Sauerstoffanalyse im Prozess: paramagnetische, elektrochemische und andere Messprinzipien richtig vergleichen

→ Produktkategorie: Siemens Prozessinstrumentierung

 

Eine Sauerstoffkonzentration von 2 % kann je nach Prozess völlig unterschiedliche Anforderungen an die Messtechnik stellen. In einer Verbrennungsanlage soll der O₂-Wert schnell und kontinuierlich zur Prozessoptimierung erfasst werden, während bei einer Schutzgasatmosphäre bereits wenige ppm Sauerstoff kritisch sein können. In einer Biogasanlage wiederum spielen neben dem Messbereich auch Feuchte, Methan, Schwefelwasserstoff und Wartungsaufwand eine entscheidende Rolle.

Deshalb reicht es bei der Auswahl eines Sauerstoffanalysators nicht aus, lediglich einen passenden Messbereich zu finden. Paramagnetische, elektrochemische und Zirkoniumdioxid-basierte Sensoren reagieren unterschiedlich auf Druck, Feuchte, Begleitgase, Temperatur und wechselnde Prozessbedingungen. Auch Ansprechzeit, Kalibrierstrategie und Lebensdauer unterscheiden sich erheblich.

Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen der eigentlichen Sauerstoffmessung und der gesamten Messkette. Selbst ein sehr selektiver Analysator kann falsche Werte liefern, wenn das Messgas auf dem Weg zum Gerät kondensiert, Fremdluft eingesaugt wird, der Messgasdruck schwankt oder die Probenleitung zu lang dimensioniert ist.

Das geeignete O₂-Messprinzip ergibt sich deshalb aus Messbereich, Gaszusammensetzung, Feuchte, Druck, erforderlicher Reaktionszeit und Wartungskonzept – nicht allein aus der gewünschten Anzeige in % O₂.

Für unterschiedliche Anforderungen bietet ICS Schneider unter anderem den Siemens SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 mit paramagnetischem Messprinzip, den Siemens ULTRAMAT 23 mit optionaler elektrochemischer beziehungsweise paramagnetischer Sauerstoffmessung sowie den Siemens OXYMAT 64 zur Messung von Spurensauerstoff mit einem ZrO₂-Sensor an.

Weitere Lösungen finden Sie unter Siemens Prozessinstrumentierung bei ICS Schneider sowie unter Gasmessgeräte und Gaswarngeräte.

Warum das Messprinzip bei der O₂-Analyse entscheidend ist

Sauerstoff besitzt physikalische und chemische Eigenschaften, die sich mit unterschiedlichen Verfahren messtechnisch nutzen lassen.

Bei der paramagnetischen Messung wird beispielsweise ausgenutzt, dass Sauerstoff im Gegensatz zu den meisten anderen Gasen stark paramagnetisch ist.

Elektrochemische Sensoren erzeugen dagegen durch eine chemische Reaktion ein elektrisches Signal, das von der Sauerstoffkonzentration beziehungsweise dem Sauerstoffpartialdruck abhängt.

Bei ZrO₂-Sensoren wird die Sauerstoffionenleitfähigkeit einer erhitzten Zirkoniumdioxid-Keramik genutzt.

Diese Unterschiede wirken sich unmittelbar auf:

• Messbereich,
• Selektivität,
• Reaktionszeit,
• Lebensdauer,
• Feuchteempfindlichkeit,
• Druckeinfluss,
• Verhalten gegenüber Begleitgasen,
• Kalibrierung und Wartung

aus.

Was wird bei einer Sauerstoffmessung eigentlich gemessen?

In der Prozessanalytik wird Sauerstoff häufig als Volumenanteil angegeben:

% O₂

Für Spurenmessungen werden dagegen häufig Konzentrationen in:

ppm beziehungsweise vpm O₂

verwendet.

Der Sauerstoffpartialdruck bleibt trotzdem entscheidend

Der Partialdruck einer Gaskomponente lässt sich vereinfacht beschreiben als:

pO2 = xO2 × pges

Dabei ist:

• pO2 der Sauerstoffpartialdruck,
• xO2 der Sauerstoffanteil,
• pges der Gesamtdruck des Gasgemischs.

Ändert sich der Messgasdruck, kann sich deshalb je nach Messprinzip auch das Sensorsignal verändern.

Eine Konzentrationsanzeige in % O₂ bedeutet daher nicht, dass der Messgasdruck für die Messung bedeutungslos ist.

O₂-Messprinzipien im direkten Vergleich

Messprinzip	Typischer Einsatz	Stärke	Besonders zu beachten
Paramagnetisch	Kontinuierliche Prozessanalyse, Verbrennung, Reinheitsmessung	Kein verbrauchender elektrochemischer O₂-Sensor, große Messbereichsdynamik	Messgasdruck, Vergleichsgas, Begleitgase und Gasaufbereitung
Elektrochemisch	O₂ im Prozentbereich, Mehrkomponentenanalysatoren	Kompakt und wirtschaftlich	Sensoralterung, Feuchte, chemisch problematische Begleitgase
ZrO₂	Spurensauerstoff	Sehr niedrige O₂-Konzentrationen messbar	Hohe Sensortemperatur und Einfluss brennbarer Begleitgase
Optische Verfahren	Applikationsabhängige Gas- oder Flüssigkeitsmessungen	Keine klassische verbrauchende elektrochemische Zelle erforderlich	Optische Bedingungen, Gaszusammensetzung und konkrete Sensortechnik

Paramagnetische Sauerstoffmessung

Sauerstoff ist im Vergleich zu den meisten anderen Prozessgasen stark paramagnetisch. Er wird deshalb von einem inhomogenen Magnetfeld angezogen.

