Leitfähigkeitsmessung

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1 Herzlich Willkommen Bienvenue Welcome Leitfähigkeitsmessung - Grundlagen - Kalibrierung ecotrans Lf Manfred Schleicher

2 Information zu dieser Präsentation Diese Präsentationen vermittelt in Verbindung mit der Kalibrierung einer Messkette (ecotrans Lf mit Leitfähigkeitszelle) Grundlagen zur Leitfähigkeitsmesstechnik JUMO-BlackLine Lf Messumformer ecotrans Lf 03 2

3 Allgemeine Erklärung Eine konduktive Leitfähigkeitsmesszelle kann man sich als zwei Platten vorstellen, zwischen welchen die Leitfähigkeit einer Flüssigkeit gemessen wird: U~ G I ~ An die beiden Platten wird eine Wechselspannung angelegt Je größer der fließende Strom ist, um so größer ist der Leitwert der Flüssigkeit 3

4 Allgemeine Erklärung Der Messumformer bestimmt über Strom und Spannung den elektrischen Leitwert der Flüssigkeit Leitwert = Strom [ Siemens] Spannung Der Leitwert ist der Kehrwert des ohmschen Widerstandes Es muss noch ein Bezug geschaffen werden, bei welchem Raum der Flüssigkeit (Abstand der Platten, Fläche der Platten) der Leitwert gemessen wird Stellen wir uns vor, der gemessene Leitwert sei 0.002S (Siemens), dies entspricht 500 Ohm Die Messung des Leitwertes wird häufig mit Zellen durchgeführt, welche folgendes Verhältnis besitzen: Abstand der Platten / Fläche der Platten: 1 cm/ 1cm² 1cm² 1cm 4

5 Allgemeine Erklärung Stellen wir uns vor, der Leitwert der Zelle wurde ebenfalls mit der genannten Einheitszelle gemessen Der Leitwert von Siemens ergibt sich dann über eine Strecke von einem cm und einer Fläche von einem cm² Der Messumformer berechnet die Leitfähigkeit aus Leitwert x 1 cm / 1 cm² im Beispiel: 0.002S x 1 cm / 1 cm² = 0.002S/cm 5

6 Zellenkonstante Erfolgt die Messung nicht mit der Einheitszelle (Abstand der Platten / Fläche der Platten: 1 cm/ 1cm²) muss der Messumformer mit einem Korrekturfaktor arbeiten, dieser wird als Zellenkonstante (k) bezeichnet Beispiele: Fläche= 1cm², Abstand= 1 cm: k=1 Fläche= 0,25cm², Abstand= 1 cm: k=4 Fläche= 1cm², Abstand= 0,5 cm: k=0.5 Der Messumformer berechnet: Leitwert x 1/cm x k 6

7 Zellenkonstante Stellen wir uns vor, wir messen in der zuvor erwähnten Flüssigkeit den Leitwert mit unterschiedlichen Zellen Fläche= 1cm², Abstand= 1 cm: k=1 Messumformer misst S und berechnet: x 1 = S/cm Fläche= 0,25cm², Abstand= 1 cm: k=4 Messumformer misst S und berechnet: x 4 = S/cm Fläche= 1cm², Abstand= 0,5 cm: k=0.5 Messumformer misst S und berechnet: x 0.5 = S/cm 7

8 Angabe Zellenkonstante Angabe Zellenkonstante für Messumformer Die Zellenkonstante ist üblicherweise auf der Zelle angegeben und muss am Messumformer eingestellt werden Einstellbar ist beispielsweise bei Messumformern der Serie ecotrans Lf k=0.01 bis k=10.0 8

