veröffentlicht in: Das Schwimmbad und sein Personal, Heft 05/2018
… oder wie wir zukünftig unsere Hygieneparameter im Auge behalten können!
Es ist ein paar Tage her, der letzte Beitrag hatte sich, wie ich hoffe, recht intensiv mit der Verfahrensstufe Filterung beschäftigt. Dieser Beitrag überspringt die zuletzt zugesagte Beschäftigung mit der Filterreinigung. Hier und heute soll es also um die Messung und Regelung zur Desinfektion gehen. Gemixt mit einigen Grundlagen und (m)einer hoffentlich besonderen Sichtweise.
Internet of things ist sprichwörtlich in aller Munde und beschreibt, wie das Internet in Geräte Einzug hält. In unserer Branche könnte man denken, das IOT macht einen großen Bogen um die Schwimmbäder. Das sollten wir gemeinsam ändern! Vielleicht braucht es dafür einfach nur ein neues Schlagwort, so wie Industrie 2.0 oder GroKo, in dem der Name mächtiger ist als der Inhalt. Die chemischen Grundlagen zur Desinfektion haben sich nicht wesentlich verändert, wir werden diese Grundlagen auch thematisieren. Wie sich ein eigenes
Internet of water
in jedem Schwimmbad aufbauen und nutzen lässt, wird aber im Folgenden eine große Rolle spielen. Ein Kollege aus einem großen Verlag sagte „Wiederholung macht den Slogan!“, falls sich jemand fragt, warum Titel und erste scheinbare Überschrift übereinstimmen. Später in diesem Beitrag sehen wir auch die Inhalte, die drin stecken (sollten).
Übertragung der Parameter und Werte über Internet, Foto 1: aqua&pools
Hygiene und Desinfektion
Zum Wiederholen der allgemeinen Lehrbuchweisheiten ist unsere gemeinsame Zeit zu schade. Aber auf ein paar Grundlagen müssen wir uns einigen, bevor wir ins Detail gehen können. Der Beitrag beschäftigt sich ausschließlich damit, wie optimal gefiltertes Wasser eines Schwimm- oder Badebeckens mit Chlor desinfiziert werden kann. Ergänzende Methoden, wie UV-Bestrahlung oder Ozonierung oder Kombinationen sollen hier ausgeklammert bleiben. Ebenso Ziele außerhalb des Badewassers, wie die Flächendesinfektion oder die Desinfektion der Aktivkohle im Filter. Wegen den oft völlig unterschiedlich verwendeten Bezeichnungen bitte ich um Verständnis. Wir werden diese vereinfacht und durchgehend verwenden obwohl einige Firmen eine andere Bedeutung nutzen.
Warum Desinfektion?
Orientieren wir uns an der allgemeinen Definition: Von Desinfektion spricht man bei einer Keimreduktion … um einen Faktor von mindestens 10−5. Das heißt, dass von ursprünglich 1.000.000 vermehrungsfähigen Keimen (sogenannten koloniebildende Einheiten (KbE, engl. CFU)) nicht mehr als 10 überleben.
Nun, in der allgemeinen Definition steht nicht, wie schnell die Keimtötung passieren muss. Hier ist die DIN 19643 genauer, in dem sie sagt: „Für die Desinfektion wurde eine Keimtötung an Pseudomonas aeruginosa von vier Zehnerpotenzen innerhalb von 30s zugrunde gelegt.“
Die Annahme dahinter ist, dass wenn man alle Parameter der DIN 19643 einhält, die Soll-Konzentration an Chlor ausreicht, das formulierte Desinfektions-Ziel einzuhalten. Aber natürlich muss auch der Norm-Besucher in der Norm-Anzahl in das Becken springen.
Die Erscheinungsformen von Chlor, Teil 1
Die Reaktionsfreudigkeit von Chlor ist es, die wir zur Desinfektion haben wollen. Gleichzeitig ist es aber auch diese Reaktionsfreudigkeit, die das Chlor auch in verschiedenen Erscheinungsformen auftauchen lässt. Dieses Bewusst-sein ist der erste Schritt in das Verständnis der Desinfektionswirkung.
In der DIN 19643, Stand 2012, werden bereits 5 unterschiedliche chlorhaltige Chemikalien genannt, die dem Wasser als Desinfektionsmittel zugegeben werden.
Diesen chlorhaltigen Chemikalien gemeinsam ist, dass sie oxidierend mit den organischen und mineralischen Inhaltsstoffen des Wassers zu gebundenem Chlor oder zu Salzen reagieren. Natürlich laufen kurz nach der Zugabe auch erste Nebenreaktionen, wenn zum Beispiel Chlorgas zu Salzsäure wird, parallel ab. Was übrig bleibt, bezeichnen wir üblicherweise als freies Chlor. Die Summe aus freiem Chlor und gebundenem Chlor wird Gesamtchlor genannt.
