Kalibrierung eines Sauerstoffsensors

Hier erfahren Sie von unserem Experten warum und wie elektrochemische und optische Sauerstoffsensoren kalibriert werden müssen.

Warum muss kalibriert werden?

Es gibt mehrere Gründe, warum ein Sauerstoffsensor kalibriert werden muss:

• Elektrochemische Sauerstoffsensoren basieren auf der Auflösung von Metallelektroden in Gegenwart von Sauerstoff und führen im Zusammenspiel mit dem Elektrolyten zu einem Niederschlag schwerlöslicher Salze.
  Die Ausfällungen verursachen einen erhöhten internen Widerstand und damit einen verminderten Ladungstransport. Dieser kann über eine gewisse Zeitspanne hinweg elektronisch kompensiert werden.

• Bei optischen Sauerstoffsensoren kommt es über die Dauer zu einem „Bleichen“ des Farbstoffs und damit zu einer verminderten Fluoreszenz. Auch dieser Vorgang kann mit Hilfe einer Kalibrierung und Justierung kompensiert werden. Hier gilt; Wer mit einer geringen Drift von wenigen Prozent (3 -5 %) im Jahr leben kann, kann sich die Kalibrierung ersparen und mit den werkseitigen Korrekturfaktoren („Werkskalibrierung“), die bei WTW^®-Sensoren automatisch über die Sensorkappe übertragen werden, eine einwandfreie Messung erzielen.

Abb. 1: Rückseite der Membrankappe mit Lesekontakten

Wie wird ein Sauerstoffsensor kalibriert?

Wer jetzt auf einen käuflichen Standard hofft, wird angenehm enttäuscht. Es gibt für Testzwecke Gasgemische, die einen definierten Sauerstoffgehalt aufweisen. Aber: sie sind erstens teuer und zweitens nicht erforderlich.

Für die Kalibrierung spielen nur zwei Größen eine Rolle:

• Der aktuelle Sauerstoffpartialdruck in Abhängigkeit vom barometrischen, nicht normierten Luftdruck
• Der temperaturabhängige Wasserdampfpartialdruck

Der Anteil des Sauerstoffs in den für uns Menschen allgemein zugängigen Regionen ist immer der Gleiche, nämlich rund 21 % der Luft. Es spielt keine Rolle, ob wir uns auf Meereshöhe bewegen oder in rd. 3800 m Höhe am Titicacasee, die einzige Veränderung ist der absolute Luftdruck und damit der zugehörige Partialdruck des verfügbaren Sauerstoffs. Auf Meereshöhe beträgt er rund 212 hPa, bei 3800 Höhenmeter liegt er bei knapp 650 hPa Luftdruck bei nur noch rd. 135 hPa. Das muss bei einer Kalibrierung natürlich berücksichtigt werden.

Der zweite wichtige Einflussfaktor ist der Wasserdampf. Die Kalibrierung wird nach DIN EN ISO 5814:2013-02 in wasserdampfgesättigter Luft durchgeführt, da sich diese Verhältnisse auch in geeigneten Gefäßen leicht herstellen lassen. Aus dem bekannten Luftdruck und dem hauptsächlichen temperaturabhängigen Wasserdampfpartialdruck bei Sättigung (die Druckabhängigkeit kann bei „normalen“ Höhen über NN vernachlässigt werden) lässt sich der aktuelle Sauerstoffpartialdruck errechnen und als Referenzgröße benutzen. Wichtig ist jedoch, dass sich keine Wassertropfen auf der Membran abscheiden, diese führen wegen des unterschiedlichen Diffusionsverhaltens aus der Gas- bzw. Flüssigphase zu falschen Kalibrierergebnissen.

Grundsätzlich werden alle WTW^® Gelöst-Sauerstoffsensoren nur in wasserdampfgesättigter Luft kalibriert, eine Nullpunktkalibrierung ist nicht notwendig. Die Sensoren können auf ein Nullsignalüberprüft werden, dazu eignet sich eine Natriumsulfitlösung oder aber eine reine Stickstoffatmosphäre.

Die Kalibrierergebnisse

Die elektrochemischen Sensoren

Bei allen elektrochemischen Sensoren wird intern ein Steilheitsfaktor bestimmt, der innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu einer gültigen Kalibrierung führt. Wir der Sensor anschließend an Luft getestet, so ergibt sich ein Sättigungswert von 102 bis 104 % Luftsättigung. Dieser Überbefund ist absolut normal, er rührt daher, dass sich bei Eintauchen in Flüssigkeit aufgrund der Sauerstoffzehrung durch das Sensorprinzip eine invariante Flüssigkeitsschicht vor der Membran einstellt, die als zusätzliche Diffusionsbarriere wirkt und an Luft selbstverständlich nicht vorhanden ist.

Abb. 2: Kalibrierkurve eines galvanischen Sauerstoffsensors

Die optischen Sauerstoffsensoren

Elektrochemische Sensoren zeigen eine lineare Kennlinie bei der Kalibrierung, die dem amperometrischen Prinzip entspringt. Bei optischen Sensoren verhält sich die Sache etwas anders. Obwohl das Quenchen kein linearer Vorgang ist, wird auch hier ein Steilheitsfaktor eingestellt, allerdings in engeren Grenzen als beim elektrochemischen Sensor. Da dieser Sensortyp keinen Sauerstoff zehrt, liegt der ideale Wert nach der Kalibrierung bei 100 % Luftsättigung.