Paramagnetische Sauerstoffanalysatoren nutzen diesen physikalischen Effekt zur Bestimmung der O₂-Konzentration.

Beim von Siemens eingesetzten paramagnetischen Wechseldruckverfahren wird aus dem Unterschied zwischen Messgas und Vergleichsgas ein druck- beziehungsweise strömungsabhängiges Messsignal erzeugt.

Ein wesentlicher Vorteil des Prinzips

besteht darin, dass keine elektrochemische Sauerstoffzelle kontinuierlich verbraucht wird.

Dadurch eignet sich die Methode besonders für:

• kontinuierliche Prozessmessungen,
• langfristige Anlagenüberwachung,
• kleine O₂-Messspannen,
• Reinheitsmessungen nahe 100 % O₂.

Das Messprinzip bleibt jedoch nicht frei von Einflüssen

Bei der Auslegung müssen unter anderem:

• Messgasdruck,
• Vergleichsgas,
• Gaszusammensetzung,
• Messgasdurchfluss,
• Temperatur,
• Probenaufbereitung

berücksichtigt werden.

SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 als paramagnetisches Beispiel

Der bei ICS Schneider angebotene SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 misst Sauerstoff nach dem paramagnetischen Wechseldruckverfahren.

ICS beziehungsweise Siemens nennen unter anderem

• kleine Messspannen ab 0…0,5 % O₂,
• Messungen bis 100 % O₂,
• physikalisch unterdrückten Nullpunkt für Bereiche wie 99,5…100 % O₂,
• T90-Zeit von 1,9 Sekunden,
• Erschütterungskompensation,
• maximale Umgebungstemperatur von 50 °C beim Standardmodul,
• einen Mikroströmungsfühler ohne direkten Kontakt zum Messgas.

Der letzte Punkt ist für anspruchsvolle Gasgemische besonders interessant

Da der Mikroströmungsfühler nicht direkt mit dem Messgas in Berührung kommt, wird die empfindliche Detektorkomponente nicht unmittelbar dem Prozessgas ausgesetzt.

Das kann für Anwendungen mit:

• korrosiven Komponenten,
• hohen Anforderungen an die Standzeit,
• kontinuierlichem Betrieb

von Vorteil sein.

Elektrochemische Sauerstoffmessung

Elektrochemische Sauerstoffsensoren erzeugen durch elektrochemische Reaktionen an Elektroden ein elektrisches Signal.

Das resultierende Signal steht innerhalb des vorgesehenen Arbeitsbereichs in Beziehung zur Sauerstoffkonzentration beziehungsweise zum Sauerstoffpartialdruck.

Diese Sensoren sind besonders attraktiv

wenn eine:

• kompakte,
• wirtschaftliche,
• vergleichsweise einfache

O₂-Messung benötigt wird.

Im Gegensatz zu einem rein physikalischen Messprinzip

unterliegt die elektrochemische Messzelle jedoch Alterung beziehungsweise Verbrauch.

Die Lebensdauer hängt unter anderem von:

• Sauerstoffbelastung,
• Temperatur,
• Gaszusammensetzung,
• Betriebsdauer,
• Sensorchemie

ab.

Elektrochemische O₂-Messung mit dem ULTRAMAT 23

Der Siemens ULTRAMAT 23 ist als Mehrkomponenten-Gasanalysator ausgelegt und kann unter anderem mit einem elektrochemischen Sauerstoffsensor ausgestattet werden.

Für den elektrochemischen Sauerstoffkanal nennt Siemens

• parametrierbare Messbereiche von 0…5 % bis 0…25 % O₂,
• eine typische Lebensdauer von etwa zwei Jahren bei 21 % O₂,
• eine Wiederholpräzision von ≤ 0,05 % O₂,
• eine T90-Zeit von höchstens 30 Sekunden bei etwa 1,2 l/min Messgasdurchfluss, abhängig von Totzeit und eingestellter Dämpfung.

Der Anwendungsbereich wird stark durch das Messgas bestimmt

Siemens nennt für den elektrochemischen O₂-Sensor ausdrücklich Einschränkungen bei bestimmten Begleitgasen.

Problematisch sind unter anderem:

• chlorhaltige Verbindungen,
• fluorhaltige Verbindungen,
• Schwermetalle,
• Aerosole,
• Merkaptane,
• basische Komponenten wie NH₃ in höheren Konzentrationen.

Auch die Feuchte muss stimmen

Für den elektrochemischen Sauerstoffkanal wird ein H₂O-Taupunkt von mindestens:

2 °C

genannt.

Gleichzeitig darf keine Kondensation auftreten.

Das zeigt deutlich, dass:

zu trockenes Gas

und:

kondensierendes Gas

gleichermaßen problematisch sein können.

ZrO₂-Messung für Spurensauerstoff

Wenn nicht Prozentwerte, sondern sehr geringe Restmengen Sauerstoff bestimmt werden sollen, kommt ein anderes Messprinzip in Betracht.

Zirkoniumdioxid kann bei hoher Temperatur Sauerstoffionen leiten.

Liegt auf beiden Seiten einer ZrO₂-Membran ein unterschiedlicher Sauerstoffpartialdruck an, entsteht eine elektrische Potenzialdifferenz.

Der grundlegende Messeffekt

beruht damit auf dem Unterschied zwischen:

O₂-Partialdruck des Messgases

und:

O₂-Partialdruck des Referenzgases

Das Verfahren eignet sich besonders

für sehr niedrige Sauerstoffkonzentrationen.

Typische Anwendungen sind:

• technische Reinstgase,
• Schutzgasprozesse,
• Luftzerlegung,
• Wärmebehandlung,
• Überwachung sauerstoffarmer Atmosphären.

