Elektronen oder Licht

Dr. Klaus Reithmayer

Im Grunde handelt es sich bei der Sauerstoffmessung um eine Partialdruckmessung. Die Konzentration bzw. Sättigung des Sauerstoffs in der Flüssigkeit hängt direkt vom Druck des gasförmigen Sauerstoffs über der Probe ab. Der gelöste Sauerstoff wird im Wesentlichen auf zwei Arten gemessen: Polarographisch mit Varianten der Clarkzelle oder optisch über die Fluoreszenzeigenschaften bestimmter Farbstoffe. Bei der ersten Methode diffundiert der im Wasser gelöste Sauerstoff über eine Membran in eine mit Elektrolyt gefüllte Messzelle. Dort wird er an einer Elektrode durch Aufnahme von Elektronen reduziert, was einen Stromfluss durch das Messgerät induziert. Die Elektronen kommen von einer metallischen Anode, die dabei in Lösung geht. Ein Charakteristikum dieser Messung ist, dass durch den Sauerstoffverbrauch des Sensors für permanente Nachlieferung durch Anströmung gesorgt werden muss. Die Diffusion aus dem Messgut reicht vielfach nicht aus. Diese Sensoren benötigen einen gewissen Wartungsaufwand, da Membranen und Elektrolyt zur Beibehaltung der Funktion ausgetauscht werden müssen.

Die optische Messung unterliegt einem anderen Prinzip: Spezielle Farbstoffe in der Sensorenkappe geben bei Anregung mit kurzwelligem Licht in Abwesenheit von Sauerstoff eine intensive Fluoreszenzstrahlung ab. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto schwächer wird dieses Signal (Quenching). Gleichzeitig verschiebt sich der Phasenwinkel zwischen dem einfallenden und zurückgestrahlten Licht. Daraus lässt sich dann mit geeigneten Verfahren die Konzentration des gelösten Sauerstoffs berechnen. Ein Eigenverbrauch wie bei polarographischen Sensoren existiert nicht. Allerdings gibt es auch hier zeitabhängige Vorgänge wie die Diffusion des Sauerstoffs in Farbstoff und Trägermaterialien. Die optische Methode ist bezüglich der elektronischen Auswertung deutlich anspruchsvoller und benötigt eigene Auswertegeräte. Die Wartung des Sensors beschränkt sich in der Regel auf den Austausch der optisch aktiven Sensorkappe. Welche Messmethode besser geeignet ist, entscheidet meist der jeweilige Anwendungsfall.

Für die Online-Sauerstoffmessung wie sie bei der Wasser- und Abwasseraufbereitung notwendig ist, ist ein gedämpftes Ansprechen der Sensoren gefragt, da die Veränderungen im Messgut häufig relativ langsam stattfinden. Werden die Sensoren in Belebungsbecken von Kläranlagen eingesetzt, ergibt sich durch den permanenten Lufteintrag und der damit verbundenen Blasenbildung ein unruhiges Signal, das es zu mitteln gilt. WTW bietet Sensoren in zwei Ausführungen: die elektrochemische Version Trioxmatic und die optischen FDO-700-Sensoren.

Im Labor dagegen wird unter definierte Bedingungen in geschlossenen Räumen gemessen. Der Messbetrieb findet entweder punktuell oder maximal innerhalb eines Arbeitstags statt. Die Probenvolumina sind klein, die Probenanzahl kann stark variieren. Die Anforderungen an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit sind im Labor hoch, ebenso spielt die Zeit- und Kosteneffizienz eine hohe Rolle. Weitere Bedingungen sind die Anpassung des Sensors an die Laborgefäße sowie leichte Reinigung der Oberflächen von Sensor und Messgerät. Der Standardsensor von WTW für diesen Einsatz ist CellOx 325, der wegen der schnellen Ansprechzeit und hohen Empfindlichkeit in kurzer Zeit für präzise Ergebnisse sorgt. Speziell für die Anforderungen im Labor wurde auch der digitale optische Sauerstoffsensor FDO 925 entwickelt. Er kann sowohl vom Design als auch von den Spezifikationen für alle Laboranwendungen eingesetzt werden. Wie sein „großer Bruder“ FDO 700 zeichnet sich der FDO 925 durch hohe Genauigkeit von Anfang an, hohe Stabilität über einen langen Zeitraum und geringen Wartungsaufwand aus. Auch hier kommt eine werkskalibrierte Membran zum Einsatz, deren individuelle Kalibrierwerte in einem Datenspeicher in der Membrankappe dauerhaft abgelegt sind. Diese Werte werden beim Aufsetzen der Membran vom Sensor automatisch gelesen und garantieren immer (auch nach einem möglichen Membranwechsel) hohe Genauigkeit über die gesamte Lebensdauer des Sensors. Das zur Anregung der Sensormembran verwendete grüne Licht ist im Vergleich zu blauem Licht energiearm und verhindert dadurch ein frühzeitiges Ausbleichen (Altern) der Farbschicht der Membran. Damit wird hohe Genauigkeit und geringe Drift über einen langen Zeitraum erreicht.

Der FDO 925 ist praktisch wartungsfrei, benötigt keine Anströmung und hat eine mit der CellOx vergleichbare schnelle Ansprechzeit. Die abgeschrägte Membran verhindert das Anhaften von Luftblasen und damit verfälschte Messergebnisse. Nur einmal im Jahr muss die Membrankappe getauscht werden, Elektrolyte etc. gibt es nicht. Die digitale Signalübertragung liefert zusätzlich GLP- und AQS-unterstützende Funktionen, z. B. Seriennummern oder aktuelle Kalibrierprotokolle. Nicht zuletzt erlaubt sie dünnere Kabel zur besseren Handhabung.

Mobile Messsysteme sind bezüglich der Anforderungen sozusagen ein Hybrid zwischen Online- und Laborsystemen. Zum einen müssen die Messsysteme portabel, leicht zu bedienen und witterungsbeständig sein, zum andern sind schnelle, präzise und dokumentierte Ergebnisse gefordert. Mechanische Robustheit, Wasserdichtigkeit und eine unabhängige Stromversorgung sind ein Muss, die Möglichkeit der elektronischen Datenübertragung an PC-Programme eine immer wichtiger werdende Option. Auch in diesem Anwendungsbereich ist der digitale optische Sauerstoffsensor FDO 925 optimal geeignet. Seine Vorzüge sind hier neben den unterschiedlichen Kabellängen die schnelle Ansprechzeit und die Anströmungsunabhängigkeit bei Profilmessungen. Selbstverständlich ist er bis 10 bar wasserdicht. Eine Membranstandzeit von einem Jahr reduziert den Wartungsaufwand und sorgt für problemlosen Betrieb. Auch hier unterstützt dieser Sensor die automatische Dokumentation der GLP-Daten.

Online-Info www.cav.de/0310450