In der Regel schaut man sich die Konzentration des freien Chlors innerhalb einer (DPD-) Messung an, vergleicht mit dem Sollwert nach DIN 19643 und glaubt dann, ausreichend zu desinfizieren. Aber, selbst wenn man richtig messen und die Werte interpretieren kann, ist die Konzentration an freiem Chlor allein kein Garant für die Desinfektionsleistung. Da sind noch einige Faktoren im Spiel, auf die wir natürlich zuerst eingehen müssen.
Die Partnerschaft von Isocyanursäure und Chlor
Trichlorisocyanursäure (vollständig: chlorierte Isocyanurate) ist ein organisches Chlorprodukt, das als Depot für freies Chlor funktioniert. Den Vorteil beim Einsatz von Trichlorisocyanursäure, sich eine permanente (Nach-) Dosierung zu sparen, erkauft man sich mit erheblichen Mess-Fehlern und ‑Irrtümern.
Abbildung 1: Strukturformel Trichlorisocyanursäure
Aber statt diese Irrtümer aufzuklären könnte man einiges aus der Literatur auch als „Entmündigung des Schwimmmeisters“ bezeichnen. Zitat GUV Information 213-040, Gefahrstoffe bei der Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser, 2015, Punkt 2.1.6: „Trichlorisocyanursäure ist nicht als Desinfektionsmittel nach DIN 19643 „Aufbereitung von Schwimm- und Badebeckenwasser“ gelistet, da mit diesem Desinfektionsmittel keine exakte Chlormessung mit der in öffentlichen Bädern erforderlichen und vorhandenen Mess- und Regeltechnik möglich ist.
Ein Einsatz ist in kleinen Bädern und Wasserbecken ohne Mess- und Regeltechnik möglich.“
Verstehe ich das richtig? Weil ein Bad mit Mess- und Regeltechnik ausgestattet ist, darf es nicht verwendet werden? Die Industrie verkauft diese Mess- und Regeltechnik doch auch in Gegenden, wo die DIN und GUV für Autokennzeichen gehalten werden…
Kommen wir also zur Aufklärung der Irrtümer, später geht es dann um Mess- und Regeltechnik, die dabei hilft, diese Irrtümer zu vermeiden.
Man stelle sich einen Schwamm vor, der aus Trichlorisocyanursäure besteht. Das Wasser zersetzt (genannt Hydrolyse) diesen Schwamm ganz langsam, es kann mehr als 30 Tage dauern.
Trichlorisocyanursäure im Wasser, Foto 2: Fotolia
Der Schwamm zerfällt dabei in unterchlorige Säure, die als Desinfektionsmittel wirkt, und in überflüssige Isocyanursäure. Die (chlorbereinigte, nicht „Trichlor-“) Cyanursäure kann gleichzeitig in zwei Strukturformeln dargestellt werden. Anhand der Abbildung 2: Strukturformeln der Cyanursäure ist deutlich ersichtlich, dass das Chlor auf der rechten Seite der Reaktion gegen 3 Wasserstoff-Atome ausgetauscht ist.
Abbildung 2: Strukturformeln der Cyanursäure
Die Trichlorisocyanursäure reagiert im Wasser zu unterchloriger Säure und Cyanursäure. Vereinfacht ergibt sich folgende Reaktion:
Abbildung 3: Reaktion von Trichlorisocyanursäure, Quelle: Rolf Pohling, Chemische Reaktionen in der Wasseranalyse
Das Dilemma steckt im zeitlichen Verlauf. Während die unterchlorige Säure in der Desinfektion verbraucht wird, bleibt die Isocyanursäure „erhalten“ und wird immer konzentrierter im Wasser. Was passiert also bei der Verwendung von Trichlorisocyanursäure? Nichts Schreckliches …
Nehmen wir an, ein paar Tage sind seit der Dosierung vergangen und die Mess- und Regelanlage hat eine Konzentration angezeigt. Nun kommt der Profi zur Mess- und Regelanlage, zückt die DPD1-Messung, ermittelt das freie Chlor und wundert sich über hohe Werte. Irrtum Nr.1 ist, dass DPD1 immer das freie Chlor anzeigt. In Wahrheit ist es hier die Summe von freiem Chlor und dem noch im Schwamm steckenden Chloranteil der Trichlorisocyanursäure. Was tun? Die parallele Messung der Konzentration von Cyanursäure und Differenzbildung aus beiden Messwerten.
Zwei Geräte oder ein Gerät was beides kann? Gibt’s schon!
Multi-Parameter-Photometer, Foto 3: Dosatronic GmbH
Ganz so einfach wie in der Schule ist es doch nicht. Mit diesem Wissen kann man den tatsächlichen Gehalt an freiem Chlor ausrechnen, aber eine Umrechnungstabelle wird gebraucht. In der Literatur sind Tabellen verfügbar, zum Beispiel diese:
Tabelle 1: Vergleich Isocyanursäure, Quelle Lovibond® Water Testing
Wer rechnen kann, ist klar im Vorteil! Miss die Konzentration von Cyanursäure und errechne den Messfehler! Das erwartet man also laut GUV zwar vom Schwimmmeister, nicht aber von der Messtechnik?
Es ist weder mehr noch weniger freies Chlor im Wasser, es ist der Messfehler oder die Blindheit der Methode welches den Irrtum erzeugt. Aus diesem Grund gibt’s hier auch keinen neuen Namen für das Chlor sondern einen Namen für den Messfehler!
Wenn es nicht auch anders ginge, hätte der bisherige Text wohl kaum Sinn gemacht. Sollte man diese Fehlerkompensation nicht in ein Mess- und Regelgerät integrieren? Gibt’s schon! Hier, dieser Regler kann das:
Foto 4: Regler mit Berücksichtigung von Isocyanursäure
„Berücksichtigung“ in der Bildunterschrift bedeutet aber nicht, dass das Gerät selbst oder ein angeschlossener Sensor die Trichlorisocyanursäure messen kann. Die Messung im Photometer bleibt notwendig um den Wert manuell eingeben zu können.
Wer die vergangenen Beiträge gelesen hat weiß, dass es andere Methoden geben muss, als in einer Tabelle zu suchen und zu schätzen. Dieser Regler arbeitet präziser, weil auch hier eine Formel hinterlegt ist. In dem Fall sieht die Funktion so aus:
Abbildung 4: Messfehler durch die Cyanursäure, aqua&pools
(Zwischen-) bewerten wir diese Erkenntnis einmal. Wer in seiner Wasseraufbereitung mit Chlor an Cyanursäure arbeitet und hochwertige amperometrische membranbedeckte Sensoren benutzt, der sollte darauf achten, dass er mindestens einen Typ benutzt, der „cyanursäure-verträglich“ ist.
Zweitens muss der Sensor so ausgelegt sein, dass er die vorhandene Trichlorisocyanursäure (das Chlordepot) neben dem freien Chlor erfasst. Natürlich ist mir ein Sensor bekannt, der beide Forderungen erfüllt:
Foto 5: Membranbedecketer Sensor, aqua&pools
Wer die Handhabung kennenlernen will, sollte das Datenblatt unter „DOSASens CC1“ suchen. Natürlich ist ein ähnlicher Sensor auch im Programm von prominenteren Unternehmen zu finden.
Trotzdem muss klar sein: Wir haben bis hierher nur über die Reduzierung von Fehlern gesprochen. Die normalen Toleranzen der Messung sind weiterhin vorhanden und addieren sich. Es kann also nur von einer Hilfe bei der EinSCHÄTZUNG der Wirksamkeit gesprochen werden. Die alte Methode, die Chlordosierung einfach zu blockieren wenn der pH-Wert nicht passt, funktioniert natürlich im Regler von Foto 4 immer noch und kann parallel genutzt werden.
Die Partnerschaft von pH-Wert und freiem Chlor
Wer dachte, wenn man jetzt den Cyanursäure-Messfehler für freies Chlor kennt, würde dies zur Einschätzung der Desinfektionswirkung reichen, der wird enttäuscht sein. In Teil 2 zu den Erscheinungsformen des Chlors müssen wir unsere Machtlosigkeit gegenüber der Chemie einsehen.
Wenn wir Chlor zum Zwecke der Desinfektion ins Wasser geben, wünschen wir uns, es möge sich die sehr wirksame unterchlorige Säure HOCl bilden. Aber die Entscheidung darüber liegt allein beim pH-Wert. Denn abhängig vom pH-Wert und der Temperatur wird ein (großer) Teil der unterchlorigen Säure in Hypochlorit-Ion ClO– und Wasserstoff-Ion H+ gespalten.
Unsere einzige Möglichkeit ist es also, den pH-Wert zu verändern oder mit einer reduzierten Wirksamkeit zu leben. Schieben wir unser Wasser (auf der X-Achse) also mit einer Säure nach links, erhöht sich die Wirksamkeit.
Abbildung 5: Darstellung Wirksamkeit freies Chlor
Diese Verschiebung von pH8,2 auf pH7,0 ist mit dem horizontalen Pfeil dargestellt und führt dazu, dass sich die Wirksamkeit von 21,5% auf 81,3% verbessert. Den Einfluss der Temperatur habe ich für dieses Beispiel vernachlässigt.
