Kalibrieren: PH-Sonde, Elektrode & Co.

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Das richtige Kalibrieren der pH-Sonde ist zwingend Voraussetzung dafür, dass genaue Messungen vorgenommen werden können. Erst nach dem Kalibrieren darf die pH-Sonde bzw. die pH-Elektrode in die Messlösung eingetaucht werden, damit der pH-Wert gemessen werden kann. Wichtig zu beachten ist dabei, dass die Messungen abhängig von der Temperatur unterschiedlich ausfallen können.

Kalibrieren der pH-Sonde: Begriffsklärung

In der Messtechnik werden verschiedene Begriffe verwendet, die allerdings voneinander abgegrenzt werden müssen. Zum einen gibt es das Kalibrieren, dann das Justieren und zuletzt das Eichen. Als Kalibrieren werden die Feststellung einer Abweichung sowie die Dokumentation selbiger bezeichnet. Dabei wird der gemessene Wert mit dem erwarteten Wert verglichen und es zeigt sich – in der Regel zumindest – eine Abweichung. Das Messgerät zeigt demnach einen Wert an, der als Falschwert bezeichnet werden kann. Die Abweichung vom Soll ist nun bekannt.

Eine pH-Sonde kann auch justiert werden, darunter ist die Einstellung des Messgeräts zu verstehen, das damit auf die beim Kalibrieren gemessene Abweichung eingestellt wird. Damit zeigt das Messgerät keinen Falschwert mehr an, sondern den richtigen. In der Praxis werden Justieren und Kalibrieren synonym verwendet, da beide Vorgänge miteinander verbunden sind. Beim Kalibrieren wird das Messgerät eingestellt – wird hingegen nur vom Justieren gesprochen, so erfolgt keine Einstellung.

Beim Kalibrieren der pH-Sonde kann es auch zum Eichen kommen, hier muss das Landeseichamt zurate gezogen werden, welches die Eichung vornimmt.

Warum sollte man die pH-Sonde kalibrieren?

Eine pH-Elektrode ist im Inneren derart aufgebaut, dass sie eine Spannung von 0 mV abgibt, wenn sie Kontakt mit einer Messlösung bekommt, die einen pH-Wert von 7,00 aufweist. Die Einstabmesskette wird damit auf null gebracht, der Spannungspunkt ist der Nullpunkt.

Die Einstabmessketten, die in der Praxis zur Anwendung kommen, weichen oft vom normalen Nullpunkt ab, der als ideal gilt. Die Spannung kann um bis zu 5 mV differieren, wobei Abweichungen nach oben wie auch nach unten möglich sind. Die pH-Elektroden stammen aus unterschiedlichen Chargen der Fertigung oder sind verschieden alt. Daher wird beim Kalibrieren zuerst einmal eine Korrektur des Nullpunkts vorgenommen. Die pH-Einstabmesskette bzw. deren Nullpunkt wird daher auch als Asymmetriespannung bezeichnet, was aber strenggenommen unter elektrochemischen Gesichtspunkten nicht korrekt ist.

Die pH-Elektrode gibt ihre Spannung aber auch abhängig von der jeweiligen Temperatur ab. Das heißt, dass bei einer Änderung der Temperatur auch die Abgabe der Spannung geändert wird. Dafür legen Physiker bzw. Chemiker die sogenannte Nernst-Gleichung zugrunde, die den Sachverhalt der Spannungsänderung sehr gut beschreibt. Wenn sich die Spannung ändert und damit auch der pH-Wert, so wird das als Steigung der pH-Elektrode bezeichnet. Der Zustand der pH-Elektrode ist hier ausschlaggebend für das Ergebnis, denn auch dieses ändert sich je nach Alter oder bisheriger Beanspruchung der pH-Sonde.

Zusammengefasst: Das Kalibrieren ist zwingend nötig, damit die Steigung sowie die Nullpunktspannung der pH-Sonde ermittelt werden kann. Erst dadurch ist es möglich, einen genauen pH-Wert zu bestimmen.

Kalibrieren der pH-Sonde: Was ist die beste Vorgehensweise?

Wie in fast allen Bereichen der Technik oder der Naturwissenschaften wird auch beim Kalibrieren der pH-Sonde mit modernster Technik gearbeitet. Genau genommen kommen hier pH-Messgeräte zum Einsatz, die über einen Mikroprozessor gesteuert werden können. Diese Messgeräte stehen im Gegensatz zu den herkömmlichen Drehpotentiometern oder anderen Geräten. In welcher Reihenfolge die pH-Pufferlösungen verwendet werden, ist bei diesem Kalibrieren der pH-Sonde egal. Beim Kalibrieren wird die Spannungsabgabe der pH-Sonde mit dem pH-Wert bestimmt. Wird die Zweipunkt-Kalibrierung eingesetzt, so wird ein linearer Verlauf zwischen pH-Wert und Spannung angenommen. Die Beziehung dieser beiden Werte zueinander stellt daher eine Gerade dar, wenn das Ganze bildlich gezeigt wird.

