Unterschied zwischen optischen DO-Sensoren und elektrochemischen DO-Sensoren

Optische DO-Sensoren

Optische Sensoren für gelösten Sauerstoff messen, wie Sauerstoff und Lumineszenzfarbstoffe in Gegenwart von blauem Licht interagieren. Das Licht regt die Farbstoffe an, wodurch sie Licht aussenden. Allerdings interagieren Sauerstoffmoleküle mit den Farbstoffen, wenn DO vorhanden ist, was die Wellenlängen des emittierten Lichts verändert oder begrenzt.

Zwischen dem so gemessenen Effekt und dem Partialdruck des gelösten Sauerstoffs besteht ein umgekehrter Zusammenhang. Genauer gesagt, ausgedrückt durch die Stern-Volmer-Gleichung, ist die Konzentration von DO, gemessen durch seinen Partialdruck, umgekehrt proportional zur Lumineszenzlebensdauer.

Ein optischer Sensor für gelösten Sauerstoff besteht aus vier Elementen: einer blauen Leuchtdiode (LED), einem Sensorelement, einer semipermeablen Membran und einem Fotodetektor. Der Lumineszenzfarbstoff wird typischerweise unbeweglich in Xerogel, Sol-Gel oder einer anderen Matrix im Sensorelement gehalten. Einige Sensoren verfügen außerdem über eine rote LED, sodass sie die Genauigkeit mit einer Rotlichtreferenz gewährleisten können, die der Farbstoff lediglich reflektiert.

Die Menge an gelöstem Sauerstoff in der Probe steuert die Lumineszenzlebensdauer und -intensität des Farbstoffs, wenn blaues Licht vorhanden ist. Sauerstoff interagiert mit dem Farbstoff, wenn er die Membran durchdringt, wodurch die Lumineszenzlebensdauer und -intensität des Farbstoffs begrenzt wird. Der Fotodetektor misst dann die Lebensdauer oder Intensität der zurückgegebenen Lumineszenz, die wiederum zur Bestimmung der Konzentration des gelösten Sauerstoffs verwendet wird.

Die Verwendung optischer Sauerstoffsensoren hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Einerseits bieten optische Sensoren für gelösten Sauerstoff häufig eine höhere Genauigkeit als elektrochemische Sensoren, insbesondere bei sehr niedrigen Konzentrationen. Optische DO-Sensoren werden auch nicht durch Gase beeinträchtigt, die die Membran eines elektrochemischen DO-Sensors passieren können.

Darüber hinaus eignen sich optische Sensoren für gelösten Sauerstoff aufgrund ihres minimalen Wartungsaufwands perfekt für Langzeitüberwachungsprogramme. Sie weisen eine geringe Kalibrierungsdrift auf und halten die Kalibrierung mehrere Monate lang aufrecht. Sie können Messungen auch ohne Rühren und Aufwärmzeit durchführen. Auch bei optischen Sensoren kommt der Austausch der Sensormembran seltener vor.

Andererseits ist für den Betrieb optischer Sensoren für gelösten Sauerstoff mehr Energie erforderlich, und sie benötigen im Allgemeinen zwei- bis viermal länger, um Ergebnisse zu liefern, als dies bei ihren elektrochemischen Verwandten der Fall ist. Auch die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf diese Sensoren, da sowohl die Lebensdauer als auch die Intensität der Lumineszenz davon abhängen. Die meisten optischen DO-Sensoren verwenden jedoch einen Thermistor, der sich automatisch an die Temperatur anpasst und die Daten korrigiert.

Das Fazit: Für ein langfristiges Überwachungsprojekt mit einer zuverlässigen Stromquelle, insbesondere in abgelegenen Gebieten, die schwer zu warten sind, ist ein optischer Sensor für gelösten Sauerstoff oft die beste Wahl.

Elektrochemische DO-Sensoren

Elektrochemische Sensoren für gelösten Sauerstoff gibt es in zwei Grundvarianten: polarographisch und galvanisch. Beide Varianten umfassen eine Elektrolytlösung mit einer Kathode und einer Anode – zwei polarisierten Elektroden. Eine dünne, semipermeable Membran trennt die Lösung mit den Elektroden und der Probe.

Je nachdem wie hoch der Sauerstoffdruck im Wasser ist, bewegt sich der gelöste Sauerstoff mit proportionaler Geschwindigkeit an der Membran vorbei. Wenn es die Kathode erreicht, wird der Sauerstoff dann verbraucht, wodurch ein elektrischer Strom entsteht, der direkt mit der Sauerstoffkonzentration zusammenhängt. Schließlich erreicht der Strom die Anode mit einer Geschwindigkeit, die proportional zum Sauerstoffpartialdruck der Probe ist.

Elektrochemische Sensoren können in stillem Wasser oder im Labor schwierig sein DO-Sensoren muss in Lösung gerührt werden, um künstlich niedrige DO-Messungen bei No-Flow-Szenarien zu vermeiden. Um dieses Problem zu vermeiden, rühren Sie einfach elektrochemische DO-Sensoren in der Probe um, bis der DO-Gehalt nicht mehr ansteigt.

Polarografische Sauerstoffsensoren

Polarografische Sensoren für gelösten Sauerstoff können entweder schnell pulsierende oder stationäre Sensoren sein. Ein polarografischer Sensor für gelösten Sauerstoff mit schnellem Impuls funktioniert ähnlich wie ein stationärer polarografischer Sauerstoffsensor und beide verfügen über die gleichen Elektroden und Prozesse. Allerdings schaltet sich ein polarographischer Sensor für gelösten Sauerstoff mit schnellem Impuls alle paar Sekunden ein und aus, wodurch die Strömungsabhängigkeit verringert wird und die Probe nicht mehr gerührt werden muss.

Beide Arten von polarografischen Sauerstoffsensoren bestehen aus einer Kathode aus einem Metall der „edlen“ Kategorie wie Platin oder Gold und einer Silberanode, beide in einer Kaliumchloridlösung. Ansonsten funktionieren sie ähnlich wie andere elektrochemische Sensoren.

Polarografische Sauerstoffsensoren haben sowohl Vor- als auch Nachteile. Zu ihren Vorteilen gehört, dass sie sehr kostengünstig sind und eine schnelle Reaktionszeit bieten, sobald sie im Einsatz sind. Zu den Nachteilen gehört, dass diese Art von Sensor eine gewisse Aufwärmzeit benötigt, bevor er einen Messwert liefern kann – normalerweise fünf bis 60 Minuten. Sie erfordern außerdem häufige Wartung, insbesondere da die Beschichtung der Anode oxidieren und ihre Leistung beeinträchtigen kann.

Fazit: Für Projekte mit kleinem Budget, die eine Reaktionszeit benötigen und Aufwärmzeit zur Verfügung stehen, ist dies der beste Sensortyp.