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PH-Messgerät richtig kalibrieren - wir geben Ihnen Tipps

PH-Messgerät kalibrieren: Anleitung

| von Julia

Um den pH-Wert einer Lösung zu bestimmen, werden sogenannte pH-Meter bzw. pH-Messgeräte verwendet. Diese ermitteln den Wert auf elektrochemische Art und Weise, weshalb sie regelmäßig kalibriert werden müssen. Welche verschiedenen Geräte es gibt, wie Sie ein pH-Messgerät kalibrieren können und auf welches Zeitintervall dabei zu achten ist, erfahren Sie hier.

Verschiedene PH-Messgeräte kalibrieren

Messgerät ist nicht gleich Messgerät: Wenn es um die Bestimmung des pH-Wertes geht, kommen gleich mehrere Varianten infrage. Und auch die pH-Meter-Funktionsweise spielt eine entscheidende Rolle. Heutzutage sind insbesondere pH-Messgeräte mit Glasmembran oder solche mit ionenempfindlichen Feldeffekttransistoren (ISFET) üblich.

Geräte mit Glasmembran

Diese Messgeräte werden häufig verwendet und sind sowohl in chemischen Laboren als auch in der Lebensmittelindustrie zu finden. Sie nutzen das Potential einer Glaselektrode, die daher auch als „pH-Elektrode“ bezeichnet wird. Durch eine Halbzellenreaktion kommt es zur Bildung eines elektrischen Potentials, welches in direktem Zusammengang mit der vorhandenen H+-Ionenkonzentration steht.

Hinzu kommt eine Bezugselektrode (üblicherweise eine Silber-Silberchlorid-Halbzelle), die in der Glaselektrode mit einer Einstab-Messkette verbunden ist. Bei der eigentlichen Messung wird ein belastbarer Strom erzeugt, sodass aus der Potentialdifferenz zur Bezugelektrode eine Spannung entsteht – der pH-Wert lässt sich dadurch etwa linear abbilden.

Vor dem Kauf sollte allerdings berücksichtigt werden, dass die geringe Belastbarkeit des Messpotentials eine leichte Störung der Messung ermöglicht, was beispielsweise durch Strömungspotentiale passieren kann. Auch Verunreinigungen und Auslaugungen führen schnell zu Messfehlern.

Geräte mit ISFET

Dem gegenüber stehen neuere Messgeräte, die auf einem ISFET-Prinzip basieren (Ionen-Selektiver Feld-Effekt-Transistor). Diese pH-Meter-Funktionsweise basiert auf einer integrierten elektronischen Schaltung, sodass der Prozess etwas stabiler und robuster ist – Störungen können also besser vermieden werden. Allerdings ist die Standzeit des Sensors geringer, sowohl was die Haltbarkeit als auch die Zahl der Messvorgänge betrifft.

Hinsichtlich der möglichen Einsatzgebiete und der Kalibrierung der pH-Elektrode kommt es zwischen den beiden Varianten nur zu marginalen Unterschieden, sodass die einzelnen Vor- und Nachteile abgewogen werden sollten. Die ISFET-Geräte sind heutzutage ebenfalls in Industrie, Medizin und in Schwimmbädern zu finden.

pH-Meter kalibrieren: Anleitung

Je länger ein pH-Meter im Einsatz ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Messfehler entstehen. Das liegt ganz einfach daran, dass die darin enthaltene Flüssigkeit altert und der Verschmutzungsgrad kontinuierlich steigt.

Da in vielen Branchen ungenaue Messwerte katastrophal wären, ist es notwendig, den pH-Tester zu kalibrieren – und das bedeutet auch eine regelmäßige Reinigung der PH-Elektrode. Dies ist recht einfach und unterscheidet sich hinsichtlich der Vorgehensweisen zwischen den Geräten nur gering. Der grundsätzliche Ablauf sieht wie folgt aus:

  • Temperatur anpassen: Wichtig ist, dass die Pufferlösung und das Instrument bei der Kalibrierung die exakt gleiche Temperatur aufweisen. Das sollte idealerweise mit einem automatischen Temperaturkompensator erreicht werden.
  • Elektrode überprüfen: Als erster Schritt erfolgt die Überprüfung der Elektrode. Ist diese schadhaft, muss sie ausgetauscht werden.
  • Vorbereitung: Wird eine neue Elektrode verwendet, muss diese zuerst für etwa vier Stunden in einem Becher mit Aufbewahrungsflüssigkeit gelagert werden.
  • Einstellung: Das Gerät muss dann von MTC (Manual Temperature Compensation) auf „ATC“ (Automatic Temperature Compensation) bzw. „pH“ eingestellt werden, damit es automatisch arbeiten kann.
  • Elektrode in pH 7,0 eintauchen: Als nächstes wird eine saubere Elektrode in eine frische Pufferlösung mit einem pH-Wert von 7,0 gesetzt. Der Ablesewert des pH-Meters muss ebenfalls auf genau 7,0 eingestellt werden. Die Spannung an diesem Messpunkt stellt die Baseline dar.
  • Spülen (Einpunktkalibrierung): Es folgt das erste Spülen der Elektrode mit entmineralisiertem Wasser. Danach ist der erste Teil der Kalibrierung – die sogenannte Einpunktkalibrierung – abgeschlossen.
  • Elektrode in pH 4,0 eintauchen: Es folgt die Zweipunktkalibrierung. Dazu wird die gleiche Elektrode nun in eine Pufferlösung mit einem pH-Wert von 4,0 (oder wahlweise auch 10,0) getaucht. Auch hier muss der korrekte Ablesewert wieder am Messgerät eingestellt werden.
  • Spülen (Zweipunktkalibrierung): Zuletzt wird die Elektrode ein zweites Mal gespült. Danach ist auch die Zweipunktkalibrierung abgeschlossen und das pH-Meter ist wieder einsatzbereit, da zwei Messpunkte für den linearen Verlauf der Spannung bestimmt wurden.

