Mehrfachparameter-Online-Überwachung für Seen und Ozeane

Hintergrund der Produktentwicklung

Große Gewässer weltweit – sowohl Ozeane als auch Seen – sind in unterschiedlichem Maße von Verschmutzung betroffen. Dies liegt vor allem daran, dass Menschen die Selbstreinigungskapazität dieser riesigen Wassersysteme überschätzt haben, was zu illegalen Einleitungen im Vertrauen auf eine trügerische Sicherheit geführt hat. In den letzten Jahren sind typische Wasser-Verschmutzungskrisen regelmäßig auf allen großen Kontinenten aufgetreten.

Australien – Great Barrier Reef: Umweltuntersuchungen im Jahr 2025 enthüllten eine schwere Eutrophierung. Nährsalze wie Stickstoff und Phosphor wiesen kritisch hohe Konzentrationen auf, was wiederholte Korallenbleichen und Seesternplagen verursachte. Die Korallengemeinschaften am Meeresboden erlitten umfangreiche Schäden.

Nigeria – Niger-Delta: Öl- und Schwermetallverschmutzung haben zu einem weit verbreiteten Absterben der Mangroven geführt. Der nationale Fischereisektor ist nahezu zusammengebrochen, und die Krebsraten unter den lokalen Bewohnern sind deutlich gestiegen.

Europa – Ostsee: Stickstoff- und Phosphorverschmutzung löst fast jedes Jahr massive Algenblüten aus, die die Fischereiindustrie erheblich beeinträchtigen. Gleichzeitig bleiben die Einleitungen von Abwasser aus den umliegenden Städten unkontrolliert.

In China haben wichtige Gewässer wie der Dianchi-See, der Taihu-See und der Honghu-See alle durch Eutrophierung verursachte Algenblüten erlebt. Auch die Südchinesische See und die Ostchinesische See sind durch Abwassereinleitungen und Ölverschmutzungen schwer belastet worden, was zu nicht quantifizierbaren wirtschaftlichen Verlusten für die Fischerei, die Ökosysteme und den Tourismus geführt hat.

Als Reaktion auf die steigende Nachfrage nach der Überwachung großer Gewässer hat JIDE ein multivariables Online-Sensorsystem speziell für Ozeane und Seen entwickelt. Aufgrund der derzeitigen technologischen Grenzen bleibt die direkte Messung von Parametern wie Gesamtphosphor und Gesamtstickstoff mit Sensoren weiterhin schwierig. Daher wird das System in offenen Ozeanen und im Zentrum großer Seen an großen Bojenstationen eingesetzt.

Es kann folgende Schlüsselparameter messen:

• Temperatur

• pH-Wert

• ORP (Oxidations-Reduktions-Potential)

• Leitfähigkeit/TDS

• Gelöster Sauerstoff

• Trübung/SS

• Chlorophyll

• Blaugrüne Algen

• Kaliumion (K⁺)

• Ammoniumion (NH₄⁺)

• Nitration (NO₃⁻)

• Chloridion (Cl⁻)

• Fluoridion (F⁻)

Diese Messungen ermöglichen eine Echtzeitüberwachung und bieten Frühwarnfunktionen bei überhöhten Nährstoffkonzentrationen, Eutrophierung, Algenblüten und sinkenden Sauerstoffgehalten.

JDMPA-6S – Höchste Konfiguration

Das Modell JDMPA-6S ist die höchste Konfiguration der Serie. Die Hauptstation kann bis zu sieben Sensoren aufnehmen. Die Sensoren arbeiten nach elektrochemischen, optischen und physikalischen Detektionsprinzipien, um ihre jeweiligen Parameter zu messen.

Alle Sensoreingänge am Hauptgerät verwenden eine universelle Schnittstelle. Sensoren können in jeden Anschluss eingebaut werden, und das Hauptgerät erkennt automatisch den Sensortyp. Das JDMPA-6S-Hauptgerät kann Sensordaten auslesen, Sensoreinstellungen konfigurieren und Kalibrierungsoperationen durchführen. Abhängig von den Benutzereinstellungen kann es Daten lokal speichern, an eine Datenerfassungsplattform übertragen oder direkt an einen PC oder ein Mobiltelefon senden. Die Datenkommunikation wird sowohl über kabelgebundene Übertragung als auch über drahtlose Bluetooth-Übertragung unterstützt.

Messprinzipien der einzelnen Parameter

1. Tiefe

JIDE verwendet einen Drucksensor – ein piezoresistives Sensorelement, das durch eine wellenförmige Edelstahldiaphragma isoliert ist – zur Messung der Wassertiefe. Eine Seite des Sensors ist dem Wasser zugewandt, während die andere Seite einem Vakuum ausgesetzt ist, um den Druck zu messen. Die Tiefe wird berechnet, indem der atmosphärische Druck vom Wasserdruk abgezogen wird.

Faktoren, die die Tiefenmessung beeinflussen, umfassen den atmosphärischen Druck, die Wasserdichte und die Temperatur. Eine „Null“-Kalibrierung in Luft liefert einen Bezugswert gegenüber dem lokalen atmosphärischen Druck.

