Was ist der Messbereich von Leitfähigkeitstransmittern? Schlüsselfaktoren, die ihre Leistung beeinflussen und ...

Der Bereich der Leitfähigkeitssensoren ist für Branchen relevant, die auf bestimmte Flüssigkeitsanalysen angewiesen sind. Von der Wasseraufbereitung bis hin zu chemischen Prozessen sind diese Geräte von entscheidender Bedeutung. In dieser Anleitung werden die Grundlagen der Leitfähigkeit, die Funktionsweise der Sensoren und einige Faktoren, die den Bereich der Sensoren beeinflussen, erläutert.

Verständnis der Leitfähigkeit und ihrer Bedeutung

Definition der Leitfähigkeit

Leitfähigkeit ist einfach die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom zu leiten. Im Fall von Flüssigkeiten ist es die Fähigkeit der Lösung, den Fluss elektrischen Stroms durch sie hindurch zu leiten. Diese Fähigkeit hängt fast ausschließlich von der Konzentration gelöster Ionen in der Lösung ab.

Ionen: Dies sind Atome oder Moleküle, die entweder Elektronen gewonnen oder verloren haben und dadurch eine positive oder negative elektrische Ladung erhalten haben.

Reines Wasser: Wasser, das intensiv gereinigt oder vollständig entionisiert wurde, hat sehr wenige Ionen und ist daher ein schlechter Leiter mit geringer Leitfähigkeit.

Verunreinigtes Wasser: Diese Substanzen sind Salze, Säuren und Laugen, die sich in Wasser auflösen und in Ionen dissoziieren (NaCl in Na⁺ und Cl⁻). Solange es bewegliche Ionen in der Lösung gibt, wird sie elektrischen Strom leiten und eine höhere Leitfähigkeit aufweisen.

Üblicherweise wird es in Siemens pro Zentimeter ausgedrückt; für Proben mit niedrigeren Leitfähigkeiten werden jedoch kleinere Einheiten wie Mikrosiemens pro Zentimeter verwendet.

Anwendungen der Leitfähigkeitsmessung

Die Leitfähigkeitsmessung ist eine zerstörungsfreie Analysetechnik, die eine Angabe über die Gesamtionenkonzentration in einer Lösung liefert, ohne aufzuzeigen, welche Ionen vorhanden sind. Dennoch bietet sie Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und einfache Verfahren zur Überwachung von Änderungen in der Zusammensetzung einer Lösung.

Wichtigkeit in verschiedenen Branchen

Die Leitfähigkeitsmessung wird in einer Vielzahl von industriellen Prozessen eingesetzt und ist dort wichtig.

Wasseraufbereitung: Sicherstellung der höchsten Wasserqualität, um Korrosion und Kontamination in Kraftwerken und pharmazeutischen Produktionsanlagen zu verhindern. Leitfähigkeitssensoren überwachen die Wasserqualität in allen Produktionsstufen und erkennen selbst die geringsten Spuren von ionischen Verunreinigungen.

Agrarwirtschaft: Die Leitfähigkeit des Bodenwassers wird üblicherweise zur Analyse der Bodensalinität verwendet. Hohe Salzgehalte behindern das Pflanzenwachstum; daher nutzen Landwirte diese Daten, um Bewässerung und Düngung zu steuern.

Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Die Leitfähigkeitsmessung in Brauereien, Molkereien und Lebensmittelverarbeitungsbetrieben wird zur Überwachung von CIP-Systemen eingesetzt. Dadurch wird sichergestellt, dass Reinigungsmittel gründlich gespült werden, um eine Kontamination der Produkte zu vermeiden.

Chemische Industrie: Diese Transmitter überwachen chemische Reaktionen und halten die Lösungskonzentrationen aufrecht, um die Produktqualität und die Prozesseffizienz sicherzustellen.

Leitfähigkeitstransmitter: Eine Übersicht

Was ist ein Leitfähigkeitstransmitter?

Ein Leitfähigkeitstransmitter ist ein elektronisches Gerät, das an einen Leitfähigkeitssensor angeschlossen wird. Seine Hauptaufgabe besteht darin, das elektrische Signal von diesem Sensor aufzunehmen, zu verarbeiten und es anschließend in ein standardisiertes Ausgangssignal umzuwandeln, das ein analoges Signal von 4-20 mA oder ein digitales Signal über Protokolle wie HART oder PROFIBUS sein kann. Dieses standardisierte Ausgangssignal wird dann an eine PLC, DCS oder andere Überwachungseinrichtungen übertragen.

Das Arbeitsprinzip eines Leitfähigkeitssenders

Die beteiligten Schritte sind wie folgt:

Erfassung: Der Leitfähigkeitssensor hat Elektroden, die in der Flüssigkeit eingetaucht sind. Eine bekannte Wechselspannung wird an ihnen angelegt.

Messung: Der Stromfluss durch die Lösung wird gemessen. Gemäß dem Ohmschen Gesetz ist der Strom umgekehrt proportional zum Widerstand der Lösung (Strom = Spannung/Widerstand).

