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Trübungsmessung im klaren Bereich Kompakter und kostengünstiger Sensor für die Messung geringer Trübungen

| Redakteur: Dr. Ilka Ottleben

Ein neuer kompakter Sensor erlaubt die normgerechte Messung auch geringer Trübungen und das bei geringem Kostenaufwand – ein Interview mit den Entwicklern. Das Gespräch führte LP-Chefredakteur Marc Platthaus

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PD Dr. Marc Brecht (links) und Dipl.-Chem. Michael Metzger
PD Dr. Marc Brecht (links) und Dipl.-Chem. Michael Metzger
(Bild: Universität Tübingen )

LP: Wenn man Trübung hört, denkt man erst einmal an einen relativ willkürlichen Parameter. Ist das wirklich so?

PD Dr. Marc Brecht: Trübung beziehungsweise der dafür verantwortliche physikalische Effekt der Lichtstreuung begegnet uns in vielen alltäglichen Situationen. So können beispielsweise die Farben des Himmels, der Nebel, oder die Durchsichtigkeit von Flüssigkeiten mit der Streuung von Licht erklärt werden. In unserem Zusammenhang möchten wir uns auf die Streuung in Flüssigkeiten beschränken, welche im Allgemeinen als Trübung bezeichnet wird. Unter dem Begriff Trübung versteht man die Verringerung der Durchsichtigkeit einer Flüssigkeit, aufgrund von darin ungelösten Partikeln. Sie entsteht, indem eingestrahltes Licht von diesen ungelösten Teilchen absorbiert oder gestreut wird, wodurch eine Flüssigkeit uns trüb erscheint.

LP: Wie kann man die Trübung analytisch bestimmen?

Michael Metzger: Zur Messung der Trübung haben sich mehrere optische Messverfahren etabliert. Allen Verfahren gemein ist, dass die Probe mittels einer Lichtquelle beleuchtet und das gestreute Licht in unterschiedlichen Winkeln dazu detektiert wird. Dabei gelten verschiedene (DIN-) Normen welche unterschiedliche Lichtquellen und Messwinkel vorschreiben. So schreibt z.B. die Norm zur Wasserbeschaffenheit (DIN EN ISO 7027) die Verwendung einer Infrarot-Lichtquelle und einen Messwinkel von 90° (zur Beleuchtung) bei geringen Trübungswerten vor. Diese sehr weit verbreitete Methode wird als nephelometrisches Verfahren bezeichnet. Es eignet sich ausschließlich für sehr klare (0 NTU) bis mittel trübe (1000 NTU) Flüssigkeiten. Bei sehr trüben Flüssigkeiten misst man in Transmission, also die Abschwächung des Durchlichts der Beleuchtung (0° zur Einstrahlung) was die DIN EN ISO 7027 bereits ab einem Wert von 40 NTU vorschreibt. Eine komplexe Form der Trübungsmessung ist die Ratio-Methode. Dabei wird die Intensität des Streulichts gleichzeitig in mehreren Winkeln detektiert und automatisch je nach Trübungsbereich unterschiedlich stark gewichtet um ein sehr genaues Ergebnis der Trübungsmessung zu erzielen. Dabei sind Trübungswerte von 0 bis ca. 4000 NTU messbar.

LP: Was sind die Herausforderungen bei der Trübungsmessung?

