Leitfaden zur Sauerstoffanalyse und -auswahl in der Industrie (3-teilige Reihe):
5. Acht technische Verfahren zur industriellen Sauerstoffanalyse
Die industrielle Sauerstoffanalyse umfasst mehrere physikalische Bereiche, darunter Elektrochemie, Festkörperionik auf Zirkonoxidbasis, Paramagnetismus, Spektroskopie, Fluoreszenzlöschung sowie chromatographische und massenspektrometrische Trennung. Die verschiedenen technischen Verfahren unterscheiden sich erheblich hinsichtlich ihres Funktionsprinzips, der anwendbaren Betriebsbedingungen, der technischen Grenzen, der Langzeitstabilität und der Sicherheitsklassifizierung. Ein korrektes Verständnis dieser Leistungsgrenzen ist unerlässlich, um zuverlässige Messergebnisse zu erzielen und die Lebenszykluskosten zu senken.
5.1 Elektrochemisches Verfahren
Elektrochemische Sauerstoffsensoren arbeiten auf der Grundlage der elektrochemischen Reaktion von Sauerstoffmolekülen an den Elektroden. Sie messen den Sauerstoffpartialdruck anhand von diffusionsbegrenzten Strom- oder Spannungsänderungen. Elektrochemische Analysatoren sind die kostengünstigste Technologie in der industriellen Sauerstoffanalyse und erfordern eine Druckkompensation.
Anwendungsbereich
Moderne galvanische Sauerstoffsensoren können einen breiten Sauerstoffkonzentrationsbereich abdecken, darunter:
Spuren von Sauerstoff im ppm-Bereich
~20,9 % Sauerstoff in der Luf
Sauerstoff mittlerer Konzentration
Weitere Merkmale:
Kostengünstig, einfach zu integrieren, vielseitig einsetzbar
Förderanlage
Optionale Ex d / Ex ib IIC T6 Gb-Zulassungen für explosionsgeschützte Geräte
Elektrochemische Analysegeräte finden breite Anwendung in tragbaren Messgeräten, in der stationären Industrieüberwachung, bei der Sicherheitsüberwachung und bei der Detektion in beengten Räumen. Ihre technischen Grenzen sind jedoch klar definiert – insbesondere in Umgebungen mit VOC-Belastung und hoher Luftfeuchtigkeit, wo ihr Einsatz vermieden werden sollte.
Anwendungsbeschränkungen
1. Begrenzte Lebensdauer (in der Regel 1–3 Jahre). Die Anode wird kontinuierlich abgetragen; der Elektrolyt verdunstet oder tritt aus; der Ausgangsstrom nimmt bis zum Ausfall ab.
2. Basisliniendrift im Zeitverlauf: Der Zustand der Elektrode und die Elektrolytkonzentration ändern sich, was zu einer Nullpunkt- und Empfindlichkeitsdrift führt; daher ist eine regelmäßige Kalibrierung erforderlich.
3. Anfälligkeit für Vergiftungen durch reaktive Gase Gase wie H₂S, SO₂ und halogenierte Kohlenwasserstoffe führen zu irreversibler Adsorption oder Nebenreaktionen, wodurch die katalytische Aktivität beeinträchtigt wird.
4. Leistungsabfall bei hoher Luftfeuchtigkeit oder in verschmutzten Umgebungen Kondenswasser, Ölnebel und Partikel verstopfen die Membran oder verunreinigen den Elektrolyten, was zu einer verlangsamten Reaktion, Geräuschentwicklung oder einem Ausfall führen kann.
5. Deutlich verkürzte Lebensdauer in Umgebungen der Feinchemie. In Prozessen der Feinchemie kommen häufig folgende Stoffe vor:
Dämpfe organischer Lösungsmittel (Alkohole, Ketone, Ester, Ether, Aromaten)
Säurehaltige/ätzende Gase (HCl, HF, NOx, SOx, HBr, Cl₂)
Nebenproduktdämpfe (Polymerisationsnebenprodukte, Katalysatorrückstände)
Hohe Luftfeuchtigkeit und Mikrotröpfchen
Diese beschleunigen den Alterungsprozess durch:
Elektrolytverdünnung oder chemische Veränderung
Elektrodenkorrosion oder -vergiftung
Erhöhter Elektrolytverbrauch
Membranquellung oder Verschmutzung
Unter solchen Bedingungen kann sich die Lebensdauer des Sensors von 1–3 Jahren auf Monate oder sogar Wochen verkürzen.
