Potentiometrische OEM-Sauerstoffsensormodule

Das potentiometrische Messprinzip zur Sauerstoffmessung weist unter allen Sauerstoffsensortechnologien die grösste Bandbreite an Konzentrationsbereichen auf – von 10-35 bar O2 bis zu 100 % O2. Auch wenn die physikalischen Gesetzmässigkeiten komplex sind, so lässt sich das Konzept doch leicht nachvollziehen: Die eine Seite eines erhitzten Zirkoniumdioxid-Elements wird dem Messgas mit einer unbekannten Sauerstoffkonzentration ausgesetzt, die andere Seite mit einer bekannten Sauerstoffgaskonzentration als Referenzgrösse. Durch den unterschiedlichen Sauerstoffpartialdruck zwischen den beiden Seiten wird eine konstante Gleichgewichtsspannung erzeugt (Ladungsbilanz). Damit die unbekannte Sauerstoffgaskonzentration präzise und zuverlässig gemessen werden kann, muss die Temperatur des erhitzten Zirkoniumdioxid-Elements sehr genau kontrolliert werden, und die als Referenzgrösse verwendete Sauerstoffgaskonzentration, CO2 (Pabs,ref, Tref, Href), muss bekannt sein.

Angst+Pfister Sensors and Power hat zwei Arten von potentiometrischen OEM-Sauerstoffgassensoren und Gassensormodulen im Programm: Sensoren/Module für Inline-Diffusionsmessungen und Sensoren/Module für Messungen erzwungener Strömungen. Die Sensoren für die Inline-Diffusionsmessungen können für Temperaturen bis zu 1400 °C ausgelegt werden. Der beliebteste Inline-Diffusionssensor ist der Sauerstoffsensor A19-N mit einer oberen Temperaturgrenze von 200 °C. Er lässt sich einfach in eine Prozesskammer oder eine Prozessleitung einschrauben und gasdicht verschliessen. Für Messungen erzwungener Strömungen ist der Sauerstoffsensor A19-P eindeutig die erste Wahl. Die Anschlüsse für den Gaseintritt (G3/8") und den Gasaustritt (G1/4") sind so ausgelegt, dass eine schnelle Reaktion auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration gewährleistet ist und sich kein Druck über dem Zirkoniumdioxid-Element aufbaut.

Zur Steuerung und Regulierung der Temperatur sowie zur Aufbereitung des Ausgangssignals wird die MC-Elektronik empfohlen. Die Elektronik regelt die Temperatur mit höchster Genauigkeit, und die Signalaufbereitungselektronik verstärkt das mV-Ausgangssignal in ein Ausgangssignal von 4–20 mA, das sich zum Beispiel in einem SPS-Modul leicht verwalten lässt.

Die MC-Elektronik verfügt über zwei Messbereiche. Diese sind deshalb erforderlich, weil die meisten Anwender das Sensormodul während des Prozesses in einer Atmosphäre mit niedriger Sauerstoffkonzentration (< 10 000 ppm) betreiben, aber auch weil die meisten Anwender die Sauerstoffkonzentration entweder beim Starten des Prozesses kontrollieren oder aber das Ausgangssignal vor dem Start des Prozesses unter Luftbedingungen überprüfen möchten. Die von Angst+Pfister Sensor and Power angebotene Standardkonfiguration bietet 0–1000 ppm/0–25 % Messbereiche – mit der Möglichkeit, über einen potenzialfreien Kontakt automatisch zwischen den Messbereichen umzuschalten.

Das potentiometrische Sauerstoffsensormodul PZA-MC25-N für Inline-Diffusionsmessungen wird vor allem in der additiven Fertigung (AM) zur Kontrolle der Inertgasbedingungen in pulverbettbasierten Baukammern eingesetzt. Der erste Messbereich (0–25 %) wird verwendet, um eine Freigabe für den Start des Prozesses zu erhalten, da die Sauerstoffkonzentration unter einem voreingestellten Wert für einen sicheren Betrieb liegt. Der zweite Bereich (0–1000 ppm) wird zur Steuerung und Überwachung der Sauerstoffkonzentration während des Prozesses verwendet. Die meisten reaktiven Metalle, wie Titan oder Aluminium, müssen in einer sehr sauerstoffarmen Atmosphäre hergestellt werden – idealerweise bei unter 200 ppm O2.

