Gassensor

Der Rauchmelder an der Decke, der CO-Warner neben der Gastherme, die CO₂-Ampel im Klassenzimmer, die Lüftungsanlage, die nach Luftqualität regelt, und der Alkoholtester: Alle messen Gase. Anders als bei Temperatur oder Druck gibt es dafür kein universelles Prinzip – jedes Gas und jede Genauigkeitsanforderung hat ihren eigenen Sensortyp. Wer einen Gassensor auswählt, sollte deshalb zuerst wissen, was der Sensor eigentlich misst und was er nur schätzt.

Die drei wichtigsten Prinzipien

Metalloxid-Sensor (MOX)

Der Klassiker in Bastelprojekten und Luftqualitätsmeldern. Eine poröse Schicht aus Zinnoxid (SnO₂) oder einem anderen Metalloxid liegt auf einem Keramikträger und wird von einer eingebauten Heizung auf 200 bis 400 °C gebracht. Zinnoxid ist ein n-leitender Halbleiter. In sauberer Luft binden Sauerstoffmoleküle an der Oberfläche freie Elektronen; die Schicht ist hochohmig. Kommen reduzierende Gase wie Methan, Alkohol, Kohlenmonoxid oder organische Dämpfe (VOC) hinzu, reagieren sie mit dem gebundenen Sauerstoff. Die Elektronen werden frei, der Widerstand sinkt – je mehr Gas, desto stärker. Die Chemie dahinter beschreibt Chemie-Grundlagen.

MOX-Sensoren sind billig, empfindlich und langlebig, aber nicht selektiv: Sie reagieren auf fast alles, was oxidiert werden kann, und zusätzlich auf Feuchte und Temperatur. Die Bezeichnung „für Methan“ oder „für Alkohol“ heißt nur, dass sie dort besonders empfindlich sind.

Elektrochemische Zelle

Für giftige Gase wie Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffdioxid oder für Sauerstoff nimmt man elektrochemische Zellen. Das Gas diffundiert durch eine Membran zu einer Elektrode und wird dort umgesetzt; dabei fließt ein Strom, der proportional zur Konzentration ist – typisch einige Nanoampere je ppm. Die Zellen sind selektiv und brauchen fast keine Energie, leben aber nur zwei bis zehn Jahre und brauchen eine spezielle Messschaltung (Potentiostat), die den Strom in eine Spannung umsetzt.

NDIR und Photoakustik für CO₂

Kohlendioxid ist chemisch träge; ein MOX-Sensor sieht es nicht. CO₂ absorbiert aber Infrarotlicht bei 4,26 µm sehr stark. Ein NDIR-Sensor (nichtdispersiv infrarot) schickt Licht einer Infrarotquelle durch eine kleine Messkammer zu einem Detektor mit einem Filter für genau diese Wellenlänge. Je mehr CO₂ in der Kammer, desto weniger Licht kommt an. Als Detektor dient eine Thermosäule oder ein pyroelektrischer Sensor. Photoakustische Sensoren wie der Sensirion SCD41 messen stattdessen den winzigen Druckimpuls, den das Gas beim Absorbieren gepulsten Lichts erzeugt, mit einem Mikrofon – so wird der Sensor viel kleiner.

Schaltzeichen

Für Gassensoren gibt es kein einheitliches Schaltzeichen. MOX-Sensoren zeichnest du als zwei Teile: einen Heizwiderstand (Anschlüsse H) und den gasempfindlichen Widerstand (Anschlüsse A und B). Digitale Sensoren erscheinen als IC-Rechteck. Mehr unter Schaltzeichen.

Kennwerte und Typen

Konzentrationen werden in ppm (parts per million) angegeben: 1 % = 10 000 ppm. Außenluft enthält heute rund 420 ppm CO₂; ab etwa 1000 ppm in Innenräumen empfiehlt sich Lüften.

Messschaltung beim MOX-Sensor

Der Sensorwiderstand R_S bildet mit einem Lastwiderstand R_L einen Spannungsteiler. Am Mittelpunkt misst der ADC:

Das Datenblatt zeigt keine absoluten Widerstände, sondern das Verhältnis R_S / R₀ – R₀ ist der Widerstand in sauberer Luft oder bei einer Referenzkonzentration. Die Kurven sind doppeltlogarithmisch aufgetragen und verlaufen dort ungefähr gerade; über Logarithmus liest du daraus eine Potenzfunktion ab.

Wie lange dein Akku tatsächlich hält, rechnest du hier nach:

Bauformen

• MOX-Röhrchen mit Edelstahlgitter: die bekannten MQ-Sensoren mit sechs Beinen, oft auf Modulen mit Trimmer und Komparator.
• MOX-Chips in DFN- oder LGA-Gehäusen mit Mikroheizer auf einer dünnen Membran. Sie heizen in Millisekunden und brauchen nur Milliwatt.
• Elektrochemische Zellen: runde Kunststoffgehäuse mit Membran oben und zwei oder drei Stiften.
• NDIR-Module mit Messkammer, Lampe und Auswertung, dazu photoakustische Sensoren in kleinen SMD-Gehäusen.

Auswahl und Praxistipps

Frage dich zuerst: Brauchst du eine echte Konzentration eines bestimmten Gases (dann elektrochemisch oder NDIR) oder nur einen Trend „Luft wird schlechter“ (dann MOX)? Für Sicherheitsfunktionen wie CO-Warnung nimmst du zertifizierte Geräte – ein selbst gebauter Melder ersetzt keinen geprüften.

Häufige Fehler:

• Einbrennzeit ignoriert: Neue MOX-Röhrchen brauchen 24 bis 48 Stunden Heizen, bis ihr Wert stabil ist, und nach jedem Einschalten einige Minuten Aufwärmzeit.
• Heizstrom unterschätzt: 150 mA pro MQ-Sensor überlasten schwache Spannungsregler und USB-Ports, besonders mit mehreren Sensoren. Rechne die Leistung des Reglers nach.
• Ausgang direkt an 3,3-V-Mikrocontroller: Viele MQ-Module laufen an 5 V und liefern bis zu 5 V am Analogausgang. Ein Spannungsteiler oder ein kleinerer Lastwiderstand schützt den ADC.
• Feuchte und Temperatur nicht berücksichtigt: MOX-Werte ändern sich stark mit der Luftfeuchte. Ein Feuchtesensor daneben erlaubt eine Korrektur, die digitale Chips teils intern vornehmen.
• Silikone und Lösemittel: Silikondämpfe aus Dichtmassen vergiften MOX-Schichten dauerhaft.
• CO₂-Sensor nie kalibriert: NDIR-Sensoren driften. Die automatische Kalibrierung nimmt an, dass der Sensor regelmäßig Frischluft mit rund 420 ppm sieht – in einem nie gelüfteten Keller geht das schief.

Selbsttest