Sauerstoff

Sauerstoff - Sensor

Wie geht das?

Sauerstoffsensoren mit Zirkonoxid eignen sich um Werte von 100% Sauerstoff bis zu einem Sauerstoff-partialdruck von 10 -30 bar in Gasen zu messen.

Die verschiedenen Typen von Sensoren ermöglichen eine optimale Prozessanpassung. Die vom Sensor gemessenen Signale werden mit dem Auswertegerät in %- ppm- bar- Sauerstoff bzw. in Grad Taupunkt, Lambda oder C-Pegel umgerechnet und ausgegeben.

Eine Temperatur von mehreren hundert °C ist erforderlich um eine messbare Sensorspannung an Zirkon-oxidsonden zu generieren. Inline Zirkonoxidsonden sind unbeheizt und können direkt in den Prozess eingebaut werden. Die Typenreihe CMM ist speziell für die Inline Messung bei Gasaufkohlung entwickelt worden. Schutz-rohre aus Stahl oder Keramik sind erhältlich. Der Einsatztemperaturbereich beträgt 700 bis 1400 °C.

Externe Zirkonoxidsonden sind mit einer Sondenheizung und einer präzisen Temperaturregelung ausgestattet. Die Typenreihe A15 werden außerhalb des Prozesses installiert. Die Messgase werden aus dem Prüfraum abgesaugt und umströmen den Sensorbereich.

Messprinzip:

Sauerstoff- Messgeräte sind ausgelegt um Signale eines Sauerstoff - Sensors aus stabilisiertem Zirkondioxid zu verarbeiten. Das Zirkondioxid, eine Keramik, die auch als Festkörperelektrolyt bezeichnet wird, eignet sich bei höheren Temperaturen hervorragend als Sauerstoffionenleiter.

Solche Ionenleiter besitzen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches, der von der Dotierung des Werkstoffes abhängig ist, die Fähigkeit Leerstellen in ihrem Kristallgitter mit Sauerstoffionen aufzufüllen. Die Sauerstoffionen entstehen an einer leitfähigen Kontaktschicht, die in der Regel aus Platin besteht.

Die Konzentration des Sauerstoffes in einem Messgas ist somit entscheidend für das Maß an Sauerstoffaktivität bzw. der Anzahl an Sauerstoffionen.

Der prinzipielle Aufbau eines Sensors sieht einen Festkörperelektrolyten vor, der auf beiden Seiten kontaktiert ist. Die eine Seite des Elektrolyten wird mit einem Referenzgas, z.B. Luft betrieben, die andere Seite mit Messgas. Der mechanische Aufbau des Sensors trennt beide Gasseiten voneinander, sodass ein Vermischen der Gase unterbunden ist.

Je nach Einsatzfall werden beheizte oder unbeheizte Sensoren verwendet. Unbeheizte Sensoren werden überwiegend im Ofenbereich eingesetzt, beheizte Sensoren in jenen Anwendungsfällen, in denen Gase unter ca. 600 Grad Celsius gemessen werden sollen.

Beheizte Sensoren werden durch einen in der Verarbeitungselektronik eingebauten Temperaturregler auf eine bestimmte Solltemperatur eingeregelt. Die Temperatur von beheizten und unbeheizten Sensoren wird mittels der Elektronik gemessen und geht in die Berechnung des Sauerstoffgehaltes (Sauerstoff-Partialdruck) wesentlich mit ein.

Die Berechnung erfolgt nach der Formel:

wobei gilt:

R = 8,31J/mol K

T = Temperatur in Kelvin

F = 96493 As/mol

P1 = Sauerstoffpartialdruck auf der Referenzseite mit 0,20946 bar

P2 = Sauerstoffpartialdruck auf der Messgasseite

EMK = Elektromotorische Kraft in Volt