Die Automobilindustrie, die chemische, petrochemische oder metallurgische Industrie, die wissenschaftliche oder medizinische Forschung, Berufe im Zusammenhang mit der Energieerzeugung oder dem Umweltschutz... Dies sind nur einige der großen Bereiche, in denen eine sehr breite Palette an Technologien zum Einsatz kommt, insbesondere im Bereich der Instrumentierung und derGasanalyse.
Zu diesen Bereichen gehören die traditionellen Industrien, von der Lebensmittelverarbeitung über die Raffinerie bis hin zur Zementherstellung. Wir beschäftigen uns zunehmend mit den Sektoren der neuen Energien, wie z. B. Methanisierung oder Brennstoffzellen.
Neuere Aktivitäten erfordern oft innovative, leistungsfähigere Messtechnologien. Aber auch unsere traditionellen Industrien entwickeln sich parallel dazu schnell weiter, um mithalten zu können. An der Kreuzung dieser Wege sind die auf dem Markt erhältlichen Technologien zur Gasinstrumentierung und -analyse ebenso vielfältig.
Technologien zur Messung von gasförmigem Sauerstoff
Die Gasanalyse ist eines der Werkzeuge im weiten Feld der industriellen Instrumentierung. Gasanalysatoren sind heute in allen Bereichen zu finden. Sie tragen aktiv zur Verbesserung der Fertigungsqualität und zur Optimierung der Effizienz von Industrieprozessen bei. Dabei geht es in der Regel sowohl um wirtschaftliche als auch um ökologische Aspekte.
Sauerstoffanalysatoren sind bei weitem die am häufigsten in der Industrie und Forschung eingesetzten Gasanalysatoren. Die verwendeten Technologien und Implementierungsmethoden variieren jedoch stark von einer Anwendung zur anderen.
Diese Technologien haben in den letzten zwei Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Wir geben hier einen Überblick über die derzeit in der Industrie und Forschung am häufigsten verwendeten Sauerstoffmessprinzipien. Wir werden die Vor- und Nachteile der einzelnen Technologien zur Sauerstoffanalyse aufzeigen.
Die am häufigsten verwendeten Technologien zur Sauerstoffmessung sind die folgenden:
In Wirklichkeit gibt es zwei verschiedene Detektionsprinzipien und damit zwei ebenso verschiedene Arten von paramagnetischen Sauerstoffanalysatoren.
Beide nutzen jedoch, wie der Name schon sagt, die "paramagnetische" Eigenschaft bzw. die "magnetische Empfindlichkeit" des Sauerstoffmoleküls.
Paramagnetischer Sauerstoffanalysator mit optischer Detektion
Paramagnetische Sauerstoffanalysatoren vom Typ "Hantel" verwenden einen optischen Nachweis. Die kleinen Kugeln der Hantel sind mit Stickstoff (N2) gefüllt. Wenn Sauerstoff in die von einem Magnetfeld durchsetzte Zelle eindringt, neigt die Hantel dazu, sich zu drehen, und der Spiegel in der Mitte der Achse wirft ein anderes Lichtsignal zurück als im Ruhezustand. Dieser Signalunterschied ist, wenn er verarbeitet wird, proportional zum Sauerstoffpartialdruck in der Zelle und damit, wenn der Analysator kalibriert ist, zur Sauerstoffkonzentration in Volumenprozent.
Die Vorteile des paramagnetischen Sauerstoffanalysators mit optischer Erkennung:
Diese Methode genießt einen sehr guten Ruf.
Der paramagnetische Sauerstoffanalysator mit optischer Erkennung wird häufig von örtlichen Vorschriften oder Berufen gefordert.
Die Zelle ist kompakt.
Es ist ein leistungsstarkes metrologisches Instrument und unterliegt kaum der Interferenz durch andere gasförmige Verbindungen.
Die Nachteile des paramagnetischen Sauerstoffanalysators mit optischer Erkennung:
Er ist jedoch aufgrund des akribischen Hantelaufbaus relativ anfällig.
teuer beim Kauf und beim Ersatz bei versehentlicher Beschädigung.
Paramagnetischer Sauerstoffanalysator mit Mikro-Massendurchflussmesser
Wenn die Gasprobe in ein Magnetfeld gebracht wird, werden die Sauerstoffmoleküle angezogen. Dadurch entsteht ein Druck, der von einem Mikro-Massendurchflussmesser erfasst wird.
Die Vorteile des paramagnetischen Sauerstoffanalysators mit Mikro-Massendurchflussmesser :
Der paramagnetische Sauerstoffanalysator mit Mikro-Massendurchflussmesser ist für seine Robustheit bekannt, da es zum einen keinen Kontakt zwischen dem Sensorelement und dem zu messenden Gas gibt und zum anderen keine beweglichen Teile.
Er ist auch schnell.
Er leidet kaum unter Kreuzverflechtungen.
Er profitiert von einer breiten Skalendynamik.
Die Nachteile des paramagnetischen Sauerstoffanalysators mit Mikro-Massendurchflussmesser :
Der paramagnetische Sauerstoffanalysator mit Mikro-Massendurchflussmesser erfordert dagegen die ständige Verwendung eines Referenzgases (häufig Stickstoff).
Die elektrochemische O2-Zelle ist eine Art Brennstoffzelle. Der Sauerstoff in der zu analysierenden Probe wird durch das Diaphragma diffundiert. Zwischen den beiden Elektroden fließt ein Strom durch einen Elektrolyten. Er fließt auch durch einen Widerstand und einen Thermistor, an denen eine Spannung gemessen wird. Diese Spannung ist proportional zur Sauerstoffkonzentration.
