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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


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



� 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



� 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


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:


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


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


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)


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:



� Wir bewegen uns im Konfigurationsprogramm in „Sensor und Mediumseigenschaften“

� Für die Kalibrierung wird eine Kalibrierflüssigkeit benötigt



� 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


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


Bestimmung Relative Zellenkonst.Bestimmung Relative Zellenkonstante

� Die fertigungsbedingte Toleranz wird durch eine Kalibrierung kompensiert

� Im Konfigurationsprogramm ist die Leitfähigkeit der Kalibrierflüssigkeit anzugeben


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


LeitfähigkeitskalibrierlösungLeitfähigkeit = f(Temperatur) für Lösung 0.01mol/L KCl

Unkompensierte Leitfähigkeit

Temperatur der Lösung


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


Definition Eingang Temperatur

� Der Temperatureingang ist hinsichtlich des verwendeten Sensors einzustellen


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


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


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


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)


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


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:


TemperaturkoeffizientDefinition Betriebstemperatur

� Wir bewegen uns in Sensor- und Mediumseigenschaften:

Betriebstemperatur definieren


TemperaturkoeffizientMedium auf Bezugstemperatur temperieren (meist 25°C)

� Hinweis

� Die Zelle ist in der zu messenden Flüssigkeit zu platzieren


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:


TemperaturkoeffizientMedium auf Betriebstemperatur temperieren

� Die Flüssigkeit ist auf die Betriebstemperatur zu bringen

� Wenn die Betriebstemperatur erreicht wurde, Messwert bestätigen:


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



� 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)



� 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



Lineare Temperaturkompensation

� Sehr viele Flüssigkeiten verändern die Leitfähigkeit linear zurTemperatur

Temperatur [°C]

Leitfäh. [mS/cm]

25°C 60°C


� Das Temperaturverhalten ist dann über einen Temperaturkoef-fizienten definiert

� Werksseitig führt der Messumformer die Temperaturkompensat-ion linear durch


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


Kalibriertimer

� Kalibrierungen müssen in der Praxis von Zeit zu Zeit wiederholt werden

� Im Messumformer kann ein Kalibriertimer definiert werden:

� Eine Zeit wird definiert…


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


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


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


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


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


LeitfähigkeitenLeitfähigkeiten in unterschiedlichen Anwendungen


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


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

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