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Membranbedeckte amperometrische Sensoren

Gebundenes Chlor

Wenn von Desinfektion gesprochen wird, dann denken die meisten Menschen sofort an Chlor. Dabei wird häufig übersehen, dass Chlor in unterschiedlichen Formen vorkommt, wie z.B. freies Chlor und gebundenes Chlor.

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 Chlors 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 Systeme 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 die 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 Membrankappe sollten regelmäßig getauscht werden.. 

2-Elektroden-Systeme

Eine Düse der Durchflussarmatur mit 6mm Durchmesser in etwa 15 Millimeter Entfernung bringt einen konstanten Strahl der Flüssigkeit (im Bild links symbolisiert durch blauen Pfeil) mit dem Desinfektionsmittel in senkrechter Richtung auf die Membran (1).

Die Membran lässt vorwiegend Moleküle des Desinfektionsmittels passieren. Diese Moleküle legen einen Weg in der Elektrolyt-Flüssigkeit (2) bis zur Arbeitselektrode (3) zurück. Die Arbeitselektrode (3) ist aus einem Edelmetall (Gold oder Platin) damit sie nicht korrodiert und steht unter einer sehr kleinen aber genauen elektrischen Spannung. Deshalb gibt das Desinfektionsmittel an der Oberfläche der Arbeitselektrode Elektronen ab. Diese Elektronen fließen zur Referenzelektrode (4) und bilden einen sehr kleinen elektrischen Arbeitsstrom. Dieser elektrische Arbeitsstrom wird gemessen und mit der Temperatur zu einem elektrischen Signal (6) verarbeitet. Dieses Signal kann ein Standard-Spannungs-Signal von 0 bis -2000 Millivolt oder ein Standard-Strom-Signal 4 bis 20 Milliampere oder eine Standard-Bus-Signal „ModBus RTU“ sein. 

Die Referenz-Elektrode (4) besitzt eine sehr dünne Silber-Salz-Beschichtung. Gemeinsam bilden diese Beschichtung und der Elektrolyt einen sehr genauen Spannungs-Nullpunkt. Nur dieser genaue Nullpunkt ermöglicht, die exakte elektrische Spannung für die Oberfläche der Arbeitselektrode einzustellen.

Neben dem Signal-Anschluss (6) ist - abhängig vom Typ des Ausgangssignales - eine Spannungsversorgung (7) erforderlich.

3-Elektroden-System

Eine Düse der Durchflussarmatur mit 6mm Durchmesser in etwa 15 Millimeter Entfernung bringt einen konstanten Strahl der Flüssigkeit (im Bild links symbolisiert durch blauen Pfeil) mit dem Desinfektionsmittel in senkrechter Richtung auf die Membran (1).

Die Membran lässt vorwiegend Moleküle des Desinfektionsmittels passieren. Diese Moleküle legen einen Weg in der Elektrolyt-Flüssigkeit (2) bis zur Arbeitselektrode (3) zurück. Die Arbeitselektrode (3) ist aus einem Edelmetall (Gold oder Platin) damit sie nicht korrodiert. Die Arbeitselektrode (3) steht unter einer sehr kleinen aber genauen elektrischen Spannung. Deshalb gibt das Desinfektionsmittel an der Oberfläche der Arbeitselektrode Elektronen ab. Diese Elektronen fließen im 3-Elektroden-System zur Gegenelektrode (5) und bilden einen sehr kleinen elektrischen Arbeitsstrom. Die Gegen-Elektrode (5) ist als Ring aus Edelstahl erkennbar. Durch diese Methode wird die Referenzelektrode (4) stromfrei gehalten. Der elektrische Arbeitsstrom wird gemessen und mit der Temperatur zu einem elektrischen Signal (6) verarbeitet. Dieses Signal kann ein Standard-Spannungs-Signal von 0 bis -2000 Millivolt oder ein Standard-Strom-Signal 4 bis 20 Milliampere oder eine Standard-Bus-Signal „ModBus RTU“ sein. 

Die Referenzelektrode (4) besitzt eine sehr dünne Silber-Salz-Beschichtung. Gemeinsam bilden diese Beschichtung und der Elektrolyt einen sehr genauen Spannungs-Nullpunkt. Nur dieser genaue Nullpunkt ermöglicht, die exakte elektrische Spannung für die Oberfläche der Arbeits-Elektrode einzustellen.

Neben dem Signal-Anschluss (6) ist - abhängig vom Typ des Ausgangssignales - eine Spannungsversorgung (7) erforderlich.

Membranfreie amperometrische Sensoren

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 Reinigungsvorrichtungen oder Reinigung per elektrischen Schaltungen notwendig macht.

Sensoren ohne Membran sind weniger druckempfindlich. In den Sensoren des Types DOSASens AS ist keine speziell passende Elektronik im Signal-Transmitter erforderlich.

Kupfer-Platin-Sensoren

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 membranbedeckten Sensor wird diese Spannung direkt von der Elektronik geliefert und sehr präzise eingestellt. 

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 abhängig. Üblicherweise wird die Kupfer-Oberfläche mit kleinen Glas-Kugeln beschossen um oxidfrei 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. 

DPD-Fotometer-Messung

Für dieses Verfahren ist die manuelle Messung mittels eines Photometers oder mittels eines visuellen Farbvergleiches bekannt. 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. Trotzdem wird das Verfahren als notwendiger Vergleich zur „Kalibrierung“ der Transmitter gebraucht.

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.

Legionellen

In jedem Rohr lebt ein Biofilm, in dem wiederum Legionellen leben. Legionellen sind ca. 1µm große, sehr widerstandsfähige Bakterien, die sich besonders in warmem Wasser vermehren. Sie leben in den etwas größeren Amöben und pflanzen sich dort auch fort. Auf den Menschen übertragen werden diese Bakterien über Aerosole und werden vor allem für ältere Menschen oder Menschen mit schwachem Immunsystem zur Gefahr. 

Wird das Wasser als Aerosol in der Luft verteilt, kommen die Legionellen über die Atemwegen in den menschlichen Körper und lösen die „Legionärskrankheit“ aus. Die Legionärskrankheit ist seit 1976 bekannt. Bei einem Veteranentreffen in Philadelphia erkrankten 221 Personen, 34 Personen verstarben. Daher der Name "Legionärskrankheit". Nach diesem Ereignis wurde intensiv geforscht un entdeckt, dass Legionellen die Erreger der Krankheit sind. 

Nach deutscher Norm (Trinkwasserverordnung §14, Absatz 3) ist die Anzahl der Legionellen in Versorgungssystemen zu überwachen. Bei Überschreitung des Grenzwertes von 100 KBE pro 100 ml ist jeder Betreiber zu technischen Maßnahmen gezwungen.