IGF-Projekt 202 ZN / 1

Entwicklung von Metalloxid-Sensoren zur Gasanalyse für die Überwachung von Gasatmosphären in Industrieöfen

In vie­len Indus­trie­be­rei­chen stellt die Gas­ana­ly­tik ein unver­zicht­ba­res Werk­zeug für eine wirt­schaft­li­che und siche­re Pro­zess­füh­rung dar. Ins­be­son­de­re in der Indus­trie­ofen­tech­nik spielt die Kennt­nis des aktu­el­len Zustan­des der Ofen­raum­at­mo­sphä­re eine wich­ti­ge Rol­le und dient der Pro­dukt­qua­li­tät, Pro­zess­steue­rung und Ver­ben­nungs­op­ti­mie­rung sowie der Funk­ti­ons­über­wa­chung, Anla­gen- und Per­so­nen­si­cher­heit und dem Umwelt­schutz.
Das For­schungs­ziel ist, aus der Auto­mo­bil­bran­che bekann­te Halb­lei­ter-Sen­so­ren durch Adap­ti­on und Wei­ter­ent­wick­lung für die Indus­trie­ofen­tech­nik anwend­bar zu machen. Kos­ten­güns­ti­ge Metall­oxid-Sen­so­ren für die H2O‑, CO und NO-Mes­sung eröff­nen die Mög­lich­keit durch inno­va­ti­ve Mess‑, Regel- und Auto­ma­ti­sie­rungs­stra­te­gien die Über­wa­chung von Pro­zess- und Schutz­gas­at­mo­sphä­ren preis­güns­tig zu rea­li­sie­ren.
Dazu sind am Insti­tut für Anor­ga­ni­sche Che­mie (IAC) Labor­mus­ter der Feuchte‑, Koh­len­mon­oxid- und Stick­oxid­sen­so­ren gefer­tigt wor­den. Die­se Labor­mus­ter wur­den am IAC einer Eva­lua­ti­on unter Labor­be­din­gun­gen unter­zo­gen und elek­trisch cha­rak­te­ri­siert.
Am Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau (IOB) ist ein Gas­sen­sor­prüf­stand auf­ge­baut wor­den. Der Feuch­te­sen­sor ist nach einer Über­tra­gung auf den Gas­sen­sor­prüf­stand am IOB im Kam­mer­ofen erprobt wor­den.
Die Unter­su­chun­gen am Feuch­te­sen­sor auf Basis des Zeo­li­then H‑ZSM‑5 haben erge­ben, dass

  • das Sen­sor­ma­te­ri­al H‑ZSM‑5 bis 1000°C ther­misch sta­bil ist und in einer H2-Atmo­sphö­re nicht redu­ziert wird,
  • der Sen­sor in einer H2-Atmo­sphä­re eine signi­fi­kan­te Leit­fä­hig­keits­stei­ge­rung zeigt,
  • kein direk­ter Ein­fluss der Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit auf die Sen­sorim­pe­danz aus­ge­macht wer­den kann,
  • bei einer Tem­pe­ra­tur von 500°C Feuch­te­kon­zen­tra­tio­nen bis 1600 ppm(V) deut­lich detek­tiert wer­den können,
  • der Sen­sor bei 750°C Betriebs­tem­pe­ra­tur kei­ne signi­fi­kan­ten Impe­danz­än­de­run­gen auf Ände­run­gen der Feuch­te­kon­zen­tra­ti­on zeigt.

Die Unter­su­chun­gen am Koh­len­mon­oxid­sen­sor haben erge­ben, dass

  • Gal­li­um­oxid als ein­zi­ges der unter­such­ten Mate­ria­li­en (Ga2O3, WO3, BaS­nO3) bei 600°C eine Sen­si­ti­vi­tät gegen­über CO zeigt,
  • Gal­li­um­oxid auch nach einer Tem­pe­ra­tur­be­hand­lung von 1000°C nano­par­ti­ku­lär und ein­pha­sig vorliegt.

Die Unter­su­chun­gen am Stick­oxid­sen­sor haben erge­ben, dass

  • die (NO+,Na+)-Al2O3-Mem­bran für einen Ein­satz in einem Tem­pe­ra­tur­be­reich von T ≥ 300°C nicht geeig­net ist.

Schlussbericht

Ech­ter­hof, T.; Neu­mei­er, S.; Böl­ling, R.; Pfei­fer, H.; Simon, U.: Ent­wick­lung von Metall­oxid-Sen­so­ren zur Gas­ana­ly­se für die Über­wa­chung von Gas­at­mo­sphä­ren in Indus­trie­öfen, FOGI-Nr. FV 685, For­schungs­ge­mein­schaft Indus­trie­ofen­bau e.V., Frank­furt, Mai 2008

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Die­ses For­schungs­vor­ha­ben wur­de durch die For­schungs­ge­mein­schaft Indus­trie­ofen­bau e.V. über das For­schungs­ku­ra­to­ri­um Maschi­nen­bau e.V. bean­tragt und durch das Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft über die Arbeits­ge­mein­schaft indus­tri­el­ler For­schungs­ver­ei­ni­gun­gen e.V., AiF-Nr. 202 ZN / 1, finan­zi­ell gefördert.