ebenfalls das Messergebnis verfälschen. Auch schon eine winzige Luftblase, welche an der Oberfläche der Elektrode haftet, erhöht den Widerstand der Probe in der Zelle. Die Erhöhung des Widerstands reduziert die gemessene Leitfähigkeit signifikant. Treten am Messgerät instabile Signale auf, kann dies auf Luftblasen in der Messzelle zurückzuführen sein. Sowohl vor jeder Messung als auch vor jeder Kalibrierung muss sichergestellt werden, dass sich in der Messzelle keinerlei Luftblasen befinden.
Wenn doch Luftblasen vorhanden sind, kann man diese durch ein Antippen des Sensors entfernen. Auch ein Anheben und Absenken des Sensors kann die Luftblasen herauszuspülen.
7. Problem einer Leitfähigkeitmessung: Falsche Leitfähigkeitssonde
Wenn Sie Zwei-Elektroden-Sonden verwenden, dann sollten Sie daran denken, dass der Hersteller die Sonden speziell für den erwarteten Messbereich konstruiert hat. Die Elektroden werden weiter auseinander angeordnet sein, wenn im hohen Leitfähigkeitsbereich gemessen werden soll. Umgekehrt werden die Elektroden näher beieinander angeordnet sein, wenn im niedrigen Leitfähigkeitsbereich gemessen werden soll.
Messung oft variierender Leitfähigkeiten
Wenn die verwendete Sonde nicht für den gedachten Messbereich hergestellt wurde, wird die Messung ungenau werden. Wenn Ihre Proben stark divergierende Leitfähigkeiten besitzen, sollten Sie über den Einsatz von Vier-Ring-Sonden nachdenken oder Sie müssen einen häufigen Sondenwechsel durchführen. Letzteres erfordert dann jedoch auch ein häufiges Reinigen der Sonden.
Leitfähigkeitsmessung in Prozessumgebung
Eine besondere Anforderung stellt die Leitfähigkeitsmessung in einer Prozessumgebung dar. Hier wird vor allem eine hohe chemische Beständigkeit gefordert. Dies kann vor allem die induktive Sonde leisten.
8. Problem einer Leitfähigkeitmessung: Keine Temperaturkompensation
Die Beweglichkeit der Ionen sorgt für eine Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit. So führt eine Erhöhung der Temperatur zu einer Erhöhung der Leitfähigkeit. Ein Absenken der Temperatur führt zu einer Verringerung der Leitfähigkeit.
Um eine Vergleichbarkeit der gemessenen Werte sicherzustellen, geht man generell bei der Temperatur der Probe von einem Referenzwert von 25 °C aus. Somit muss bei der Leitfähigkeitsmessung auch die Probentemperatur berücksichtigt werden.
Moderne Messgeräte besitzen eine Funktion zur Kompensation der Temperaturabweichungen. Dies führt zu Messungen, deren Messwerte stets einer angenommenen Referenztemperatur von 25° C entsprechen. Dies stellt sicher, dass Messwerte vergleichbar bleiben. Doch selbst hier bleibt ein Restrisiko: wenn der Temperaturfühler nicht hinreichend Zeit hat, sich auf die Probentemperatur einzustellen, weil etwa die Temperaturabweichung Umgebung/Probe sehr stark ist, wird die Messung erneut ungenau.
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