Ramsch, B. & Sellner, B.R. 1997:  Was ist Licht? D. Aqu. u. Terr. Z. (DATZ) Sonderheft Aquarienpraxis Süßwasser.

Wie funktionieren elektronische Mesgeräte?

von Burkhard Ramsch und Beate R. Sellner



Elektronische Messgeräte
Behandlung von Sensoren

Zuverlässigkeit und Grenzen der Messmethoden


Elektronische Mesgeräte

Elektronische Messgeräte funktionieren immer nach dem gleichen Prinzip. Um einen Parameter (Temperatur, pH-Wert, etc.) messen zu können, wird ein Sensor benötigt. Dieser Sensor gibt ein Signal zu einem Messgerät. Das Signal wird elektronisch verarbeitet und der Messwert auf eine Anzeige geben. Kann zusätzlich bei einem bestimmten Wert ein Kontakt geschlossen werden, spricht man von Mess- und Regelgerät. Schaltuhren (Timer), Wasserwechselautomaten, Niveaukontrollen gehören nicht zu den Messgeräten - sie werden den Steuergeräten zugeordnet.



Elektronische Messgeräte können in verschiedene Gruppen unterteilt werden. Eine Ordnung kann nach dem zu messenden Parameter gewählt werden. So gibt es Temperatur-, pH-, Redox-, Leitfähigkeits-, Sauerstoffmessgeräte u.a.. Eine weitere Ordnung kann nach der Anwendung durchgeführt werden: so gibt es Handmessgeräte, die mit Batterie oder Akku zeitlich begrenzt betrieben werden, um z.B. eine Wasserprobe zu analysieren und stationäre meist netzbetriebene Messgeräte, die meist zur Dauermessung benutzt werden.

Wenn die Ordnung nach der Art der elektronischen Verarbeitung durchgeführt wird, kann man analoge und digitale Messgeräte unterscheiden. Bei analogen Messgeräten wird ein analoges Messsignal vom Sensor (z.B. eine vom Parameter abhängige Spannung, Strom, Widerstand oder Kapazität) in das Messgerät geleitet, verstärkt oder umgewandelt und zu einem Anzeigegerät geführt. Der Zeigerausschlag ist dann abhängig vom zu messenden Parameter, z.B. der Temperatur. Bewegt sich der Zeiger vor der richtigen Skala (Messwert plus Einheit) kann sofort in unserem Beispiel die Temperatur des Sensors abgelesen werden. Ist der Sensor z.B. im Aquariumwasser, zeigt das Messgerät die Wassertemperatur des Aquariums an.

Digitale Messgeräte gibt es in verschiedenen Ausführungen. Die einfachsten Messgeräte sind genauso aufgebaut wie die analogen, nur dass das ausgewertete Signal nicht auf ein Zeigerinstrument geführt wird, sondern auf eine digital Anzeige „Zahlenanzeige". Das Signal wird in einem sogenannten Analog-Digital-Wandler, kurz AD-Wandler, umgewandelt. Sitzt dieser AD-Wandler vor der Messelektronik, also direkt hinter dem Sensor, ist das Messgerät voll digital - wenn man einmal vom analogen Sensor absieht.

Analog (siehe Skizze A) oder digital (B) sagt nichts über die Qualität der Messgeräte aus. Auch können keine allgemeinen Aussagen über die Genauigkeit getroffen werden. Beide Varianten haben ihre Vor- und Nachteile.

Analoge Messinstrumente verführen z.B. nicht, einen Messwert genauer ablesen zu wollen, als das gesamte Messsystem ist. Bei digitalen Anzeigen wird oft die zigsten Stelle hinter dem Komma noch als aussagekräftig interpretiert. Auch bei schwankenden Anzeigen sind analoge Anzeigeinstrumente gegenüber den digitalen im Vorteil. Eine schwankende Anzeigenadel ist besser abzulesen als eine Flut von verschiedenen Zahlen. Bei digitalen Instrumente kann der Messwert schnell präzise erfasst werden. Viele Aquarianer haben Probleme einen Messwert auf einer Skala ablesen zu können. Da bieten digitale Anzeigen Abhilfe. Sowohl bei analogen als auch bei digitalen Messinstrumenten muss der abgelesene Wert oft noch mit einem Faktor multipliziert werden. Bei der Temperatur weiß man automatisch, welcher Wert realistisch ist, bei der elektrischen Leitfähigkeit gehen da die abgelesenen Werte schon einmal sehr weit auseinander.

