Zuverlässigkeitsprüfung: Elektrochemische Gassensoren und Temperaturbelastung

Von Karissa Galatsis

Elektrochemische Gassensoren sind unverzichtbare Werkzeuge zur Detektion von Sauerstoff (O₂) und Kohlenmonoxid (CO) in Sicherheits-, Industrie- und Umweltüberwachungsanwendungen. Obwohl sie hochsensitiv und selektiv sind, können ihre Messwerte durch Umwelteinflüsse – insbesondere die Temperatur – beeinflusst werden. In dieser Studie haben wir die temperaturabhängigen Fehler verschiedener Modelle von Forensics Detectors systematisch im Bereich von 0 °C bis 50 °C in einer Klimakammer untersucht.

Vorteile	Nachteile
✅ Erkennt die Temperaturempfindlichkeit.	⛔ Alle Sensoren sind temperaturabhängig.
✅ Breiter Temperaturbereich getestet, simuliert extreme Bedingungen in der realen Welt.	⛔ Temperaturfehler verschärfen inhärente Fehler.
✅ Vergleich verschiedener Modelle von Forensics Detectors.	⛔ Die Temperatureinwirkung ist auf 45 Minuten begrenzt.
✅ Daten, die für den Betrieb bei extremen Temperaturen nützlich sind.	⛔ Eine mögliche Kreuzsensitivität kann auch von der Temperatur beeinflusst werden. Dies wurde nicht untersucht.

1. Ziel

Ziel war die Untersuchung von Temperaturfehlern elektrochemischer Gassensoren bei Sauerstoff- und Kohlenmonoxiddetektoren.

2. Methode

Ich verwendete eine Klimakammer, um Sauerstoff- und Kohlenmonoxidmelder zu testen. Die Tests umfassten Temperaturschwankungen von 0 bis 50 °C. °C. Wir testeten die Sauerstoffmodelle FD-103-O2, FD-600-O2, FD-90A-O2, FD-60-O2, FD-600M-O2 und die Kohlenmonoxidmodelle FD-103-CO-LOW, FD-90A-CO, FD-600-CO, FD-600M-CO, FD-60-CO.

Das Verfahren umfasste zunächst das Testen der Geräte auf Raumtemperatur. Anschließend wurde die Klimakammer auf 50 °C eingestellt. Die Kammer wurde 45 Minuten lang auf °C gehalten, anschließend eine Minute lang dem Gas ausgesetzt und ein Messwert abgelesen. Danach wurde die Kammer auf 0 °C eingestellt. Die Messung erfolgte weitere 45 Minuten bei °C. Anschließend wurde der Detektor eine Minute lang dem Gas ausgesetzt und eine weitere Messung durchgeführt. Die Daten wurden aufgezeichnet und wie im nächsten Abschnitt beschrieben analysiert.

Für jeden Test wurden zwei Detektoren sowie zwei Temperatur- und zwei Feuchtigkeitsmessgeräte verwendet; die Mittelwerte wurden in die Analyse einbezogen.

Zum Vergleich der Gassensoren verwenden wir eine Fehlermetrik mit der Einheit Prozent pro Grad Celsius (%/ °C). Dies ist die Kennzahl, die wir in dieser Studie zur Quantifizierung der Temperaturbeanspruchung von Gassensoren verwenden; sie ist ein in der Industrie allgemein anerkannter Standard. Der prozentuale Fehler entspricht dem maximalen Messbereich jedes Detektors.

3. Ergebnisse

3.1 Kohlenmonoxid-Supermeter ( FD-103-CO-LOW )

3.2 Kohlenmonoxidmessgerät ( FD-90A-CO )

3.3 Kohlenmonoxid-Analysator ( FD-600-CO )

3.4 Kohlenmonoxid-Datenlogger ( FD-600M-CO )

3.5 Kohlenmonoxid-Wandmonitor ( FD-60-CO )

3.6 Wasserdichter Sauerstoffdetektor ( FD-103-O2 )

3.7 Sauerstoff-Headspace-Analysator ( FD-600-O2 )

3.8 Sauerstoffdetektor ( FD-90A-O2 )

3.9 Sauerstoffwanddetektor ( FD-60-O2 )

3.10 Sauerstoff-Datenlogger ( FD-600M-O2 )

4. Diskussion

4.1 Kohlenmonoxidsensoren

Die Ergebnisse des CO-Detektors zeigten, dass die Temperaturdrift je nach Modell variiert:

