Sauerstoffmessung - Hamilton auf dem Weg zum "Intelligenten Sensor"

Eine vollständige Sauerstoffmessung im typischen Ø 12 mm-Format von pHElektroden oder sterilisierbaren Sauerstoffsensoren bietet mit Visferm DO als erste Firma der Schweizer Anbieter Hamilton Bonaduz. Der Sensor vereint im Sensorschaft: Hochtemperatur-taugliche Optoelektronik, Mikroprozessor, 4-20 mA Analogausgang, Digitalschnittstelle RS 485 mit ModBus-Protokoll sowie ECS-Schnittstelle! ECS steht für Elektrochemischer Sensor, also für klassische amperometrische Sensoren bzw. Clark- Zellen. Die ECS-Schnittstelle bietet die Möglichkeit, Visiferm DO an klassische Messverstärker (z. B. Yokogawa, Emerson, Knick oder Mettler) anzuschließen, die für sterilisierbare Sauerstoffsensoren, wie beispielsweise Hamilton Oxyferm-Sensoren ausgelegt sind. Bei der Verwendung der im 12 mm–Schaft integrierten 4-20mA- oder der digitalen RS 485-Schnittstelle kann gänzlich auf einen Messverstärker verzichtet und die Messergebnisse direkt in das Prozessleitsystem eingebunden werden.

Aller Anfang ist schwer, heißt es in einem alten Sprichwort! Es war jedoch für Hamilton Bonaduz leicht, als man vor der Entscheidung stand, ob man sehr viel Zeit und Geld in die Entwicklung einer eigenen optischen Sauerstoffmessung für die anspruchsvollen Märkte Biotechnologie und pharmazeutische Industrie investieren wolle! Schließlich hat man bereits in anderen Marktsegmenten gesehen, dass sich die optische Sauerstoffmessung innerhalb kürzester Zeit deutlich gegen die klassische Messung mit elektrochemischen, membranbedeckten und Elektrolyt enthaltenen Sensoren durchgesetzt hat. Eindrücklichstes Beispiel hierfür ist die O2-Messung im Abwasser. Inzwischen dürfte hier etwa jede zweite neue Messstelle mit einer ‚LDO’, also einer Light Dissolved Oxygen – Messung ausgestattet sein.

Hamilton produziert seit mehr als 10 Jahren sehr erfolgreich dampfsterilisierbare, autoklavierbare und CIP-taugliche Sensoren für pH, Redox, Leitfähigkeit und Sauerstoff. Diese konventionellen Sauerstoffsensoren basieren – wie branchenüblich – auf der Clark-Zellen-Technologie, bei denen der durch die Membran diffundierende Sauerstoff an einem Edelmetall reduziert wird. Der dabei entstehende Elektronenverbrauch erzeugt einen sehr kleinen elektrischen Strom, der in einem Messverstärker zum Sauerstoff-Messsignal umgesetzt wird. Diese Sensoren haben sich zwar über Jahrzehnte mehr oder weniger gut bewährt, jedoch weisen die optischen Sauerstoffsensoren Visiferm DO erhebliche Vorteile auf (Abb. 1).

Bei dem über 50 Jahre alten Familienunternehmen Hamilton ist die nachhaltige Kundenzufriedenheit bereits in der Firmenphilosophie unter den ersten Wörtern zu finden. So ist es selbstverständlich, auch bei der Sauerstoffmessung.

Der Anwender erhält mit der Visiferm DO mehr als einen Sensor, der nur auf einem anderen Messprinzip beruht. Visiferm DO steht für die Symbiose von Sensor und Messverstärker zum Intelligenten Sensor!

Technik, die neue Maßstäbe setzt Intelligenter Sensor

Die Bezeichnung ‚Intelligenter Sensor’ gewinnt eine neue Bedeutung, wenn man die in der Visiferm integrierten Funktionen betrachtet:

Eine 130°C stabile, ausgeklügelte Messoptik mit symmetrisch angeordnetem Diagnosekanal,

Die temperaturfeste Auswerteelektronik innerhalb des 12 mm-Schafts,

das als auswechselbare Sensorkappe ausgebildetes sensorisches Element,

digitale und/oder analoge Kommunikation über den bewährten VP-Steckkopf mit PG13.5-Gewinde,

vorbeugende Überwachung der gesamten Sensorfunktionen, darunter auch die Diagnose des Zustands der auswechselbaren Sensorkappe, mit entsprechenden Meldungen über die 4-20 mA und digitale Schnittstelle. Selbstverständlich wird im Sensor für die Selbstüberwachung eine Historie geführt,

konfigurierbar über die RS 485 Schnittstelle mit Notebook, PC oder via ModBus-Anbindung vom Prozessleitsystem aus oder mit Hamilton Visical oder Visivisi Modulen.