Berechnung: Der Sender berechnet den Wert der Leitfähigkeit (Kehrwert des Widerstands) und bestimmt daraus die Leitfähigkeit, indem er die Zellkonstante des Sensors berücksichtigt, die der physikalischen Geometrie der Zelle entspricht.

Temperaturkompensation: Da die Leitfähigkeit stark mit der Temperatur variiert, verwendet der Sender seinen internen Temperatursensor, um solche Änderungen zu kompensieren und die Messung auf eine Referenztemperatur (üblicherweise 25°C) zu normieren.

Übertragung: Der endgültige Wert der Leitfähigkeit nach Kompensation wird als Standard-Signale an das Steuersystem übertragen.

Typen von Leitfähigkeitstransmittern

Leitfähigkeitstransmitter können gemäß der verwendeten Sensortechnologie klassifiziert werden:

Leitende (oder kontaktierende) Transmitter: Diese Transmitter haben Sensorelektroden, die direkt in die zu messende Flüssigkeit getaucht werden. Diese sind im unteren bis mittleren Leitfähigkeitsbereich sehr genau und eignen sich daher hervorragend für die Überprüfung von Reinstwasser. Sie kommen normalerweise in Zwei-Elektroden- oder Vier-Elektroden-Konfigurationen vor.

Induktive (oder toroidale) Transmitter: Diese bestehen aus zwei drahtbewickelten Spulen (Toroiden), die in einem robusten Kunststoffgehäuse eingeschlossen sind. Die erste Spule induziert eine Spannung in die Lösung und schließt damit einen Stromkreis. Die zweite Spule misst die Stärke des induzierten Stroms, der proportional zur Leitfähigkeit der Lösung ist. Das Fehlen von freiliegenden Metallelektroden bedeutet, dass diese Geräte nicht verschmutzen oder korrodieren können, was sie für aggressive, viskose oder hochleitfähige Lösungen geeignet macht.

Faktoren, die den Leitfähigkeitsbereich beeinflussen

Temperaturauswirkungen auf die Leitfähigkeit

Die Temperatur bleibt der einflussreichste Faktor, der die Leitfähigkeit beeinflusst. Eine Erhöhung der Lösungstemperatur erhöht die kinetische Energie der Ionen; daher steigt die Leitfähigkeit. Der Effekt ist stark und ändert sich um 2-3 % pro Grad Celsius.

Leitfähigkeitssender führen eine automatische Temperaturkompensation (ATC) durch, um genaue, vergleichbare Messwerte zu gewährleisten. Entweder durch ihre Konstruktion oder in ihrer Software passen sie die gemessene Leitfähigkeit an die Leitfähigkeit bei einer Referenztemperatur an, die in der Regel 25 °C beträgt. Da verschiedene Lösungen unterschiedliche Temperaturkoeffizienten haben, können anspruchsvolle Sender es dem Bediener ermöglichen, den für die Anwendung geeigneten Koeffizienten festzulegen, von reinem Wasser bis zu starken Säuren.

Auswirkung der Zusammensetzung der Lösung

Die Art und Konzentration der gelösten Stoffe bestimmt die Leitfähigkeit.

Niedrige Leitfähigkeit: Entionisiertes Wasser, Kesselspeisewasser und Spülwasser werden als Teil dieses Bereichs mit niedriger Leitfähigkeit angesehen, da sie sehr niedrige Ionenkonzentrationen haben (z. B. 0-20 µS/cm).

Mittlere Leitfähigkeit: Trinkwasser, Oberflächenwasser und viele industrielle Prozesslösungen haben mittlere Gehalte an gelösten Salzen und fallen in diese Kategorie (z. B. 20 - 2.000 µS/cm).

Hochleitfähigkeit: Meerwasser, konzentrierte chemische Lösungen und industrielles Abwasser haben eine sehr hohe Ionenkonzentration, die einen hohen Leitfähigkeitswert erzeugt (z. B. von über 2.000 µS/cm bis 2.000.000 µS/cm oder 2 S/cm).

Die Wahl des richtigen Sensors ist von entscheidender Bedeutung. Mit anderen Worten, ein Leitfähigkeitssensor für Reinstwasser verliert schnell an Genauigkeit, wenn er hochleitfähige Lösungen misst. Im Gegensatz dazu fehlt induktiven Sensoren die Empfindlichkeit, um Ultrareinheitsbehandlungen zu messen.

Kalibrierung und ihre Wichtigkeit

Kalibrierung ist der Prozess, bei dem das Messsystem (Sensor und Transmitter) überprüft und eingestellt wird, um die Richtigkeit der Messwerte sicherzustellen. Dazu gehört die Verwendung von Standardlösungen mit bekannten Leitfähigkeitswerten.

Warum kalibrieren? Mit der Zeit können sich die Eigenschaften des Sensors aufgrund von Verschmutzung, Abrieb oder chemischem Angriff ändern. Dieser Effekt wird durch regelmäßige Kalibrierung beseitigt.

