Leseprobe: Querempfindlichkeits-Kompensation bei elektrochemischen Gassensoren.

Einleitung

Aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und der Genauigkeit der Anzeigewerte genießt Emissions-Messtechnik von Testo bei Kunden weltweit einen sehr guten Ruf. Typische Anwendungen sind Einstellung und Überwachung von Heizungsanlagen sowie Messungen an Blockheizkraftwerken, Motoren oder Turbinen. Abhängig vom Brennstoff und der Einstellung der Anlage ist die Gasmatrix bei diesen Aufgaben recht genau bekannt.

Darüber hinaus werden Emissions-Messgeräte von Testo aber auch zur Überwachung verschiedenster Prozesse eingesetzt, bei denen die Gaszusammensetzung stark variieren kann. Mit der hier auftretenden Thematik der möglichen Quereinflüsse von Gasen und wie damit umzugehen ist, beschäftigt sich dieses Whitepaper.

Querempfindlichkeiten bei Gassensoren

Der Begriff Querempfindlichkeit beschreibt die Tatsache, dass ein Sensor nicht ausschließlich auf die Zielmessgröße anspricht, sondern auch auf weitere Einflussgrößen. Anders ausgedrückt: Ein Sensor mit Querempfindlichkeit hat keine perfekte Selektivität. Für Gassensoren ist diese Herausforderung besonders groß, denn die Messung einer spezifischen Gaskonzentration soll idealerweise in einer beliebig komplexen Gasmatrix möglich sein – mit hunderten von Gasen und Dämpfen als potenziellen Störern der Selektivität. So ist es nicht verwunderlich, dass nahezu alle bei Gassensoren zum Einsatz kommenden Messprinzipien eine Querempfindlichkeit gegen ein Begleitgas aufweisen. Beispielsweise sprechen paramagnetische Messgeräte für Sauerstoff auch auf Stickstoffdioxid an, und bei Chemilumineszenz-Verfahren zur Bestimmung von Stickstoffoxiden wirken Ammoniak und Kohlendioxid als Störgrößen. Auch die in Testo-Messgeräten bevorzugt verwendeten elektrochemischen Gassensoren sind nicht frei von Querempfindlichkeiten.

Bild 1: Elektrochemische Gassensoren im Messgerät testo 340

Querempfindlichkeiten bei elektrochemischen Gassensoren und Strategien zur Kompensation

Das Wirkprinzip eines elektrochemischen Gassensors soll zunächst anhand des Schemas in Bild 2 erläutert werden. Das zu messende Gas, beispielsweise Kohlenstoffmonoxid (CO), muss eine Diffusionsbarriere (eine Kapillare oder eine Membran) und bei einigen Sensortypen einen chemischen Filter passieren und gelangt dann zur sogenannten Arbeitselektrode. Diese ‚schwimmt‘ in einem Elektrolyten, d.h. in einer wässrigen, sauer oder alkalisch wirkenden Lösung. Das Gasmolekül löst an der Arbeitselektrode eine chemische Reaktion aus, es bilden sich Ionen, beispielsweise Protonen (H+), die zur Gegenelektrode gelangen, wo sie mit Sauerstoff reagieren, der im Elektrolyten in gelöster Form vorliegt. Dabei entsteht zugleich ein elektrischer Strom, der in einen äußeren Stromkreis abgeleitet wird und als Maß für die vorliegende Gaskonzentration dient. Die dritte Elektrode (Referenzelektrode) dient zur Stabilisierung des Sensorsignals.

Damit diese chemischen Reaktionen an den Elektroden stattfinden können, müssen diese ein Edelmetall (z.B. Platin) als Katalysator enthalten. Die Auswahl an geeigneten Katalysatormaterialien für Elektroden ist begrenzt und die entsprechenden Materialien zeigen ihre katalytische Wirkung bei verschiedenen Gasen. Durch Mischung verschiedener Katalysatoren kann die Selektivität gegen ein spezifisches Gas gesteigert werden. Dennoch ist es unvermeidlich, dass elektrochemische Gassensoren Querempfindlichkeiten aufweisen. Beispielsweise besitzt eine Platin-Elektrode eine hohe katalytische Aktivität und wird in einem mit wässriger, verdünnter Schwefelsäure gefüllten Gassensor für CO auch die Quergase NO, NO₂, SO₂ und H₂ umsetzen.

Wie können diese unerwünschten Querempfindlichkeiten also in Gassensoren bzw. in Gasmessgeräten minimiert werden, um auch in unbekannten und komplexen Gasgemischen eine zuverlässige und genaue Konzentrationsanzeige zu erreichen? Hier kommen unterschiedliche Strategien zum Tragen:

Bild 2: Elektrochemischer Sensor für CO und andere Gase (schematische Darstellung)

Katalysatormaterialien

Der wichtigste Ansatz ist wie bereits erwähnt eine gezielte Auswahl von Katalysatormaterialien bzw. Katalysatormischungen für die Elektrode und des dazu passenden Elektrolyts. Im Großen und Ganzen ist bei kommerziell verfügbaren elektrochemischen Sensoren ein ausgereifter Stand der Technik erreicht. Im Detail können jedoch noch weitere Fortschritte erzielt werden. Als Beispiel wird auf Seite 5 ein neu verfügbarer CO-unempfindlicher SO₂-Sensor beschrieben.

Vorspannung

Durch die Wahl einer geeigneten Vorspannung für die Arbeitselektrode kann die Selektivität ebenfalls verbessert werden. Diese Methode kommt beispielsweise bei NO-Sensoren zum Einsatz. Die Arbeitselektrode verwendet Graphit als Katalysatormaterial und eine zusätzliche Vorspannung von 300 mV gegen die ebenfalls im Sensor verbaute Referenzelektrode. Als Elektrolyt wird auch hier wässrige Schwefelsäure eingesetzt. Das elektrochemische Potenzial dieses Systems ermöglicht es zwar, NO umzusetzen, jedoch nicht oder kaum die häufigen Begleitgase NO₂ und CO, was elektrochemischen NO-Sensoren eine vergleichsweise hohe Selektivität verleiht.

Filter

Viele elektrochemische Gassensoren verwenden chemische Filter gegen Quereinflüsse. Um die Filterfunktion erfüllen zu können, muss das Filtermaterial die störenden Begleitgase zurückhalten, jedoch das Zielgas ungehindert passieren lassen.

Das war nur ein kleiner Auszug. Möchten Sie mehr erfahren? Fordern Sie gleich das komplette Whitepaper an. Diese weiteren Inhalte erwarten Sie: