Partnerschaften für die ACHEMA - Module und Transmitter für amperometrische OEM-Sauerstoffsensoren

Module und Transmitter für amperometrische OEM-Sauerstoffsensoren

Angst+Pfister Sensors and Power hat über 150 verschiedene amperometrische OEM-Module für Sauerstoffsensoren im Programm, darunter auch eine Vielzahl kundenspezifischer Typen. In diesem Newsletter (Newsletter 2) können wir sozusagen nur an der Oberfläche unseres umfangreichen Produktportfolios kratzen und nicht auf jedes einzelne Produkt im Detail eingehen. So beschränken wir uns in diesem Newsletter bei vielen der vorgestellten Produkte nur auf die Funktionalität oder auf die jeweils beliebteste Anwendung. Kundenspezifische Module machen über 2/3 unseres Geschäfts mit OEM-Sauerstoffsensormodulen aus. Wir betrachten uns als Spezialisten für Sauerstoffsensoren und arbeiten gerne mit Bestandskunden und potenziellen Kunden an massgeschneiderten Lösungen.

Bei der Entwicklung eines OEM-Sauerstoffsensormoduls, das auf den in Newsletter 1 vorgestellten amperometrischen Sauerstoffsensoren basiert, sind wir grundsätzlich bestrebt, die Eigenschaften der eigenständigen amperometrischen Sauerstoffsensoren 1:1 auf die amperometrischen OEM-Sauerstoffsensormodule zu übertragen, wobei wir das Produkt noch durch zusätzliche Leistungsmerkmale und Funktionen ergänzen. Dies können beispielsweise integrierte gasdichte Strömungsgehäuse für schnelle Anwendungen mit erzwungener Strömung oder Hochtemperatursensor-Frontends zur einfachen Integration in eine bestimmte Anwendung sein.

Wir konditionieren das Rohsignal des Sensors und verstärken es in Signalprotokolle nach Industriestandard, wobei wir stets darauf achten, das Rauschen der elektronischen Komponenten und der Umgebung auf ein Minimum zu reduzieren. Bei der Entwicklung der elektronischen Komponenten steht die Minimierung von EMV-Problemen und die Bereitstellung eines hochwertigen Ausgangssignals, das sich proportional zur Sauerstoffkonzentration verhält, im Vordergrund. Darüber hinaus werden alle elektronischen Komponenten so konzipiert, dass der Rohsensor vor Interferenzen und Transienten geschützt ist.

FCX-M-Sauerstoffsensormodule auf Basis der amperometrischen FCX-U-Sauerstoffsensoren
Das FCX-MC-Sauerstoffsensormodul ist das passende Modul für alle. Es verfügt über einen 12-Bit-AD-Wandler zur Aufbereitung und Linearisierung des Rohsignals der FCX-U-Sensoren. Bei der Verwendung eines FCX-MC-Moduls stehen mehrere Ausgangssignalprotokolle zur Verfügung, und zwar 4–20 mA/0–10 V Analogausgang und RS232/RS485 serieller Digitalausgang. Die Kalibrierung und Einstellung des Signals erfolgt über präzise Digitalpotentiometer, die über eine externe Anzeigebox gesteuert werden. Auf diese Weise kann das Signal in der Anwendung sehr genau kalibriert und eingestellt werden. Die Heizspannung zum FCX-U-Sensor wird überwacht und gesteuert, und im Falle eines Heizungskurzschlusses wird ein Signal übertragen, das einen Fehlerzustand des Moduls anzeigt. Ebenso kann das Rohsignal des Sensors überwacht werden, um Kabelfehler zu erkennen. Der FCX-U-Sensor kann auf der Platine in einem gasdichten Strömungsgehäuse platziert werden, um schnelle und zuverlässige Messungen erzwungener Strömungen zu ermöglichen, er kann aber auch über ein Kabel mit der Platine verbunden werden. Die maximale Kabellänge beträgt 6 Meter und kann je nach Anwendung auf 10 Meter verlängert werden. Es stehen verschiedene Sensorköpfe in Kombination mit Kabeln für unterschiedliche Anwendungen zur Verfügung – von stationären, langlebigen Gassicherheitsgeräten bis hin zu Hochtemperatur-Transmittern zur Messung der Feuchtigkeit. Einige der Lösungen sind in der nachstehenden Abbildung dargestellt, aber auch hier handelt es sich nur um einen kleinen Teil aus unserem Sortiment.

