Viele unserer Handmessgeräte arbeiten mit verschiedenen Sensoren zur Messung von Gas und Druck. Diese unterschiedlichen Sensorprinzipien werden wir hier einmal erklären:

Infrarotsensor (IR-Sensor)

Ein Infrarotsensor misst Wellenlängen, die für einen Menschen nicht sichtbar sind, da sie sich unterhalb des für Menschen sichtbaren Rotlichts befinden. Durch das Messen wird Wärme und Bewegung von Körpern und Objekten erfasst. Die Erkennung verläuft kontaktlos.

Die Funktion ermöglicht Messungen von Temperatur ohne Kontakt, kabellose Datenübertragung, zum Beispiel für Wärmebildkameras und Bewegung im Dunkeln. Bekannte Produkte aus dem Alltag, die Infrarotsensoren beinhalten, sind Fernbedienungen und Bewegungsmelder.

Infrarotsensoren, die zur Messung von Gasen geeignet sind, arbeiten nach dem Messprinzip der Nichtdispersiven Infrarotabsorption (NDIR). Sie werden z.B. auch zur Analyse von Abgasen aus Verbrennungsmotoren genutzt.

In unseren Messgeräten (GOLIATH und OLLI) sind IR-Sensoren verbaut, die nach dem NDIR-Prinzip funktionieren. Gewöhnlich ist dieser Sensor für ein Ziel-Gas ausgelegt, worauf er empfindlich ist und die Konzentration anzeigt, z. B. Methan, Propan oder Kohlenstoffdioxid. Ein Dual-IR Sensor ist in der Lage zwei unterschiedliche Gaskomponenten gleichzeitig zu messen, quasi sind zwei Sensoren für zwei unterschiedliche Gase in einem Sensorgehäuse untergebracht. Beim OLLI werden mit dem Dual-IR Sensor gleichzeitig brennbare Gase (z. B. Methan)  und CO₂ gemessen.

Lasersensor

Bei einem Lasersensor senden Laserdioden Lichtimpulse oder –strahlen aus. Diese werden an einem zu messenden Objekt reflektiert und wiederum zum Sensor zurückgeleitet. Die Entfernung zwischen Sensor und Messobjekt wird durch diese Lichtreflektion gemessen. Neben der Entfernung kann ein Laser-Sensor auch Abstände und Positionen kontaktlos erkennen. Dieser Sensor besitzt eine hohe Reichweite sowie eine hohe Auflösung und Genauigkeit.

Der Lasersensor wird zum Beispiel im Maschinen- und Anlagenbau, in der Chemieindustrie, im Straßenbau, in der Automatisierungsindustrie, in der Lager- und Verpackungstechnik und in der Leckageortung eingesetzt.

Eines unserer mobilen Lasermessgeräte ist das ELLI. Die in dem Gerät verwendete Sensorik (einstellbarer Diodenlaser – Absorptionsspektroskopie) dient dem Aufspüren von Methanleckagen oder Methanansammlungen und kann Methan bereits in sehr geringen Konzentrationen wahrnehmen. Der Esders Laser Leak Indicator „ELLI“ wird überwiegend in der Fernerkundung eingesetzt. Der Lasersensor ermöglicht es Methan aus größeren Entfernungen von bis zu 30 Metern zu detektieren. Wie der Laser hier arbeitet, ist auch in unserem Blogbeitrag Gasferndetektion – Laser Infrarotspektrometrie erklärt.

Wärmetönungssensor

Dieser Sensor arbeite nach dem Messprinzip der katalytischen Verbrennung und wird in Messgeräten für explosive Gase und Dämpfe verwendet. Das Messprinzip besteht aus einem Brückenzweig mit zwei Sensoren, die aus einem aktiven und einem passiven Pellistor (Gassensor) in einer Platinspirale zusammengesetzt sind. Dies nennt man eine Wheatstonesche Brückenschaltung. 

Dieses Prinzip beinhaltet das Erkennen von brennbaren Substanzen ohne die Umgebungstemperatur in das Ergebnis mit einfließen zu lassen. Die kleine Platinspirale ist von einem Keramik-Katalysator umgeben und wird durch einen geregelten Strom auf mehrere hundert Grad erhitzt, wodurch der aktive Pellistor auf ca. 450 Grad Celsius erhitzt wird. Der Katalysator bewirkt eine Reaktion von brennbaren Gasen mit Sauerstoff unterhalb der eigentlichen Zündtemperatur. Diese Reaktion ist eine flammenlose Verbrennung, die Hitze erzeugt. Die Wärme verändert den Widerstand des Platindrahtes und kann daher messtechnisch erfasst und zur Anzeige gebracht werden. 

