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Ratgeber

Gas-Sensoren » Zuverlässige Detektion von Gasen in der Atemluft

In Produktionsbetrieben und Werkstätten gehören gesundheitsschädliche Gase in der Atemluft zu den größten Risiken. Die Skala unerwünschter Beimengungen reicht von Kohlenmonoxid über Methan und Ammoniak bis zu Wasserstoff, Erdgas und Benzin. Viele Gase sind zwar über den Geruchssinn wahrnehmbar, einige aber – wie beispielsweise Kohlenmonoxid – sind geruchlos und deshalb umso gefährlicher. Mit spezifischen Gassensoren am Arbeitsplatz ist die Gefahr allerdings beherrschbar. Wir stellen Ihnen in unserem Ratgeber die wichtigsten Typen vor und erklären deren Funktion.



Was sind Gas-Sensoren?

Bei einem Gas-Sensor handelt es sich um einen Detektor, der das Vorhandensein von Gasen feststellt. Er ist in der Regel Teil eines Sicherheitssystems und löst einen Alarm für Personen aus, die sich in dem kontaminierten Bereich aufhalten.

Grundsätzlich lassen sich Gassensoren zum Aufspüren von brennbaren, entflammbaren und giftigen Gasen sowie von Sauerstoffmangel einsetzen. Typische Einsatzbereiche finden sich in Industrieanlagen und Produktionsbetrieben, beispielsweise in der pharmazeutischen Industrie, in Begasungsanlagen, Papierzellstofffabriken, Flugzeug- und Schiffsbauanlagen, Gefahrgutbetrieben, Abwasseraufbereitungsanlagen und Fahrzeugen sowie bei der Prüfung der Luftqualität in Büros und in Wohnungen.

Eine Exposition gegenüber toxischen Gasen kann aber auch bei zeitlich befristeten Arbeiten wie Lackieren, Begasen und Tanken, bei Bauarbeiten, beim Aushub kontaminierter Böden und bei Deponiearbeiten auftreten.



Die unterschiedlichen Gas-Sensor-Technologiene im Überblick

Die meisten Gas-Sensoren sind heute in der Lage, gleich mehrere Gase zu detektieren, zum Beispiel Kohlenmonoxid, Ammoniak, Schwefeldioxid, Alkohol und Benzin oder Butan, Methan, Propan, Alkohol und Wasserstoff. Es gibt außerdem spezifische Modelle für flüchtige organische Verbindungen (VOC), Kohlenmonoxid oder Partikel. Die Fähigkeit der Sensoren, bestimmte Gase zu entdecken, wird in erster Linie von der eingesetzten Technologie bestimmt. Hier die wichtigsten:

Elektrochemische Detektion

Ein elektrochemischer Gassensor erkennt anhand der elektrochemischen Reaktion eines Gases seine Konzentration. Gemessen wird dabei, ob das Gas an einer Sensorelektrode oxidiert oder reduziert, also Ionen annimmt oder abgibt. Die Reaktion erzeugt eine elektrische Potentialdifferenz zwischen einer Referenz- und der Sensorelektrode, die wiederum einen elektrischen Strom im Sensorkreislauf verursacht. Anhand der Größe des elektrischen Stroms oder der Spannung lassen sich die Menge und die Konzentration des zu analysierenden Gases bestimmen. Um das System im Gleichgewicht zu halten, findet zur gleichen Zeit eine Gegenreaktion an der Gegenelektrode statt.

Der Vorteil elektrochemischer Gas-Sensoren ist die lineare Beziehung zwischen der Konzentration des Gases und der Stärke des Sensorsignals. Diese Funktion erleichtert die Kalibrierung des Sensors und ermöglicht eine höhere Genauigkeit bei niedrigen Konzentrationen.

Infrarot-Messung

Infrarot-Gassensoren basieren auf der Absorption von Infrarotstrahlung. Solche Detektoren bestehen aus zwei Kammern. Eine davon ist die Referenzkammer, in der anderen befindet sich das zu analysierende Gasgemisch. Durch beide Kammern wird eine gleich große Menge an Infrarotstrahlung übertragen. Am Ende der beiden Kammern befindet sich der Detektor, der den Unterschied in der Infrarot-Intensität beider Kammern misst.

