Hoe werkt een TDS-meter? Techniek, werking en natuurkunde uitgelegd
Wat is een tds meter?
Een TDS meter is een digitale meter welke de totale hoeveelheid opgeloste stoffen in een vloeistof meet en weergeeft in Part Per Million (PPM). Dit meet hij door een zwakke electrische stroom door de vloeistof te sturen. Des te lager de gemeten waarde (Deeltjes per miljoen), des te zuiverder is de vloeistof.Hoe werkt een TDS meter?
Een digitale TDS meter meet de elektrische geleidbaarheid van het water door de elektrodes in het water te plaatsen. Vervolgens wordt er een zwakke elektrische stroom door het water gestuurd van de ene elektrode naar de andere elektrode. De TDS meter meet vervolgens hoe goed deze stroom door het water gaat en zet de geleidbaarheid met behulp van een algoritme om naar een TDS waarde. TDS staat voor Total Dissolved Sollids (Totaal aan opgeloste stoffen). Dit wordt weergegeven in PPM (Parts Per Million) wat deeltjes per miljoen betekend. Bij het omrekenen houdt de meter rekening met de temperatuur en compenseert dit in de meting.Een TDS meter is een handig instrument om snel een indruk te krijgen van de kwaliteit van water. TDS meters worden veel gebruikt voor het controleren van drinkwater, voor aquaria, bij hydroponische teelt, bij waterzuiveringsinstallaties en in laboratoria. Hoewel het lijkt alsof een TDS meter rechtstreeks meet hoeveel stoffen in het water zijn opgelost werkt het apparaat eigenlijk op een heel andere manier. Het meet namelijk de elektrische geleidbaarheid van het water en gebruikt die meting om de TDS-waarde te bepalen.
Opgeloste stoffen en elektrische geleiding
Water geleidt van zichzelf heel slecht elektriciteit. Dat verandert zodra er zouten, mineralen of andere stoffen in oplossen. Veel van deze stoffen vallen in water uiteen in positief en negatief geladen deeltjes. De zogenaamde ionen.Een bekend voorbeeld is keukenzout (natriumchloride). Wanneer dit in water oplost, ontstaat:
NaCl → Na⁺ + Cl⁻
De ontstane natrium- en chloride-ionen kunnen zich vrij door het water bewegen. Omdat deze deeltjes elektrisch geladen zijn kunnen zij elektrische stroom geleiden. Hoe meer ionen aanwezig zijn hoe beter het water elektriciteit geleidt.
Zuiver water zoals osmosewater bevat heel weinig ionen en heeft daardoor een zeer lage elektrische geleidbaarheid.
Hoe meet een TDS meter?
In de meetkop van een TDS meter bevinden zich twee metalen elektroden. Zodra deze in het water worden gehouden en de meter aanstaat legt de meter een kleine wisselspanning aan tussen de elektroden.De keuze voor wisselspanningin plaats van gelijkspanning is bewust. Bij gelijkspanning zouden namelijk chemische reacties aan de elektroden ontstaan zoals elektrolyse en corrosie. Wisselspanning voorkomt deze ongewenste effecten grotendeels en zorgt voor een betrouwbaardere meting.
Door het elektrische veld bewegen de ionen voortdurend heen en weer tussen de elektroden. Deze beweging veroorzaakt een kleine elektrische stroom. De elektronica in de meter meet deze stroom en berekent daaruit de elektrische weerstand van het water.
Volgens de wet van Ohm geldt:
I = U / R
Waarbij:
● I de stroomsterkte is.
● U de aangelegde spanning.
● R de elektrische weerstand.
Omdat de spanning bekend is en de stroom wordt gemeten kan de weerstand eenvoudig door de TDS meter worden berekend.
Van weerstand naar geleidbaarheid
Voor het meten van bijvoorbeeld water is niet de weerstand zelf belangrijk maar de elektrische geleidbaarheid. Elektrische geleidbaarheid (EC) geeft aan hoe makkelijk elektrische stroom door het water kan stromen.De geleidbaarheid is het omgekeerde van de soortelijke weerstand en wordt weergegeven met de letter σ (sigma). In de praktijk wordt de geleidbaarheid meestal uitgedrukt in microsiemens per centimeter (µS/cm) of millisiemens per centimeter (mS/cm).
Des te hoger de geleidbaarheid, des te meer ionen er zich in het water bevinden.
