Was ist ein potentiometrischer Sensor?

Ein potentiometrischer Sensor ist eine Art chemischer Sensor, der in einer Vielzahl industrieller Prozesse zur Bestimmung des volumetrischen Vorhandenseins einer Verbindung verwendet wird, basierend auf der Erkennung ionischer Atome oder Moleküle in der Verbindung, die eine elektrische Ladung tragen. Der Sensor benötigt keinen Stromfluss, sondern lediglich die Verbindung selbst, flüssig oder gasförmig, um zwischen den Elektroden des Sensorgeräts zu fließen. Eine der häufigsten potentiometrischen Sensoreinheiten, die ab 2011 hergestellt werden, ist der in Autos eingebaute Sauerstoffsensor, aber es gibt viele andere Einsatzmöglichkeiten für die Technologie.

Die Grundfunktion eines Potentiometers im Zentrum eines potentiometrischen Sensors besteht darin, dass eine bekannte Spannung an einer Referenzelektrode als Vergleich mit einer Spannungsänderung an einer Arbeitselektrode verwendet wird. Die Spannungsdifferenz entsteht, wenn eine feste Elektrolytverbindung zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Ladung erhält, wenn eine Flüssigkeit oder ein Gas in Form eines Ionenleiters durch sie hindurchströmt. Der Ladungsgrad wird verwendet, um die Menge der vorhandenen Ionen zu bestimmen. Dieser Wert kann mit den erwarteten Massenwerten verglichen und Steuerungen aktiviert werden, um einen gewünschten stabilen Zustand aufrechtzuerhalten.

Sauerstoffsensoren, auch Lambdasonden genannt, sind seit den 1980er Jahren in in den USA hergestellten Automobilen als routinemäßig eingesetzte potentiometrische Sensoren eingebaut und dienen dazu, sicherzustellen, dass Fahrzeuge in bestimmten Bundesstaaten wie Kalifornien die Umweltschutznormen einhalten und die Motorleistung zu optimieren für Kraftstoffeffizienz. Sie funktionieren, indem sie die Menge an ionisiertem Sauerstoff messen, die bei laufendem Motor im Abgasstrom eines Autos vorhanden ist. Die Mikroprozessoren des Fahrzeugs nehmen diesen Wert und vergleichen ihn mit den optimalen Werten für Abgase. Bei Leistungsschwankungen kann die Computersteuerung das Luft-/Kraftstoffgemisch und den Zündzeitpunkt des Fahrzeugs anpassen, um eine vollständigere Kraftstoffverbrennung und weniger Umweltverschmutzung zu gewährleisten. Alle Arten von Fahrzeugen, egal ob sie mit Diesel, Benzin, Ethanol oder einer Kombination dieser Kraftstoffe betrieben werden, nutzen diese Sensoren, und neuere Versionen der Geräte messen neben Sauerstoff auch eine Vielzahl unterschiedlicher Abgase.

Weitere Anwendungen für einen potentiometrischen Sensor sind die Analyse von Spurengasen in der analytischen Chemie bis hin zu Teilen pro Billion und die Bestimmung der polaren Menge von Lösungsmitteln wie Wasser, Alkohol und anderen Chemikalien, die bei der Erstellung genauer Formeln für industrielle Lösungen verwendet werden. Forschungen aus dem Jahr 2011 führten auch zum Einsatz des potentiometrischen Sensors in der pharmazeutischen Analytik. Sie werden zum Nachweis von Blei und Tensiden in Abwasserströmen aus Kläranlagen und für viele andere Zwecke im medizinischen und landwirtschaftlichen Bereich sowie zur Kontrolle der Umweltverschmutzung in verschiedenen Branchen eingesetzt. Potentiometrische Ionenmembransensordesigns werden zum Nachweis von Schwermetallen wie Blei oder zur Bestimmung des pH-Werts von Bodenproben verwendet und können Ergebnisse in 15 Sekunden oder weniger liefern und können bis zu vier Monate lang wiederholt verwendet werden, ohne dass sich die Qualität verschlechtert.

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