DE102005039224A1 - Oxidische Halbleiter-Gassensoren zur Identifizierung und Konzentrationsbestimmung von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak sowie Verfahren zur Identifizierung von Gasen oder Dämpfen - Google Patents

Oxidische Halbleiter-Gassensoren zur Identifizierung und Konzentrationsbestimmung von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak sowie Verfahren zur Identifizierung von Gasen oder Dämpfen Download PDF

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Abstract

Die Wirkschicht von oxidischen, halbleitenden Halbleiter-Gassensoren wird auf möglichst konstante Temperatur geheizt. Kurzzeitige Erhöhung und Verminderung der Heiztemperatur erzeugen eine an die Temperatur bzw. an die Temperaturänderung gekoppelte Änderung des Sensorwertes. Unter Einwirkung von oxidierbarem Gas ändert sich das Verhältnis der temperaturabhängigen Änderungen der Sensorwerte in typischer Weise und gleichzeitig ändert sich der Grundwert des Sensors. Bei Begasung mit Ammoniak und anderen anorganischen Gasen oder Dämpfen ändert sich das Verhältnis reziprok, was zur Identifizierung derartiger Gase oder Dämpfe, insbesondere Ammoniak, genutzt wird.

Description

  • Technisches Gebiet:
  • Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Identifizierung und Konzentrationsbestimmung von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak, bestehend aus einem halbleitenden, oxidischen Sensorelement mit sensitiver Wirkschicht und Heizung, einer elektrischen Schaltung zur Energieversorgung der Sensorheizung, wobei die elektrische Schaltung imstande ist, kurzzeitig die Temperatur der Wirkschicht aus der Normalbetriebstemperatur heraus zu einer höheren Temperatur zu erhöhen und anschließend auf eine niedrigere Temperatur abzusenken, einem Messwandler zur Ermittlung der dadurch erzeugten, gasabhängigen Sensorsignale sowie einer Auswerteanordnung, vorzugsweise mit einem Mikrorechner, zur Beeinflussung der Sensorheizung und zur Auswertung der Sensorsignale. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Identifizierung und Konzentrationsbestimmung von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen.
  • Beheizte, halbleitende metalloxidische Gassensoren reagieren auf fast alle Gase oder Dämpfe mit einer Änderung der elektrischen Werte der Wirkschicht des Sensors. Im Allgemeinen wird der elektrische Widerstand der von elektrischem Strom durchflossenen halbleitenden Wirkschicht als Maß für die Anwesenheit von Gasen und Dämpfen benutzt.
  • Andere elektrische Werte der gasempfindlichen Wirkschicht, wie z.B. die in der Wirkschicht vorhandene und ebenfalls vom Gasangebot abhängige elektrische Ladung, können als Maß für die Anwesenheit von Gasen und Dämpfen genutzt werden. Sowohl bei Normalluft als auch unter Gas ändern sich die festgestellten elektrischen Werte mit der absoluten Luftfeuchte.
  • Durch die DE 195 43 296 C2 ist ein Verfahren zur Messung des Konzentration organischer Gase oder Dämpfe bekannt geworden, bei dem Halbleitergassensoren eingesetzt werden, die Sensorelemente mit gassensitiven Wirkschichten, vorzugsweise aus Metalloxiden, aufweisen, wobei der elektrische Widerstand des Sensorelements mittels einer elektrischen Steuer- und Auswerteeinheit ausgewertet wird und die Temperatur der Wirkschicht des Sensorelements mittels der elektrischen Steuer- und Auswerteeinheit gesteuert und geregelt wird. Ein kurzer Heizimpuls erwärmt periodisch den Sensor um einen festgelegten Betrag und unmittelbar folgend für die gleiche Zeit wird der Sensor um einen festgelegten Betrag abgekühlt, indem die Heizleistung vermindert wird. Der einen Temperaturkoeffizienten aufweisende Halbleiter reagiert, indem bei Erwärmung der gassensitiven Wirkschicht der elektrische Widerstand sinkt, und bei Abkühlung entsprechend steigt. Die Abweichung auf die Temperaturänderungen – ausgehend von einer Normaltemperatur – ist in Normalluft, ohne anorganisch-organische Gase oder Dämpfe, in etwa symmetrisch.
