Die Dos und Don'ts bei VOC-Sensoren

Robin Mitchell für Mouser Electronics

Der Ausdruck Flüchtigkeit (Volatilität) wird häufig verwendet, um etwas als empfindlich, gefährlich oder explosiv zu beschreiben; seine wissenschaftliche Definition unterscheidet sich jedoch durchaus von diesen Bezeichnungen. Wissenschaftlich betrachtet bezieht sich Flüchtigkeit (Volatilität) auf Substanzen, deren hoher Dampfdruck dazu führt, dass sie rasch von festen bzw. flüssigen in gasförmige Aggregatzustände übergehen. Die Flüchtigkeit von Verbindungen bezieht sich auf eine Umgebung bei Raumtemperatur und herkömmlichen Druck auf Höhe des Meeresspiegels. Dementsprechend gelten alle organischen Verbindungen, die über einen hohen Druck verfügen, als flüchtige organische Verbindungen (VOCs).

Obwohl sich der Ausdruck Flüchtigkeit nicht notwendigerweise auf Spreng- bzw. Brennstoffe bezieht, sind die meisten VOCs entflammbar. Zudem können viele dieser Verbindungen in geringen Konzentrationen explosiv sein. Aus diesem Grund stellt die Empfindlichkeit von VOCs die Ingenieure in Umgebungen, die einer Zündquelle ausgesetzt sind, vor große Herausforderungen, da VOCs durch elektrische Kontakte, Schalter und sogar durch statische Elektrizität, die durch Kleidung verursacht wird, entzündet werden können.

VOCs kommen sowohl in der Natur als auch in industriellen Verfahren häufig vor. Beispiele hierfür sind Schwefelwasserstoff bei der Ölproduktion und Ethanol (Alkohol) bei der natürlichen Gärung (allerdings werden die von Ethanol ausgehenden Risiken im Allgemeinen bei der Destillation und nicht bei der natürlichen Gärung eingeführt).

Zudem können VOCs aus synthetischen Quellen gewonnen werden und kommen aufgrund ihres hohen Gasdrucks häufig als Kühlmittel zum Einsatz. Durch Verdichten, Kühlen und anschließendes Verdampfen von VOCs lassen sich niedrige Temperaturen erzeugen, weshalb sich flüchtige organische Verbindungen beispielsweise für die Verwendung in Wärmepumpen eignen.

Zahlreiche unterschiedliche Sensoren stehen für die Messung von VOCs zur Verfügung und jede einzelne Technologie ist mit ganz bestimmten Vor- und Nachteilen verbunden. Bei der Implementierung von VOC-Sensortechnologien müssen sowohl die Umgebung, in der sie eingesetzt werden, als auch die Art des Herstellungsprozesses berücksichtigt werden.

Typische Applikationen für VOC-Sensoren

Eine der kritischsten Applikationen für VOC-Sensoren ist die Überwachung explosiver Gase. Eine Umgebung, in der sich VOCs ansammeln können, erfordert immer ein Gasdetektionssystem, das alle Personen in der Nähe warnt. So sind beispielsweise bei der Öl- und Gasförderung Gaswarnsysteme erforderlich, da die Freisetzung von Schwefelwasserstoff für die Arbeiter tödlich sein kann (entweder durch eine Explosion oder eine Vergiftung). VOC-Sensoren sind ebenfalls hilfreich bei der Erkennung von Gaslecks. Wenn ein VOC-Sensor an einer tragbaren Sonde oder einem persönlichen Wearable angebracht ist, kann er Ingenieuren helfen, die potenzielle Quelle eines Lecks zu identifizieren.

Das Vorhandensein von VOCs wirkt sich auch auf die Luftqualität aus, insbesondere in Gebäuden. Gebäudemanager können VOC-Sensoren in Systeme zur Überwachung der Luftqualität einbauen, bei denen die Ansammlung wichtiger VOCs auf eine schlechte Luftqualität hinweisen kann. Ein solches System kann dann mit der Klimaanlage eines Gebäudes verbunden werden und Frischluft einpumpen.

