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2018
Conference Paper
Title
Selektive Quantifizierung von Schwefelverbindungen mit MOS-Sensoren
Other Title
Selective quantification of sulfur compounds using MOS sensors
Abstract
Während der temperaturzyklische Betrieb (TCO) bisher primär zur Verbesserung der Selektivität eingesetzt wurde, soll im Rahmen dieser Studie die Quantifizierung speziell von H2S im Konzentrationsbereich von 50-400 ppb untersucht werden. Der Metalloxid-Gassensor wird dabei zunächst 5 s bei 450 °C betrieben, gefolgt von 20 s bei 150 °C. Aus der Steigung des logarithmierten Leitwerts über die Zeit und der Bandverbiegung des Sensors für ein einfaches Korngrenzenmodell lässt sich die Ratenkonstante kgas für die differentielle Reduktion der Sensoroberfläche (DSR) bestimmen. Über diese Ratenkonstante ist es möglich, die H2S Konzentration unabhängig von häufig auftretenden Störgasen wie H2 und CH4 zu bestimmen. Eine Veränderung der H2 und CH4 Konzentration verursacht eine starke Änderung des Leitwerts über den gesamten Temperaturzyklus. Außerdem führt eine dauerhafte Exposition großer Konzentrationen reduzierender Gase wie CH4 zu einer Drift des Leitwerts. Die Ratenkonstante bei 150 °C ist davon allerdings nicht betroffen. Eine Quantifizierung über den Leitwert direkt (Wert am Ende der 150 °C-Stufe) ist aufgrund der verschiedenen Drifteffekte wenig erfolgversprechend. Die berechnete Ratenkonstante erlaubt dagegen eine lineare Quantifizierung von H2S im betrachteten Konzentrationsbereich unabhängig von der CH4- und H2-Hintergrundkonzentration.
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While temperature cycled operation (TCO) was primarily used to enhance the selectivity, we have now studied its potential for quantification especially for H2S in the concentration range from 50 to 400 ppb. The metal oxide semiconductor (MOS) gas sensor is heated to 450 °C for 5 s followed by 20 s at 150 °C. From the slope of the logarithmic sensor conductance and the height of the energy barrier based on a simple grain boundary model the rate constant kgas for the differential surface reduction (DSR) can be calculated. With this rate constant the H2S concentration can be determined independent from common interfering gases like H2 und CH4. A change in H2 or CH4 concentration causes a conductance shift over the full temperature cycle. Furthermore, long-term exposure to high concentrations of these gases leads to a sensor drift. The rate constant at 150 °C is not affected by this. A quantification based directly on the conductance (i.e. value at the end of the 150 °C phase) is not possible because of various drift effects. The calculated rate constant, on the other hand, allows a linear quantification of H2S in the ppb range independent from H2 and CH4 concentrations.
Conference