6. Anwendungen in der Feinchemie erfordern eine hochwertige Vorbehandlung. Um eine akzeptable Leistung zu gewährleisten, muss die Vorbehandlung Folgendes umfassen:
Hochleistungsfiltration
Entfeuchtung/Trocknung
Säuregaswäsche
Adsorption an organischen Lösungsmitteln oder Kaltfallen
Inertverdünnung oder Bypass-Isolierung
Stabile Druck- und Durchflussregelung
Nur bei einer angemessenen Vorbehandlung können elektrochemische Sensoren in Umgebungen der Feinchemie zuverlässig funktionieren.
Das Zirkoniumdioxid-Verfahren basiert auf der Sauerstoffionenleitfähigkeit von Hochtemperatur-Festelektrolyten. Es misst den Sauerstoffpartialdruck mithilfe einer Messung der elektromotorischen Kraft (Nernst-Typ) oder des Ionenstroms. Zirkoniumdioxid-Analysatoren sind die vorherrschende Technologie für die Hochtemperatur-Sauerstoffmessung und erfordern keine Druckkompensation.
Anwendungsbereich
Spuren von Sauerstoff im ppm-Bereich bis hin zu 100 % Sauerstoff
Die einzige gängige Lösung für Hochtemperaturumgebungen (600–1200 °C)
Verschmutzungsunempfindlich, schnelle Ansprechzeit, lange Lebensdauer
EMF-Typ: 3–5 Jahre (High-End-Modelle >10 Jahre)
Sensoren vom Ionenstromtyp zeichnen sich durch ihre Eignung für niedrige ppO₂-Werte (10–1000 ppm) aus
Typische Lebensdauer: ca. 18 Monate
Nicht geeignet für <10 ppm, hohen ppO₂-Wert oder Vakuum
Weit verbreitet in Öfen, zur Verbrennungsoptimierung, bei der Vakuumwärmebehandlung und in Inertgassystemen
Hochwertige Zirkonoxid-Analysegeräte können unter Vakuumbedingungen betrieben werden
In-situ- oder Extraktionsanlage
Anwendungsbeschränkungen
Muss bei hohen Temperaturen (>650 °C) betrieben werden
Nicht geeignet für VOCs, Teere, Siloxane oder reduzierende Gase
Äußerst empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen
Sensoren vom Ionenstromtyp reagieren empfindlich auf Durchfluss und Druck
Die Temperaturgenauigkeit ist entscheidend: In der Nernst-Gleichung ist der Temperaturterm exponentiell; ein Fehler von 1 °C kann zu erheblichen Abweichungen führen.
Vorteile von Thermoelementen vom Typ B (Pt30Rh–Pt6Rh)
Hervorragende Hochtemperaturstabilität (600–1700 °C)
Hohe Temperaturwechselbeständigkeit
Sehr geringe Langzeitdrift (besser als bei K- und S-Typen)
Höchste Stabilität im Vakuum und in Inertgasen
Unterstützt den Betrieb „ohne Kalibrierung“ oder „mit minimaler Kalibrierung“
Einige hochwertige Zirkonoxid-Plattformen (z. B. die SMART-Serie von MZD Analytik) verwenden Thermoelemente vom Typ B als Temperaturreferenz, was eine langfristige Stabilität in Umgebungen mit hohen Temperaturen, im Vakuum und bei stark schwankenden Bedingungen gewährleistet.
5.3 Paramagnetisches Verfahren
Basierend auf dem Paramagnetismus von Sauerstoff misst dieses Verfahren die mechanische Reaktion von Sauerstoffmolekülen in einem Magnetfeld. Es gibt zwei Bauarten: die Magnetwind- und die Magnetkraftwaage. Paramagnetische Analysatoren finden breite Anwendung in der Prozesssteuerung, der Luftzerlegung, in mit Sauerstoff angereicherten Systemen und bei der Inertisierung.