Abschließend sind VOC-Sensoren unerlässlich, um Fahrzeugabgase zu überwachen. Ein Fahrzeug, das seinen Kraftstoff richtig verbrennt, erzeugt nur Kohlendioxid und Wasser, aber ein Motor, der nicht optimal arbeitet, erzeugt (unter anderem) VOCs. Prüfeinrichtungen können einen VOC-Sensor verwenden, um die Leistung und Effizienz eines Motors zu überprüfen.

Herausforderungen bei der Verwendung von Sensortechnologie zur Messung von VOCs

Wie bereits erwähnt, können flüchtige organische Verbindungen ein erhebliches Explosions- oder Brandrisiko darstellen; daher muss jeder Sensor, der zur Messung einer flüchtigen organischen Verbindung verwendet wird, dies ohne Entzündung der flüchtigen Verbindung tun. Sensoren, die elektrische Komponenten VOCs aussetzen, können unter Fehlerbedingungen einen Funken erzeugen, der die VOCs entzünden könnte. Daher müssen direkte Messmethoden, bei denen Leiter freiliegen, entweder Feuerschutzvorrichtungen enthalten (d. h. Systeme, die verhindern, dass ein entzündetes Gemisch einen Kaskadeneffekt verursacht) oder sicherstellen, dass sich zwischen den Leitern keine Funken bilden können.

Darüber hinaus ist die Erkennung von VOCs in niedrigen Konzentrationen schwierig, da sie gefährlich sein können. Der Versuch, eine Verbindung in Konzentrationen von nur einem Teil pro Million (ppm) nachzuweisen, stellt einen Sensor vor eine Vielzahl von Herausforderungen. VOCs sind außerdem sehr reaktiv, was bedeutet, dass der Versuch, eine bestimmte VOC zu erkennen, schwierig ist, wenn der betreffende Sensor eine chemische Bindung verwendet (d. h. ein Sensor würde nur das Vorhandensein einer VOC erkennen, nicht aber, welche VOC vorhanden ist).

Arten von VOC-Sensoren

Metalloxid-Halbleitersensoren
Zu den gängigsten Gassensoren auf dem Markt zählen Metalloxid-Halbleiter-Gassensoren (Metal Oxide Semiconductors, MOS), die eine direkte Messmethode verwenden, bei der die zu detektierenden Gase in physischen Kontakt mit dem Sensormaterial kommen. Zum Nachweis von VOCs verwenden MOS-Sensoren ein kleines Heizelement, das die VOC oxidiert. Diese oxidierte Verbindung reagiert dann mit einer Metalloxidschicht (in der Regel Zinnoxid), wodurch sich der Widerstand der Schicht ändert.

Während es sich dabei häufig um die günstigsten und am einfachsten zu implementierenden Sensoren handelt, sind sie mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Das kleine Heizelement von MOS-Sensoren braucht Zeit, um sich zu erwärmen und einsatzbereit zu sein; dementsprechend können sie auch nicht in rascher Abfolge ein- und ausgeschaltet werden. Darüber hinaus benötigen diese Sensoren mitunter Einschwingzeiten von bis zu 48 Stunden, bevor sie kalibriert werden können, was in Verbindung mit Fertigerzeugnissen zu Problemen führen kann.

Da MOS-Sensoren mit organischen und anorganischen Verbindungen reagieren, bieten sie wenig bis gar keine Unterscheidung (d. h., sie erkennen das Vorhandensein aller flüchtigen Verbindungen), was zu einer geringen Genauigkeit und Empfindlichkeit führt. Darüber hinaus stellt die Verwendung einer eingebauten Heizung zur Oxidation von VOCs ein Entzündungsrisiko dar. Obwohl viele MOS-Sensoren mit Käfigen ausgestattet sind, um eine Entzündung zu verhindern, können beschädigte MOS-Sensoren in Umgebungen, in denen häufig VOC-Lecks auftreten, extrem gefährlich sein.

Photoionisationsdetektor-Sensoren
Photoionisationsdetektor (Photoionization detection, PID)-Sensoren verwenden hochfrequentes Licht, um VOC-Moleküle aufzuspalten, die daraufhin messbaren elektrischen Strom freisetzen. PID-Sensoren bieten ein hohes Maß an Genauigkeit, sind empfindlich für Konzentrationen von nur 0,5 Teilen pro Milliarde (ppb) und reagieren innerhalb von Sekunden auf Konzentrationsänderungen.

Selektivität bei PIDs kann teilweise durch die Verwendung einer bestimmten Lichtfrequenz erreicht werden, die jedem Molekül eine bekannte Energiemenge zuführt. Dies wird durch die Plancksche Beziehung (E=hf) definiert, die besagt, dass die Energie einer elektromagnetischen Welle direkt mit ihrer Frequenz zusammenhängt. Da bestimmte flüchtige organische Verbindungen bestimmte Aktivierungsenergien haben, ignoriert ein PID-Sensor flüchtige organische Verbindungen unterhalb einer bestimmten Energie, reagiert aber auf solche oberhalb dieser Grenze.

In feuchten Umgebungen kann die Verwendung von PIDs jedoch mitunter eingeschränkt sein; zudem sind ihre Anwendungsbereiche aufgrund ihrer Unfähigkeit, kleine VOC-Moleküle wie Methan zu erfassen, begrenzt. Darüber hinaus funktionieren PID-Sensoren normalerweise mit funktionellen Gruppen, jedoch nicht mit Kohlenwasserstoffketten.

Elektrochemische Sensoren
Elektrochemische Sensoren gleichen MOS-Sensoren, da auch sie flüchtige organische Verbindungen oxidieren, um elektrischen Strom zu erzeugen. Während MOS-Sensoren Gas mithilfe eines Heizelements physisch verbrennen, verwenden elektrochemische Sensoren eine Membran, um eine VOC (neben Sauerstoff) zu diffundieren und an einer Aktivierungsstelle chemisch zu kombinieren. Diese Diffusionsschicht unterbindet das Explosionsrisiko und ermöglicht dem Sensor gleichzeitig, Gehaltsgrößen bis zu 10 ppb zu bewältigen.

Elektrochemische Sensoren sind kosteneffizient und ihre Ansprechzeiten liegen bei rund 30 Sekunden. Darüber hinaus sorgt die von diesen Sensoren verwendete Basisspannung für Selektivität, was bei der Identifikation spezifischer VOCs von Vorteil sein kann. Aufgrund ihrer Bauweise beträgt ihre Lebensdauer jedoch (normalerweise) weniger als zwei Jahre und sie müssen häufig erneuert werden.       

Intelligente Sensoren
Einzelne VOC-Sensoren gehen einen Schritt weiter und beziehen künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) mit ein. Sie verwenden eigens trainierte Modelle, die erfasste Gase als Eingangsgröße heranziehen, um davon ausgehend ihre VOC-Klassifizierung durchzuführen.

Indem sie ihre Klassifizierung direkt am Sensor durchführen, liefern diese Sensoren dem System detailliertere und wertvollere Daten, die dann zur Entscheidungsfindung herangezogen werden können. Die Einbindung der Intelligenz in das System hat auch den Vorteil, dass die Rechenanforderungen vom Rest des Systems entlastet werden.

Flammenionisationsdetektor-Sensoren
Flammenionisationsdetektor (Flame ionization detection, FID)-Sensoren verwenden eine zwischen zwei Elektroden platzierte Wasserstoffflamme. Unter herkömmlichen Bedingungen setzt diese keinerlei Ionen frei, da der Wasserstoff rückstandsfrei zu Wasserdampf verbrannt wird. Von der Flamme verbrannte VOCs setzen jedoch sehr wohl Ionen frei, die mittels Elektroden erfasst werden können, und das Ausmaß des resultierenden Stroms gibt Auskunft über die Konzentration der VOC.