Freies Chlor mittels Photometer
Diese Zusammenhänge sind jedem Schwimmmeister bekannt, ist in der Literatur als Dissoziation von Chlor in Wasser beschrieben. Aber ist auch bekannt, dass eine DPD-Messung für freies Chlor den gleichen Ablauf hat?
Das erste Reagenz einer DPD-Messung ist ein Puffer, der die Probe in einen festen Wert von ca. pH6,2 verschiebt. Die Einfärbung, die von dem zweiten Reagenz vorgenommen wird, ist nur in diesem pH-Wert definiert und ermöglicht so eine Ausgabe der Konzentration des freien Chlors.
Achtung, hier hätte man eigentlich schreiben müssen: „des vermutlich vorhandenen Desinfektionsmittels“. Denn dass es sich beim Messwert um freies Chlor handelt, ist nur eine Annahme des Probenehmers. Die DPD-Messung erkennt nicht, falls andere Desinfektionsmittel vorhanden sind.
Darüber hinaus führt nach meiner Erfahrung die digitale Anzeige eines Messwertes mit zwei Nachkommastellen zu dem Irrtum, dass dieses Ergebnis „auf den Punkt“ gelungen ist. Wiederholt man die (vollständige) Messung mehrfach mit der gleichen Wasser-Probe zeigt sich aber die Streuung der Ergebnisse. Sie ist deutlich über der Toleranz laut Handbuch, da die individuellen Fehler des Täters eingeschlossen werden. Was hilft? Wissen, intelligente Nutzung und die Angewohnheit, ausschließlich über einen Mittelwert aus mehr als 2 Messungen zu arbeiten.
Aber belassen wir es an dieser Stelle mit den Einschränkungen eine Photometer-Messung. Es ist und bleibt die beste Referenzmethode zur Kalibrierung aller Online-Sensoren.
Zurück zu den Anfängen der Messung von freiem Chlor
Für die Hersteller der Sensoren und Messtechnik gibt es also noch reichlich Potenzial. Der Irrtum, mit der „Geruchsprobe“ freies Chlor detektieren zu können, ist auch in unseren Gegenden noch weit verbreitet. Dass man hier aber nicht das freie Chlor sondern seine Verbindung mit dem Urin des Beckennachbarn
wahrnimmt, ist eine durchaus unbeliebte Tatsache. Überspringen wir diesen Schritt mal lieber!
Ja, es gibt sie noch, die mit der Redox-Elektrode die Desinfektionswirkung einschätzen wollen. Und als Hosenträger für schlechte Sensorik steht die Messung ja auch noch in der DIN. Was machen wir da eigentlich? Das Redox-Potenzial charakterisiert das Vermögen des Wassers, Elektronen aufzunehmen oder abzugeben. Durch Chlor (oder besser durch die hypochlorigen Säure HOCl) oder andere oxidativ wirkende Desinfektionsmittel wird das Redox-Potenzial erhöht.
Ein hohes Redox-Potenzial bedeutet aber auch, dass das Wasser fast keine reduzierenden oder bioverfügbaren Substanzen mehr enthält. Fehler sind also programmiert, wenn andere oxidierende oder reduzierende Substanzen ins Spiel kommen. Zitat Umweltbundesamt: „Für Wasser mit einem Jodid-Anteil über 0,5 mg/l ist der Wert für die ausreichende Redoxspannung experimentell zu bestimmen.“ Wer will oder es im Kopf hat, kann ja mal im Periodensystem nachsehen, welche Elemente sich noch so mit Jod in einer Gruppe tummeln und vielleicht genauso stören könnten.
Hier noch ein qualitativer Vergleich, welche Redox-Potenziale welcher Konzentration von freiem Chlor gegenüberstehen (könnten). Eventuell basiert der Hinweis des Umweltbundesamtes auf diesem einfachen Zusammenhang.
Abbildung 6: Signalverlauf Redox bei gegenüber DPD-Referenz
Man erkennt deutlich, dass eine leichte Verschiebung von wenigen Millivolt im Bereich 0,3 bis 0,6mg/l einen großen Messfehler produzieren kann.
Eine Redox-Messung besteht aus zwei Elektroden. Die Referenzelektrode, meist aus Silber / Silberchlorid, liegt in einer gesättigten Kaliumchlorid-Lösung und hat damit ein fixiertes Potenzial (elektrische Spannung). Die Arbeitselektrode, meist aus Platin, nimmt freie Elektronen aus dem Wasser auf. Es bildet sich eine elektrische Spannung aus wenigen Elektronen zwischen den beiden Elektroden. Diese Spannung kann man messen, sofern das Messgerät die Elektronen nicht „verschleudert“. Geräte dafür werden bei den Elektro-Freaks als „hochohmig“ bezeichnet.
