ABB AG

Eine automatische Microwing-Montage unter saubersten Bedingungen.

Bild: ABB; Luca Siermann

Magnos28 Sauerstoffmessung mit Microwing-Technologie

03.09.2018

Sauerstoffmessungen werden in allen industriellen Bereichen zur Prozesssteuerung, Sicherheitsmessung oder Emissionsüberwachung eingesetzt. Magnos28, der neue paramagnetische Sauerstoffanalysator von ABB, verfügt über eine innovative, siliziumbasierte Microwing-Technologie.

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In der industriellen Sauerstoffmessung haben sich unter anderem in den Bereichen Chemie, Petrochemie, Kraftwerkstechnik, Industriegase und Stahl- und Zementindustrie paramagnetische Sauerstoffmessgeräte als Analysatoren bewährt. Anforderungen an die Messung sind eine hohe Selektivität und Stabilität, ein schnelles Ansprechverhalten sowie die Beständigkeit gegenüber Prozessgasen. Ein maßgeblicher Faktor zur Sicherstellung dieser Eigenschaften liegt dabei bereits im Herstellungsprozess dieser Sensoren.

Paramagnetische Sensoren, die nach dem magnetomechanischen Messprinzip arbeiten, haben als Kernelement eine im Zentrum eines inhomogenen Magnetfeldes positionierte bewegliche Glashantel. Der klassische Herstellungsprozess umfasst viele komplexe Schritte mit zeitaufwendiger Montage von Glaskörper, Spiegel zur Registrierung der Auslenkung im Magnetfeld, Spanndraht mit elektrischem Kompensationskreis, einer Feintarierung mit Ausgleichsgewichten und abschließender Reinigung der fertig montierten Sensoreinheit.

Alle Schritte erfolgen in Handarbeit unter einem Mikroskop, wobei die Präzision, mit der diese Arbeitsschritte ausgeführt werden können, wesentlich die Messeigenschaften bestimmt. Entsprechend aufwendig ist die Prüfung der Sensoren hinsichtlich ihres späteren Einsatzes. Bei der Auslegung eines industrietauglichen Sauerstoffsensors, der die beschriebenen Anforderungen erfüllen soll, kommt es also auf die sorgfältige Auswahl der Sensormaterialien, ein auf schnelle Prozessänderungen hin optimiertes Design und vor allem auf saubere und kontrollierte Montage an.

Traditionelles neu aufgelegt

Mit dem Ziel, diese Anforderungen effektiv und nachhaltig zu erfüllen, hat ABB einen völlig neuen Weg eingeschlagen und stellt mit dem Magnos28 eine grundlegende Überarbeitung des Sensorprinzips vor. Ein Siliziumsensor ersetzt vollständig die traditionelle Glashantel mit ihrem Kompensationsschaltkreis, Spiegel und Tariergewichten.

Das Ergebnis ist ein All-in-One-Sensor, der alle notwendigen Funktionen ohne zusätzliche Bauteile auf einem Chip beinhaltet − ein völlig neuer Ansatz in der magnetomechanischen Sauerstoffmessung. Auf einem Siliziumwafer absolut reproduzierbar hergestellte Sensorelemente, die Microwings, sind die Basis für ein Produkt, das mit sehr guten und reproduzierbaren Messeigenschaften hergestellt werden kann.

Gewichtserhöhungen vermeiden

Für die präzise Montage zu einem messfähigen Sensorsystem ist ein siliziumbasierter Sensor ideal geeignet. So muss beispielsweise beim Design eines paramagnetischen Sensors mit Hantelprinzip auf eine sehr geringe Masse und ein hohes Breite-zu-Dicke-Verhältnis geachtet werden, damit der Sensor in der Messposition im Zentrum des Magnetfeldes sensitiv und genau auf Veränderungen der Sauerstoffkonzentration reagieren kann.

Die Produktionsschritte, die die in Bild 1 dargestellte Microwing zu einer funktionsfähigen ausbalancierten Sensoreinheit zusammenfügen, erfolgen deshalb weitestgehend automatisiert. Auf diese Weise wird bereits eine Positioniergenauigkeit der Microwing am Spanndraht im Mikrometerbereich erreicht.

