Sensoren Detektion
Sensoren Detektion schädlicher Gase mithilfe eines vernetzten Mehrpunkt-Gassensorsystems? Bild 1: ES1-Sensoren zusammen mit den siebgedruckten Sensoreinheiten Pewatron AG www.pewatron.com Fertigmodule mit Feststoffelektrolyt Gassensoren: Emissionsmessungen im städtischen Umfeld dank höchst zuverlässiger, langlebiger elektrochemischer Gassensoren, die in Kombination mit rauscharmer digitaler Elektronik Veränderungen der Gaskonzentration von weniger als 1 ppm erfassen. Industrieabgase führen zu hohen Konzentrationen schädlicher Gase Ein erhöhter oder veränderter Atemwegswiderstand kann zu schwerwiegenden Gesundheitsprobleme führen. Diese können sich, beispielsweise bei stetiger Aussetzung schädlicher Gase über einen langen Zeitraum, über die Jahre hinweg stetig verstärken oder aufgrund hoher Schadgaskonzentrationen aus einer bestimmten Quelle auch plötzlich auftreten. Die Zahl der als schädlich erachteten Gase, die irreversible Schädigungen des Atemwegswiderstands hervorrufen können, ist groß. Zu den schlimmsten Schadgasen gehören aber CO, HCHO, NO 2 , flüchtige organische Verbindungen (VOC), H 2 S, NH 3 , HF, Cl 2 und CLO 2 . Der zeitgewichtete Durchschnittswert für die maximale Arbeitsplatzkonzentration (TVL-TWA) dieser Gase wird auf Grundlage der erlaubten bzw. tolerierten Tagesdosis festgelegt und dient als guter Richtwert dafür, wie gut die für die Detektion schädlicher Gase benötigten Sensoren sein müssen. Grenzen elektrochemischer Standardsensoren zur Messung von Schadstoffemissionen Elektrochemische Sensoren kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz: von der Automobilindustrie über die Arbeitssicherheit bis zur Emissionsüberwachung in Industriebetrieben. Typisch für solche Anwendungen sind Gaskonzentrationen ab 1 ppm. Ein klassischer elektrochemischer Sensor besteht aus einem Flüssigelektrolyt und zwei bis vier Elektroden zur Erfassung und/oder Steuerung des Stromflusses während der Gasexposition. Für den Betrieb und die Lebensdauer der Zelle ist aufgrund des Flüssigelektrolyts eine robuste, mechanischen Bauweise wesentlich. In den vergangenen 20 bis 30 Jahren haben sich einige robuste elektrochemische Nasszellen zum Standard entwickelt, beispielsweise die 4er-Serie (mit einem Durchmesser von 20 mm) für tragbare Gasanalysegeräte und die 7er-Serie (mit einem Durchmesser von 32 mm) für stationäre Gasanalysegeräte. Die mechanischen Einschränkungen von Flüssigelektrolytsensoren sowie Bedenken hinsichtlich leckender Zellen und toxischer Metalle reduzieren jedoch die Anzahl der möglichen Einsatzgebiete – insbesondere, weil sich umwelt-, größenund preisbezogene Fragen stellen. 26 meditronic-journal 4/2020
Sensoren Feststoffelektrolytsensoren: Technologie und Bauweise Feststoffelektrolytsensoren (SPE) sind hinsichtlich Bauweise und Größe flexibel, da sie keine Flüssigelektrolyte enthalten (siehe Bild 1). Das Konzept einer elektrochemischen Trockenzelle, die auf einem Feststoffelektrolyt basiert, stellt nicht nur traditionelle Gassensoren mit ihren bauartbedingten Einschränkungen in den Schatten, sondern eröffnet auch neue Anwendungsgebiete für elektrochemische Gassensoren im Allgemeinen. Sie bieten auch neue Möglichkeiten für die Detektion schädlicher Gase, die akute und chronische Gesundheitsprobleme hervorrufen können. Als Basis einer elektrochemischen Trockenzelle dient ein Polymer, wobei die in die Polymerschicht eingebettete Chemie (saure Lösung) für die elektrochemischen Reaktionen sorgt. Dies ermöglicht eine innovative neue Zellbauweise. Ein Beispiel für ein derartiges neues Design ist in Bild 1 zu sehen. Der ES1 gehört zu den kleinsten elektrochemischen Sensoren der Welt. Die Zellgröße des ES1 wurde in alle Richtungen reduziert, sodass kleinere und kompaktere Gasanalysegeräte gebaut werden können (Bild 2). Diese kompakten und eigenständig verwendbaren Zellen lassen sich in Mehrpunktdetektionssystemen zur städtischen Emissionsüberwachung einsetzen, wo schädliche Abgase, beispielsweise aufgrund von hohem Verkehrsaufkommen, ein Gesundheitsrisiko für die Bevölkerung darstellen. Die Sensoren können zudem in Kombination mit einer intelligenten Belüftung für verschiedene Anwendungen in der Landwirtschaft genutzt werden, wo hohe