Gas Sensoren

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.