Freies Chlor mittels Kupfer-Platin
Nicht lachen, es ist unglaublich, wie viele Sensoren dieses Typs bei unseren südlichen Freunden noch immer über den sprichwörtlichen Ladentisch gehen. Die Nutzung ist natürlich dem Preis geschuldet, nimmt man doch die Ungenauigkeiten gern in Kauf (dort wo die Badegäste nicht als Kunde betrachtet werden).
Die meisten Metalle haben einen Platz in der elektrochemischen Spannungsreihe. Hier ein Ausschnitt, der Kupfer und Platin zeigt:
Abbildung 7: Auszug elektrochemische Spannungsreihe, Quelle Wikipedia
Beide Metalle befinden sich in einer leitfähigen Umgebung, so dass sich eine Galvanische Zelle bilden kann. Das „edlere“ Metall, also weiter oben in der Reihe, ist Platin und deshalb nimmt es „bereitwilliger“ Elektronen auf. Gut so, denn so löst sich maximal der Kupfer auf und nicht das teure Platin. Dies geschieht von ganz allein. Die Spannung von ca. 850mV, als Differenz zwischen +0,35V und +1,2V, wird von der Natur geliefert und motiviert die freien Elektronen, die vom Chlor geliefert sein könnten, sich zum Platin hin zu bewegen. Es ist nicht die optimale Spannung, aber „zum Schätzen reicht es“.
Abbildung 8: Kupfer-Platin-Elektrode, Foto aqua&pools
Zwar handelt es sich um eine Gleichgewichtsreaktion, die nach dem Austausch der Elektronen zum Stillstand kommen würde, aber wenn man die Metalle elektrisch verbindet, finden die Elektronen ihren Rückweg zum Kupfer. Diese Wanderung nennt man klarerweise elektrischen Strom und misst die wenigen Nanoampere. Weil dieser Strom größtenteils proportional zur Konzentration oxidierender Substanzen ist, wird er ausgemessen und über einen Faktor als Konzentration von freiem Chlor interpretiert. Ein Strom wird gemessen, deshalb nennt es sich „amperometrisches Messsystem“.
Wer aufmerksam gelesen hat, dem ist aufgefallen: „vom Chlor geliefert sein könnte“, denn dieser Sensor kann (wieder) nicht unterscheiden, ob die Elektronen vom Chlor oder anderen Substanzen kommen.
Schon bemerkt, auch dieser Beitrag bewegt sich wieder nach diesem Schema der Evolution:
Abbildung 9: Evolution der Chlormessung, aqua&pools
(für automatische Übersetzung, von links nach rechts: 1-Geruchsproben, 2-Redox-Messung, 3-DPD-Messung, 4- potenziostatisch-amperometrische Sensoren, 5-membranbedeckte Sensoren)
Freies Chlor mittels potenziostatisch-amperometrischem Sensor
Was das Kupfer kann, das kann der geübte Messtechniker schon lange! An dieser Stelle verzeiht bitte meine literarische Verbeugung vor dem deutschen Branchen-Spezialisten Herrn Christoff Scheffold! Was kann das Kupfer? Es kann ein natürliches Potenzial zum Platin aufbauen.
Der geübte Messtechniker nimmt die Referenz aus einer Redox-Elektrode und ersetzt den natürlichen Potenzial- oder Spannungsunterschied zu einer edlen Metalloberfläche gegen einen künstlichen. Das elektronische Bauteil, welches einen solchen Potenzial-Unterschied aufbaut und konstant (statisch) hält, nennt man Potentiostat. Gemessen wird der Strom (amperometrisch), der notwendig ist, um die Spannung konstant zu halten.
Der erfahrene Messtechniker ist in der Regel auch intelligenter als Kupfer. Deshalb weiß er, bei welchem (künstlichen) Spannungsunterschied sich welches Desinfektionsmittel am liebsten von seinen Elektroden trennt. Die Messung kann deshalb viel besser als Kupfer auf das Desinfektionsmittel eingestellt werden. Gleichzeitig ist auch die Messung von Chlordioxid und Ozon möglich.
Neues Problem, gleicher Satzbau
Der Potenzialunterschied ist es, den wir zur Messung haben wollen. Gleichzeitig ist es aber auch Potenzialunterschied, der Beläge auf den Metalloberflächen hervorruft und damit die Messung erschweren kann. Dieses Problem addiert sich zu einer Signalveränderung durch pH-Wert-, Temperatur-, Turbulenz- und Volumenstrom-Veränderungen. Der geübte Messtechniker kann dies ausgleichen, wir sind damit aber thematisch bei kompletten Mess-Systemen angekommen. Der geeignete Sensor allein reicht nicht aus, um diese Faktoren zu beeinflussen.
Die gleichzeitige Messung von pH-Wert, Temperatur und Volumenstrom brauchen wir nicht weiter zu erläutern, die Turbulenzen kann man über die Umgebung des Sensors definieren, aber wie kann man mit den Verschmutzungen der Oberflächen umgehen?
