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Sauerstoffüberwachung Optischer Sauerstoffsensor im Stiftformat

| Autor/ Redakteur: Daniéll Malsch*, Matthias Urban*, Günter Mayer*, Thomas Henkel* & Winfried Schellbach** / Dr. Ilka Ottleben

Ein neu entwickelter miniaturisierter optischer Sauerstoffsensor erlaubt die Ermittung von Sauerstoff-Konzentrationen in Gasen und Flüssigkeiten in einem großen Konzentrationsbereich für vor-Ort- und Feld-Anwendungen.

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Abb.1: Der Sauerstoffsensor mit Anschluss an ein Hand-Auslesegerät. Der „oOPen“ kann auch über USB direkt an einen PC oder Laptop angeschlossen werden.
Abb.1: Der Sauerstoffsensor mit Anschluss an ein Hand-Auslesegerät. Der „oOPen“ kann auch über USB direkt an einen PC oder Laptop angeschlossen werden.
(Bild: IPHT Jena)

Die Verwendung optischer Sauerstoffsensoren für die kontinuierliche Prozessüberwachung hat sich in den letzten Jahren durchgesetzt. Anwender schätzen die einfache Handhabung und Integration in bestehende Systeme und loben die Verlässlichkeit der Messwerte bei einer geringen Störanfälligkeit sowie die selten durchzuführende und dabei sehr einfache Wartung der Geräte. Mit innovativen Ansätzen lässt sich deren Potenzial weiter ausschöpfen.

Der von dem Unternehmen OFS Online Fluid Sensoric und dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien Jena entwickelte Sauerstoffsensor ist ein miniaturisiertes optoelektronisches integriertes System zur Messung von Sauerstoff-Partialdrücken und -Konzentrationen in Flüssigkeiten und Gasen mit hohen Datenraten bis 100 Hz (s. Abb. 1). Dabei kommt das kostengünstige Messsystem durch sein speziell entwickeltes Optik-Konzept mit einer Standard-Photodiode als Detektor aus, ohne dabei Abstriche bei der Auflösung oder der Genauigkeit machen zu müssen. Das Anregungslicht liefert eine im Sensorkopf integrierte grüne LED.

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Die schnell auf Konzentrationsänderungen ansprechenden driftarmen Sensorfilme lassen sich durch ihre Integration in die Sensorkappe flexibel auswechseln. Sie decken die Konzentrationsbereiche von der Sauerstoff-Spurenanalytik mit Nachweisgrenzen im Bereich weniger µg/l bis hin zu physiologisch relevanten Konzentrationen von mit Sauerstoff gesättigten wässrigen Lösungen bzw. der Sauerstoffkonzentration in Luft ab (s. Abb. 2).

Das Anwendungsspektrum des neuen Sauerstoffsensors reicht von der Integration in technische Anlagen für Brauch- und Abwasserüberwachung, Sauerstoff-Restgasmessungen in Brennstoffen (Explosionsschutz ist dabei gegeben durch das optische Messverfahren) bis hin zur Überwachung und Messung des Sauerstoffverbrauches bei der on-Chip-Zellkultur und Mikrofermentation.

Miniaturisierte Optoelektronik

Als Messgröße für die Sauerstoffsensorik dient die Abhängigkeit der Phosphoreszenz-Lebensdauer eines Platin-Porphyrin-Komplexes von der Sauerstoff-Konzentration [1]. Sauerstoff wirkt hierbei als Triplett-Quencher und bewirkt eine konzentrationsabhängige Verringerung der Phosphoreszenz- bzw. Lumineszenz-Lebensdauer [2] des Transducer-Farbstoffes. Mit zunehmender Sauerstoffkonzentration sinkt die mittlere Phosphoreszenz-Lebensdauer. Diese wird über die Phasenverschiebung des Messsignals in Bezug zu einem sinusförmig modulierten Anregungssignal gemessen. Dabei können durch Eigenfluoreszenz der analytischen Matrix hervorgerufene Verfälschungen der Phasenverschiebung durch Messung bei zwei passenden Anregungsfrequenzen und nachfolgende Signalverarbeitung ausgeglichen werden [3]. Damit erlaubt dieser Ansatz das konzentrationsrichtige Auslesen der Sauerstoffkonzentration unabhängig von einer in ihrer Intensität unbekannten und nicht vorhersagbaren Eigenfluoreszenz der analytischen Matrix. Für die Kompensation der Temperaturdrift ist ein Temperatursensor in die Sensor-Spitze integriert.

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