Sensor erzeugt Fingerabdrücke für Gase Künstliche Nase statt Kanarienvogel

Fest, flüssig und gasförmig sind die drei klassischen Aggregatzustände. Zu den bekanntesten Gasen zählen Sauerstoff, Helium, Wasserstoff oder Propan. Daneben gibt es aber auch komplexe Gasgemische, wie Zigarettenrauch, Alkoholdämpfe oder Gase, die bei Bränden entstehen können. Im Gefahrenfall erfordert jedes Gas eine spezielle Reaktion, damit mögliche Schäden in Grenzen gehalten werden können. So müssen bei einem Brand die Fenster fest geschlossen werden, damit Sauerstoff das Feuer nicht zusätzlich nährt. Ist dagegen eine Gasleitung undicht, müssen sofort alle Fenster möglichst weit geöffnet werden, um das ausströmende Gas zu neutralisieren.

Gassensoren: Komplex und teuer

Um die jeweiligen Gase messen und auswerten zu können, kommen Gassensoren zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um leistungsfähige Bauelemente, die ihre Aufgaben schnell und sicher erfüllen, gleichzeitig auch extrem komplex aufgebaut sind. Oft erreichen diese Komponenten erst durch aufwendigere Beschaltungen ihr wahres Leistungspotenzial. Bekannte Konzepte verwenden etwa sogenannte Sensor-Arrays. Bei dieser Anordnung arbeiten verschiedene Sensoren parallel und jeder einzelne von ihnen generiert für alle Gase einen individuellen Messwert.

Diese verschiedenen Messwerte erzeugen 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: Die einzelnen Sensoren reagieren unterschiedlich auf Veränderungen der Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Gaskonzentration sowie auf deren Langzeitdriftverhalten. Daraus können Verfälschungen resultieren, weshalb Sensor-Arrays häufig neu kalibriert werden müssen. Zu dem hohen Stromverbrauch dieser Mehrfachsensorsysteme kommen deshalb auch noch ein hoher Wartungsaufwand und damit verbundene Kosten.

Günstige Alternative: Virtuelles Sensor-Array

Das Entwicklerteam von Unitronic setzt dem herkömmlichen Verfahren deshalb mit seinem VGSA eine modernere Alternative entgegen: „Das virtuelle multifunktionale Gassensor-Array 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 bietet das Messmodul eine hohe Stabilität im Dauereinsatz und gleichzeitig einen wesentlich günstigeren 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 durch die Unitronic-Lösung errechneten Signale sind frei von Einflüssen durch Luftfeuchte, Drift des Absolutwertes und des Memory-Effekts. Das Modul nutzt ein spezielles, hochempfindliches Auswertungsverfahren. Dabei erzeugt ein Halbleitersensor mehrere einzelne Sensorsignale und entspricht so quasi einem virtuellen Sensorarray.

Dritte Dimension vereinfacht Analyse

Aufgrund der kombinierten und komplexen Auswertung sowie der Temperaturmodulation durch den neuen Sensor entsteht eine neue Form von Auswertegrafiken. Normalerweise lässt sich das einfache Verhältnis zwischen Sensorsignal und Gaskonzentration in einem doppel-logarithmischen Diagramm anschaulich darstellen, das jedoch keine qualitativen Aussagen über die Gasart zulässt. Diese erfolgt schematisch durch die Analyse des USM-VGSA: Der virtuelle Sensor-Array innerhalb der Unitronic-Komponente stellt eine 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.

„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. Die gewonnenen Sensorparameter enthalten komplexe gastypische und langzeitstabile Muster, die einen Fingerabdruck für jedes Gas darstellen. 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. Eine kostenaufwendige, manuelle Nullluft-Nachkalibrierung wird damit in Zukunft überflüssig.