Blitzgescheite Optik

Während andere Anbieter von optischen Sauerstoffsensoren mit empfindlichen Lichtleitern oder mit nur einem Lichtkanal oder mit zwei verschiedenen Leuchtdioden arbeiten, bevorzugt Hamilton einen symmetrischen und mechanisch wie thermisch stabilen Aufbau der gesamten Optik mit Elektronik.

Die Visiferm DO Messprinzipien

Der Aufbau erlaubt es Hamilton, mit der einen Photodiode den Zustand der blauen LED zu überwachen. Die andere Photodiode - mit rotem Filter – misst das sauerstoffabhängige rote Licht. Dieses entsteht am Luminophor durch Lumineszenz (Fluoreszenz) nach Anregung durch blaues Licht. Dabei werden Elektronen des Luminophor auf ein höheres Energieniveau gepumpt und fallen unter Abstrahlung roten Lichts wieder auf ihr Ursprungsniveau ab.

Ist der Luminophor in Kontakt mit Sauerstoff O2, so übernehmen die O2-Moleküle die erhöhte Elektronenenergie, wodurch das rote Licht mit schwächerer Intensität abgestrahlt wird. Die Intensität wird als Teil der Selbstüberwachung ausgewertet, um das so genannte Photobleaching (Ausbleichen des Luminophor) zu erkennen. Zur eigentlichen Messung des Sauerstoffs wird die optische Phasenverschiebung zwischen blauem und rotem pulsierendem Licht hochpräzise gemessen. Während sich die angeregten Elektronen des Luminophor lange auf hohem Niveau halten können, fallen sie bei Anwesenheit von Sauerstoff früher wieder in den Grundzustand zurück. Zwischen einer pulsförmigen Anregung des Luminophor mit blauem Licht und der Ausstrahlung von rotem Licht liegt folglich eine sauerstoffabhängige Zeitverschiebung, die als Phasenwinkel gemessen werden kann. Die gesamte Messung, Berechnung und Ausgabe des Messwertes findet im Sensor statt.

Übrigens misst Visiferm genauso wie die klassischen Sensoren den Sauerstoff Partialdruck pO2, der dann beispielsweise als %-Luftsättigung oder als Konzentration in mg/l, ppm oder gar als ppb dargestellt wird.

Der Messbereich ist derzeit noch auf 0.1 % bis 300 % Luftsättigung eingeschränkt, was etwa 8 ppb bis 25 ppm entspricht. Dieser Messbereich ist für die meisten Anwendungen mehr als ausreichend. Für eine Erweiterung des Messbereichs bis 1 ppb werden noch intensive Tests durchgeführt.

Betriebssicherheit ist Trumpf Ein Vergleich zur klassischen Messtechnik

Ob sich ein Klärwärter über den zu hohen Energieverbrauch ärgert, weil die Sauerstoffmessung zu niedrige Werte im Belebungsbecken anzeigt, oder dem Pharmabetrieb eine wertvolle Fermentation misslingt, weil der bei 130°C frisch sterilisierte Sauerstoffsensor plötzlich keine brauchbaren Werte mehr liefert: Es ist immer ein Problem zu viel!

Die wohl häufigste Ursache von Fehlfunktionen bei den klassischen Clark-Sensoren ist die Schädigung der mechanisch empfindliche Sauerstoffmembran. Ist die Membran stark beschädigt, so hat man wenigsten bei einer Sichtkontrolle eine gute Chance, dieses Problem zu erkennen. Entsteht aber an der Membran nur eine kleine, kaum erkennbare Schädigung, so wird sich diese sehr bald in einem mangelhaften Elektrolyten und schließlich in einem Ausfall der Messung äußern.

Ein weiteres typisches Problemfeld stellen die sehr kleinen elektrischen Ströme dar, die in oftmals rauer Betriebsumgebung über Kabel zum Messverstärker übertragen werden sollen. Bereits leicht feuchte oder durch verschwitzte Finger verschmutzte Kontakte lassen diese Signale schnell einmal chaotisch und nicht reproduzierbar werden, da dann bereits kleine Temperaturschwankungen oder Vibrationen die Übergangswiderstände sichtbar verändern. Über die Zeit innen feucht gewordene Kabel und insbesondere feuchte Kabelbuchsen sind oftmals Ursache für Probleme bei der Messung von Sauerstoff, aber auch anderer Parameter wie pH.

