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Die Vorteile Membranbedeckter amperometrischer Sensoren

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Membranbedeckter Sensor 500

Wenn von Desinfektion gesprochen wird, dann denken die meisten Menschen sofort an „Chlor“. Dabei wird häufig übersehen, dass Chlor in unterschiedlichen Formen vorkommt. Während das rechte Auge mit „Freiem Chlor“ für Infektionen geschützt werden kann, ist das linke Auge vielleicht die Folge von Gebundenem Chlor und seinen Kindern in der Luft. Dieses Gebundene Chlor ist der Grund für den schlechten Geschmack und Geruch in der Luft – hat aber sehr wenig mit der Desinfektion oder unserem Schutz zu tun. Membranbedeckte Sensoren können auch diese Gattung des Chors erfassen.

Wie üblich im Leben ist es sehr vorteilhaft, alle Parameter eines Prozesses online und genau zu messen. Zu wenig Desinfektionsmittel kann die Gesundheit oder in der Industrie die Produktion gefährden. Bei zu viel Desinfektionsmittel können Menschen ebenso in Gefahr gebracht werden, aber viel häufiger sind finanzielle Verluste durch Überdosierung. Zuverlässige System mit membranbedeckten amperometrischen Sensoren werden von Deutschen Behörden in öffentlichen Schwimmbädern anerkannt und sind weltweit verbreitet.

Wirksamkeit

Selbst Freies Chlor kommt in unterschiedlichen Formen, sogar gleichzeitig, vor. Die Zusammensetzung ist vom pH-Wert des Wassers abhängig. Die Membranen und Elektrolyte ermöglichen die Messung in unterschiedlichen pH-Werten, unter Umständen sogar in sich verändernden pH-Werten. Im Zusammenwirken mit einem Regler wie dem DCW 400ip können die membranbedeckten amperometrischen Sensoren sogar eine Angabe zur Wirksamkeit des Freien Chlor unter den aktuellen Bedingungen machen.

Viele Desinfektionsmittel, viele Variationen

Bereits beschrieben sind die Untergruppen des Chlors. Das ist aber nur der erste Eindruck von der möglichen Variabilität der Membranbedeckten amperometrischen Sensoren. Das Freie Chlor kann auch an Isocyanursäure gebunden sein, welches membran-freie Messung stört. Ebenso ist die Abwesenheit von Desinfektionsmitteln für einige Prozesse notwendig. An einigen Anlagen müssen die empfindlichen Membranen der Filter gesichert werden. Aber die Welt der Desinfektionsmittel endet nicht beim Chlor. Möglich ist die Messung von:

  • Chlor
  • Brom
  • Chlordioxid
  • Ozon
  • Chlorit
  • Wasserstoffperoxid
  • Peressigsäure

Einsatz ohne Regler

Membranbedeckte amperometrische Sensoren sind darüber hinaus mit einer Erfassung der aktuellen Temperatur der Flüssigkeit ausgestattet und berücksichtigen diese bereits intern. So sind diese Sensoren auch ohne einen speziellen Regler überall auf der Welt, auch in Kombination mit Solaranlagen, einsetzbar.

Folgende Signale können an die Umgebung übermittelt werden:

  • 0 … -2000mV,
  • 4 … 20mA,
  • ModBus RTU,

Einfache Wartung

Bei korrekter Benutzung der membranbedeckten amperometrischen Sensoren ist deren Lebensdauer unendlich. Einzig der Elektrolyt und die Membran-Kappe sollten regelmäßig getauscht werden.

Sensor AS Perspektive geschlossen 500

PBT 06 Bild 17 Goldringsensor

Die Membran lässt vorwiegend Moleküle des erwünschten Desinfektionsmittels passieren. Diese Möglichkeit der Selektion ist ohne Membran nicht möglich. Ohne Membran kann auch das Elektrolyt einen Teil seiner Funktion nicht ausüben, den pH-Wert zu puffern oder auch weiter zwischen einzelnen Desinfektionsmitteln zu selektieren. Die wichtige Arbeits-Elektrode ist zusätzlich den Verschmutzungen des Wassers ausgesetzt, was unter Umständen Reinigungs-Vorrichtungen oder Reinigung per elektrischen Schaltungen notwendig macht.

Sensoren ohne Membran sind weniger druckempfindlich. MIt den Sensoren des Types DOSASens AS ist keine speziell passende Elektronik im Signal-Transmitter erforderlich. Ein Beispiel für den DOSASens AS im oberen Bild.

Einfache Elektroden mit einer oder mehrerer Oberflächen aus einem Edelmetall, meist Gold oder Platin, benötigen immer einen ganz besonderen Regler. Die Kompensation der Temperatur muss im Regler vorhanden sein. Standard-Signale können von den Sensoren nicht ausgegeben werden. Ein Beispiel für einen Sensor ohne eigene Elektronik im unteren Bild.

PBT 06 Bild 14 KupferPlatin

Die Vorteile der Membran und des Elektrolyten werden vom Kupfer-Platin-Sensor nicht geboten. Er besitzt beides nicht. Zur Messung eines Desinfektionsmittels wird beim „amperometrischen“ Prinzip eine sehr präzise elektrische Spannung zwischen Referenz-Elektrode und der Arbeitselektrode benötigt. Im Membran-bedeckten Sensor wird diese Spannung direkt von der Elektronik geliefert und sehr präzise eingestellt.

PBT 06 Bild 13 Tabelle 02

Im Kupfer-Platin-Sensor wird die natürliche Spannungsdifferenz zwischen den Metallen Kupfer und Platin genutzt. Die natürliche Spannung ist zusätzlich von der Größe der Oberflächen, der Wassergeschwindigkeit und dem Oxidationszustand des Kupfers abhängig. Üblicherweise wird die Kupfer-Oberfläche mit kleinen Glas-Kugeln beschossen um oxid-frei zu bleiben.

