METTLER TOLEDO Prozessanalytik. Online-Prozessund Reinwassersysteme. Leitfaden für Online-Leitfähigkeitsmessungen Theorie und Praxis

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1 Leitfaden Schulexperimente Leitfähigkeit METTLER TOLEDO Prozessanalytik Online-Prozessund Reinwassersysteme Leitfaden für Online-Leitfähigkeitsmessungen Theorie und Praxis

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 5 2 Theorie Elektrische Leitfähigkeit Grundlagen Definition von Leitfähigkeit Leitfähigkeit von Lösungen Gelöste Ionen Dissoziation von Wasser Messprinzip Leitfähigkeitssensortypen Pol-Leitfähigkeits-Messzelle Pol-Leitfähigkeits-Messzelle Induktive Leitfähigkeits-Messzelle Werkstoffe Auswahl des richtigen Sensors Temperatureffekte Lineare Temperaturkompensation Störfaktoren in Leitfähigkeitsmessungen Gelöste Gase Blasen Beschichtung der Elektrodenoberfläche Geometrieabhängige Fehler Feldeffekte 23 3 Überlegungen zur Praxis Kalibrierung und Verifizierung Messkreiskalibrierung Sensorkalibrierung Standardlösungen Messung Messungen geringer Leitfähigkeit 29 3

4 Inhaltsverzeichnis 3.4 Wartung und Lagerung Alternative Maßeinheiten Widerstand TDS Konzentration Spezielle Industriemessungen Pharmawasser Kraftwerkschemie Neutralisierte Leitfähigkeitsmessung industrieller Dampfkessel 36 4 Häufig gestellte Fragen 38 5 Glossar 42 4

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6 6Einleitung

7 1. Einleitung Die elektrische Leitfähigkeit wird schon seit über 100 Jahren gemessen und ist auch heute noch ein wichtiger und häufig verwendeter Analyseparameter. Dank der äußerst zuverlässigen, schnell ansprechenden und relativ kostengünstigen Messgeräte ist die Leitfähigkeit eine wertvolle und praktische Größe zur Qualitätskontrolle. In manchen Anwendungen wird der Widerstand gemessen, also der Kehrwert der Leitfähigkeit, und mit reziproken Einheiten. Die elektrische Leitfähigkeit ist ein nicht spezifischer Summenparameter für alle gelösten ionischen Stoffe (Salze, Säuren, Basen und einige organische Substanzen) in einer Lösung. Die Leitfähigkeit kann nicht zwischen Ionen verschiedener Arten unterscheiden. Der Messwert ist proportional zu dem kombinierten Effekt aller Ionen in der Probe. Aus diesem Grund sind Leitfähigkeitsmessgeräte wichtige Instrumente, um die unterschiedlichsten Arten von Wasser (Reinwasser, Trinkwasser, natürliches Wasser, Prozesswasser usw.) sowie andere Lösemittel zu überwachen. Mithilfe von Leitfähigkeitsmessungen wird auch die Konzentration leitfähiger Chemikalien gemessen. Dieser Leitfaden enthält die wichtigen Grundlagen, die Sie für das Verständnis von Leitfähigkeits- und Widerstandsmessungen benötigen. Des Weiteren werden wichtige Faktoren und mögliche Fehlerquellen behandelt, die sich auf die Messung auswirken. Es werden sowohl theoretische als auch praktische Aspekte behandelt, die für die zuverlässige Kalibrierung und Messung in zahlreichen Anwendungen relevant sind. 7

8 Theorie 2. Theorie 2.1 Elektrische Leitfähigkeit Grundlagen Elektrische Leitfähigkeit ist die Fähigkeit eines Stoffes, elektrischen Strom zu leiten. Der Begriff Leitfähigkeit kann auch in anderem Zusammenhang eingesetzt werden (z. B. Wärmeleitfähigkeit). In diesem Leitfaden bezieht sich der Begriff Leitfähigkeit immer auf die elektrische Leitfähigkeit. Die Leitung von Elektrizität durch Materie erfordert das Vorhandensein geladener Teilchen. Leiter lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen, je nach Art des geladenen Teilchens. Leiter der ersten Gruppe (hauptsächlich Metalle) bestehen aus einem Atomgitter mit einer Außenhülle aus Elektronen. Die Elektronen in dieser Elektronenwolke können sich nach Belieben von ihren Atomen lösen und Elektrizität durch das Gitter transportieren also durch die Materie. Metalle, Graphit und einige andere chemische Verbindungen gehören in diese Gruppe. Die Leiter in der zweiten Gruppe sind Elektrolyte, bei denen Ionen die Ladung tragen. Die Ladungsübertragung in Elektrolyten ist immer an den Transport von Materie in Form von Ionen gebunden. Die Ionisierung erfolgt durch Auflösung einer Substanz in einem polaren Lösemittel (beispielsweise Wasser) oder durch Schmelzen. 2.2 Definition der Leitfähigkeit Gemäß dem Ohm schen Gesetz (1) ist die an eine Lösung angelegte Spannung (V) proportional zum Strom (I), der durch die Lösung fließt. V R I (1) R = Widerstand (Ohm, Ω) V = Spannung (Volt, V) I = Strom (Ampere, A) Der Widerstand (R) ist eine Konstante der Proportionalität und kann aus dem gemessenen Stromfluss errechnet werden, wenn eine bekannte Spannung angelegt wird: V R (2) I 8

9 Der Leitwert (G) wird definiert als Kehrwert des Widerstands: G 1 (3) R G = Leitwert (Siemens, S) Zur Messung des Widerstands oder Leitwerts einer Probe wird eine Messzelle benötigt. Die Messzelle besteht aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Elektroden (auch als Pole bezeichnet) mit gegensätzlicher Ladung. Die Elektroden bilden gemeinsam eine Messzelle. Die Zelle und das Gehäuse bilden zusammen den Sensor. Der gemessene Leitwert hängt auch von der Geometrie der Messzelle ab, die durch die Zellkonstante (K) beschrieben wird. Sie ergibt sich aus dem Abstand zwischen den Elektroden (l) und der effektiven Querschnittsfläche des sich zwischen ihnen befindlichen Elektrolyten (A). l K (4) A K = Zellkonstante (cm -1 ) I = Abstand zwischen den Elektroden (cm) A = Elektrolytfläche zwischen die Elektroden (cm 2 ) Der Leitwert kann in Leitfähigkeit (κ) umgerechnet werden, dies hängt von der verwendeten Messzelle ab. Dazu multipliziert man den Leitwert mit der Zellkonstante: l G G K (5) A κ = Leitfähigkeit (S/cm) Der Widerstand ist der Kehrwert der Leitfähigkeit: r = 1/ κ (6) r = Widerstand (Ω cm) 2.3 Leitfähigkeit von Lösungen Die meisten reinen Lösemittel sind nichtleitend, ihre Leitfähigkeit liegt nahe Null. Gelöste Feststoffe mit ionischen oder sehr polaren Bindungen 9