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Gassensor

Wie Metalloxid-, elektrochemische und NDIR-Gassensoren funktionieren, was sie wirklich messen und worauf du bei Heizung, Einbrennzeit und Kalibrierung achtest.

7 Min. LesezeitGassensorMetalloxid-GassensorMOXMQ-2

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.

Schnittbild eines Metalloxid-Gassensors: Keramikröhrchen mit Heizwendel innen und Zinnoxidschicht außen, Edelstahl-Schutzgitter darüber
Metalloxid-Sensor: Die Heizwendel im Röhrchen bringt die Zinnoxidschicht auf Betriebstemperatur.

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.

NDIR-Prinzip: Infrarotquelle, Messkammer mit CO2-Molekülen und Gaseinlass, optischer Filter 4,26 µm und Detektor
NDIR: Je mehr CO₂ in der Kammer, desto weniger Infrarotlicht erreicht den Detektor.

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

TypPrinzipGaseKennwerte, typisch
MQ-2, MQ-135 (Hanwei)MOX, Röhrchenbrennbare Gase bzw. LuftqualitätHeizung 5 V / 33 Ω, unter 800 mW; über 24 h Einbrennen
SGP41 (Sensirion)MOX, ChipVOC, NOx als Indexca. 3 mA bei 3,3 V, I²C
BME688 (Bosch)MOX, Chip mit Feuchte, Druck, TemperaturVOC, GasprofileHeizung getaktet, I²C/SPI
CO-ZelleelektrochemischKohlenmonoxid0 … 1000 ppm, nA/ppm, Lebensdauer ca. 5–10 Jahre
SCD41 (Sensirion)photoakustisch NDIRCO₂400 … 5000 ppm, ±(50 ppm + 2,5 %) bis 1000 ppm

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 RS bildet mit einem Lastwiderstand RL einen Spannungsteiler. Am Mittelpunkt misst der ADC:

UA = UC · RLRS + RL ⇒ RS = RL · UC − UAUA
MOX-Gassensor-Schaltung: Heizwiderstand zwischen 5 V und Masse, Sensorwiderstand von 5 V über Lastwiderstand 10 kΩ nach Masse, Mittelpunkt zum ADC
Heizung und Messkreis sind getrennt; der Lastwiderstand macht aus dem Sensorwiderstand eine Spannung.

Das Datenblatt zeigt keine absoluten Widerstände, sondern das Verhältnis RS / 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:

Rechner

Laufzeit von Akku und USV

Gespeicherte Energie
86,4 Wh
Nutzbar
58,8 Wh
Laufzeit
59 min
Akku7,2 Ah · 12 V = 86,4 Wh58,8 Whnutzbar 58,8 WhWandlerverlust (85 %) 10,4 WhReserve (80 % genutzt) 17,3 WhP = 60 WLast60 WLaufzeit59 min

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.
Gassensoren: MOX-Röhrchensensor mit Edelstahlgitter, winziger MOX-Chip, runde elektrochemische Zelle und NDIR-CO2-Modul
Vom Metalloxid-Röhrchen bis zum NDIR-Modul – jedes Prinzip sieht anders aus.

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

Warum sinkt der Widerstand eines Zinnoxid-Sensors, wenn Alkoholdampf in die Luft kommt?

Das Gas reagiert mit dem an der Oberfläche gebundenen Sauerstoff; dabei werden Elektronen frei, die Leitfähigkeit steigt.

Kann ein MOX-Sensor CO₂ messen?

Nein, CO₂ reagiert nicht an der Oberfläche. „eCO₂“-Werte sind Schätzungen aus VOC; echtes CO₂ misst ein NDIR- oder photoakustischer Sensor.

Ein MOX-Sensor mit RL = 10 kΩ an 5 V liefert 2,5 V. Wie groß ist RS?

RS = 10 kΩ · (5 V − 2,5 V) / 2,5 V = 10 kΩ.

Wie viel Strom zieht die Heizung eines MQ-2 mit 33 Ω an 5 V?

5 V / 33 Ω ≈ 152 mA.

Wie viele ppm sind 0,1 Volumenprozent?

1000 ppm.