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Künstliche Nase erkennt schädliche Gase in der Luft

| Autor / Redakteur: Eduard Schäfer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Messen und auswerten unterschiedlicher Gase ist in vielen Umgebungen teilweise lebensnotwendig. Eine Art künstliche Nase kann über einen Metalloxidsensor unterschiedliche organische und anorganische Verbindungen selektieren.

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Gasanalyse: Ein Metalloxidsensor detektiert unterschiedliche anorganische und organische gasförmige Verbindungen. Entstanden ist ein virtuelles multifunktionales Gassensor-Array.
Gasanalyse: Ein Metalloxidsensor detektiert unterschiedliche anorganische und organische gasförmige Verbindungen. Entstanden ist ein virtuelles multifunktionales Gassensor-Array.
(Bild: Unitronic)

Zu den bekannten Gasen zählen Sauerstoff, Helium, Wasserstoff oder Propan. Daneben gibt es komplexe Gasgemische: Zigarettenrauch, Alkoholdämpfe oder unterschiedliche Gase, die bei Bränden entstehen. Im Gefahrenfall erfordert jedes Gas eine spezielle Reaktion. So müssen bei einem Brand die Fenster fest geschlossen werden, um dem Feuer durch Sauerstoff keine zusätzliche Nahrung zu geben.

Aus Gasleitungen austretendes Gas erfordert als Sofortmaßname dagegen, alle Fenster möglichst weit zu öffnen, um das ausströmende Gas zu neutralisieren.

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Um ein bestimmtes Gas zu messen und auszuwerten, hilft ein Gassensor: Es ist einerseits ein leistungsfähiges Bauelement und gleichzeitig auch eine extrem komplexe Komponente. Oft erreichen Gassensoren erst durch aufwendigere Beschaltungen ihr wahres Leistungspotenzial. Bekannte Konzepte verwenden beispielsweise sogenannte Sensor-Arrays, die bei Messungen gleichzeitig eingesetzt werden. Dabei generiert jeder Sensor für alle Gase einen individuellen Messwert.

Diese verschiedenen Messwerte erzeugen einen charakteristischen Gasabdruck für die jeweilige Gasart. Auf diese Weise entstehen Muster für die unterschiedlichsten Gastypen. Ähnlich einer Fingerabdruckkartei lassen sich die Werte in einer Bibliothek hinterlegen und bei Bedarf auf Übereinstimmung vergleichen. Der Nachteil an der physikalischen Array-Technik: Die einzelnen Sensoren reagieren unterschiedlich auf Veränderungen der Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Gaskonzentration sowie deren Langzeitdriftverhalten. Daraus resultieren nicht selten Verfälschungen, weshalb Sensor-Arrays häufig neu kalibriert werden müssen. Der Wartungsaufwand und die Kosten dafür sind hoch. Hinzu kommt noch der beachtliche Energieverbrauch der Mehrfachsensorsysteme.

Ein virtuelles Sensor-Array erkennt Gase

Die Entwickler von Unitronic wollten dem herkömmlichen Verfahren eine modernere Alternative entgegensetzen. Entstanden ist ein virtuelles multifunktionales Gassensor-Array, kurz VGSA. Es verwendet lediglich einen einzigen, kostengünstigen Miniatur-Gassensor auf Basis eines oxidischen Halbleiters. Zusammen mit einer ausgeklügelten Auswertung, die verschiedenen Gase voneinander unterscheiden kann. Im Vergleich zu den bislang verwendeten physikalischen Sensor-Arrays ist das Messmodul im Dauereinsatz extrem stabil.

Ein weiteres Argument für den Sensor ist der günstigere Preis. Die Art des Gases ermittelt der Sensor anhand der gasinduzierten Verzerrung periodischer Temperatursprünge. So haben Halbleitersensoren die Eigenschaft, bei Temperaturschwankungen unterschiedlich empfindlich auf Gase zu reagieren. Um die Messgenauigkeit zu steigern, verwendet der USM-VGSA eine intelligente Temperierung, da es für jedes Gas eine optimale Temperaturumgebung gibt, die optimale Messergebnisse liefert. Zusätzlich zu der Temperaturmodulation wertet das Modul die komplexe Leitfähigkeit (Impedanz) des Sensors aus, die ein Gas hervorruft. Allgemein üblich war bei der Signalverarbeitung bisher lediglich die Auswertung des ohmschen Widerstandes eines Sensors.

Die errechneten Signale sind frei von Einflüssen wie Luftfeuchte, Drift des Absolutwertes und des Memory-Effekts. Das Modul nutzt ein spezielles, hochempfindliches Auswertungsverfahren mit Algorithmen und Techniken. Das VGSA erzeugt mithilfe eines einzelnen Halbleitersensors mehrere einzelne Sensorsignale und entspricht einem virtuellen Sensorarray. Die gewonnenen Sensorparameter enthalten komplexe gastypische und langzeitstabile Muster, die eine Art Fingerabdruck für jedes Gas darstellen.