Kalibrierungsverfahren: Für die Einpunktkalibrierung wird der Sensor in eine Standardlösung getaucht, und die Anzeige des Senders wird dann so eingestellt, dass sie dem Standardwert entspricht. Bei der Kalibrierung können mehr Punkte verwendet werden, um die Genauigkeit über einen breiteren Betriebsbereich zu verbessern.

Frequenz: Wie oft eine Kalibrierung erforderlich ist, hängt davon ab, wie kritisch sie für die tatsächliche Anwendung ist und wie rauer die tatsächliche Prozessumgebung ist.

Leitfähigkeitssensoren: Technologie und Innovationen

Fortschritte in der Sensortechnologie

Moderne Leitfähigkeitssensoren sind so konzipiert, dass sie noch langlebiger und präziser sind.

Vierelektroden-Leitfähigkeitssensoren: Zwei Elektroden auf der Außenseite leiten den Strom in die Lösung, während das innere Elektrodenpaar die Spannung zwischen ihnen misst. Dadurch werden Fehler, die durch Polarisation oder Verschmutzung entstehen, reduziert, wodurch der effektive Bereich des Sensors erweitert und die Genauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Zweielektrodensensoren verbessert wird.

Langlebige Materialien: Im Gegensatz zur Vergangenheit werden induktive Sensoren jetzt aus hochresistenten Materialien wie PEEK und PVDF hergestellt, sodass sie aggressiven Chemikalien und hohen Temperaturen standhalten können, die in vielen industriellen Prozessen typisch sind.

Digitale Integration: Moderne Sensoren haben bereits digitale Elektronik integriert. Dies hat viele Onboard-Diagnosen möglich gemacht und die Diagnoseinformationen direkt an den Sender gesendet.

Erklärung der Memosens-Technologie

Die Memosens-Technologie ist ein weiterer beträchtlicher Sprung in der Welt der Sensorverbindung. Von Endress+Hauser entwickelt, ist es ein digitaler, membranloser Übertragungsstandard für Sensoren in der Flüssigkeitsanalyse.

Wie funktioniert es? Memosens-Sensoren enthalten einen Mikrochips im Sensorkopf, der Kalibrierdaten, Betriebsstunden und einige andere Diagnoseinformationen aufzeichnet. Es wird eine induktive kontaktlose Verbindung hergestellt, sodass es 100 % wasserdicht und korrosionsbeständig ist.

Vorteile von Memosens:

Vorkalibrierung: Sensoren können in einem kontrollierten Laborumfeld vorkalibriert und dann schnell vor Ort ausgetauscht werden, was die Ausfallzeit des Prozesses reduziert.

Zuverlässigkeit: Aufgrund seiner kontaktlosen Natur werden Feuchtigkeit, Korrosion und fehlerhafte Verbindungen, die herkömmliche analoge Systeme beeinträchtigen, eliminiert.

Vorausdiagnose: Die gespeicherten Diagnosedaten können von den Benutzern verwendet werden, um vorherzusagen, wann der Betriebszustand eines Sensors Wartung oder Austausch erfordert, wodurch plötzliche Ausfälle vermieden werden.

Zukünftige Trends in der Leitfähigkeitsmessung

Entwicklung von Sensortechnologien

Außerdem ist es sehr wahrscheinlich, dass zukünftige Entwicklungen darauf abzielen, "intelligenter"e Sensoren zu entwickeln. Solche Sensoren werden wahrscheinlich verbesserte Fähigkeiten zur Messung mehrerer Parameter haben, sodass ein einzelnes Gerät beispielsweise Leitfähigkeit, pH-Wert und Temperatur gleichzeitig messen kann. Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen können diese Sensoren möglicherweise Probleme selbst diagnostizieren oder ihre Leistung entsprechend sich ändernder Prozessbedingungen anpassen.

Prognosen für das Marktwachstum

Der Weltmarkt für Leitfähigkeitstransmitter und -sensoren wird wahrscheinlich seinen stetigen Wachstumstrend fortsetzen. Dieser Wachstum wird durch strenge Umweltauflagen, erhöhte Bedürfnisse im Bereich der Wasserressourcenverwaltung und den globalen Drang nach größerer Automatisierung und Effizienz in den Branchen weltweit vorangetrieben. Das industrielle Internet der Dinge (IoT) wird ebenfalls einen zunehmenden Bedarf an intelligenten, vernetzten Sendern hervorrufen, die Daten an Cloud-basierte Analyseplattformen übertragen.

Herausforderungen und Chancen auf dem Weg vor uns

Trotz bedeutender Fortschritte in der Technik bleiben Probleme bestehen. Die Sensorik unter extrem hohen Temperaturen und Drücken oder in korrosiven Medien ist ein aktives Forschungsgebiet. Gleichzeitig bieten diese Herausforderungen Chancen für neue Innovationen und die Entwicklung von Lösungen der nächsten Generation, die neue Anwendungen und Märkte eröffnen.

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