Leitfaden zur Analyse und Auswahl von Sauerstoff für industrielle Anwendungen (3-teilige Reihe):
1. Physikalische Grundlagen der Sauerstoffanalyse
Bei der industriellen Sauerstoffanalyse geht es im Grunde nicht um die „Messung der Sauerstoffkonzentration“, sondern um die genaue Bestimmung des Sauerstoffpartialdrucks (ppO₂). Unabhängig davon, ob es sich um ein elektrochemisches, ein Zirkonoxid-, ein paramagnetisches, ein TDLAS-, ein Gasphasen-Fluoreszenzlöschungs-, ein GC- oder ein MS-Verfahren handelt – alle Techniken messen das Verhalten von Sauerstoffmolekülen innerhalb eines bestimmten physikalischen Feldes – ein Verhalten, das letztlich vom Sauerstoffpartialdruck bestimmt wird. Daher ist das Verständnis von ppO₂, VOL%, Druckkompensation und Hintergras-Effekten für den Aufbau eines zuverlässigen Sauerstoffmesssystems unerlässlich.
2. Sauerstoffpartialdruck (ppO₂)
Der Sauerstoffpartialdruck ist die grundlegende physikalische Größe bei der Sauerstoffmessung und folgt dem Dalton’schen Gesetz der Partialdrücke:
ppO₂ = x(O₂) × P_total
Zu seiner technischen Bedeutung gehören:
Alle Sensorausgänge sind proportional zum ppO₂ oder stehen in Zusammenhang damit: Zirkonoxid-Sensoren messen die elektromotorische Kraft, paramagnetische Sensoren messen die magnetische Kraft, elektrochemische Sensoren messen den Strom, TDLAS misst die Absorptionsintensität und die Fluoreszenzlöschung misst die Lebensdauer – all dies wird durch den Sauerstoffpartialdruck gesteuert.
ppO₂ ist eine bedingungsunabhängige, vergleichbare Größe: Änderungen des Drucks, der Temperatur oder der Luftfeuchtigkeit haben keinen Einfluss auf ihre physikalische Bedeutung.
Sicherheitsabschaltungen (SIS) sollten auf ppO₂ statt auf VOL% basieren, da die Auslösung der Abschaltung von der absoluten Oxidationsfähigkeit des Sauerstoffs abhängt.
Somit ist ppO₂ die grundlegende Größe bei der Sauerstoffanalyse.
2.1 Einfluss des Sauerstoffpartialdrucks auf den Messfehler
Druckschwankungen sind die Hauptursache für systematische Fehler bei der Sauerstoffmessung. Wenn die Sauerstoffkonzentration konstant bleibt:
Der Gesamtdruck steigt → ppO₂ steigt → der Messwert driftet nach oben
Der Gesamtdruck sinkt → ppO₂ sinkt → der Messwert driftet nach unten
Quantitativ gesehen führt unter nahezu atmosphärischen Bedingungen (≈100 kPa) eine Druckänderung um 1 kPa zu einer Abweichung des Messwerts von etwa 1 %.
Zu den typischen Szenarien gehören:
Umgebungen in großer Höhe: Der Luftdruck nimmt deutlich ab; nicht entsprechend kalibrierte Messgeräte unterschätzen die Sauerstoffkonzentration.
Druckbehälter: Druckschwankungen führen unmittelbar zu Messwertabweichungen, was sich möglicherweise auf Sicherheitsentscheidungen auswirken kann.
Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Verunreinigungen: Beeinträchtigen die Diffusionsleistung oder blockieren die Probenahmewege, wodurch der effektive ppO₂-Wert sinkt und es zu niedrigen Messwerten oder einer verlangsamten Ansprechzeit kommt.
2.2 Verfahren zur Druckkompensation
Da die Sauerstoffmessung auf dem ppO₂-Wert basiert, führen Druckschwankungen zu Fehlern bei der Umrechnung in den Volumenanteil (VOL%). Unterschiedliche Messarchitekturen erfordern unterschiedliche Kompensationsstrategien.