  • Sind hingegen derartige Gase vorhanden, verändert sich die Antwort auf diese Temperaturmodulation und wird unsymmetrisch. Aus dem Verhältnis der beiden gegensinnigen Temperaturimpulse kann die Gaskonzentration bestimmt werden. Der dabei in einer elektrischen Steuer- und Auswerteeinheit erfasste Sensorwiderstandsverlauf wird mit einem in der elektrischen Steuer- und Auswerteeinheit abgespeicherten Sensorwiderstandsverlauf verglichen, der dem Sensorwiderstandsverlauf gemäß dem vorgebbaren Temperaturphasenzyklus bei Normalluft entspricht. Vorteilhaft wird mit dieser Methode der Einfluss der Luftfeuchte aufgehoben bzw. herausgerechnet, weil die Luftfeuchte auf beide Impulse in etwa gleichen Einfluss hat und sich daher aufhebt, wenn die beiden Impulshälften mathematisch ins Verhältnis gesetzt werden.
  • 4 zeigt die Zusammenhänge: Dabei ist
    • 4.1 der Sensorwiderstand bei Normalluft ohne Gasanteile
    • 4.2 der Verlauf des Sensorwiderstandes bei Normalluft, als Antwort auf die Temperaturänderung
    • 4.3 die Heiztemperatur des Sensors bei einem Normalwert von zum Beispiel 350°C
    • 4.4 der Verlauf eines periodischen, in bestimmten Abständen folgenden Temperaturimpulses, bestehend aus einer kurzzeitigen Erhöhung mit anschließender Verminderung der Sensortemperatur.
  • Neben oxidierbaren, organischen Gasen oder Dämpfen, wie etwa Kohlenmonoxid, allen Kohlewasserstoff-Verbindungen, Aromaten, Ketonen, Aldehyden und halogenisierten Kohlewasserstoff-Verbindungen reagiert ein oxidischer Sensor auch auf anorganische Verbindungen, wie etwa Ammoniak.
  • Es ist allerdings aus der Änderung der elektrischen Werte des Sensors nicht erkennbar, welche Substanz, nämlich welches Gas, momentan auf den Sensor einwirkt.
    •
  • Technische Aufgabe:
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anwesenheit von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak, festzustellen, weil isbesondere Ammoniak als sehr unangenehm riechend empfunden wird und weil Ammoniak in größeren Konzentrationen zu Augenreizungen und zu Atemwegsirritationen führt.
  • Ammoniak entsteht u.a. beim Harnstoff-Abbau im landwirtschaftlichen Bereich und ist in großen Konzentrationen in Gülle enthalten, welche als stickstoffhaltiger Dünger oft auf Felder ausgebracht wird.
  • Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:
    Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Sensorsystem aus den, vorzugsweise periodischen, kurzzeitigen, unmittelbar aufeinander folgenden positiven und negativen Temperaturänderungen bei verschiedenen Konzentrationen unterschiedlicher oxidierbarer Gase Sensorwerte (S1, S2) ermittelt, aus denen der Quotient (VQ = S1/S2) gebildet wird, wobei die diesem Quotienten (VQ) zugeordneten, von der Art des Gases und von der Gaskonzentration bei Normalbetriebstemperatur abhängigen Sensorwerte (S1, S2) und die zugehörenden Quotienten (VQ) in einem elektronischen Speicher der Auswerteanordnung in geeigneter Form als Daten gespeichert werden und dass während des anschließenden Betriebs des Sensorsystems diese Daten (S1, S2, VQ) fortlaufend oder periodisch mit den augenblicklich gemessenen, vom aktuell vorhandenen Gas abhängigen Sensorwerten sowie dem daraus errechneten Quotienten (S1a, S2a, VQa) verglichen werden.
