pH Sensoren: Für garantiert anspruchsvolle PH Messungen

pH Sensoren sind in vielen Bereichen nicht wegzudenken. Doch wer glaubt, dass das nur etwas für Laborchemiker und Mediziner ist, irrt. Auch im Alltag gibt es mittlerweile viele Gründe, den pH Wert präzise zu bestimmen – inzwischen geht das sogar vollautomatisch.

pH Sensoren finden sich in vielen Bereichen des Lebens

Die meisten Menschen denken nicht über den pH Wert nach – bis sie einen Grund dazu haben. Dann aber stellt sich häufig die Frage, welche Sensoren zum Einsatz kommen und wie man möglichst präzise Messungen durchführt. Die Bestimmung des pH Wertes erfordert aber nicht unbedingt elektronische Sensoren, sondern ist beispielsweise auch mit Teststreifen möglich.

Theoretisch könnte man sogar die menschliche Zunge als Sensor zur Ermittlung von pH Werten bezeichnen, denn ob etwas sauer oder süß schmeckt, hängt stark mit diesem Wert zusammen. Zitronen schmecken saurer als etwa ein süßer Pflaumensaft. Und auch in der Küche werden wir ständig mit dem pH Wert konfrontiert, ohne es zu merken. Backpulver ist beispielsweise ein Produkt, das auf der Wirkung von Säuren und Basen beruht. Der Unterschied zwischen sauren und basischen Lösungen ist den meisten Menschen jedoch gar nicht bekannt.

Vereinfacht kann man es darauf reduzieren, dass eine saure Lösung eine hohe Konzentration an Wasserstoffionen besitzt und eine basische Lösung entsprechend eine niedrige Konzentration aufweist. Zur Beurteilung, ob der Wert hoch oder niedrig ist, dient als Referenz die Wasserstoffionen-Konzentration reinen Wassers. Diese Konzentration in einer Lösung wird in der Regel als pH-Wert bezeichnet.

Die Skala für den pH-Wert

Die Skala, die Sensoren oder Teststreifen verwenden, bezieht sich also immer auf den genormten pH Wert, nach dem sie kalibriert werden müssen, um korrekte Resultate anzuzeigen. Moderne Messgeräte müssen hierzu durch Kalibriersysteme eingestellt werden, bei vielen Modellen sind diese bereits intern integriert, bei anderen ist eine externe Eichung vorgesehen. Das gilt insbesondere für professionelle Anwendungen. Folgende pH-Werte entsprechen verschiedenen Lösungen, mit denen man im Alltag zu tun hat.

Diese pH-Wert-Skala zeigt, wie der mittels pH-Sensoren gemessene pH-Wert zu interpretieren ist.
(Grafik: shutterstock – Alhovik, #3)

pH-Wert von Säure zu Base:

• 1 – Magensäure
• 2 – Zitronensaft
• 3 – Orangensaft
• 4 – Tomatensaft
• 5 – schwarzer Kaffee
• 6 – menschlicher Urin
• 7 – destilliertes Wasser
• 8 – Salzwasser
• 9 – Backpulver
• 10 – Magnesiummilch
• 11 – Ammoniaklösung
• 12 – Seifenwasser
• 13 – Bleichmittel

Für die Biologie und somit auch die Medizin spielen der pH Wert und zuverlässige Sensoren für dessen präzise Ermittlung eine große Rolle. So kann eine Verschiebung des pH-Wertes im Blut oder Urin auf bestimmte Erkrankungen wie z. B. Diabetes hinweisen. Während man zur Erstbestimmung einen Teststreifen verwenden kann, ist für die exakte Bestimmung ein pH Messgerät im Labor notwendig, das darüber hinaus weitere Analytics für den behandelnden Arzt erstellt.

Nicht nur Mediziner und Chemiker benötigen zuverlässige pH Sensoren

Überall, wo Teststreifen nicht für die präzise Bestimmung des pH Wertes ausreichen, kommen ionenselektive Sensoren in entsprechenden Messgeräten für verschiedenste Anwendungen zum Einsatz. Sehr verbreitet ist die sogenannte Galvanometrie, bei der eine mit Kaliumchloridlösung gefüllte Kugel mit einer Glasmembran in die jeweilige Messflüssigkeit getaucht wird.

Die Wasserstoffionen neigen dazu, sich an der Glasoberfläche anzulagern und erzeugen somit eine galvanische Spannung innerhalb der Kugel, die sich von der einer unabhängigen Bezugselektrode unterscheidet. Aus der Differenz kann man den pH-Wert bestimmen, der dann meist über ein digitales Display angezeigt wird. Eine andere Messmethode verwendet ionenselektive Feldeffekttransistoren. Auch hier wird eine Membran eingesetzt, an deren Oberfläche sich Wasserstoffionen anlagern und die Stromdurchlässigkeit des mit der Membran verbundenen Transistors beeinflussen. Daraus lassen sich ebenfalls Messwerte ableiten. Doch für welche Anwendungen im Alltag sind pH Sensoren nun eigentlich notwendig? Die Antwort überrascht viele Laien und zeigt, dass ein großer Bedarf an präzisen Messgeräten besteht.