(1) In-situ-Messung
Der Sensor ist direkt dem Prozessdruck ausgesetzt; Druckschwankungen wirken sich unmittelbar auf den ppO₂-Wert aus. Bei einer Ausgabe in VOL% ist eine Druckkompensation zwingend erforderlich. Die meisten In-situ-Messgeräte der mittleren und unteren Preisklasse sind auf einen stabilen Prozessdruck angewiesen; nur einige High-End-Modelle unterstützen externe Drucksensoren und Kompensationsalgorithmen.
(2) Extraktionsmessung
Nach der Druckregelung wird das Probengas in der Regel in die Atmosphäre abgelassen. Der Innendruck des Geräts wird daher maßgeblich von der Ablassseite bestimmt, was eine barometrische Kompensation erforderlich macht.
Verfügt das Gerät nicht über eine Kompensation, führen Höhen- und Wetteränderungen zu erheblichen Fehlern:
1 % Änderung des Luftdrucks → ~1 % VOL% Fehler
Tägliche Wetterschwankungen: 2–3 %
Unwetter: 5–7 %
Extrem niedriger Druck: >10 %
Nur einige High-End-Geräte verfügen über integrierte barometrische Sensoren und eine automatische Kompensation, wie beispielsweise die Sauerstoffanalysatoren der SMART-Serie von MZD Analytik GmbH.
(3) Strategie zum Druckausgleich in geschlossenen Räumen (ppO₂ vs VOL%)
In geschlossenen oder halbgeschlossenen Räumen bleibt die Molzahl des Sauerstoffs konstant; der Gesamtdruck ändert sich hauptsächlich aufgrund von Temperatur, Bewegung oder Mikroleckagen.
ppO₂: gibt direkt die absolute Sauerstoffmenge wieder; wird von Änderungen des Gesamtdrucks nicht beeinflusst.
VOL%: variiert mit dem Gesamtdruck, gibt jedoch nicht die tatsächliche Sauerstoffmenge wieder; erfordert eine Druck- oder barometrische Kompensation.
2.3 Auswahl der Einheiten zur Sauerstoffmessung
Bei der Sauerstoffmessung können die Werte als ppO₂, VOL% oder ppm ausgegeben werden. Die Wahl hängt von den Prozessanforderungen ab.
ppO₂: unempfindlich gegenüber dem Gesamtdruck; geeignet für geschlossene Räume, Inertisierung und Sicherheitsverriegelungen.
VOL%: druckabhängig; geeignet für offene Systeme, erfordert jedoch eine Druck- oder barometrische Kompensation.
3. Warum schlägt die Auswahl mittels Sauerstoffanalyse fehl?
Sieben verbreitete Irrtümer in der Branche
Fehler bei der industriellen Sauerstoffanalyse sind selten auf „mangelhafte Analysegeräte“ zurückzuführen, sondern auf ein unzureichendes Verständnis der Betriebsbedingungen, eine falsche Geräteauswahl und fehlende Systemplanung. In einer Vielzahl von Fällen aus der Industrie sind über 80 % der Probleme bei der Geräteauswahl auf eine unvollständige Definition der Betriebsbedingungen zurückzuführen und nicht auf Einschränkungen der Analysetechnologie selbst.
Missverständnis 1: Die VOL% als absolute Größe zu betrachten und den ppO₂ zu ignorieren
Viele Anwender betrachten den Volumenanteil (VOL%) gewohnheitsmäßig als einzigen Indikator für den Sauerstoffgehalt. VOL% ist jedoch von Natur aus eine relative Einheit und variiert mit dem Gesamtdruck. In den folgenden Szenarien führt dieses Missverständnis zu erheblichen Abweichungen:
Große Höhen / Höhenunterschiede
Wetterbedingte Schwankungen des Luftdrucks
Temperatur- oder Druckänderungen in geschlossenen Räumen
Instabiler Druck auf der Abluftseite in Absauganlagen
Zu den typischen Folgen gehören:
Fehlerhafter Schutz durch Inertisierung
Verschiebung der SIS-Verriegelungssollwerte
Systematische Unter- oder Überschätzung des Sauerstoffgehalts
Grundursache: Nichtbeachtung der grundlegenden Größe der Sauerstoffanalyse – des Sauerstoffpartialdrucks (ppO₂).