Hier der Aufbau einer Durchlaufarmatur, die 5 Parameter vereint: pH, Redox, Desinfektions-mittel, Temperatur, Volumenstrom. In Abbildung 11 findet Ihr den realen Teil auf der linken Seite.
Abbildung 10: Explosionszeichnung aus Bedienungsanleitung zu Abbildung 11
Klar, Schwimmbecken-Wasser sollte eher sauber sein. Aber auch Fingerabdrücke oder der Biofilm nach ein paar Stunden ohne Desinfektionsmittel spielen eine Rolle.
Ein Verfahren des oben erwähnten Spezialisten stellt für mich eine gute Lösung zur Verfügung. Dabei wird die Messung regelmäßig kurz abgeschaltet und an der Gold-Oberflächen eine schwache Elektrolyse generiert. Die sich bildenden Gasblasen reinigen die Oberflächen des Sensors.
Foto 6: Potenziostatisch-amperometrischer Sensor
Ein praktisches Beispiel für ein Messsystem, welches alle 5 Bedingungen in den Griff bekommt, ist dieses:
Abbildung 11: Messsystem DOSACompact, Foto aqua@pools
Einen anderen für mich besseren Weg, diese Einschränkungen zu beherrschen, geht der…
Membranbedeckte amperometrische Sensor.
Was ist anders? Im Namen fehlt der Potentiostat aber sonst auf den ersten Blick nur eins: Eine elektrolytgefüllte Kappe mit einer winzigen Membran, die die Arbeits- und die Referenz-Elektrode umhüllt. Der Teufel steckt wie immer im Detail, denn diese Kleinigkeiten haben es in sich! So mancher fernöstliche Interessent ist an diesen Kleinigkeiten gescheitert. Die Membran kann durch Material, Position und Größe die Desinfektionsmittel differenzieren. Die eine Membran lässt Gase passieren, die andere nur Elektronen oder Flüssigkeiten. Das Desinfektionsmittel, oder was davon die Membran passieren durfte, muss dann einen kleinen Weg durch den Elektrolyten nehmen bevor es die Arbeitselektrode erreicht.
Moderne Membranen werden auch von einem Biofilm auf ihrer Oberfläche nicht gestört. Und wenn doch ein Umstand eintritt, der die Membrane „verblockt“, ein Wechsel der Membrankappe ist möglich. Die Referenzelektrode kann mit wesentlich größerer Oberfläche im gleichen Elektrolyten „baden“ und ein extrem genaues Referenzpotenzial auch für andere Desinfektionsmittel liefern. Anders als die sonst genutzte Kaliumchloridlösung versetzt der Elektrolyt dem Sensor nicht gleich einen Todesstoß. Wechsel mit wenigen Handgriffen möglich.
Die eingebaute Temperaturkompensation nimmt bereits im Sensor eine Fehlerursache aus der Betrachtung.
Wir nähern uns eindeutig dem aktuellen Ende der Evolution von Sensoren für freies Chlor. Aber auf ein Basic müssen wir zurück: Bis hierher haben die Sensoren etwas gemessen, was irgendwo zwischen Unterchloriger Säure HOCl und dem was wir unter freiem Chlor verstehen, liegt. Immer, wenn einer an der pH-Schraube dreht, ist das Signal des Sensors „irgendwo anders“ aber nicht beim freien Chlor. Der Grund ist der direkte Kontakt der Arbeitselektrode mit dem Wasserstoff, dessen Konzentration über den pH-Wert angegeben wird.
Beim membranbedeckten Sensor schützen die Membran und das Elektrolyt größtenteils vor dem Einfluss des Wasserstoffes. Nicht vollständig, und typabhängig, aber doch als bekannte Größe. Die Veränderungen sind getestet und stehen als mathematische Formel für jeden Regler zur Verfügung. Ein Diagramm sparen wir uns hier, ein Foto zum Regler, der diese Daten benutzen kann und tut, auch. Wichtig ist nur: Gibt’s schon! Siehe Foto 4.
Kalibrierung, ein leidiges Thema
Im Zusammenhang mit der DPD-Messung hatten wir gesehen, dass es auf Wissen und Handhabung ankommt. Was ist Kalibrierung? Es ist die Einstellung eines Faktors im Regler(!), der die Proportionalität zwischen dem Signal des Sensors und dem angezeigten Wert des Reglers in der gewünschten Einheit angibt. Für freies Chlor wäre der Faktor, manchmal Steilheit genannt, das Verhältnis aus Signal und Wert.
