Funktionsprinzip des Sauerstoffgehaltsanalysators, Sensors

Klassifizierung von Gassensoren

Die nationale Norm GB7665-87 definiert Sensoren wie folgt: Ein Sensor ist ein Gerät, das eine vorgegebene Messgröße erfassen und diese nach 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 Gasdurchflusssensor nicht als Gassensor, ein Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysator hingegen schon, obwohl beide im Wesentlichen ähnliche Messprinzipien verwenden.

Bereits in den 1970er Jahren entwickelte sich die Gassensorik zu einer großen Abteilung im Bereich der Sensoren und gehörte zum Zweig der chemischen Sensoren.

Es gibt einige Arten von Gassensoren, die auf dem Markt beliebt sind:

1. Halbleiter-Gassensor

Es wird aus Metalloxid-Halbleitermaterialien hergestellt, deren Leitfähigkeit sich mit der Zusammensetzung des umgebenden Gases bei einer bestimmten Temperatur ändert. Beispielsweise basiert ein Alkoholsensor auf dem Prinzip, dass der Widerstand von Zinnoxid bei Kontakt mit Alkoholgas bei hoher Temperatur stark abfällt. Halbleiter-Gassensoren eignen sich für die Messung von Methan, Ethan, Propan, Butan, Alkohol, Formaldehyd, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ethylen, Acetylen, Vinylchlorid, Styrol, Acrylsäure und anderen Gasen. Insbesondere sind die Sensoren kostengünstig und für die zivile Gasmessung geeignet. Halbleiter-Gassensoren werden erfolgreich für Methan (Erdgas), Alkohol, Kohlenmonoxid (Stadtgas), Schwefelwasserstoff und Ammoniak (einschließlich Amine und Hydrazin) eingesetzt. Hochwertige Sensoren erfüllen die Anforderungen industrieller Anwendungen.

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.

2. Gassensor vom Typ der katalytischen Verbrennung

Der Sensor besteht darin, eine hochtemperaturbeständige Katalysatorschicht auf der Oberfläche des Platinwiderstands herzustellen. Bei einer bestimmten Temperatur katalysiert das brennbare Gas die Verbrennung auf der Oberfläche des Platinwiderstands. Die Verbrennung führt zu einem Temperaturanstieg des Platinwiderstands und damit zu einer Widerstandsänderung. Der Wert dieser Änderung ist eine Funktion der Konzentration des brennbaren Gases.

Katalytische Verbrennungsgassensoren detektieren selektiv brennbare Gase: Alle brennbaren Gase werden erfasst; nicht brennbare Gase werden nicht erkannt. Natürlich gibt es Ausnahmen von der Aussage „alles Brennbare wird erfasst“, 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 führenden Sensoren im Bereich der Sicherheitsüberwachung.

Nachteil: Im Bereich brennbarer Gase besteht keine Selektivität. Es kann zu einer Entzündung kommen, wodurch Brandgefahr besteht. Die meisten 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) dieser Sensoren und verfügt über die fortschrittlichste Sensorproduktionstechnologie. Obwohl verschiedene Akteure durch Propaganda die öffentliche Wahrnehmung dieser Sensoren beeinflussen, sind die meisten Hersteller von Sensoren für katalytische Verbrennungsgase letztendlich in China ansässig.

3. Wärmeleitender Gassensor vom Pooltyp

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 begrenzten Anwendungsbereich und viele einschränkende Faktoren. Es handelt sich um ein altmodisches Produkt, das weltweit hergestellt wird. Die Produktqualität ist weltweit vergleichbar.

4. Elektrochemischer Gassensor

Ein beträchtlicher Anteil brennbarer, giftiger und schädlicher Gase weist elektrochemische Aktivität auf und kann elektrochemisch oxidiert oder reduziert werden. Mithilfe dieser Reaktionen lässt sich die Gaszusammensetzung bestimmen und die Gaskonzentration messen. 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 erfolgt unter Stromfluss; 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 Detektion toxischer und schädlicher Gase.