  • Es wird somit der statische Sensorwert, nämlich der elektrische Widerstand oder die elektrische Ladung, mit der Reaktion des Sensors auf impulsförmige Temperaturänderungen korreliert, wobei der Quotient VQ von mit Hilfe periodischer und kurzzeitiger, unmittelbar aufeinander folgender positiver und negativer Temperaturänderungen ermittelter Sensorwerte (S1 und S2) bei verschiedenen Konzentrationen oxidierbarer Gase ermittelt wird, und die diesem Quotienten (VQ) zugeordneten, von der Gaskonzentration bei Betriebstemperatur (S) abhängigen Sensorwerte und die dazugehörenden Quotienten in einem elektronischen Speicher der Auswerteanordnung in geeigneter Form gespeichert werden und während des Betriebs fortlaufend oder periodisch diese Daten mit den aktuell gemessenen gasabhängigen Sensorwerten (S und VQ) verglichen werden.
  • In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems erfolgt dann, wenn die gemessenen gasabhängigen Sensorwerte nicht mehr mit den aus Temperaturwechseln als Normalfall ermittelten und gespeicherten Werten korrelieren, eine vom Normalfall abweichende Behandlung der Sensorsignale in der Auswerteanordnung.
  • In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird bei den durch Auswertung der durch periodischen Temperaturwechsel erzeugten Quotienten (VQ) von der Auswerteanordnung geprüft, ob diese kleiner 1 oder größer 1 sind. Erfindungsgemäß wird bei einem Quotienten (VQ) von < 1 durch die Auswerte anordnung auf das Vorhandensein von Ammoniak oder halogenisierten Kohlewasserstoffen oder von anorganischen Verbindungen geschlossen.
  • In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung ist das Sensorelement ein beheizter halbleitender Metalloxid-Sensor.
  • In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung wird als gas- und temperaturabhängige Sensorgröße (S) des Sensorelements entweder der ohm'sche Widerstand (in Ohm) des Sensors oder die in der Wirkschicht in Abhängigkeit des vorhandenen Gases gespeicherte Ladungsmenge (in Coulomb) gemessen.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak, bestehend aus einem halbleitenden, oxidischen Sensorelement mit sensitiver Wirkschicht und Heizung, einer elektrischen Schaltung zur Energieversorgung der Sensorheizung, wobei die elektrische Schaltung imstande ist, kurzzeitig die Temperatur der Wirkschicht aus der Normalbetriebstemperatur heraus zu einer höheren Temperatur zu erhöhen und anschließend auf eine niedrigere Temperatur abzusenken, einem Messwandler zur Ermittlung der dadurch erzeugten, gasabhängigen Sensorsignale sowie einer Auswerteanordnung, vorzugsweise mit einem Mikrorechner, zur Beeinflussung der Sensorheizung und zur Auswertung der Sensorsignale, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem aus den, vorzugsweise periodischen, kurzzeitigen, unmittelbar aufeinander folgenden positiven und negativen Temperaturänderungen bei verschiedenen Konzentrationen unterschiedlicher oxidierbarer Gase Sensorwerte (S1, S2) ermittelt, aus denen der Quotient (VQ = S1/S2) gebildet wird, wobei die diesem Quotienten (VQ) zugeordneten, von der Art des Gases und von der Gaskonzentration bei Normalbetriebstemperatur abhängigen Sensorwerte (S1, S2) und die zugehörenden Quotienten (VQ) in einem elektronischen Speicher der Auswerteanordnung in geeigneter Form als Daten gespeichert werden und dass während des anschließenden Betriebs des Sensorsystems diese Daten (S1, S2, VQ) fortlaufend oder periodisch mit den augenblicklich gemessenen, vom aktuell vorhandenen Gas abhängigen Sensorwerten sowie dem daraus errechneten Quotienten (S1a, S2a, VQa) verglichen werden.