Die Vorteile des elektrochemischen Sauerstoffanalysators :
Robust.
Kompakt.
Preisgünstig.
Wenig anfällig für Störfaktoren aufgrund des verwendeten sauren Elektrolyten.
Die Nachteile des elektrochemischen Sauerstoffanalysators :
Die elektrochemische Sauerstoffzelle hat den Nachteil, dass sie sich mit zunehmender Nutzung verschlechtert. Sie sollte daher in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden.
Was ist ein Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator?
Der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator nutzt die Besonderheit von Zirkoniumoxid (ZrO2), das sich, wenn es auf hohe Temperaturen erhitzt wird, gegenüber Sauerstoffionen wie ein Festelektrolyt verhält. Wenn auf den Platinelektroden, die auf jeder Seite des Festelektrolyten angebracht sind, auf jeder Seite ein anderer Sauerstoffpartialdruck herrscht, kommt es zu einer elektrochemischen Reaktion und an den Elektroden wird eine elektromotorische Kraft gesammelt.
Aus mikroskopischer Sicht findet diese elektrochemische Reaktion an der dreifachen Grenzfläche zwischen dem Festelektrolyten, der Elektrode und dem Sauerstoff statt.
Seite mit hohem Partialdruck: O2 + 4e- >> 2O2- (Ionisation)
Seite mit niedrigem Partialdruck: 2O2- >> O2 + 4e- (Molekularisierung)
Die erzeugte elektromotorische Kraft (E) entspricht der Nernst-Gleichung.
Die Vorteile des Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysators :
Seine Robustheit hat sich seit Jahrzehnten bewährt.
Der Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator ist genau und stabil; seine Kalibrierungsintervalle sind sehr lang (bis zu 6 Monate oder sogar ein Jahr).
Das Fühlerelement ist kein Verbrauchsmaterial und weist eine Lebensdauer von bis zu 5 oder sogar 10 Jahren auf.
Die Kosten für die Lösung sind relativ gering.
Das empfindliche Element wird bei hohen Temperaturen (800 °C) geregelt, sodass es sowohl für die Analyse von kalten als auch von heißen und feuchten Gasen verwendet werden kann.
Die Nachteile des Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysators :
Die Kehrseite der Medaille einer beheizten Technologie: Der Analysator muss in der Lage sein, seine Kalorien abzuführen. Als extraktive Version lässt er sich weniger leicht in einen Mehrgasanalysator einbauen und ist oft Gegenstand eines kleinen externen Gehäuses, das innerhalb des Systems separat montiert werden muss.
Aufgrund der Technologie selbst, die auf einer Hochtemperatur-Ionisation beruht, ist es nicht möglich, einen Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator zur Messung der Sauerstoffkonzentration in einem brennbaren Gas zu verwenden.
Was ist ein Laser-Sauerstoffanalysator?
Der Laseranalysator wird genauer als Tunable Laser Diode Analyzer (TDL) bezeichnet. Es handelt sich um ein optisches Instrument, das einen Infrarot-Laserstrahl verwendet, der von einem Sender ausgeht und auf einen Empfänger gerichtet ist. Die Messtechnik beruht auf der Absorption des Lichts durch Gasmoleküle, die sich zwischen Sender und Empfänger befinden.
Die meisten Gase absorbieren Licht bei bestimmten Wellenlängen, und die Absorption ist eine direkte Funktion der Konzentration des Gases.
Die Wellenlänge des Lasers wird auf einer bestimmten Absorptionslinie analysiert, die für das gesuchte Molekül spezifisch ist, wodurch Interferenzen durch andere vorhandene Moleküle praktisch vermieden werden. Die gemessene Gaskonzentration ist daher proportional zur Amplitude der Absorptionslinie
Die Vorteile des Laser-Sauerstoffanalysators :
Der Laser-Sauerstoffanalysator weist eine unübertroffene Leistung auf, einschließlich Kalibrierungsstabilität, Skalendynamik und Kreuzinterferenz.
In der In-situ-Version hat er den Vorteil, dass keine Elemente mit dem zu messenden Gas in Berührung kommen. Daher ist es möglich, auch Gase zu analysieren, die z. B. feucht und/oder sehr staubig sind.
Und schließlich ist er auch robust, da es keine beweglichen Teile gibt.
Die Nachteile des Laseranalysators :
Der größte Nachteil des Laser-Sauerstoffanalysators bleibt sein Preis. Auch wenn sich diese Technologie in den letzten 25 Jahren weitgehend demokratisiert hat, ist sie immer noch eine teure Alternative zu herkömmlicheren Techniken.
In der In-situ-Version muss es außerdem ständig mit einem sauerstofffreien Gas gespült werden. In den meisten Fällen wird es sich dabei um Stickstoff handeln. Außer bei hohen Temperaturen, da in diesem Fall die analysierte Absorptionslinie ab einer bestimmten Temperatur spezifisch ist.
Lassen Sie uns gemeinsam Ihren Bedarf untersuchen und den idealen Sauerstoffanalysator auswählen.
Wir haben die vier Technologien zur Messung von gasförmigem Sauerstoff untersucht und die Vor- und Nachteile der einzelnen Technologien dargestellt. Natürlich ist je nach gewünschtem Einsatzzweck, den zur Verfügung stehenden Budgets oder auch den Fähigkeiten der Teams die eine oder andere besser geeignet. Die Wahl des idealen Sauerstoffanalysators wird daher immer Gegenstand einer Multikriterienstudie sein.
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