Sauerstoffsensoren: O2-Messung passend zu den Gasbedingungen wählen

Galvanische und amperometrische O2-Zellen benötigen unterschiedliche Schaltungen

Eine galvanische Sauerstoffzelle erzeugt Strom durch eine elektrochemische Reaktion unter Beteiligung von Sauerstoff. Dieses Signal wird mit einer geeigneten Ausleseschaltung gemessen. Neben konventionellen und bleifreien galvanischen Ausführungen gibt es amperometrische Zellen, die eine bestimmte Spannung an der Arbeitselektrode benötigen. Versorgung, Stabilisierung und Lebensdauer dieser Varianten sind nicht identisch.

Die Produktfamilie von Alphasense umfasst sowohl zweipolige galvanische Varianten als auch dreipolige Ausführungen, an die eine Spannung angelegt werden muss. Diese Unterscheidung zeigt, dass „bleifrei“ allein die Schaltungsart nicht beschreibt. Bei der Auswahl einer neuen Zelle werden Elektrodenanschluss, Last und Anforderungen an das Frontend anhand des Datenblatts geprüft. Dass eine Zelle mechanisch in dieselbe Aufnahme passt, belegt keine elektrische oder messtechnische Kompatibilität.

Wann wird ein paramagnetischer Analysator in Betracht gezogen?

Die paramagnetische Analyse nutzt die Anziehung von Sauerstoff durch ein Magnetfeld. Das Verfahren bietet einen Messaufbau, der sich vom Verbrauchsverhalten einer elektrochemischen Zelle unterscheidet. Es gibt jedoch nicht nur einen paramagnetischen Mechanismus: Einflüsse von Durchfluss, Vibration und Hintergrundgas müssen für die gewählte Geräteausführung bewertet werden.

Für die kontinuierliche Prozessüberwachung kann ein entsprechender Analysator geeignet sein. Eine Reinigung der Probe sowie die Einstellung von Durchfluss und Druck können dennoch erforderlich bleiben. Die Bezeichnung „paramagnetisch“ bedeutet nicht, dass jedes verschmutzte oder korrosive Gas direkt angeschlossen werden darf. Gasberührte Materialien und Probenahmegrenzen des Herstellers werden mit dem geplanten Gemisch abgeglichen. Die Integrationsplatine muss neben dem Messwert auch den eigenen Fehlerstatus des Analysators erfassen.

Beachten Sie die Grenzen der beheizten Zelle bei Zirkonoxidsensoren

Zirkonoxid kann bei bestimmten hohen Temperaturen Sauerstoffionen leiten. Analysatoren, die diese Eigenschaft nutzen, arbeiten mit unterschiedlichen Anordnungen, etwa Konzentrationszellen oder Grenzstromverfahren. Die Konzentrationszelle hängt vom Verhältnis der Sauerstoffpartialdrücke auf beiden Seiten ab. Heizungsregelung und geeignete Messelektronik sind feste Bestandteile des Systems.

Brennbare Bestandteile können im Bereich der heißen Zelle reagieren und dadurch den O2-Messwert verändern. Die technischen Erläuterungen von Yokogawa betonen deshalb, dass die Zirkonoxidmethode unter Berücksichtigung der Gaszusammensetzung gewählt werden muss. Auch Staub, verstopfte Einlässe und Referenzbedingungen werden bewertet. Eine für heiße Prozessmessungen entwickelte Sonde lässt sich nicht wie eine stromsparende Zelle für Raumluft anschließen.

Prozent, ppm, Partialdruck und Bezug auf feuchtes Gas

Ein Volumenanteil von 1 Prozent O2 entspricht 10.000 ppm. Diese Umrechnung belegt nicht, dass ein Sensor mit Prozentmessbereich für Spurenmessungen geeignet ist. Bei der Überwachung geringer Restsauerstoffmengen können beispielsweise Nullpunktstabilität, Lufteintritt und die Unsicherheit des Kalibriergases das Ergebnis bestimmen. Zusätzliche Anzeigestellen schaffen keine neue Messfähigkeit.

