In der Lebensmittel- und Getränkeproduktion zählt die kontinuierliche Überwachung von Flüssigkeiten zu den zentralen Aufgaben der Prozessautomation. Ob bei der Reinigung von Rohrleitungssystemen im Rahmen von CIP-Prozessen (Cleaning-in-Place), bei der Kontrolle von Salzlösungen, Fruchtsäften oder Getränkekonzentraten – die elektrische Leitfähigkeit eines Mediums liefert unmittelbaren Aufschluss über dessen Ionenkonzentration und damit indirekt über Produktqualität, Reinigungsgrad oder Konzentration gelöster Stoffe. Die induktive Leitfähigkeitsmessung hat sich dabei gegenüber der klassischen konduktiven Methode in zahlreichen Anwendungsfeldern als technisch überlegen erwiesen, insbesondere überall dort, wo aggressive Medien, hohe Hygienestandards oder minimaler Wartungsaufwand gefordert sind.
Der folgende Artikel richtet sich an Verfahrens- und Automatisierungsingenieure, die das Messprinzip grundlegend verstehen und fundierte Entscheidungen bei der Sensorauswahl sowie der Integration in bestehende Anlagenkonzepte treffen möchten.
Messprinzip: Elektromagnetische Induktion statt direktem Kontakt
Das Grundprinzip der induktiven Leitfähigkeitsmessung basiert auf dem Transformatorprinzip. Im Sensorkörper befinden sich zwei toroidförmige Spulen – eine Senderspule und eine Empfängerspule – die vollständig in ein nichtleitendes Gehäusematerial eingebettet sind, typischerweise aus PEEK, PFA oder anderen chemikalienbeständigen Thermoplasten. Die Senderspule wird von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen und erzeugt dadurch ein magnetisches Wechselfeld. Dieses induziert in der das Toroid umgebenden leitfähigen Flüssigkeit Ionenströme, die wiederum in der Empfängerspule eine messbare Spannung erzeugen. Die Höhe dieser Spannung ist direkt proportional zur elektrischen Leitfähigkeit des Mediums, ausgedrückt in der Einheit Siemens pro Meter (S/m) beziehungsweise in der Praxis häufig in mS/cm.
Ein entscheidender Vorteil dieses Ansatzes liegt in der vollständigen galvanischen Trennung zwischen Sensor und Medium. Es existiert kein Elektrodenpaar, das in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit treten muss. Damit entfallen typische Probleme der konduktiven Messung wie Elektrodenkorrosion, Polarisationseffekte bei hochkonzentrierten Medien oder Fouling durch Ablagerungen auf Messelektroden.
Aufbau und Werkstoffe nach Hygienic Design
In der Lebensmittel- und Getränkeindustrie unterliegen alle produktberührenden Komponenten strengen hygienischen Anforderungen. Relevante Normen und Richtlinien sind unter anderem die EHEDG-Richtlinien (European Hygienic Engineering and Design Group) sowie die 3-A Sanitary Standards. Für induktive Leitfähigkeitssensoren bedeutet dies: glatte, porenfreie Oberflächen mit definierten Rauheitswerten (Ra ≤ 0,8 µm im produktberührten Bereich), totenraumfreie Einbaugeometrien sowie spaltfreie Verbindungskonzepte, die eine vollständige Reinigbarkeit sicherstellen.
