Potentiometrische OEM-Sauerstoffsensormodule
Das potentiometrische Prinzip zur Sauerstoffmessung weist unter allen Sauerstoffsensortechnologien die größte Bandbreite an Konzentrationsbereichen auf – von 10-35 bar O2 und bis zu 100 Vol.-% O2. Durch den großen Messbereich und die hohe Auflösung ist dieses Messprinzip für viele unterschiedliche Anwendungsbereiche, wie beispielsweise die Additive Fertigung (AM) oder den 3D-Metalldruck, interessant. In diesen Anwendungsbereichen können Sauerstoffsensoren eingesetzt werden, um Unregelmäßigkeiten im Prozess zu erkennen und damit eine schnellere Fehlerbehebung sowie eine verbesserte Effizienz möglich zu machen.
Das Messprinzip potentiometrischer Sauerstoffsensoren lässt sich 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 Elektroden 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, PO2 (Pabs,ref, Tref, Href), muss im Modul gespeichert werden.
Angst+Pfister Sensors and Power hat zwei unterschiedliche Arten von potentiometrischen OEM-Sauerstoffgassensoren und Gassensormodulen entwickelt. Modultyp PZA MC-N, Sensoren/Module für Inline-Diffusionsmessungen. Und Modultyp PZA-MC-P, Sensoren/Module für Messungen erzwungener Strömungen. Das Modul kann anschließend getrennt werden – in einen separaten Sensorkopf, der in der Regel als A19-N/P bezeichnet wird, wobei N für Inline- oder Diffusionsmessungen und P für erzwungene Durchflussmessungen steht.
Der Sensorkopf A19-N ist mit einem M27 x 2 mm Gewinde ausgestattet, das einfach in eine Prozesskammer oder eine Prozessleitung geschraubt und gasdicht verschlossen werden kann. Alternativ verfügt der Sensorkopf A19-P über ein Strömungsgehäuse mit einem Gaseinlass (G3/8") und einem Auslass (G1/4"), was eine sehr schnelle Reaktion auf Änderungen der Sauerstoffkonzentration ermöglicht und einen Druckaufbau über dem Zirkoniumdioxid-Element verhindert. Beide Sensortypen A19-N/P können für Temperaturen bis zu 200 °C ausgelegt werden.
Zur Steuerung und Regulierung der Temperatur sowie zur Aufbereitung des Ausgangssignals wird die MC-Elektronik (Komplettmodul PZA-MC-N/P) 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. Ein weiteres interessantes Merkmal des Sauerstoffsensormoduls PZA MC N/P ist, dass es über zwei Messbereiche verfügt. Diese sind deshalb erforderlich, weil die meisten Anwendungen eine Prozesskontrolle in einer Atmosphäre mit niedriger Sauerstoffkonzentration (weniger als 10.000 ppm) erfordern. Für die gleiche Anwendung muss die Sauerstoffkonzentration häufig auch beim Starten des Prozesses kontrolliert werden oder der Anwender möchte das Ausgangssignal vor dem Start des Prozesses unter Luftbedingungen (~ 21 Vol.-% O2) überprüfen. Die von Angst+Pfister Sensor and Power angebotene Standardkonfiguration für das Sauerstoffsensormodul PZA MC N/P ist 0–1000 ppm/0–25 Vol. -% Messbereiche – mit der Möglichkeit, über einen potenzialfreien Kontakt automatisch zwischen den Messbereichen umzuschalten.
Wie bereits zu Beginn dieses Newsletters erwähnt, wird das potentiometrische Sauerstoffsensormodul PZA-MC-N für Inline-Diffusionsmessungen neben vielen anderen Anwendungsbereichen vor allem in der Additiven Fertigung (AM) zur Kontrolle der Inertgasbedingungen in pulverbettbasierten Baukammern eingesetzt. Der erste Messbereich (0-25 %) wird genutzt, um eine Freigabe für den Start des Fertigungsprozesses zu erhalten, da die Sauerstoffkonzentration unter einem voreingestellten Wert für einen sicheren Betrieb liegt. Der zweite Messbereich (0-1000 ppm) wird genutzt, um die Sauerstoffkonzentration während des Fertigungsprozesses zu kontrollieren und zu überwachen. Die meisten reaktiven Metalle, wie Titan oder Aluminium, müssen in einer sehr sauerstoffarmen Atmosphäre hergestellt werden – nach Möglichkeit unter 200 ppm O2.
Zu den beliebtesten Anwendungen für das potentiometrische Sauerstoffsensormodul PZA-MC-P zur Messung erzwungener Strömungen gehört auch 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-MC-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 logarithmisch. Die MC-Elektronik linearisiert das Signal und liefert standardmäßig ein linearisiertes Signal von 4–20 mA. 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. Dadurch wird die Messung genauer.
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. 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 zu deutlichen Abweichungen von den vorkalibrierten Werten führen.
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.
