geschrieben von
Produktmanager mit einem Schwerpunkt auf Maschinenbau, der Systeme entwirft und Produkt, Produktion und Betrieb miteinander verbindet, um maximale Wirkung zu erzielen. Außerhalb des Büros bin ich ein leidenschaftlicher Kletterer, ehemaliger Wettkämpfer und trainiere und setze weiterhin Routen in meiner Freizeit.
Abonnieren Sie unseren monatlichen Wasser-Newsletter
Wir könnten Ihnen eine E-Mail senden, wenn wir etwas Nachrichtenwürdiges haben, verfasst von unseren Wasserprofis
1. Die Beziehung zwischen Salzgehalt und Leitfähigkeit
Salzgehalt bezieht sich auf die Gesamtmenge der gelösten Salze im Wasser, typischerweise ausgedrückt in praktischen Salzgehalt-Einheiten (PSU) oder Teilen pro Tausend (‰). Reines destilliertes Wasser ist ein extrem schlechter Leiter von Elektrizität. Wenn jedoch Salze — wie Natriumchlorid (NaCl), Magnesiumsulfat (MgSO₄) und Kaliumchlorid (KCl) — sich im Wasser auflösen, zerfallen sie in positiv und negativ geladene Ionen. Diese freien Ionen machen Salzwasser elektrisch leitfähig.
Elektrische Leitfähigkeit (EC) ist ein Maß dafür, wie leicht ein elektrischer Strom durch eine Substanz fließen kann. In wässrigen Lösungen ist die Leitfähigkeit direkt proportional zur Konzentration der gelösten Ionen. Je mehr Ionen vorhanden sind, desto besser leitet das Wasser Elektrizität und desto höher ist der Leitfähigkeitswert.
Wichtiger Grundsatz: Gelöste Salze → freie Ionen → elektrische Leitung. Je höher der Salzgehalt, desto höher die Leitfähigkeit. Diese Beziehung ist die Grundlage jedes auf Leitfähigkeit basierenden Salzgehaltssensors.
2. Grundlegender Messprinzip
Im Kern misst ein Leitfähigkeitssensor, wie leicht ein elektrischer Strom durch eine Wasserprobe zwischen zwei oder mehr Elektroden fließt. Die grundlegende Beziehung ist:
Der Leitwert wird in Siemens (S) gemessen und die Leitfähigkeit — Leitwert normalisiert auf die Geometrie der Messzelle — wird in Siemens pro Meter (S/m) ausgedrückt, oder praktischer in milliSiemens pro Zentimeter (mS/cm) oder microSiemens pro Zentimeter (μS/cm).
Die Beziehung zwischen Leitwert und Leitfähigkeit beinhaltet eine Zellkonstante (K), einen geometrischen Faktor, der die Entfernung zwischen den Elektroden und die Querschnittsfläche des Strompfads berücksichtigt:
Hier ist d der Abstand zwischen Elektroden und A die effektive Querschnittsfläche. Hersteller kalibrieren jeden Sensor, um seine spezifische Zellkonstante zu bestimmen.
3. Arten von Leitfähigkeitssensoren
Es gibt drei Hauptsensor-Architekturen zur Messung von Salzgehalt und Leitfähigkeit:
3.1 Zwei-Elektroden (Amperometrische) Sensoren
Das einfachste Design verwendet zwei Metallelektroden — typischerweise Platin, Graphit oder Edelstahl — die in die Wasserprobe eingetaucht sind. Eine Wechselspannung (AC) wird über die Elektroden angelegt und der resultierende Strom wird gemessen. AC ist unerlässlich: Gleichstrom (DC) verursacht Elektrolyse und Elektrodenpolarisation, die die Messungen mit der Zeit verfälscht.
Zwei-Elektroden-Sensoren sind kostengünstig, leiden jedoch unter Verschmutzungen und Polarisationseffekten, insbesondere in Lösungen mit hoher Leitfähigkeit. Sie sind am besten für Anwendungen mit niedriger Leitfähigkeit geeignet, wie Überwachung von Süßwasser und Trinkwasser.