Auswertegrafiken unterstützen bei der Analyse von Gasen

Aufgrund der kombinierten komplexen Auswertung sowie der Temperaturmodulation entsteht durch den Einsatz des Sensors eine neue Form der Auswertegrafiken. Normalerweise lässt sich das Verhältnis zwischen Sensorsignal und Gaskonzentration in einem Doppel-logarithmischen Diagramm (Bild 1) anschaulich darstellen. Allerdings sind keine qualitativen Aussagen zur Gasart möglich. Sie erfolgen schematisch durch die Analyse des USM-VGSAs (Bild 2).

Das virtuelle Sensor-Array innerhalb der Unitronic-Komponente ist eine Art dritte Dimension, die in der Regel aus 48 Werten besteht. Es lassen sich weniger oder mehr virtuelle Sensoren verwenden. Die ermittelten Werte sind auf der Z-Achse als Absolutwerte zwar variabel, im Verhältnis zueinander aber stabil. Die Funktion der künstlichen Nase basiert auf bestimmte Aspekte. Und jeder der Aspekte wirkt sich aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung unterschiedlich auf das Sensorelement aus. Wie die Gase in die sensitive Wirkschicht des Sensors eindringen, ist bei jedem Gas anders. Für die Ermittlung relevanter Ergebnisse wertet der VGSA 48 unterschiedliche Sensor-Einflussgrößen aus und extrahiert sie aus der Sensorschicht. So entsteht ein virtuelles 48-Sensoren-Array.

Für jedes Gas wird ein Fingerabdruck erstellt

Die 48 Messwerte sind gasspezifisch, wodurch für jedes Gas eine Art Fingerabdruck entsteht. Die typischen Daten der jeweiligen Gase werden nicht durch Quereinflüsse wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Gaskonzentration beeinflusst. Werte, die der Sensor ermittelt, werden in einer Kartei gespeichert.

Sie stehen bei einer Messung jederzeit als Vergleichswert zur Verfügung. Wird dem System während eines Analyseverfahrens ein unbekanntes Gas oder Gasgemisch angeboten, vergleicht es die Merkmale mit den Daten der abgespeicherten Karteien. Ist das gesuchte Gas in der gespeicherten Kartei vorhanden, wird es problemlos identifiziert. Bei Bedarf kann das System sich jederzeit eigenständig nachjustieren, weshalb eine kostenaufwendige, manuelle Nullluft-Nachkalibrierung mit dem virtuellen Sensor-Array nicht mehr notwendig ist.

Ergänzendes zum Thema
Einsatz der Gassensoren
  • Brandmeldeanlagen zur Detektion von Frühbranderkennung. Das Analyseverfahren erkennt, welches Material brennt und erfasst unterschiedliche Brandarten.
  • Gas-Alarm-Detektoren: Mit ihnen lässt sich explizit erkennen und erfassen, welches Gas genau in einer Umgebung vorhanden ist. Verschiedene Gase haben unterschiedliche Explosionsgrenzen. Konzentrationen, die bei einem Gas als unkritisch gelten, können in der gleichen Konzentration bei einem anderen Gas die Bildung eines explosiven Gemisches verursachen. Bei herkömmlichen Messmethoden können auch Reinigungsmittel wie Alkohol oder Lösungsmittel einen Falschalarm auslösen, wenn sie im gleichen Raum eingesetzt werden. Eine genauere Gasanalyse kann solche Fehlalarme verhindern.
  • Gasanalyse, um größere Schäden bei industriellen Anlagen vorzubeugen: Sensorik hilft, gezielt nach bestimmten Stoffen zu suchen, die vor einem unmittelbarem Total-Crash ausgedünstet werden.
  • Weiße Ware: In Haushaltsgeräten werden die Gassensoren eingesetzt, um die Luftqualität zu erfassen. Hier treten häufig Schwierigkeiten in Bezug auf die Querempfindlichkeiten zur Luftfeuchtigkeit und Temperatur auf. Das Unitronic-Analyseverfahren wirkt diesem Problem ohne zusätzliche teure Sensoren zwecks Kompensation entgegen.
  • Filteranlagenhersteller von industriellen Filteranlagen können davon profitieren, indem ganz gezielt die Gase hinter dem Filter analysiert werden, um den Durchbruch des Filters rechtzeitig zu erkennen.

* Eduard Schäfer ist Abteilungsleiter Sensoren bei Unitronic in Düsseldorf.

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