Bild 1: Das VGSA wertet 48 Sensor-Einflussgrößen aus und extrahiert diese in dem Gassensor aus der Sensorschicht. So entsteht ein virtuelles Array mit 48 Sensoren. Die 48 Messwerte sind gasspezifisch, wodurch für jedes Gas eine Art Fingerabdruck entsteht. (Bild: Unitronic)
Neben Gasen wie Sauerstoff, Helium, Wasserstoff oder Propan sind in der technischen Praxis sowie im täglichen Leben auch komplexe Gasgemische anzutreffen, etwa Zigarettenrauch, Alkoholdämpfe oder Gase, die bei Bränden entstehen und mit einem Gassensor erkannt werden müssen. Im Gefahrenfall erfordert jedes Gas eine spezielle Reaktion, um Schäden zu begrenzen. So sind zum Beispiel bei einem Brand in einem Gebäude die Fenster fest zu verschließen, während sie bei austretenden schädlichen Gasen weit geöffnet werden müssen.
Bild 1: Das VGSA wertet 48 Sensor-Einflussgrößen aus und extrahiert diese in dem Gassensor aus der Sensorschicht. So entsteht ein virtuelles Array mit 48 Sensoren. Die 48 Messwerte sind gasspezifisch, wodurch für jedes Gas eine Art Fingerabdruck entsteht. Unitronic
Gassensor schützt Mensch und Maschine
Detektieren lassen sich Gase mithilfe von Gassensoren, die ihre Aufgabe als einzelnes Bauelement oder mit entsprechender Beschaltung erfüllen. Manche Konzepte zum Detektieren von Gasen nutzen mehrere Sensoren, die simultan arbeiten und je nach Gas individuelle Messwerte liefern.
Aus den verschiedenen Messwerten lässt sich für die jeweilige Gasart ein charakteristischer Gasabdruck ableiten. So entstehen einzigartige Muster für unterschiedlichste Gastypen. Ähnlich wie eine Sammlung mit Fingerabdrücken lassen sich die ermittelten Werte in einer Bibliothek hinterlegen und bei Bedarf auf Übereinstimmung vergleichen.
Eckdaten
Statt zur Analyse von Gasen und komplexen Gasgemischen auf Arrays mit mehreren Sensoren zurückzugreifen und die damit verbundenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, können Entwickler jetzt das virtuelle multifunktionale Gassensor-Array (VGSA) von Unitronic einsetzen. Gegenüber bisherigen Lösungen nutzt das VGSA lediglich einen einzigen Gassensor auf der Basis eines oxidischen Halbleiters. In Kombination mit einer Auswerteelektronik lassen sich viele unterschiedliche Gase detektieren.
Nachteilig an diesem physikalischen Array-Konzept ist, dass die einzelnen Sensoren unterschiedlich auf Veränderungen der Luftfeuchte, Temperatur und Gaskonzentration sowie deren Langzeitdriftverhalten reagieren. Daraus können Verfälschungen resultieren, die eine erneute Kalibrierung des Sensor-Arrays mit hohem Wartungs- und Kostenaufwand erfordern. Auch der im Vergleich zu Einzelsensoren höhere Energieverbrauch von Mehrfach-Sensorsystemen kann je nach Anwendung eine Rolle spielen.
Virtuelles Sensor-Array
Als Alternative zu herkömmlichen Lösungen zum Detektieren von Gasen hat Unitronic ein virtuelles multifunktionales Gassensor-Array (VGSA) entwickelt. Das VGSA verwendet lediglich einen Miniatur-Gassensor auf Basis eines oxidischen Halbleiters, der mithilfe einer elektronischen Auswerteschaltung verschiedene Gase unterscheiden kann. Gegenüber bisherigen physikalischen Sensor-Arrays bietet das Messmodul auch im Dauerbetrieb eine hohe Stabilität.
Das VGSA nutzt die Tatsache, dass Halbleitersensoren bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich empfindlich auf Gase reagieren und es zu jedem Gas eine bestimmte Sensortemperatur gibt, die optimale Messergebnisse liefert. Dieses Verhalten nutzt das USM-VGSA (Bild 1) und wertet zusätzlich die Leitfähigkeit (Impedanz) des Sensors aus, die ein Gas hervorruft. Allgemein üblich war bisher lediglich die Auswertung des ohm‘schen Widerstandes eines Sensors.
Bild 2: Das Verhältnis zwischen Sensorsignal und Gaskonzentration lässt sich in einem doppellogarithmischen Diagramm darstellen. Unitronic
Beim Einsatz der Sensorlösung von Unitronic sind die errechneten Signale frei von Einflüssen durch Luftfeuchte, Drift des Absolutwertes und des Memory-Effekts. Das USM-VGSA-Modul nutzt ein spezielles Auswerteverfahren mit zugehörigen Algorithmen und Techniken. Das Verhalten des Moduls mit nur einem Halbleitersensor entspricht quasi einem virtuellen Sensorarray. Die ermittelten Sensorparameter enthalten gastypische und langzeitstabile Muster, die für jedes Gas eine Art Fingerabdruck darstellen.