Ob der AD-Wandler vor oder nach der Elektronik liegt, hat Einfluss auf die Art der Auswertung. Oft müssen Einstellungen vorgenommen werden, um das Sensorsignal korrekt auswerten zu können. Bei der pH-Wertmessung muss z.B. die Temperatur der Messproben bekannt sein, um das Signal zu kompensieren. Der Sensor ist nämlich nicht nur gegenüber dem pH-Wert empfindlich, sondern auch gegenüber der Temperatur. Liegt der AD-Wandler hinter der Elektronik muss in diesem Beispiel die Temperaturkompensation mit Einstellknöpfen eingestellt werden; liegt er vor der Elektronik, wird die Einstellung per Tasten vorgenommen oder läuft automatisch. Voll-digitale Geräte können oft die Messwerte über eine Schnittstelle an einen Personalcomputer weitergeben, oder können über den Computer programmiert werden.

Da sind wir schon bei dem Thema Aquaristikcomputer. Einige der Geräte sind leider nichts weiter als ein Vielfachmessinstrument, d.h. mehrere Geräte sind in einem Gehäuse untergebracht. Mit Computer hat das natürlich nichts zu tun. Richtige Computer weisen zumindest einen Mikroprozessor auf, der alle Rechenvorgänge übernimmt. Weiteres Merkmal ist, dass ein Aquaristikcomputer voll digital aufgebaut ist. Werte und Befehle werden über eine Tastatur eingegeben, Reaktionen sind an einem Display zu erkennen. Der Nachteil dieser Komplettsysteme ist, wenn eine Komponente ausfällt, muss meist das ganze Geräte eingeschickt werden und der Aquarianer ist ohne jegliche Mess-, Regel- und Steuertechnik. Auch wenn ein Systemabsturz passiert, funktioniert normalerweise gar nichts.

Abhilfe schaffen da modulare Systeme, die als Einzelbaustein funktionieren, aber auch wichtige Daten und Ereignisse an andere Bausteine weitergeben können. Über eine Kommunikationsleitung werden Informationen von einem Baustein zum anderen geleitet. Nachteil dieser Systeme ist der höhere Preis im Vergleich zur Komplettlösung. Aquaristikcomputer und Modularsystem sollte immer die Möglichkeit haben, das zukünftige Entwicklungen mit Hilfe neuer Software oder durch Austausch eines Chips in alten Systemen verwirklicht werden können.

Grundsätzlich gilt: nur mit einem sehr guten Sensor sind die genauesten Messergebnisse zu erhalten. Taugt der Sensor nichts, kann das beste Messinstrument keinen genauen Wert anzeigen.


Behandlung von Sensoren

Der Sensor ist also das wichtigste Teil der elektronischen Messung. Deshalb muss ihm besondere Zuwendung gegeben werden. Grundsätzlich altern alle Sensoren. Einige (z.B. Temperatur) jedoch so langsam, dass man auf eine Abstimmung mit der Elektronik verzichten kann.

Die Abstimmung wird als „kalibrieren" bezeichnet - fälschlicherweise auch als „eichen" bekannt. Wie oft ein Sensor kalibriert werden muss, hängt von der Benutzungsweise ab: je öfter in Extrembereichen gemessen wird, desto öfter muss kalibriert werden. Am besten notiert man sich den Messwert vor dem kalibrieren und vergleicht den Messwert nach dem Kalibrieren. Weichen die beiden Werte weit voneinander ab, muss öfter kalibriert werden.

Um einen Sensor kalibrieren zu können, müssen ein oder mehrere Standards vorhanden sein - beim pH-Kalibrieren wird meist mit zwei sogenannten Puffern gearbeitet. Man muss sich jedoch sicher sein, dass die Standards noch in Ordnung sind. Bei pH-Puffern kann man nicht erwarten, dass nach dem ersten Öffnen, die Puffer noch jahrelang o.k. sind. Die hohen pH-Puffer (über pH 8) verlieren sehr schnell ihren Wert. Auch die Kalibrierflüssigkeiten für die Leitfähigkeitsmessinstrumente verlieren schnell ihren Wert. Wenn ein Teil der Flüssigkeiten verdunstet, steigt die Leitfähigkeit vom Rest an. Deshalb auch hier: am besten nur mit frischen Kalibrierflüssigkeiten arbeiten. Es hat wenig Sinn, ein teueres Messinstrument zu erwerben, um dann mit minderwertigen Kalibrierlösungen zu arbeiten. Sauerstoffsensoren werden meist in einer mit wasserdampfgesättigten Atmosphäre kalibriert. Dazu gibt es besondere Kalibriergefäße.