Die Messeigenschaft mitbestimmende Führungsparameter, wie die Zugspannung des Spanndrahtes oder die Präzision der Positionierung der Microwing am Spanndraht, werden bereits im Moment der Montage kontrolliert und verifiziert.

Sollte eine Feintarierung des nun zusammengefügten Sensors erforderlich sein, so geschieht dies durch ein Laserablationsverfahren zum Abätzen winziger Mengen des Wafermaterials. Komplexe manuelle Arbeitsschritte zum Aufbringen zusätzlicher, vom Prinzip her unerwünschter Ausgleichsgewichte, die das Gewicht der Hantel erhöhen, werden mit diesem Verfahren vermieden.

Konzipiert für anspruchsvolle Anwendungen

Um die angestrebte Präzision und Zuverlässigkeit der Sauerstoffanalyse auch in komplexer Gasatmosphäre sicherzustellen, muss ein besonderes Augenmerk auf die sorgfältige Auswahl der verwendeten Materialien gelegt werden. Ändern sich beispielsweise im Prozess oder zur Kalibrierung die Gaseingangsbedingungen am Sensor stark, können Drift- und Gasmemory-Effekte zu verlängerten Stabilisierungszeiten oder Einschränkungen in der Wiederholgenauigkeit führen.

Um diese Effekte auszuschließen und die Beständigkeit gegen beispielsweise Lösemittel zu verbessern, wird beim Magnos28 vollständig auf Kleber oder Lote verzichtet. Dadurch wird das Einsatzgebiet des Sensors insbesondere zur Messung bei sehr niedrigen Sauerstoffkonzentrationen sichergestellt. Bleiben beispielsweise Feuchteeinflüsse bei typischen Gaskühlertemperaturen innerhalb der Nachweisgrenze des Sensors, können auch sensible Messaufgaben unter sich ändernden Gasbedingungen zuverlässig bewältigt werden.

Dies geschieht mitunter, weil sich Wasser nicht in Kleber anreichern kann. Beispiel hierfür ist auch die Analyse von Abgasnachbehandlungsprozessen in der Katalysatorentwicklung, in denen Sauerstoffkonzentrationen von weniger als 1.000 ppm nachgewiesen werden müssen. Mit Hilfe der Microwing-Technik kann auch im Vergleich zum Vorgängermodell Magnos206 eine deutlich verringerte Wasserdampfquerempfindlichkeit erreicht werden. Die schmale Verteilung führt zu einer eine hohen Reproduzierbarkeit von Sensor zu Sensor.

Sicherheit durch schnelles Ansprechverhalten

Um ein schnelles Ansprechverhalten bei sich schnell ändernden Sauerstoffkonzentrationen im Messgas zu erzielen, wurde im Vergleich zu seinem Vorgänger das Detektorvolumen des Magnos28 um den Faktor 3 reduziert. Mit seinem optimierten Design ermöglicht der neue Magnos28 eine Verbesserung der Reaktionszeit um mehr als 15 Prozent.

Eine zusätzliche Version verfügt über einen extrem schnellen Gasaustausch mit einer typischen Anstiegszeit von weniger als 1,3 Sekunden, was den Analysator zu einem der schnellsten unter den magnetomechanischen Sauerstoffsensoren macht.

Zusammenfassung

Die erstmalige serienmäßige Umsetzung von Siliziumtechnologie in einem Analysegerät zeigt einen neuen und innovativen Weg in der industriellen Sauerstoffmessung auf. Zusammen mit den Möglichkeiten einer auf den Siliziumsensor abgestimmten automatisierten Montage unter saubersten Bedingungen lässt sich ein Gasanalysator herstellen, der sämtliche Anforderungen an ein Industriemessgerät erfüllt.

Die Messeigenschaften des neuen Magnos28 sind dabei insbesondere charakterisiert durch:

  • eine reduzierte Querempfindlichkeit gegenüber H2O und anderen Gasen,

  • eine stark verbesserte Wiederholbarkeit und Stabilität der Messung auch in kleinsten Messbereichen

  • ein deutlich schnelleres Ansprechverhalten auf sich ändernde Sauerstoffkonzentrationen im Messgas.

Bildergalerie

  • Bild 1: Der Magnos28 mit Microwing-Technologie

    Bild: ABB

  • Gaseinlaufverhalten unter sich ändern Gasbedingungen (trocken/feucht)

  • Die Wasserquerempfindlichkeit

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