In idealer Näherung ist der Sauerstoffpartialdruck das Produkt aus Stoffmengenanteil und Gesamtdruck. Wie das Messsignal von dieser Größe oder von Diffusion abhängt, wird für den jeweiligen Sensortyp geprüft; nicht jede O2-Zelle erhält dieselbe Korrektur. Wasserdampf gehört ebenfalls zur Gaszusammensetzung. Prozentwerte einer getrockneten Probe und eines feuchten Prozesses dürfen nicht ohne Angabe derselben Bezugsbasis verglichen werden.

Legen Sie Probenleitung und Materialien entsprechend dem Zielbereich aus

Bei O2-Spurenmessungen kann durch die Leitung eintretende Umgebungsluft wie eine tatsächliche Prozessänderung erscheinen. Dichte Verbindungen, ein geeigneter Druckregler, geringe Totvolumina und ausreichende Stabilisierungszeit sind wichtig. Bei der Umgebungsüberwachung im Prozentbereich werden dagegen ein repräsentativer Gaskontakt, ein freier Sensoreinlass und eine zur Luftströmung passende Anordnung bewertet.

Kondensation, Staub und Chemikalienkontakt können die Eignung der Zelle oder des Probenwegs begrenzen. Bei sauerstoffreichen Gasen werden gasberührte Materialien und Reinigung gesondert betrachtet; beliebige Pumpen oder ölhaltige Anschlüsse gelten nicht automatisch als geeignet. Es wird dokumentiert, wie eine zur Probenaufbereitung eingesetzte Trocknung oder Filterung die Messbasis verändert.

Richten Sie die Kalibrierung nach Messbereich und Verfahren aus

Welche Null- und Referenzpunkte für die Kalibrierung verwendet werden, ergibt sich aus den Anweisungen für die ausgewählte Zelle oder den Analysator. Eine Prüfung an Umgebungsluft verifiziert für sich allein keine Messung sehr geringer Rest-O2-Mengen. Zusammensetzung, Druck, Feuchtebezug und Anschlussanordnung des Prüfgases müssen zum Anwendungsziel passen.

Zunächst wird die vorhandene Abweichung gemessen. Bei Bedarf wird justiert und anschließend erneut verifiziert. Nach langer Nutzung, chemischer Exposition oder einem Zellwechsel wird der Prüfbedarf neu bewertet. Die Software kann Kalibrierdatum, verwendete Koeffizienten und Sensoridentität speichern. Damit lassen sich Ergebnisänderungen zwischen verschiedenen Zellen und Feldbedingungen nachvollziehen. Eine einzige Lebensdauer oder Wartungsfrist wird nicht auf sämtliche Technologien übertragen.

Anforderungen und Lieferplan für ein kundenspezifisches O2-Gerät

Teilen Sie zu Beginn den gewünschten O2-Messbereich, die übrigen Gase im Gemisch, Temperatur, Druck und Feuchtigkeit mit. Wird die Probe direkt aus der Umgebung oder aus einer Gasleitung entnommen? Ergänzt werden Batterie- oder Festversorgung, Messhäufigkeit, Display, Aufzeichnung, Feldschnittstellen und Wartungszugang. Bei einem vorhandenen Sensor werden die genaue Ausführung und Anschlussdaten geprüft.

VOMRO kann eine analoge Ausleseplatine für eine geeignete Zelle oder eine Datenschnittstelle für einen Analysator entwickeln. Startphase, Aufwärmen, ungültige Messung und Verbindungsverlust werden auf dem Display unterschieden. Abnahmetests werden vom Probeneinlass bis zur Aufzeichnungsdatei geplant. Projektquellen und technische Unterlagen werden in der Lieferliste festgehalten. Medizinischer Einsatz oder zertifizierte Funktionen zum Schutz von Menschenleben werden ohne gesonderte Definition nicht zugesagt.

Kundenspezifische Sensorauslese- und Datenerfassungssysteme →