Befindet sich ein definierbares Gasgemisch in der Probenkammer, absorbiert es einen Teil der Strahlung, und es kommt zu einer Differenz zwischen den Messwerten der beiden Detektoren. Diese Differenz lässt sich zur Bestimmung der Gaskonzentration verwenden. Die Messung findet allerdings nicht bei allen Wellenlängen statt, sondern nur in den Spektralbereichen, in denen das Infrarotlicht absorbiert wird.

Infrarot-Sensoren besitzen eine lange Lebensdauer und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen. Außerdem lassen sich Gasproben aus der Ferne messen, da das zu untersuchende Gasgemisch über Schläuche oder Rohre in den Sensor geleitet werden kann.

Nachteil: Sie können nur Gasgemische erkennen, die Infrarotstrahlung absorbieren, Sauerstoff und Stickstoff beispielsweise sind nicht detektierbar.

Halbleiter-Messtechnik

Halbleiter-Sensoren arbeiten nach dem Prinzip der Strommessung. Genutzt wird dazu die chemische Reaktion zwischen dem Sensor und einer Gasprobe. Dieser Vorgang verändert den elektrischen Widerstand des Sensors, aus dem sich die Gaskonzentration bestimmen lässt. 

Gassensoren auf Halbleiterbasis benötigen eine Betriebstemperatur zwischen 200 und 400 Grad Celsius, bereitgestellt von einem Heizelement. Die meisten Typen bestehen aus einer auf einem Siliziumsubstrat aufgebrachten Metalloxidschicht, häufig Zinn. Diese Typen sind mechanisch recht robust und widerstandsfähig, können aber leicht verschmutzen. Die Signalstärke kann zudem stark von Umgebungsbedingungen wie der Luftfeuchtigkeit abhängen.

Halbleiter-Sensoren werden häufig zum Nachweis von Wasserstoff, Sauerstoff, Alkoholdampf und schädlichen Gasen wie Kohlenmonoxid verwendet. Eine der häufigsten Anwendungen für Halbleitersensoren sind Kohlenmonoxid-Sensoren. Da der Sensor mit dem Gasgemisch in Berührung kommen muss, funktionieren Halbleitersensoren allerdings nur über eine geringere Distanz zwischen Gas und Sensor im Vergleich zu Infrarot-Detektoren.

Katalytische Messtechnik

Katalytische Gassensoren lassen sich in zwei Untertypen unterteilen: Pellistor-Sensoren und thermoelektrische Sensoren. Pellistor-Typen sind aus katalytischem Material hergestellt. Das Sensorelement wird beheizt und das zu messende Gas eingeleitet. Das Zusammenwirken von Hitze und Katalysator entzündet das Gas. Durch die Verbrennung steigt die Temperatur des Sensors noch weiter an. Der Temperaturanstieg geht mit einem Anstieg des elektrischen Widerstands des Sensors einher, dessen Änderung zur Bestimmung der Gaskonzentration genutzt werden kann.

Eine andere Art von Pellistor-Sensoren verwenden Sensorelemente, von denen eines mit einem Referenzgas, das andere mit der zu messenden Gasprobe umgeben ist. Die Wärmeleitfähigkeit des zu überwachenden Gases unterscheidet sich von der des Referenzgases, daher ist auch der elektrische Widerstand der beiden Elemente unterschiedlich.

Thermoelektrische Gassensoren verbrennen das zu prüfende Gas ebenfalls. Dabei entsteht ein Temperaturunterschied zwischen den verschiedenen Teilen eines einzigen Sensorelements. Durch den über thermoelektrische Effekte hervorgerufenen Temperaturunterschied wird im Sensor eine elektrische Spannung erzeugt, aus dessen Höhe sich die Konzentration des Gases während der Messung bestimmen lässt.

Katalytische Gassensoren sind relativ einfach und kostengünstig, können aber nur brennbare Gase erkennen und sind sensibel gegenüber Verunreinigungen.

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