FIDs sind kostengünstig, erfordern nur wenige Instandhaltungsmaßnahmen und sind sehr robust, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus sind FIDs äußerst linear, da der produzierte Strom proportional zur VOC-Konzentration ist. Nichtsdestotrotz sind FIDs destruktive Sensoren, da die zu messende VOC zerstört wird. Daher können FIDs nicht verwendet werden, wenn die VOC unverändert bleiben muss. Zudem bergen sie ein Explosionsrisiko, da sie auf eine Wasserstoffquelle angewiesen sind, die bei unsachgemäßer Installation auslaufen kann.

Photoakustische Sensoren
Photoakustische Sensoren basieren auf dem photoakustischen Prinzip, demzufolge die Absorption von Licht Schallwellen freisetzt. Im Wesentlichen verwenden photoakustische Sensoren Infrarot (IR)-Strahler, um Gas schnell aufzuheizen, und die über die Absorption des IR-Lichts entstehenden Schallwellen werden mithilfe eines kleinen integrierten Mikrofons gemessen. Photoakustische Sensoren sind eher selten und werden hauptsächlich zur Erfassung von Kohlendioxid eingesetzt. Es wird jedoch daran geforscht, photoakustische Sensoren für den Einsatz in VOC-Applikationen herzustellen.

Photoakustische Sensoren haben den Vorteil, dass sie einzelne Gase unterscheiden, und zwar anhand der verschiedenen Schallwellen, die diese freisetzen. Zusätzlich führt die Verwendung einer selektiven Lichtquelle zumindest theoretisch zu weitreichenderer Selektivität, da bestimmte Gase spezifische Wellenlängen besser absorbieren als andere.

Überlegungen zur Design-Integration

Bei der Integration eines VOC-Sensors in eine Applikation müssen die Ingenieure eine Vielzahl von Designoptionen berücksichtigen. Im Gegensatz zu den meisten elektronischen Bauelementen können VOC-Sensoren außerordentlich empfindlich auf Chemikalien, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit in der Umgebung reagieren. Außerdem haben viele von ihnen eine Kunststofflasche oder -abdeckung, um eine Beschädigung des Sensors während der Herstellung zu verhindern.

Bei der Integration von VOC-Sensoren in Geräte müssen Ingenieure die Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebung berücksichtigen. Einzelne VOC-Sensoren arbeiten unzuverlässig, sobald sie hohen Temperaturen bzw. Feuchtigkeit ausgesetzt sind, was sich in Sicherheitsapplikationen verheerend auswirken kann.

Auch die in der Umwelt zu erwartenden Gase müssen berücksichtigt werden. Einige Verbindungen (z. B. Ammoniak und Stickoxide) können bei VOC-Sensoren Fehlalarme auslösen. Darüber hinaus können einige Verbindungen einen Sensor sogar vergiften, sodass er nicht mehr zuverlässig funktioniert, wenn er ihnen ausgesetzt ist.

Da VOC-Sensoren der zu überwachenden Umgebung aber zwangsläufig ausgesetzt sein müssen, sind Ingenieure gezwungen, Sensorgehäuse mit Lüftungsschlitzen auszustatten. Sensoren und Lüftungsschlitze müssen so angebracht sein, dass sie durchströmende Gase nicht behindern (d. h. Konvektion), da eingeschlossene Luft zu falschen Messergebnissen führen könnte.

Sensoren, die analoge Outputs liefern, müssen fern von störenden Schaltkreisen wie Schaltnetzteilen und Mikrocontrollern montiert werden. Außerdem dürfen analoge Leitungen, die vom Sensor zu einem Detektorschaltkreis führen, keine Hochgeschwindigkeitssignale über die Sensorleitungen leiten (siehe Standardverfahren für elektromagnetische Verträglichkeit und elektromagnetische Störungen).

