Was ist ein Sauerstoffsensor?
Sauerstoffsensoren sind Sensoren zur Messung der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre eines Messraums.
In einem isolierten, geschlossenen Raum ist es äußerst wichtig, die Sauerstoffkonzentration zu messen, um die Lebensaktivitäten aufrechtzuerhalten. Sauerstoffsensoren spielen bei dieser Messung der Sauerstoffkonzentration eine wichtige Rolle.
Wenn die Sauerstoffkonzentration unter 15 % fällt, haben Menschen Atembeschwerden, unter 7 % sind die Gehirnfunktionen beeinträchtigt und unter 4 % tritt der Tod ein. Sauerstoffsensoren werden in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen benötigt und es wurde eine breite Palette von Sauerstoffkonzentrationsmessbedingungen und -systemen entwickelt, um den Anforderungen dieser Bereiche gerecht zu werden.
Ein typischer Sensor ist der Zirkoniumdioxid-Sensor. Zirkoniumdioxid-Sensoren werden auch für die Produktkontrolle in der Halbleiterherstellung, zur Energieeinsparung in Kraftfahrzeugen usw. sowie für die Abgasreinigung verwendet.
Anwendungen von Sauerstoffsensoren
Die Messung der Sauerstoffkonzentration hat zwei Hauptaufgaben: erstens die Erkennung und Überwachung zur Vermeidung von Sauerstoffmangel, was Menschenleben retten kann und zweitens die Kontrolle der Sauerstoffkonzentration, z. B. bei der Herstellung von Industrieprodukten.
1. Prävention von Säuremangel
Beispiele für Anwendungen zur Vorbeugung von Sauerstoffmangel sind das Sicherheitsmanagement im Hoch- und Tiefbau, z. B. in Tunneln und unterirdischen Bauwerken, sowie im medizinischen Bereich, z. B. beim Management der Sauerstoffinhalation und der hyperbaren Reanimation. Die Produkte für diese Anwendungen können tragbar sein oder an der Wand montiert werden.
2. Kontrolle der Sauerstoffkonzentration
Die Prozesskontrolle bei der Herstellung von Industrieprodukten wird in der chemischen Industrie, in der Keramik- und Metallindustrie eingesetzt. Eine Besonderheit bei der Herstellung von Industrieprodukten ist, dass sie bei Wärmebehandlungsprozessen häufig in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden.
Ein bekanntes Beispiel aus dem täglichen Leben ist die Verwendung in Auto- und Motorradmotoren. Indem sie die Sauerstoffkonzentration in den Abgasen ermitteln, tragen sie zur Anpassung der Kraftstoffkonzentration bei.
Funktionsweise der Sauerstoffsensoren
Zu den Messprinzipien von Sauerstoffsensoren gehören der galvanische Batterietyp, der Zirkoniumdioxid-Einzelelektrolyttyp, der magnetische Typ und der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaserspektroskopietyp.
1. Typ der galvanischen Zelle
Der galvanische Batterietyp hat eine einfache Struktur und wird in tragbaren Sauerstoffmessgeräten verwendet. Er besteht aus Gold- und Bleielektroden, einer Harzmembran und einem Elektrolyten und verwendet einen Mechanismus, bei dem ein elektrischer Strom in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration erzeugt wird, wenn Sauerstoff die Membran durchdringt und sich im Elektrolyten auflöst.
2. Individuelles Elektrolytsystem aus Zirkoniumdioxid
Bei der Einzelelektrolytmethode mit Zirkoniumdioxid wird Zirkoniumdioxid als fester Elektrolyt verwendet. Es kann negative Sauerstoffionen (O2) in festem Zustand leiten und die Ionen werden von einem Gas mit hoher Sauerstoffkonzentration (Seite mit hohem O2-Druck) in eine Atmosphäre mit niedriger Sauerstoffkonzentration (Seite mit niedrigem O2-Druck) geleitet.
In einem Sauerstoffsensor mit Zirkoniumdioxid-Elektrolyt sind auf der O2-Hochdruckseite bzw. der O2-Niederdruckseite Elektroden installiert, die elektrisch miteinander verbunden sind: Wenn O2 versucht, das Zirkoniumdioxid als negative Ionen zu durchdringen, werden Elektronen an der Elektrode auf der O2-Hochdruckseite eingefangen und zu negativen Ionen, während auf der O2-Niederdruckseite Elektronen eingefangen und zu negativen Ionen werden. Auf der Seite des niedrigen O2-Drucks werden Elektronen aus dem übertragenen O2 aufgenommen.
Die Beziehung ist genau wie die zwischen der positiven und der negativen Elektrode einer Batterie: Die auf der Seite des niedrigen O2-Drucks (negative Elektrode) freigesetzten Elektronen fließen in die Seite des hohen O2-Drucks (positive Elektrode) zurück. Die elektromotorische Kraft, die zwischen den Elektroden erzeugt wird, kann zur Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks an jeder Elektrode verwendet werden und zwar mit Hilfe einer Beziehung, die als Nernst-Gleichung bekannt ist:
E= (RT/4F) – 1n (PA/PB)
wobei R die Gaskonstante, T die Temperatur, F die Faraday-Konstante und PA und PB die Sauerstoffpartialdrücke auf der Seite des hohen bzw. niedrigen O2-Drucks sind. Die Temperatur wird mit einem im Zirkoniumdioxid eingebauten Thermoelement gemessen und PA basiert auf dem Sauerstoffpartialdruck in normaler Atmosphäre.
Weitere Informationen zu Sauerstoffsensoren
Verschlechterung von Sauerstoffsensoren
Sauerstoffsensoren aus Zirkoniumdioxid, die in industriellen Fertigungsprozessen eingesetzt werden, sind einer Verschlechterung unterworfen. Sie werden in Umgebungen mit hohen Temperaturen eingesetzt und verschiedene Gase können die Zirkoniumdioxidzelle ebenfalls beschädigen oder beeinträchtigen. Reduzierende Gase wie Halogene sind ein weiterer Faktor, der zu einer Verschlechterung führen kann.
In Kraftfahrzeugen kann ein beschädigter oder ausgefallener Sauerstoffsensor zu einem Anstieg der Giftstoffe in den Abgasen führen. Auch der Kraftstoffverbrauch kann sich verschlechtern, wenn der Kraftstoff stärker konzentriert ist als nötig; wenn die O2-Sonde beschädigt ist, muss das Teil von einem Händler oder einer Werkstatt ausgetauscht werden.