Brecht: Hier muss man zwischen alltäglichen Herausforderungen bei der Trübungsmessung und denen, die wir bei unserer Sensorentwicklung erfahren haben, unterscheiden. Probleme, die grundsätzlich bei der Trübungsmessung eine Rolle spielen, sind Luftblasen in der Lösung sowie Verschmutzungen an der Küvette oder der Optik. Letztere führen – vor allem im niedrigen Trübungsbereich – sehr schnell zu deutlichen Abweichungen vom eigentlichen Wert. Im geringen Trübungsbereich sind daher Kratzer oder Fingerabdrücke auf den Küvetten sowie unsaubere Messzellen unbedingt zu vermeiden, da sie das Ergebnis verfälschen können. Herausforderungen, denen wir uns bei der Entwicklung stellen mussten, gab es ebenfalls einige. Eine fundamentale Fragestellung war die nach der optimalen Pfadlänge, d.h. welchen Weg das Licht der Beleuchtung durch die Probe bis zum Detektor zurücklegen muss. Dabei erhöht eine lange Pfadlänge die Sensitivität im niedrigen Bereich, verschlechtert aber die Linearität und somit die Kalibrierfähigkeit des Systems bei höheren Trübungswerten und umgekehrt. Des Weiteren mussten elektronische Probleme gelöst werden, wie die Implementierung einer konstant und gleichmäßig leuchtenden Diode, sowie eines kostengünstigen Detektors mit linearem Verhalten bei unterschiedlichen Lichtintensitäten. Hauptaugenmerk lag auf der Entwicklung eines kompakten, einfach bedienbaren und sehr günstigen Inline-Sensors, welcher die Erfüllung der Norm (DIN EN ISO 7027) zur Wasserbeschaffenheit für geringe Trübungswerte (bis 40 NTU) erfüllt.

LP: Wie haben Sie die Technologie verbessert, und wo sehen Sie Anwendungsgebiete Ihrer Methode?

Metzger: Trübungsmessungen finden in vielen Bereichen, z.B. in der Wasseranalyse (sowohl Trinkwasser als auch Abwasser) und in der Getränkeindustrie (Bier-, Saft- und Weinherstellung) ihre Anwendung. Dabei ist der Trübungsbereich von 0 bis 1000 NTU, welcher auch dem messbaren Trübungsbereich unseres Sensors entspricht, von besonders großem Interesse. Unser Hauptziel bei der Sensorentwicklung war es, eine reproduzierbare und sehr genaue Messung – im mit einfachen Mitteln schwer detektierbaren klaren Bereich von 0 bis 40 NTU – zu erreichen. Dabei wollten wir uns von den kommerziell erhältlichen, oft großen und nicht portablen Geräten unterscheiden, indem wir eine vergleichbare Genauigkeit bei deutlich geringeren Kosten (unter 50 Euro) und kompakterem Aufbau gewährleisten. Dies ist uns mit unserem Labor-Prototyp gelungen. Ein weiterer Vorteil unseres Sensors ist die einfache Steuerung und Auswertung über einen Microcontroller (Arduino), der ohne großen Aufwand in bestehende Systeme per Bluetooth oder WLAN implementierbar ist. Daher ist unser Sensorprinzip extrem flexibel und auf unterschiedliche Anforderungen erweiterbar bzw. veränderbar. Je nach Anwendungsgebiet wären so auch Messungen in einem bestimmten Zeitfenster, Zeitintervall oder eine Mittelung über eine bestimmte Anzahl von Messungen sehr einfach zu implementieren. Ein Anpassen an andere Vorgaben bzw. Normen kann durch einen einfachen Tausch der Lichtquelle oder des Detektors bewerkstelligt werden. Ein weiterer großer Vorteil des entwickelten Sensors ist, dass er als so genannter Inline-Sensor, d.h. direkt im Reaktionsreaktor oder in strömenden Flüssigkeiten verwendet werden kann. Die Erfassung eines relativ großen NTU-Bereichs bei geringen Kosten und der Möglichkeit von Inline-Messungen macht diesen Sensor für viele Anwendungsbereiche lukrativ. Dieser Sensor hält für geringe Trübungswerte die Norm DIN EN ISO 7027 ein und kann daher auch für die Trinkwasseranalyse eingesetzt werden. Momentan arbeiten wir an einer weiteren Entwicklungsstufe mit rotierender Messkammer um Fehlmessungen aufgrund von Fingerabdrücken und Kratzern (an der Küvette) durch Messungen an unterschiedlichen Stellen der Küvette zu eliminieren.

Meine Herren, vielen Dank für das Gespräch.Meine Herren, vielen Dank für das Gespräch.Meine Herren, vielen Dank für das Gespräch.

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