Man kalibriert also nicht den Sensor, sondern den Regler! Insofern macht es sich gut, wenn die Entwickler des Reglers sich Gedanken zur Kalibrierung gemacht haben. Nehmen wir ein Beispiel:
Der Schwimmmeistergehilfe nimmt 11:00h eine Probe aus der Durchflussarmatur nahe dem Mess-System, welches zurzeit bei realen 0,6mg/l arbeitet. Der Sensor sendet also 0,6 x 991mV = 595mV an den Regler. Zwei Schulklassen haben das Schwimmbad 10:45h betreten, sind frisch „sonnengeschützt“ und springen voller Freude gegen 11:05h in das Becken. Das freie Chlor macht seine Arbeit, oxidiert und desinfiziert so vor sich hin. Die Konzentration nimmt 5min lang stark ab, dass Messwassersystem transportiert das Wasser in sehr kurzen 5 Minuten zum Sensor. Die Konzentration im Becken ist inzwischen auf 0,4mg/l abgesackt, der Sensor sendet 396mV.
Inzwischen hat der Schwimmmeistergehilfe die Probe per DPD ausgewertet und den Mittelwert gebildet. Er hat super genau gearbeitet und ist auf eine Konzentration von 0,59mg/l gekommen. Diesen Wert gibt er 11:15h dem Regler. Was passiert im Normalfall? Das aktuelle Signal 396mV wird als 0,59mg/l interpretiert, obwohl nur 0,4mg/l im Becken sind.
Mindestens bis zur nächsten Kalibrierung wird das Becken mit 32% zu wenig freiem Chlor betrieben. Was kann man machen? Sich anfangs den Wert 991mV notieren und die klassische Verhältnisgleichung aufstellen. Oder, ihr ahnt es sicherlich, einen Regler benutzen, der sich den Signal-Wert für Euch merkt. Ja, gibt’s schon. Siehe Foto 4: Regler mit Berücksichtigung von Isocyanursäure. …weil mich die vertane Zeit für hunderte ahnungslosen Anrufe, dass bei anderen Reglern „alles nicht funktioniert“, geärgert hat!
Bei allem Spaß, den ich persönlich am Schreiben dieses Artikels hatte, muss ich Euch fairerweise nochmal auf folgende Tatsache hinweisen: Ich bin Redaktionsmitglied im BDS und schreibe hier als Ingenieurbüro aqua&pools in meiner Freizeit. In Haupttätigkeit bin ich Technischer Leiter der DOSATRONIC GmbH und konnte dort meine Ideen „pro Schwimmmeister“ selbst umsetzen.
Technik der 70-iger!
Was nützt der modernste Sensor, wenn der Regler nichts damit anfangen kann. Wer kennt das nicht? Man findet Regler im Technikbereich, deren Technik aus den 70igern stammen könnte. Eine Kiste im Filterraum, schlecht zugänglich, 2-zeiliges Display in attraktivem grün, zeigt maximal den aktuellen Messwert und kostet Nerven, bis man das 5-stufige Menü auswendig und mit 4 Tasten bedienen kann. Und wenn eine Änderung notwendig ist, dann muss der inzwischen 72-jährige Programmierer aus der Altersruhe geholt werden, um einen moderneren Sensor anschließen zu können. Wünsche, wie andere Sprache oder gar die Verbesserung von Schreibfehlern dauern dann schon mal 3 Rentenzahlungen lang.
Dann wechseln wir doch am besten schnell in das Zeitalter des:
Internet of water.
Alles geht heute über Internet, warum nicht auch die Messung und Regelung der Desinfektion. Regler, die ihre Daten über das Internet verbreiten, sind bereits seit einigen Jahren verfügbar. Viele aber mit dem Nachteil, dass die Daten über einen externen Server geleitet werden. Ein Schelm, wer schon vor den aktuellen Skandalen das Abfischen der Kundenkontakte vermutet hat. Dagegen hilft nur, einen Webserver direkt im Gerät zu installieren und dessen Kommunikation direkt kontrollieren zu können. Entwickelt, umgesetzt!
Eine weitere Gefahr im Focus der Zeit sind Computer-Viren. Aber hier helfen unsere Desinfektionsmittel nicht. Ähnlich dem letzten Beitrag über Filterung gilt auch hier, wo kein Wirt (das Betriebssystem) da kein Virus! Die Arbeit des internen Prozessors ist auf seine Aufgaben, das Messen und Regeln, beschränkt. Fortpflanzung von „Würmern“ gehört nicht zu den Aufgaben.
Und was, wenn der Prozessor an seinen Aufgaben scheitert? Nun, dann schlägt der zweite Prozessor Alarm. Denn er hat die Aufgaben eines „Watchdog“, wie sie auch in KFZ-Steuergeräten vorkommen. Realisiert!