9 Erklärung Zellenkonstante Eine Zellenkonstante von k=0.01 bedeutet, dass das Verhältnis Abstand/ Fläche der Zelle= 0.01cm/ 1cm² beträgt. Zellen mit dieser Konstanten werden für Flüssigkeiten mit kleiner Leitfähigkeit eingesetzt (beim Lf03 ist bei k=0.01 der kleinste Messbereich 0 1µS/cm Eine Zellenkonstante von k=10.0 bedeutet, dass das Verhältnis Abstand/ Fläche der Zelle= 10cm/ 1cm² beträgt. Zellen mit dieser Konstanten werden für Flüssigkeiten mit großen Leitfähigkeiten eingesetzt (beim Lf03 ist bei k=10.0 der größte Messbereich 0 200mS/cm 9

10 Relative Zellenkonst. - Kalibration Relative Zellenkonstante Die Kalibration Die am Messumformer angegebene Zellenkonstante kann fertigungsbedingt um +/- 10% schwanken Nach Eingabe der Zellenkonstante wird durch Kalibration ein Korrekturfaktor bestimmt: Die relative Zellenkonstante Beispiel: Auf der Zelle ist eine Zellenkonstante von k=1.0 angegeben, diese wird am Messumformer definiert: 10

11 Relative Zellenkonst. - Kalibration Relative Zellenkonstante Die Kalibration Wir bewegen uns im Konfigurationsprogramm in Sensor und Mediumseigenschaften Für die Kalibration wird eine Kalibrierflüssigkeit benötigt 11

12 Relative Zellenkonst. - Kalibration Relative Zellenkonstante Die Kalibration Die angegebene Leitfähigkeit der Kalibrierlösung liegt nur bei der angegebenen Temperatur (meist 25 C) vor, aus diesem Grund ist die Flüssigkeit möglichst exakt zu temperieren Mit der Kalibrierflüssigkeit erfolgt die Bestimmung der relativen Zellenkonstanten 12

13 Kalibration - Kalibrierflüssigkeit Die Zelle ist in der temperierten Messlösung zu platzieren (meist 25 C) Tipp: Erwärmen auf etwas mehr als 25 C und warten, bis Abkühlung auf 25 C erfolgt 13

14 Bestimmung Relative Zellenkonst. Bestimmung Relative Zellenkonstante Im Konfigurationsprogramm ist die Leitfähigkeit der Kalibrierflüssigkeit anzugeben Die fertigungsbedingte Toleranz wird durch eine Kalibrierung kompensiert 14

15 Relative Zellenkonstante Im Beispiel wird die relative Zellenkonstante auf 105,4 % gesetzt Der Messumformer arbeitet von nun an mit einer Zellenkonstanten von 1(k) x 105,4%=1,054 Man kann sich die Zelle wie zwei Platten mit einem Verhältnis Abstand/Fläche = 1,054cm/ 1cm² vorstellen 15

16 Leitwertkalibrierlösung Leitwert = f (Temperatur) für Lösung 0.01mol/L KCl Unkompensierter Leitwert Temperatur der Lösung 16

17 Temperaturmessung Die gemessene Leitfähigkeit der Flüssigkeit wird meist auf 25 C zurückgerechnet. In diesem Fall wird ein Widerstandsthermometer benötigt (viele Zellen beinhalten dieses bereits) Widerstandsthermometer 17

18 Definition Eingang Temperatur Der Temperatureingang ist hinsichtlich des verwendeten Sensors einzustellen 18

19 Temperaturkoeffizient Temperaturkoeffizient von Flüssigkeiten Flüssigkeiten verändern die Leitfähigkeit bei Temperaturwechsel Eine Flüssigkeit könnte beispielsweise folgendes Verhalten aufweisen: 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] Die Leitfähigkeit der Flüssigkeit steigt mit höheren Temperaturen Wird die Leitfähigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen gemessen ist ein Vergleich schwierig Aus dem genannten Grund wird die Leitfähigkeit auf eine Bezugstemperatur (meist 25 C) zurückgerechnet 19

