Das Messprinzip von Sauerstoff

Sauerstoffmessgeräte sind ausgelegt, um Signale eines Sauerstoffsensors aus stabilisiertem Zirkonoxid zu verarbeiten. Das Zirkonoxid, eine Keramik, die auch als Festkörperelektrolyt bezeichnet wird, eignet sich bei höheren Temperaturen hervorragend als Leiter von Sauerstoffionen.

Solche Ionenleiter besitzen innerhalb eines bestimmten Temperaturbereiches, der von der Dotierung des Werkstoffes abhängig ist, die Fähigkeit, Leerstellen in ihrem Kristallgitter mit Sauerstoffionen aufzufüllen.

Die Sauerstoffionen entstehen an einer leitfähigen Kontaktschicht, die in der Regel aus Platin besteht. Die Aktivität der Ionen an den beiden Kontaktschichten bzw. Elektroden ist ein Maß für die erzeugte elektrische Spannung (EMK). Diese Aktivität beziehungsweise die Anzahl an Sauerstoffionen wird durch die Konzentration des Sauerstoffes in einem Messgas bestimmt.

Der prinzipielle Aufbau eines Sensors sieht einen Festkörperelektrolyten vor, der auf beiden Seiten kontaktiert ist. Die eine Seite des Elektrolyten wird mit einem Referenzgas, z.B. Luft betrieben, die andere Seite mit Messgas. Der mechanische Aufbau des Sensors trennt beide Gasseiten voneinander, sodass ein Vermischen der Gase unterbunden wird.

Berechnung des Sauerstoffgehaltes (Sauerstoff-Partialdruck) erfolgt aus der gemessenen Spannung (EMK) durch Umformen der folgenden „Nernstgleichung“

Nernstgleichung:

Die Berechnung erfolgt nach der Formel:

wobei gilt:

EMK = Elektromotorische Kraft in Volt
R = 8.31J/mol K
T = Temperatur in Kelvin
F = 96493 As/mol
P1 = Sauerstoffpartialdruck auf der Referenzseite mit 0.20946 bar
P2 = Sauerstoffpartialdruck auf der Messgasseite

Aus dieser Berechnung ergibt sich die Kennlinie, die im rechten Diagramm dargestellt ist.