OXYMAT 64 für niedrige O₂-Konzentrationen

Der bei ICS Schneider angebotene Siemens OXYMAT 64 ist speziell für die Messung von Spurensauerstoff ausgelegt.

ICS nennt als kleinsten Messbereich

0 … 10 ppm O₂

Der ZrO₂-Sensor arbeitet bei ungefähr

650 °C

Dabei

durchströmt das Messgas das Innere des beheizten rohrförmigen Sensors, während dessen Außenseite der Umgebungsluft als Referenz ausgesetzt ist.

Für unterschiedliche Gasmatrizen

stehen bei diesem Prinzip unterschiedliche Sensorausführungen zur Verfügung.

Siemens unterscheidet unter anderem:

• katalytisch aktive ZrO₂-Sensoren,
• katalytisch inaktive ZrO₂-Sensoren.

Diese Unterscheidung ist wichtig

weil brennbare Begleitkomponenten am heißen Sensor mit Sauerstoff reagieren können.

Dadurch kann Sauerstoff innerhalb der Messzelle umgesetzt werden und die angezeigte Rest-O₂-Konzentration beeinflussen.

Weitere Sauerstoff-Messprinzipien

Neben paramagnetischen, elektrochemischen und ZrO₂-basierten Verfahren existieren weitere O₂-Messprinzipien.

Dazu gehören je nach Einsatzgebiet beispielsweise:

• optische Sauerstoffsensoren mit Lumineszenzlöschung,
• spezielle laseroptische Verfahren,
• weitere elektrochemische Festkörpersensoren.

Diese Verfahren sind nicht automatisch besser oder schlechter

Ihre Eignung hängt davon ab, ob:

• gasförmiger oder gelöster Sauerstoff gemessen wird,
• eine extraktive oder In-situ-Messung erforderlich ist,
• Spuren- oder Prozentbereiche relevant sind,
• die Gaszusammensetzung konstant ist,
• optische Fenster beziehungsweise Messstrecken sauber gehalten werden können.

Für die Auswahl ist daher immer die konkrete Applikation entscheidend.

Messbereich passend zur Anwendung wählen

Ein Sauerstoffanalysator sollte nicht allein danach ausgewählt werden, ob sein maximaler Messbereich den erwarteten Wert enthält.

Entscheidend ist die tatsächlich benötigte Messspanne

Eine Verbrennungsoptimierung mit typischen O₂-Konzentrationen im Prozentbereich stellt andere Anforderungen als eine Schutzgasüberwachung mit wenigen ppm.

Anwendung	Typische Größenordnung	Geeignetes Prinzip
Verbrennungsprozess	% O₂	Paramagnetisch oder anwendungsabhängig elektrochemisch
Biogas / Mehrkomponentenanalyse	% O₂	Elektrochemisch oder paramagnetisch abhängig von Gaszusammensetzung
Reinheitsüberwachung Sauerstoff	nahe 100 % O₂	Paramagnetisch mit unterdrücktem Nullpunkt
Schutzgas / Reinstgas	ppm O₂	ZrO₂-Spurensauerstoffmessung

Ein zu großer Messbereich

kann die für die Anwendung nutzbare Auflösung und Genauigkeitsbewertung verschlechtern.

Ein zu kleiner Messbereich

kann dagegen regelmäßig zu Bereichsüberschreitungen führen.

Warum der Messgasdruck berücksichtigt werden muss

Der Messgasdruck wird bei O₂-Analysatoren häufig unterschätzt.

Viele Messverfahren reagieren zumindest indirekt auf den Sauerstoffpartialdruck oder auf physikalische Eigenschaften des Gasstroms.

Für den elektrochemischen O₂-Kanal des ULTRAMAT 23

werden die technischen Angaben beispielsweise auf einen Messgasdruck von:

1.013 hPa absolut

bezogen.

Siemens nennt einen Luftdruckeinfluss von

< 0,2 % des Messwertes je 1 % Druckänderung

Das bedeutet

Bei stark wechselnden Prozess- oder Probenahmedrücken muss geprüft werden, ob:

• Druckregelung,
• Druckkompensation,
• definierte Probenentspannung

erforderlich sind.

Messgasdurchfluss und Probenförderung

Ein extraktiver Gasanalysator misst nicht direkt im Prozess, sondern benötigt einen kontinuierlichen Messgasstrom.

Der Durchfluss beeinflusst dabei unter anderem:

• Transportzeit,
• Ansprechzeit,
• Druckverhältnisse im Analysator,
• Gaswechsel in der Messzelle.

Zu geringer Durchfluss

kann die Messung verzögern und dazu führen, dass alte Gasanteile länger in der Leitung beziehungsweise Messzelle verbleiben.

Zu hoher Durchfluss

kann dagegen:

• unzulässigen Druckverlust verursachen,
• die Gasaufbereitung überlasten,
• Messbedingungen außerhalb der Spezifikation erzeugen.

Deshalb gilt

Der Messgasdurchfluss ist eine spezifizierte Betriebsgröße und sollte nicht nach dem Prinzip „mehr ist schneller“ eingestellt werden.

Feuchte, Taupunkt und Kondensation

Feuchte beeinflusst eine Sauerstoffmessung auf mehrere Arten.

Zunächst verändert Wasserdampf die Zusammensetzung des Gasgemischs.

Zusätzlich kann Kondensat

• Messzellen beeinträchtigen,
• Filter blockieren,
• Probenleitungen verschließen,
• elektrochemische Sensoren schädigen,
• lösliche Gaskomponenten auswaschen.

Deshalb wird bei extraktiven Analysatoren häufig eine Messgasaufbereitung eingesetzt

Diese kann beispielsweise aus:

• Partikelfilter,
• Messgaskühler,
• Kondensatabscheider,
• Pumpe,
• Druckregler,
• Durchflussregelung

bestehen.

