Partnerschaften für die ACHEMA - Amperometrische Sauerstoffsensoren

Amperometrische Sauerstoffsensoren als Basis für OEM-Gassensormodule

Amperometrische Sauerstoffsensoren bieten zwei wesentliche Vorteile: Ein ganz offensichtlicher Vorteil ist die Proportionalität des Ausgangsstroms zur Sauerstoffkonzentration. Ein weiterer Vorteil ist die einfache Berechnung der Lebensdauer des Sensors – Strom durch den Sensor mal Betriebszeit –, was die Service- und Wartungsplanung erheblich vereinfacht. Weltweit sind Millionen von amperometrischen Sauerstoffsensoren in vielen verschiedenen Anwendungen im Einsatz, und sie funktionieren im Grunde alle nach dem oben beschriebenen Prinzip: Die Sauerstoffkonzentration verhält sich proportional zum Strom, und die Lebensdauer des Sensors verhält sich proportional zur Last. Die Last entspricht dem Strom, der durch den Sensor fliesst, mal der Betriebszeit.

Jedoch bleibt der Ausgangsstrom nicht bei allen amperometrischen Sauerstoffsensoren dauerhaft stabil. So haben beispielsweise die meisten Sauerstoffsensoren, die für Sicherheitsanwendungen verwendet werden, eine Leistung, die sich in Abhängigkeit von der Last verringert. Diese Sensoren müssen mit einer gewissen Vorsicht betrieben werden und eignen sich nicht für kritische Anwendungen, z. B. Anwendungen unter kontrollierter Atmosphäre, bei denen die gemessene Sauerstoffkonzentration genau und zuverlässig sein muss. Angst+Pfister Sensors and Power vertreibt und fertigt ausschliesslich amperometrische Sauerstoffsensoren, die einen Ausgangsstrom aufweisen, der über die gesamte Lebensdauer des Sensors garantiert stabil bleibt. Und die Lebensdauer ist lang – ein Betrieb von mindestens 4 Jahren ist garantiert, aber das hängt natürlich auch von der jeweiligen Anwendung ab. Im folgenden Newsletter stellen wir drei stabile amperometrische Sauerstoffsensoren für Anwendungen unter kontrollierter Atmosphäre vor. Die in diesem Newsletter (Newsletter 1) vorgestellten Sensoren bilden die Basis für die OEM-Sauerstoffsensormodule von Angst+Pfister Sensors and Power, auf die wir im nächsten Newsletter (Newsletter 2) eingehen.

FCX-U Zirkoniumdioxid-basierter, amperometrischer Sauerstoffsensor mit vier Messbereichen
Die FCX-U Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren werden bei 450 °C betrieben, wobei die Temperatur an der Aussenfläche des Sensors immer < 60 °C beträgt. Der Ausgangsstrom des Sensors ist aufgrund der hohen Temperatur des kleinen keramischen Sensorelements nahezu unabhängig von der Gastemperatur zwischen –20 °C (–30 °C) und 50 °C. Die FCX-U-Sauerstoffsensoren messen den Sauerstoffpartialdruck unabhängig vom statischen Druck, da der Strom des Sensors durch Diffusion begrenzt ist und das gesamte Sensorelement durch den statischen Gesamtdruck beeinflusst wird.

Die Serie FCX-U der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren umfasst vier Typen mit jeweils einem festen Messbereich: 0–1’000 ppm O2 (FCX-ULL), 0–5 Vol.-% O2 (FCX-UL), 0–25 Vol.-% O2 (FCX-UC) und 0–95 Vol.-% O2 (FCX-UWC). Alle Typen werden im Widerstandsheizverfahren auf 450 °C erhitzt, wobei der Ausgangsstrom durch die genaue Temperatur des Sensorelements und die Sensorspannung über dem Sensorelement gesteuert wird. Ein Beispiel: Der Ausgangsstrom des 0–25 Vol.-% O2 Sauerstoffsensors (FCX-UC) bleibt über 30’000 Betriebsstunden mit einer maximalen Drift pro Jahr und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von < 1 % pro Jahr stabil. Beim Erreichen des End-of-Life (EOL) wird die Ausgangsdrift auf einen Relativwert von > 10 % pro Monat beschleunigt.

