Zirkoniumdioxid - ein effektiver Ansatz für die Sauerstoffsensorik

Es gibt viele Anwendungen, bei denen der Sauerstoffgehalt in einer Umgebung gemessen werden muss. Von Industrieanwendungen, der Automobilbranche, der Logistik/dem Transportwesen und der Landwirtschaft bis hin zur Luft- und Raumfahrt und dem Gesundheitswesen. Bei einigen Anwendungen wird ein niedrigerer Genauigkeitsgrad als akzeptabel erachtet. Wenn jedoch ein hohes Maß an Präzision erforderlich ist, werden überwiegend Sauerstoffmessgeräte auf der Grundlage eines aktiven Elements aus Zirkoniumdioxid (ZrO2) eingesetzt.

Es ist zu beachten, dass herkömmliche ZrO2-Technologie immer noch bestimmte Betriebseinschränkungen aufweist, mit denen sich die Ingenieure auseinandersetzen müssen. In diesem Blog wird beschrieben, wie eine modernere, vielschichtige Methodik eingesetzt wurde, um diese zu überwinden.

Zirkoniumdioxid-Sauerstoffsensor Anwendungen

Sensoren auf ZrO2-Basis werden häufig in der Verbrennungskontrolle eingesetzt. Durch die Überwachung der Partialdrücke in den Abgasen von Industriekesseln wird die Sauerstoffkonzentration gemessen. Es muss immer ein gewisser Sauerstoffüberschuss im Abgas vorhanden sein, um die Bildung von Kohlenmonoxid-Verbindungen zu verhindern. Wenn dieser Wert zu hoch ist, heizt der Kessel Frischluft auf und arbeitet daher nicht effizient, da unnötig Energie verbraucht wird. Durch die jederzeit verfügbaren Daten des Sauerstoffgehalts im Abgaskanal können Anpassungen am Brennstoff-Luft-Verhältnis vorgenommen werden, um den Verbrennungsprozess zu optimieren. Das spart Geld und schont die Umwelt.

In Passagierflugzeugen tragen ZrO2-Sensoren dazu bei, die Anreicherung von Sauerstoff im Luftraum von Kraftstofftanks zu verhindern. On-board-Systeme zur Erzeugung von Inertgas (OBIGG) werden eingesetzt, um den Luft-Sauerstoff zu verdrängen, so dass der Luftraum eine erhöhte Konzentration von inertem Stickstoff aufweist und die Gefahr von Explosionen vermieden werden kann.

In Serverräumen und Dokumentenarchiven spielen ZrO2-Sensoren eine Rolle bei der Schaffung hypoxischer (sauerstoffarmer) Umgebungen als Brandschutzmaßnahme. Diese Geräte können Stickstoffgeneratoren mit Daten über den vorhandenen Sauerstoffgehalt versorgen, so dass in Bereichen, in denen kein Personal anwesend ist, eine Reduzierung des Sauerstoffgehalts erreicht werden kann.

Die Senkung des Sauerstoffgehalts kann auch dazu beitragen, die Lebensdauer von verderblichen Waren wie Obst und Gemüse zu verlängern, wenn sie über lange Strecken transportiert werden. Die Emissionsprüfung von Fahrzeugen ist eine weitere Anwendung, die den Einsatz hochpräziser Sauerstoff-Sensorik erfordert.

ZrO2-Sensor-Typen

Sauerstoffmessgeräte mit aktiven Elementen aus ZrO2 werden im Allgemeinen nach zwei verschiedenen Techniken zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts unterschieden. In beiden Fällen sind diese eine direkte Folge der Eigenschaften, die ZrO2 bei Temperaturen über 650 °C aufweist.

Die Techniken sind:

Ionen-Pumpen

Da ZrO2 bei 650oC teilweise dissoziiert, werden mobile Sauerstoff-Ionen aus dem Material freigesetzt. Durch Anlegen einer Gleichspannung können diese Ionen, die sich sonst zufällig durch das Kristallgitter bewegen würden, durch das ZrO2-Stück getrieben und dazu gebracht werden, eine bestimmte Menge Sauerstoff freizusetzen, wenn sie die Anode erreichen. Die Menge des produzierten Sauerstoffs entspricht proportional der transportierten Ladung.

Der Nernst-Effekt

Oberhalb von 650 ºC führt ein Sauerstoff-Partialdruckunterschied über einem Stück ZrO2 zur Erzeugung einer Spannung. Diese wird als Nernst-Spannung bezeichnet und ist logarithmisch proportional zum Verhältnis der Sauerstoffpartialdrücke auf beiden Seiten des Materials. Die Beziehung wird durch die folgende Gleichung definiert, wobei kB die Boltzmann-Konstante, T die Temperatur (in Kelvin), e0 die Elementarladung (d. h. 1,602 x 10-19 Coulomb) und ci die Ionenkonzentration (in mol/kg) sind.

Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl von Sensoren, die auf einer dieser Techniken beruhen. Ionenpumpen-Sensoren haben Probleme mit der Temperaturempfindlichkeit, was bedeutet, dass sie in bestimmten Anwendungsumgebungen nicht eingesetzt werden können. Außerdem sind sie auf Kapillaröffnungen mit kleinem Durchmesser angewiesen, die leicht verstopfen können, wenn sie an Orten platziert werden, an denen große Mengen an Partikeln vorhanden sind (z. B. in Industriekesseln). Dies schränkt ihre Lebensdauer stark ein.

Die Leistung von Sensoren, die auf dem Nernst-Effekt basieren, wird in gewissem Maße auch durch hohe Temperaturen beeinträchtigt. Außerdem muss in der Regel eine bekannte Referenzgasprobe in das Sensorsystem integriert werden, was ihre Installation in einigen Anwendungen unmöglich machen kann.

Kombinieren Sie diese Techniken

Im Gegensatz zu den Geräten, die auf den beiden oben beschriebenen unterschiedlichen Sensortechniken basieren, hat PST einen eigenen, unverwechselbaren Sensormechanismus entwickelt, der die Eigenschaften beider Techniken vereint. Die Sensoren des Unternehmens verfügen jeweils über eine Anordnung, bei der eine abgedichtete Kammer zwischen zwei ZrO2-Stücken zyklisch mit Druck beaufschlagt bzw. evakuiert wird (mittels Sauerstoff-Ionen-Pumpen). Die Druckänderung wird gleichzeitig überwacht (über den Nernst-Effekt). Durch Messung des Zeitraums, der erforderlich ist, um die gewünschte Druckänderung zu erreichen, kann der Sauerstoffpartialdruck genau bestimmt werden.

Die von PST angebotenen Sauerstoffsensoren aus Zirkoniumdioxid haben den Vorteil, dass sie kein Referenzgas benötigen. Das bedeutet, dass sie auch in Anwendungen mit geringerem Platzangebot eingesetzt werden können. Außerdem haben sie nicht die Temperaturprobleme, die andere Sauerstoffsensoren haben. Dadurch können sie unter wesentlich größeren Betriebstemperaturbereichen eingesetzt werden (standardmäßig bei 400 °C und bei entsprechendem Wärmemanagement bis zu 1000 °C).

Sie haben eine Lebensdauer von bis zu 10 Jahren, je nach Anwendungsumgebung und erfordern nur einen geringen Wartungs- oder Kalibrierungsaufwand. Ihre natürliche Robustheit macht den Einsatz komplexer Temperaturkontrollsubsysteme überflüssig. Außerdem liefert der für ihren Betrieb charakteristische Zyklus der Druckbeaufschlagung/Evakuierung wertvolle Diagnoseinformationen, mit denen der Zustand des Geräts überwacht werden kann.