Anwendungsbereich
0–100 % Sauerstoff, insbesondere 90–100 % hochreiner Sauerstoff
Hohe Genauigkeit, Langzeitstabilität, nicht verbrauchend
Weit verbreitet in ASU-Anlagen, bei der sauerstoffangereicherten Verbrennung, bei der Inertisierung (N₂/Ar), zur Überwachung der Sauerstoffreinheit (>99 %) sowie für medizinischen Sauerstoff
Förderanlage
Optional Ex d IIC T6 Gb
Anwendungsbeschränkungen
Äußerst empfindlich gegenüber Durchfluss und Druck
Erfordert sauberes, trockenes, nicht kondensierendes Gas
Nicht geeignet für organische Dämpfe
Nicht geeignet für Umgebungen mit hoher Staubbelastung, hoher Luftfeuchtigkeit oder korrosiven Gasen
Nicht geeignet für stark reduzierende Gase (CO, H₂)
Nicht geeignet für paramagnetische Gase (NO, NO₂)
5.4 TDLAS (Absorptionsspektroskopie mit abstimmbarem Diodenlaser)
TDLAS misst den Sauerstoffpartialdruck durch Erfassung der Absorption bei bestimmten Wellenlängen. Es handelt sich um eine Schlüsseltechnologie für komplexe Umgebungen und Sicherheitsverriegelungen, die in der Regel über eine integrierte Druckkompensation verfügt.
Anwendungsbereich
0–100 % Sauerstoff
Höchste Störfestigkeit (CO₂, H₂O, VOCs, Staub)
Geeignet für Umgebungen mit hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und starker Staubbelastung
Extrem schnelle Reaktion (T90 < 1–2 s)
Geeignet für Sicherheitsverriegelungen der Sicherheitsstufen SIL 2 bis SIL 3
Anwendbar für Rauchgas, Wasserstoffanlagen, Inertisierung/SIS, Öfen, Fermentationsabgas
In-situ- oder Extraktionsanlage
Optional Ex d IIC T6 Gb
Anwendungsbeschränkungen
Verunreinigungen am optischen Fenster beeinträchtigen das Signal
Erfordert eine optische Ausrichtung (vor Ort)
In staubreichen Umgebungen ist Spülgas erforderlich
Hintergrundgase mit starker Absorption erfordern eine Auswahl der Spektrallinien
Die optische Weglänge muss dem Konzentrationsbereich entsprechen
Höhere Kosten
TDLAS ist eine der am schnellsten wachsenden Technologien in der modernen industriellen Sauerstoffanalyse, insbesondere in sicherheitskritischen und komplexen Umgebungen.
5.5 Gasphasen-Fluoreszenzlöschung
Basiert auf der dynamischen Löschung der Lumineszenz durch Sauerstoffmoleküle. Sowohl optische DO-Sensoren als auch Gasphasen-Fluoreszenzlöschungssensoren beruhen auf dem Stern-Volmer-Mechanismus, unterscheiden sich jedoch erheblich in ihrer technischen Umsetzung.
Strukturelle Unterschiede
Gasphasen-Löschsensoren: Sauerstoff diffundiert direkt aus der Gasphase in eine festkörperbasierte Fluoreszenzschicht; das Ansprechverhalten wird durch die Diffusion in der Gasphase und die Löschkinetik bestimmt.
Optische DO-Sensoren: Sauerstoff muss sich in einer Polymer-/Gelmembran lösen und durch diese diffundieren; das Ansprechverhalten wird durch Löslichkeit, Diffusion, Quellung, Plastifizierung und Extraktionseffekte bestimmt.
Daher weisen DO-Sensoren eine langsamere Ansprechzeit, eine stärkere Drift und eine Anfälligkeit für durch Lösungsmittel verursachte Membranveränderungen auf.