    •
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
  • 1 zeigt, dass der bei Normalluft hohe elektrische Widerstand der Sensorwirkschicht mit einer weitgehend symmetrischen Antwort auf die Temperaturmodulation antwortet, wobei bei Belastung der Luft mit z.B. 5ppm Kohlenmonoxid sich der Sensorwiderstand vermindert, und die Antwort auf die Temperaturmodulation unsymmetrisch wird; wird die Luft noch mehr mit Kohlenmonoxid – hier 20ppm – belastet, sinkt der Sensorwiderstand weiter und die Antwort auf die Temperaturmodulation wird noch unsymmetrischer
  • 2 zeigt, dass bei einem Angebot von Ammoniak der Sensorwert, hier der elektrische Widerstand der Wirkschicht, sinkt, wie es auch bei Angebot organischer Gase oder Dämpfe der Fall ist, wobei die Antwort auf die Temperaturmodulation gegensinnig ist im Vergleich mit der Reaktion bei Anwesenheit organischer Gase
  • 3 eine Auswerteelektronik zur Auswertung der Signale des Sensors und
  • 4 zeigt die Antwort auf eine Temperaturmodulation bei Vorhandensein von Gasen oder Dämpfen, welche unsymmetrisch wird, wobei aus dem Verhältnis der beiden gegensinnigen Temperaturimpulse die Gaskonzentration bestimmt werden kann.
  • Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung:
  • In 1 ist zu erkennen, dass der bei Normalluft 1.1 hohe elektrische Widerstand der Sensorwirkschicht mit einer weitgehend symmetrischen Antwort 1.2 auf die Temperaturmodulation antwortet. Wird die Luft mit z.B. 5ppm Kohlenmonoxid belastet, vermindert sich der Sensorwiderstand 1.3 und die Antwort auf die Temperaturmodulation wird unsymmetrisch, 1.4. Wird die Luft noch mehr mit Kohlenmonoxid – hier 20ppm – belastet, sinkt der Sensorwiderstand 1.5 weiter ab, wobei die Antwort 1.6 auf die Temperaturmodulation noch unsymmetrischer wird.
  • Es besteht ein klarer Zusammenhang zwischen dem Sensorwert, das ist der elektrischer Widerstand der Wirkschicht oder die elektrische Ladung in der Wirkschicht, und der Verzerrung der Antwort auf die Temperaturmodulation. Dieser Zusammenhang ist bei allen organischen Gasen gleichermaßen gegeben.
  • Wird dem Sensor zum Beispiel Ammoniak angeboten, ist dieser strenge Zusammenhang nicht mehr gegeben.
  • In 2 ist gezeigt, dass bei einem Angebot von Ammoniak der Sensorwert 2.1, hier der elektrische Widerstand der Wirkschicht, sinkt, was durch die Schräge 2.3 angedeutet ist, wie es auch bei einem Angebot von organischen Gasen oder Dämpfen der Fall ist. Allerdings ist die Antwort auf die Temperaturmodulation 2.2. gegensinnig im Vergleich mit der Reaktion bei Anwesenheit organischer Gase.
  • Es wird daher erfindungsgemäß jedem Sensorwert eine bestimmte Asymmetrie der Sensorantwort auf eine Temperaturmodulation – bestehend vorzugsweise in einer periodischen, kurzzeitigen Erhöhung der Temperatur mit einer anschließenden kurzzeitigen Verminderung der Sensortemperatur – zugeordnet, wie aus 1 ersichtlich. Es werden zwei Sensorwerte ermittelt, nämlich der Sensorwert S1 und der Sensorwert S2. Der Sensorwert S1 wird während der kurzzeitigen Erhitzungsphase des Sensors, der Sensorwert S2 während der kurzzeitigen Abkühlungsphase des Sensors ermittelt. Diese beiden Werte werden in ein Verhältnis V gesetzt, was den Sensorquotienten VQ oder kurz Quotienten VQ ergibt. Der Sensorquotient VQ entspricht somit einem bestimmten Gasangebot oxidierbarer Gase oder Dämpfe, nämlich: VQ = S1/S2
  • Der Quotient VQ gibt bei einem Angebot von oxidierbaren Substanzen (VOC) Auskunft über deren Konzentration und ist immer > 1. Verändert sich der Sensonnrwert, und wird dabei VQ nicht näherungsweise gemäß einem Wert aus unten stehender, von VOC stammender Tabelle, sondern ist < 1, – siehe 2 – dann ist kein organisches Gas oder organischer Dampf anwesend, sondern Ammoniak oder ein halogenisierter Kohlewasserstoff oder eine andere, gasförmige nichtorganische Substanz, was ebenfalls aus der Tabelle zu entnehmen ist.