Alles gemeinsam führt zu einer Spannung, die dem Desinfektionsmittel nicht zugeordnet werden kann. Die elektrischen Ströme, die zwischen Kupfer und Platin fließen, sind deshalb sehr klein und benötigen eine aufwendige Verarbeitung. Der Kupfer-Platin-Sensor kann nicht ohne speziellen Transmitter benutzt werden.

Photometer

DPD Farbvergleich

Das DPD-Verfahren wird hauptsächlich als manuelle Messung mittels eines Photometers oder mittels eines visuellen Farbvergleiches realisiert. Aber auch kontinuierliche Messungen sind erhältlich. Dieses Verfahren ermöglicht nicht, zwischen Desinfektionsmitteln zu unterscheiden, da im Ergebnis immer die gleiche Farbe vermessen oder verglichen wird. Durch die manuelle Handhabung kommt es zu großen individuellen Fehlern. Das Ergebnis kann von der messenden Person beeinflusst werden. Das Verfahren wird für die meisten Parameter als Quelle für die Referenzwerte der „Kalibrierung“ der Transmitter genutzt. (Hier ist ein umfangreiches mehrteiliges Tutorial zur Kalibrierung der Transmitter zu finden.)

Die DPD-Messung ist ein patentiertes Verfahren, bei der die Wirkung des Desinfektionsmittels auf einen Farbstoff ausgenutzt wird. Der Farbstoff heißt Dipropyl-p-phenylendiamin. Über Umrechnungsfaktoren und zusätzliche Substanzen wird das DPD-Verfahren auf das vermutete Desinfektionsmittel angepasst. Zur Anpassung sind aber die gleichen Kenntnisse über den Prozess notwendig, wie für die Auswahl der Sensoren beschrieben.

Bereits im Foto der Farbskala sind zwei wichtige Punkte zu sehen. In der oberen Beschriftung ist erkennbar, dass die Messung nicht zwischen Chlor auf der linken Seite und Brom rechts daneben unterscheiden kann. Wenn, wie mindestens in Deutschland und Österreich üblich, das Freie Chlor unter einer Grenze von 0,3 bis 0,6 Milligramm pro Liter gehalten werden soll, dann wird dies mit der Abstufung der Farben nicht gelingen.

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PBT 06 Bild 12 Diagramm 03

Das Oxidations-Reduktions-Potenzial oder kurz Redox-Potenzial ist die Messung des Vermögens des Wassers, Elektronen aus einer chemischen Reaktion aufzunehmen oder abzugeben. Dabei verursacht eine Oxidation die Abgabe von Elektronen, die Reduktion eine Aufnahme von Elektronen. Das Redox-Potenzial des Wassers kann also durch Hinzufügen von Chemikalien geändert werden, wenn diese reduktiv oder oxidativ wirksam sind.

Allerdings unterliegt das  Redox-Potenzial auch weiteren Faktoren, wie Temperatur, Ionenstärke und pH-Wert. Die Bildung des Redox-Potenzials ist nicht auf die bekannten Desinfektionsmittel begrenzt, es kann auch von weiteren chemischen Reaktionspartnern beeinflusst werden. Man könnte behaupten:

Σ(Cl2, ClO2, O3, Fe3+, CL , O2, …)

Selbst wenn optimale Bedingungen vorherrschen und keine unerwünschten Reaktionspartner vorhanden sind, verläuft das Verhältnis von Desinfektionsmittel-Konzentration und Redox-Potenzial nicht linear. Die Gerade im Diagramm zeigt den Verlauf der Stromstärke an einem membranbedeckten amperometrischen Sensors, die Kurve stammt von einer Redox-Elektrode. Besonders im Regelbereich zwischen 600 und 800 Millivolt kann ein Transmitter keine konkreten Werte für die Konzentration eines Desinfektionsmittels auswerten.

Häufig werden nur die Grenzwerte genutzt. Wenn Redox-Potenzial kleiner als 700mV ist dann dosiert der Regler, wenn 750mV erreicht sind, dann stoppt der Regler. In Verbindung mit der vergleichsweise langen Reaktionszeit des Sensors könnte man den Eindruck haben, man erreicht eine konstante Konzentration des Desinfektionsmittels. Dieser Eindruck ist aber eine Fälschung.

 

In Bearbeitung

Nase

Die Nase täuscht! Denn Chlor ist geruchlos! Aber nicht in Verbindung mit Harnstoff. Wie Bäder den Umgang mit Chlor regeln. Und worauf Besucher achten sollten.

Wer sich leicht ekelt, bitte jetzt nicht weiterlesen: Wenn es im Schwimmbad stark nach Chlor riecht, heißt das NICHT, dass es dort besonders sauber ist – im Gegenteil: Das Chlor ist geruchlos. Erst in Verbindung mit anderen Substanzen bekommt das Chlor seinen typischen Geruch: Harnstoff. Die erste Assoziation ist: Urin im Wasser. Wo kommt das alles her? Wie viel ist drin? Und wie kriegt man es wieder raus? Ist die chemische Verbindung von Harnstoff und Chlor schädlich?

Gehen Menschen ins Schwimmbad, landen Hautschuppen, Schweiß, Make-up und Urin im Wasser. Das Desinfektionsmittel soll diese Substanzen ungefährlich machen, es verbindet sich mit diesen Substanzen und daraus entsteht der typische Schwimmbadgeruch. Die Nase nimmt also nicht die Konzentration des Desinfektionsmittels war, die Nase nimmt die Konzentration der schädlichen Nebenprodukte war.

 


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