Auswertegrafiken im neuen Gewand
Aufgrund der kombinierten Auswertung sowie der Temperaturmodulation entsteht durch den Einsatz des Sensormoduls eine Auswertegrafik mit neuartigem Aussehen. Normalerweise lässt sich das einfache Verhältnis zwischen Sensorsignal und Gaskonzentration in einem doppellogarithmischen Diagramm (Bild 2) darstellen.
Allerdings sind dabei keine qualitativen Aussagen zur Gasart möglich. Diese erfolgen schematisch durch Analyse des USM-VGSAs (Bild 3). Das virtuelle Sensor-Array repräsentiert eine Art dritte Dimension, die in der Regel aus 48 Werten besteht, wobei auch mehr oder weniger virtuelle Sensoren 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 auf bestimmten Aspekten, von denen sich jeder aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung unterschiedlich auf das Sensorelement auswirkt. Wie sich ein Gas beim Eindringen in die sensitive Wirkschicht des Sensors verhält, hängt ganz alleine von der jeweiligen Gasart ab.
Bild 3: Aus dem Diagramm in Bild 1 sind keine qualitativen Aussagen zur Gasart möglich. Diese erfolgen schematisch durch Analyse des USM-VGSAs. Unitronic
Virtuelles Array mit 48 Sensoren
Um relevante Ergebnisse zu ermitteln, wertet das VGSA insgesamt 48 unterschiedliche Sensor-Einflussgrößen aus und extrahiert diese aus der Sensorschicht. So entsteht ein virtuelles Array mit 48 Sensoren. Die 48 Messwerte sind gasspezifisch, wodurch quasi für jedes Gas eine Art Fingerabdruck entsteht. Werte, die das VGSA ermittelt, werden in einer Datei gespeichert und sind bei Messungen jederzeit als Vergleichswert verfügbar.
Ist das System während eines Analyseverfahrens einem unbekannten Gas oder Gasgemisch ausgesetzt, vergleicht es die Gasmerkmale mit den Daten im Speicher. Befindet sich das gesuchte Gas in der gespeicherten Datei, wird es problemlos identifiziert. Bei Bedarf kann sich das System jederzeit eigenständig nachjustieren, weshalb eine manuelle Nullluft-Nachkalibrierung entfällt.
Intelligenter Gassensor im Einsatz
Eine typische Anwendung für das virtuelle multifunktionale Gassensor-Array (VGSA) beziehungsweise das Sensormodul USM-VGSA von Unitronic sind Brandmeldeanlagen zur Frühbranderkennung. In diesem Fall erkennt das interne Analyseverfahren, welches Material gerade brennt und unterstützt die individuelle Erfassung unterschiedlicher Brandarten.
Ein weiterer Anwendungsfall sind Gas-Alarm-Detektoren, mit denen sich erkennen und erfassen lässt, welches Gas in einer Umgebung vorhanden ist. Dies ist wichtig, da verschiedene Gase unterschiedliche Explosionsgrenzen aufweisen und Konzentrationen, die bei einem Gas als unkritisch gelten, in der gleichen Konzentration bei einem anderen Gas die Bildung eines explosiven Gemisches verursachen können.
Bei herkömmlichen Messmethoden können Reinigungsmittel wie Alkohol oder Lösungsmittel einen Falschalarm auslösen, wenn Personal im gleichen Raum damit arbeitet. Durch eine genaue Gasanalyse lassen sich solche Fehlalarme verhindern.
In der Analyse zur gezielten Vorbeugung von Schäden bei Industrieanlagen lässt sich mithilfe der VGSA-Sensorik gezielt nach bestimmten Stoffen suchen, die vor einem unmittelbaren Totalausfall ausdünsten.
Im Bereich Weiße Ware erfassen die virtuellen Gassensoren die Luftqualität, wobei hier häufig Schwierigkeiten in Bezug auf die Querempfindlichkeiten zur Luftfeuchtigkeit und Temperatur auftreten. Das Analyseverfahren von Unitronic wirkt diesem Problem ohne zusätzliche Sensoren zwecks Kompensation entgegen.
Hersteller von industriellen Filteranlagen können beim Einsatz des USM-VGSA davon profitieren, indem die Sensorik gezielt die Gase hinter dem Filter analysiert, um einen Durchbruch des Filters rechtzeitig zu erkennen.
Eduard Schäfer
(hb)
