Klassifizierung von Gassensoren

Die nationale Norm GB7665-87 definiert Sensoren wie folgt: Ein Sensor ist ein Gerät, das eine vorgegebene Messgröße erfassen und diese gemäß einer bestimmten Regel in ein verfügbares Ausgangssignal umwandeln kann. Gassensoren dienen der Bestimmung der Zusammensetzung und Konzentration von Gasen. Die Definition eines Gassensors basiert im Allgemeinen auf der Klassifizierung des Messobjekts. Das heißt, jeder Sensor, der die Zusammensetzung und Konzentration eines Gases misst, wird als Gassensor bezeichnet, unabhängig davon, ob die Messung physikalisch oder chemisch erfolgt. Beispielsweise gilt ein Sensor zur Messung der Gasdurchflussrate nicht als Gassensor, ein Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator hingegen schon.

Obwohl sie mitunter auf allgemein einheitlichen Detektionsprinzipien basieren, hat sich die Gassensorik bereits in den 1970er Jahren zu einem bedeutenden Teilgebiet der Sensorik entwickelt und gehört zum Zweig der chemischen Sensoren. Es gibt einige Arten von Gassensoren, die auf dem Markt weit verbreitet sind:

Halbleiter-Gassensor

Es wird aus einem Metalloxid-Halbleitermaterial hergestellt, dessen Leitfähigkeit sich bei einer bestimmten Temperatur mit der Zusammensetzung des umgebenden Gases ändert. Beispielsweise basiert ein Alkoholsensor auf dem Prinzip, dass der Widerstand von Zinnoxid bei Kontakt mit Alkoholgas bei hoher Temperatur stark abnimmt.

Der Halbleiter-Gassensor eignet sich für die Messung von Methan, Ethan, Propan, Butan, Alkohol, Formaldehyd, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ethylen, Acetylen, Vinylchlorid, Styrol, Acrylsäure und anderen Gasen. Er ist besonders kostengünstig und für die zivile Gasmessung geeignet.

Folgende Arten von Halbleiter-Gassensoren haben sich bewährt: Methan (Erdgas), Alkohol, Kohlenmonoxid (Stadtgas), Schwefelwasserstoff, Ammoniak (einschließlich Amine und Hydrazin). Hochwertige Sensoren erfüllen die Anforderungen industrieller Messanwendungen.

Nachteil: Die Stabilität ist gering und wird von der Umgebung beeinflusst. Insbesondere ist die Selektivität der einzelnen Sensoren nicht eindeutig, und die Ausgabeparameter lassen sich nicht bestimmen. Daher ist das System ungeeignet für Anwendungen, die höchste Messgenauigkeit erfordern. Derzeit ist Japan (Erfinder) der Hauptlieferant dieser Sensoren, gefolgt von China. Südkorea ist seit Kurzem ebenfalls auf diesem Gebiet aktiv. Auch andere Länder wie die USA haben in diesem Bereich beachtliche Anstrengungen unternommen, konnten sich aber noch nicht flächendeckend durchsetzen. China hat ebenso viel Personal und Zeit wie Japan in diesen Bereich investiert. Aufgrund staatlicher Vorgaben, der jahrelangen Zurückhaltung des Informationsaustauschs und anderer Gründe ist die Leistungsfähigkeit der in China verbreiteten Halbleiter-Gassensoren jedoch deutlich geringer als die japanischer Produkte. Ich bin überzeugt, dass mit der Marktentwicklung und dem weiteren Anstieg des privaten Kapitals die Zeit reif ist, dass chinesische Halbleiter-Gassensoren das japanische Niveau erreichen und sogar übertreffen werden.

