Begriffsklärung
Partialdruck
Die eigentliche Messgrösse der Sauerstoffsensoren ist der Sauerstoffpartialdruck pO2. Das Sensorsignal ist dem pO2 direkt proportional.
Der Partialdruck ist eine unübliche Einheit, da Stoffkonzentrationen meist in Gewicht pro Volumen (mg/l) angegeben werden. Wegen der Kompressibilität von Gasgemischen wie der Luft sind Konzentrationen pro Volumen nicht sinnvoll. Der Gehalt einer Gaskomponente wird daher als Teil des Gesamtdruckes, als Partialdruck (pO2) angegeben
Die Verdopplung des Partialdruckes wird durch den Sauerstoffsensor korrekt angezeigt.
Einfluss der Luftfeuchtigkeit
Die Luft kann je nach Temperatur mehr oder weniger Wasserdampf aufnehmen. Bei 20°C beträgt der maximale Wasserdampfpartialdruck 23 mbar. Dies entspricht 100% Luftfeuchtigkeit bzw. einem Sensor, der in Wasser eingetaucht ist. Der verbleibende Druckanteil des Sauerstoffs ist pO2 = 205 mbar. Gegenüber einer Messung in absolut trockener Luft ergibt dies einen marginalen Unterschied von 5 mbar bzw. einen Kalibationsfehler bei 20°C von ca. 2.5%. Bei 82°C kann ein Kalibrationsfehler von max. 100% entstehen, wenn man an absolut trockener Luft statt an 100% feuchter Luft kalibriert.
Auch hier wird die Halbierung des Partialdruckes von Sauerstoff durch den Sensor korrekt angezeigt.
Sauerstoff-Partialdruck pO2 in einer Lösung
Eine geringe Menge Luft kann sich in Wasser lösen. Bei höheren Temperaturen ist die Gaslöslichkeit geringer. Dies zeigt sich durch
das Heraussprudeln von Luft beim Erwärmen oder Kochen von Wasser. Ein Gleichgewicht ist erreicht, wenn die einzelnen Partialdrücke in der Lösung und in der Gasphase (meist Luft) identisch sind. Luftgesättigtes Wasser und wassergesättigte Luft weisen identische Partialdrücke für Sauerstoff und für die anderen Gase auf. Der Sauerstoffsensor zeigt daher in beiden Phasen den gleichen Wert an!
Sauerstoffkonzentration in Lösung in ppm, ppb oder mg/l
Die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Im Weiteren ist die Löslichkeit proportional dem Luftdruck:
| Sauerstoff | Luftdruck | |
| 15°C |
9.76 mg/l | 1013 hPa |
| 20°C |
8.84 mg/l | 1013 hPa |
| 25°C |
8.11 mg/l | 1013 hPa |
| 25°C |
7.61 mg/l | 950 hPa |
Um die Konzentration in ppm (mg/l) aus dem gemessenen Partialdruck bestimmen zu können, müssen die Temperatur, der Luftdruck und die Löslichkeit (meist in einer Tabelle in Abhängigkeit von der Temperatur) bekannt sein. In den meisten Geräten ist die Löslichkeitstabelle für Sauerstoff in Wasser integriert. Die Kompensation des Luftdruckes wird oft vernachlässigt, da die Unterschiede gering sind. Die meisten Sauerstoffsensoren weisen einen internen Temperaturfühler auf.
Dieser erfüllt zwei Funktionen: er dient der Ermittlung der richtigen Löslichkeit aus der Löslichkeitstabelle und auch zur Kompensation des Sensorsignals selbst. Hiermit wird die Temperaturabhängigkeit der Sauerstoffdiffusion durch die Membran berücksichtigt. Anm.: 1 ppb = 0.001 ppm.
Salzeffekt
Die Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser wird durch Zusatzstoffe beeinflusst. Salze erniedrigen die Löslichkeit, organische Zusätze wie Alkohol erhöhen die Löslichkeit. Diese Unterschiede sind mit dem Sauerstoffsensor nicht messbar, da der Partialdruck von diesen Zusätzen unabhängig ist. Der Salzeffekt muss für eine genaue Angabe in ppm oder mg/l mit anderen Messmethoden ermittelt werden.
Sauerstoffsättigung Insbesondere in Anwendungen bei konstanter Temperatur - wie oft bei Fermentationen - ist es üblich, die Sättigung als Mass für den Sauerstoffgehalt zu verwenden. Die Kalibration ist sehr einfach, indem sich der Sensor in der feuchten Luft befindet und das Gerät auf 100% eingestellt wird.
Es ist aber denkbar, dass der Wert über 100% steigt, wenn der Druck erhöht wird. Dies ist oft der Fall beim Einbau des Sauerstoffsensors in einen geschlossenen Kessel oder in ein Rohr. Ein Messwert von z.B. 130% Sättigung ist also durchaus korrekt, da der Partialdruck mit einer Druckerhöhung auch tatsächlich zunimmt.
