Kohlenmonoxidsensoren: CO-Messung im gesamten Gerät betrachten

Wie wird ein elektrochemischer CO-Sensor ausgelesen?

In einer elektrochemischen CO-Zelle erzeugt die Reaktion des Gases an der Elektrode einen kleinen Strom. Die vorgeschaltete Schaltung hält die für die ausgewählte Zelle erforderlichen Elektrodenbedingungen ein; der Strom wird in eine Spannung umgewandelt und digitalisiert. Aus Nullpunkt- und Empfindlichkeitskoeffizienten wird die CO-Konzentration berechnet. Pinanzahl und Abmessungen des Sensors allein reichen nicht aus, um die geeignete Schaltung zu bestimmen.

Einige Modelle sind für eine stabile Basislinie bei niedrigen Konzentrationen ausgelegt, andere für höhere CO-Messbereiche oder andere Störbedingungen. Statt die Zelle direkt an einen universellen Analogeingang anzuschließen, folgt man der Schaltungsempfehlung des Herstellers. Bei einem fertigen Modul werden auch der Umfang der internen Kalibrierung, die Kommunikationsdaten, die Aktualisierungsrate und die Fehlercodes geprüft.

Wasserstoff und andere Gase können falsche CO-Messwerte verursachen

Wie CO-Sensoren auf andere Gase reagieren, hängt vom Modell ab. Wasserstoff ist insbesondere bei Anwendungen mit bekanntem Wasserstoffvorkommen ein Auswahlkriterium. Honeywell TN-121 zeigt, dass bestimmte CO-Zellen auf Wasserstoff und einige organische Gase reagieren können. Die Zahlen dieses Dokuments sind keine festen Verhältnisse, die sich auf sämtliche CO-Sensoren übertragen lassen.

Eine für geringe Wasserstoffempfindlichkeit entwickelte Zelle oder eine geeignete Mehrkanalanordnung kann geprüft werden. Ein Kohlefilter beseitigt nicht sämtliche Störeinflüsse: Er reduziert bestimmte Gase, und seine Kapazität kann sich während des Betriebs verändern. Die Projektprüfung richtet sich nach dem erwarteten Gasgemisch. Soll ein anderer Kanal zur rechnerischen Korrektur dienen, wird das Verfahren unter realen Bedingungen verifiziert, statt lediglich zwei Messwerte voneinander abzuziehen.

Messbereich, Überlastung durch Gas und Lebensdauer sind unterschiedliche Eigenschaften

Die normalerweise zu messende niedrigste und höchste Konzentration sowie eine kurzzeitige hohe Exposition werden getrennt definiert. Eine für niedrige Konzentrationen gewählte Elektronik mit hoher Verstärkung kann bei viel Gas in Sättigung geraten. Ein Ausgang am oberen Grenzwert bedeutet nicht, dass die tatsächliche Konzentration genau diesem Wert entspricht; dies muss als Messbereichsüberschreitung gekennzeichnet werden.

Die Leistung elektrochemischer Zellen und Filter kann sich mit der Zeit und durch Exposition verändern. SGX weist darauf hin, dass hohe oder lange Gasexposition Nullpunkt und Empfindlichkeit beeinflussen kann. Deshalb werden neben dem Kaufdatum auch Betriebsbedingungen und Prüfergebnisse dokumentiert. Nach dem Einsetzen einer neuen Zelle wird nicht vorausgesetzt, dass die bisherigen Kalibrierkoeffizienten automatisch weiterhin gelten.

Membran, Pumpe und Temperatur verändern die Ansprechgeschwindigkeit

Abdeckung, Membran und Filter vor der Gaszelle beeinflussen die Ansprechzeit des Geräts. Der Schutz vor Staub oder Flüssigkeit kann den Gaszutritt stärker als nötig verlangsamen. Bei gepumpter Probenahme werden auch Eingangsdruck und Druckstöße bewertet. Die Ansprechzeit eines frei liegenden Sensors bleibt nach dem Einbau in ein Gehäuse nicht unbedingt unverändert.

