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A cost effective, self-calibrating, low maintenance pH sensor for an integrated approach to monitoring sea and drinking water, facilitating improvements in ocean, animal and human health

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Ein eigenständiger, selbstkalibrierender pH-Sensor für Wasserreservennetze

Präzise Wasseranalysen sind von entscheidender Bedeutung, um unsere Umwelt richtig zu verstehen und zu bewirtschaften. Das setzt absolut zuverlässige Sensoren voraus, die ausnahmslos präzise Messungen vornehmen.

Klimawandel und Umwelt

Die wichtigste chemische Messgröße zur Bestimmung der Wasserqualität ist der pH-Wert. Heutige pH-Sensoren sind jedoch mit Referenzdrifts und hohen Instandhaltungskosten verbunden. Diese Drift, die mit der Zeit in der Referenzelektrode auftritt, führt zu zunehmend unzuverlässigen Messungen. Die meisten Sensoren mit ionenselektiven Elektroden können ohne eine regelmäßige, arbeitsaufwendige Kalibrierung daher nicht über längere Zeiträume zur Überwachung eingesetzt werden. Aus diesem Grund können sie auch nicht in intelligenten Sensornetzwerken eingesetzt werden, um eigenständig genaue Messungen vorzunehmen. Zur Beseitigung dieses Problems entwickelte das EU-finanzierte Projekt pHenom einen innovativen pH-Sensor mit einer integrierten Technologie zur Referenzkalibrierung. „Wir können die Drifts natürlich unmöglich verhindern, da sie bei Sensoren intrinsisch sind. Wir haben aber eine neue Methode gefunden, um sie im Auge zu behalten, sodass der Sensor sich selbst kalibrieren kann“, erklärt Steven Gahlings vom KMU ANB Sensors, der das Projekt pHenom koordiniert.

Eine Lösung für das Drift-Problem

Die patentierte ANB-Technologie „iRef“ ermöglicht einen pH-Sensor, der nicht manuell kalibriert werden muss und bei dem über die gesamte Einsatzdauer hinweg keine Drift der Referenzelektrode auftritt. Das Prinzip beruht auf einer zweiten Elektrode, die neben der Referenzelektrode in die Referenzkammer eingebettet wird. Diese Referenzüberwachungselektrode misst in regelmäßigen Abständen die mögliche Drift in der Referenzelektrode und nimmt beim pH-Messwert automatisch die entsprechend nötige Kompensation vor. „Dadurch beseitigt iRef das Problem der Referenzdrift und macht die manuelle Kalibrierung damit überflüssig“, erklärt Gahlings. Die Forschenden entwickelten einen iRef-Prototyp, der in handelsübliche Glaselektroden integrierbar ist. Diese sind bereits seit den 1920er Jahren als Standard zur pH-Messung etabliert. Die Tests zeigten, dass iRef die nötige Präzision bietet, um die Glaselektrode zu kalibrieren, und in der Lage ist, selbst bei extremen Veränderungen in der Referenzkammer-Umgebung, einschließlich dem Eindringen von Verunreinigungen, eigenständig zu arbeiten.

Intelligente Ergebnisse

Die Kalibrierung erfolgt mit iRef ganz automatisch, sodass eine manuelle Kalibrierung nicht mehr erforderlich ist. Zudem können die pH-Sensoren im gesamten Wasserreservennetz eingesetzt werden. Dazu Nathan Lawrence, Erfinder von pHenom und Geschäftsführer von ANB Sensors: „Es genügt, den pHenom pH-Sensor einfach nur einzuschalten und ins Wasser zu geben, um pH-Messungen vorzunehmen.“ Dank der iRef-Technologie können ganz gewöhnliche, handelsübliche Glaselektroden in intelligente pH-Sensoren umgewandelt werden. Diese lassen sich dann in Seen und Flüssen, Wasserversorgungsinfrastrukturen, Reservoirs, Pipelines und Kläranlagen installieren und miteinander vernetzen, um eine bessere Verwaltung der Wasserversorgung und Umweltüberwachung in Europa zu ermöglichen. Sie können außerdem auch eingesetzt werden, um die Meeresumwelt und sogar den pH-Wert im Pansen von Kühen zu überwachen. Das pHenom-Projekt bietet den ersten intelligenten pH-Sensor ohne manuellen Kalibrierungsbedarf, der netzwerkfähig und IoT-kompatibel ist. Unternehmen und staatlich finanzierte Agenturen können dadurch ihre knappen Ressourcen für das Überwachungsmanagement effizienter einsetzen und so Zeit und Geld sparen. Gahlings abschließend: „Das Beste an pHenom: von Herstellern für pH-Sensoren mit Glaselektroden bis zu Endanwendern sind alle, mit denen wir bisher gesprochen haben, einfach begeistert von der revolutionären iRef-Technologie und davon, wie sie ein 100 Jahre altes Problem durch einen dem 21. Jahrhundert angemessenen pH-Sensor nun aus der Welt schafft.“

Schlüsselbegriffe

pHenom, pH-Sensor, Kalibrierung, Wasser, Referenzelektrode, iRef-Technologie, Glaselektroden, Elektrodendrift, ionenselektive Elektrode, intelligenter Sensor

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