Das Sensorelement ist in eine Keramikwolle gepackt, was ein echter Vorteil ist, wenn es sich um Gase handelt, die einen hohen Feuchtigkeitsgehalt haben und/oder Partikel enthalten. Die FCX-U-Sensoren sind sehr robust und können sogar in korrosiven Gasen betrieben werden, allerdings ist hier höchste Vorsicht geboten. Die Gasprobe, die ein korrosives Gas enthält, muss sehr trocken sein, und das korrosive Gas verkürzt in der Tat die Lebensdauer des Sensors.

Die FCX-U-Sensoren können bei Temperaturen von bis zu 300 °C eingesetzt werden. Bei entsprechender Auslegung des Sensorkopfes (Kabel und Gehäuse) ist ein Einsatz sogar bei bis zu 325 °C möglich. Diese Sensoren werden häufig als Feuchtigkeitssensoren für den Hochtemperaturbetrieb eingesetzt, zum Beispiel bei Trocknungsanwendungen und zur Steuerung von Backprozessen. Der Ausgangsstrom bleibt proportional zum Sauerstoffpartialdruck. Da jedoch die Feuchtigkeit den Sauerstoff unterdrückt, lässt sich der Feuchtigkeitsgehalt in einer Atmosphäre mit bekannter Sauerstoffkonzentration einfach berechnen. Um die Verwendung des FCX-U-Sensors als Feuchtigkeitssensor geht es in einem weiteren Newsletter dieser Reihe, die wir anlässlich der bevorstehenden ACHEMA herausgeben.

PO2ES und ES1 – schwach alkalische elektrolytische, amperometrische Sauerstoffsensoren
Schwach alkalische Elektrolyte auf Flüssig-, Gel- oder Polymerbasis werden zunehmend für die unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt – von tragbaren Gassicherheitsgeräten bis hin zu komplexen Prozesskammern für die additive Fertigung. Die Popularität dieser Art von elektrochemischen Sensoren lässt sich auf zwei Faktoren zurückführen: stabile Ausgangsströme über die lange Lebensdauer der Sensoren (4–6 Jahre) und geringe oder keine Quereinflüsse auf andere Gase wie Methan, Wasserstoff und andere Gase – selbst wenn die zu analysierende Gasprobe feucht ist.

Die Sauerstoffsensoren aus der Serie PO2ES haben einen schwach alkalischen, flüssigen Elektrolyten in einer klassischen 3-Elektroden-Konfiguration. Eine gasdurchlässige Diffusionsmembran bildet die Schnittstelle zur Gasprobe. Der Sauerstoff wird an der Sensorelektrode (Kathode) reduziert und an der zweiten Elektrode (Anode) wieder oxidiert. Die Sauerstoffsensoren aus der Serie PO2ES sind bleifrei und haben durch die Nutzung der Technologie der schwach alkalischen Elektrolyte nur sehr geringe oder keine Quereinflüsse auf andere Gase

Die Serie PO2ES der Sauerstoffsensoren umfasst drei Typen mit jeweils festen/halbfesten Messbereichen: 0–10’000 ppm O2 (PO2ES-41GWA01), 0–5 Vol.-% O2 (PO2ES-41GWA05)) und 0–25/0–100 Vol.-% O2 (PO2ES-103). Alle Typen verfügen über ein Gewinde M16 × 1 mm, sie sind einfach zu montieren oder in die Anwendung zu integrieren und gelten als eigensicher. Darüber hinaus ist der Ausgangsstrom zwischen 0 und 45 °C passiv temperaturkompensiert. Ein Beispiel: Der Ausgang des 0–25/0–100 Vol.-% O2-Sauerstoffsensors (PO2ES-103) bleibt bei weit über 50’000 Betriebsstunden unter Luftbedingungen und mit einer maximalen Drift pro Jahr bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von < 2 % stabil. Beim Erreichen des End-of-Life (EOL) wird die Ausgangsdrift auf einen Relativwert von > 10 % pro Monat beschleunigt.

