7 Tipps für genaue und verlässliche Messungen mit ISE-Sensoren

Welche Erfahrung haben Sie mit ISE-Sensoren? Standen Sie schon mal vor der Frage, weshalb die Sensoren driften, falsch messen oder nicht lange halten? Mit Sensoren der Marke WTW und einer fachgerechten Wartung und Pflege gehören diese Themen der Vergangenheit an. In diesem Artikel erhalten Sie hilfreiche 7 Tipps unseres Experten für eine sorgenfreie Messung.

ISE-Sensoren – optimal zur Prozesssteuerung bzw. -regelung

Ammonium (NH₄-N) und Nitrat (NO₃-N) sind zwei prozessrelevante Messgrößen für die Nitrifikation und Denitrifikation. Von entscheidender Bedeutung für die Mess- und Regelungstechnik ist die Dynamik des zu regelnden Prozesses und somit die Geschwindigkeit des verwendeten Messsystems. Hier gilt: Je schneller Regelstrecke und Störgrößen sind, desto kürzere Ansprechzeiten muss das verwendete Messsystem aufweisen. Aus diesen Anforderungen der Mess- und Regelungstechnik wurden ionenselektive (ISE) Sensoren entwickelt, die die jeweilige Zielgröße Ammonium und/oder Nitrat sehr schnell und ohne Probenvorbereitung kontinuierlich und direkt im Prozess erfassen können.

Die Dauer von Nitrifikation und Denitrifikation sind von Anlage zu Anlage unterschiedlich, typische Laufzeiten liegen jedoch im Bereich von ca. 30 – 45 Minuten. Nasschemische Analysatoren sind mit ihren größeren Messintervallen von etwa 10 Minuten und länger daher oft zu langsam, um schnell auf sich ändernde Bedingungen reagieren zu können. Die ISE-Sensoren hingegen sind ideal, um beispielsweise bei Erreichen des NH₄-N-Sollwerts den Lufteintrag in das Becken sofort beenden zu können, um so Energie und Kosten zu sparen. Außerdem ermöglicht die kontinuierliche und direkte Erfassung der Zielgrößen die Darstellung in Echtzeit und erhöht somit die Prozesstransparenz. Die Genauigkeit der Sensoren ist für diesen Anwendungsfall ausreichend. Um diese über das ganze Jahr hinweg auch bei wechselnden Einleitern zu gewährleisten, ist von Zeit zu Zeit ein Matrixabgleich erforderlich. Erfahren Sie mehr über die Hintergründe der Messverfahren im Blogartikel NH₄: Nasschemischer Analysator oder Ionenselektiver Sensor?.

Weitere Informationen, Flyer und Technische Daten zu den Sensoren finden sie unter folgenden Links:

So funktionieren Matrixabgleich und Sensor-Pflege

Die ionenselektive Messung basiert auf der Sensitivität gegenüber bestimmten Stoffen bzw. Ionen, wodurch sich zwischen Arbeits- und Referenzelektrode eine Spannung in der Einheit mV ausbildet. Beeinflusst durch andere Ionen in der Probe verhalten sich diese aber nicht unbedingt entsprechend ihrer Konzentration. Dies wiederum beeinflusst das mV-Signal. Dieser sogenannte Matrixeffekt erfordert bei zu großen Abweichungen einen Matrixabgleich.

Zwar unterliegt die Zusammensetzung kommunalen Abwassers keinen allzu großen Veränderungen, trotzdem kann es sich durch wechselnde Einleiter oder bedingt durch Jahreszeiten und Regenereignisse sehr stark verändern, so dass die Elektroden neu an die Matrix angeglichen werden müssen.

Man vergleicht den Sensorwert gegen eine Labormessung. Da die Elektroden hierbei nicht in Standardlösungen getaucht werden, handelt es sich nicht um eine klassische Kalibrierung, sondern um eine Kalibrierung an die Probe. Ein korrekt durchgeführter Matrixabgleich und die fachgerechte Pflege der Sensoren sind maßgebend für die Verlässlichkeit der Ergebnisse.

Die 7 besten Expertentipps: Der korrekte Matrixabgleich

Tipp 1: Was ist beim Messort zu beachten?

Der Messort des Sensors muss repräsentativ sein. Das bedeutet, dass die Verhältnisse des Beckens gut abgebildet sein müssen, um die Konzentrationen der Zielgrößen möglichst realistisch zu erfassen. Nur so können steigende oder fallende Konzentrationen ermittelt werden. Ein Ort mit wenig Probenaustausch und einer somit relativ konstanten Konzentration ist nicht repräsentativ.

