Ratgeber
Metalle leiten bekanntlich elektrischen Strom. Aber auch Wasser ist dazu in der Lage, vor allem dann, wenn es gelöstes Salz enthält oder sauer beziehungsweise basisch reagiert. Bestimmen lässt sich die Leitfähigkeit von Lösungen mit speziellen Messgeräten. Wie diese funktionieren, welche Typen und Bauformen es gibt und welche Kriterien für die Auswahl zu beachten sind, das erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Damit eine Flüssigkeit elektrischen Strom leiten kann, müssen positiv und negativ geladene Teilchen – die Ionen – vorhanden sein. Sie bewegen sich genauso wie Elektronen in einem festen Draht. Ein Kation ist ein positiv geladenes Ion mit weniger Elektronen als Protonen, im Gegensatz zum negativ geladenen Anion, das mehr Elektronen als Protonen besitzt. Da sich entgegengesetzte elektrische Ladungen durch elektrostatische Kraft anziehen, entstehen leicht ionische Verbindungen. Und je mehr freie Ionen vorhanden sind, desto höher ist die Leitfähigkeit.
Gemessen wird die Leitfähigkeit von Flüssigkeiten in Siemens pro Meter, bezogen üblicherweise auf einen Zentimeter. Daraus abgeleitete gebräuchliche Einheiten sind Milli-Siemens pro Zentimeter und Mikro-Siemens pro Zentimeter. Die Maßeinheit ändert sich je nach dem Grad der Leitfähigkeit der Flüssigkeit.
Wasser beispielsweise ist eigentlich ein schlechter Leiter für elektrischen Strom. So leitet Trinkwasser Strom im Bereich von 5 bis 50 Milli-Siemens pro Zentimeter. Eine Salzlösung wie Meerwasser kann dagegen bis zu 5 Siemens pro Meter aufweisen.
Einige Flüssigkeiten besitzen aufgrund des hohen Anteils an gelösten Feststoffen – den sogenannten TDS – sogar noch höhere Stromleitfähigkeiten. Da diese von den freien Ionen abhängt, lässt sie sich in vielen Fällen mit der Gesamtmenge der gelösten Feststoffe in der Flüssigkeit korrelieren.
So kann beispielsweise die Konzentration einer Kochsalz-Lösung anhand der Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt werden, da die Korrelation zwischen der Natriumchlorid-Konzentration und der Leitfähigkeit bekannt ist.
Die elektrische Leitfähigkeit hängt auch mit der Temperatur zusammen. Steigt die Temperatur einer Flüssigkeit, nimmt die Aktivität der Ionen zu. Die meisten Leitfähigkeitsmessgeräte sind deshalb mit einem Temperatursensor ausgestattet und kompensieren automatisch entstehende Schwankungen.
Ein tragbares Leitfähigkeitsmessgerät ist in der Regel kompakt und ähnelt von der Größe her einem Mobiltelefon, es gibt aber auch stationäre Systeme, zum Beispiel für den Laborbetrieb. Während Handgeräte üblicherweise über Batterien oder Akkus mit Strom versorgt werden, erhalten Tischgeräte ihre Energie über Steckernetzteile. Die weitaus meisten Messgeräte arbeiten rein digital und basieren auf Halbleiter-Bauelementen. Sie verfügen über ein farbiges oder schwarzweißes LC-Display für die Darstellung der Funktionen und Messergebnisse. Vorhanden sind oft auch LED-Anzeigen.
Einige Modelle verfügen zudem über Schnittstellen, in der Regel als kabelgebundene USB-Buchse oder für die drahtlose Kopplung per Bluetooth. Die erfassten Messergebnisse lassen sich damit schnell und problemlos zur Bearbeitung an einen Laptop oder ein Tablet beziehungsweise Smartphone übermitteln.
Die Messung der Leitfähigkeit erfolgt bei der Mehrzahl der Geräte durch die Messung des Widerstands der Lösung. Dazu wird die Sonde des Messgeräts in die Flüssigkeit getaucht. Die Sonde enthält üblicherweise zwei Kontakte, die mit einer bekannten Menge Strom versorgt werden.
Je nach Leitfähigkeit der Lösung entsteht zwischen den Kontakten eine elektrische Verbindung, deren Widerstand gemessen wird. Dabei gilt: Je kleiner der Widerstand, desto größer ist die Anzahl der geladenen Teilchen.
Durch die Größe der Kontakte und ihren Abstand zueinander lässt sich eine Zellkonstante für die Sonde festlegen. Lösungen mit geringer Leitfähigkeit erfordern große, eng beieinander liegende Kontakte, während Lösungen mit hoher Leitfähigkeit kleinere, weiter auseinander liegende Kontakte benötigen.
Eine typische Leitfähigkeitssonde kann allerdings nicht feststellen, welche Arten von geladenen Teilchen vorhanden sind, da sie nur die gesamte elektrische Aktivität misst. Sind bestimmte Chemikalien zumessen, sind Sonden aus verschiedenen, sich selektiv verhaltenden Materialien zu verwenden.
Eine Alternative zu Typen mit direktem Flüssigkeitskontakt sind Leitfähigkeitsmessgeräten mit induziertem elektrischem Feld. Deren Sonden erzeugen in der Flüssigkeit mit Wechselstrom ein elektromagnetisches Feld. Geladene Teilchen reagieren darauf, indem sie ein gegenläufiges elektromagnetisches Feld aufbauen, das von der Sonde erfasst wird. Die Stärke des in der Flüssigkeit erzeugten Feldes spiegelt die Leitfähigkeit der Lösung wider, und zwar ohne Kontakt zwischen Sonde und Probe.
Automatisch arbeitende Leitfähigkeitsmessgeräte lassen sich verwenden, um beispielsweise den Anstieg gelöster Teilchen in Kesseln zu messen. Die Sonde misst hier die zunehmende Verschmutzung, wenn das Wasser verdampft. Sobald die Leitfähigkeit über einem festgelegten Grenzwert liegt, öffnet sich ein automatisches Ablassventil und lässt den Inhalt mit dem zu hohen TDS-Wert ab. Die Sonde überwacht auch sinkende TDS-Werte im Kessel und schließt das Ablassventil, wenn der untere Grenzwert erreicht ist.
Neben der Messung des Salzgehalts beziehungsweise der Salinität bieten manche Messgeräte noch zusätzliche Funktionen, zum Beispiel das Messen von Temperatur, Widerstand, ph-Wert und gelösten Teilchen. In vielen Bereichen der Industrie machen die Zusatzfunktionen Sinn, aber beispielsweise auch in Laboren oder zu Schulungszwecken.
Sind Außeneinsätze geplant, spielt neben der Robustheit des Gehäuses auch die IP-Zertifizierung zur Dichtigkeit für Staub und Wasser eine wichtige Rolle. Hilfreich sind auch ein beleuchtetes Display, wechselbare Messbereiche und große Tasten sowie Möglichkeiten zur Datenübertragung. Besonders zu berücksichtigen ist der Messbereich. Er sollte der Sättigung der Lösung entsprechen, die üblicherweise untersucht werden soll. Messgeräte der Spitzenklasse verfügen in diesem Zusammenhang meist über auswechselbare Sensoren und gezielt auswählbare Messbereiche.
1. Reinstwasser
2. Reinwasser
3. Brauchwasser
4. Trinkwasser
5. Bier
6. Milch
7. Orangensaft
8. Apfelsaft
9. Phosphorsäure
10. Schwefelsäure
11. Salzsäure
12. Natronlauge
Wie oft muss ein Leitfähigkeitsmessgerät kalibriert werden?
Viele Geräte sind bereits werksseitig oder nach ISO kalibriert. Dennoch ist eine Kalibrierung spätestens nach einem Jahr zu empfehlen. Dazu gibt es spezielle Kalibrierungslösungen oder Kalibrierungspulver zum Einrühren in destilliertem Wasser von genau 25 Grad Celsius. Für die Kalibrierung verfügen die Geräte im Allgemeinen über eine entsprechende Funktion, mit der sich die Parameter des Geräts anpassen lassen.
Welche Umrechnungsfaktoren sind bei einer TDS-Messung zu berücksichtigen?
Die am häufigsten verwendeten Umrechnungsfaktoren sind 0,5 und 0,7. Der Umrechnungsfaktor 0,5 basiert auf Natriumchlorid, der Faktor 0,7 auf einer Mischung aus Natriumsulfat, Natriumbicarbonat und Natriumchlorid. Leitfähigkeitsmessgeräte mit 0,7-Faktoren sind in der Landwirtschaft und der Hydrokultur beliebt, da viele Hersteller von Nährstoffen und Düngemitteln diesen Faktor verwenden, wenn sie optimale TDS-Bereiche festlegen.
Was ist unter einem Elektrolyt zu verstehen?
Ein Elektrolyt ist ein Medium, das durch die Bewegung von Ionen elektrisch leitend ist, aber selbst keine Elektronen leitet. Verursacher sind in der Regel lösliche Salze, Säuren und Basen. Beim Auflösen trennt sich die Substanz in Kationen und Anionen, die sich gleichmäßig im Lösungsmittel verteilen.