Gassensor vom Typ katalytische Verbrennung

Der Sensor besteht darin, eine hochtemperaturbeständige Katalysatorschicht auf der Oberfläche eines Platinwiderstands aufzubringen. Bei einer bestimmten Temperatur katalysiert das brennbare Gas die Verbrennung auf der Platinoberfläche. Die Verbrennung äußert sich in einem Temperaturanstieg des Platinwiderstands und einer Widerstandsänderung, deren Wert von der Konzentration des brennbaren Gases abhängt. Katalytische Verbrennungsgassensoren detektieren selektiv brennbare Gase: Alle brennbaren Gase werden erfasst; nicht brennbare Gase werden nicht erkannt. Natürlich gibt es Ausnahmen von dieser Regel, aber im Allgemeinen ist die Selektivität korrekt. Katalytische Verbrennungsgassensoren zeichnen sich durch präzise Messung, schnelle Reaktionszeit und lange Lebensdauer aus. Die Sensorausgabe steht in direktem Zusammenhang mit dem Explosionsrisiko in der Umgebung und macht sie zu einem der wichtigsten Sensoren im Bereich der Sicherheitsüberwachung.

Nachteil: Im Bereich brennbarer Gase besteht keine Selektivität. Das Feuer ist aktiv, und es besteht Brandgefahr. Die meisten elementaren organischen Dämpfe sind für den Sensor giftig.

Die Hauptlieferanten der Sensoren befinden sich in China, Japan und Großbritannien (dem Erfinderland)! China ist der größte Abnehmer (Kohlebergbau) dieses Sensors und verfügt zudem über die beste Sensorproduktionstechnologie. Obwohl verschiedene Akteure durch Propaganda die öffentliche Wahrnehmung dieses Sensors beeinflussen, ist China letztendlich der wichtigste Hersteller von Sensoren für katalytische Verbrennungsgase.

Wärmeleitender Zellen-Gassensor

Jedes Gas besitzt eine spezifische Wärmeleitfähigkeit. Wenn sich die Wärmeleitfähigkeit von zwei oder mehr Gasen stark unterscheidet, lässt sich der Anteil einer der Komponenten mithilfe des Wärmeleitfähigkeitselements bestimmen. Der Sensor wurde bereits zur Detektion von Wasserstoff, Kohlendioxid und Methan in hohen Konzentrationen eingesetzt.

Der Gassensor hat einen engen Anwendungsbereich und viele einschränkende Faktoren.

Es handelt sich um ein altmodisches Produkt, das weltweit hergestellt wird. Die Qualität der Produkte ist weltweit vergleichbar.

Elektrochemischer Gassensor

Ein beträchtlicher Anteil brennbarer, giftiger und schädlicher Gase weist elektrochemische Aktivität auf und kann elektrochemisch oxidiert oder reduziert werden.

Mithilfe dieser Reaktionen lassen sich die Gaszusammensetzung unterscheiden und die Gaskonzentration bestimmen. Elektrochemische Gassensoren lassen sich in viele Unterklassen einteilen:

1. Primärbatteriebasierte Gassensoren (auch bekannt als Gassensoren) verwenden die gleichen Batterien wie Trockenbatterien, nur dass die Kohlenstoff- und Manganelektroden durch Gaselektroden ersetzt werden. Bei einem Sauerstoffsensor wird Sauerstoff an der Kathode reduziert, Elektronen fließen durch das Galvanometer zur Anode, wo das Bleimetall oxidiert wird. Die Stromstärke ist direkt proportional zur Sauerstoffkonzentration. Der Sensor kann Sauerstoff, Schwefeldioxid, Chlor usw. effektiv nachweisen.

2. Der Konstantpotential-Elektrolysezellen-Gassensor ist sehr effektiv zur Detektion reduzierender Gase. Sein Funktionsprinzip unterscheidet sich von dem herkömmlicher Zellensensoren: Die elektrochemische Reaktion findet unter Stromfluss statt; es handelt sich um einen echten Coulomb-Sensor. Dieser Sensor wird erfolgreich zur Detektion von Kohlenmonoxid, Schwefelwasserstoff, Wasserstoff, Ammoniak, Hydrazin und anderen Gasen eingesetzt und ist der gängigste Sensor zur Erkennung toxischer und schädlicher Gase.

3. Bei Gassensoren vom Konzentrationszellentyp bildet sich spontan eine Konzentrations-EMK, wenn sich auf beiden Seiten der elektrochemischen Zelle ein elektrochemisch aktives Gas befindet. Die Größe der EMK hängt von der Gaskonzentration ab. Erfolgreiche Beispiele für diesen Sensortyp sind Sauerstoffsensoren für Automobile und Festelektrolyt-Kohlendioxidsensoren.