Missverständnis 2: Sich ausschließlich auf das Analysegerät zu konzentrieren und das gesamte Messsystem außer Acht zu lassen
Bei der industriellen Sauerstoffmessung sind Fehler häufig nicht auf das Messgerät selbst zurückzuführen, sondern auf das System:
Totvolumen, das zu einer Verzögerung der Reaktion führt
Kondensationsminderndes ppO₂
Mikrolecks, die Sauerstoffspitzen im ppm-Bereich verursachen
Durchflussschwankungen, die zu einer Messwertabweichung führen
Eine nicht abgestimmte Vorbehandlung führt zu einer langfristigen Abweichung
Bei Anwendungen im Spuren-Sauerstoffbereich (ppb–ppm) können Systemfehler die Fehler des Analysegeräts um 1–2 Größenordnungen übersteigen.
Grundursache: Die Tatsache, dass die Messkette aus Analysator + Probenahmesystem + Vorbehandlung + Druckregelung besteht, wurde außer Acht gelassen.
Missverständnis 3: Die Druckausgleichung wird außer Acht gelassen (insbesondere in Extraktionssystemen)
In Absaugsystemen ist die Abluftseite in der Regel zur Atmosphäre hin offen. Daher:
1 % Änderung des Luftdrucks → ~1 % VOL% Fehler
Tägliche Wetterschwankungen: 2–3 %
Tiefdruckwetter oder Taifune: 5–10 %
In SIS-, Inertisierungs- oder sauerstoffangereicherten Systemen können solche Abweichungen zu falschen Sicherheitsentscheidungen führen.
Grundursache: kein Druckausgleich oder keine Überwachung des atmosphärischen Drucks auf der Entlüftungsseite.
Missverständnis 4: Falsche Verwendung elektrochemischer Analysegeräte in Umgebungen mit VOC, hoher Luftfeuchtigkeit oder korrosiven Bedingungen
Bei elektrochemischen Sauerstoffsensoren kommt es in Gegenwart von folgenden Stoffen zu einer drastischen Verkürzung der Lebensdauer:
Dämpfe organischer Lösungsmittel (Alkohole, Ketone, Ester, Ether, Aromaten)
Säurehaltige Gase (HCl, HF, SO₂, NOₓ)
Hohe Luftfeuchtigkeit oder Kondensation
Ölnebel und Partikel
Typische Symptome:
Nullpunktdrift
Langsamere Reaktion
Erhöhte Lärmbelastung
Die Lebensdauer wurde von 1–3 Jahren auf Monate oder sogar Wochen verkürzt
Grundursache: Elektrolytverdünnung, Elektrodenvergiftung, Membranschwellung und Veränderungen der Diffusionskoeffizienten.
Irrtum 5: Einsatz von Messgeräten für gelösten Sauerstoff (DO) als Messgeräte für Sauerstoff in der Gasphase
Einige Anwender setzen DO-Messgeräte direkt für die Messung in der Gasphase ein. DO-Sensoren basieren jedoch auf:
Durch ein Polymer/Gel dringender Sauerstoff
Sauerstoff, der sich in der Membran auflöst und diffundiert
Reaktion, die durch Membranschwellung, Plastifizierung und Extraktionseffekte bestimmt wird
Zu den typischen Problemen bei Anwendungen in der Gasphase zählen:
Langsame Reaktion
Erhöhte Drift
Durch VOC verursachte Veränderungen der Membranstruktur
Druckabhängige Verschiebungen des Löslichkeitsgleichgewichts
Grundursache: DO-Sensoren sind nicht als native Messvorrichtungen für die Gasphase ausgelegt.