Anwendungsbereich
Sauerstoff im %-Bereich, Sauerstoff in mittlerer Konzentration
Schnelle Reaktion (T90 = 1–3 s)
Hervorragend geeignet für hohe Luftfeuchtigkeit, VOCs sowie saure/korrosive Gase (CO₂, H₂S, SO₂)
Geeignet zur Reduktion von Gasen (CO, H₂)
Geeignet für Fermentationsabgase, Biogas, Erdgas, Öl und Gas, Lüftungsanlagen sowie die Überwachung von beengten Räumen
In-situ- oder Extraktionsanlage
Optional Ex d IIC T6 Gb
Anwendungsbeschränkungen
Nicht geeignet für Ozon (O₃), Chlor (Cl₂) oder Stickstoffdioxid (NO₂)
5.6 Gaschromatographie (GC)
Die GC trennt Gaskomponenten mithilfe einer chromatographischen Säule und misst den Sauerstoffgehalt mit Detektoren wie TCD, FID oder PDHID. Ihre Stärken liegen in der hohen Genauigkeit und der Unabhängigkeit von Hintergrundgasen. Die GC ist die wichtigste Technologie für Labor- und Qualitätskontrollanwendungen, eignet sich jedoch nicht für die Echtzeit-Prozesssteuerung.
Anwendungsbereich
Empfindlichkeit im ppb–ppm-Bereich
Qualitätsfreigabe und Schlichtung, Spezialgase für die Halbleiterindustrie, Qualitätskontrolle von Hochreingas, Prozessvalidierung, Laboranalysen
Offline-/Quasi-Online-Analyse
Förderanlage
Anwendungsbeschränkungen
Nicht in Echtzeit (Analysezyklus 1–30 min)
Erfordert Trägergas, Säulen und regelmäßige Wartung
Nicht geeignet für SIS, schnelle Sauerstoffwechsel oder Inertisierungssteuerungl
Komplexes System, großer Platzbedarf, hohe Kosten
5.7 Massenspektrometrie (MS)
Bei der Massenspektrometrie werden Gasmoleküle ionisiert, die Ionen nach ihrem Masse-zu-Ladungs-Verhältnis (m/z) getrennt und der Ionenstrom gemessen.
Anwendungsbereich
ppb–ppm Spuren von Sauerstoff
Qualitätsfreigabe und Schlichtung, Halbleitergase, Qualitätskontrolle von Hochreingas, Prozessvalidierung, Laboranalysen
Gleichzeitige Mehrkomponentenanalyse (O₂, N₂, Ar, CO, CO₂, H₂, Kohlenwasserstoffe)
Komplexe Hintergrundgasanalyse
Förderanlage
Anwendungsbeschränkungen
Sich überlappende Massenpeaks (z. B. CO und N₂ beide bei m/z = 28)
Hoher Wartungsaufwand (Vakuumpumpen, Lebensdauer der Glühfäden, Verschmutzung der Ionenquelle)
Erfordert sauberes Probengas; ungeeignet bei hoher Luftfeuchtigkeit, Staub, korrosiven Stoffen, hohen Temperaturen oder Lösungsmitteldämpfen (Vorbehandlung erforderlich)
Vibrations- und umgebungsempfindliches Vakuumsystem
Komplexes System, hohe Kosten
5.8 Nasschemische Verfahren
Die nasschemische Sauerstoffanalyse basiert auf chemischen Reaktionen in der flüssigen Phase, bei denen Sauerstoff verbraucht oder messbare Produkte entstehen. Diese Methoden zeichnen sich durch eine hohe Rückverfolgbarkeit und Genauigkeit aus, wobei die Ergebnisse auf SI-Einheiten rückführbar sind.
Anwendungsbereich
Kalibrierung und Schlichtung
Anwendungsbeschränkungen
Nicht für Online-Messungen geeignet
Komplexer Vorgang
Erfordert chemische Reagenzien
In der modernen Industrie werden nasschemische Verfahren hauptsächlich zur Kalibrierung und zur Schlichtung eingesetzt, nicht jedoch zur Online-Überwachung.
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