3.2 Vier-Elektroden (Potentiometrische) Sensoren
Zur Eliminierung der Elektrodenpolarisation teilen Vier-Elektroden-Sensoren die Stromtrag- und Spannungsmessfunktionen zwischen separaten Elektrodenpaaren auf. Zwei äußere Elektroden treiben den Wechselstrom durch das Wasser, während zwei innere Elektroden den resultierenden Spannungsabfall messen, ohne wesentlichen Strom zu ziehen.
Da die Spannungsmess-Elektroden praktisch keinen Strom tragen, polarisieren sie nicht, was zu stabileren und genaueren Messungen führt. Vier-Elektroden-Sensoren eignen sich für ein breites Spektrum von Leitfähigkeiten und sind das Arbeitspferd der ozeanografischen und Umweltüberwachung.
Sehen Sie sich unseren Aqualabo C4E Sensor als Beispiel für einen Vier-Elektroden-Sensor sowie den Supmea SUP-TDS7002 an.
3.3 Induktive (Toroidale) Sensoren
Induktive Sensoren verwenden einen komplett berührungslosen Ansatz. Zwei toroidale (donutförmige) Spulen sind in einem inerten, nichtleitenden Gehäuse eingebettet. Eine Spule fungiert als Sender und induziert ein wechselndes elektromagnetisches Feld im umgebenden Wasser. Die Ionen im Wasser tragen den induzierten Strom, der von der zweiten Spule erkannt wird. Die Größe des erkannten Signals ist proportional zur Leitfähigkeit.
Da die Spulen nie direkt mit dem Wasser in Berührung kommen, sind induktive Sensoren hoch resistent gegen Verschmutzung, Korrosion und Kontamination. Sie sind die bevorzugte Wahl für raue IndustrieuUmgebungen, stark salzhaltige Salzlaken und Abwasseranwendungen.
Sehen Sie sich unseren Aqualabo CTZN Sensor als Beispiel für einen induktiven Sensor an.
4. Temperaturkompensation
Leitfähigkeit ist stark temperaturabhängig. Wenn die Wassertemperatur steigt, sinkt die Viskosität, die Ionen bewegen sich freier und die Leitfähigkeit nimmt um etwa 2% pro °C zu. Eine rohe Leitfähigkeitsmessung bei 10°C und eine bei 25°C können sich um 30% oder mehr unterscheiden, selbst wenn der Salzgehalt identisch ist.
Um eine aussagekräftige Messung zu erhalten, beinhalten Leitfähigkeitssensoren die Temperaturkompensation in zwei Schritten:
Ein integrierter Temperatursensor (typischerweise ein NTC-Thermistor oder Platin-Widerstandsthermometer) misst die Wassertemperatur gleichzeitig mit der Leitfähigkeit.
Korrekturalgorithmen — oft basierend auf der Praktischen Salzgehaltsskala 1978 (PSS-78) oder der TEOS-10 thermodynamischen Gleichung für Meerwasser — normalisieren die Leitfähigkeit auf eine Referenztemperatur (gewöhnlich 25°C), was zu spezifischem Leitwert führt.
Hinweis: Ohne Temperaturdaten ist eine Leitfähigkeitsmessung mehrdeutig — es ist unmöglich, zwischen einer kalten, salzigen Probe und einer warmen, weniger salzigen zu unterscheiden. Deshalb berichten alle Präzisionssensoren die Temperatur neben der Leitfähigkeit.
5. Von Leitfähigkeit zu Salzgehalt: Die Berechnung
Sobald ein temperaturkompensierter Leitfähigkeitswert erhalten wurde, wird der Salzgehalt mithilfe einer kalibrierten empirischen Beziehung abgeleitet. Der am häufigsten verwendete Standard für ozeanografische Arbeiten ist PSS-78, der den praktischen Salzgehalt als dimensionsloses Verhältnis basierend auf der Leitfähigkeit der Probe relativ zu einer standardisierten Kaliumchlorid (KCl) Lösung definiert.