2. Leitfähigkeit

JIDE verwendet vier Graphitelektroden zur Messung der Leitfähigkeit einer Lösung. Zwei Elektroden messen den Strom, die anderen beiden die Spannung; die Leitfähigkeit wird aus diesen Messwerten berechnet. Der resultierende Leitfähigkeitswert wird mit einer Zellkonstanten (in 1/cm) multipliziert, um ihn in Millisiemens pro Zentimeter (mS/cm) umzurechnen.

Jeder Sensor enthält einen internen Temperatursensor. Der von diesem Sensor gemessene Temperaturwert wird jedoch weder aufgezeichnet noch angezeigt; er dient ausschließlich zur Sensor-Kompensation. Die Kalibrierung der Temperaturwerte erfolgt anhand des Temperatursensors der Leitfähigkeitssonde.

3. Gelöster Sauerstoff

Der optische gelösten-Sauerstoff-Sensor von JIDE basiert auf dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung. Eine spezifische Wellenlänge blauen Lichts wird auf ein fluoreszierendes Material gerichtet, das auf einem Glassubstrat fixiert ist, wodurch das Material Fluoreszenz emittiert. In Abwesenheit von Sauerstoff ist die Fluoreszenzdauer am längsten. Wenn Sauerstoff auf der Sensormembran vorhanden ist, verkürzt sich die Fluoreszenzdauer.

Um Genauigkeit und Stabilität zu gewährleisten, wird während jedes Messzyklus als Referenz ein rotes Licht auf das fluoreszierende Material emittiert, um die Fluoreszenzdauer zu bestimmen.

Die Sauerstoffkonzentration ist umgekehrt proportional zur Fluoreszenzdauer. Dieser Zusammenhang lässt sich quantitativ durch die Stern-Volmer-Gleichung beschreiben:

((T₀/T) – 1) in Abhängigkeit vom Sauerstoff-Partialdruck.

Dies ist keine streng lineare Beziehung (insbesondere bei höheren Sauerstoffdrücken); die relevanten Daten erfordern eine polynomiale nichtlineare Regressionsanalyse. Diese nichtlineare Eigenschaft ändert sich über die Zeit nicht signifikant und beeinträchtigt die Messgenauigkeit über einen langen Zeitraum nicht.

4. pH / ORP / AMMO (Ammonium) – Optional

Das System besteht aus einer pH-Elektrode und einem Front-End-Schaltungsmodul zur Messung der Wasserazidität/Alkalität oder aus einer ORP-Elektrode und einem Front-End-Schaltungsmodul zur Messung des Redoxpotentials. ORP ist eine nichtchemische Messgröße, die das gesamte Potential aller gelösten Stoffe im Medium repräsentiert.

Alternativ kann ein Ammonium-(NH₄⁺)-Sensor ausgewählt werden. Er besteht aus einer Ammoniumelektrode und einem Front-End-Schaltungsmodul. Wenn die Ammoniumelektrode zusammen mit einer Referenzelektrode eingesetzt wird, misst sie eine Millivolt-Spannung, die anschließend mithilfe einer spezifischen Berechnungsmethode in einen Ionenkonzentrationswert umgewandelt wird.

Um die Wartung zu erleichtern, verfügt der Sensor über ein einzigartiges Design, das den Austausch der Elektrode oder der Membrankappe vor Ort ermöglicht. Zwischen dem oberen Schaltmodul und der Elektrode befindet sich ein Steckeranschluss. Um die Elektrode auszutauschen, wird die alte Elektrode einfach herausgeschraubt und durch eine neue ersetzt – weitere Schritte sind nicht erforderlich.

5. Trübung

Trübung ist eine indirekte Messgröße für die Konzentration von suspendierten Feststoffen im Wasser. Der Trübungs-Sensor sendet Infrarotlicht in die Probe und misst das von Partikeln im Wasser gestreute Licht. Trübung ist sowohl ein wichtiger Indikator für die Wasserqualität als auch ein grundlegender Parameter zur Bewertung von Umweltveränderungen. Suspendierte Feststoffe in natürlichen Gewässern stammen aus einer breiten Palette unbestimmter Quellen (z. B. Schluff, Ton, Sediment, Algen und organische Stoffe); alle Partikel beeinflussen jedoch die Lichtdurchlässigkeit und erzeugen ein Trübungs-Signal.

6. Gesamtalgen

Der Gesamtalgen-Sensor verwendet eine zweifrequente Anregung, um gleichzeitig die Konzentrationen von Chlorophyll und blaugrünen Algen zu messen.

• Chlorophyll-Moleküle fluoreszieren bei Bestrahlung mit blauem Licht; die Fluoreszenzintensität wird zur Berechnung der Chlorophyll-Konzentration genutzt.

• Phycocyanin (ein Pigment in blaugrünen Algen) fluoresziert bei Bestrahlung mit orangefarbenem Licht; die Fluoreszenzintensität wird zur Berechnung der Konzentration blaugrüner Algen genutzt.

Einsatz vor Ort

Die Online-Analysatoren der JDMPA-Serie von JIDE werden mittlerweile weit verbreitet in Ozeanen und großen Seen in ganz China eingesetzt. Ingenieure schätzen das robuste und langlebige Gehäuse, das offene MODBUS-Kommunikationsprotokoll, das eine einfache Vernetzung ermöglicht, sowie das modular aufgebaute, leicht wartbare und austauschbare Design. Diese Merkmale haben die JDMPA-Serie zu einer bevorzugten Wahl für Fachleute vor Ort gemacht.