Array aus acht Gassensoren MEMS-Sensoren überwachen die Qualität von Raumluft

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Bei einem Niedrigenergiehaus ist der Luftaustausch unterbunden. Für entsprechende Zufuhr von Frischluft müssen verschiedene Gase detektiert werden. Hier helfen MEMS-gefertigte Gassensoren, die von einem Interface von „LabVIEW for Arduino“ aufgenommen werden.

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MEMS-Sensoren überwachen Raumluft: Bei einem Niedrigenergiehaus ist der Luftaustausch unterbunden. Um die Zufuhr von Frischluft zu regeln, müssen Gase detektiert und Konzentrationen gemessen werden.
MEMS-Sensoren überwachen Raumluft: Bei einem Niedrigenergiehaus ist der Luftaustausch unterbunden. Um die Zufuhr von Frischluft zu regeln, müssen Gase detektiert und Konzentrationen gemessen werden.
(Bild: Erwin Wodicka - wodicka@aon.at)

Im Zuge der Energiewende geht der Trend in der Bauwirtschaft hin zum sogenannten Niedrigenergiehaus, sowohl im privaten als auch im öffentlichen Sektor. Ein Teil der Energieeinsparung wird hier durch eine entsprechende Dämmung erzielt, was wiederum zu einer erhöhten Dichtigkeit gegenüber der Umgebungsluft führt. Der somit unterbundene Luftaustausch führt beispielsweise zu einem Anstieg der Konzentration von CO2 im Haus. Um die Zuführung von Frischluft entsprechend regeln zu können, müssen Gase detektiert und Konzentrationen gemessen werden. Die Gasmessung mit MEMS-Sensoren bietet hier einen vielversprechenden Ansatz.

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Zur kontinuierlichen Überwachung der Luftqualität vor Ort können MEMS-gefertigte Gassensoren [1] als empfindliche Sensoren eingesetzt werden. Dabei liegt das Interesse primär auf der schnellen Reaktion und weniger auf der genauen Analyse der Einzelbestandteile des Probengemischs. Ein gravierender Nachteil dieser Halbleiter-Gassensoren ist jedoch ihre geringe Selektivität auf einzelne Gase. Hier kann durch Kombination mehrerer ähnlich reagierender Sensoren und einer alternativen Auswertung ihrer Signale ein charakteristisches „Duftbild“ einer Probe aufgenommen und durch Vergleich mit erlernten Duftbildern identifiziert werden [2].

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LabVIEW-Interface zu Embedded-Plattformen

Mit LINX im LabVIEW MakerHub ist es Entwicklern möglich, eine Schnittstelle zu gängigen Embedded-Plattformen zu etablieren. Dazu gehören chipKIT, Arduino und NI myRIO sowie häufig genutzte Sensoren, darunter Beschleunigungsmesser, Temperatursensoren und Ultraschall-Abstandssensoren. Sobald die gewünschten Daten in LabVIEW geladen sind, können Anwender diese mit verschiedenen integrierten LabVIEW-Bibliotheken analysieren, Algorithmen zur Steuerung unterstützter Hardware entwickeln sowie die Ergebnisse auf einer ausgefeilten Benutzeroberfläche darstellen. Außerdem bietet LINX eine Firmware für bekannte Embedded-Plattformen, die als I/O-Engine dienen und ist über eine serielle, USB- oder Ethernet-Anbindung als Schnittstelle zu LabVIEW-VI.

Acht Sensoren analysieren das Luftgemisch

Um die entsprechenden Daten aufnehmen zu können, wird ein Array von insgesamt acht Gassensoren, einem Temperatur- und Luftfeuchtesensor sowie drei Drucksensoren in einem Manifold eingebaut, durch das ein Luftgemisch unter kontrollierten Bedingungen eingezogen und analysiert werden kann (Bild 1) [3]. Die Daten werden mithilfe des Interface von LabVIEW for Arduino aufgenommen (Kasten), ebenso die Steuersignale für die Vakuumpumpe und die Ein-/Auslassventile generiert.

Der Arduino wird per USB mit einem Rechner verbunden. Die Datenaufnahme und -darstellung sowie die Steuerung übernimmt LabVIEW. Die Messdaten werden anschließend in einen achtdimensionalen Vektor übertragen (Bild 2), der im zeitlichen Verlauf ein wiederholbares Muster erzeugt, dessen Form mit früher aufgenommenen Kurven verglichen und auf Ähnlichkeit untersucht werden kann [4].

Der gewählte vektorielle Ansatz erlaubt unter Laborbedingungen eine Unterscheidung einzelner Gase. Eine beliebig scharfe Trennung für alle in der Datenbasis vorhandenen Gase ist derzeit aber noch nicht möglich. Aktuell wird diese Arbeit fortgesetzt mit dem Ziel, den Hardwareaufbau auf die myRIO-Plattform zu übertragen und somit eine flexiblere Messung vor Ort zu ermöglichen.

Der Beitrag ist dem Kongressband „Virtuelle Instrumente in der Praxis 2015“ entnommen. Autoren des Beitrages sind Marc Schriefers, Lasse Wagner, Jost Göttert, Tobias Kaltenecker und Georg Toszkowski vom Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein – University of Applied Sciences, Krefeld.

Literatur

[1] SGX Sensortech: The MiCS-6814 is a compact MOS sensor with three fully independent sensing elements on one package. SGX Sensortech, CH-2035, Corcelles-Cormondrèche.

[2] P. Boeker:;Elektronische Nasen: das methodische Konzept und seine Problematik, Teil 1 und 2. In: Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 70, 2010.

[3] L. Wagner: Grundlegende Untersuchungen zu einem autonomen Sensormodul für die Luftüberwachung. Masterarbeit Hochschule Niederrhein, Krefeld, 2014.

[4] M. Schriefers: Vektorbasierte Auswertung von Gassensor-Arrays. Bachelorarbeit Hochschule Niederrhein, Krefeld, 2015.

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