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062V - Gassensoren zur Überwachung und Regelung von Verbrennungsprozessen |
Der Hauptvorteil dieser neuartigen Sensorelemente liegt in der durch die Raumfahrtentwicklung bedingten Miniaturisierung. Hierdurch wird die Leistungsaufnahme des Sensorsystems verringert und der Einsatz auch in räumlich begrenzter Einbausituation ermöglicht. Das Prinzip der keramischen Gassensoren ist die Festkörperelektrolyse, die aus dem Einsatz der Lambda-Sonde im Kfz-Bereich bekannt und millionenfach erprobt ist. Die Verwendung keramischer und edelmetallhaltiger Werkstoffe führt zu robusten Sensorelementen, mit denen die in-situ Messung auch in aggressiven, reduzierenden und oxidierenden Umgebungen möglich wird. Der Einsatz innovativer Fertigungsverfahren, wie beispielsweise der Dünn- und Dickschichttechnik, sowie die Produktion unter kontrollierten Reinraumumgebungen führt zu qualitativ hochwertigen Sensorsystemen, die auch in größeren Stückzahlen erhältlich sein werden. Die Sensitivierung der Sensorelemente auf unterschiedliche Gase bzw. die Verringerung von Querempfindlichkeiten wird durch einfache Variation des Sensoraufbaus in Geometrie und Material erreicht. So sind derzeit Sensorsysteme zur Detektion bzw. Messung von oxidierenden Gasen (COe) sowie von Wasserstoff (H2) verfügbar. Durch die geschickte Wahl der Sensorbetriebstemperatur können die Empfindlichkeit, der Messbereich sowie die Ansprechzeit auf die jeweilige Anwendung optimal angepasst werden. Die eingestellte Betriebstemperatur des Sensors wird dabei durch eine schnelle Heizleistungsregelung konstant gehalten. Damit sind evtl. auftretende Querempfindlichkeiten, hervorgerufen durch variierende Volumenströme bzw. Umgebungstemperaturen, kompensiert. Zudem liefert die aktuelle Heizleistung des Sensors Informationen über diese beiden Größen, die in die Überwachung bzw. Regelung des dynamischen Prozesses mit einbezogen werden können. Im Folgenden sind zwei typische Einsatzgebiete näher beschrieben: Kleinfeuerungsanlagen: Bei Feuerungsanlagen muss die Luftzahl λ anlagenspezifisch und für jeden Betriebszustand optimal eingestellt werden. In Verbindung mit einer intelligenten Regelungsstrategie findet das COe-Sensorsystem den optimalen Betriebspunkt indem die Luftzahl von jedem beliebigen Betriebszustand aus bis zum Beginn der unvollständigen Verbrennung verringert wird. Dort werden die Produkte unvollständiger Verbrennung vom Sensorsystem schon in ihrer Entstehung erkannt. Der Betrieb kurz vor dieser Emissionskante führt schließlich zu einer Wirkungsgradsteigerung und zur Reduzierung der Schadstoffemissionen (s. Abb.). Gesetzlich vorgeschriebene Emissionsgrenzwerte können eingehalten, Störungen frühzeitig erkannt und die Betriebssicherheit der Anlage gesteigert werden. Brennstoffzellen: Brennstoffzellen sind u.a. wegen der Verwendung brennbarer Gase mit einem Gefahrenpotential behaftet. Sie werden mit wasserstoffreichen Medien betrieben, die an der Brennstoffzellenmembran umgesetzt und abgeführt werden. Die Peripherie und die Brennstoffzelle selbst müssen daher auf Gasdichtheit überprüft werden, um die unkontrollierte Entstehung gefährlicher Gaszusammensetzungen zu verhindern. Das robuste Sensorsystem kann dabei zur Detektion kleiner Wasserstofflecks direkt in den Brennstoffzellenabluftkanal integriert werden. Der Einsatz eines derartigen Sensorsystems führt so zur Steigerung der Zuverlässigkeit des Brennstoffzellenbetriebs und sorgt für ein Mehr an Sicherheit für Mensch, Umwelt und Maschine.  Abb.: Lage der Emissionskante und Wirkungsgradverlauf einer Feuerungsanlage. |
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| Innovative Aspekte | |
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Der Einsatz innovativer Fertigungsverfahren und neuartiger Materialien resultiert in miniaturisierten keramischen Gassensoren hoher Qualität und Robustheit. Dadurch werden zeitlich hochaufgelöste in-situ Messungen unterschiedlicher Gaskonzentrationen auch in aggressiver Umgebung möglich. |
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| Anwendungspotenzial | |
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Die Haupteinsatzgebiete sind in der Umwelttechnik und in der allgemeinen Mess- und Regeltechnik zu finden. Nachfolgend sind einige Einsatzgebiete aufgelistet:
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| Art der Zusammenarbeit | |
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Interesse besteht an Kooperationen, der Vergabe von Lizenzvereinbarungen sowie Auftragsentwicklungen. |
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