  • Die Zusammenhänge werden beispielhaft in folgender Tabelle erklärt:
    Figure 00080001
  • Die Zahlenwerte sind Beispielswerte. In der Praxis sind die Zahlenwerte abhängig vom oxidischen Material, dessen Bestandteile z.B. an katalytischen Beimengungen, der Standardarbeitstemperatur und den während des Temperaturwechselimpulses relativen Temperaturänderungen, sowie der Symmetrie und der Zeitdauer der Temperaturwechselimpulse.
  • Es werden somit unter Temperaturmodulation Paare von Sensorwerten S1 und S2 für Luft und bei Gasangebot für gegebene, unterschiedliche Gase bei gegebenen, unterschiedlichen Konzentrationen gemessen und die daraus gebildeten, jeweiligen Quotienten VQ für die unterschiedlichen Gase tabellarisch in einer Tabelle festgehalten (quasi Eichvorgang des Sensors. Zweckmäßig können die Sensorwerte für Luft mit S1L und S2L, der Quotient für Luft mit VQL bezeichnet werden. Wird das Sensorelement anschließend während seines Betriebes in einem unbekannten Gasangebot betrieben, werden ebenso unter Temperaturmodulation jeweils Paare von augenblicklichen Sensorwerten gebildet, welche zweckmäßig zur Unterscheidung zu den Sensorwerten der Tabelle mit S1a und S2a bezeichnet werden, wobei a für "augenblicklich" steht. Aus diesen augenblicklichen Sensorwerten S1a und S2a wird ebenfalls der Quotient VQa gebildet und mit den Quotienten-Werten in der Tabelle verglichen. Derjenige Quotient VQ der Tabelle, welcher dem Quotient VQa am nächsten kommt, ergibt die gesuchte Substanz sowie die Konzentration derselben. Diese Tabelle ist in geeigneter digitaler Form in der Auswerteelektronik des Sensorsystems gespeichert. Die Tabelle kann gemäß den vorstehend genannten Bedingungen hinsichtlich der unterschiedlichen Gase und Konzentrationen verfeinert werden.
  • Der Sensor wird mit einer Auswerteelektronik betrieben, welche in 3 beschrieben ist. Dabei ist
    • 3.1 ein Gassensor mit gasempfindlicher Wirkschicht
    • 3.2 eine Heizung der Wirkschicht des Gassensors
    • 3.3 ein Heizungsregler, der die Sensortemperatur auf einem konstantem Wert hält, wobei der bekannte Temperaturkoeffizient des Heizelements als Istwert-Größe in einem Regelkreis genutzt wird.
    • 3.4 eine Störgröße, die auf den Heizungsregler einwirkt, welche die IST-Temperatur des Sensors um einen frei wählbaren Betrag erhöhen oder vermindern kann
    • 3.5 eine Auswerteanordnung, welche einen Microrechner aufweist, welcher den Heizungsregler steuert, und welcher die gasabhängigen Signale des Sensors verarbeitet.
    • 3.6 ein Meßwert-Wandler, der die sich bei Anwesenheit von Gas ändernden elektrischen Daten des Sensors ermittelt und in digitale Werte wandelt. Als Sensordaten der Wirkschicht kommen sowohl deren elektrischer Widerstand, in Ω, ohm'scher Widerstand, als auch deren Ladungszustand, in Q, Ladungsmenge in Coloumb, in Frage. Der Messwert-Wandler stellt die augenblicklichen Sensorwerte S1a und S2a der Auswerteanordnung zur Verfügung.
