Meß- & Automatisierungstechnik

Gelöst-Sauerstoff messen

Verwendung des optischen Messverfahrens

Der Mess- und Analysentechnikspezialist Jumo erläutert die Grundlagen für die Messung von Gelöst-Sauerstoff.

Die Messung der Sauerstoffkonzentration erfolgt bspw. in den gleichbedeutenden Einheiten mg/l oder ppm (parts per million). Wasser kann nur eine bestimmte Menge an Sauerstoff aufnehmen. Ist die maximal mögliche Menge an Sauerstoff im Wasser gelöst, beträgt der sogenannte Sauerstoffsättigungsgrad 100 %. Die maximal mögliche Sauerstoffmenge ist von der Temperatur abhängig. Bei geringeren Temperaturen ergeben sich größere Sauerstoffmengen, die gelöst werden können. So kann etwa Süßwasser mit 20 °C bei einem Atmosphärendruck von 1013 hPa eine Sauerstoffkonzentration von 8,84 mg/l erreichen. Bei 10 °C beträgt das Maximum bereits 10,92 mg/l und bei 0 °C können 14,6 mg Sauerstoff pro Liter Wasser aufgenommen werden. Kühlt bspw. sauerstoffgesättigtes Wasser von 20 °C (8,84 mg/l) auf 0 °C ab, liegt der Sättigungsgrad bei 8,84 mg/l bzw. 6 mg/l ≈ 61 %.

Unterstellt wird, dass während des Abkühlvorgangs keine Sauerstoffaufnahme aus der Atmosphäre erfolgt. Die maximale Aufnahmefähigkeit hängt weiterhin vom vorliegenden Luftdruck und vom Salzgehalt (Salinität) ab. Sie fällt mit reduziertem Luftdruck und steigendem Salzgehalt. In vielen Anwendungen muss der Sauerstoffsättigungsgrad in der wässrigen Flüssigkeit ermittelt werden. Hier misst ein Sensor den Sauerstoffgehalt, bspw. in mg/l, sowie die Temperatur. Der vorliegende Luftdruck und die Salinität werden als Festwerte am Messumformer eingegeben. Aus diesen 4 Größen wird der Sauerstoffsättigungsgrad ermittelt.

Das optische Messprinzip

Neben den elektrolytgefüllten Systemen eignen sich optische Sensoren für die Messung von Gelöst-Sauerstoff. Die Sensoren verfügen über eine Membran bestehend aus einem Trägermaterial und einem Luminophor. Die Membran wird durch eine Lichtquelle in regelmäßigen Abstanden angestrahlt. Das Luminophor geht durch die Bestrahlung in einen energetisch höheren Zustand über und fallt unter Freiwerden von Lumineszenzstrahlung in den Grundzustand zurück. Die emittierte Strahlung wird ebenfalls im Sensor gemessen. Bei Vorhandensein von Sauerstoff kollidiert ein Teil des angeregten Luminophors mit diesem und anstelle der Lumineszenzstrahlung wird die Energie an die Sauerstoffatome abgegeben. Je hoher die Sauerstoffkonzentration in der Membran ist, umso weniger Strahlung wird ausgegeben.

Überprüfung des Systems und Kalibrierung

Die Sensoren sind bei der Auslieferung kalibriert und somit direkt einsatzfähig Über einen Referenzwert (Sauerstoffsättigungsgrad 100 %) kann das System überprüft und nach einer entsprechend langen Einsatzzeit kalibriert werden. Der Sensor findet seinen Einsatz in Wasser, dennoch wird ein Sauerstoffsättigungsgrad von 100 % in dampfgesättigter Luft erreicht. Hierzu wird die Oberfläche der Membran mit einem Tuch abgetrocknet und der Sensor etwa 2 cm über einer Wasseroberflache platziert. Nach entsprechender Wartezeit stellt sich der Referenzwert ein.

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Jumo GmbH & Co. KG

Moritz-Juchheim-Straße 1
36039 Fulda
Deutschland

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