{"id":12052,"date":"2017-12-12T14:13:26","date_gmt":"2017-12-12T13:13:26","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sysbus.eu\/?p=12052"},"modified":"2017-12-11T09:18:41","modified_gmt":"2017-12-11T08:18:41","slug":"kuenstliche-nasen-erschnueffeln-gase","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sysbus.eu\/?p=12052","title":{"rendered":"K\u00fcnstliche Nasen erschn\u00fcffeln Gase"},"content":{"rendered":"

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Autor\/Redakteur: Martin Farjah\/gg<\/p>\n

In vielen Umgebungen ist die Messung und Auswertung von Gasen essenziell. Der D\u00fcsseldorfer Unitronic GmbH<\/a> ist es gelungen, mit einer neuen Art \u201ek\u00fcnstlicher Nase\u201c das Verfahren zu vereinfachen und die Kosten zu reduzieren. Das Sensormodul USM-VGSA (Virtueller Multifunktionaler Gas-Sensorarray) ist in der Lage, mit einem einzigen herk\u00f6mmlichen Metalloxidsensor eine Vielzahl organischer und anorganischer Verbindungen selektiv zu erkennen. Damit lassen sich die Kosten f\u00fcr die Analyse von Luftbestandteilen deutlich reduzieren.<\/p>\n

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Gasf\u00f6rmig ist neben fest und fl\u00fcssig einer der drei klassischen Aggregatzust\u00e4nde. Bekannte Gase sind Sauerstoff, Helium, Wasserstoff oder Propan \u2013 um nur einige zu nennen. Daneben gibt es aber auch komplexe Gasgemische, wie Zigarettenrauch, Alkohold\u00e4mpfe oder unterschiedliche Gase, die bei Br\u00e4nden entstehen. Im Gefahrenfall erfordert jedes Gas eine spezielle Reaktion, damit der Schaden in Grenzen gehalten wird. So m\u00fcssen bei einem Brand die Fenster fest geschlossen werden, um dem Feuer durch Sauerstoff keine zus\u00e4tzliche Nahrung zu geben. Aus Gasleitungen austretendes Gas erfordert als Sofortma\u00dfname dagegen, alle Fenster m\u00f6glichst weit zu \u00f6ffnen, um das ausstr\u00f6mende Gas zu neutralisieren.<\/p>\n

F\u00fcr die Messung und Auswertung der jeweiligen Gase sorgen Gassensoren. Hierbei handelt es sich einerseits um leistungsf\u00e4hige Bauelemente, die ihre Aufgaben schnell und sicher erf\u00fcllen. 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 f\u00fcr alle Gase einen individuellen Messwert. Diese verschiedenen Messwerte erzeugen somit einen charakteristischen Gasabdruck f\u00fcr die jeweilige Gasart. Auf diese Weise entstehen einzigartige Muster f\u00fcr die unterschiedlichsten Gastypen. \u00c4hnlich einer Fingerabdruckkartei lassen sich diese Werte in einer Bibliothek hinterlegen und bei Bedarf auf \u00dcbereinstimmung vergleichen.<\/p>\n

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Der Nachteil an dieser physikalischen Array-Technologie: Die einzelnen Sensoren reagieren unterschiedlich auf Ver\u00e4nderungen der Luftfeuchtigkeit, Temperatur und Gaskonzentration sowie deren Langzeitdriftverhalten. Daraus resultieren nicht selten Verf\u00e4lschungen, weshalb Sensor-Arrays h\u00e4ufig neu kalibriert werden m\u00fcssen. Der Wartungsaufwand und die Kosten daf\u00fcr sind hoch. Hinzu kommt noch gegebenenfalls der beachtliche Stromverbrauch dieser Mehrfachsensorsysteme.<\/p>\n