  • In einem Speicher der Auswerteanordnung 3.5 wird prinzipiell die vorgenannte Tabelle abgelegt, also die bei verschiedenen Konzentrationen oxidierbarer, unterschiedlicher Gase ermittelten Daten, wie
    • • Gas
    • • Gaskonzentration, in ppm oder mg/m3
    • • Sensorwert S, bzw. Paare von Sensorwerten S1 und S2, entweder als elektrischer Widerstand oder als elektrische Ladung
    • • Quotient VQ.
  • Wird der Sensor zum Beispiel in einer Belüftungsanlage eingesetzt, kann die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden, weil die benannten Substanzen, wie zum Beispiel Ammoniak, entweder unangenehm oder stark riechen oder aber toxisch sind, oder aber beides.
  • Durch eine Bewertung des vom Sensor abgegeben Signals in der elektronischen Auswerteanordnung kann in diesem Fall das abgegebene Signal um einen sogenannten "Belästigungsfaktor" oder einen "Gefahrenfaktor" erhöht werden und wird daher in Folge anders von der Steuerung der Belüftungsanlage verarbeitet, als ein solches Signal, welches von z.B. ungefährlichen Alkoholdämpfen ausgelöst ist, weil das z.B. von Ammoniak verursachte Signal mit einem "Belästigungsfaktor" künstlich vom Wert her erhöht worden ist.
  • In einer beispielhaften Ausführung wird das augenblickliche Paar von Sensorsignalen S1a und S2a laufend vom Messwertwandler 3.6 ermittelt und dem Microrechner 3.5 der Auswerteanordnung übergeben, welcher den Quotienten VQa errechnet. Der Microrechner, μC, wertet das Signal entsprechend der jeweiligen Aufgabenstellung aus. Zum Beispiel kann der Microrechner vom Quotienten VQa einen mittleren Wert und dessen normale Schwankungsbandbreite als Durchschnitt über eine festgelegte Zeit ermitteln. Verlässt der momentan gemessene Sensor-Quotienten VQa dieses festgelegte und in gewissen Grenzen sich an den Durchschnittswert adaptierbare Band, ist dies eine Abweichung, welche zu einer Aktion führt.
  • Zum Beispiel kann sofort die Lüftung unterbrochen werden, um die Einführung unerwünschter Luftbelastungen in das zu belüftende Objekt zu verhindern. Im Anschluss wird über die Temperaturmodulation der Wert SQa ermittelt.
  • Sollte der Wert VQa < 1 sein, also Ammoniak oder ein halogenisierter Kohlewasserstoff oder H2S oder eine andere diese Reaktion auslösende, zumeist toxische, Substanz in der Luft anwesend sein, wird der Ausgangswert gewichtet, also um einen die Belästigung oder die Gefährdung repräsentierenden Faktor erhöht. Zusätzlich kann ein besonderer Alarm, wie "Gefahr", ausgelöst werden.
  • Die Ermittlung des Quotienten VQa wird periodisch solange fortgesetzt, bis der Quotient VQa wieder den für Normalluft typischen Wert VQL erreicht hat. Erst dann wird der Alarm automatisch zurückgenommen.
  • Für Sicherheitsanwendungen kann vorgesehen werden, dass der Alarm solange stehen bleibt, bis durch autorisierte Maßnahmen der Alarm aufgehoben werden darf. Dies kann z.B. bei der Überwachung von Lüftungsanlagen in Bezug auf Sicherheitsgesichtspunkte der Fall sein.
  • Die Erfindung kann in zahlreichen Variationen ausgeführt werden und kann insbesondere in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz kommen.