20 unkompensiert/ kompensiert 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 bei den drei Temperaturen (25, 40 und 55 C) drei unterschiedliche Leitfähigkeiten vorhanden Die Leitfähigkeiten (0,4mS/cm, 0,52mS/cm und 0,64mS/cm) sind die unkompensierten Leitfähigkeiten bei den unterschiedlichen Temperaturen Wird die Leitfähigkeit auf die Bezugstemperatur zurückgerechnet, ergibt sich die kompensierte Leitfähigkeit 20

21 Kompensierte Leitfähigkeit Zurückrechnen auf 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 besitzt die Flüssigkeit bei 40 C eine Leitfähigkeit von 0.52 ms/cm (unkompensierte Leitfähigkeit) Die kompensierte Leitfähigkeit (Leitfähigkeit der Flüssigkeit bei 25 C beträgt jedoch 0.4 ms/cm) Leitfähigkeits-Messumformer zeigen meist die kompensierte Leitfähigkeit an 21

22 Temperaturkoeffizient Weitere Erklärung 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] Bei sehr vielen Flüssigkeiten ändert sich die Leitfähigkeit linear zur Temperatur (wie im gezeigten Beispiel) Um auf die Leitfähigkeit bei 25 C zurückrechnen zu können, reicht dem Messumformer die Angabe, wie sich die Leitfähigkeit bei Temperaturwechsel verändert In unserem Fall 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 Die Leitfähigkeit steigt mit jedem K Temperaturzunahme um 2% (ausgehend von 25 C) 22

23 Temperaturkoeffizient Weitere Erklärung 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] Liegt der Temperaturkoeffizient für die Flüssigkeit vor, kann der Messumformer für jede Temperatur die kompensierte Leitfähigkeit ermitteln 23

24 Temperaturkoeffizient Bestimmung des Temperaturkoeffizienten Bei der Bestimmung des Temperaturkoeffizienten wird durch den Messumformer die unkompensierte Leitfähigkeit bei Bezugstemperatur und Betriebstemperatur bestimmt Wird bei der Bezugstemperatur gestartet, ist die entsprechende Flüssigkeit auf 25 C zu temperieren: 24

25 Temperaturkoeffizient Definition Betriebstemperatur Wir bewegen uns in Sensor- und Mediumseigenschaften: Betriebstemperatur definieren 25

26 Temperaturkoeffizient Medium auf Bezugstemperatur temperieren (meist 25 C) Hinweis Die Zelle ist in der zu messenden Flüssigkeit zu platzieren 26

27 Temperaturkoeffizient Medium auf Bezugstemperatur temperieren (meist 25 C) Wenn die Mediumstemperatur stabil 25 C ist (Verzögerungszeit des Temperatursensors berücksichtigen) Wert bestätigen Medium auf Betriebstemperatur (im Beispiel 60 C) temperieren: 27

28 Temperaturkoeffizient Medium auf Betriebstemperatur temperieren Die Flüssigkeit ist auf die Betriebstemperatur zu bringen Wenn die Betriebstemperatur erreicht wurde, Messwert bestätigen: 28

29 Temperaturkoeffizient Erklärung zum Verständnis Die Kalibrierung ist nun durchgeführt, relative Zellenkonstante und Temperaturkoeffizient wurden bestimmt Die relative Zellenkonstante beträgt 105,4 %, der Temperaturkoeffizient 2,5 %/Kelvin 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 kompensierten Leitfähigkeit 29

30 Temperaturkoeffizient Erklärung zum Verständnis Folgende Abbildung zeigt die unkompensierte Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur: Leitfäh. [ms/cm] 25 C/ 0.46 ms/cm 0.46 ms/cm + 35K x 2,5% x 0,46 ms/cm = 0,86 ms/cm C 60 C Temperatur [ C] Beträgt die Temperatur der Flüssigkeit 60 C liegt eine unkompensierte Leitfähigkeit von 0,86 ms/cm vor Der Messumformer rechnet aufgrund des bekannten Temperaturkoeffizienten auf die Leitfähigkeit zurück, welche die Flüssigkeit bei 25 C besitzen würde (0,46 ms/cm) 30