Missverständnis 6: Die Anforderungen an die Reaktionszeit und den SIL-Grad werden ignoriert
Viele Anwender konzentrieren sich ausschließlich auf „Reichweite“ und „Genauigkeit“ und lassen dabei den Zusammenhang zwischen Reaktionszeit (T90) und Sicherheitsintegritätslevel (SIL) außer Acht.
Typische Fehler:
Verwendung von Messgeräten mit T90 = 20–30 s für SIS
Einsatz von Extraktionssystemen in sich schnell verändernden Sauerstoffumgebungen
Einsatz von Technologien mit langsamer Reaktionszeit für den Inertisierungsschutz
Mögliche Folgen:
Verzögerte SIS-Aktivierung
Inertisierungsfehler
Sauerstoffschwankungen wurden nicht rechtzeitig erkannt
Grundursache: Die Reaktionszeit wurde bei der Auslegung der Sicherheitsfunktion nicht berücksichtigt.
Missverständnis 7: Unvollständige Definition der Betriebsbedingungen (die Hauptursache für Fehlentscheidungen bei der Auswahl)
Dies ist der häufigste und schwerwiegendste Fehler.
Typische fehlende Angaben:
Temperatur (ob >600 °C)
Druck (ob schwankend oder Unterdruck)
Luftfeuchtigkeit (ob es zu Kondensation kommt)
Hintergrundgase (H₂, CO₂, VOC, korrosive Gase)
Sauberkeit (Staub, Ölnebel, Teer)
Anforderungen an die Reaktionszeit (SIS oder nicht)
Verlegungsart (vor Ort / herausgenommen)
Wartungsmöglichkeiten (Kalibrierung, Reinigung)
Wenn die Betriebsbedingungen nicht vollständig definiert sind, kann keine Auswahl zuverlässig sein.
Grundursache: Versäumnis, einen „zustandsgesteuerten“ Auswahl-Workflow einzuführen.
Fehler bei der Auswahl von Sauerstoffanalysatoren sind nicht auf „unzureichend ausgereifte Technologie“ zurückzuführen, sondern auf:
Falsches Verständnis von Maßeinheiten
Unvollständige Definition der Betriebsbedingungen
Fehlende Systemtechnik
Diskrepanz zwischen technischer Ausstattung und tatsächlichen Gegebenheiten
Die Vermeidung dieser sieben Irrtümer ist die Voraussetzung für den Aufbau eines zuverlässigen Sauerstoffmesssystems und bildet die Grundlage für die anschließende Auswahl der technischen Lösungen.
4. Grundlagen der Auslegung von Sauerstoffmesssystemen
Die Genauigkeit der Sauerstoffanalyse hängt nicht nur vom Analysegerät selbst ab, sondern auch von der Qualität des gesamten Messsystems. In den meisten industriellen Anwendungsfällen sind Systemfehler oft weitaus größer als Fehler des Analysegeräts, was bedeutet, dass eine geeignete Probenahmeplanung, die Gestaltung des Gaswegs, die Druckregelung und Diagnosefunktionen für eine langfristige Messzuverlässigkeit unerlässlich sind.
4.1 Unterschiede zwischen Extraktions- und In-situ-Systemen
Extraktionssysteme: Geeignet für Anwendungen im Spurenbereich und mit hohen Genauigkeitsanforderungen; bieten eine hohe Regelbarkeit, erfordern jedoch eine hohe Dichtheit, ein minimales Totvolumen und eine ordnungsgemäße Vorbehandlung. Typische Anwendungen: Sauerstoffspuren, hochpräzise Analysen, komplexe Hintergrundgase.
In-situ-Systeme: Schnelle Ansprechzeit und einfacher Aufbau; geeignet für Hochtemperatur- und Prozesssteuerungsanwendungen, erfordern jedoch besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich Verunreinigungen, Kondensation und Prozessschnittstellen. Typische Anwendungen: schnell ansprechende Regelung, Sicherheitsverriegelungen.