Typische Anwendungen für den Einsatz von pH Sensoren:

• AquaristikZur Bestimmung der richtigen Umweltbedingungen für bestimmte Fischarten
• LandwirtschaftZur Bestimmung des pH-Wertes von Böden und Erzeugnissen wie Früchte, Wein etc.
• Schwimmbäder und heimische PoolsHier ist der pH-Wert ein Qualitätsindikator des Wassers.
• MedizinInsbesondere bei der Analyse von Blut und Urin)
• Kosmetikz. B. für die Herstellung pH-neutraler Waschsubstanzen und anderer Produkte
• TrinkwasserÜberwachung der Qualität von Trinkwasser

Darüber hinaus gibt es noch viele andere Bereiche wie etwa die Lebensmittelchemie, wo pH-Werte immer eine große Rolle spielen. Kurzum: Auch Privatleute benötigen bisweilen genaue Sensoren zur pH Bestimmung, etwa wenn man ein Aquarium betreibt oder einen eigenen Swimmingpool hat. Doch auch im Hausbau, bei der Verwendung von Mörtel oder anderen Substanzen, ist der pH Wert des Bodens unter Umständen wichtig, um Korrosion und andere Probleme zu vermeiden.

Alternativ zu pH-Sensoren besteht auch die Möglichkeit, den pH-Wert auf chemischem Wege festzustellen. Teststreifen und wie hier sichtbar, Testtabletten und Teströhrchen helfen. (Foto: shutterstock – oneSHUTTER oneMEMORY, #1)

Automatische Messung des Wassers im heimischen Pool

Ob man einen voll ausgebauten Swimmingpool oder nur ein etwas größeres Schwimmbecken besitzt, ist egal. Wer für sich und seine Kinder einen ungetrübten Badespaß möchte, sollte den pH Wert des Wassers regelmäßig messen und überwachen. Die Folgen einer Verschiebung des pH-Wertes im Pool sind teilweise gravierend und können bei einer längeren Abwesenheit (z. B. im Urlaub) zu echten Schäden führen.

Zu niedriger pH-wett: Korrosionsschäden drohen!

Bei zu niedrigen pH-Werten wirkt das Wasser nämlich wie eine leichte Säure, die Korrosionsschäden hervorrufen kann. Armaturen, der Mörtel der Fliesen oder auch die Funktionsfähigkeit von Pumpen, Reinigungs und Filtersystemen kann beeinträchtigt werden. Zu Reinigungszwecken geben viele Besitzer gerne etwas mehr Chlor ins Wasser – auch das beeinflusst den pH Wert und kann im Zweifelsfall zu Irritationen auf der Haut und allergischen Reaktionen führen. Zu wenig Chlor kann hingegen ein Milieu begünstigen, in dem vermehrt Bakterien und Algen gedeihen, was man im Pool in der Regel vermeiden möchte.

Die tägliche Überprüfung des pH-Wertes über einen Teststreifen reicht zwar prinzipiell aus, ist aber immer mit dem Aufwand der Durchführung verbunden – und insbesondere bei Abwesenheit nicht immer möglich. Moderne Sensoren können Abhilfe schaffen und ihre Analytics Daten über eine automatische Funktion an eine App oder andere Dienste melden, damit der Eigentümer immer über den aktuellen pH Wert informiert ist und gegebenenfalls eingreifen kann.

pH-Sensoren sind längst digital. Wie hier zu sehen, nehmen sie Aufgaben in Landwirtschaft und Gartenbau wahr, werden oftmals per App vom Smartphone aus gelesen. Die Automatische Ph-Wert-Messung liefert im zeitalter von IoT die Daten direkt in das ERP-System. (Foto: shutterstock: Deyan Georgiev)

Auch Landwirte profitieren von automatischen Messeinrichtungen, die ihnen sofort anzeigen, wenn die Bodenwerte nicht mehr stimmen und die Nutzpflanzen in Gefahr geraten. Denn Pflanzen reagieren sehr sensibel auf Verschiebungen des pH-Wertes. Das wissen auch Hobbygärtner mit dem eigenen Gewächshaus im Garten.

Ein weiterer Vorteil eines über Kalibriersysteme geeichten Messgeräts ist, dass die Werte sehr zuverlässig sind und die Anschaffung von Teststreifen und Test-Tabletten entfällt, was die Folgekosten reduziert. Gerade wenn ein ständiger Bedarf für Messungen des pH Werts besteht, kann man durch die einmalige Anschaffung eines präzisen elektronischen Messinstruments letztlich Geld sparen.

Die Genauigkeit spielt je nach Einsatzbereich im privaten oder beruflichen Umfeld eine wichtige Rolle. Wer beispielsweise sehr empfindliche Meerwasser-Fische in seinem Aquarium halten möchte, muss peinlich genau auf den korrekten pH-Wert achten. Messfehler und Ungenauigkeiten kann man sich dann nicht leisten. Ähnliches gilt für Laboranwendungen in der Medizin, der Lebensmitteltechnik und der Landwirtschaft.

Fazit: Gute pH Sensoren müssen heute nicht mehr teuer sein

Früher waren hochwertige Messgeräte nur für Profis sinnvoll, weil der Anschaffungspreis in keinem Verhältnis zum Nutzen stand. Für die meisten nichtprofessionellen Anwendungen war daher das Teststreifen-Verfahren üblich. Das hat sich mit dem Preisverfall bei elektronischen Geräten stark geändert. Selbst hochwertige Geräte von Premium-Herstellern sind heutzutage für Laien und interessierte Amateure erschwinglich.

Insbesondere die Einbindung von Smartphones und App-Steuerung hat die permanente Kontrolle von pH-Werten in allen Bereichen ermöglicht. Aber auch günstige Geräte aus Fernost reichen hinsichtlich ihrer Präzision für viele Anwendungen problemlos aus. Wer allerdings zuverlässige Werte braucht, die unter Umständen auch gerichtsbelastbar sind (etwa in der Landwirtschaft oder bei der Qualitätskontrolle von Lebensmitteln), sollte stets ein geeichtes Modell verwenden, dessen Kalibriersysteme auch bei seltenem Einsatz für präzise Resultate sorgen.

Bildnachweis: © shutterstock – Titelbild artstore, #1 oneSHUTTER oneMEMORY, #2 Deyan Georgiev, #3 Alhovik