Eine weitere Überlegung ist, wie das übrige System die Ausgabe des Sensors nutzen wird. Wenn die Sensorausgabe beispielsweise als Eingabe für ein ML-Klassifizierungsmodell verwendet werden soll, kann es eine gute Wahl sein, eine Lösung zu verwenden, die ML-Funktionen bereits in den Sensor selbst integriert.

Abschließend verfügen bestimmte VOC-Sensoren über Öffnungen, die es Gasen ermöglichen, zum Sensor hin- und von diesem wegzudiffundieren. Da diese Öffnungen frei von Hindernissen bleiben müssen, sollten Ingenieure penibel darauf achten, Blockaden beispielsweise durch Staub zu verhindern.

Die Auswahl des richtigen VOC-Sensors

Aufgrund ihres potenziellen (wenn auch unwahrscheinlichen) Explosionsrisikos, eigenen sich MOS-Sensoren am besten für unkritische Anwendungen. Ihre Einfachheit und geringen Kosten machen sie zu einer guten Wahl für Luftqualitätsmesssysteme für Innenräume. Außerdem sind MOS-Sensoren so klein, dass Ingenieure sie problemlos in flachen Gehäusen montieren können.

PID-Sensoren eignen sich hervorragend für industrielle Applikationen, die höchste Verlässlichkeit und Sicherheit erfordern. Dank ihrer Fähigkeit, minimale VOC-Konzentrationen wahrzunehmen, sind PID-Sensoren ideal für Frühwarnsysteme. Aufgrund ihrer energetischen Selektivität ignorieren sie sämtliche VOCs, die eine spezifische Energieschwelle unterschreiten, erfassen jedoch all jene, deren Energie bestimmte Grenzwerte erreichen bzw. diese übersteigen.

Elektrochemische Sensoren eignen sich aufgrund ihrer Diffusionsschicht insbesondere für explosionsfähige Umgebungen. Ihre Fähigkeit, geringe Konzentrationen wahrzunehmen, macht sie zudem geeignet für das Erfassen von Leckagen in Verbindung mit kritischen Infrastrukturen wie Pipelines oder Bohranlagen. Aufgrund ihrer eingeschränkten Lebensdauer müssen elektrochemische Sensoren jedoch so konstruiert sein, dass sie leicht ausgetauscht werden können.

Bestimmte Sensoren wie der KI-Gassensor BME688 von Bosch verbessern das Sensordesign, indem sie es um intelligente Fähigkeiten erweitern. Der BME688 ist der branchenweit erste Gassensor mit in den Chip integrierter KI, wodurch die Erfassung und Klassifizierung von Gasen für verbesserte applikationsspezifische Rückmeldungen möglich werden. Dieses Feature in Verbindung mit seiner hohen Empfindlichkeit, seinem geringen Stromverbrauch und seinem kleinen Footprint machen den Sensor zu einer gefragten Lösung für vernetzte Bauelemente, intelligente Zuhause und mehr.

Fazit

VOCs stellen Ingenieure vor alle möglichen Herausforderungen: Sie können mit einem Explosionsrisiko verbunden, in geringen Konzentrationen schwer zu erfassen und in unzähligen Erscheinungsformen vorhanden sein.

Auf dem Markt finden sich unzählige VOC-Sensoren – und jede Technologie ist mit ganz bestimmten Vor- und Nachteilen verbunden. MOS-Sensoren eignen sich hervorragend für kostengünstige Applikationen, bringen in feuchten Umgebungen jedoch oft nicht die volle Leistung und können ein Explosionsrisiko darstellen. PID-Sensoren bieten keine umfangreiche Selektivität, reagieren jedoch auf plötzliche Veränderungen der VOC-Werte. Elektrochemische Sensoren wiederum haben eine hervorragende Selektivität, müssen jedoch häufig erneuert werden.

Bei der Implementierung von VOC-Sensortechnologien müssen Ingenieure die Umgebung, in der die Sensoren zum Einsatz kommen, sowie die Art des Herstellungsverfahrens unter allen Umständen miteinbeziehen.