Eine der beliebtesten Anwendungen für das potentiometrische Sauerstoffsensormodul PZA-MC25-P zur Messung erzwungener Strömungen ist der Einsatz in Metallpulver-Zerstäubern/Abscheidern, um eine oxidationsfreie Verarbeitung in einer Maschine mit geschlossener Kammer sicherzustellen. Aufgrund der Bedingungen in der Kammer wird das zu analysierende Gas mit dem Produkt PZA-MC25-P extrahiert und analysiert, wobei die Prozessgrenzen bei nur 10 ppm liegen. Das Sensormodul PZA-MC25-P überwacht nicht nur die Bedingungen vor dem Start des Prozesses, sondern misst währenddem auch die Qualität des Prozesses. So kann es beispielsweise Leckagen in der geschlossenen Kammer messen.

Das mV-Ausgangssignal der potentiometrischen Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensoren ist stark nichtlinear, sondern vielmehr logarithmisch. Die MC-Elektronik linearisiert das Signal und liefert standardmässig ein linearisiertes Signal von 4–20 mA. Durch die Linearisierung wird der nutzbare Sauerstoffkonzentrationsbereich etwas eingeschränkt, weshalb wir nicht empfehlen, im linearen Modus einen Messbereich zu verwenden, der besser/kleiner als 0–1 ppm ist. Bei bestimmten Anwendungen, z. B. wenn ein reduzierendes Gas das Sauerstoffgas an der Oberfläche des Zirkoniumdioxids beeinträchtigen kann, wird empfohlen, auf den logarithmischen Messmodus umzuschalten. Im logarithmischen Modus kann zwar ein sehr grosser Konzentrationsbereich gewählt werden, allerdings ist das Ausgangssignal dann weiterhin 4–20 mA, nur eben logarithmisch. Die Umstellung auf den logarithmischen Modus ist sinnvoll, wenn der Sauerstoffpartialdruck auf der Messseite durch ein reduzierendes Gas unter das ppb-Niveau gesenkt wird. So zum Beispiel bei Prozessen, bei denen ein Formiergas verwendet wird, oder bei sehr präzisen Messungen von Sauerstoff unterhalb des ppm-Niveaus.

Sämtliche Änderungen – von der Anpassung der Kabellänge zwischen Sensorkopf und Elektronik über eine kundenspezifische Einstellung des Messbereichs bis hin zum Wechsel zwischen linearem und logarithmischem Modus – lassen sich einfach und schnell über die Windows-App und die Bluetooth-Verbindung in der Elektronik vornehmen. Auf diese Weise können Kalibrierungen, Diagnosen und Änderungen in den Einstellungen durchgeführt werden. Alle PZA-MC25-N/P werden mit einer hochgenauen Kalibrierung und einem Kalibrierungszertifikat ausgeliefert. Es wird jedoch empfohlen – und oftmals ist dies auch erforderlich –, eine Anpassung/Kalibrierung in den Anwendungen vorzunehmen. Kleine Änderungen des Drucks, des Durchflusses oder der Luftfeuchtigkeit können sich als ziemlich grosse Abweichung von den vorkalibrierten Werten erweisen. Über die Elektronikeinheit besteht auch die Möglichkeit, die Daten mit Hilfe der PC-Software für die Protokollierung in ein csv-Dateiformat zu übertragen.

Produkt Details

 

 

Abb. 1. Das Produkt PZA-MC25-N besteht aus einer Elektronikeinheit (links) und einem potentiometrischen Sauerstoffsensor A19-N für die Inline-Diffusionsmessung. Links auf der Elektronikeinheit befinden sich die Status-LEDs (inkl. BLE-Kommunikations-LED), in der Mitte der vierpolige Stecker für den Anschluss an den Sensorkopf A19-N und rechts der Klemmenblock für Strom und Ausgang. Der Sensorkopf A19-N verfügt über ein M27 × 2 mm Gewinde für die Schraubmontage. Der Diffusionsstrom zum Sensorelement tritt durch grosse Öffnungen ein, die mit einem Sinterfilter geschützt sind.

Abb. 2. Das Produkt PZA-MC25-P besteht aus einer Elektronikeinheit (links) und einem potentiometrischen Sauerstoffsensor A19-P für die Messungen von erzwungenen Strömungen. Links auf der Elektronikeinheit befinden sich die Status-LEDs (inkl. BLE-Kommunikations-LED), in der Mitte der vierpolige Stecker für den Anschluss an den Sensorkopf A19-P und rechts der Klemmenblock für Strom und Ausgang. Der Sensorkopf A19-P verfügt über ein M27 × 2 mm Gewinde für die Schraubmontage. Der erzwungene Durchfluss zum Sensorelement wird durch einen Gaseintrittsanschluss G3/8" eingeleitet und durch einen Gasaustrittsanschluss G1/4" abgeleitet.