31 Temperaturkoeffizient Erklärung zum Verständnis Die unkompensierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit verändert sich über die Temperatur Der Messumformer zeigt jedoch zu jeder Zeit die kompensierte Leitfähigkeit an (ändert sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit nicht, zeigt der Messumformer bei jeder Temperatur die Leitfähigkeit bei 25 C - 0,46mS/cm) Leitfäh. [ms/cm] C/ 0.46 ms/cm Unkompensierte Leitfähigkeit 0.86 Kompensierte Leitfähigkeit 25 C 60 C Temperatur [ C] 31

32 Lineare Temperaturkompensation Sehr viele Flüssigkeiten verändern die Leitfähigkeit linear zur Temperatur Leitfäh. [ms/cm] Unkompensierte Leitfähigkeit 25 C 60 C Temperatur [ C] Das Temperaturverhalten ist dann über einen Temperaturkoeffizienten definiert Werksseitig führt der Messumformer die Temperaturkompensation linear durch 32

33 Bezugstemperatur Werksseitig wird mit einer Bezugstemperatur von 25 C gearbeitet Der Messumformer rechnet aufgrund des Temperaturkoeffizienten die Leitfähigkeit aus, welchen die Flüssigkeit bei 25 C besitzen würde (kompensierte Leitfähigkeit) Die Bezugstemperatur kann auch auf einen anderen Wert eingestellt werden Im Beispiel würde der Messumformer die Leitfähigkeit ausrechnen, welche die Flüssigkeit bei 30 C besitzen würde 33

34 Kalibriertimer Kalibrierungen müssen in der Praxis von Zeit zu Zeit wiederholt werden Im Messumformer kann ein Kalibriertimer definiert werden: Eine Zeit wird definiert 34

35 Kalibriertimer Ist die Zeit abgelaufen, kann ein Relaisausgang angesteuert werden. Das Relais könnte eine Signalleuchte (Kalibriertimer abgelaufen) ansteuern Die Zeit des Kalibriertimers wird nach jeder Kalibration zurückgesetzt 35

36 Anwendungen Offene Kühlkreisläufe Verdunstung von Wasser sorgt für Abkühlung verdunstetes Wasser wird im Prozess ersetzt Mineralien verbleiben im Wasser Versalzung Leitwert ist Maß für Versalzung ( Leitwert Versalzung) Bei Erreichen eines def. Leitwertes wird Teil des Wassers ausgetauscht 36

37 Anwendungen CIP-Prozesse Anlagen der Nahrungsmittelindustrie werden mit unterschiedlichen Flüssigkeiten gereinigt Die Medien (z. B. Wasser, Natronlauge, Salpetersäure, Peressigsäure etc.) werden in Tanks gelagert und mehrfach verwendet Durch eine Leitwertmessung wird bestimmt, welches Medium sich im Rohrsystem befindet 37

38 Anwendungen CIP-Prozesse Die Säuren und Laugen müssen in einer bestimmten Konzentration vorliegen In größeren Anlagen werden die Medien Vorort gemischt Die Konzentration wird ebenfalls über eine Leitwertmessung bestimmt Die Funktionen Konzentration = f (Leitwert) liegen für Natronlauge und Salpetersäure im CTI 500/750 vor 38

39 Anwendungen Flaschenreinigungsanlagen Mehrwegflaschen werden in Reinigungsanlagen in mehreren Zonen gereinigt (Wasser - Natronlauge - Wasser) Über eine Leitwertmessung wird bestimmt, ob die Lauge verbraucht bzw. das Wasser verschmutzt ist 39

40 Leitwerte Leitwerte in unterschiedlichen Anwendungen 40

41 Leitwerte Vergleich LF-Messysteme 41

42 Auf Wiedersehen Au revoir Good Bye JUMO GmbH & Co. KG MANFRED SCHLEICHER Dipl. Ing. (FH) Schulungsleiter und Referent Weiterbildung Tel.: 0661/ Das aktuelle Seminarprogramm im Internet unter: