Leitfähigkeitsmessung in natürlichen Gewässern & anderen Flüssigkeiten

STS Sensors: Bei der Leitfähigkeitsmessung sind je nach untersuchter Flüssigkeit verschiedene Dinge zu beachten. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Temperatur als grösstem Einflussfaktor.

Die Leitfähigkeit wird in der Einheit Mikrosiemens angegeben und kennzeichnet die Fähigkeit einer Substanz, elektrischen Strom zu leiten. Der Leitwert ist der Kehrwert des Widerstands, der in der Einheit Ohm angegeben wird. Daraus folgt: Je höher der Leitwert, desto geringer der Widerstand.

Leitfähigkeit in natürlichen Gewässern

Reines Wasser ist praktisch nicht leitfähig (0,055 µS/cm gegenüber Trinkwasser mit 500 µS/cm). Es wird erst durch gelöste Stoffe wie Chloride, Sulfate und andere leitend. Über eine Leitfähigkeitsmessung lässt sich entsprechend die Reinheit eines Gewässers bestimmen: Je höher die Leitfähigkeit, desto mehr Stoffe sind im Wasser gelöst. Typische Anwendungsfälle für die Leitfähigkeitsmessung sind zum Beispiel Deponien, um eine Verschmutzung des Grundwassers zu prüfen. Die Überwachung von Salzwassereintritt in Grundwasserquellen ist eine weitere typische Anwendung. Das macht die Leitfähigkeit zu einer wichtigen Grösse bei Überwachungsaufgaben in der Umwelttechnik, um Rückschlüsse über mögliche Verunreinigungen zu erhalten. Gleichwohl ist die Leitfähigkeit nur ein Indikator für Verschmutzungen, die Zusammensetzung der ins Wasser eingetretenen Stoffe muss dann chemisch analysiert werden. Darüber hinaus sind nicht alle Stoffe, die im Wasser gelöst sein können, ebenfalls leitend (beispielsweise Hormone oder Fungizide).

Eine weitere gängige Anwendung ist die Bestimmung der Fliessrichtung sowie Fliessgeschwindigkeit. Zu diesem Zwecke wird dem Wasser Salz hinzugegeben und dessen Leitfähigkeit entsprechend erhöht. Über punktuelle Messungen des Leitwerts können Fliessgeschwindigkeit und -richtung exakt bestimmt werden.

Wie bereits erwähnt, ist die Leitfähigkeit einer Substanz stark temperaturabhängig. Zwei Proben einer Substanz können bei unterschiedlichen Temperaturen also unterschiedliche Leitwerte ergeben. Ohne eine Temperaturkompensation gibt es praktisch keine Möglichkeit der Vergleichbarkeit zweier Substanzen, wenn sie nicht bei der exakt gleichen Temperatur untersucht werden (können). Aus diesem Grund gehen Leitfähigkeitsmessung und Temperaturerfassung Hand in Hand. Üblicherweise werden daher bei einer Leitfähigkeitsmessung sowohl der Leitwert sowie die Temperatur gemessen. Mittels Temperaturkompensation wird der Leitwert auf eine Referenztemperatur gerechnet. Diese beträgt zumeist 25 °C.

Temperaturkompensationsfunktion: Die Substanz entscheidet

Welche Temperaturkompensationsfunktion zur Ermittlung der Leitfähigkeit bei Referenztemperatur herangezogen wird, hängt ganz von der untersuchten Flüssigkeit ab. Für natürliche Gewässer wird die nichtlineare Funktion nach der Norm DIN EN 27888 Wasserbeschaffenheit herangezogen.

Bei Salzlösungen, Säuren und Laugen kommen lineare Funktionen zur Anwendung. Um die prozentuale Änderung der Leitfähigkeit K pro °C Temperaturänderung ∆T berechnen zu können, verwendet man folgende Formel:

α = (∆K(T)/∆T)/K(25°C)*100
∆K(T) = Leitfähigkeitsänderung aus dem ausgewähltem Temperaturbereich
∆T = Temperaturänderung aus dem ausgewählten Temperaturbereich
K(25°C)= Leitfähigkeit bei 25°C

Betrachten wir abschliessend eine Beispielrechnung zur Leitfähigkeitsbestimmung von Schnell-Entkalker: Um die notwendigen Angaben für die Berechnung zu erhalten, werden drei Messungen durchgeführt:

122.37 mS/cm bei 20°C
133.10 mS/cm bei 25°C
135.20 mS/cm bei 26°C

∆K(T) = 135.20 mS/cm -122.37 mS/cm = 12.83 mS/cm
∆T = 26°C – 20°C = 6°C
K(25°C)= 133.10 mS/cm

α = ((135.20 – 122.37)/(26 – 20))/133.10*100 = 1.60 %/°C