Messung und Auswertung von Gasen mit intelligentem Sensormodul

Messwerte müssen so genau wie möglich sein – und zudem unabhängig  von Umgebungseinflüssen. Daher entwickelte ein Unternehmen ein virtuelles multifunktionales Gassensor-Array. Mithilfe der Sensorik lassen sich gezielt Gase aufspüren, diese auswerten und in einer Kartei speichern, um sie im Fall des Falles für Vergleiche zu nutzen.  

Gasförmig zählt neben fest und flüssig zu den drei klassischen Aggregatzuständen. Bekannte Gase sind Sauerstoff, Helium, Wasserstoff oder Propan. Zudem gibt es 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. So müssen bei einem Brand die Fenster fest geschlossen werden, um das Feuer durch Sauerstoff nicht zusätzlich zu schüren. Aus Gasleitungen austretendes Gas hingegen erfordert als Sofortmaßname, alle Fenster möglichst weit zu öffnen, um das ausströmende Gas zu neutralisieren.
Gassensoren messen die Gase und werten diese aus. Oft erreichen sie erst durch aufwendigere Beschaltungen ihr 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. 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.
Der Nachteil dieser physikalischen Array-Technologie ist, dass die einzelnen Sensoren unterschiedlich auf Veränderungen der Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Gaskonzentration sowie deren Langzeitdriftverhalten reagieren. 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 hohe Stromverbrauch dieser Mehrfachsensorsysteme.

Virtuelles Sensor-Array für 48 Messwerte

Das Entwicklerteam von Unitronic suchte daher eine Alternative für das herkömmliche Verfahren. „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 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 zur 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 den Einsatz der Unitronic-Lösung sind die errechneten Signale frei von Einflüssen durch Luftfeuchte, Drift des Absolutwertes und des Memory-Effekts. Das Modul nutzt ein spezielles, hochempfindliches Auswerteverfahren mit innovativen Algorithmen und Techniken. Diese Technologie erzeugt mithilfe eines einzelnen Halbleitersensors mehrere einzelne Sensorsignale und entspricht so quasi einem virtuellen Sensorarray. Die gewonnenen Sensorparameter enthalten komplexe gastypische und langzeitstabile Muster, die eine Art Fingerabdruck für jedes Gas darstellen.

Neuartige Auswertegrafiken unterstützen Analyse

Aufgrund der kombinierten komplexen Auswertung sowie der Temperaturmodulation entsteht durch den Einsatz des neuen Sensors eine neue Form der Auswertegrafiken. Normallerweise lässt sich das einfache Verhältnis zwischen Sensorsignal und Gaskonzentration in einem Doppellogarithmischen Diagramm anschaulich darstellen. Allerdings sind dabei keine qualitativen Aussagen über die Gasart  möglich. Diese erfolgt schematisch durch die Analyse des USM-VGSAs. Der virtuelle Sensor-Array innerhalb der Unitronic-Komponente stellt eine Art dritte Dimension dar, die in der Regel aus 48 Werten  besteht, wobei auch mehr oder weniger virtuelle Sensoren dabei verwendet werden können. Die ermittelten Werte sind auf der Z-Achse als Absolutwerte zwar variabel, im Verhältnis zueinander aber stabil.

Gas gesucht – Gas gefunden

„Die Funktion der ‚künstlichen Nase’ basiert im Endeffekt 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 quasi 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 überflüssig wird.