Konzentrationen von H 2 S und NH 3 auftreten können. Auch zum Aufspüren potenzieller Quellen von Schadgas emissionen erfreuen sich die Sensoren großer Beliebtheit. Dazu werden die Sensoren mit der Elektronik auf Drohnen montiert, die innerhalb kürzester Zeit große Flächen überprüfen können. Liste detektierbarer Gase Die Liste der mit der SPE-Technologie detektierbaren Gase ist lang. Die erste Generation der ES1- Gassensoren wurde für die Abgasregelung und die Über wachung Bild 2: Beispiele für Gasanalysegeräte, die mit der ES1-Sensorplattform arbeiten. von Gasen wie O 2 , HCHO, CO, NO 2 , H 2 S, H 2 und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) entwickelt. Die nächste Generation, die derzeit entwickelt und auf ihre Herstellbarkeit hin getestet wird, umfasst auch Lösungen für NH 3 und andere Gase. Die große Zahl detektierbarer Gase und die Bauweise des Sensors machen das Produkt zum idealen Bestandteil von elektronischen Nasen oder kleinen batteriebetriebenen Analysegeräten für die Leckerkennung. Im Folgenden konzentrieren wir uns auf den Sensor ES1 NO 2 und beschreiben detailliert dessen Funktions- und Bauweise sowie die neu entwickelte digitale Elektronik, die Stabilität und eine sehr hohe Signalauflösung gewährleistet. NO 2 -Überwachung mit Mehrpunktsystemen Stickstoffdioxid (NO 2 ) ist ein toxisches Gas – es ist nicht nur umweltschädlich, sondern durch die Erhöhung des Atemwegwiderstands auch eine Bedrohung für die menschliche Gesundheit. Der menschliche Geruchssinn kann NO 2 bis zu einer Konzentration von 40 ppb wahrnehmen. Nach einigen Minuten gewöhnt sich die Nase allerdings an den Geruch und kann dann höhere, potenziell gefährliche NO 2 - Konzentrationen nicht mehr riechen bzw. feststellen. Die behördlichen Vorschriften sehen einen maximalen kurzzeitigen NO 2 -Expositionsgrenzwert von 5 ppm und einen Arbeitsplatzgrenzwert von gerade einmal 0,3 ppm vor. Der Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) gibt den Grenzwert an, bei dem bei einer achtstündigen Exposition über einen Arbeitstag hinweg keine Gefährdung zu befürchten ist. In einigen Ländern und Städten stellt die Einhaltung dieser niedrigen Werte eine echte Herausforderung dar. Noch schwieriger ist es jedoch, diese auf zuverlässige Weise zu messen. Als bestmögliche Lösung für dieses Problem gilt im Allgemeinen der Einsatz zahlreicher kleiner autonomer Niedrigstrom- Analysepunkte in einem Netzwerk. So lässt sich aus vier oder mehr unabhängigen Gasmess punkten, die auf unterschiedlichen Höhen und in verschiedenen Positionen zum Sensorwerkstoff (horizontal oder vertikal zum Gasstrom) angebracht sind, eine NO 2 -Mess station aufbauen. Damit kann man NO 2 - Konzentrationsprofile als Funktion der vertikalen Position bestimmen und zusätzliche Informationen zum Strömungsverlauf erfassen. Räumlich gesehen, können die Sensoren über ein großes Gebiet verteilt werden, die zum Beispiel potenzielle Schwerpunkte (Straßen und städtische Siedlungen) sowie mögliche NO 2 -Quellen (Kraftwerke von Stromversorgern) umfassen. Die SPE-Technologie erlaubt jedoch Sensorausführungen, die auf einer Anzahl Parameter, etwa Lebenszeit und Stabilität, basieren. Sensitivität und Reaktionszeit sind ebenfalls mögliche Parameter, die beim Sensordesign berücksichtigt werden können, damit die Sensoren den Anforderungen einer bestimmten Anwendung entsprechen. Die physikalischen Parameter des elektrochemischen NO 2 -Sensors ES1 ermöglichen autonome Dauermessungen, beispielsweise die Überwachung der Luftverschmutzung. Auch wegen der geringen Abmessungen (12,5 × 11,5 × 4,5 mm) ist die mechanische Ausführung der Sensoreinheit gut für autonome Anwendungen geeignet. Die geringe Größe macht den ES1 zum weltweit kleinsten kommerziell verfügbaren elektrochemischen Sensor. Für die Entwicklung robuster und kleiner Transmitter bietet dies offensichtliche Vorteile. Aufbau des Sensors Die Basis für die planare Dreielektrodenanordnung des Sensors sind Aluminiumoxidkeramiksubstrate (Bild 1). Der Dreielektrodensensor selbst (d. h. Arbeits-, Gegen- und Referenz-Elektrode) besteht aus nicht-toxischen Metallkontakten und Polymerschichten (Aktiv- und Schutzschichten), die per Siebdruck in einer geordneten meditronic-journal 4/2020 27