Hinweis: Für die Messung ist Sauerstoff (Luft) notwendig. Bei Konzentrationen > 5% (Methan-Kalibrierung) sind aufgrund des Sauerstoffmangels keine genauen Messungen möglich.

Charakteristisch für dieses Messverfahren ist die sichere Anzeige von allen brennbaren Gasen. Es darf jedoch nicht vernachlässigt werden, dass die Anzeige nur für das Gas korrekt ist, auf welches das Gerät kalibriert wurde. Ein auf Methan kalibriertes Gerät zeigt zum Beispiel Propan und Butan aus dem Feuerzeug an. Die Anzeige wird jedoch nie die korrekte Konzentration in Volumen-% oder %-UEG wiedergeben.

Die Eigenschaften des Messverfahrens der Katalytischen Verbrennung oder Wärmetönung kann man sich immer wieder gut in Erinnerung rufen, wenn man an den Autokatalysator denkt. Auch beim Autokatalysator können unverbrannte Kohlenwasserstoffe nur oxydiert werden, wenn Luft in ausreichendem Maße vorhanden ist. Daher erfolgt die Messung der Luftkonzentration über die sogenannte Lambda-Sonde. Genau wie beim Autokatalysator kann auch der Katalysator des Sensors durch bestimmte Substanzen vergiftet werden.

Neben bleihaltigen Dämpfen (früher vergleichbar mit bleihaltigem Benzin) sind hier noch Silikon und Halogene zu nennen.

Ein großer Vorteil dieses Sensors ist die Robustheit und die Genauigkeit, die wir für die Messung im UEG-Bereich benötigen. Ein typischer Einsatzbereich ist: Gefahr messen – UEG. Wir setzen einen Wärmetönungssensor in unseren Sensor Arrays ein. 

Querschnitt Waermetoenungssensor
Querschnitt des Wärmetönungssensors mit Platinspirale und Keramikhülle - zum Größenvergleich der Kopf eines Streichholzes

Elektrochemischer Sensor

Dieser Sensor besteht aus mindestens drei Elektroden: Eine Arbeitselektrode, eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode. Diese drei Elektroden treffen im Gehäuse auf flüssige Elektrolyten.

Bei dem Messprinzip gelangt Gas durch eine Membran zur Arbeitselektrode. Die Membran ist durchlässig bei Gas, aber nicht für die Elektrolyten. Dieser Vorgang löst eine elektrochemische Reaktion aus. Entweder gibt die Arbeitselektrode Elektronen ab, dann entsteht eine Oxidation oder sie nimmt Elektronen auf, dann entsteht eine Reduktion. Der Elektronenfluss generiert elektrischen Strom, der proportional zur Gaskonzentration und messbar ist. Der elektrochemische Sensor bringt eine hohe Empfindlichkeit und eine leichte Handhabung mit sich. Er misst Kohlenmonoxid (CO), Schwefelwasserstoff (H₂S) und Sauerstoff (O₂). Wir setzen ihn z. B. im GOLIATH oder im OLLI ein.

Dieser Sensor wird auch in der Sicherheit, der Umweltdiagnostik, der Prozesskontrolle und der Medizintechnik eingesetzt.

Halbleitersensor (HL-Sensor)

Ein Halbleitersensor ist ein Temperatursensor mit Halbleitermaterialien aus Metalloxiden. Im Verlauf der Messung werden die Sensoren aufgeheizt, damit eine Eigenleitfähigkeit eintritt, da ein Halbleiter nur bei bestimmten Temperaturen Strom leitet. Die Gasmoleküle treffen auf die Halbleiteroberfläche, wodurch eine elektrische Widerstandsänderung entsteht, die wiederum messbar ist.

Die Einsatzbereiche des Halbleitersensors sind die Sicherheitstechnik, die Qualitätssicherung, die Prozessmesstechnik und die Emissions- und Luftgüterüberwachung. Die Vorteile dieses Sensors sind die hohe Empfindlichkeit und die lange Lebensdauer. Halbleitersensoren haben einen extrem niedrigen Strombedarf und eine geringe Selektivität, da sich auch andere Gase, die sich außerhalb der Messung befinden, an der Oberfläche absetzen können.

