Sauerstoffsensor

Ein Sauerstoffsensor ist ein Gerät zur Ermittlung von Konzentrationen von gasförmigem oder gelöstem Sauerstoff O₂. Zu den wichtigsten Einsatzbereichen gehören Sauerstoffsensoren für die Bestimmung in Atemluft, aber auch die Kontrolle der Vorgänge in Kläranlagen oder bei der Kraftstoffverbrennung in Motoren.

Die Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen wird auch Oximetrie genannt. Ein Sauerstoffsensor ist also ein Gerät zur automatischen und oft auch kontinuierlichen Oximetrie. Im Blut kann Sauerstoff zwar wie in Wasser als gelöstes O₂ auftreten, es wird aber auch an Hämoglobin gebunden und in dieser gebundenen Form vom Blut transportiert. Bei der Pulsoximetrie wird der Anteil des Hämoglobins gemessen, der mit O₂ beladen ist, wobei die unterschiedlichen Färbungen der verschiedenen Hämoglobinformen ausgenutzt wird.

Funktionsprinzipien

Es gibt mehrere Funktionsprinzipien, die für Sauerstoffsensoren verwendet werden. Besonders wichtig sind

• amperometrische Sensoren, also die Messung einer Stromstärke einer galvanischen Zelle, wobei Sauerstoff an einer Kathode umgesetzt wird und dadurch zu einem Strom führt.
  • mit festem Elektrolyten, siehe galvanischer Sauerstoffsensor.
  • mit flüssigem Elektrolyten, siehe Clark-Sensor.
• Widerstandssensoren, bei denen sich ein elektrischer Widerstand, zum Beispiel eines Halbleiteroxides, ändert
• Paramagnetische Sensoren: Sauerstoff ist ein paramagnetisches Gas (siehe Magnetische Suszeptibilität). Es kann sich in einem Magnetfeld ausrichten und wird dann von einem ausreichend starken Magneten angezogen. Der Effekt ist von der Sauerstoffkonzentration abhängig und verschwindet bei höheren Temperaturen.
• optische Sensoren:
  • Absorptionssensoren, die die Lichtabsorption durch Sauerstoff benutzen, bevorzugt bei 760 nm.^[1]
  • Optische Sensoren, die die Fluoreszenz nutzen, die durch Sauerstoff gelöscht werden kann (Fluoreszenzquencher)

Clark-Sensoren

Der Clark-Sensor wurde vom amerikanischen Biochemiker Leland C. Clark 1954 entwickelt und gehört damit zu den ältesten Sauerstoffsensoren. Ursprünglich war er insbesondere dazu gedacht, den Blutsauerstoffghehalt zu messen, doch dieser Art von Sauerstoffsensoren kann zur Bestimmung von Sauerstoff in vielen verschiedenen Lösungen, zum Beispiel Aquarienwasser oder auch Abwasser, genutzt werden. Typisch für diesen Sensortyp ist die Membran, die die Messzelle vom zu untersuchenden Messwasser trennt. Ursprünglich hatte Clark eine Platinkathode und eine Silberanode in chloridhaltiger Lösung verwendet, wobei die Reaktion zu Silberchlorid führt. Eine wichtige Variante verwendet einen alkalischen Elektrolyten und eine Bleianode (Gesamtreaktion: 2 Pb + O₂ → 2 PbO).

Nernstsonde/Lambdasonde

Planare Nernstzelle/Lambdasonde, schematisch

Die Lambdasonde dient zur Bestimmung des Restsauerstoffs in Abgasen (häufig Motorenabgasen) so wie zur Kontrolle und Optimierung von Verbrennungsprozessen beziehungsweise deren Wirkungsgrad. Neben den Fahrzeugmotoren sind generell auch andere Verbrennungsprozesse z. B. in Müllverbrennung, Kohlekraftwerken aber auch Stahlhütten Einsatzort solcher Sensoren. Viele Lambdasonden sind als Nernstsonden aufgebaut und nutzen als Membran einen festen, keramischen, Sauerstoffionen leitenden Elektrolyten (meist aus Zirconiumoxid), wobei an der Membran eine Spannung entsteht, die in Abhängigkeit zum Unterschied des Sauerstoffgehalts der Gase auf beiden Seiten (Abgas/Luft) steht, der gemessen wird.

Paramagnetische Sensoren

Der Sensor basiert auf der paramagnetischen Eigenschaft von Sauerstoff, wodurch sich Sauerstoff in einem Magnetfeld anziehen bzw. beschleunigen lässt. Bei höheren Temperaturen (≈ 300 °C) verliert Sauerstoff seine paramagnetischen Eigenschaften.

Im Sensor kommt es zu einer sich einstellenden Gaszirkulation, bei der das Gas durch ein Heizdraht (300 °C) aufgeheizt und an den Wänden wieder abgekühlt wird. Bei Anwesenheit von Sauerstoff werden die O₂-Moleküle durch den Magneten zum Heizdraht hin beschleunigt, wo sie ihre magnetische Eigenschaft verlieren. So entsteht eine zusätzliche Strömung, deren Intensität vom Sauerstoffgehalt abhängt. Die Strömung kühlt den Heizdraht zusätzlich ab, was zu einer Widerstandsänderung führt, die mit Hilfe einer Brückenschaltung erfasst werden kann.

Widerstandssonde

Das Sensorelement einer Widerstandssonde besteht aus einer halbleitenden Titandioxidkeramik. Die Ladungsträger werden durch Sauerstofffehlstellen, die als Donatoren wirken, zur Verfügung gestellt. Bei umgebendem Sauerstoff werden die Fehlstellen besetzt und reduzieren die Zahl der freien Ladungsträger. Die Sauerstoffionen tragen hier nicht wesentlich zur Leitfähigkeit bei, jedoch reduziert der Sauerstoff die Zahl der freien Ladungsträger. Bei hoher Sauerstoffkonzentration hat das Sensormaterial einen großen Widerstand. Die elektrische Leitfähigkeit σ im Arbeitsbereich wird beschrieben durch eine Arrhenius-Gleichung mit einer Aktivierungsenergie E_A:

$ \sigma =A\cdot e^{-{\frac {E_{A}}{k\cdot T}}}\cdot p(O)^{-1/4} $

Das Signal wird durch einen Spannungsteiler mit einem festen Widerstand erzeugt.

Quellen