Es gibt keine absolute Überlegenheit eines der beiden Systeme. Die richtige Wahl hängt von den Betriebsbedingungen, dem Sauerstoffkonzentrationsbereich, den Anforderungen an die Reaktionszeit und der Wartungsfreundlichkeit ab.
4.2 Systemempfindlichkeit bei der Messung von Spuren-Sauerstoff
Spuren von Sauerstoff (ppb–ppm) reagieren äußerst empfindlich auf die Auslegung des Systems:
Selbst winzige Leckagen können Fehler um mehrere Größenordnungen verursachen
Die Adsorption/Desorption von Material führt zu einem Auslaufen der Kurve
Totvolumen und Durchflussschwankungen verstärken Systemabweichungen
Daher muss bei der Messung von Spuren-Sauerstoff ein System verwendet werden, das sauber, gut abgedichtet und mit geringem Totvolumen ist.
4.3 Wichtige technische Kontrollmaßnahmen
Um die Messgenauigkeit und die Langzeitstabilität zu gewährleisten, sollte die Systemauslegung fünf Grundsätzen folgen:
Druck und Durchfluss müssen stabil sein. Druckschwankungen sind die Hauptursache für Abweichungen des VOL%-Werts; Durchflussschwankungen beeinflussen die Ansprechzeit und die Repräsentativität.
Das System muss über eine hochdichte Abdichtung verfügen. Insbesondere bei Spuren von Sauerstoff führen Mikroleckagen zu Fehlern in der Größenordnung.
Das Totvolumen muss so gering wie möglich gehalten werden. Größeres Totvolumen → langsamere Reaktion → „Erinnerung“ des Systems an frühere Sauerstoffkonzentrationen.
Verunreinigungen müssen wirksam isoliert werden. Ölnebel, Kondenswasser, organische Lösungsmittel und korrosive Gase können zu einer Drift oder zum Ausfall des Sensors führen.
Das System muss über grundlegende Diagnosefunktionen verfügen. Dazu gehören die Durchflussüberwachung, die Drucküberwachung sowie die Überwachung des Betriebszustands von Analysegeräten und Sensoren. Anhand dieser Diagnosefunktionen lässt sich feststellen, ob die Messwerte die tatsächlichen Prozessbedingungen widerspiegeln oder auf Systemstörungen hindeuten.
4.4 Ursachen für Systemfehler und technische Einflussfaktoren
In der industriellen Praxis:
Inhärenter Fehler des Analysators: typischerweise ±1 % FS
Systemfehler: kann zwischen ±5 % und ±50 % (oder sogar um mehrere Größenordnungen) liegen
Zu den typischen Ursachen für Systemfehler zählen:
Mikro-Leckagen → hohe Messwerte
Totvolumen → verzögerte Reaktion
Druckschwankungen → Drift
Verunreinigung → Nullpunktdrift
Probenahmestelle nicht repräsentativ für den tatsächlichen Prozess
In der Praxis ist der Systemfehler in der Regel weitaus größer als der Analysatorfehler, was bedeutet, dass die Qualität der Systemauslegung die endgültige Messqualität bestimmt. Daher ist die Systemtechnik der entscheidende Faktor für die Zuverlässigkeit der Sauerstoffanalyse, während der Analysator nur ein Teil der Messkette ist.
Anwendungshinweis: Technologien zur Sauerstoffanalyse in der Industrie und Leitfaden zur Anwendungsauswahl 
, Sollten Sie weitere Informationen benötigen, wenden Sie sich bitte an sales@mzdd.de.
Produktinformationen finden Sie unter:
O₂-Analysator mit Fluoreszenzlöschung
Zirkoniumdioxid-Sauerstoffanalysator
Paramagnetischer Sauerstoffanalysator
Elektrochemischer Sauerstoffanalysator