HL-Sensoren können durch die Einwirkung von Sensorgiften oder Inhibitoren in ihrer Empfindlichkeit vorübergehend herabgesetzt oder dauerhaft geschädigt werden. Zu den Inhibitoren zählen z. B. Schwefelwasserstoff, Silikondämpfe, Öle, Phosphatester, Halogene und andere chemische Substanzen.

Wir setzen Halbleitersensoren in unserer HUNTER-Reihe und im GasTest delta3 ein, weil sie eine hohe Empfindlichkeit im ppm-Bereich besitzen und sehr geringe Konzentrationen von Verbrennungsgasen aufgespürt werden können.

Wärmeleitsensor

Mit Hilfe eines Wärmeleitsensors lassen sich Gaskonzentrationen bestimmen, denn Gase besitzen eine unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit. Umspült ein Gas einen aufgeheizten Draht, so kühlt sich dieser entsprechend der Wärmeleitfähigkeit des Gases ab. Der Draht verändert daraufhin seinen Widerstand. Diese Veränderung kann messtechnisch erfasst und zur Anzeige gebracht werden.

Die Messung der Wärmeleitfähigkeit ist nicht genau genug für Messungen im UEG-Bereich. Ein Vorteil des Wärmeleitsensors ist, dass er keinen Sauerstoff zum Messen von Gasen benötigt. 

Typischer Einsatz: Gas messen mit hohen Konzentrationen.

Über den Wärmeleitsensor können auch leichte Gase, wie Wasserstoff oder Helium hochempfindlich nachgewiesen werden. Das HUNTER H2 ist z.B. ein Messgerät, das zur Ortung von Wasserstoffspuren eingesetzt werden kann. Wärmeleitsensoren kommen aber auch bei den Messgeräten SIGI-EX und OLLI zum Einsatz.

Relativdrucksensor (Niederdrucksensor, mbar)

Relativdrucksensor

Mit Hilfe dieses Sensors wird der Druck im Vergleich zum Luftdruck der Umgebung gemessen. Die Änderung des Drucks wird durch die Verformung einer Membran betrachtet. Eine Seite der Membran ist dem Prüfdruck ausgesetzt, die andere Seite dem Umgebungsdruck. Das Resultat dieses Messprinzips ist die Druckdifferenz zum Umgebungsdruck. Der Relativdruck eines Systems welches mit der Atmosphäre verbunden ist (z. B. ein Gasdruckregler im Haus), ist der Absolutdruck plus Luftdruck. Wenn ich beide Größen messen kann, kann ich den Relativdruck berechnen.

Der Luftdruck schwankt durch Veränderungen der Wetterlage, das heißt eine Veränderung des Luftdruckes wirkt sich direkt auf das Prüfergebnis aus. 

Einsatzbereich: Messung an Reglern und der Hausinstallation. Da in der Hausinstallation nur relativ kurze Druckprüfungen stattfinden, die Dichtheitsprüfung und die Belastungsprüfung, hat eine Luftdruckänderung nur unter sehr ungünstigen Umständen eine Auswirkung. Wir setzen Relativdrucksensoren in unseren Geräten GasTest delta3 und LeckOmiO ein.

Absolutdrucksensor (Hochdrucksensor, bar)

Absolutdrucksensor

In Absolutdrucksensoren wird die interne Seite des Sensors evakuiert und hermetisch verschlossen. Die gemessene Verformung der Membran besteht immer aus der Druckdifferenz vom Prüfdruck zum Vakuum und ist daher unabhängig vom Umgebungsdruck. Das Messergebnis stellt also immer die Druckdifferenz zum Vakuum dar. Für die Druckprüfung ist zu beachten: Gase erwärmen sich durch das Verdichten von Luft – Kompression. Danach ist eine Anpassungszeit zum Abkühlen notwendig, sodass der Druck in der Rohrleitung sinkt. Der Abfall des Druckes ist auf die Abkühlung der Luft an die Umgebungstemperatur zurückzuführen. Die physikalischen Eigenschaften von Gasen haben wir in unserem Blogbeitrag Grundlagen – Druckprüfungen an Gasleitungen genauer beschrieben.

Der Absolutdrucksensor wird für Druckprüfungen an Rohrleitungen eingesetzt. Bei der Arbeit mit unserem smart memo und GasTest delta3 werden externe Absolutdrucksensoren eingesetzt.

externe Absolutdrucksensor smart meo
Externer Absolutdrucksensor im Gehäuse