mini|Gassensor-Einsatz zur Detektion von Methan und anderen brennbaren Gasen Ein Gassensor ist ein Chemosensor für die Detektion gasförmiger Substanzen. Der Anteil bestimmter chemischer Inhaltsstoffe des Gases wird vom Sensor in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Einsatzgebiete und wirtschaftliche Bedeutung Einsatzgebiete und Beispielanwendungen Bedingt durch sinkende Preise und steigendes Sicherheitsbewusstsein verbreiten sich Gassensoren in Massenmärkten. In fast jedem neu gebauten Automobil und in fast jedem Haushalt sind Gassensoren zu finden.
Rohrleitungs- und Anlagenbau: Leckageortung
Sicherheitstechnik: Explosionsschutz (Methan- und Kohlenstoffmonoxid-Detektion in Bergwerken, Wasserstoff-Detektion bei Brennstoffzellen), Detektion von Gaslecks (Erdgasversorgung, Flüssiggas), Vergiftungsschutz (personengebundene Kohlenstoffmonoxid- und Schwefelwasserstoff-Überwachung), Leckageerkennung (Überwachung von flüchtigen organischen Komponenten in Chemielagern, Lösungsmitteln und Kühlmitteln), Brandmelder (Brandgasdetektion durch intelligente Melder), Drogentest (Atemalkoholtest für den Straßenverkehr), Detektion chem. Kampfstoffe (Sprengstoff, Giftgas). Einsatz in Gas Protection Units von Geldautomaten.Isatron:
Emissionsmessung (Motorregelung über Lambda-Sonde, Fahrzeugdiagnose, Messung gasförmiger Immissionen im städtischen Verkehr)
Komfort: Luftgüte in Innenräumen (automatische Lüftungsklappe im PKW, Gebäudemanagement, Dunstabzug)
Qualitätssicherung: Leckageerkennung (Lösemittelerkennung), Prozessüberwachung (Lambda-Sonde)
Wirtschaftliche Bedeutung Es gibt weltweit unterschiedliche Schwerpunkte. Die Kohlenstoffmonoxid-Detektion ist sehr verbreitet in den USA und zunehmend auch in Europa, während in Asien Gassensoren vornehmlich zur Detektion von Erdgas in Hausinstallationen und Heizungsanlagen verwendet werden. Im Automobilbau ist die Lambdasonde, ein Sauerstoffsensor, wesentlicher Bestandteil des Motormanagements und ermöglicht zusammen mit dem Fahrzeugkatalysator eine wesentliche Verringerung gesundheitsschädlicher Emissionen. Metalloxid-Halbleitergassensoren zur automatischen Ansteuerung der Umluftklappe der Innenraumlüftung waren anfänglich nur in Europa zu finden, nun weltweit. Die Überwachung der Luftgüte in der industriellen Sicherheitstechnik und beim Gebäudemanagement ist vornehmlich in Nordamerika, Afrika und Europa verbreitet, zunehmend auch in Asien. Der globale Markt für Gassensor- und Gasanalyse-Systeme wurde für 2018 auf etwa 1,5 Milliarden Dollar geschätzt, wobei Deutschland bei der Herstellung von Sensoren hinter den USA und Japan auf Platz 3 in der Rangliste der Weltmarktführer lag.
Anforderungen an Gassensoren hohe Selektivität: Einschränkung der Sensorreaktion auf eine Zielsubstanz hohe Empfindlichkeit: Gasdetektion in gewünschtem Konzentrationsintervall, zwischen wenigen ppb und 100 Volumenprozent Stabilität: chemisch, elektrisch, mechanisch lange Lebensdauer: von einigen Monaten bis zu 10 Jahren und mehr für schnelle Anwendungen: kleine thermische und chemische Zeitkonstanten niedriger Leistungsbedarf einfache Kalibrierfähigkeit bei möglichst großen Zeiträumen zwischen den erforderlichen Kalibrationen geringe Exemplarstreuung einfache Handhabbarkeit geringer Preis Je nach Anwendungsfall werden diese Anforderungen unterschiedlich stark gewichtet.
