Salzgehalt-Messer

Easy · 15 min · Kostenlos

Ziel & Lerninhalt

Bestimme die elektrische Leitfähigkeit von Wasser über zwei Elektroden – je mehr gelöstes Salz, desto besser leitet die Flüssigkeit.

  • Den Zusammenhang Ionenkonzentration ↔ Leitfähigkeit verstehen.
  • Mit Polaritätswechsel Elektrolyse-Effekte vermeiden.
  • Mit zwei Referenzlösungen kalibrieren (Leitungswasser, gesättigtes Salzwasser).

Erklärung & Wissen

Basic

Reines, destilliertes Wasser ist ein erstaunlich guter Isolator. Erst Mineralien oder Salze, die im Wasser zerfallen, machen es leitfähig. Salz bricht in winzige geladene Teilchen auf: Natrium-Ionen (Na⁺) und Chlorid-Ionen (Cl⁻). Im elektrischen Feld zwischen zwei Drähten wandern sie zu den jeweiligen Polen und transportieren Strom. Je mehr Salz im Wasser gelöst ist, desto mehr Ionen sind unterwegs – und desto besser fließt der Strom. Das messen wir, indem wir den Widerstand zwischen zwei Elektroden ablesen.

Medium

Im Wasser zwischen den Elektroden gilt vereinfacht $R \approx \frac{\rho}{A/d}$ – also: Widerstand ist proportional zum Abstand und umgekehrt proportional zur Eintauchfläche. Heißt: Du baust den Sensor immer geometrisch gleich, sonst sind Werte nicht vergleichbar. Schließe zwei Drähte als variablen Widerstand mit einem 10 kΩ-Referenzwiderstand zu einem Spannungsteiler an. Am Mittelabgriff (A0) hängt die Spannung von der Leitfähigkeit ab. Kalibriere mit zwei bekannten Lösungen: destilliertes Wasser ≈ 0 mS/cm, gesättigtes Salzwasser ≈ 250 mS/cm, oder ein Salzlöffel in 100 ml Wasser als 'mittlerer' Referenzpunkt.

Expert

Echte EC-Meter (Electrical Conductivity) verwenden Wechselspannung (oft 1–10 kHz Rechteck), um zwei Effekte zu eliminieren: (1) Elektrolyse zerstört die Elektroden langsam, (2) eine elektrochemische Doppelschicht (Helmholtz-Schicht) baut sich an den Kontakten auf und verfälscht die Messung als parasitärer Kondensator. Im DIY-Setup erreichst du beides näherungsweise durch eine kurze Polaritätsumkehr alle 100–500 ms im Code. Zudem ist die Leitfähigkeit stark temperaturabhängig (ca. +2 %/°C) – für genaue Aussagen sollte die Temperatur mitgemessen und kompensiert werden. Edelstahl-, Graphit- oder Titan-Elektroden sind langlebig; blanke Kupfer- oder Stahldrähte korrodieren schnell.

Fun Fact

Aquarianer und Hydrokultur-Gärtner schwören auf billige EC-Stäbe – dort wird Pflanzenwachstum mit µS/cm-Werten direkt korreliert: zu wenig 'Salz' = Mangel, zu viel = Wurzelverbrennung.

Elektrische Leitfähigkeit
Wie gut eine Lösung Strom leitet — mehr Salz = mehr Ionen = bessere Leitfähigkeit. Destilliertes Wasser: praktisch kein Strom (keine Ionen). Leitungswasser: schwach leitfähig (Mineralien). Salzwasser (1 TL/Liter): gut leitfähig. Gesättigte Salzlösung: sehr gut leitfähig. Einheit: Siemens pro cm (S/cm oder µS/cm). Der DIY-Sensor misst den Widerstand zwischen zwei Elektroden — ein Spannungsteiler mit Referenzwiderstand (10 kΩ) wandelt das in einen ADC-Wert um.
Polarisationseffekt
Dauerhafter Gleichstrom durch Salzwasser baut eine Ladungsschicht an den Elektroden auf — die Messung wird verfälscht. Ionen sammeln sich unter Gleichspannung an den Elektroden (Helmholtz-Doppelschicht). Das wirkt wie ein Kondensator in Serie und macht den gemessenen Widerstand zu hoch. Lösung: Polarität alle 100–500 ms umschalten — Doppelschicht hat keine Zeit sich aufzubauen, Elektroden korrodieren kaum.
Zellkonstante
Der Geometrie-Faktor des Sensors — Elektrodenabstand und Fläche müssen bei jeder Messung gleich sein. $K = d/A$ (Abstand/Fläche) in cm⁻¹. Wenn du die Drähte beim Eintauchen verdrehst oder tiefer eintauchst, ändert sich K → Messung stimmt nicht mehr. Deshalb: Elektroden immer in gleicher Position fixieren. Kalibrierung mit bekannter Lösung (z.B. Aquarium-Referenzlösung) kompensiert die absolute Größe von K.
Zweipunkt-Kalibrierung
Zwei bekannte Lösungen vermessen, dann den Sensor linear skalieren — so wird aus rohen ADC-Werten ein echter Salzgehalt. Schritt 1: Destilliertes Wasser messen → ADC-Wert als 'Null'. Schritt 2: Lösung mit bekanntem Salzgehalt messen → ADC-Wert als 'Maximum'. Mit `map()` jeden neun ADC-Wert in den Messbereich umrechnen. Genauer als Einpunkt-Kalibrierung, weil auch der Offset berücksichtigt wird.