Aber auch zu starkes Trocknen kann problematisch sein

Beim elektrochemischen Sauerstoffsensor des ULTRAMAT 23 nennt Siemens ausdrücklich eine Mindestfeuchte beziehungsweise einen H₂O-Taupunkt von mindestens 2 °C.

Damit muss die Gasaufbereitung zum verwendeten Sensor passen.

Begleitgase und Querempfindlichkeiten

In einem realen Prozess besteht das Messgas praktisch nie ausschließlich aus Sauerstoff und Stickstoff.

Je nach Anwendung können enthalten sein:

• CO₂,
• CO,
• CH₄,
• H₂,
• NO und NO₂,
• SO₂ und H₂S,
• NH₃,
• Kohlenwasserstoffe,
• Wasserdampf.

Diese Begleitgase müssen bereits bei der Geräteauswahl angegeben werden

Denn sie können:

• direkt auf den Sensor reagieren,
• die physikalischen Eigenschaften des Gasgemischs verändern,
• an heißen Sensoroberflächen reagieren,
• Sensorchemie vergiften,
• Materialien im Gasweg angreifen.

Die Frage lautet deshalb nicht nur

Wie viel O₂ ist vorhanden?

Sondern auch

In welchem Gasgemisch befindet sich dieser Sauerstoff?

Brennbare Begleitgase besonders beachten

Besonders sorgfältig muss die Gaszusammensetzung bei Messprinzipien bewertet werden, die mit hohen Sensortemperaturen arbeiten.

Beim OXYMAT 64

wird der ZrO₂-Sensor auf etwa:

650 °C

erwärmt.

Brennbare Bestandteile

können an der Sensoroberfläche mit vorhandenem Sauerstoff reagieren.

Dadurch kann der Sauerstoffanteil lokal verändert werden

Der Analysator würde dann nicht zwangsläufig die ursprüngliche O₂-Konzentration des unveränderten Prozessgases erfassen.

Deshalb bietet Siemens unterschiedliche Sensorausführungen

mit unterschiedlich katalytischem Verhalten an.

Die Auswahl muss zur tatsächlichen Gaszusammensetzung erfolgen.

Reaktionszeit des Analysators richtig bewerten

Die Reaktionszeit bestimmt, wie schnell eine reale Änderung des Sauerstoffgehalts am Ausgang beziehungsweise Display sichtbar wird.

Häufig wird dafür die:

T90-Zeit

angegeben.

T90 bedeutet

die Zeit, nach der nach einem Konzentrationssprung etwa 90 % der endgültigen Signaländerung erreicht wurden.

Beim OXYMAT 7

nennt ICS eine T90-Zeit von:

1,9 s

Beim elektrochemischen O₂-Kanal des ULTRAMAT 23

werden abhängig von Totzeit und Dämpfung bei etwa 1,2 l/min:

≤ 30 s

genannt.

Diese Werte sind jedoch nicht automatisch die Reaktionszeit der gesamten Anlage

Denn zusätzlich kommen:

• Probenentnahme,
• Probenleitung,
• Filter,
• Messgaskühler,
• Pumpe,
• Gasvolumen in Verbindungsschläuchen

hinzu.

Warum die Probenleitung die T90-Zeit verändern kann

Ein schneller Analysator kann in einer schlecht ausgelegten Probenahme trotzdem sehr langsam reagieren.

Das Volumen einer Leitung beträgt

vereinfacht:

V = π × d² / 4 × L

mit:

• d = Innendurchmesser,
• L = Leitungslänge.

Aus Volumen und Durchfluss ergibt sich näherungsweise eine Transportzeit

t ≈ V / Q

Dadurch wird deutlich

Eine lange Leitung mit großem Innendurchmesser kann eine erhebliche Totzeit erzeugen.

Die Gesamtreaktion besteht deshalb aus

Transportzeit + Gasaufbereitung + Analysatorreaktion + elektronische Dämpfung

Wann eine Messgasaufbereitung erforderlich ist

Ein Prozessgas sollte einem extraktiven Analysator nur innerhalb der zulässigen Bedingungen zugeführt werden.

Eine Messgasaufbereitung ist insbesondere sinnvoll beziehungsweise erforderlich, wenn das Gas:

• Staub enthält,
• kondensieren kann,
• zu heiß ist,
• unter stark wechselndem Druck steht,
• einen ungeeigneten Durchfluss besitzt,
• Aerosole oder Flüssigkeitströpfchen enthält.

Wichtig ist jedoch

Die Gasaufbereitung darf die zu messende Zusammensetzung nicht unzulässig verändern.

Beispielsweise können:

• Undichtigkeiten Fremdluft eintragen,
• ungeeignete Schläuche Gasbestandteile adsorbieren,
• Kondensation lösliche Komponenten entfernen,
• Pumpen oder Dichtungen zusätzliche Verunreinigungen verursachen.

Gerade bei Spurensauerstoff

kann bereits eine sehr kleine Undichtigkeit das Messergebnis dominieren.

Nullpunkt, Endpunkt und Kalibriergas

Die Kalibrierstrategie hängt vom Messprinzip und Messbereich ab.

Grundsätzlich werden unterschieden

• Nullpunktprüfung,
• Endpunkt- beziehungsweise Spannenprüfung,
• Funktionsprüfung mit bekanntem Gas.

Bei einem Prozent-O₂-Analysator

kann beispielsweise Umgebungsluft mit ungefähr:

20,9 % O₂

für bestimmte Prüf- beziehungsweise Kalibrierfunktionen verwendet werden, sofern dies vom Hersteller für die konkrete Konfiguration vorgesehen ist.

Der ULTRAMAT 23

besitzt abhängig von der Messkomponente eine AUTOCAL-Funktion mit Umgebungsluft.