Messprinzipien und Funktionsweisen mini|300px|Prinzip eines Chemosensors als Gassensor Problematik chemischer Sensoren Chemische Sensoren gibt es spätestens seit der Erfindung der Clark-Elektrode 1962 (ob bspw. frühere Formen der Galvanischen Zelle oder die Grubenlampe in diese Kategorie fallen, ist Definitionssache). Während Sensoren zum Messen physikalischer Größen wie beispielsweise Temperatur, Druck und Beschleunigung i. d. R. wasser- und luftdicht verschlossen sind, steht ein chemischer Sensor wie der Gassensor in direkter Wechselwirkung mit seiner Umgebung. Dadurch ist er auch wesentlich anfälliger für Vergiftung (Umwelteinflüsse, die den Sensor unempfindlich werden lassen), Querempfindlichkeit (Stoffe außer der Zielkomponente, die ein Sensorsignal hervorrufen), Korrosion, Langzeitdrift, Nullpunktdrift und Temperaturdrift.
Übersicht Messprinzipien Es gibt viele Möglichkeiten der Gasdetektion, die sich nach der Art der Umsetzung der chemischen Information in eine elektronische unterscheiden. Letztlich muss immer ein elektronisches Signal vorliegen, das von der nachfolgenden Elektronik verarbeitet werden kann. Bis es aber so weit ist, erfolgt eine u. U. vielschichtige Umsetzung über verschiedene physikalische Größen und Sensorprinzipien, von denen hier eine Auswahl vorgestellt wird. Je nach Anwendungsfall (Welches Gas soll detektiert werden? Welche Konzentrationen sind zu erwarten? Wie schnell muss die Messung erfolgen? Welchen Umweltbedingungen ist der Gassensor ausgesetzt? Wie teuer darf der Sensor sein? Wie ist seine kommerzielle Verfügbarkeit? Welche Wartungsintervalle sind zulässig? usw.) muss ein geeignetes Sensorprinzip ausgewählt werden.
Physikalische Messmethoden Ausnutzung molekularer Eigenschaften zur Detektion: Wärmeleitfähigkeit, Molekülmasse, Diffusionsverhalten, Molekülstruktur (magnetische Eigenschaften, bspw. Paramagnetismus beim Sauerstoffsensor), Molekülstabilität (Bindungsenergie) und Molekülbeweglichkeit.
Chemische Messmethoden Ausnutzung chemischer Eigenschaften wie Reaktivität, Oxidierbarkeit und Reduzierbarkeit.
Elektrische Prinzipien Resistiv, Chemo-Resistor Bei resistiven Prinzipien beeinflusst das zu messende Gas oder Gasgemisch direkt die Leitfähigkeit einer gasempfindlichen Sensorschicht. Diese Widerstandsänderung dient als Messgröße. Beispiele: anorganischer Metalloxid-Halbleiter (MOX) organisches Phthalocyanin leitfähiges Polymer
Kapazitiv Messgröße ist hier die Kapazität eines Kondensators, die beeinflusst wird durch ein gasempfindliches Dielektrikum. Beispiele: Polymersensoren zur Feuchtemessung
Potentiometrisch Beim potentiometrischen Sensor wird vom Sensor selbst eine Spannung erzeugt, die direkt messbar ist. Beispiele: Festkörper-Ionenleiter (Lambdasonde) Chemo-Transistor (Polymer-Feldeffekttransistor)
Amperometrisch Ein amperometrischer Sensor liefert einen messbaren Strom. Beispiele: elektrochemische Zelle (Clark-Elektrode, Brennstoffzelle) Flammenionisationsdetektor Photoionisationsdetektor
Thermisch Bei thermischen Prinzipien wird die Temperaturerhöhung aufgrund einer chemischen Reaktion an der Sensoroberfläche gemessen oder direkt die Wärmeleitfähigkeit des Gases als Messgröße verwendet.
Thermochemisch Auf der Sensoroberfläche finden chemische Reaktionen statt, bei denen Energie in Form von Wärme abgegeben wird. Diese Temperaturerhöhung wird gemessen. Beispiel: Wärmetönungssensor, auch als Pellistor bezeichnet.
Thermisch-physikalisch Direkte Messung der Wärmeleitfähigkeit der Gasatmosphäre. Beispiel: Wärmeleitfähigkeitsdetektor
Gravimetrisch Bei gravimetrischen Sensoren wird eine Massenänderung gemessen. Gasmoleküle lagern sich beispielsweise auf der Oberfläche eines Schwingquarzes ab und verändern dadurch seine Resonanzfrequenz. Solche Sensoren arbeiten nach dem Prinzip eines piezoelektrischen Sensors. Beispiele: Quarzkristall-Mikrowaagen akustische Oberflächenwelle
Optisch Optische Gassensoren nutzen die optischen Eigenschaften eines mit Gas gefüllten Probenraumes. Beispiele: Brechungsindex Absorptionsspektrum im Infrarotbereich, IR-Spektroskopie, Thermosäulen mit vorgesetzten Filtern Intensität, Lumineszenz
Biochemisch Biochemische Gassensoren folgen dem biologischen Vorbild der Umsetzung von bestimmten Stoffen oder Stoffgruppen. Sie verwenden verschiedene der oben aufgeführten Prinzipien zur Wandlung des Signals. Siehe Hauptartikel Biosensor.
