Sauerstoff-ZR-Sensor

Die Sauerstoffkonzentration in Gasen ist in der Industrie, aber auch in Laboratorien ein entscheidender Parameter zur Qualitätsüberwachung.

Als Grundlage für die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Gasen mit dem Sauerstoffmessgerät dient die NERNST-Gleichung.

Dabei ist: U – Zellspannung in V

R – Molare Gaskonstante, R = 8,314 J/(mol · K)

T – Messtemperatur in K

F – Faraday-Konstante, F = (9,648 · 104 C/mol

pO2,Luft – Partialdruck des Sauerstoffes an der Bezugselektrode
in trockener Luft in Pa

pO2,Meßgas – Partialdruck des Sauerstoffes an der Messelektrode
im Messgas in Pa.

Der Analysator enthält einen Sensor, der die Oxidionenleitfähigkeit von Keramik aus Zirkoniumdioxid mit stabilisierenden Zusätzen nutzt.

Dieser keramische Oxidionenleiter wird als dünne gasdichte Membran eingesetzt, an der ein zu messendes Gas vorbeigeleitet wird. Die Membran befindet sich in einem thermisch gut isolierten elektrischen Ofen. Die Elektroden der Messzelle sind aus Platin hergestellt. Die Elektrode auf der Außenseite des Rohres, umgeben von trockener Luft, dient als Bezugselektrode mit konstantem, bekanntem Elektrodenpotential

Unter der Voraussetzung, dass die Gesamtdrücke der Gase an beiden Elektroden in etwa gleich groß sind (in diesem Fall kann man mit Volumenkonzentrationen anstelle der Partialdrücke rechnen), ergibt sich nach Einsetzen der Zahlenwerte für die Konstanten in Gleichung (I) folgende Bestimmungsgleichung für die Sauerstoffkonzentration:

Bestimmungsgleichung

φ O2= 20,9 · e (-46,42 · )

(II)

Dabei ist: φ O2 – Sauerstoffkonzentration im Messgas in Vol.-%

U – Potentialdifferenz in mV

T – Messtemperatur in K

20,9 – Sauerstoffkonzentration in Luft mit relativer Feuchte von 30% in Vol.-%.

Allgemeine Hinweise

Der Analysator kann den jeweiligen Meßbedingungen angepaßt werden.

Durch Installation von Schutzvorrichtungen können Druckschwankungen und Staub-Feuchtebelastungen eingeschränkt werden.

Messgas-Durchflussmenge

Zur Gewährleistung einer exakten Messung sollte eine Durchflussmenge des Messgases zwischen 5 und 60 l/h eingehalten werden.

Bei zu kleiner Durchflussmenge wirken sich Verunreinigungseffekte aus den Gasleitungen (Lecks, Permeabilitäten, Desorptionen) fehlerhaft auf das Messergebnis aus.

Bei zu großer Durchflussmenge können asymmetrische Abkühlungen des Sensors Messfehler verursachen.

Wird das Gerät mit der internen Gaspumpe betrieben, erfolgt über die Durchflussmessung eine Regelung der Pumpe. Es wird immer ein optimaler Gasfluss eingestellt.

Zur Sicherung einer gleichbleibenden Meßgasmenge bei schwankenden Gasdrücken ist es gegebenenfalls sinnvoll, eine zusätzliche Duchflußregeleinrichtung vorzusehen ( Differenzdruckperlgefäß Anhang)

Option

Die Einstellungen müssen bei der Bestellung des Gerätes berücksichtigt werden.

Genauigkeit der Messung

Der Hersteller garantiert einen Messfehler von < +-1% (relativer Fehler) Bei der Messung von Konzentrationen von 0,5 Vol.% liegt der relative Fehler unter 5 %, wenn die Gaszuleitung keine Lecks oder Permeabilitäten aufweist.

Bei der Messung von kleinen Konzentrationen < 1,0 Vol.% müssen bei der Auswertung des Messwertes anwenderseitig folgende Aspekte berücksichtigt werden:

•	Zusammensetzung des Messgases

•	spezifische Besonderheiten des Produktionsprozesses (z.B. Einsatzmaterialien)

•	Temperatur des Messgases.

Zur Minimierung des Messfehlers bei der Messung geringerWasserstoffkonzentrationen sind folgende mess- und apparatetechnische Voraussetzungen zu gewährleisten.

•	Die Stelle, von der das Messgas abgesaugt werden soll, ist so zu wählen, dass eine eventuelle Strähnenbildung am Absaugort ausgeschlossen werden kann.

•	Der Transportweg des Messgases bis zur Messzelle ist so kurz wie möglich zu gestalten

•	Alle Gaszuleitungen und -ableitungen müssen absolut dicht sein.

Henze-Hauck PMA GmbH