Die Messketten für die pH-Messung müssen, wenn sie nicht eingesetzt werden, unbedingt in 3molarer Kaliumchloridlösung (3M KCl) aufbewahrt werden. Auf keinen Fall darf die Messkette (oft Elektrode bezeichnet) in Wasser oder gar destilliertem Wasser aufbewahrt werden. - Ist einmal die pH-Membran ausgetrocknet, kann sie in 3M KCl über Nacht wieder konditioniert werden. Allerdings sollte die Membran nicht zu oft oder zu lange austrocknen. Je nach Messkettentyp (Gelmesskette oder Flüssigelektrolytmesskette) darf der Sensor auch nicht zu weit in die Messprobe tauchen. Messketten mit Flüssigelektrolyt (unsinnigerweise auch Laborelektrode genannt) dürfen nur bis zum Diaphragma, der kleinen Öffnung am unteren Ende der Messkette, eingetaucht werden. Auch muss das Entlüftungsloch, in dem auch frischer Elektrolyt nachgefüllt werden kann, während des Messens geöffnet sein. Bei diesem Messkettentyp sollte nur mit dem passenden Halter gearbeitet werden. Gelmessketten sind robuster und funktionieren sogar vollkommen untertaucht lange Zeit korrekt.

Leitfähigkeitssensoren gibt es mit unterschiedlichen Materialien. Nur bei Sensoren mit platinierten Platinelektroden muss darauf geachtet werden, dass die Elektrodenflächen immer feucht gehalten werden. Trocknen diese Elektroden vollkommen aus, muss das Platin neu platiniert und das Messinstrument neu kalibriert werden. Die häufiger eingesetzten Edelstahl und Kohleelektroden sind weit aus unempfindlicher - allerdings auch ungenauer. Grundsätzlich gilt, dass alle Sensoren regelmäßig mit den entsprechenden frischen Standards kalibriert werden müssen.

Bei den Sauerstoffsensoren werden meist die membranbedeckten Typen verwendet. Es ist darauf zu achten, dass die Membran nie beschädigt wird. Von Zeit zu Zeit muss der Innenelektrolyt ausgewechselt werden. Bei einigen Modellen kann man das selbst machen, andere müssen zum Hersteller eingeschickt werden.

 

Zuverlässigkeit und Grenzen der Messmethoden

Der Aquarianer ist sich meist nicht bewusst, dass jede Messmethode ihre Grenzen aufweist und die Zuverlässigkeit in den Prospekten oft mit schönen Worten angepriesen wird. Es gilt, dass jeder Sensor ein Verbrauchsartikel ist, das heißt, dass jeder Sensor eine bestimmte Lebensdauer besitzt, die stark von den Messbedingungen abhängt.

Wie oben erwähnt, ist die Alterung der meisten Temperatursensoren vernachlässigbar und die Kalibrierung wird einmal im Werk vorgenommen.

Bei pH-Sensoren sieht das schon anders aus. Nicht jede Messkette ist für jeden Zweck einsetzbar. Wird in sehr weichem Wasser gemessen (z.B. Umkehrosmosewasser, Diskuswasser, Weichwasseraquarium) sind Gelmessketten und Messketten mit „normalem" Diaphragma nicht geeignet. Die Messergebnisse können um einige Zehntel pH-Stufen vom realen pH-Wert abweichen. Für diese Wässer sind eigentlich nur Messketten mit Schliffdiaphragma einsetzbar. Der Schliff gewährleistet, dass genügend Bezugselektrolyt in das Wasser fließt, um die elektrische Verbindung zwischen Probe (Wasser) und Messelektrode herzustellen. Dieser Typ von Messkette ist ebenfalls sehr gut bei sehr hohen Ionenstärken, z.B. Meerwasser, einsetzbar. In „normalem" Wasser, ab einer elektrischen Leitfähigkeit von ca. 50-100 µS/cm, können Messketten mit normalem Diaphragma eingesetzt werden. Es sollten aber nicht Gelmessketten verwendet werden, weil diese einen besonders geringen Elektrolytausstrom aufweisen. Der Geltyp ist erst ab ca. 300 µS/cm einsetzbar. Vorteil dieser Messketten sind ihre relative Verschmutzungs- und Druckunempfindlichkeit. Nachteilig ist die Tatsache, dass der Elektrolyt nicht auffüllbar ist.