Alle unterschiedlichen Sensorkopfkonfigurationen und CAN-Kabeltypen sind auch mit einer ML/MP-Elektronik kombinierbar. Die ML/MP-Elektronik verfügt über ein einfacheres Schaltungsdesign, ohne jedoch Kompromisse bei der Qualität des Ausgangssignals und bei der Steuerung der Heizspannung einzugehen. Der Ausgang eines FCX-ML/MP-Sauerstoffgassensormoduls liefert 4–20 mA, nicht linearisiert. Die Kalibrierung und Einstellung des Signals erfolgt über normale Analogpotentiometer. Die ML/MP-Elektronik hat gegenüber der MC-Elektronik einen Grössenvorteil, aber auch bei einigen Anwendungen, die in einem schmalen Sauerstoffkonzentrationsband bei höherer Sauerstoffkonzentration eine gute Leistung erfordern, erhält das FCX-ML-Modul mitunter den Vorzug gegenüber dem FCX-MC-Modul. Bei einem FCX-ML95-Modul, das die meiste Zeit oberhalb von 90 Vol.-% O2 betrieben wird, ist der Anstieg des Signalausgangs pro Vol.-% O2 bei einem FCX-ML95-Gassensormodul höher als bei einem FCX-MC95-Gassensormodul mit einem linearisierten Ausgang.

Die jüngste Modulentwicklung (FCX-MLD) ist auf langlebige, wartungsarme Sauerstoffmessgeräte ausgerichtet, beispielsweise für Anwendungen, bei denen die Sauerstoffkonzentration in Fitnessräumen oder in Serveranlagen gesenkt wird. Dabei handelt es sich um zwei sehr unterschiedliche Anwendungen: In der einen Anwendung wird durch das Absenken der Sauerstoffkonzentration ein Höhentraining simuliert; in der anderen Anwendung wird durch das Absenken der Sauerstoffkonzentration der Ausbruch eines Feuers aufgrund ausgefallener oder überhitzter Elektronik und Kabel in einem Serverraum verlangsamt/verhindert. Obwohl die Anwendungen ganz unterschiedlich sind, sind die Anforderungen fast die gleichen: ein stabiler, zuverlässiger Ausgang mit niedriger Drift und langer Betriebsdauer. Bei der Entwicklung des FCX-MLD-Sauerstoffsensormoduls wurde nicht nur auf die Grösse, sondern auch auf die sichere Handhabung geachtet. Die Signalschnittstelle ist seriell und bei den Lese- und Schreibbefehlen steht die sichere Handhabung im Vordergrund, d. h. Sensor-/Modulstatus, Sensor ein/aus, Reset, Messspanne Lesen/Schreiben und Nullpunkt Lesen/Schreiben zusammen mit anderen Befehlen. Der FCX-UC 0–25 Vol.-% O2-Sensor wird auf den Druck des MLD gelötet, und das Modul arbeitet im Diffusionsmodus. Durch den Einsatz des FCX-MLD-Moduls kann die gemessene Sauerstoffkonzentration in einem Toleranzbereich von +/–0,1–0,2 Vol.-% O2 über 10 Vol.-% O2 (Absolutwert) reguliert werden. Das Sauerstoffsensormodul FCX-MLD95 wurde für die Nachrüstung von Sauerstoffsensoren in CO2-Inkubatoren und/oder Shakern oder für die Integration in Verpackungslinien für Lebensmittel entwickelt, die sich in unmittelbarer Nähe zum eigentlichen Verpackungsprozess befinden.

FCX-TR-Sauerstoffsensortransmitter auf Basis von amperometrischen FCX-U-Sauerstoffsensoren
Der FCX-TR-Sauerstofftransmitter zeichnet sich dadurch aus, dass der FCX-U-Sensor und die Elektronik in ein Gehäuse aus Edelstahl (1.4404) mit einem G½-Gewinde integriert sind. Der Transmitter lässt sich somit direkt in die Anwendung einbauen – sowohl in ein Rohr als auch in eine Kammer –, und die Signalaufbereitung erfolgt direkt. Der Ausgang des Transmitters liefert 4–20 mA, ist nicht linearisiert, und das Kabel von einer zentralen Prozesssteuerung zu dem zu überwachenden Prozess kann beliebig lang sein.

Die FCX-TR-Sauerstofftransmitter wurden hauptsächlich für die Prozesskontrolle in Sauerstoff- und Stickstoffgeneratoren entwickelt, können aber auch für Analysegeräte verwendet werden. Das Gewinde für die Prozessadaption erleichtert die Integration, der Transmitter kann aber auch im erzwungenen Strömungsmodus betrieben werden. An der Sechskantmutter befindet sich eine Gewindeöffnung, in die ein M5-Prozessadapter eingeschraubt und festgezogen werden kann. So lässt sich der Transmitter von der Prozessgasleitung als Bypass betreiben, und er erlaubt, schnell auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration zu reagieren.

PO2ES-Sauerstoffsensormodule
PO2ES-Sauerstoffsensoren können als eigenständige Sensoren in Analysatoren oder Gassicherheitsgeräten eingesetzt werden. Das Ausgangssignal der analogen Sensoren wird als passives, temperaturkompensiertes mV-Signal ausgegeben. Bei relativ kurzer Kabellänge (< 30 cm) kann das mV-Ausgangssignal auch direkt verwendet werden. Das Ausgangssignal der Digitalsensoren wird als temperaturkompensiertes I2C-Signal mit einer sehr hohen Auflösung ausgegeben. Die Auflösung kann bis zu +/–20 ppm in einem Messbereich von 0 bis 25 Vol.-% O2 betragen. Für den PO2ES-Sensor mit einem Messbereich von 0 bis 10’000 ppm O2 wird eine Signalauflösung von +/–1 ppm garantiert.