Praktischer Versuch: Salzgehalt-Stab

Zwei Edelstahl-Drähte in fester Geometrie, Spannungsteiler an A0, Polaritätswechsel und Zweipunkt-Kalibrierung.

  • Glas oder Becher
  • 2 Edelstahl-Drähte oder Bleistiftminen (gleich lang, gleicher Abstand)
  • 1 Widerstand 10 kΩ (Referenz)
  • Wasser + Speisesalz für die Kalibrierung
  • Klebeband / Styroporstück zum Fixieren der Drähte

  1. Sensor-Geometrie fixieren

    Klebe die zwei Drähte parallel an ein Stück Styropor oder Holz, sodass sie immer in gleichem Abstand stehen. Tauche sie immer gleich tief ein.

    Check: Drähte ragen ca. 3 cm parallel und 1 cm voneinander entfernt ins Wasser.

    Tipp: Geometrie ist alles – jede Bewegung der Drähte verschiebt den Messwert.

  2. Spannungsteiler aufbauen

    Schalte Sensor + 10 kΩ Referenz in Reihe zwischen einen Treiber-Pin (z.B. D7) und GND. Mittelabgriff → A0.

    Check: In Leitungswasser liefert ADC einen Wert irgendwo zwischen 50 und 800.

    Tipp: Wenn der Wert immer 0 oder 1023 ist, passt die Größe des Referenzwiderstands nicht – mit 1 kΩ oder 100 kΩ probieren.

  3. Polaritätswechsel im Code

    Der Code legt den Treiber-Pin alle 250 ms abwechselnd auf HIGH und LOW. Direkt nach jedem Wechsel folgt eine kurze Messung.

    Check: Im Monitor wechselt das ADC-Vorzeichen-Verhalten regelmäßig – Sensor läuft nicht 'stehend'.

    Tipp: Ohne Wechsel beobachtest du langsamen Drift nach unten – das ist die Polarisationsschicht.

  4. Mit zwei Referenzen kalibrieren

    Miss in (a) destilliertem oder gefiltertem Wasser, (b) Wasser mit z.B. 1 TL Salz pro 100 ml. Notiere beide ADC-Werte als Kalibrierpunkte.

    Check: Klares Wasser → niedriger Wert; gesättigtes Salzwasser → deutlich höherer Wert.

    Tipp: Zwischen den Messungen Sensor mit klarem Wasser abspülen, sonst verfälscht Restwasser den nächsten Wert.

  5. Anzeige in 'Salzstufen'

    Linear interpolieren und Schwellwerte im Code setzen.

    Check: Monitor zeigt qualitativ 'rein/leicht/stark gesalzen'.

    Tipp: Für echte mS/cm bräuchtest du eine kalibrierte Referenzflüssigkeit – im Schul-Setup reichen 3 Stufen.

D7 → Drahtelektrode A → Wasser → Drahtelektrode B → 10 kΩ → GND. Mittelabgriff (B + Widerstand) → A0.

// ProtoPeaks - Salzgehaltsmesser mit Polwechsel
const int sensorPin = A0;
const int drivePin  = 7;
bool pol = false;
unsigned long lastFlip = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(drivePin, OUTPUT);
}

void loop() {
  if (millis() - lastFlip > 250) {
    pol = !pol;
    digitalWrite(drivePin, pol ? HIGH : LOW);
    lastFlip = millis();
    delay(2);
  }
  long sum = 0;
  for (int i = 0; i < 16; i++) sum += analogRead(sensorPin);
  int adc = sum / 16;
  // wenn pol=HIGH -> niedrige Werte bedeuten gute Leitung
  int leitwert = pol ? (1023 - adc) : adc;
  Serial.print("ADC: "); Serial.print(adc);
  Serial.print("  Leitwert: "); Serial.println(leitwert);
  delay(100);
}
  • Gasblasen an den Elektroden. — Elektrolyse durch zu lange Gleichspannung. Polwechsel-Intervall verkürzen (auf 100 ms).
  • Werte driften langsam nach unten. — Helmholtz-Doppelschicht baut sich auf. Polwechsel aktivieren, oder pro Messung nur kurz Spannung anlegen (Power-Pin-Strategie).
  • Werte sind nicht reproduzierbar. — Elektroden-Geometrie ändert sich (gebogen, verschmutzt). Drähte gerade biegen, vor jeder Messung abspülen, immer gleich tief eintauchen.

Kurzzusammenfassung

Mit zwei Edelstahldrähten in fester Geometrie wird die Leitfähigkeit – und damit der Salzgehalt – einer Flüssigkeit messbar. Polaritätswechsel verhindert Korrosion und Polarisationsdrift, eine Zweipunkt-Kalibrierung liefert plausible Stufen.

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