Funktionsweisen gängiger Sensorprinzipien Wärmetönungseffekt Funktionsprinzip Bei Wärmetönungssensoren entsteht der Sensoreffekt durch die Verbrennung von adsorbierten Gasen an der Oberfläche eines Katalysators. Damit eine chemische Reaktion abläuft, ist eine Aktivierungsenergie notwendig. Der Katalysator bewirkt eine Herabsetzung dieser Aktivierungsenergie. An seiner Oberfläche bilden sich Zwischenzustände der Reaktion, die ohne ihn nicht möglich wären. Gasmoleküle werden aufgetrennt (homolytische Dissoziation) und stehen den Reaktionspartnern an der Katalysatoroberfläche zur Verfügung. Dieser Vorgang findet auch in jedem Fahrzeugkatalysator statt. Hierbei reagiert beispielsweise ein Ausgangsstoff (Stickstoffmonoxid, NO) zu zwei Reaktionsprodukten (Sauerstoff und Stickstoff). Bei Gassensoren reagieren jedoch meistens zwei Ausgangsstoffe zu nur einem Produkt, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid und Sauerstoff zu Kohlenstoffdioxid. Der Katalysator selbst ist an der Reaktion im Idealfall nicht beteiligt und bleibt unverändert. Katalysatormaterialien sind beispielsweise Edelmetalle wie Platin (Pt) oder Palladium (Pd) aber auch Metalloxide wie beispielsweise Manganoxid oder Kupfer(II)-oxid.
Der Katalysator hat keinen Einfluss auf die Energiebilanz einer Reaktion, sondern beeinflusst lediglich die Geschwindigkeit, mit der die Reaktion abläuft. Die Geschwindigkeit der Reaktion der Ausgangsstoffe zum Reaktionsprodukt, hängt von der Konzentration der Reaktionsteilnehmer und der Temperatur ab.
Die Reaktion findet nur auf der Katalysatoroberfläche an katalytisch aktiven Oberflächenplätzen (aktive Zentren) statt. Die Adsorption des gasförmigen Stoffes verläuft hierbei exotherm, also unter Abgabe von Wärmeenergie und die Desorption endotherm (Aufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung). Wird dem Katalysator ein Stoff angeboten, der nicht mehr von der Oberfläche desorbiert, weil nicht genügend Desorptionsenergie zur Verfügung steht, so wird der Katalysator durch diesen Stoff vergiftet, da die aktiven Zentren blockiert werden. Katalysatorgifte sind beispielsweise Schwefelverbindungen (SO2, H2S) oder silikonhaltige Stoffe aus Ölen oder Reinigungsmitteln (z. B. Hexamethyldisiloxan (HMDS, Weichmacher in Kabelisolierungen)).KIMESSA: Wärmetönung/Pellistor – KIMESSA, abgerufen am 15. August 2018.
Geht bei einer chemischen Reaktion ein Teilchen von einem Zustand mit einer höheren Energie in einen Zustand niedriger Energie über, so kann die Energiedifferenz in Form von Wärme abgegeben werden. Daraus resultiert im statischen Fall eine Temperaturerhöhung des Systems. D. h. die Messung der Temperatur kann also zur Bestimmung der Reaktionsrate herangezogen werden, die wiederum von der Konzentration der vorhandenen Reaktionspartner abhängig ist. Dieser Effekt wird bei sogenannten Pellistoren ausgenutzt, indem die Wärmetönung durch die Widerstandsänderung eines Platindrahtes aufgrund der erhöhten Temperatur messtechnisch erfasst wird. Der Heizdraht dient hierbei gleichzeitig als Temperatursensor (Widerstandsthermometer). Durch Pellistoren lassen sich brennbare Gase (z. B. Methan, Propan, Butan, Wasserstoff) nachweisen. Nichtbrennbare Gase werden durch einen Pellistor i. A. nicht erkannt, da der Effekt zu gering ist. Deswegen eignet sich der Pellistor vornehmlich für hohe Gaskonzentrationen im unteren Prozent-Bereich und wird häufig zur Überwachung von Grenzwerten (Explosionsgrenze), beispielsweise im Explosionsschutz eingesetzt.
Bauformen