Chemische Sensoren und anwendungsspezifische Analyseelektronik

Was misst ein pH-Sensor, und welche Sonde wird gewählt?

Der pH-Wert beschreibt den sauren oder basischen Zustand einer Lösung in Bezug auf die Aktivität der Wasserstoffionen. Die verbreitete Glaselektrode erzeugt zusammen mit einer Referenzelektrode ein Potenzial; die Messelektronik rechnet dieses in einen pH-Wert um. Glas, Referenzaufbau und Diaphragma der Sonde werden anhand der Probeneigenschaften gewählt. Eine für Wasser mit geringer Leitfähigkeit geeignete Sonde muss nicht für verschmutzte Prozessflüssigkeit geeignet sein.

Die Platine darf dieses Signal, das eine sehr hohe Eingangsimpedanz erfordert, nicht belasten. Feuchtigkeit oder Verschmutzung an Kabel und Steckverbinder sowie Leckströme auf der Platinenoberfläche können das Ergebnis selbst bei intaktem Sensor verfälschen. In der Projektprüfung wird auch geklärt, wie die Sonde ausgebaut, gelagert und ersetzt wird. Ziel ist neben der Messung am ersten Tag auch eine konsistente Wiederinbetriebnahme nach der Wartung.

EC und TDS: Leitfähigkeit zeigt nicht die Menge jeder einzelnen Chemikalie

Die elektrische Leitfähigkeit bildet die Gesamtwirkung der Ionen in einer Lösung ab; sie identifiziert für sich allein nicht die vorhandenen Ionen. Derselbe EC-Wert kann aus unterschiedlichen Zusammensetzungen entstehen. Deshalb darf Leitfähigkeit nicht direkt als Nitratgehalt, Gehalt eines bestimmten Schwermetalls oder allgemeine Reinheit ausgegeben werden. Auch der TDS-Wert wird in vielen Geräten mit einem gewählten Faktor aus der Leitfähigkeit berechnet; dieser Faktor hängt von der Probenzusammensetzung ab.

Zwei- oder Vier-Elektroden-Zellen und bei geeigneten Prozessen auch induktive Leitfähigkeitsverfahren kommen infrage. Zellkonstante, Messbereich, Temperaturkorrektur, Blasen und Oberflächenbeläge sind wichtige Auswahlkriterien. Beispielsweise kann die Aufzeichnung von EC und Temperatur in einem Düngungsgerät nützlich sein; sie liefert jedoch keine getrennten Laborergebnisse für einzelne Nährstoffe. Die Bezeichnungen auf dem Bedienbildschirm müssen die tatsächlich gemessene Größe eindeutig wiedergeben.

Welche Fragen beantworten ionenselektive Elektroden und ORP-Sensoren?

Eine ionenselektive Elektrode misst ein Potenzial, das von der Aktivität eines bestimmten Ions abhängt. Mit geeigneter Kalibrierung und Probenvorbereitung kann es zur Konzentrationsberechnung genutzt werden; Störeinflüsse anderer Ionen, pH-Wert und Ionenstärke können das Ergebnis beeinflussen. Um Standard und Probe auf ähnliche ionische Bedingungen zu bringen, können methodengerechte Lösungen erforderlich sein. Elektrode und Arbeitsablauf werden für jedes Ion gesondert bewertet.

ORP bezeichnet das Oxidations-Reduktions-Potenzial der Probe gegenüber der verwendeten Elektrode und Referenz. Dieser Wert ist allein keine selektive Konzentrationsmessung einer bestimmten Substanz. Im Projekt wird die Frage „Ist eine Chemikalie vorhanden?“ zunächst in ein analytisches Ziel übersetzt: Welche Substanz, in welcher Probe und bei welcher Grenze? Bietet das Verfahren nicht genügend Selektivität, werden andere Mess- oder Referenzanalyseansätze in die Machbarkeitsprüfung aufgenommen.

Analoges Frontend und Isolation für chemische Sensoren

Bei hochohmigen Quellen wie pH-Elektroden sind geringer Eingangsbiasstrom, geeignete Guard-Leiterbahnen, eine saubere PCB-Oberfläche und Abschirmung wichtig. Das Beispiel Analog Devices CN0326 zeigt, wie Temperaturkompensation und elektrische Isolation bei einer pH-Messung gemeinsam betrachtet werden können. Das Ergebnis einer Evaluierungsplatine lässt sich nicht automatisch auf ein Produkt mit anderer Sonde und anderem Gehäuse übertragen.

