In chemischen Anlagen entscheidet die pH-Messstelle oft über Prozesssicherheit, Produktqualität und Anlagenverfügbarkeit. Besonders anspruchsvoll sind Medien mit hohem organischem Anteil, niedriger Leitfähigkeit, hoher Ionenstärken oder referenzvergiftenden Bestandteilen wie Sulfiden, Cyaniden und Ammoniak. In solchen Fällen reicht es nicht, nur den pH-Messbereich des Sensors zu betrachten: Entscheidend ist, wie stabil die Referenzseite des Sensors im Prozess bleibt.
Die Funktion und Lebensdauer eines pH-Sensors wird hauptsächlich bestimmt durch die Eigenschaften der Glasmembran, des Diaphragmas und des Referenzsystems. Die Glasmembran ist das pH-sensitive Element; sie bildet abhängig von der H+-Aktivität ein elektrochemisches Potential, dass im Vergleich zur Referenz in mV gemessen wird und den pH-Wert bestimmt. In Abhängigkeit zu den Prozessparametern kommen Standardgläser für breite Anwendungen, Spezialgläser für hohe Temperaturen oder flusssäurehaltige Medien sowie Flachmembranen in abrasiven Applikationen zum Einsatz. ISFET-Sensoren (ionensensitiver Feldeffekttransistor) setzen auf einen glasfreien Chip, anstelle der Glasmembran. Die pH- bzw. die H+-Sensitivität wird hier über eine Tantaloxid-Beschichtung erreicht.
Das Diaphragma stellt die Verbindung zwischen Prozessmedium und Referenzsystem her. Seine Bauform bestimmt Ansprechzeit, Reinigbarkeit und Verblockungsrisiko.
Die mit 3M-KCl gefüllte Referenzseite liefert das stabile Bezugspotential, typischerweise über ein KCl/Ag/AgCl-System. Wird diese Seite durch den Einsatz im Prozess ausgelaugt oder chemisch beeinflusst, entstehen Drift, träges Ansprechen und verkürzte Wartungsintervalle.
Diaphragmen: Vorteile und Grenzen
PTFE-Ringdiaphragmen sind robust, schmutzabweisend und gut zu reinigen. Aufgrund ihrer großen Oberfläche haben sie ein geringes Verblockungsrisiko. Sie eignen sich für viele Standard- und Wasserprozesse der Chemie, reagieren jedoch tendenziell langsamer und können Memoryeffekte zeigen.
Keramikdiaphragmen bieten eine schnelle Ansprechzeit, reproduzierbare Qualität und sind für hygienische Anwendungen prädestiniert. Des Weiteren gibt es Varianten mit einer druckbeaufschlagten Referenzseite, was das Risiko der Referenzvergiftung und Verblockung reduziert. Keramikdiaphragmen sind allerdings anfällig für Porenverblockung durch Beläge, Fette, Eiweiss oder Fällungsprodukte. Durch regelmässige Wartung oder automatische Reinigungslösungen im Prozess kann hier vorgebeugt werden.
Offene Poren sind bei hohen Feststoffgehalten und Fällungsreaktionen vorteilhaft, weil sie weniger zum Verblocken neigen. Gleichzeitig ist die Referenz direkter dem Medium ausgesetzt; dadurch steigt das Risiko der Referenzvergiftung.
Herausforderung: niedrige Leitfähigkeit, Organik, Referenzvergiftung
In der chemischen Industrie kommen häufig Medien mit hohem organischem Anteil und damit häufig niedriger Leitfähigkeit zum Einsatz. Bei geringer Leitfähigkeit diffundiert KCl schneller aus dem Referenzsystem in den Prozess. Hohe Ionenstärken können zusätzlich einen Ionenaustausch im Referenzsystem verursachen. Die Referenz wird zunehmend ausgelaugt, das Driftverhalten nimmt zu und die Justierung wird häufiger erforderlich. Ein veränderter Nullpunkt ist ein typisches Zeichen einer beanspruchten Referenzseite.
Zusätzlich greift ein hoher organischer Anteil die Quellschicht der Glasmembran an, wodurch sie weniger sensitiv auf H+-Ionen reagiert. Hier hilft der Einsatz von ISFET-Sensoren, deren Chip durch die Organik nicht beeinflusst wird.
Kritisch sind außerdem Sulfide, Cyanide und Ammoniak: Sie reagieren mit Silberionen der Referenz und bilden Niederschläge, die das Diaphragma blockieren können. Typische Symptome sind ein veränderter Nullpunkt und längere Reaktionszeiten. Es empfiehlt sich der Einsatz von druckbeaufschlagten Sensoren, Sensoren mit Ionenfalle oder die kontinuierliche Zufuhr von KCl.
Memosens CPS11E mit Salzvorrat und Ionenfalle
Memosens CPS11E ist ein robuster Universalsensor für die chemische Prozess- und Umwelttechnik. Sein PTFE-Diaphragma ist wartungsarm, schmutzabweisend und mechanisch widerstandsfähig. Für Medien mit niedriger Leitfähigkeit ist die Ausführung mit Salzvorrat besonders relevant: Das KCl-Reservoir verzögert den Elektrolytverlust und stabilisiert die Referenz über längere Zeit. Bei Vergiftungsrisiko bietet die Ionenfalle einen zusätzlichen Schutz. Sie wirkt als Ionentauscher, bindet freie Silberionen aus der Referenz und hemmt dadurch die Bildung schwerlöslicher Niederschläge im Diaphragma. In der Kombination aus Salzvorrat und Ionenfalle adressiert Memosens CPS11E zwei zentrale Probleme in der chemischen Produktion: Referenzauslaugung und Referenzvergiftung. Besonders sinnvoll ist er für robuste Trendmessungen, Grenzwertüberwachung und Standardprozesse mit moderater Dynamik.
Memosens CPS47E mit Flüssig-KCl Zufuhr
Wenn die Leitfähigkeit sehr niedrig ist, der organische Anteil hoch ist oder Medien schnell wechseln, kann ein Flüssigelektrolyt-Sensor die bessere Wahl sein. Memosens CPS47E ist hierfür ideal ausgelegt: er ist der High-Performer mit Flüssig-KCl-Referenz für Medien mit niedriger Leitfähigkeit oder hoher organischer Last. Als ISFET-Sensor ist er hierfür besonders geeignet und erhöht durch den bruchsicheren Schaft zusätzlich die Produktsicherheit. Der kontinuierliche Elektrolytfluss unterstützt die Referenzstabilität insbesondere dort, wo klassische Gelreferenzen schneller an ihre Grenzen stoßen. Für die chemische Industrie ist pH-Sensorik eine Frage der anwendungsgerechten Auswahl des pH-sensitiven Elements, des Diaphragmas und der Referenzstabilisierung. PTFE, Keramik und offene Pore bilden unterschiedliche Kompromisse zwischen Robustheit, Dynamik und Vergiftungsrisiko. Memosens CPS11E mit Salzvorrat und Ionenfalle eignet sich für robuste Standard- und Niedrigleitfähigkeitsprozesse mit Vergiftungsrisiko. Memosens CPS47E ergänzt das Portfolio für sehr niedrige Leitfähigkeiten, hohen organischen Anteil und dynamische Medien.
Felix Thiele, Product Manager Analysis Endress+Hauser (Schweiz) AG
Endress+Hauser (Schweiz) AG
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