pH-Messgerät kalibrieren: digital und manuell

Bei pH-Metern ist zudem eine weitere Unterscheidung möglich – und zwar zwischen digitalen und manuellen Messgeräten. Obwohl sich diese leicht im Aufbau unterscheiden, gibt es bei der jeweiligen Kalibrierung nur minimale Unterschiede.

Digitales pH-Messgerät

Digitale pH-Messgeräte sind weit verbreitet und können sich nicht nur hinsichtlich der Größe und des Aufbaus, sondern auch bezüglich des Designs und des Preises unterscheiden. Beim Kalibrieren sind sich alle Geräte aber ähnlich, was den Prozess erleichtert. Die Sonde am Ende des pH-Meters wird einfach in die Pufferlösungen getaucht. Per Knopfdruck erfolgt die Messung. Wichtig ist, vorher auf „ATC“ oder „pH“ einzustellen.

Manuelles pH-Messgerät

Bei manuellen pH-Messgeräten ist üblicherweise kein Kopf vorhanden, der zur Kalibrierung der pH-Elektrode verwendet werden kann. Stattdessen muss eine Schraube am Gerät gelöst werden, die sich am Ende des Stiftes befindet. Sobald der gemessene Wert mit jenem der Lösung übereinstimmt, kann die Messung beendet und die Schraube wieder festgezogen werden.

pH-Meter kalibrieren: Pufferlösungen

Um ein pH-Messgerät kalibrieren zu können, sind Pufferlösungen notwendig. Diese tragen ihren Namen, weil sie einen pH-Wert sowohl stabil halten als auch puffern können. Diese speziellen Lösungen sind nach DIN 19266 normiert, wodurch sie gut reproduzierbar sind. Unsicherheiten liegen bei maximal 0,005 pH-Einheiten. Bei der Auswahl und Verwendung von Pufferlösungen ist auf die folgenden Faktoren zu achten:

  • Reihenfolge der Verwendung: Tatsächlich ist es gänzlich egal, in welcher Reihenfolge die Pufferlösungen bei einer Zweipunktkalibrierung verwendet werden. Wichtig ist nur, dass die Spannung mindestens zweimal bestimmt wird. Ob der pH-Wert 7,0 oder 4,0 bzw. 7,0 zuerst zur Anwendung kommt, spielt keine Rolle.
  • Zusammensetzung: Die Zusammensetzung ist ebenfalls in der DIN 19266 festgelegt. Nach dieser Norm besteht eine Pufferlösung entweder:
  1. aus einer schwachen Säure und einer konjugierten Base
  2. ODER aus einer schwachen Base und einer konjugierten Säure.
  • Temperatur: Darüber hinaus muss auf die Temperatur der Pufferlösung geachtet werden. Der lineare Wert ist für 25°C angegeben, sodass die Kalibrierung von pH-Messgeräten ebenfalls bei 25°C durchgeführt werden sollte. Kommt es zu Temperaturunterschieden, sind mitunter große Fehler in den Messergebnissen zu erwarten.

Kalibrierung der pH-Elektrode mit verschiedenen Methoden

Wie Sie den pH-Wert kalibrieren, ist in der DIN 19269 festgelegt. Dort werden ebenfalls mehrere Verfahren angegeben, nach denen der Prozess durchgeführt werden kann. Neben einer Einpunktkalibrierung kommen ebenfalls die oben beschriebene Zweipunktkalibrierung sowie eine Mehrpunktkalibrierung infrage.

Einpunktkalibrierung

Bei einer sogenannten Einpunktkalibrierung wird nur eine einzige Pufferlösung verwendet, wobei diese zur Bestimmung des Nullpunkts der pH-Elektrode dient. Von dort aus wird angenommen, dass die Steigung mit der Nernst-Steigung, also dem theoretische Wert der Elektrodensteilheit, gleichzusetzen ist. Obwohl dieses Verfahren zeitsparend ist, sollte es nur dann eingesetzt werden, wenn mehrere gleiche Lösungen überprüft werden sollen.