Bei Spurensauerstoff gelten andere Anforderungen

Beim OXYMAT 64 kann der Nullpunkt nicht einfach mit reinem Stickstoff justiert werden.

Siemens fordert für niedrige Messbereiche ein zum Bereich passendes Prüfgas mit einer kleinen definierten Rest-O₂-Konzentration.

Beispielsweise

wird für einen Messbereich:

0 … 10 ppm O₂

ein entsprechendes niedrig konzentriertes O₂-Prüfgas benötigt.

Wartungsbedarf der Messprinzipien vergleichen

Auch der Wartungsaufwand sollte bereits bei der Geräteauswahl berücksichtigt werden.

Messprinzip	Typischer Wartungsschwerpunkt
Paramagnetisch	Gasweg, Filter, Vergleichsgasversorgung, Kalibrierung und Probenaufbereitung
Elektrochemisch	Zusätzlich Alterung und Austausch der Sensorzelle
ZrO₂	Sensorzustand, Gasreinheit, Kalibrierung und Bewertung brennbarer Begleitgase

Beim elektrochemischen O₂-Kanal des ULTRAMAT 23

nennt Siemens beispielsweise eine typische Sensorlebensdauer von:

ca. 2 Jahren bei 21 % O₂

Diese Angabe ist keine garantierte universelle Austauschfrist

Die tatsächliche Lebensdauer hängt von den Betriebsbedingungen ab.

Prozessmessung und Sicherheitsüberwachung unterscheiden

Ein Prozess-Gasanalysator und ein Gaswarngerät erfüllen nicht automatisch dieselbe Aufgabe.

Ein Prozessanalysator

wird beispielsweise verwendet für:

• Prozessregelung,
• Qualitätskontrolle,
• Verbrennungsoptimierung,
• Reinheitsüberwachung.

Eine Gaswarnanlage

dient dagegen typischerweise der:

• Personensicherheit,
• Überwachung gefährlicher Atmosphären,
• Warnung vor Sauerstoffmangel oder Sauerstoffanreicherung.

Deshalb gilt

Ein vorhandener Prozess-O₂-Messwert darf nicht automatisch als Ersatz für eine erforderliche sicherheitstechnische Gaswarnung verwendet werden.

Die notwendige Sicherheitsfunktion muss unabhängig für die konkrete Anlage bewertet werden.

O₂-Analysator systematisch auswählen

1. Messaufgabe definieren: Prozessregelung, Qualität, Reinheit oder Sicherheitsüberwachung unterscheiden.
2. O₂-Bereich festlegen: ppm, niedriger Prozentbereich, 0…25 % oder Reinheitsmessung nahe 100 %.
3. Gaszusammensetzung vollständig erfassen: Auch Begleitgase und mögliche Störkomponenten angeben.
4. Feuchte bestimmen: Wasserdampfgehalt, Taupunkt und Kondensationsrisiko bewerten.
5. Messgasdruck erfassen: Minimal-, Normal- und Maximaldruck berücksichtigen.
6. Messgastemperatur bestimmen: Temperatur an Prozess und Analysatoreingang unterscheiden.
7. Erforderliche Reaktionszeit festlegen: Prozessdynamik und Regelungsanforderung berücksichtigen.
8. Messprinzip auswählen: Paramagnetisch, elektrochemisch oder ZrO₂ entsprechend der Anwendung bewerten.
9. Probenahme planen: Entnahmestelle, Leitungslänge und Leitungswerkstoff festlegen.
10. Gasaufbereitung bestimmen: Filter, Kühler, Pumpe, Druckregelung und Durchflussregelung bei Bedarf vorsehen.
11. Querempfindlichkeiten prüfen: Gasgemisch mit den Herstellerangaben vergleichen.
12. Kalibrierstrategie festlegen: Null-, Prüf- und Spangase definieren.
13. Wartung berücksichtigen: Filterwechsel, Sensorlebensdauer und Kalibrierintervalle planen.
14. Gesamtreaktionszeit bewerten: Nicht nur die T90-Zeit des Analysators betrachten.
15. Messstelle dokumentieren: Druck, Temperatur, Durchfluss, Gaszusammensetzung und Messbereich festhalten.

Typische Fehlerbilder bei der Sauerstoffanalyse

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
O₂-Wert schwankt mit dem Prozessdruck	Druckeinfluss auf Messung	Messgasdruck und Druckregelung prüfen
O₂-Wert steigt unerwartet an	Fremdluft wird in Probenleitung eingesaugt	Messgasweg auf Undichtigkeit prüfen
Sehr niedriger O₂-Wert lässt sich nicht reproduzieren	Leckage oder ungeeigneter Probenweg	Gesamtes Probenahmesystem auf Luftzutritt prüfen
Anzeige reagiert sehr langsam	Großes Leitungsvolumen oder niedriger Durchfluss	Transportzeit der Probe berechnen
Messwert driftet über Monate	Alterung elektrochemischer Sensorzelle möglich	Kalibrierung und Sensorzustand prüfen
Elektrochemischer Sensor fällt vorzeitig aus	Ungeeignete Feuchte oder aggressive Begleitgase	Gaszusammensetzung und Taupunkt prüfen
Kondensat im Analysator	Unzureichende Gasaufbereitung	Taupunkt, Kühler und Kondensatableitung prüfen
ZrO₂-Messung zeigt zu wenig Sauerstoff	Reaktion von O₂ mit brennbaren Begleitgasen möglich	Gaszusammensetzung und Sensorausführung prüfen
Messwert ändert sich nach Filterwechsel deutlich	Vorheriger Filter zugesetzt oder Probenfluss verändert	Durchfluss und Druck vor/nach Filter prüfen
Analysator reagiert schnell, Gesamtmessung trotzdem langsam	Totzeit der Probenleitung	Leitungsvolumen, Pumpenleistung und Durchfluss prüfen
Messwert stimmt nur bei Umgebungsluft	Gasmatrix- oder Kalibrierproblem möglich	Prüfgas unter repräsentativen Bedingungen verwenden
Mehrere Analysatoren zeigen unterschiedliche O₂-Werte	Unterschiedliche Messprinzipien oder Probenbedingungen	Druck, Feuchte, Gasaufbereitung und Kalibrierung vergleichen

