Gassensoren

Künstliche Nase erschnüffelt Gase

In vielen Umgebungen ist die Messung und Auswertung von Gasen essenziell. Dem Düsseldorfer Unternehmen Unitronic ist es gelungen, mit einer neuen Art „künstlicher Nase“ das Verfahren zu vereinfachen und die Kosten zu reduzieren. Das Sensormodul USM-VGSA (virtueller multifunktionaler Gassensor-Array) ist in der Lage, mit einem einzigen herkömmlichen Metalloxidsensor eine Vielzahl organischer und anorganischer Verbindungen selektiv zu erkennen. Damit lassen sich die Kosten für die Analyse von Luftbestandteilen deutlich reduzieren.

Das virtuelle multifunktionale Gassensor-Array (VGSA) verwendet lediglich einen einzigen, kostengünstigen Miniatur-Gassensor auf Basis eines oxidischen Halbleiters, der mithilfe einer innovativen Auswertung verschiedene Gase voneinander unterscheiden kann.

Gasförmig ist neben fest und flüssig einer der drei klassischen Aggregatzustände. Bekannte Gase sind Sauerstoff, Helium, Wasserstoff oder Propan – um nur einige zu nennen. Daneben gibt es aber auch komplexe Gasgemische, wie Zigarettenrauch, Alkoholdämpfe oder unterschiedliche Gase, die bei Bränden entstehen. Im Gefahrenfall erfordert jedes Gas eine spezielle Reaktion, damit der Schaden in Grenzen gehalten wird.

Für die Messung und Auswertung von Gasen sorgen Gassensoren. Hierbei handelt es sich einerseits um leistungsfähige Bauelemente, die ihre Aufgaben schnell und sicher erfüllen. Gleichzeitig sind es aber auch extrem komplexe Komponenten. Oft erreichen diese 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 somit einen charakteristischen Gasabdruck für die jeweilige Gasart, der dem Modul in einem Teach-in-Prozess beigebracht wird. Auf diese Weise entstehen einzigartige Muster für die unterschiedlichsten Gastypen. Ähnlich einer Fingerabdruckkartei lassen sich diese Werte in einer Bibliothek hinterlegen und bei Bedarf auf Übereinstimmung vergleichen.

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Der Nachteil an dieser physikalischen Array-Technologie: Die einzelnen Sensoren reagieren unterschiedlich auf Veränderungen der Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Gaskonzentration sowie deren Langzeit-Driftverhalten. Daraus resultieren nicht selten Verfälschungen, weshalb Sensor-Arrays häufig neu kalibriert werden müssen. Der Wartungsaufwand und die Kosten dafür sind hoch. Hinzu kommt gegebenenfalls noch der beachtliche Stromverbrauch dieser Mehrfach-Sensorsysteme.

Virtuelles Sensor-Array

„Das Eindringen der Gase in die sensitive Wirkschicht des Sensors ist bei jedem Gas anders.“ Eduard Schäfer, Unitronic

Für das Entwicklerteam der Unitronic stand daher fest, dass man dem herkömmlichen Verfahren eine modernere Alternative entgegensetzen sollte. „Das ‚virtuelle multifunktionale Gassensor-Array‘ (VGSA) verwendet lediglich einen einzigen, kostengünstigen Miniatur-Gassensor auf Basis eines oxidischen Halbleiters, der mithilfe einer innovativen Auswertung die verschiedenen Gase voneinander unterscheiden kann“, beschreibt Abteilungsleiter Eduard Schäfer die Methode. Im Vergleich zu den bislang verwendeten physikalischen Sensor-Arrays biete das Messmodul eine extrem hohe Stabilität im Dauereinsatz.

Ein weiteres Argument für den Sensor sei der wesentlich 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.

Durch die Auswertung der elektronischen Ladungsverschiebung ist das errechnete Signal frei von Einflüssen aus Luftfeuchte, Drift des Absolutwertes und Memory-Effekten. Das Modul nutzt ein spezielles, hochempfindliches Auswertungsverfahren mit innovativen Algorithmen und Techniken. So gelang es den Entwicklern, mithilfe eines einzelnen Halbleitersensors mehrere einzelne Sensorsignale zu erzeugen, so dass dieser quasi einem virtuellen Sensor-Array entspricht.

Neuartige Auswertegrafiken unterstützen die Analyse

„Die Funktion der ‚künstlichen Nase’ basiert letztendlich auf bestimmten Aspekten, denn jeder wirkt sich aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung unterschiedlich auf das Sensorelement aus“, erläutert Eduard Schäfer. „Das Eindringen der Gase in die sensitive Wirkschicht des Sensors ist bei jedem Gas anders.“ Für die Ermittlung relevanter Ergebnisse wertet der VGSA 48 unterschiedliche Sensor-Einflussgrößen aus und extrahiert diese aus der Sensorschicht. Auf diese Weise entsteht ein virtuelles 48-Sensoren-Array.

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 Analyse-verfahrens 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 laut Unitronic eine kostenaufwendige, manuelle Nullluft-Nachkalibrierung überflüssig wird. ee

Sensor + Test, Halle 1, Stand 559

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