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Leitfähigkeitsmessung- Grundlagen
- Kalibrierung ecoTRANS Lf
Manfred Schleicher
2Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
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
3Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Allgemeine Erklärung
� Eine konduktive Leitfähigkeitsmesszelle kann man sich als zwei Platten vorstellen, zwischen welchen die Leitfähigkeit einer Flüssigkeit gemessen wird:
U~
I ~
G
� An die beiden Platten wird eine Wechselspannung angelegt
� Je größer der fließende Strom ist, um so größer ist der Leitwert der Flüssigkeit
4Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Allgemeine Erklärung
� Der Messumformer bestimmt über Strom und Spannung den elektrischen Leitwert
[ ]SiemensSpannung
Strom=Leitwert
� Der Leitwert ist der Kehrwert des ohmschen Widerstan-des
� 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
5Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Allgemeine Erklärung
� Stellen wir uns vor, der Leitwert der Zelle wurde ebenfalls mit der genannten „Einheitszelle“ gemessen
� Der Leitwert von 0.002 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
6Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Zellenkonstante
� Erfolgt die Messung nicht mit der „Einheitszelle“ (Abstand der Platten / Fläche der Platten: 1 cm/ 1cm²) muss derMessumformer mit einem Korrekturfaktor arbeiten, dieserwird als Zellenkonstante (k) bezeichnet
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
Beispiele:
7Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
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 0.002 S und berechnet: 0.002 x 1 = 0.002 S/cm
Fläche= 0,25cm², Abstand= 1 cm: k=4
Messumformer misst 0.0005 S und berechnet: 0.0005 x 4 = 0.002 S/cm
Fläche= 1cm², Abstand= 0,5 cm: k=0.5
Messumformer misst 0.004 S und berechnet: 0.004 x 0.5 = 0.002 S/cm
8Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
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
9Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
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 fürFlüssigkeiten mit kleiner Leitfähigkeit eingesetzt (beimLf03 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 fürFlüssigkeiten mit großen Leitfähigkeiten eingesetzt (beimLf03 ist bei k=10.0 der größte Messbereich 0…200mS/cm)
10Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Relative Zellenkonst. - KalibrierungRelative Zellenkonstante – Die Kalibrierung
� Die auf der Zelle angegebene Zellenkonstante kann fertigungsbedingt um +/- 10% schwanken
� Nach Eingabe der Zellenkonstante wird durch Kalibrierung ein Korrekturfaktor bestimmt: Die relative Zellenkonstanterelative Zellenkonstanterelative Zellenkonstanterelative Zellenkonstante
� Beispiel: Auf der Zelle ist eine Zellenkonstante von k=1.0 angegeben, diese wird am Messumformer definiert:
11Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Relative Zellenkonst. - KalibrierungRelative Zellenkonstante – Die Kalibrierung
� Wir bewegen uns im Konfigurationsprogramm in „Sensor und Mediumseigenschaften“
� Für die Kalibrierung wird eine Kalibrierflüssigkeit benötigt
12Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Relative Zellenkonst. - KalibrierungRelative Zellenkonstante – Die Kalibrierung
� 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
13Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Kalibrierung - 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
14Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Bestimmung Relative Zellenkonst.Bestimmung Relative Zellenkonstante
� Die fertigungsbedingte Toleranz wird durch eine Kalibrierung kompensiert
� Im Konfigurationsprogramm ist die Leitfähigkeit der Kalibrierflüssigkeit anzugeben
15Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
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
16Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
LeitfähigkeitskalibrierlösungLeitfähigkeit = f(Temperatur) für Lösung 0.01mol/L KCl
Unkompensierte Leitfähigkeit
Temperatur der Lösung
17Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Temperaturmessung
� Die gemessene Leitfähigkeit der Flüssigkeit wird meist auf 25°C zurückgerechnet. In diesem Fall wird ein Widerstands-thermometer benötigt (viele Zellen beinhalten dieses bereits)
Widerstandsthermometer
18Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Definition Eingang Temperatur
� Der Temperatureingang ist hinsichtlich des verwendeten Sensors einzustellen
19Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientTemperaturkoeffizient von Flüssigkeiten
� Flüssigkeiten verändern die Leitfähigkeit bei Temperaturwechsel
� Eine Flüssigkeit könnte beispielsweise folgendes Verhalten aufweisen:
Temperatur [°C]
Leitfäh. [mS/cm]
25°C
0.4
25°C/ 0.4mS/cm
40°C
40°C/ 0.52mS/cm
55°C
55°C/ 0.64mS/cm
� 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
20Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
unkompensiert/ kompensiertUnkompensierte und kompensierte Leitfähigkeit
Temperatur [°C]
Leitfäh. [mS/cm]
25°C 40°C 55°C
0.4
55°C/ 0.64mS/cm
40°C/ 0.52mS/cm
25°C/ 0.4mS/cm
� 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 unkompensiertenunkompensiertenunkompensiertenunkompensierten Leitfähigkeiten bei den unterschiedlichen Temperaturen
� Wird die Leitfähigkeit auf die Bezugstemperatur zurückgerech-net, ergibt sich die kompensiertekompensiertekompensiertekompensierte Leitfähigkeit
21Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Kompensierte LeitfähigkeitZurückrechnen auf kompensierte Leitfähigkeit
Temperatur [°C]
Leitfäh. [mS/cm]
25°C 40°C 55°C
0.4
55°C/ 0.64mS/cm
40°C/ 0.52mS/cm
25°C/ 0.4mS/cm
� Im Beispiel besitzt die Flüssigkeit bei 40°C eine Leitfähigkeitvon 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
22Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientWeitere Erklärung
Temperatur [°C]
Leitfäh.[mS/cm]
25°C 40°C 55°C
0.4
55°C/ 0.64mS/cm
40°C/ 0.52mS/cm
25°C/ 0.4mS/cm
� 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 Tempera-turwechsel 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)
23Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientWeitere Erklärung
Temperatur [°C]
Leitfäh.[mS/cm]
25°C 40°C 55°C
0.4
55°C/ 0.64mS/cm
40°C/ 0.52mS/cm
25°C/ 0.4mS/cm
� Liegt der Temperaturkoeffizient für die Flüssigkeit vor, kann der Messumformer für jede Temperatur die kompensierte Leitfähigkeit ermitteln
24Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientBestimmung des Temperaturkoeffizienten
� Bei der Bestimmung des Temperaturkoeffizienten wird durch den Messumformer die unkompensierte Leitfähig-keit bei Bezugstemperatur und Betriebstemperatur bestimmt
� Wird bei der Bezugstemperatur gestartet, ist die entsprechende Flüssigkeit auf 25 °C zu temperieren:
25Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientDefinition Betriebstemperatur
� Wir bewegen uns in Sensor- und Mediumseigenschaften:
Betriebstemperatur definieren
26Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientMedium auf Bezugstemperatur temperieren (meist 25°C)
� Hinweis
� Die Zelle ist in der zu messenden Flüssigkeit zu platzieren
27Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientMedium auf Bezugstemperatur temperieren (meist 25°C)
� Wenn die Mediumstemperatur stabil 25°C ist (Verzögerungs-zeit des Temperatursensors berücksichtigen) Wert bestätigen
� Medium auf Betriebstemperatur (im Beispiel 60°C) temperieren:
28Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientMedium auf Betriebstemperatur temperieren
� Die Flüssigkeit ist auf die Betriebstemperatur zu bringen
� Wenn die Betriebstemperatur erreicht wurde, Messwert bestätigen:
29Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientErklärung 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
30Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientErklärung zum Verständnis
� Folgende Abbildung zeigt die unkompensierte Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur:
Temperatur [°C]
Leitfäh.[mS/cm]
25°C 60°C
0.46
25°C/ 0.46 mS/cm
0.46 mS/cm + 35K x 2,5% x 0,46 mS/cm = 0,86 mS/cm
0.86
� 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)
31Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
TemperaturkoeffizientErklärung zum Verständnis
� Die unkompensierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit verändert sich über die Temperatur
� Der Messumformer zeigt jedoch zu jeder Zeit die kompensier-te Leitfähigkeit an (ändert sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit nicht, zeigt der Messumformer bei jeder Tempera-tur die Leitfähigkeit bei 25°C - 0,46mS/cm)
Temperatur [°C]
Leitfäh. [mS/cm]
25°C 60°C
0.46
25°C/ 0.46 mS/cm
0.86 Kompensierte Leitfähigkeit
Unkompensierte Leitfähigkeit
32Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Lineare Temperaturkompensation
� Sehr viele Flüssigkeiten verändern die Leitfähigkeit linear zurTemperatur
Temperatur [°C]
Leitfäh. [mS/cm]
25°C 60°C
Unkompensierte Leitfähigkeit
� Das Temperaturverhalten ist dann über einen Temperaturkoef-fizienten definiert
� Werksseitig führt der Messumformer die Temperaturkompensat-ion linear durch
33Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Bezugstemperatur
� Werksseitig wird mit einer Bezugstemperatur von 25°C gearbeitet
� Der Messumformer rechnet aufgrund des Temperaturkoeffi-zienten 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
34Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Kalibriertimer
� Kalibrierungen müssen in der Praxis von Zeit zu Zeit wiederholt werden
� Im Messumformer kann ein Kalibriertimer definiert werden:
� Eine Zeit wird definiert…
35Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
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 Kalibrierung zurückgesetzt
36Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Anwendungen
� Verdunstung von Wasser sorgt für Abkühlung
� verdunstetes Wasser wird im Prozess ersetzt
� Mineralien verbleiben im Wasser � Versalzung
� Leitfähigkeit ist Maß für Versalzung ( ↑ Leitfähigkeit ↑Versalzung)
� Bei Erreichen einer def. Leitfähigkeit wird Teil des Wassers ausgetauscht
Offene Kühlkreisläufe
37Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Anwendungen
� 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 Leitfähigkeitsmessung wird bestimmt, welches Medium sich im Rohrsystem befindet
CIP-Prozesse
38Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Anwendungen
� Die Säuren und Laugen müssen in einer bestimmten Konzentration vorliegen
� In größeren Anlagen werden die Medien Vorort gemischt
� Die Konzentration wird ebenfalls über eine Leitfähigkeitsmessung bestimmt
� Die Funktionen Konzentration = f(Leitfähigkeit) liegen für Natronlauge und Salpetersäure im CTI 500/750 vor…
CIP-Prozesse
39Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Anwendungen
� Mehrwegflaschen werden in Reinigungsanlagen in mehreren Zonen gereinigt (Wasser - Natronlauge - Wasser)
� Über eine Leitfähigkeitsmessung wird bestimmt, ob die Lauge verbraucht bzw. das Wasser verschmutzt ist
Flaschenreinigungsanlagen
40Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
LeitfähigkeitenLeitfähigkeiten in unterschiedlichen Anwendungen
41Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
LeitfähigkeitenVergleich LF-Messysteme
Induktiv CTI-500/750
Konduktive 4-Elektroden-Technik
K=0,01
K=0,1
K=1,0
K=3,0
K=10,0
2-Elektroden-
Konduktiv hier
heute nicht
mehr
empfohlen
Konduktive 2-Elektroden-Technik Für den Bereich bis 200mS/cm müssen bei der 2-Elektroden-messtechnik 5 verschiedene Sensorbauformen eingesetzt werden.
4-Elektrodentechnik und induktive Methode: ein Sensor über den ganzen Bereich
0,055 1,0 10,0 200,0 30 100 200 500 2000101
µS/cm mS/cm
Reinst-/Reinwasser Trink-/Brauchwasser Meerwasser Konzentr. Säuren/Laugen
42Grundlagen Leitfähigkeitsmeessung und Kalibrierung ecoTRANS Lf
Messumformer Weitere Messumformer für konduktive Messzellen
JUMO AQUIS 500 CR (Messumformer/ Regler)
JUMO dTRANS Lf 01 (Messumformer/ Regler)
Auf WiedersehenAu revoirGood Bye
JUMO GmbH & Co. KG
MANFRED SCHLEICHER Dipl. Ing. (FH) Schulungsleiter und Referent Weiterbildung Tel.: 0661/6003-396 E-Mail:[email protected]
Das aktuelle Seminarprogramm im Internet unter: http://www.seminare.jumo.info