Bei der Visiferm kann man die Messergebnisse als 4-20 mA oder digital aus dem Sensor ausgeben lassen. Beide Arten von Signalen sind deutlich toleranter gegenüber widrigen Prozessbedingungen als die empfindlichen Signale eines klassischen Sensors.

Signalverfügbarkeit

Eine Messstelle, die kein Signal liefert, kann großen Schaden anrichten. Die Signalverfügbarkeit an einer Prozesssteuerung hängt vor allem von der Ausfallwahrscheinlichkeit aller für das Signal benötigter Komponenten ab. Bei der klassischen Sauerstoffmessung sind dies üblicher Weise: Sensor, Sensorkabel, Messverstärker, dessen Energieversorgung, Kabel des Standardsignals vom Messverstärker zur Prozesssteuerung, meist noch ein Trennverstärker zur galvanischen Trennung und/oder ein separater Überspannungsschutz. Das schwächste Glied trägt zum Systemausfall am meisten bei.

Bei klassischen Systemen ist dies in erster Instanz klar der membranbedeckte Sensor und in zweiter Instanz das Kabel bis in den Messverstärker. Dieser liefert dann ein vielfach unempfindlicheres analoges mA- oder digitales Signal ab. Bei der Visiferm wird auf die besonders anfälligen kleinen Ströme verzichtet, da der Messverstärker direkt im Sensor sitzt. Statt einer störanfälligen Membran hat Visiferm eine robuste Sensorkappe als sensitives und selektives Element. Leichte bis mittlere Beschädigungen der Sensorkappe werden von der Visiferm toleriert. Der Sensor ist für Betriebsdrücke bis 12 bar bei bis zu 130 °C spezifiziert.

Spurenmessung im Griff

Die Spurenmessung mit klassischen Sensoren gilt als nicht sonderlich sicher, da bei Abwesenheit von Sauerstoff keine O2-Moleküle reduziert werden können, und damit auch kein Strom fließt. Gleiches passiert aber, wenn beispielsweise ein Kabelbruch vorliegt. Anders bei Visiferm: Bei niedrigen Sauerstoffkonzentrationen kommt am meisten rotes Licht zurück. Die Funktion des Sensors während der Spurenmessung kann somit leicht überwacht werden!

Betriebssicherheit durch einfache Wartung

Ein kritischer Punkt für den Einsatz von Geräten ist die Bedienerfreundlichkeit. Hierzu gehört auch insbesondere die Wartungsfreundlichkeit, da zum Beispiel im Falle einer nächtlichen Störung das anwesende Personal in der Lage sein muss, die nötigen Handgriffe sicher durchzuführen. Daher bedeutet jeder eingesparte Handgriff eine Erhöhung der Betriebssicherheit. Visiferm kommt dem entgegen: Sollte einmal die Sensorkappe ausgetauscht werden müssen, so ist dies ähnlich leicht und schnell getan, wie das Öffnen und Schließen einer Cola-Flasche. Die Sensorkappe abschrauben und eine neue aufschrauben. Fertig. Zur Erreichung einer hohen Messgenauigkeit kann nun noch eine Kalibration an Luft und bei Bedarf in Stickstoff oder CO2 durchgeführt werden.

Einsatzgebiete von Visiferm DO

Visiferm DO Sensoren wurden in verschiedenen Anwendungen getestet. Sie sind so entwickelt worden, dass sie problemlos dampfsterilisiert und autoklaviert werden können. Typische CIP-Reinigungen verträgt der Sensor sehr gut. Diese Eigenschaften verbunden mit der Standardbauform von klassischen 12 mm-Sensoren mit PG 13.5-Gewinde lässt die Visiferm hervorragend in Fermentern und anderen anspruchsvollen Bereichen zum Einsatz kommen.

Zu den Anwendungen zählt neben der Biotechnologie auch die Abwassertechnik. In Brauereien wird Visiferm bereits zur Überwachung der Kohlendioxid- Rückgewinnung eingesetzt. Tests im Bereich der Flaschenabfüllung stehen noch aus. Die Visiferm gibt es mit verschiedenen Schaftlängen: 120, 160, 225, 325 und 425 mm und ist bereits verfügbar.