Typische Anwendungen im Vergleich

Beispiel 1: Sauerstoff in einer Verbrennungsanlage

Bei einer Verbrennungsanlage soll der Rest-O₂-Gehalt kontinuierlich überwacht werden, um die Luftzufuhr zu optimieren.

Die Konzentration liegt im Prozentbereich und Änderungen sollen schnell erkannt werden.

Für eine solche Aufgabe ist ein paramagnetisches Verfahren besonders interessant.

Der OXYMAT 7 bietet:

• kontinuierliche O₂-Messung,
• kleine Messspannen,
• kurze T90-Zeit,
• keine verbrauchende elektrochemische O₂-Zelle.

Beispiel 2: Mehrkomponentenanalyse mit O₂

In einer Anwendung sollen neben Sauerstoff weitere Gaskomponenten kontinuierlich erfasst werden.

Hier kann ein Mehrkomponentenanalysator wirtschaftlicher sein als mehrere separate Geräte.

Der ULTRAMAT 23 kann unterschiedliche Messprinzipien in einem Gerät kombinieren und abhängig von der Konfiguration zusätzlich O₂ elektrochemisch oder paramagnetisch erfassen.

Beispiel 3: Schutzgas mit wenigen ppm Rest-O₂

Bei einer Wärmebehandlung unter Schutzgas soll kontrolliert werden, ob Sauerstoff in das System eindringt.

Ein Prozent-O₂-Analysator wäre für diese Aufgabe nicht ausreichend empfindlich.

Ein Messbereich von:

0 … 10 ppm O₂

kann dagegen kleine Sauerstoffeinträge erkennen.

Hierfür ist der OXYMAT 64 mit ZrO₂-Sensor konzipiert.

Ergebnis

Die drei Anwendungen messen dieselbe Gaskomponente, benötigen aber aufgrund von Konzentration, Gaszusammensetzung und Prozessanforderungen unterschiedliche Messkonzepte.

Passende Siemens O₂-Analysatoren bei ICS Schneider

Für unterschiedliche Aufgaben der Prozess-Sauerstoffanalyse führt ICS Schneider mehrere Siemens-Lösungen als eigene Produkte.

SIPROCESS GA700 OXYMAT 7

SIPROCESS GA700 – OXYMAT 7 Modul

Der OXYMAT 7 eignet sich insbesondere für kontinuierliche paramagnetische Sauerstoffmessungen.

ICS nennt unter anderem:

• paramagnetisches Wechseldruckverfahren,
• kleinste Messspanne 0…0,5 % O₂,
• Messungen bis 100 % O₂,
• Messbereiche nahe 100 % O₂ mit physikalisch unterdrücktem Nullpunkt,
• T90-Zeit 1,9 Sekunden,
• Erschütterungskompensation,
• keinen direkten Messgaskontakt des Mikroströmungsfühlers.

ULTRAMAT 23

Siemens ULTRAMAT 23

Der ULTRAMAT 23 ist besonders interessant, wenn Sauerstoff zusammen mit weiteren Gaskomponenten gemessen werden soll.

Je nach Konfiguration stehen verschiedene Messprinzipien zur Verfügung.

Für den elektrochemischen O₂-Kanal nennt Siemens unter anderem:

• Messbereiche von 0…5 bis 0…25 % O₂,
• typische Sensorlebensdauer von etwa zwei Jahren bei 21 % O₂,
• Wiederholpräzision ≤ 0,05 % O₂,
• AUTOCAL abhängig von der Messkomponente,
• Mehrkomponentenmessung in einem Analysator.

OXYMAT 64

Siemens OXYMAT 64

Der OXYMAT 64 ist für Spurensauerstoff ausgelegt.

ICS nennt unter anderem:

• ZrO₂-Sensorprinzip,
• kleinsten Messbereich 0…10 ppm O₂,
• Sensorbetrieb bei etwa 650 °C,
• katalytisch aktive beziehungsweise inaktive Sensorausführungen,
• Anwendungen bei Reinstgasen, Luftzerlegung und Schutzatmosphären.

Welches Gerät ist das richtige?

Vereinfacht lässt sich die Auswahl folgendermaßen einordnen:

kontinuierliche %O₂-Prozessmessung → OXYMAT 7

O₂ zusammen mit weiteren Komponenten → ULTRAMAT 23

Spurensauerstoff im ppm-Bereich → OXYMAT 64

Die endgültige Auswahl muss jedoch immer anhand der vollständigen Gaszusammensetzung und Prozessbedingungen erfolgen.

Fazit

Sauerstoff lässt sich mit unterschiedlichen physikalischen und elektrochemischen Verfahren messen. Welches Prinzip geeignet ist, hängt wesentlich stärker von der Anwendung ab als von der Tatsache, dass überall dieselbe Messgröße O₂ angezeigt wird.

Paramagnetische Verfahren eignen sich besonders für kontinuierliche Prozessmessungen

Sie nutzen eine charakteristische physikalische Eigenschaft des Sauerstoffs und benötigen keine verbrauchende elektrochemische O₂-Zelle.