Ermittelt werden müssen Nullpunkt und Steigung der pH-Sonde bzw. der pH-Elektrode. Dafür wiederum ist es nötig, die Spannung zweimal zu bestimmen: Hierfür werden zwei verschiedene Messpunkte genutzt, die auch zwei unterschiedliche pH-Werte aufweisen. Aus diesem Grund trägt der Vorgang auch den Namen „Zweipunkt-Kalibrierung“. Damit eine Gleichung für die Gerade aufgestellt werden kann, müssen also pH-Wert 1 und pH-Wert 2 bestimmt werden. Dafür setzen die Forscher Pufferlösungen ein, bei denen die pH-Werte bekannt sind. Es wird zum Beispiel vom pH-Wert 1 mit 4,00 und vom pH-Wert 2 mit 7,00 ausgegangen. Die pH-Sonde wird in die beiden Pufferlösungen getaucht und nacheinander werden die jeweiligen Spannungen gemessen. Diese bezeichnet man als U1 und U2.

Beim Kalibrieren der pH-Sonde auf die Temperatur achten!

Die pH-Werte sind immer abhängig davon, wie sich die Temperatur der Messlösung darstellt. Die verschiedenen ph-Puffer müssen daher auf den Temperaturverlauf eingestellt werden. Der genaue Verlauf der Temperatur im pH-Puffer muss bekannt sein, er wird im Messgerät gespeichert. Außerdem muss der Prüfende dem Messgerät mitteilen, wie die aktuelle Temperatur ist. Dafür gibt es entweder einen Temperaturfühler, der die Daten automatisch überträgt oder sie werden durch manuelle Eingabe an das Gerät übermittelt. Werden die Temperaturdaten manuell übertragen, so müssen sie entweder geschätzt werden oder sind durch genaue Messungen bekannt. Letzteres ist natürlich besser, weil hier genauere Messergebnisse zu erwarten sind.

Wann wird die pH-Sonde kalibriert?

Auf der Pufferlösung ist ein pH-Wert aufgedruckt, der als Basis für die Messungen verwendet werden kann. Der pH-Standard muss in der Pufferlösung immer wieder überprüft werden. Zeigt sich bei einer dieser Überprüfungen, dass die beiden Werte voneinander abweichen, so ist das Kalibrieren der pH-Sonde nötig. Berücksichtigt werden muss dabei, wie genau die Messung im Einzelfall ausfallen muss, denn nicht alle Messungen müssen „übergenau“ sein.

Pufferlösungen für die pH-Sonde

Wenn ein pH-System oder eine pH-Sonde kalibriert werden muss, so müssen Pufferlösungen zum Einsatz kommen. Sie sind in der Lage, den gewählten pH-Wert stabil zu halten, sie müssen ihn puffern können – daher auch der Name. Verwendet werden hier unterschiedliche Pufferlösungen. So kommen die nach DIN 19266 zum Einsatz, die als Standard empfohlen werden. Sie sind auch für sehr präzise Messungen geeignet und erfüllen alle Standards für das Kalibrieren einer pH-Sonde. Die Herstellung der DIN-Pufferlösungen ist sehr einfach, ihre Haltbarkeit gut. Insgesamt sind die Eigenschaften dieser Pufferlösungen gut, sie können überdies einfach reproduziert werden. Die Genauigkeiten sind hoch, das Arbeiten beim Kalibrieren sorgfältig möglich. Dazu kommt, dass diese Pufferlösungen geringe Unsicherheiten bieten: Sie weichen maximal 0,005 pH-Einheiten ab, wenn der Temperaturbereich zwischen 0 und 60 °C liegt, bei Temperaturen darüber und bis 95 °C betragen die Abweichungen höchstens 0,005 pH-Einheiten.

Da die Systeme für Messungen mit der pH-Sonde auch gewartet werden müssen, zeigt sich hierbei ein weiterer Vorteil der Pufferlösungen nach DIN: Die lange Haltbarkeit der Lösungen bewirkt eine deutlich einfachere Wartung sowie längere Wartungsintervalle je nach Intensität der Nutzung des Systems.


Bildnachweis: © Fotolia – cassis

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