Sensormodell	Temperaturfehler (%/°C)
FD-103-CO-LOW	0,05
FD-90A-CO	0,02
FD-600-CO	0,07
FD-600M-CO	0,07
FD-60-CO	0,11

4.2 Sauerstoffsensoren

Die O₂-Detektoren funktionierten durchweg gut, eine Zusammenfassung folgt:

Sensormodell	Temperaturfehler (%/°C)
FD-103-O2	0,03
FD-600-O2	0,006
FD-90A-O2	0,0087
FD-60-O2	0,02
FD-600M-O2	0,01

4.3 Warum beeinflusst die Temperatur elektrochemische Sensoren?

Die Temperatur kann elektrochemische Sensoren beeinflussen durch:

1. Änderungen der Reaktionsgeschwindigkeit – Höhere Temperaturen beschleunigen die elektrochemischen Reaktionen und erhöhen so die Sensorausgabe.
2. Variabilität der Gasdiffusion – Höhere Temperaturen erhöhen die Gasdiffusionsrate zur Messelektrode und damit auch die Sensorausgabe.
3. Veränderungen der Elektrolyteigenschaften – Viskosität und Leitfähigkeit des Elektrolyten können sich ändern, was die Signalstabilität beeinträchtigt.
4. Thermische Ausdehnung – Allgemeine thermische Ausdehnungs- und Kontraktionseffekte der zur Herstellung des elektrochemischen Sensors verwendeten Materialien tragen zur Temperaturvariabilität bei.
5. Elektronik – Auch die Elektronik, die die Signalaufbereitung und -verstärkung des Sensorsignals übernimmt, ist von Temperaturschwankungen betroffen.

4.4 Praktische Empfehlungen

Für Endanwender ist es wichtig, den Einfluss der Temperatur auf ihren jeweiligen Gasdetektor zu verstehen. Wir haben festgestellt, dass niedrigere Temperaturen die Sensoren beeinträchtigen, indem sie deren Ausgangssignal verringern, während höhere Temperaturen das Messsignal erhöhen. Dies wirkt sich auch auf die Kalibrierung aus. Folgendes wird empfohlen:

• Kalibrieren Sie bei den zu erwartenden Betriebstemperaturen, um sicherzustellen, dass die Messwerte im realen Einsatz so genau wie möglich sind.

• Es ist außerdem wichtig, die Genauigkeitsanforderungen Ihrer jeweiligen Anwendungen zu verstehen, da Eine Drift von 1 % pro °C mag in einigen Fällen der Sicherheitsüberwachung vernachlässigbar sein, ist aber in Präzisionsmessszenarien inakzeptabel.

5. Schlussfolgerung

Unsere Tests bestätigen, dass Temperaturfehler sowohl bei Sauerstoff- als auch bei Kohlenmonoxid-Gasdetektoren auftreten. Die Kenntnis der Betriebsumgebung ist unerlässlich, um die Leistung eines Gasdetektors vorherzusagen. Ein Gasdetektor verhält sich bei Raumtemperatur anders als bei extremen Temperaturen; Temperaturänderungen verursachen Fehler. Dies wurde in unseren Experimenten beobachtet, und die gewonnenen Daten stimmen mit den Datenblättern der Gassensoren überein. Daher ist es für den Endanwender von entscheidender Bedeutung, diese temperaturabhängigen Fehler zu kennen. Gasdetektoren werden häufig als lebensrettende Geräte eingesetzt, daher müssen dem Anwender in solchen Anwendungen wichtige temperaturabhängige Effekte bekannt sein.

Über den Autor

Karissa Galatsis absolviert 2025 ein Sommerpraktikum bei FORENSICS DETECTORS, einem Unternehmen mit Sitz auf der malerischen Halbinsel Palos Verdes in Los Angeles, Kalifornien . Sie interessiert sich besonders für Umweltüberwachung und Sensortechnik. Während ihres Praktikums konzentrierte sich Karissa auf praktische Tests von Gasdetektionsgeräten, Datenanalyse und das Verständnis des Einflusses von Umweltfaktoren auf die Leistung von Gassensoren.