Virtuelles Sensor-Array<\/strong><\/p>\n

F\u00fcr das Entwicklerteam der Unitronic stand daher fest, dass man dem herk\u00f6mmlichen Verfahren eine modernere Alternative entgegensetzen sollte. \u201eDas \u201evirtuelle multifunktionale Gassensor-Array\u201c (VGSA) verwendet lediglich einen einzigen, kosteng\u00fcnstigen Miniatur-Gassensor auf Basis eines oxidischen Halbleiters, der mithilfe einer innovativen Auswertung die verschiedenen Gase voneinander unterscheiden kann\u201c, beschreibt Abteilungsleiter Eduard Sch\u00e4fer die Methode. Im Vergleich zu den bislang verwendeten physikalischen Sensor-Arrays biete das Messmodul eine extrem hohe Stabilit\u00e4t im Dauereinsatz. Ein weiteres Argument f\u00fcr den Sensor ist der wesentlich g\u00fcnstigere Preis. Die Art des Gases ermittelt der Sensor anhand der gasinduzierten Verzerrung periodischer Temperaturspr\u00fcnge. 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 f\u00fcr jedes Gas eine bestm\u00f6gliche Temperaturumgebung gibt, die optimale Messergebnisse liefert. Zus\u00e4tzlich zu der Temperaturmodulation wertet das Modul die komplexe Leitf\u00e4higkeit (Impedanz) des Sensors aus, die ein Gas hervorruft. Allgemein \u00fcblich war bei der Signalverarbeitung bisher lediglich die Auswertung des ohmschen Widerstandes eines Sensors.<\/p>\n

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Die durch den Einsatz der Unitronic-L\u00f6sung sind die errechneten Signale frei von Einfl\u00fcssen durch Luftfeuchte, Drift des Absolutwertes und des Memory-Effekts. Das Modul nutzt ein spezielles, hochempfindliches Auswertungsverfahren 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 f\u00fcr jedes Gas darstellen.<\/p>\n

Neuartige Auswertegrafiken unterst\u00fctzen die Analyse<\/strong><\/p>\n

Aufgrund der kombinierten komplexen Auswertung sowie der Temperaturmodulation entsteht durch den Einsatz des neuen Sensors eine neue Form der Auswertegrafiken. Normallerweise l\u00e4sst sich das einfache Verh\u00e4ltnis zwischen Sensorsignal und Gaskonzentration in einem Doppel-logarithmischen Diagramm anschaulich darstellen. Allerdings werden dabei keine qualitativen Aussagen zu der Gasart m\u00f6glich. Diese erfolgt schematisch durch die Analyse des USM-VGSAs. Das 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 k\u00f6nnen. Die ermittelten Werte sind auf der Z-Achse als Absolutwerte zwar variabel, im Verh\u00e4ltnis zueinander aber stabil.<\/p>\n

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\u201eDie Funktion der \u201ak\u00fcnstlichen Nase\u2019 basiert im Endeffekt auf bestimmten Aspekten, denn jeder wirkt sich aufgrund seiner chemischen Zusammensetzung unterschiedlich auf das Sensorelement aus\u201c, erl\u00e4utert Eduard Sch\u00e4fer. \u201eDas Eindringen der Gase in die sensitive Wirkschicht des Sensors ist bei jedem Gas anders.\u201c F\u00fcr die Ermittlung relevanter Ergebnisse wertet der VGSA 48 unterschiedliche Sensor-Einflussgr\u00f6\u00dfen aus und extrahiert diese aus der Sensorschicht. Auf diese Weise entsteht ein virtuelles 48 Sensoren-Array. Die 48 Messwerte sind gasspezifisch wodurch quasi f\u00fcr jedes Gas eine Art \u201eFingerabdruck\u201c entsteht. Die typischen Daten der jeweiligen Gase werden nicht durch Quereinfl\u00fcsse 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 Verf\u00fcgung. Wird dem System w\u00e4hrend 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 eigenst\u00e4ndig nachjustieren, weshalb eine kostenaufwendige, manuelle Nullluft-Nachkalibrierung \u00fcberfl\u00fcssig wird.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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