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bifunktioner Sauerstoff Partialdruck Sensor

FuE-Projekt Sauerstoff Partialdruck Sensor
Übersicht Messprinzip Ergebnisse
 bifunktionaler Sauerstoff Partialdruck Sensor

Sensoraufbau Robuste Sauerstoffsensoren sind in der Technik vor allem zur Regelung von Prozessen in Feuerungsanlagen sowie Verbrennungsmotoren als Lambdasonde zur Messung des Restsauerstoffgehaltes im Verbrennungsgas bekannt. Sauerstoffsensoren basieren auf der selektiven Sauerstoff Ionenleitfähigkeit von Yttrium dotiertem Zirkoniumdioxid. Funktionsgrundlage der Ionenleitung im Festkörperelektrolyten bilden Sauerstofffehlstellen im Kristallgitter, die durch das Ersetzen von 4-wertigen Zirkoniumatomen durch 3-wertige Yttriumatome entstehen. Beim klassischen Sensoraufbau trennt der Elektrolyt zwei mit unterschiedlichen Konzentrationen gefüllte Kammern. Der Konzentrationsunterschied erzeugt ein von der Sauerstoffkonzentration logarithmisch abhängiges Spannungssignal, das mit zwei Elektroden abgegriffen wird. Das Messprinzip benötigt jedoch Kontakt zu einem bekannten Referenzgas, wie z.B. Umgebungsluft. Nachteilig ist die technisch aufwändige Zuführung des Referenzgases zu den Sensorelektroden, daher müssen diese Sensoren an Außenwänden der Prozess führenden Leitungen platziert werden, was das Einsatzgebiet deutlich einschränkt. Eine Zuordnung zwischen Spannungssignal der Sensoren und Sauerstoffpartialdruck muss i.A. individuell vom Anwender für jeden Sensor durch Kalibrieren durchgeführt werden.

Bei einem alternativen, patentierten Sensor von ESCUBE kommt ein Festkörperelektrolyt zum Einsatz, der keine technisch aufwändige Zuführung des Referenzgases benötigt. Hierbei wird an den Sensor eine konstante Spannung angelegt und der daraus resultierende Strom gemessen. Wird der Sauerstofffluss auf die Kathode durch eine geeignete Diffusionsbarriere begrenzt, ist der Strom direkt proportional zur Sauerstoffkonzentration. Das Messverfahren zur Sauerstoff Partialdruckmessung beruht auf der direkten Messung des Sensorstromes durch den Sensor bei angelegter Pumpspannung. Im Sensor teilt sich die Pumpspannung auf Spannungsabfälle an den Anoden-, Kathoden- und Elektrolytwiderständen auf. Tritt in der Umgebung des Sensors eine Änderung des Sauerstoffpartialdrucks auf, so ändern sich sowohl die Sensorwiderstände als auch die Spannungsverteilung im Sensor und somit in Folge der Sensorstrom.

Das von synertronixx auf Basis dieses Festkörperelektrolytsensors maßgeblich mitentwickelte Messsystem VacuSys wird erfolgreich vom Partner iSATT vermarktet. Bedeutendes Einsatzgebiet ist die Sauerstoff Bestimmung bei Beschichtungsprozessen im Partialdruckbereich 1·10-2 mbar ... 1·10-6 mbar. Um weitere Anwendungsgebiete zu erschließen, haben sich die Industriepartner iSATT, ESCUBE und synertronixx zusammen mit der Universität Stuttgart in einem vom Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand des BMWi geförderten Kooperationsprojekts zusammengeschlossen, um den Messbereich primär zu kleineren Drücken zu erweitern. Unter den Projektpartnern besteht folgende Aufgabenverteilung:

 
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