De uiteindelijke berekening houdt ook rekening met de afmetingen van de elektroden. De afstand tussen de elektroden en hun oppervlak bepalen namelijk mede hoeveel stroom er kan lopen. Deze eigenschap wordt samengevat in de zogenoemde celconstante, zodat verschillende meters toch vergelijkbare resultaten kunnen geven.
Van geleidbaarheid naar TDS
Een TDS meter bepaalt de hoeveelheid opgeloste stoffen dus niet rechtstreeks. De meter meet uitsluitend de elektrische geleidbaarheid en rekent die vervolgens om naar een geschatte TDS-waarde.Hiervoor gebruikt de microprocessor in de meter een omrekenfactor:
TDS = EC × k
Hierin staat EC voor de elektrische geleidbaarheid (Electrical Conductivity) en k voor een omrekenfactor. Die factor ligt meestal tussen 0,5 en 0,7.
Omdat fabrikanten verschillende omrekenfactoren gebruiken, kunnen twee TDS meters in hetzelfde water een iets andere waarde weergeven. Dat betekent niet dat één van beide meters fout meet ze gebruiken simpelweg een andere rekenmethode. De Factor 0,5 (NaCl-schaal) wordt het meest gebruikt.
De invloed van temperatuur op een TDS meting
Temperatuur heeft een duidelijke invloed op de geleidbaarheid van water. Bij een hogere temperatuur bewegen ionen sneller waardoor ze gemakkelijker elektrische stroom geleiden. Gemiddeld neemt de geleidbaarheid met ongeveer 2 procent per graad Celsius toe.Daarom zijn vrijwel alle moderne TDS meters uitgerust met een temperatuursensor. De meter corrigeert de meetwaarde automatisch naar een standaardtemperatuur van 25 °C. Dit wordt Automatic Temperature Compensation (ATC) genoemd en zorgt ervoor dat metingen bij verschillende temperaturen goed met elkaar kunnen worden vergeleken.
Niet alle opgeloste stoffen gedragen zich hetzelfde. Stoffen die uiteenvallen in ionen zoals zouten en de meeste mineralen dragen sterk bij aan de elektrische geleidbaarheid. Andere stoffen doen dat nauwelijks.
Neem bijvoorbeeld suiker. Het lost heel goed op in water maar vormt geen ionen. Voeg een zakje suiker aan een glas water toe in je zult zien dat suiker de TDS waarde vrijwel niet veranderd terwijl er wel degelijk extra stof in het water aanwezig is. Hetzelfde geldt bijvoorbeeld voor alcohol.
Nu is dit voor de gangbare toepassingen geen enkel probleem omdat wij de meter willen gebruiken om de kwaliteit van kraanwater, aquariumwater of zuiverwater te meten. De watersamenstelling daarvan is gewoon geschikt voor een TDS meter.
De elektronica in een TDS meter
Ondanks hun eenvoudige uiterlijk bevatten moderne TDS meters verrassend veel elektronica. Een digitale TDS meter bevat onder andere:● twee meetelektroden
● een wisselspanningsgenerator
● een meetversterker
● analoog-naar-digitaalomzetter (ADC)
● een microcontroller
● een temperatuursensor
● een digitaal display
De microcontroller verwerkt alle meetgegevens. Eerst wordt de elektrische stroom gemeten, daarna de weerstand berekend, vervolgens de geleidbaarheid bepaald en ten slotte de temperatuurcorrectie en de omrekening naar de TDS-waarde uitgevoerd. De uitkomst wordt dan op het scherm weergegeven.
Waarvoor wordt een TDS meter gebruikt?
Een TDS meter wordt gebruikt in uiteenlopende situaties. Ze zijn populair voor het controleren van drinkwater, het bewaken van de waterkwaliteit in aquaria en vijvers, het meten van voedingsoplossingen bij hydroponische teelt en het controleren van omgekeerde osmose installaties. Ook in laboratoria, glasbewassing, de voedingsmiddelenindustrie en andere waterzuiveringsinstallaties behoren ze tot de standaard meetapparatuur.Ook bij drinkwaterfilters op basis van omgekeerde osmose of andere waterfilters wordt een TDS meter gebruikt om de zuiverheid van het water te bepalen. De waarde welke de TDS meter weergeeft kan vervolgens weer gebruikt worden om bijvoorbeeld te bepalen of een membraan nog goed werkt, of een DI-hars verzadigd is en vervangen moet worden, of dat het water aan een bepaalde waarde voldoet voor een specifieke toepassing. Een TDS meter kan gebruikt worden voor bijvoorbeeld drinkwatersystemen, aquariums, glasbewassing, industriële processen, enzovoort.