Herzlich Willkommen. Grundlagen zur Leitfähigkeitsmessung. Dipl.-Ing. Manfred Schleicher

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1 Herzlich Willkommen Grundlagen zur Leitfähigkeitsmessung Dipl.-Ing. Manfred Schleicher

2 Übersicht Allgemeines Zellenkonstante Relative Zellenkonstante Kalibrierung Kalibrierung mit Kalibrierlösung 25 C Temperaturkoeffizient von Flüssigkeiten und Messung der Temperatur Unkompensierte und kompensierte Leitfähigkeit Temperaturkoeffizient Erklärung, Kalibrierung und manuelle Eingabe Weiteres Beispiel zur Kalibrierung des Temperaturkoeffizienten Einbauempfehlungen, Wiederholung Kalibrierungen/ Reinigung und Kalibriertimer 2

3 Allgemeines

4 Allgemeines Leitfähigkeitsmesszellen (hier konduktiv) messen den Leitwert in einem definierten Flüssigkeitsraum (bspw. über zwei Platten): U~ G I ~ Ein Messumformer stellt eine Wechselspannung bereit Je größer der fließende Strom ist, um so größer ist der gemessene Leitwert 4

5 Allgemeines Der Messumformer bestimmt den elektrischen Leitwert über Strom und Spannung Leitwert = Strom [ Siemens] Spannung Der Leitwert ist der Kehrwert des ohmschen Widerstandes Beispielhaft wurden 0.002S (Siemens) gemessen, dies entspricht 500 Ohm S entsprechen 2 ms Wurde der Leitwert in einem Raum von 1 cm 3 (Würfel) gemessen, ergibt sich die Leitfähigkeit zu: 2mS 1cm Leitfähigkeit = = 2 1cm ms 2 cm 1cm² 1cm 5

6 Zellenkonstante

7 Zellenkonstante Erfolgt die Messung nicht mit der Einheitszelle (Abstand der Platte / Fläche der Platte: 1cm / 1cm²) muss der Messumformer mit einem Korrekturfaktor arbeiten, dieser wird als Zellenkonstante (k) bezeichnet. Beispiele: Verhältnis Fläche/ Abstand= 1 cm²/1cm: k=1 Verhältnis Fläche/ Abstand= 0,25 cm²/1cm : k=4 Verhältnis Fläche/ Abstand =1 cm²/ 0,5cm: k=0,5 Der Messumformer berechnet: Leitwert x 1/cm x k 7

8 Zellenkonstante Leitfähigkeitsmessung mit den aufgeführten Zellen Verhältnis Fläche/ Abstand= 1 cm²/1cm: k = 1 Messumformer mißt 2 ms und berechnet: 2 x 1 = 2 ms/cm Verhältnis Fläche/ Abstand= 0,25 cm²/1cm: k = 4 Messumformer mißt 0.5 ms und berechnet: 0,5 x 4 = 2 ms/cm Verhältnis Fläche/ Abstand= 1 cm²/0,5cm: k = 0.5 Messumformer mißt 4 ms und berechnet: 4 x 0.5 = 2 ms/cm 8

9 Angabe der Zellenkonstante für Messumformer Die Zellenkonstante ist üblicherweise auf der Zelle angegeben oder ist anderweitig dokumentiert und muss am Messumformer eingestellt werden: Einstellbar ist beispielsweise bei Messumformern der Serie ecotrans Lf 03 k=0.01 bis k=10.0 9

10 Zellenkonstanten und Messbereiche Zellen mit kleinen Konstanten werden für Flüssigkeiten mit kleinen Leitfähigkeit eingesetzt, beispielhaft kann beim Lf 03 für k=0,01 als kleinster Messbereich 0 1µS/cm gewählt werden Zellen mit großen Konstanten werden für Flüssigkeiten mit großen Leitfähigkeit eingesetzt, beispielhaft kann beim Lf 03 für k=10 der größte Messbereich 0 200mS/cm gewählt werden 10

11 Relative Zellenkonstante Kalibrierung

12 Relative Zellenkonstante Kalibrierung Die auf der Zelle angegebene Zellenkonstante kann ca. um +/- 10% schwanken (beispielsweise durch Beläge) Nach Eingabe der Zellenkonstanten wird durch Kalibrierung ein Korrekturfaktor bestimmt: Die relative Zellenkonstante Beispiel: Auf der Zelle ist eine Zellenkonstante von k=1,0 angegeben, diese wird am Messumformer definiert 12

13 Relative Zellenkonstante Kalibrierung Start der Kalibrierung in Sensor und Mediumeigenschaften Für die Kalibrierung wird eine Kalibrierlösung benötigt (Flüssigkeit mit bekannter Leitfähigkeit) 13

14 Relative Zellenkonstante Kalibrierung Die angegebene Leitfähigkeit liegt nur bei der angegebenen Temperatur vor, eine exakte Temperierung muss erfolgen: Mit der Kalibrierflüssigkeit erfolgt die Bestimmung der relativen Zellenkonstante 14

