Industrielle Sauerstoff-Messung unter Luftmangel - ein ... - METROTEC

Fachberichteentstehen an einer leitfähigen Kontaktschicht,die in der Regel aus Platin besteht.Die Konzentration des Sauerstoffes ineinem Messgas ist bestimmend für dieAnzahl der gebildeten Ionen und somitentscheidend für das Maß an Sauerstoffaktivität.Der prinzipielle Aufbau eines Sensors siehteinen Ionenleiter vor, der auf beiden Seitenkontaktiert ist. Die eine Seite wird mit einemReferenzgas, z. B. Luft betrieben, dieandere Seite mit Messgas. Der mechanischeAufbau des Sensors trennt beide Gasseitenvoneinander, sodass ein Vermischender Gase unterbunden ist.Je nach Einsatzfall werden beheizte oderunbeheizte Sensoren verwendet. UnbeheizteSensoren werden überwiegend imOfenbereich eingesetzt, beheizte Sensorenin jenen Anwendungsfällen, in denen Gaseunter circa 600–700 Grad Celsius gemessenwerden sollen (eine Mindesttemperaturvon 500–650 Grad ist durch das Messprinzipbedingt).Das Verhältnis der Sauerstoffpartialdruckeauf beiden Seiten des Sauerstoffionenleitersliefert bei gegebener Temperatur eineSpannung. Die Berechnung erfolgt nachder Formel (Nernst’sche Gleichung):(Gl. 7)dabei ist:R = 8.31 J/mol KT = Temperatur in KelvinF = 96 493 As/molP 1 = Sauerstoffpartialdruck auf derReferenzseite mit 0,20946 barP 2 = Sauerstoffpartialdruck auf derMessgasseiteEMK = elektromotorische Kraft in VoltBei einem praktischen Messaufbau, beidem ein Sauerstoff-Messinstrument verwendetwird, interessiert der Sauerstoff-Messwert, der den Prozess abbildet.Dieser wird errechnet aus Gl.7 als:(Gl. 8)wobei P O2 der Sauerstoff-Partialdruck inbar, oder mit 100 multipliziert als Prozentwertbei Atmosphärendruck ist. Bei derweiteren Erläuterung in diesem Berichtwird der logarithmische Wert des Sauerstoff-Partialdruckesverwendet.(Gl. 9)„Konzentration“ vom Prozent- über denppm-Bereich bis in den Molekularbereich.Sauerstoffmessung imunterstöchiometrischen FeldFür den oben beschriebenen Fall 3 soll nuneine Beziehung zum Sauerstoff-Partialdruckhergestellt werden. Dazu werden dierelevanten Reaktionsgleichungen aufgestellt.CO + 1/2O 2 ⇔ CO 2 mit (Gl. 11)H 2 + 1/2O 2 ⇔ H 2 O mit (Gl. 13)(Gl. 10)(Gl. 12)In diesen Gleichungen steht der Sauerstoff-Partialdruck, der mit allen Reaktionspartnernkorrespondiert. In der Folge kann erals Basisgröße angesehen werden.CO + 3H 2 ⇔ CH 4 +H 2 O mit (Gl. 15)(Gl. 14)k i =f() (nachzuschlagen in einschlägigenTabellenbüchern, [1]).Die Partialdrucke p i werden aus diesenGleichungen berechnet, wobei die aus denGleichungen Gl.10–14 gewonnene Stoffsummenbilanz( C , H , O ,) für C, H und O,die noch zusätzliche Gleichungen für dasGleichungssystem liefert, aufzulösen ist.Der Lösungsweg ist sehr aufwendig. Eswird daher nur das Ergebnis in graphischerDarstellung gezeigt. Hierbei wird als neueGröße für die x-Achse das „Lambda“ eingeführt,das alsdefiniert ist. Die Lambda-Einteilung der x-Achse ist linear und bildet den gesamtenBereich von oxidierender bis reduzierenderVerbrennung ab. Der Vorteil einer solchenDarstellung zeigt sich bei der Signalaufzeichnungbzw. bei regelungstechnischerAnwendung deutlich (Bild 1).Wird die Lambdadefinition auf die GleichungenGl.4 und 5 angewandt, so lässtsich Lambda leicht bestimmen.(Gl. 16)ergibt > 1 für x > 0; =1 für x = 0,< 1 für – 2