(3) Bei Gassensoren vom Typ Konzentrationszelle 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. Ein erfolgreiches Beispiel für diesen Sensortyp ist der Sauerstoffsensor für Automobile und der Kohlendioxidsensor vom Typ Festelektrolyt.

(4) Die Erfindung betrifft einen Gassensor vom Grenzstromtyp zur Messung der Sauerstoffkonzentration. Er nutzt das Prinzip, dass der Grenzstrom in der elektrochemischen Zelle mit der Ladungsträgerkonzentration korreliert, um einen Sauerstoffkonzentrationssensor herzustellen. Dieser Sensor wird zur Sauerstoffdetektion in Fahrzeugen und zur Sauerstoffkonzentrationsmessung in Stahlwasser eingesetzt. Die Hauptlieferanten dieses Sensors sind weltweit ansässig, vorwiegend in Deutschland, Japan und den USA. In jüngster Zeit sind auch einige neue europäische Anbieter hinzugekommen, darunter aus Großbritannien und der Schweiz. China hat sich frühzeitig in diesem Bereich engagiert, die Industrialisierung verlief jedoch bisher schleppend.

5. Infrarot-Gassensor

Die meisten Gase weisen charakteristische Absorptionsmaxima im mittleren Infrarotbereich auf. Die Gaskonzentration lässt sich durch die Messung der Absorption an der Position dieser Maxima bestimmen. Früher waren solche Sensoren große Analysegeräte, doch dank der Entwicklung der Sensorindustrie auf Basis der MEMS-Technologie konnte ihr Volumen in den letzten Jahren von 10 Litern (entsprechend 45 kg eines Big Mac) auf etwa 2 ml (Daumengröße) reduziert werden. Der Einsatz eines Infrarotdetektors ohne modulierende Lichtquelle macht das Gerät völlig frei von mechanischen Teilen und wartungsfrei. Der Infrarot-Gassensor kann verschiedene Gasarten effektiv unterscheiden und deren Konzentration präzise messen.

Dieser Sensor wurde erfolgreich zur Messung von Kohlendioxid und Methan eingesetzt. Der aktuelle Lieferant dieses Sensors sitzt in Europa! China ist in diesem Bereich derzeit weitgehend unerschlossen.

6. 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 dient ausschließlich der Sauerstoffmessung und zeichnet sich durch eine hervorragende Selektivität aus. Lediglich NOx in der Atmosphäre kann einen geringen Einfluss haben, doch da die Konzentration dieser Störgase oft sehr gering ist, ist die Selektivität der magnetischen Sauerstoffanalysetechnologie nahezu einzigartig! (Ich spreche hier natürlich von einem Sauerstoffanalysator als Einzelmessgerät, der innerhalb eines bestimmten Messbereichs als Sensor fungieren kann.) Dieses Produkt, das als reiner Sensor hergestellt wird, ist hingegen eine relativ neue Entwicklung.

7. Sonstige

In den letzten Jahren hat sich die Gassensorik durch die ständige Entwicklung neuer Technologien grundlegend gewandelt. 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 ebenfalls zur Gasmessung eingesetzt wird und sehr klein ist, ist er nicht wartungsfrei. Daher sollte dieses Gerät, unabhängig von seiner Größe, unter der Bezeichnung „Messgerät“ geführt werden.

Zudem entwickeln sich optische Sensoren auf Basis von Glasfasern rasant. Obwohl sie elektronische Sensoren derzeit noch nicht direkt bedrohen, könnten ihre einzigartigen Vorteile eines Tages bahnbrechend sein. Schließlich übertreiben Händler von Gassensoren aus kommerziellen Gründen mitunter die Leistungsfähigkeit einzelner Sensoren und verwirren die Sensorklassifizierung, was die korrekte Anwendung durch die Anwender erschwert. Tatsächlich ist die Anwendung von Sensoren ebenso wichtig wie deren Herstellung.