15 Relative Zellenkonstante Kalibrierung Die Zelle ist in der temperierten Messlösung zu platzieren Tipp: Erwärmung auf etwas mehr als 25 C und warten, bis Abkühlung auf 25 C erfolgt 15

16 Relative Zellenkonstante Kalibrierung Angabe der Leitfähigkeit im Setupprogramm 16

17 Relative Zellenkonstante Kalibrierung Im Beispiel wird die relative Zellenkonstante mit 105.4% ermittelt Der Messumformer arbeitet von nun an mit einer Zellenkonstanten von 1(k) x 105,4% = 1,054 Die Zelle verfügt über ein Verhältnis Abstand/Fläche = 1.054cm/ 1cm² 17

18 Kalibrierung mit Kalibrierlösungen bei T 25 C

19 Unkompensierte Leitfähigkeit Temperatur der Kalibrierlösung 19

20 Kalibrierung mit Kalibrierlösung bei T 25 C Die Leitfähigkeit der Kalibrierlösung ist temperaturabhängig Üblicherweise ist auf dem Behältnis der Lösung die Leitfähigkeit für mehrere Temperaturen angegeben, beispielsweise: 20 C - 1,278 ms/cm 25 C - 1,413 ms/cm Die Leitfähigkeit zwischen 20 C und 25 C kann durch Interpolation bestimmt werden, beispielsweise für 20,57 C: Die Leitfähigkeit ändert sich bei einem Temperaturwechsel von 5K um 0,135 ms/cm, dies sind pro K 0,027 ms/cm Bei 20,57 C beträgt theoretische die Leitfä higkeit 1,278 ms/cm + 0,57K x 0,027 ms/(cm x K) = 1,29 ms/cm 20

21 Temperaturkoeffizient von Flüssigkeiten und Messung der Temperatur

22 Temperaturkoeffizient von Flüssigkeiten Flüssigkeiten verändern die Leitfähigkeit bei Temperaturwechsel Die Temperatur einer Messlösung beeinflusst deren Leitfähigkeit beispielhaft wie folgt: Leitfäh. [ms/cm] 25 C/ 0.4mS/cm 40 C/ 0.52mS/cm 55 C/ 0.64mS/cm C 40 C 55 C Temperatur [ C] 22

23 Temperaturkoeffizient von Flüssigkeiten Mit höheren Temperaturen steigt die Leitfähigkeit der Flüssigkeit Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen sind nur schwer vergleichbar Abhilfe verschafft das Zurückrechnen auf die Bezugstemperatur (meist 25 C) 23

24 Temperaturmessung Vorraussetzung für die Bestimmung der Leitfähigkeit bei der Bezugstemperatur ist die Messung der vorliegenden Temperatur Die Zellen verfügen in der Regel über einen Temperatursensor Widerstandsthermometer 24

25 Definition Temperatureingang Der Temperatureingang ist hinsichtlich des verwendeten Sensors einzustellen 25

26 Unkompensierte und kompensierte Leitfähigkeit

27 Unkompensierte und kompensierte Leitfähigkeit Leitfäh. [ms/cm] 25 C/ 0.4mS/cm 40 C/ 0.52mS/cm 55 C/ 0.64mS/cm C 40 C 55 C Temperatur [ C] Im Beispiel sind drei Temperaturen/ Leitfähigkeiten dargestellt Die Leitfähigkeiten sind die unkompensierten Leitfähigkeiten bei den jeweiligen Temperaturen Wird die Leitfähigkeit auf die Bezugstemperatur (üblicherweise 25 C) zurückgerechnet, ergibt sich die kompensierte Leitfähigkeit 27

28 Unkompensierte und kompensierte Leitfähigkeit Leitfäh. [ms/cm] 25 C/ 0.4mS/cm 40 C/ 0.52mS/cm 55 C/ 0.64mS/cm C 40 C 55 C Temperatur [ C] Für 40 C liegen 0.52mS/cm (unkompensierte Leitfähig keit) vor Die kompensierte Leitfähigkeit (Leitfähigkeit nach Rückrechnen auf 25 C) beträgt 0.4 ms/cm Von den Leitfähigkeits-Messumformern wird in der Regel die Anzeige der kompensierten Leitfähigkeit benötigt 28

29 Temperaturkoeffizient Erklärung, Kalibrierung und manuelle Eingabe

30 Temperaturkoeffizient - Erklärung Für viele Flüssigkeiten kann die Änderung der Leitfähigkeit als linear zur Temperatur betrachtet werden Für das Rückrechnen der Leitfähigkeit auf 25 C muss die Gerade definiert werden Leitfähigkeit = f (Temperatur) Die Gerade wird über die Leitfähigkeit der Messlösung bei Betriebstemperatur (bspw. 55 C) und Bezugstemperatu r (meist 25 C) bestimmt 30

31 Temperaturkoeffizient - Erklärung Im Beispiel ändert sich die Leitfähigkeit um 0.24mS/cm bei einer Temperaturänderung von 30K Die relative Änderung beträgt 0.24/0.4 = 60%. Pro Kelvin beträgt die Änderung 60%/30K = 2%/K Ausgehend von 25 C steigt die Leitfähigkeit mit jed em K Temperaturzunahme um 2% (2% = Temperaturkoeffizient) 31