  • Allen Variationen gemeinsam ist, dass periodisch durch kurzzeitige Wechsel die Temperatur der Sensorwirkschicht aus der Normalbetriebstemperatur, z.B. 350°C, heraus zu höheren Temperaturen und niedrigeren Temperaturen verändert wird. Die dadurch erzeugten Änderungen des Sensorwertes, die vorzugsweise als Paar vorliegen, werden ausgewertet, indem der Temperaturwechselimpuls analysiert wird. Eine der Analysemethoden ist, die positiven und die negative Abweichungen vom Sensorwert bei normaler Betriebstemperatur festzustellen und diese Änderungsbeträge zueinander in ein Verhältnis zu setzen (siehe die Lehre der Erfindung DE 195 43 296 C2 ).
  • Bei mit VOC-Dämpfen oder Gasen, organische Verbindungen, belastete Luft korreliert das Verhältnis VQ mit dem Sensorwert S. Bei Abweichungen des festgestellten Verhältnisses von den für VOC ermittelte und gespeicherte typische Werte kann auf die Anwesenheit vor allem von Ammoniak, aber auch von anderen halogenisierten Kohlewasserstoffen oder von anorganisch-organischen Verbindungen geschlossen werden. In diesem Fall dient der veränderte Quotient VQ sowohl als Maß für die Konzentration des angebotenen Gases, zum Beispiel Ammoniak, als auch der Identifikation der Gasart.
  • Zusammenfassend ist auszuführen, dass die Wirkschicht von oxidischen, halbleitenden Halbleiter-Gassensoren auf möglichst konstante Temperatur geheizt wird. Kurzzeitige Erhöhung und Verminderung der Heiztemperatur erzeugen somit eine an die Temperatur bzw. an die Temperaturänderung gekoppelte Änderung des Sensorwertes. Unter Einwirkung von oxidierbarem Gas ändert sich das Verhältnis der temperaturabhängigen Änderungen der Sensorwerte in typischer Weise und gleichzeitig ändert sich der Grundwert des Sensors. Bei Begasung mit Ammoniak und anderen anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen ändert sich das Verhältnis reziprok, was zur Identifizierung des Gases, insbesondere von Ammoniak, genutzt wird.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit:
  • Die Erfindung ist insbesondere bei oxidischen, halbleitenden Gassensoren zur Identifizierung von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak, geeignet.

Claims (8)

  1. Sensorsystem zur Detektion von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak, bestehend aus einem halbleitenden, oxidischen Sensorelement mit sensitiver Wirkschicht und Heizung, einer elektrischen Schaltung zur Energieversorgung der Sensorheizung, wobei die elektrische Schaltung imstande ist, kurzzeitig die Temperatur der Wirkschicht aus der Normalbetriebstemperatur heraus zu einer höheren Temperatur zu erhöhen und anschließend auf eine niedrigere Temperatur abzusenken, einem Messwandler zur Ermittlung der dadurch erzeugten, gasabhängigen Sensorsignale sowie einer Auswerteanordnung, vorzugsweise mit einem Mikrorechner, zur Beeinflussung der Sensorheizung und zur Auswertung der Sensorsignale, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem aus den, vorzugsweise periodischen, kurzzeitigen, unmittelbar aufeinander folgenden positiven und negativen Temperaturänderungen bei verschiedenen Konzentrationen unterschiedlicher oxidierbarer Gase Sensorwerte (S1, S2) ermittelt, aus denen der Quotient (VQ = S1/S2) gebildet wird, wobei die diesem Quotienten (VQ) zugeordneten, von der Art des Gases und von der Gaskonzentration bei Normalbetriebstemperatur abhängigen Sensorwerte (S1, S2) und die zugehörenden Quotienten (VQ) in einem elektronischen Speicher der Auswerteanordnung in geeigneter Form als Daten gespeichert werden und dass während des anschließenden Betriebs des Sensorsystems diese Daten (S1, S2, VQ) fortlaufend oder periodisch mit den augenblicklich gemessenen, vom aktuell vorhandenen Gas abhängigen Sensorwerten sowie dem daraus errechneten Quotienten (S1a, S2a, VQa) verglichen werden.
  2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die gasabhängigen Sensorwerte (S) nicht mehr mit den aus Temperaturwechseln ermittelten und gespeicherten Werten (VQ) korrelieren, eine vom Normalfall abweichende Behandlung der Sensorsignale in der Auswerteanordnung erfolgt.