Die pH-Messketten sind, wenn sie eine gute Qualität aufweisen, im aquaristischen Gebrauch sehr lange haltbar, weil meist nicht in Extrembereichen gemessen wird - Ausnahme der pH-Wert in Kalkwasserreaktoren. Gelmessketten können meist über ein Jahr, Messketten mit nachfüllbarem Bezugselektrolyt über mehrere Jahre verwendet werden. Voraussetzungen für eine genaue Messung sind:

  • Eine regelmäßige Kalibrierung mit frischen Pufferlösungen.
  • Die Temperaturkompensation wurde richtig durchgeführt: Einstellknopf „Temperatur" sowohl beim Kalibrieren auf die Puffertemperatur als auch beim Messen auf Wassertemperatur stellen.
  • Bei Messung einer Probe muss die Messkette genügend lange in die Probe eingetaucht sein. Der pH-Wert darf in einem Zeitraum von 2 Minuten nur um 0,01 pH variieren, damit man sicher sein kann, dass der abgelesene Wert auch wirklich mit dem pH-Wert übereinstimmt. Ein Messung kann in ionenarmen Wasser leicht 10 min dauern. Eine Messkette, die für Dauermessungen verwendet wurde, sollte vor dem Messen einzelner Proben über Nacht in frischer 3M KCl eingetaucht werden.
  • Es sollte darauf geachtet werden, dass die Messkette immer sauber gehalten wird. Algen und Bakterien können mit Spülmittel und einem weichen Tuch entfernt werden. Kalkablagerungen werden mit verdünnter Salzsäure und organische Ablagerungen mit Pepsin-HCl entfernt.
  • Die Messketten sollten vor gefräßigen Tieren in Sicherheit gebracht werden. Deshalb im Filterbecken (falls vorhanden) messen oder die Messkette mit einem Schutzkorb ausstatten. Dabei muss darauf geachtet werden, dass das Diaphragma nicht durch den Schutzkorb verdeckt wird. Nicht immer sind die von einigen Herstellern angebotenen Schutzkörbe verwendbar!

Die Langlebigkeit von Leitfähigkeitssensoren schwankt von Modell zu Modell stark. Auch bei diesen Sensoren muss darauf geachtet werden, dass die Elektroden stets sauber gehalten werden. Die Vierelektrodentechnik ist verschmutzungsunempfindlicher, allerdings für die Aquaristik sehr teuer. Die elektrische Leitfähigkeit ist extrem von der Temperatur abhängig. Deshalb ist eine automatische Berechnung zur Referenztemperatur von 25°C sehr sinnvoll. Andernfalls muss der abgelesene Wert in einer Tabelle verrechnet werden. Beim Kalibrieren im Meerwasserbereich muss darauf geachtet werden, dass der verwendete Standard mindestens 50 mS/cm aufweist. Gerade im hohen Salzbereich zeigen die Geräte meist um 2-3 mS/cm zu wenig an, wenn im unteren Leitfähigkeitsbereich kalibriert wurde. Grund dafür sind Polarisationseffekte der Elektroden.

Bei Sauerstoffmessungen muss eine gewisse Anströmgeschwindigkeit eingehalten werden, weil die Sensoren selbst geringe Mengen Sauerstoff verbrauchen, und bei unzureichender Zufuhr von frischen Wasser einen zu niedrigen Messwert anzeigen. Wie hoch die Anströmgeschwindigkeit sein muss, hängt sehr vom verwendeten Modell ab. Im technischen Anhang der Geräte sollte eine Mindestanströmgeschwindigkeit angeben sein. Auch der Zeitraum von einer Kalibrierung zur anderen kann von Sensor zu Sensor stark variieren.

Werden mehrere Sensoren in einem Aquarium benutzt, muss darauf geachtete werden, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Jeder Aquarianer sollte einmal ausprobieren, ob sich die Messwerte von Leitfähigkeit, pH und Redox verändern, wenn ein Sensor aus dem Wasser gezogen wird. Ist das der Fall, kann der Effekt zum Teil behoben werden, wenn die Elektroden räumlich weiter voneinander entfernt werden. Bei hochwertigen Messgeräten gibt es normalerweise keine gegenseitigen Effekte.