Funktionsweise und Technologie von Leitfähigkeitssensoren

Abgrenzung zwischen konduktiver und induktiver Technologie

Der klassische Aufbau von konduktiven Leitfähigkeitssensoren, deren Elektroden galvanisch in Kontakt mit dem zu messenden Medium stehen, hat seine Grenzen dort, wo es durch hohe Ionenkonzentrationen zum sog. Polarisierungseffekt kommen kann. Dieser wirkt quasi wie ein zusätzlicher Widerstand und verfälscht damit das Messergebnis. Ebenso können Ablagerungen (z. B. Laugenstein) isolierende Schichten aufbauen, die eine konduktive Leitfähigkeitsmessung gänzlich unmöglich machen.

Bei Applikationen mit hohen Ionenkonzentrationen, wie z. B. mit Laugen und Säuren mit Leitfähigkeitswerten in der Grössenordnung von 100 mS/cm, und bei Gefahr von Ablagerungen bietet die induktive Technologie die einzige zuverlässige Leitfähigkeitsmessung und damit sichere Steuerung von Prozessen. Für die Messung sehr kleiner Leitfähigkeitswerte ist das induktive Messprinzip dagegen nicht geeignet. Der kleinste Messbereich beträgt 500 µS/cm (0.5 mS/cm); damit lassen sich noch genaue Messungen in der Grössenordnung um 50 µS/cm durchführen.

Aufbau des induktiven Leitfähigkeitssensors AFI

Das Sensorelement mit einem nahtlosen PEEK-Gehäuse enthält zwei Ringkernspulen, die als zwei gedachte hintereinandergeschaltete Transformatoren wirken. Die erste Primärwicklung wird von einem Oszillator im Kilohertz-Bereich gespeist. Die Flüssigkeitsschleife gebildet über den Strom-Mess-Kanal durch das Innere der beiden Ringkernspulen und den umliegenden Bereich, verbindet die Sekundärseite des ersten Transformators mit der Primärseite des zweiten Transformators. Diese Verbindung kann als eine gemeinsame Windung beider Transformatoren angesehen werden. Die Sekundärwicklung des zweiten Transformators ist an einen Strommesser angeschlossen. Je nach Grösse des Flüssigkeitswiderstandes R_M ergibt sich ein entsprechender Strommesswert. Dieser wird über eine einfache Rechenvorschrift (Ohm’sches Gesetz) mit der bekannten Oszillatorspannung U_G in den auszugebenden Leitwert G_M gewandelt.

Für verschieden grosse Leitwertbereiche muss die Empfindlichkeit des Strommessers angepasst werden. Dies kann der Anwender durch die Einstellung von frei definierten Messbereichen vornehmen, die im Betrieb mit der Ansteuerung von Steuereingängen auswählbar sind.

Das induktive Messprinzip ist nicht auf eine Bewegung der Flüssigkeit im Strom-Mess-Kanal angewiesen. Dennoch wird empfohlen den Kanal in Fliessrichtung auszurichten um eine bessere Reinigungswirkung zu erzielen. Wegen des symmetrisch aufgebauten Kanals sind beide Fliessrichtungen ohne Verstopfungsgefahr durch kritische Medienbestandteile möglich.

In der Spitze des Sensorelements ist ein präziser und schnellansprechender Pt100-Temperaturfühler integriert. Die damit gemessene Medientemperatur steht als Messsignal zur Verfügung und wird zusätzlich zur physikalischen Temperaturkompensation des Leitfähigkeits-Rohwertes verwendet.

Die Leitfähigkeit einer Flüssigkeit hängt generell von der Temperatur ab. Sie nimmt für viele wässrige Lösungen mit +2 %/K zu. Um Messungen zu vergleichen rechnen Messgeräte die direkt ermittelte Leitfähigkeit auf eine Referenztemperatur zurück. Diese wird meistens auf 25 °C festgelegt. Neben deren Einstellung erlaubt der AFI auch die Eingabe eines Temperaturkoeffizienten in %/K. Dieser ist auf 0 %/K zu setzen falls auf die Temperaturkompensation verzichtet werden soll. Nichtlineare Temperaturkoeffizienten lassen sich mit einem zusätzlichen quadratischen Glied angeben. Dieser Koeffizient kann mit dem FlexProgramm und drei entsprechenden Messungen ermittelt werden.