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


BMWi_Web_de_WBZDieses 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.