Zirkonoxid-Sauerstoffsensoren sind bekannt für ihre außergewöhnliche Präzision und Haltbarkeit bei Hochtemperaturanwendungen. Diese Technologie nutzt die Eigenschaften der Ionenleitfähigkeit von Zirkoniumdioxid (ZrO₂), wenn es unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt wird.
Prinzip der Arbeitsweise
Zirkoniumdioxid-Sensoren funktionieren nach dem Prinzip, dass Zirkoniumdioxid bei hohen Temperaturen ionisch leitfähig wird. Bei einer Erhitzung auf über 600 °C kann ZrO₂ Sauerstoffionen aus einem Bereich mit hohem Sauerstoffpartialdruck in einen Bereich mit niedrigem Partialdruck leiten. Ein Zirkoniumdioxid-Sensor besteht aus einer Zirkoniumdioxid-Keramik, die auf beiden Seiten mit dünnen Platinelektroden beschichtet ist. Der Unterschied in der Sauerstoffkonzentration zwischen den beiden Seiten erzeugt eine Spannung über der Keramik, die direkt proportional zur Sauerstoffkonzentration ist. Diese Messung der elektromotorischen Kraft (EMK) liefert den Sauerstoffgehalt.
Design und Komponenten
1. Zirkoniumdioxid Element: Ein Festelektrolyt aus Zirkoniumdioxid, der bei hohen Temperaturen Sauerstoffionen leitet.
2. Elektroden: Auf beiden Seiten des Zirkoniumdioxid-Elements sind Platin-Elektroden angebracht, um die Übertragung von Ionen und die Messung der EMK zu erleichtern.
3. Heizgerät: Ein integriertes Heizelement ist erforderlich, um das Zirkoniumdioxid auf der für die Ionenleitung erforderlichen Temperatur zu halten.
4. MSRS-Sensor-Zellen: Diese weisen eine metallgestützte Struktur auf, die die mechanische Stabilität und die Temperaturwechselbeständigkeit erhöht, was besonders in Umgebungen mit schwankenden Temperaturen von Vorteil ist.
5. MIPS-Sensor-Zellen: Durch die Verwendung einer metallisolierten Planarstruktur bieten diese Zellen eine verbesserte Isolierung und Haltbarkeit und optimieren die Leistung unter rauen Betriebsbedingungen.
Vorteile
- Betrieb bei hohen Temperaturen: Zirkoniumdioxid-Sensoren eignen sich hervorragend für Hochtemperaturumgebungen und sind daher ideal für industrielle Prozesse, bei denen Verbrennungen auftreten.
- Langlebigkeit und Stabilität: Sie sind bekannt für ihre lange Lebensdauer und Stabilität, auch unter schwierigen Bedingungen.
- Genauigkeit: Sie liefern hochpräzise Sauerstoffmessungen, die für die Optimierung von Verbrennungsprozessen und die Reduzierung von Emissionen entscheidend sind.
- Verbesserte Langlebigkeit: MSRS- und MIPS-Designs tragen zu einer verbesserten Haltbarkeit und Zuverlässigkeit unter variablen und extremen Bedingungen bei.
Anwendungen
- Industrielle Verbrennung: Überwachung und Kontrolle des Sauerstoffgehalts in Öfen, Kesseln und Industrieheizungen, um einen effizienten Brennstoffeinsatz zu gewährleisten und die Emissionen zu minimieren.
- Gaserzeugung: Dient zur Messung der Gasqualität in einem N2- oder Ar-Gasgenerator.
- Additive Fertigung: Dient zur Messung der N2-Spülung der Druckkammer, um eine inerte Druckumgebung sicherzustellen.
Sauerstoffsensoren aus Zirkoniumdioxid eignen sich besonders für Anwendungen, die eine präzise Kontrolle und Messung des Sauerstoffgehalts bei hohen Temperaturen erfordern:
Die Sauerstoffsensortechnologie aus Zirkoniumdioxid, insbesondere mit der Integration von MSRS- und MIPS-Sensorzellen, bietet eine unübertroffene Leistung bei Hochtemperaturanwendungen und liefert wichtige Daten für die Optimierung von Industrieprozessen. Seine Fähigkeit, extremen Umgebungen zu widerstehen und präzise Messungen zu liefern, macht es zu einem unschätzbaren Werkzeug in Branchen, in denen Effizienz und Emissionskontrolle Priorität haben.