Tipp 2: Wann macht man einen Matrixabgleich?

Der erste Matrixabgleich sollte mit der Erstinstallation durchgeführt werden. Weitere Abgleiche sind nach Bedarf durchzuführen. Dieser kann im Rahmen der routinemäßig durchgeführten Labormessungen ermittelt werden. Notieren Sie sich zum Zeitpunkt der Probenahme zusätzlich den Messwert des Sensors. Vergleichen Sie nach den Laborarbeiten den Laborwert mit dem Sensorwert:

• Wenn Differenz unter ±0,5 mg/L, Sensor nicht abgleichen
• Wenn Differenz über ±0,5 mg/L
• Wenn Sensorwert unter 1 mg/L, Abgleich gegebenenfalls nur mittels „Offset“-Korrektur, weil Matrixabgleich möglicherweise zu anfällig (siehe „Wann nimmt man die Probe“)
• Wenn Sensorwert über 1 mg/L, Matrixabgleich durchführen

Die detaillierte Vorgehensweise für einen Matrixabgleich erhalten Sie in der Bedienungsanleitung des Sensors oder durch unsere technische Beratung.

Technischer Support

Tipp 3: Wo nimmt man die Probe?

Die Probe sollte direkt neben dem abzugleichenden Sensor genommen werden.

Tipp 4: Wann nimmt man die Probe?

Die Probe sollte bei einem Sensorwert von mindestens 1 mg/L NH₄-N bzw. NO₃-N genommen werden. Wird ein Matrixabgleich bei niedrigeren Konzentrationen durchgeführt, führen mögliche Messfehler dann bei höheren Konzentrationen zu größeren absoluten Fehlern.

Tipp 5: Was ist nach der Probenahme (und im Labor) zu beachten?

Die Probe muss nach der Entnahme sofort fixiert werden (siehe Video Tipp 3). Typischerweise wird dies mit einer Laborspritze und einem aufsteckbaren 0,45 µm Spritzenfilter durchgeführt. Ansonsten laufen biologische Prozesse auf dem Weg ins Labor weiter ab und die Konzentrationen von NH₄-N und NO₃-N verändern sich zum Teil deutlich. 

Im Labor angekommen, sollte mindestens eine Doppel-, besser eine Dreifachbestimmung durchgeführt werden. Daher muss eine ausreichende Probenmenge entnommen und fixiert werden. Die 3 Ergebnisse werden anschließend verglichen und gegebenenfalls Ausreißer entfernt. Von den übrigen Ergebnissen wird das arithmetische Mittel gebildet.

Der Messwert des Sensors darf nur mit „gleichwertigen“ Laborproben verglichen werden. Ein „Zwei-Stunden-Mittelwert“ beispielsweise ist keine gleichwertige Messung.

Tipp 6: Wie reinigt man den Sensor und die Elektroden fachgerecht?

Zur Elektrodenreinigung empfehlen wir den Überstand der entnommenen Probe und eine weiche (Zahn-)bürste. Vermeiden Sie den Kontakt mit Leitungswasser und vor allem mit Reinigungsmitteln oder destilliertem Wasser. All diese beschädigen die Elektroden.

Tipp 7: Wann müssen Elektroden getauscht werden?

Sofern weder Reinigung noch Matrixabgleich zu vernünftigen Ergebnissen führen, muss die betroffene Elektrode oder auch die Referenz getauscht werden. Dies ist auf kommunalen Kläranlagen typischerweise nach 12 bis 18 Monaten der Fall. Für neue Elektroden sollte ein Matrixabgleich durchgeführt werden (siehe Tipp 2).

Wartung von ISE-Sensoren in der Wasseranalytik

ISE-Sensoren bedürfen einer gewissen Wartung. Diese ist aber im Regelfall deutlich geringer und preiswerter als jene für einen nasschemischen Analyseautomaten. Viel entscheidender ist jedoch die für die Prozesssteuerung der biologischen Reinigung deutlich schnellere Messgeschwindigkeit der Sensoren.

Entscheidend bei der Wartung ist, diese korrekt durchzuführen. Denn ein falscher Matrixabgleich führt zu fehlerhaften Ergebnissen und erfordert eine Wiederholung. Die Häufigkeit eines Matrixabgleichs ist abhängig von Häufigkeit und Ausmaß der Änderung des Zuflusses der Anlage.

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