Elektrochemische Sensoren bieten eine kompakte und wirtschaftliche Lösung

Sie besitzen jedoch eine begrenzte Lebensdauer und können empfindlich auf Feuchte und bestimmte Begleitgase reagieren.

ZrO₂-Sensoren erschließen sehr niedrige Sauerstoffkonzentrationen

Beim OXYMAT 64 reicht der kleinste Messbereich bis 0…10 ppm O₂. Wegen der hohen Sensortemperatur müssen jedoch insbesondere brennbare Begleitkomponenten berücksichtigt werden.

Druck und Feuchte gehören zur Messaufgabe

Ein korrekt gewählter Konzentrationsbereich allein reicht nicht aus. Messgasdruck, Durchfluss, Temperatur und Taupunkt müssen innerhalb der vorgesehenen Betriebsbedingungen liegen.

Die Probenaufbereitung kann genauso wichtig sein wie der Analysator

Filter, Leitungen, Pumpe, Kühler und Druckregelung bestimmen, welches Gas tatsächlich an der Messzelle ankommt.

Auch die Reaktionszeit muss als Gesamtwert betrachtet werden

Eine kurze T90-Zeit des Sensors hilft wenig, wenn die Probe erst nach einer Minute durch eine lange Leitung zum Analysator gelangt.

Für die Praxis gilt

Messaufgabe definieren → erforderlichen O₂-Bereich bestimmen → vollständige Gaszusammensetzung erfassen → Druck, Temperatur, Feuchte und Durchfluss bewerten → erforderliche Reaktionszeit festlegen → paramagnetisches, elektrochemisches oder ZrO₂-Messprinzip passend auswählen → Querempfindlichkeiten prüfen → Probenahme und Gasaufbereitung auslegen → Kalibriergase und Wartungskonzept festlegen → Gesamtreaktionszeit bewerten → Analysator unter repräsentativen Prozessbedingungen prüfen → Messstelle und Betriebsparameter dokumentieren.

FAQ: Sauerstoff im Prozess richtig messen

Welche Messprinzipien werden für Sauerstoff verwendet?

In der Prozessgasanalytik werden unter anderem paramagnetische, elektrochemische und ZrO₂-basierte Messprinzipien eingesetzt.

Welches O₂-Messprinzip ist am genauesten?

Das lässt sich nicht allgemein beantworten. Die erreichbare Messqualität hängt von Messbereich, Gaszusammensetzung, Druck, Feuchte, Probenahme und dem konkreten Analysator ab.

Wie funktioniert eine paramagnetische Sauerstoffmessung?

Sie nutzt die starke paramagnetische Eigenschaft von Sauerstoff. In einem Magnetfeld entsteht ein messbarer physikalischer Effekt, aus dem die O₂-Konzentration bestimmt wird.

Was ist der Vorteil eines paramagnetischen Sauerstoffanalysators?

Das Messprinzip benötigt keine klassische verbrauchende elektrochemische O₂-Zelle und eignet sich deshalb besonders für kontinuierliche Prozessmessungen.

Was ist der OXYMAT 7?

Der Siemens SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 ist ein paramagnetischer Sauerstoffanalysator für kontinuierliche Prozessgasanalysen.

Welchen kleinsten Messbereich besitzt der OXYMAT 7?

ICS nennt eine kleinste Messspanne von 0…0,5 % O₂.

Kann der OXYMAT 7 Sauerstoff nahe 100 % messen?

Ja. Durch einen physikalisch unterdrückten Nullpunkt sind unter anderem Bereiche von 99,5…100 % O₂ möglich.

Wie schnell reagiert der OXYMAT 7?

ICS nennt für das OXYMAT 7 Modul eine T90-Zeit von 1,9 Sekunden. Die Gesamtreaktionszeit einer Anlage kann durch die Probenahme deutlich länger sein.

Wie funktioniert ein elektrochemischer O₂-Sensor?

Sauerstoff nimmt an elektrochemischen Reaktionen innerhalb der Messzelle teil. Das dabei entstehende elektrische Signal wird zur Bestimmung der O₂-Konzentration genutzt.

Verschleißt ein elektrochemischer Sauerstoffsensor?

Ja. Elektrochemische Messzellen besitzen grundsätzlich eine begrenzte Lebensdauer, die von Sensoraufbau und Betriebsbedingungen abhängt.

Wie lange hält der O₂-Sensor des ULTRAMAT 23?

Siemens nennt für den elektrochemischen Sauerstoffkanal eine typische Lebensdauer von etwa zwei Jahren bei 21 % O₂.

Welchen Messbereich besitzt der elektrochemische O₂-Kanal des ULTRAMAT 23?

Die Messbereiche sind von 0…5 % bis 0…25 % O₂ parametrierbar.

Kann der ULTRAMAT 23 mehrere Gase gleichzeitig messen?

Ja. Der ULTRAMAT 23 ist als Mehrkomponentenanalysator ausgelegt und kann abhängig von der Konfiguration unterschiedliche Gasbestandteile erfassen.

Kann der ULTRAMAT 23 O₂ auch paramagnetisch messen?

Ja. Siemens nennt für den ULTRAMAT 23 sowohl elektrochemische als auch paramagnetische Sauerstoffsensorik abhängig von der Geräteausführung.

Warum ist Feuchte bei elektrochemischen Sauerstoffsensoren wichtig?

Zu trockene Bedingungen können für bestimmte Sensoren ungeeignet sein, während Kondensation ebenfalls vermieden werden muss. Die konkrete Feuchtespezifikation des Sensors ist deshalb einzuhalten.

Welche Begleitgase sind beim elektrochemischen O₂-Sensor des ULTRAMAT 23 problematisch?

Siemens nennt unter anderem chlor- und fluorhaltige Verbindungen, Schwermetalle, Aerosole, Merkaptane und basische Komponenten als Einschränkungen.