32 Bestimmung des Temperaturkoeffizienten Durch die Ermittlung der unkompensierten Leitfähigkeit bei Bezugsund Betriebstemperatur wird der Temperaturkoeffizient bestimmt Bei Start mit der Bezugstemperatur ist die Messlösung auf 25 C zu temperieren 32

33 Start mit Bezugstemperatur Kalibrierung in Sensor- und Mediumseingenschaften: Betriebstemperatur definieren 33

34 Temperierung auf Bezugstemperatur (meist 25 C) Hinweis: 34

35 Temperierung auf Bezugstemperatur (meist 25 C) Bei stabiler Temperatur des Mediums von 25 C Wert bestätigen unbedingt(!) Verzögerungszeit des Temperatursensors berücksichtigen Auf Betriebstemperatur temperieren - im Beispiel 60 C: 35

36 Temperierung auf Bezugstemperatur (meist 25 C) Bei Erreichen der Betriebstemperatur (Verzögerungszeit des Temperatursensors berücksichtigen) Messwert bestätigen 36

37 Erklärung zum Verständnis Durch Kalibrierung wurde der Temperaturkoeffizient mit 2,5 %/Kelvin bestimmt Die unkompensierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit bei 25 C beträgt im Beispiel 0.46 ms/cm Der Messumformer berechnet mit Hilfe des Temperaturkoeffizienten aus der unkompensierten die kompensierte Leitfähigkeit (Leitfähigkeit bei 25 C) Bei 25 C entspricht die unkompensierte der kompensi erten Leitfähigkeit 37

38 Manuelle Eingabe des Temperaturkoeffizienten Der Temperaturkoeffizient kann mit einer zweiten Messkette bestimmt werden oder liegt möglicherweise bereits vor Der Temperaturkoeffizient und ggf. die relative Zellenkonstante können manuell in den Messumformer übertragen werden 38

39 Weiteres Beispiel zur Kalibrierung des Temperaturkoeffizienten

40 Weiteres Beispiel Kalibrierung Temperaturkoeffizient Die Reihenfolge (zuerst Betriebs- oder Bezugstemperatur) ist beliebig 40

41 Automatische Speicherung der Kalibrierpunkte Mit dem Erreichen der Betriebs- und Bezugstemperatur kann die jeweilige Leitfähigkeit automatisch übernommen werden: 41

42 Kalibrierung Temperaturkoeffizient Bestimmung während der Inbetriebnahme Entnahme der Messlösung aus dem Prozess Sensor in Messlösung platzieren Warten, bis sich stabile Temperatur einstellt Vorliegende Temperatur als Betriebstemperatur definieren 42

43 Kalibrierung Temperaturkoeffizient Bestimmung während der Inbetriebnahme 43

44 Kalibrierung Temperaturkoeffizient Bestimmung während der Inbetriebnahme Vorliegende Temperatur als Betriebstemperatur definieren Automatische Speicherung der Kalibrierpunkte wählen 44

45 Kalibrierung Temperaturkoeffizient Bestimmung während der Inbetriebnahme Erster Messwert (Betriebstemperatur) wird automatisch übernommen 45

46 Kalibrierung Temperaturkoeffizient Bestimmung während der Inbetriebnahme Lösung kühlt ab Bei Erreichen der Bezugstemperatur (25 C) wird zwei ter Messwert übernommen Ende der Kalibrierung! 46

47 Empfohlener Einbau von Leitfähigkeitszellen Ziel Vermeidung von Luftblasen und Ablagerungen 47

48 Nicht empfohlener Einbau von Leitfähigkeitszellen Ziel Luft- und Belagsvermeidung Ansammlung von Luftblasen Ansammlung von Luftblasen Ansammlung von Ablagerungen 48

49 Einbauempfehlungen, Wiederholung Kalibrierungen/ Reinigung und Kalibriertimer

50 Wiederholung Kalibrierungen/ Reinigung Zellen Der Temperaturkoeffizient einer immer gleich beschaffenen Messlösung verändert sich nicht, eine Wiederholung der Kalibrierung ist nicht notwendig Wiederholt wird in regelmäßigen Abständen die Kalibrierung der relativen Zellenkonstanten im Zuge der Wartung Üblicherweise geht der Kalibrierung eine Reinigung der Messzelle voraus Zur Reinigung kann beispielsweise 2%ige Salzsäure Verwendung finden (Alternativ Essig- oder Zitronensäure) 50

51 Kalibriertimer Im Messumformer wird die Zeit für einen Kalibriertimer definiert Mit dem Abschluss einer Kalibrierung beginnend läuft die Zeit des Kalibriertimers ab 51

52 Kalibriertimer Ist die Zeit abgelaufen, kann ein Relaisausgang angesteuert werden Das Relais könnte eine Signalleuchte ansteuern, der Ablauf wird am Display angezeigt Die Zeit des Kalibriertimers wird nach jeder Kalibrierung zurückgesetzt 52

53 Danke für Ihre Aufmerksamkeit.