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.

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.

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.

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