4. Die Erfindung betrifft einen Gassensor vom Grenzstromtyp, der zur Messung der Sauerstoffkonzentration dient und das Prinzip nutzt, dass der Grenzstrom in der elektrochemischen Zelle mit der Ladungsträgerkonzentration zusammenhängt, um den Sauerstoffkonzentrationssensor herzustellen, der zur Sauerstoffdetektion in Fahrzeugen und zur Sauerstoffkonzentrationsdetektion in Stahlwasser verwendet wird.

Die Hauptlieferanten dieses Sensors befinden sich mittlerweile weltweit, vor allem in Deutschland, Japan und den USA. Kürzlich kamen einige neue europäische Lieferanten hinzu: Großbritannien, Schweiz usw. China begann früh in diesem Bereich, aber der Industrialisierungsprozess verlief ineffektiv.

Infrarot-Gassensor

Die meisten Gase weisen charakteristische Absorptionsspitzen im mittleren Infrarotbereich auf, und die Konzentration eines Gases kann durch die Erfassung der Absorption an der Position der charakteristischen Absorptionsspitzen bestimmt werden.

Dieser Sensor war früher ein großes Analysegerät, doch dank der Entwicklung der Sensorindustrie auf Basis der MEMS-Technologie konnte sein Volumen in den letzten Jahren von 10 Litern (entspricht etwa 45 kg eines Big Mac) auf ca. 2 ml (Daumengröße) reduziert werden. Durch den Einsatz eines Infrarotdetektors ohne modulierende Lichtquelle ist das Gerät völlig frei von mechanischen Teilen und wartungsfrei.

Der Infrarot-Gassensor kann die verschiedenen Gasarten effektiv unterscheiden und die Gaskonzentration genau messen.

Dieser Sensor wurde erfolgreich eingesetzt für: Kohlendioxid- und Methanmessung.

Der aktuelle Lieferant dieses „Sensors“ sitzt in Europa! China ist in diesem Bereich derzeit eine Art „Halbwüste“!

Magnetischer Sauerstoffsensor

Dies ist der Kern des magnetischen Sauerstoffanalysators , aber er hat auch den "Sensor"-Prozess erreicht.

Es wird nach dem Prinzip hergestellt, dass Sauerstoff in der Luft von einem starken Magnetfeld angezogen werden kann.

Der Sensor eignet sich ausschließlich zum Nachweis von Sauerstoff und zeichnet sich durch eine hervorragende Selektivität aus. Lediglich Stickoxide (NOx) in der Atmosphäre können einen geringen Einfluss haben, doch da der Gehalt dieser Störgase oft sehr gering ist, ist die Selektivität der magnetischen Sauerstoffanalysetechnologie nahezu einzigartig!

Etablierte Industrieprodukte mit Herstellern weltweit. (Ich spreche natürlich von einem Sauerstoffanalysator als Einzelmessgerät, der innerhalb eines bestimmten Bereichs als Sensor fungieren kann.) Dieses Produkt hingegen, das in Form reiner Sensoren hergestellt wird, ist eine relativ neue Entwicklung.

Andere

In den letzten Jahren hat sich die Gassensorik mit dem ständigen Aufkommen neuer Technologien grundlegend verändert. Die Vielfalt der Gassensoren wächst stetig. Die Frage, ob bestimmte Sensoren als Gassensoren bezeichnet werden sollten, ist jedoch umstritten. Ein Beispiel hierfür ist der PID-Detektor. Obwohl er auch zur Gasmessung eingesetzt wird und sehr klein ist, ist er nicht wirklich wartungsfrei. Daher sollte er, unabhängig von seiner Größe, als „Messgerät“ geführt werden. Optische Sensoren auf Basis von Glasfasern entwickeln sich rasant. Obwohl sie elektronische Sensoren derzeit noch nicht direkt bedrohen, könnten ihre einzigartigen Vorteile in Zukunft entscheidend sein. Schließlich übertreiben Händler von Gassensoren aus kommerziellen Gründen manchmal die Leistungsfähigkeit einzelner Sensoren und verwirren die Klassifizierung, was die korrekte Anwendung durch die Anwender erschwert. Tatsächlich ist die Anwendung von Sensoren genauso wichtig wie ihre Herstellung.