Der Leitfähigkeitskanal benötigt dagegen eine geeignete Anregung und Impedanzmessung; er verwendet nicht dieselbe Schaltung wie ein pH-Eingang. Gegenseitige Einflüsse der Kanäle in derselben Probe werden am Prototyp untersucht. Messreihenfolge, Analogfilter, Versorgungsbereiche und gegebenenfalls Kanalisolation können Teil der Auslegung sein. Auch Leckströme durch Schutzbauteile gehen in das Fehlerbudget ein. Bei einer fertigen Sonde mit Digitalausgang werden Protokoll und Bedeutung der Kalibrierdaten anhand der Herstellerunterlagen verifiziert.

Entwicklung von Messplatinen für kleine Signale →

Warum sind Probenahme, Temperatur und Strömungsführung entscheidend?

Verändert sich die Probe vor Erreichen des Sensors, kann gute Elektronik diesen Unterschied nicht korrigieren. Standzeit, Luftkontakt, Blasen, Ausfällungen und Anhaftung an Rohrflächen werden anwendungsbezogen untersucht. Bei einer Durchflusszelle werden eine repräsentative Probe um die Sonde, geringe Totvolumina und Reinigungszugang berücksichtigt. Die Temperatur an der Messstelle kann von der eines Sensors in einem entfernten Schaltschrank abweichen.

Temperaturkompensation ist kein einzelner Vorgang, der sämtliche chemischen Veränderungen rückgängig macht. Die Korrektur der Elektrodensteilheit wird von der tatsächlichen pH-Änderung der Probe unterschieden; bei Leitfähigkeit muss der gewählte Temperaturkoeffizient zur Probe passen. In einem VOMRO-Projekt lässt sich im Datenformat und in der Oberfläche kennzeichnen, welche Werte roh und welche korrigiert sind. Deshalb werden Position des Temperatursensors und zeitgleiche Erfassung von Anfang an festgelegt.

Die Probentemperatur richtig messen →

Wie werden Kalibrierung, Reinigung und Sondenlebensdauer organisiert?

Die Kalibrierung erfolgt mit geeigneten Standards nach dem Verfahren des Sondenherstellers. Für pH werden Puffer über den erwarteten Bereich, bei Leitfähigkeit passende Standards und Zellkonstanten und bei ionenselektiven Messungen probengeeignete Standards und Vorbereitungsmethoden bewertet. Eine Justierung mit verunreinigtem Standard kann ein intaktes Gerät zu falschen Ergebnissen führen. Datum, Temperatur und Nutzungsbedingungen der Standards müssen dokumentiert werden.

Der Wartungsplan richtet sich nach der Belastung der Sonde durch die Probe. Die Benutzeranleitung beschreibt die Verträglichkeit des Reinigungsmittels mit dem Sondenmaterial und die Lagerung. Die Firmware kann Kalibrierdatum, Steilheit oder Zellfaktor, Stabilisierungszeit und Prüfergebnisse speichern. Abnahmekriterien beschränken sich nicht auf „die richtige Zahl auf dem Display“; auch Wiederholbarkeit und der Vergleich realer Proben mit einer Referenzmethode können definiert werden.

Wie beginnt die Entwicklung eines kundenspezifischen chemischen Sensorsystems?

Bei einem Wasserüberwachungsgerät können pH-, EC- und Temperaturkanäle gemeinsam geplant werden; in einem anderen Projekt kann eine einzelne selektive Elektrode ausreichen. Eine anfängliche Machbarkeitsprüfung des Verfahrens mit tatsächlichen Proben und vorhandenen Analyseergebnissen reduziert Unsicherheit. Passen Selektivität oder Wartungsaufwand nicht, kann statt zusätzlicher Sensoren ein anderes Verfahren erforderlich sein.

Für das Gespräch können Zieleigenschaft oder Zielion, Probenzusammensetzung, Messbereich, Temperatur, kontinuierliche oder zeitweise Messung, Reinigungsablauf und Datenausgang angegeben werden. Daraus grenzt VOMRO geeignete Sondenintegration, Elektronik, Firmware, Oberfläche und mechanische Durchflusskomponente ab. Bei Projekten mit notwendiger Verifikation der chemischen Methode werden die entsprechende Expertise und Referenzanalysen gesondert geplant. Quelldateien, Kalibrieranordnung und Abnahmeprotokolle werden in der Lieferliste festgehalten.