Die PSS-78-Gleichung hat die Form eines Polynoms:
Wobei R das Leitfähigkeitsverhältnis ist (Leitfähigkeit der Probe geteilt durch die Leitfähigkeit von Standardmeerwasser bei 15°C), T die Temperatur ist und die Koeffizienten sowie der Temperaturkorrekturterm ΔS(T) empirisch bestimmte Konstanten sind. Moderne Sensorfirmware führt diese Berechnung in Echtzeit aus und präsentiert den Salzgehalt direkt auf der Anzeige oder dem digitalen Ausgang.
Für Nicht-Meerwasseranwendungen — Süßwasserseen, Flüsse, Mündungen oder industrielle Salzlaugen — können unterschiedliche Kalibrierungskurven angewendet werden, da die Ionenkomposition erheblich vom Standardmeerwasser abweichen kann.
6. Sensorkonstruktion und Materialien
Wichtige Konstruktionsüberlegungen umfassen:
Elektrodenmaterialien: Platin und Graphit bieten ausgezeichnete elektrochemische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit. Edelstahl und Titan werden dort eingesetzt, wo Kosten oder mechanische Festigkeit Priorität haben.
Zellkörper: Das Sensorgehäuse besteht typischerweise aus HDPE, Acetal (Delrin), Titan oder Keramik — Materialien, die elektrisch nicht leitend, chemisch resistent und druckbeständig sind.
Zellgeometrie: Der Abstand und die Oberfläche der Elektroden definieren die Zellkonstante. Hersteller verwenden präzise Bearbeitung und Laserkalibrierung, um jede Zellkonstante genau zu charakterisieren.
Anti-Verschmutzung: Biofouling — die Ansammlung von Algen, Bakterien und anderen Organismen auf Sensoroberflächen — ist eine große Herausforderung für Langzeitbereitstellungen. Sensoren für den Einsatz im Meer beinhalten oft Schutzvorkehrungen aus Kupferlegierung, biozid-abgebende Materialien oder mechanische Wischer.
7. Kalibrierung und Genauigkeit
Selbst der beste Sensor driftet mit der Zeit. Regelmäßige Kalibrierung ist wesentlich. Leitfähigkeitssensoren werden typischerweise mit Standardlösungen kalibriert, die bekannte, nachvollziehbare Leitfähigkeitswerte haben — zum Beispiel eine 0.01 mol/L KCl-Lösung mit einer Leitfähigkeit von 1.413 mS/cm bei 25°C.
Bei Einsätzen im Feld bietet die Kalibrierung vor Ort oder die Validierung nach dem Einsatz mithilfe von Wasserproben, die von einem Laborsalinometer analysiert werden, den Goldstandard für Datenqualität. Hochpräzise ozeanografische Sensoren können Genauigkeiten von ±0.001 PSU erreichen, während kostengünstige Umweltsensoren typischerweise ±0.1 PSU oder besser erreichen.
8. Anwendungen
Salzgehalts- und Leitfähigkeitssensoren werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt:
Bereich | Anwendung |
|---|---|
Ozeanographie | CTD-Profiler-Instrumente kartieren Wassermassen, Zirkulation und Vermischung |
Aquakultur | Kontinuierliche Überwachung des Tank-Salzgehalts für die Gesundheit von Meerestieren |
Umweltüberwachung | Erkennung von Salzwasserintrusion, Verfolgung der Verschmutzung in Flüssen und Mündungen |
Wasseraufbereitung | Leitfähigkeit als schneller Proxy für Gesamtgelöste Feststoffe (TDS) |
Industrielle Prozesssteuerung | Überwachung der Konzentration chemischer Lösungen, Entsalzungsanlagen |
Landwirtschaft | Bodenleitfähigkeitssensoren zur Messung des Salzgehalts und zur Optimierung der Bewässerung |