Bis hierhin sind so viele Funktionen zusammen gekommen, dass es mit einem 2×16-Zeichen Display fast unmöglich ist, alles (verständlich) umzusetzen. Getreu dem Motto: „Schneide alte Zöpfe (nur komplett) ab!“ steht jetzt das Display auf dem Prüfstand. Wozu ein Display, wenn die Daten ohnehin 23:15 Stunden ungesehen sind?
Wollen wir Dienstleister dafür bezahlen, in den Keller zu gehen, um die Einhaltung von Werten und den Füllstand von Behältern zu kontrollieren? Das mag in Nordafrika rentabel sein, in Europa ist es das auf keinen Fall. Deshalb: Das Display musste weg!
Jeder von uns ist in den meisten Lebenslagen von Displays umgeben, sei es am PC-Monitor, auf dem Tablet oder am Smartphone. Warum nicht also auf diese Displays übertragen, was sonst im Keller nur die Filter zu Gesicht bekommen? Ein wenig HTML-Code inclusive, und der Regler zeigt auf jedem Display, was er so kann. Ihr ahnt es, gibt’s schon! Ja, wie bereits gesagt, siehe Foto 4!
Wie geht es praktisch? Nun, indem man mit einem modernen aktuellen Browser einfach die IP-Adresse des Reglers anwählt und damit alle Möglichkeiten des Reglers an jedem Ort bei sich hat. Natürlich eine entsprechende Autorisierung vorausgesetzt. Geduld, weiter unten gibt’s eine Möglichkeit, sich ein Beispiel anzusehen.
Wenn man einen „echten“ Monitor vor sich hat, werden die Informationen so dargestellt:
Abbildung 12: Bildschirmausschnitt DCW 400ip
Das Smartphone im Querformat schränkt die Informationen nur leicht ein, denn durch seitliches Scrollen sind auch die anderen Paneele sichtbar.
Abbildung 13: Bildschirmausschnitt im Smartphone
Auf besonders kleinen Displays wird nur die jeweilige Kopfzeile mit der Konzentration angezeigt.
Wen die starken Schwankungen des Wertes stören, die Abbildungen sind einer Simulation entnommen. Wer sich selbst ein Bild machen will, „angucken“ geht, „rumspielen“ geht auch, was verstellen geht nicht! Unter der Adresse ist eine Simulation der Oberfläche zu finden: www.dosatronic.de/dcw400ip/index.htm.
Natürlich sind noch weitere Besonderheiten integriert. Für den Kunden vorgespeicherte Sensoren oder einfache Sprachumstellung sind ein Teil davon. Man kann sich auch die komplizierte Parametrierung des PID-Reglers sparen … indem man den adaptiven Regler aktiviert, oder man konfiguriert den Email-Versand so, dass das Ende der Chemikalien direkt dem Kämmerer mitgeteilt wird. Genug davon, jetzt auf ins
Internet of water!
Viel Spaß dabei! Nur wer testet, kann einen Eindruck gewinnen. Falls Ihr in einer Gruppe mit mehreren Schwimmbecken arbeitet, man kann die Parameter von mehreren Becken oder Schwimmbädern auch gebündelt, zum Beispiel in einer Tabelle, nebeneinander anzeigen. Ok, der Regler ist jetzt nicht NUR für Schwimmbäder mit den klassischen pH / Redox / freies Chlor konzipiert, aber neben Temperatur und Durchflussmessungen kann man sich nach Wunsch auch einen vierten Kanal bestücken.
Ja, langsam sollte dieser Artikel enden. Ihr ahnt es, es bleiben noch ein paar Themen offen, die im Alltag bei der Messung nützlich sein können. Versprochen, ich arbeite dran! Nächstes Mal geht es um hydraulische Systeme im Becken. Die Becken-Hydraulik-Philosophen unter Euch sind gern eingeladen, Ihre Erfahrungen vorab per Email mit mir zu teilen.
Vielen Dank für das Interesse! Ich freue mich über jede Rückmeldung.
Kostenlos und doch nicht umsonst!
Gemeinsam können BDS und aqua&pools für Mitglieder insgesamt 3 Mess- und Regelsysteme DCW 400ip kostenlos zur Verfügung stellen. Mitglieder, die Ihre vorhandenen Geräte ersetzen möchten oder eine Erstausstattung benötigen, sollten sich auf
www.aquaandpools.de/Anmeldung/
informieren und dann anmelden. Vom Hersteller werden die Systeme in vormontierten Baugruppen zur Messung von pH, Redox und freiem Chlor mit den notwendigen Armaturen bereitgestellt. Ein Anschluss an das Internet über lokales Ethernet ist genauso wie die Bereitschaft, die Erfahrungen zu dokumentieren, erforderlich. (Angebot ausgelaufen!)
Der Rechtsweg ist ausgeschlossen. ♦
Für angemeldete Mitglieder hier die Druckversion als PDF:
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