Messzelle mit schneller Ansprechzeit

Dipl.-Ing. Matthias Sprinz

Bei der Weiterverarbeitung von Olefinen zu Kunststoffen, zum Beispiel Polyethylen oder Polypropylen, können erhöhte Sauerstoffkonzentrationen im Edukt zu geringerer Dichte, geringerer Viskosität, niedrigeren Erträgen und geringerem Molekulargewicht des polymerisierten Produktes führen. Sie verursachen vorzeitige Polymerisationen und unerwünschte Querbindungen und Verzweigungen, die zu Problemen während der Extrusion oder dem Spritzgießen sowie zu einer geringeren Dichte und zu einem weicheren Endprodukt führen. Hohe Sauerstoffkonzentrationen können auch die Oberflächen der Katalysatoren vergiften und damit die Prozesseffizienz herabsetzen. Ein schnell ansprechender Sauerstoffanalysator ist deshalb unbedingt notwendig, um die Anlagen- und Prozesssicherheit zu gewährleisten und qualitativ hochwertige Produkte zu erzeugen.

Sauerstoffanalysatoren mit galvanischen Messzellen verwenden zwei unterschiedliche metallische Elektroden, üblicherweise Silber und Blei. Diese Messzellen haben eine begrenzte Lebensdauer, da die Anode aus Blei verbraucht wird und die Kathode aus Silber durch saure Komponenten wie Halogene oder Sulfide im Gasstrom angegriffen werden kann. Außerdem reagiert der Elektrolyt empfindlich auf Verunreinigungen im Messgas. Durch den Empfindlichkeitsverlust haben die Sensoren die Tendenz, nach einiger Zeit zu niedrige Messwerte zu liefern. Aus diesem Grund müssen Analysatoren mit herkömmlichen galvanischen Messzellen regelmäßig rekalibriert oder die Messzellen ausgetauscht werden.

Galvanische Sensoren mit einem offenen Kathodensystem (Hersch-Zelle) reagieren sehr empfindlich auf saure Komponenten im Gasstrom, da das Messgas in direkten Kontakt mit der Kathode und dem Elektrolyten kommt. Solche Verunreinigungen können die Lebensdauer einer Messzelle von 3 Monaten auf 1 Woche herabsetzen. Weiterhin beeinflusst ein trockener Gasstrom die Füllstandshöhe des Elektrolyten über einen längeren Zeitraum. Galvanische Sensoren nach dem Batterieprinzip beinhalten eine Membran, die das Messgas vom Elektrolyten abtrennt. Diese Art von Messzellen reagiert weitaus unempfindlicher auf die Gasbestandteile als Messzellen mit offener Kathode. Zeitweise auftretende erhöhte Konzentrationen von sauren Komponenten können aber auch hier die Lebensdauer um den Faktor 10 herabsetzen. Bei Sauerstoffkonzentrationen kleiner 10 ppm sollte jedoch der Gebrauch von Messzellen, nach dem Batterieprinzip, vermieden werden. Der Sauerstofftransport in die Messzelle wird durch die Permeabilität der Membran geregelt, was zu erheblichen Temperatur- und Druckabhängigkeiten führt und deshalb die Einsatzfähigkeit dieser Messzellen auf 1 ppm begrenzt.

Analysatoren der Delta-F-Serie von Panametrics arbeiten mit einem coulometrischen Sensor. Er ermöglicht langzeitstabile und driftfreie Messergebnisse ohne häufige Kalibrierungen oder regelmäßigen Austausch der Messzellen. Kürzeste Ansprechzeiten auf Veränderungen der Sauerstoffkonzentration sind gegeben und die Geräte sind unempfindlich gegenüber Sauerstoffschocks. Der Sauerstoff im Messgas wird an der Kathode zu Hydroxidionen reduziert. Diese gelangen über den Elektrolyten, bestehend aus Kalilauge zur Anode, wo sie wiederum zu Sauerstoffmolekülen oxidiert werden, die dort aus der Messzelle ausgasen. Die elektrochemische Reaktion wird durch eine extern angelegte Gleichspannung von 1,3 Volt bewirkt. Die Sensorelektroden bestehen aus einem speziellen Kohlenfaserverbundwerkstoff, der sich nicht verbraucht.

Die schnelle Ansprechzeit der Messzelle gibt auch bei rasanten Veränderungen einen Aufschluss über den tatsächlich vorhandenen Sauerstoffgehalt im Messgasstrom. Der Sensor verfügt über eine Empfindlichkeit kleiner 3 ppb für den Messbereich von 0 bis 50 ppm. Die Langzeitstabilität des Delta-F-Platinum-Messsystems ist sehr gut. Eine Messbereichskalibrierung ist nur einmal jährlich erforderlich. Durch die hohe Genauigkeit von ±3% vom Messwert oder bei der hochauflösenden Geräteausführung bis zu ±0,02% vom Messbereich, ist das Platinum-Messsystem eine Alternative zu Sauerstoffmessgeräten der High-End-Klasse.

Einfache, menügesteuerte Bedienung, frei skalierbare Schreiberausgänge, netzwerkfähige, serielle Schnittstelle und explosionsgeschützte Versionen machen die Analysatoren zu einem idealen Sauerstoffanalysator für die meisten Anwendungen im Bereich von Olefinanlagen, aber auch zur Überwachung von Reinstgasproduktionsanlagen, in der Pharmaindustrie oder bei Wärmebehandlungsprozessen.