Tritt heißes Gas in eine kalte Anordnung ein, kann Kondensation entstehen; Temperaturänderungen können zudem Nullpunkt und Empfindlichkeit beeinflussen. Für CO-Messungen im Prozessgas werden geeignete Probenbedingungen geschaffen, statt das Gas direkt einem Raummessmodul zuzuführen. Schlauch, Filter und Strömungsführung werden gemeinsam mit dem Endprodukt getestet. Die Herstellergrenzen für Feuchtigkeit, Druck und Gasmatrix fließen in das Gerätedesign ein.

Funktionsprüfung und Kalibrierung sind nicht derselbe Vorgang

Dass ein Gerät auf die Beaufschlagung mit einem bekannten Gas reagiert, belegt keine ausreichende Messgenauigkeit über den gesamten Bereich. Funktionsprüfung, Kalibrierprüfung und Koeffizientenjustierung werden mit unterschiedlichen Zielen geplant. Bei Messungen unter Nullbedingungen und mit einem bekannten CO-Gemisch wird zunächst die Abweichung dokumentiert und bei Bedarf nach Anleitung justiert.

Zusammensetzung und Durchfluss des Prüfgases, Aufgabeeinrichtung, Wartezeit und Umgebungsbedingungen werden im Prüfprotokoll festgehalten. Der gesamte Probenweg wird vom tatsächlichen Einlass aus geprüft. Statt allen CO-Projekten dasselbe Wartungsintervall zuzuweisen, werden Herstellerempfehlung, Exposition und erforderliche Leistung berücksichtigt. Gasprüfungen erfolgen mit geeigneter Ausrüstung und qualifiziertem Personal; unkontrolliert durch Verbrennung erzeugtes Gas ist keine verifizierbare Prüfmethode.

Elektronik und Software müssen Fehler von Messwerten unterscheiden

Für das Frontend mit kleinen Strömen werden Eingangsleckströme, Referenzstabilität, Verstärkung und der Abstand zur Ausgangssättigung bewertet. Der Elektronik-Anwendungshinweis von SGX erläutert die Bedeutung der zum Sensortyp passenden Elektrodenspannung und Strom-Spannungs-Wandlung. Auch die Rückkehr der Zelle zu stabilen Messwerten nach Aus- und Wiedereinschalten der Schaltung wird getestet.

Die Software zeigt Startphase, stabile Messung, Kalibrierung, Messbereichsüberschreitung und Kommunikationsverlust getrennt an. Da eine lange Mittelung reale Änderungen verzögern kann, wird die Filtereinstellung an die Anwendung angepasst. Bei einem gewünschten Steuer- oder Warnausgang wird das Verhalten bei Sensor-, Versorgungs- und Prozessorfehlern gesondert festgelegt. Eine zertifizierte Funktion zum Schutz von Menschenleben erfordert eine umfassendere Produktbewertung als ein Elektronikprototyp.

Entwicklung kundenspezifischer Messplatinen und elektronischer Produkte →

Ihre Ausgangsunterlagen für ein CO-Messgerät

Beschreiben Sie Einsatzzweck, Einsatzort und erwartete CO-Konzentrationen des Geräts. Geben Sie an, ob Wasserstoff, Lösungsmitteldämpfe oder andere störende Gase auftreten können. Für die Auswahl sind Umgebungstemperatur und -feuchte, Gasdruck, Probenahmeverfahren, Messhäufigkeit und Wartungszugang erforderlich. Die genaue Typenbezeichnung eines vorhandenen Moduls oder einer Zelle wird, sofern verfügbar, einbezogen.

Bei einer Entwicklung durch VOMRO können Platine, Software, Display, Datenaufzeichnung und Gehäuse gemeinsam abgegrenzt werden. Zugang zu Prüfgas und Referenzen, Prüfverantwortung und Abnahmekriterien gehören zum Angebot. Die Quelldateien, Anschlussunterlagen und Prüfprotokolle des Projekts werden in die Lieferliste aufgenommen. So ist beim fertigen Gerät nachvollziehbar, was unter welchen Bedingungen verifiziert wurde.