Die PO2ES Sauerstoffsensoren können bis zu einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % betrieben werden und reagieren nur sehr geringfügig auf 100 Vol.-%ige Gase oder Gasgemische aus Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlenwasserstoffen. Dadurch eignen sie sich sehr gut für Anwendungen in den Bereichen allgemeine Gassicherheit (ATEX) und Gasqualität bei Erzeugung, Lagerung, Transport und Förderung (Biogas, Erdgas, Propangas und Wasserstoffgas). Die PO2ES Sauerstoffsensoren können auch über einen längeren Zeitraum in einer trockenen Umgebung betrieben werden, z. B. bei der Verwendung von trockenem Stickstoff oder Argon zur Senkung der Sauerstoffkonzentration in einer geschlossenen Umgebung.

Bei den Sensoren der Serie ES1 (über 20 verschiedene Gase) ist der Elektrolyt in einem Polymer immobilisiert und mit einer Paste auf ein Keramiksubstrat gedruckt. Der Sauerstoffsensor ES1-O2 0–25 Vol.-% O2 hat einen schwachen Elektrolyten, der in einer 3-Elektroden-Konfiguration in Dickschichttechnik immobilisiert wird. Ein Kapillarrohr bildet die Schnittstelle zur Gasprobe. Der ES1-O2 ist bleifrei und hat keine oder nur geringe Quereinflüsse auf andere Gase. Der Sensor ist frei von Orientierungseffekten und eignet sich sehr gut für tragbare Analysatoren und zur Integration in Anwendungen mit begrenztem Kopfraumvolumen. Der Ausgang des Sauerstoffsensors ES1-O2 bleibt für weit über 25’000 Betriebsstunden mit einer maximalen Drift pro Jahr und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von < 2–5 % pro Jahr stabil. Beim Erreichen des End-of-Life (EOL) wird die Ausgangsdrift auf einen Relativwert von > 10 % pro Monat beschleunigt.

Der ES1-O2 kann auch bei sehr niedrigen Temperaturen (< 30 °C) betrieben werden, ohne dass das Signal zu stark abnimmt. Da die gedruckten Schichten und das Kapillarrohr mit einer Teflonmembran geschützt sind, kann der Sensor auch bei einer hohen Luftfeuchtigkeit von nahezu 100 % RH eingesetzt werden. Die Dickschichttechnik bietet unter anderem den Vorteil, dass die Schichten je nach Anwendung auch gemischt werden können, um für eine bestimmte Anwendung die beste Leistung zu erzielen. Dies hat sich beispielsweise bei Anwendungen gezeigt, bei denen der ES1-O2 eine niedrige Sauerstoffkonzentration in einem Kopfraumvolumen über einen Zeitraum von mehr als einem Jahr messen soll. Durch die Änderung der chemischen Zusammensetzung der Referenzelektrode konnten die mit der Standard-Referenzelektrode verbundenen Probleme gelöst werden.

Zusammenfassung
Die amperometrischen Sauerstoffsensoren von Angst+Pfister Sensors und Power zeichnen sich durch ihre Robustheit, Lebensdauer und Ausgangsstabilität aus und eignen sich für die unterschiedlichsten Anwendungen in einem breiten Konzentrationsbereich von niedrigen ppm-Werten bis zu 100 % Sauerstoff – die ideale Lösung sowohl für die Analytik als auch für die Prozesskontrolle.

Damit amperometrische Sauerstoffsensoren korrekt funktionieren, ist eine Schnittstellenelektronik erforderlich, die eine Reihe neuer Anforderungen erfüllen muss. So benötigt beispielsweise der ES1-O2 eine sehr stabile Referenzspannung, um die optimale Sensorleistung zu gewährleisten. Ein weiteres Beispiel sind FCX-U-Sensoren, die eine stabile Heizspannung und einen Schutz vor thermischen Schocks infolge zu hoher Transienten benötigen. Im nächsten Newsletter (Newsletter 2) aus der Reihe zur ACHEMA stellen wir Ihnen die amperometrischen OEM-Sauerstoffsensormodule aus unserem Produktportfolio vor.