  3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei den durch Auswertung der durch periodischen Temperaturwechsel erzeugten Quotienten (VQ) von der Auswerteanordnung geprüft wird, ob diese kleiner 1 oder größer 1 sind.
  4. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Quotienten (VQ) von < 1 durch die Auswerteanordnung auf das Vorhandensein von Ammoniak oder halogenisierten Kohlewasserstoffen oder von anorganischen Verbindungen geschlossen wird.
  5. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement ein beheizter halbleitender Metalloxid-Sensor ist.
  6. Sensorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als gas- und temperaturabhängige Sensorgröße (S) des Sensorelements entweder der ohm'sche Widerstand (in Ohm) des Sensors oder die in der Wirkschicht in Abhängigkeit des vorhandenen Gases gespeicherte Ladungsmenge (in Coulomb) gemessen wird.
  7. Verfahren zur Detektion von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak, bestehend aus einem halbleitenden, oxidischen Sensorelement mit sensitiver Wirkschicht und Heizung, einer elektrischen Schaltung zur Energieversorgung der Sensorheizung, wobei die elektrische Schaltung imstande ist, kurzzeitig die Temperatur der Wirkschicht aus der Normalbetriebstemperatur heraus zu einer höheren Temperatur zu erhöhen und anschließend auf eine niedrigere Temperatur abzusenken, einem Messwandler zur Ermittlung der dadurch erzeugten, gasabhängigen Sensorsignale sowie einer Auswerteanordnung, vorzugsweise mit einem Mikrorechner, zur Beeinflussung der Sensorheizung und zur Auswertung der Sensorsignale, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem aus den, vorzugsweise periodischen, kurzzeitigen, unmittelbar aufeinander folgenden positiven und negativen Temperaturänderungen bei verschiedenen Konzentrationen unterschiedlicher oxidierbarer Gase Sensorwerte (S1, S2) ermittelt, aus denen der Quotient (VQ = S1/S2) gebildet wird, wobei die diesem Quotienten (VQ) zugeordneten, von der Art des Gases und von der Gaskonzentration bei Normalbetriebstemperatur abhängigen Sensorwerte (S1, S2) und die zugehörenden Quotienten (VQ) in einem elektronischen Speicher der Auswerteanordnung in geeigneter Form als Daten gespeichert werden und dass während des anschließenden Betriebs des Sensorsystems diese Daten (S1, S2, VQ) fortlaufend oder periodisch mit den augenblicklich gemessenen, vom aktuell vorhandenen Gas abhängigen Sensorwerten sowie dem daraus errechneten Quotienten (S1a, S2a, VQa) verglichen werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die gasabhängigen Sensorwerte (S) nicht mehr mit den aus Temperaturwechseln ermittelten und gespeicherten Werten (VQ) korrelieren, eine vom Normalfall abweichende Behandlung der Sensorsignale in der Auswerteanordnung erfolgt.
DE102005039224A 2005-08-17 2005-08-17 Oxidische Halbleiter-Gassensoren zur Identifizierung und Konzentrationsbestimmung von anorganisch-organischen Gasen oder Dämpfen, insbesondere von Ammoniak sowie Verfahren zur Identifizierung von Gasen oder Dämpfen Withdrawn DE102005039224A1 (de)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102007057500A1 (de) * 2007-11-29 2009-06-10 Siemens Ag Gassensorelement
DE102012110095A1 (de) * 2012-10-23 2014-04-24 Unitronic Ag Verfahren zur Gasdetektion und entsprechende Gas-Sensorvorrichtung
DE102022125131A1 (de) 2022-09-29 2024-04-04 Trox Gmbh Verfahren zur Erfassung von mikrobiellen flüchtigen organischen Verbindungen (MVOC) in einem gasförmigen Medium sowie raumlufttechnische Anlage zur Belüftung und/oder zur Entlüftung eines Raumes umfassend zumindest einen Strömungskanal

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