Wie funktioniert ein ZrO₂-Sauerstoffsensor?

Eine erhitzte Zirkoniumdioxid-Keramik wird für Sauerstoffionen leitfähig. Aus der durch unterschiedliche O₂-Partialdrücke entstehenden Potenzialdifferenz wird die Sauerstoffkonzentration bestimmt.

Wofür eignet sich der OXYMAT 64?

Der OXYMAT 64 ist besonders für Spurensauerstoffmessungen in Reinstgasen, Schutzgasprozessen und ähnlichen Anwendungen ausgelegt.

Wie klein ist der Messbereich des OXYMAT 64?

ICS nennt einen kleinsten Messbereich von 0…10 ppm O₂.

Wie heiß arbeitet der ZrO₂-Sensor des OXYMAT 64?

Der Sensor wird auf ungefähr 650 °C geregelt.

Warum sind brennbare Begleitgase bei einem ZrO₂-Sensor wichtig?

Sie können am heißen Sensor mit Sauerstoff reagieren und dadurch die lokale Sauerstoffkonzentration beeinflussen.

Was ist der Unterschied zwischen katalytisch aktivem und inaktivem ZrO₂-Sensor?

Die Sensorvarianten verwenden unterschiedliche Elektrodenmaterialien und reagieren deshalb unterschiedlich auf brennbare Begleitkomponenten. Die geeignete Variante muss entsprechend der Gaszusammensetzung ausgewählt werden.

Warum beeinflusst Druck eine O₂-Messung?

Viele Messprinzipien reagieren direkt oder indirekt auf den Sauerstoffpartialdruck beziehungsweise auf druckabhängige Eigenschaften des Messgases.

Kann eine Druckänderung einen falschen O₂-Wert verursachen?

Ja. Wenn das verwendete Messprinzip einen relevanten Druckeinfluss besitzt und keine geeignete Kompensation oder Druckregelung erfolgt, kann sich die Anzeige verändern.

Warum ist der Messgasdurchfluss wichtig?

Er beeinflusst Transportzeit, Gaswechsel in der Messzelle, Druckverhältnisse und damit die Reaktionszeit der gesamten Messung.

Ist ein höherer Messgasdurchfluss immer besser?

Nein. Der Durchfluss muss innerhalb der vom Hersteller vorgesehenen Betriebsbedingungen liegen.

Warum muss Kondensation verhindert werden?

Kondensat kann Sensoren, Messzellen, Filter und Leitungen beeinträchtigen und außerdem die Zusammensetzung der Gasprobe verändern.

Warum benötige ich einen Messgaskühler?

Ein Messgaskühler kann erforderlich sein, wenn eine heiße und feuchte Prozessprobe auf definierte Bedingungen gebracht werden muss. Ob er geeignet ist, hängt von Messkomponente und Anwendung ab.

Kann die Gasaufbereitung den O₂-Wert verfälschen?

Ja. Besonders Undichtigkeiten können Umgebungsluft in ein sauerstoffarmes Messgas eintragen und dadurch erhebliche Fehler verursachen.

Warum sind Undichtigkeiten bei ppm-O₂ besonders kritisch?

Die Umgebungsluft enthält ungefähr 21 % O₂. Schon sehr kleine Luftmengen können daher eine Spurensauerstoffmessung im ppm-Bereich deutlich verfälschen.

Was bedeutet T90?

T90 ist die Zeit, nach der nach einer Konzentrationsänderung ungefähr 90 % der endgültigen Signaländerung erreicht wurden.

Ist die T90-Zeit des Analysators die gesamte Reaktionszeit der Messanlage?

Nein. Zusätzlich müssen die Transportzeit in der Probenleitung, Gasaufbereitung, Totvolumina und gegebenenfalls elektronische Dämpfung berücksichtigt werden.

Welches Messprinzip eignet sich für Verbrennungsanlagen?

Paramagnetische Sauerstoffanalysatoren wie der OXYMAT 7 sind für solche kontinuierlichen Prozessanwendungen besonders interessant.

Welches Messprinzip eignet sich für wenige ppm Sauerstoff?

Für Spurensauerstoff kann ein ZrO₂-System wie der OXYMAT 64 geeignet sein, sofern Gaszusammensetzung und Betriebsbedingungen dazu passen.

Welches Gerät eignet sich für O₂ zusammen mit CO₂ oder CH₄?

Der ULTRAMAT 23 ist als Mehrkomponentenanalysator ausgelegt und kann abhängig von der Konfiguration mehrere Gaskomponenten gleichzeitig messen.

Kann Umgebungsluft zur Kalibrierung verwendet werden?

Bei bestimmten Geräten und Funktionen ja. Dies muss jedoch ausdrücklich für die jeweilige Messkomponente und Konfiguration vorgesehen sein. Bei Spurensauerstoff werden häufig spezielle Prüfgase benötigt.

Ist ein Prozess-O₂-Analysator automatisch ein Gaswarngerät?

Nein. Prozessanalyse und sicherheitstechnische Gaswarnung sind unterschiedliche Aufgaben und müssen getrennt bewertet werden.

Wo finde ich den OXYMAT 7 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter SIPROCESS GA700 OXYMAT 7 bei ICS Schneider.

Wo finde ich den ULTRAMAT 23 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter Siemens ULTRAMAT 23 bei ICS Schneider.

Wo finde ich den OXYMAT 64 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter Siemens OXYMAT 64 bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Siemens Prozessinstrumentierung?

Eine Übersicht finden Sie unter Siemens Prozessinstrumentierung bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Gasmessgeräte?

Eine Übersicht finden Sie unter Gasmessgeräte und Gaswarngeräte bei ICS Schneider.