Zweipunktkalibrierung

Die Zweipunktkalibrierung erfolgt unter Zuhilfenahme von zwei Pufferlösungen, die sich im pH-Wert unterscheiden. Zwischen beiden Messpunkten können eine lineare Steigung und ein Nullpunkt bestimmt werden, woraus sich der Ausgabewert der pH-Elektrode errechnet. Üblicherweise reicht diese Methode aus, um den pH-Wert zu kalibrieren und eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen.

Mehrpunktkalibrierung

Noch spezifischer wird es bei Mehrpunktkalibrierungen, die mehrere (zumeist alkalische) Pufferlösungen als Referenz verwenden. Der Abstand des pH-Werts zwischen den einzelnen Lösungen liegt bei 0,5 oder mehr. Es werden nebeneinanderliegende Segmente gebildet, innerhalb derer die Steilheit und der Nullpunkt bestimmt werden können. Dadurch können besonders exakte Messwerte erreicht werden.

Ist es wichtig, das pH-Messgerät zu eichen? 

Obwohl die Begriffe „Kalibrierung“ und „Eichung“ gerne synonym verwendet werden, handelt es sich um komplett getrennte Vorgänge. Das Kalibrieren sollte selbstständig regelmäßig durchgeführt werden, um dauerhaft genaue Messwerte zu ermöglichen. Sollten tatsächlich einmal ungenaue Messergebnisse entstehen, ist dies prinzipiell mit keinen rechtlichen Konsequenzen verbunden.

Dem gegenüber steht die Eichung des pH-Messgeräts, die von einem Spezialisten durchgeführt werden muss. Beim Eichen wird das Gerät in einer offiziellen Prüfung darauf getestet, ob es den gesetzlichen Vorgaben entspricht. Ist dies nicht der Fall, darf es nicht weiterverwendet werden.

Wie oft muss man das pH-Messgerät kalibrieren?

Anders als bei der Pufferlösung gibt es für die Häufigkeit der Kalibrierung keine Normen oder gesetzlichen Vorgaben. Dabei ist es sinnvoll, den pH-Tester regelmäßig zu kalibrieren: Nur so kann verhindert werden, dass ungenaue Messwerte entstehen und die Qualität von Produkten oder Forschungsergebnissen negativ beeinträchtigt wird. Auch kann die Haltbarkeit der Messgeräte mitunter stark verkürzt werden, wenn dieser Wartungsschritt ausgelassen wird.

Das ideale Zeitintervall für eine neuerliche Kalibrierung hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu zählen etwa die Häufigkeit der Verwendung und die Notwendigkeit von absolut exakten Messwerten. Zumeist wird empfohlen, die pH-Messgeräte mindestens zweimal im Monat zu kalibrieren. Aber auch tägliche Zyklen können angebracht sein.

Darüber hinaus lässt sich die Frage „Wie oft das pH-Messgerät kalibrieren?“ beantworten, in dem man auf  bestimmte Fälle verweist, d.h., wenn einer oder mehrere der folgenden Umstände bemerkbar werden:

  • Es wird eine neue Elektrode verwendet bzw. eingebaut
  • Seit der letzten Verwendung des Geräts sind einige Tage vergangen
  • Die vorhandene Elektrode wurde gerade gereinigt
  • Es wurde eine Messung in einer starken (sauren oder basischen) Lösung durchgeführt
  • Die nachfolgende Messung muss ein besonders exaktes Ergebnis haben

Richtig und regelmäßig pH-Messgeräte kalibrieren

Das pH-Messgerät zu kalibrieren, bringt nicht nur eine hohe Messgenauigkeit mit sich: Auch die Haltbarkeit wird erhöht, was sich monetär rentiert. Wichtig ist, dabei auf eine passende Vorgehensweise zu achten und die Zeitintervalle richtig zu wählen. Dann steht optimalen Messwerten mit allen Gerätetypen nichts mehr im Wege.

FAQ

Beim Kalibrieren des pH-Messgeräts werden zwei Punkte bestimmt, zwischen denen ein linearer Spannungsverlauf erzeugt werden kann. Dadurch lässt sich sicherstellen, dass der ausgegebene pH-Wert wieder exakt ist – und nicht etwa durch alternde Flüssigkeiten oder Verschmutzungen falsch angezeigt wird.

Um ein pH-Messgerät zu kalibrieren, muss die Elektrode zuerst in eine Pufferlösung mit einem pH-Wert von 7,0 getaucht und dann gespült werden. Diese beiden Schritte werden wiederholt, wobei die zweite Pufferlösung einen pH-Wert von 4,0 oder 10,0 aufweisen muss.

Das richtige Zeitintervall hängt vom Umfang der Verwendung und der Notwendigkeit absolut exakter Messwerte ab. Obwohl die Kalibrierung der pH-Elektrode mindestens zweimal im Monat durchgeführt werden sollte, kann auch mit einem kurzen Intervall von einem Tag gearbeitet werden.

pH-Meter müssen regelmäßig kalibriert werden, was mit einem hohen Arbeitsaufwand verbunden sein kann. Da der Vorgang in der Durchführung recht einfach ist, kann (und darf) er prinzipiell von jedem eingewiesenen Mitarbeiter vorgenommen werden.

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