Der Gewindeanschluss M16 × 1 mm erleichtert die Integration in die Anwendung. Um erzwungene Strömungen zu messen, haben wir ein gasdichtes Strömungsgehäuse entwickelt.

Bei vielen industriellen Anwendungen ist die physische Entfernung zwischen einer Prozesskammer/Prozessleitung und der zentralen Prozesssteuerung (z. B. einer SPS) gross, und viele Steuerungen können keine mV- oder I2C-Signalprotokolle verarbeiten. Für diese Anwendungen haben wir eine Lösung entwickelt, die die direkten Signale der PO2ES-Sensoren in industrielle Standardsignalprotokolle – in diesem Fall RS485 Modbus und 4–20 mA – umwandelt (Konverterbox). Die Konverterbox kann in der Nähe des Messpunktes montiert werden, und zwischen der Konverterbox und dem Prozessregler gibt es keine Beschränkung für die Kabellänge. Im Bereich der additiven Fertigung ist die Kombination eines digitalen oder analogen PO2ES-Sauerstoffsensors mit dem Konverter inzwischen sehr beliebt. Das Ausgangssignal des PO2ES-103 wird (im Gegensatz zu anderen Sauerstoffsensoren) nicht durch den Zustand der Prozesskammer und die Gase beeinflusst, die während des Prozesses entstehen – dies können reduzierende Gase und/oder Feuchtigkeit von den Kammerwänden und dem Metallpulver sein. Die Auflösung des Signals ist für Prozesse mit Titan und Aluminium hoch genug.

Die neueste Entwicklung, die auf den PO2ES-Sensoren basiert, ist die Kombination des Sensors mit einem Datenlogger. Der Sensor und der Datenlogger sind mit einem Kabel (≤ 100 cm) verbunden. Der Datenlogger protokolliert und speichert die Sauerstoffkonzentration in Intervallen zwischen einer Messung pro Sekunde und einer Messung alle 12 Stunden. Die Kommunikation mit dem Datenlogger erfolgt über ein Bluetooth Low Energy (BLE) Protokoll. Dieses Produkt wurde speziell für den Transport und die Lagerung von Waren entwickelt, die eine Schutzatmosphäre bzw. eine kontrollierte Atmosphäre benötigen. Dies könnte beispielsweise der Transport und die Lagerung von Metallpulver, Milchpulver oder Obst und Gemüse sein.

TB-Sauerstoffsensormodule auf Basis von amperometrischen ES1-O2-Sauerstoffsensoren
Der ES1-O2 0–25 Vol.-% O2 Sauerstoffsensor benötigt eine signalverarbeitende Elektronik mit einer sehr stabilen Referenzspannung, um eine gleichbleibende Leistung zu gewährleisten, die sich proportional zur Sauerstoffkonzentration verhält. Die TB-Serie der signalverarbeitenden Elektronik wurde speziell für die ES1-Serie entwickelt und hat eine Menge zu bieten.

Die digitale Platine TB200B-ES1-O2 mit dem UART-Kommunikationsprotokoll verfügt über eine sehr hohe Signalauflösung und eine ausgesprochen gute Stabilität. Die Analogplatine TB420-ES1-O2 verfügt über einen 4–20 mA Ausgang und eine sehr gute Ausgangsstabilität. Beide Module sind mit internen Watchdogs ausgestattet, die den Zustand des Sensors überprüfen und Fehler in der Platinenelektronik und im Sensor melden. Das Ausgangssignal ist im Bereich von –40 °C bis 55 °C temperatur- und feuchtigkeitskompensiert. Der breite Temperaturbereich eignet sich sehr gut für Anwendungen im Aussenbereich sowie für Kühlhäuser.

Die Abmessungen des TB200B und TB420 sind sehr klein (40 × 30 mm bzw. 45 × 35 mm), sodass das Modul und der Sensor problemlos in eine Anwendung mit begrenztem Kopfraumvolumen integriert werden können. Zum Beispiel in Kombination mit dem oben erwähnten Datenlogger.

Die Gassensormodule TB200B (digital) und TB420 (analog) eignen sich beide hervorragend für kleine, tragbare Analysatoren. Das Ausgangssignal ist unabhängig von der Orientierung des Sensors, und der Sensor hat keine oder nur sehr geringe Quereinflüsse durch andere Gase wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan, Propan und Schwefelwasserstoff. Für Analysatoren, die mit einer Pumpe arbeiten, und für Anwendungen, bei denen nur ein sehr kleines Kopfraumvolumen für die Analyse zur Verfügung steht, haben wir ein gasdichtes Strömungsgehäuse zur Messung erzwungener Strömungen entwickelt.

Bei Fragen steht Ihnen Peter Felder gerne zur Verfügung.