DE102006009370A1

DE102006009370A1 - Verfahren und Sensor zur Bestimmung der Gaszusammensetzung in Begasungsbrutschränken

Info

Publication number: DE102006009370A1
Application number: DE200610009370
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Gatzmanga; Dieter Dr. Baschant
Original assignee: M & R Mes und Regelungstechnik; M+R Meß- und Regelungstechnik GmbH
Current assignee: M & R Mes und Regelungstechnik; M+R Meß- und Regelungstechnik GmbH
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: DE102006009370B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff in Begasungsbrutschränken mit einem einzelnen Sensor. Die Modulation eines Magnetfeldes in der Umgebung eines temperaturmodulierten Temperaturmesswiderstandes generiert in der nachgeschalteten Signalverarbeitung ein Wechselspannungssignal, das dynamisch analysiert wird, wobei aus den Signalkomponenten, die von der Temperaturmodulation beeinflusst werden, die Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf ermittelt wird und aus den Signalkomponenten, die von der Magnetfeldmodulation beeinflusst werden, die Sauerstoffkonzentration ermittelt wird. Ein geeigneter Sensor umfasst eine nichtmagnetische Gaszelle mit einem miniaturisierten Temperaturmesswiderstand und ein beweglich angeordnetes Magnetsystem, dessen Luftspalt mittels Aktoren verschoben und damit der örtliche Feldstärkegradient am Temperaturmesswiderstand moduliert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Konzentration von Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf in Begasungsbrutschränken sowie einen Sensor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zur Sicherung optimaler Wachstumsbedingungen von Mikroorganismen spielen die Steuerung und/oder Regelung der Kohlendioxidkonzentration, der Feuchte und des Sauerstoffgehaltes in Begasungsbrutschränken eine wichtige Rolle. Je nach Ausstattungsgrad des Begasungsbrutschrankes werden nicht alle Gaskomponenten gemessen und geregelt beziehungsweise werden dem Stand der Technik entsprechend zur Messung der Konzentration der einzelnen Komponenten jeweils mehrere unterschiedliche Sensoren eingesetzt.

Als Kohlendioxidsensoren werden Infrarotsensoren ( DE 10138302 A1 ) oder Wärmeleitfähigkeits-Messzellen (US-A-3 929 584) eingesetzt. Beim Einsatz von Wärmeleitfähigkeits-Messzellen besteht dabei das Problem, dass die im Begasungsbrutschrank vorhandene Feuchte, die auf Grund von Beschickungsvorgängen sehr starken Schwankungen unterliegen kann, den Nullpunkt des Kohlendioxid-Wärmeleitfähigkeitsensors verschiebt und damit Korrekturmaßahmen erforderlich werden. Diese können, wie in der US-A-5 418 131 beschrieben, darin bestehen, dass ein Multisensorsystem mit einem zusätzlichen Feuchtesensor und einem zusätzlichen Temperatursensor aufgebaut wird, wobei aus der relativen Feuchte und der Temperatur die absolute Feuchte berechnet und damit der Kohlendioxid-Wärmeleitfähigkeitssensor korrigiert wird, oder darin, dass komplexe Kalibrier- und Korrekturstrategien realisiert werden, wie sie beispielsweise in der DE 33 15 085 C2 oder der EP 0 829 712 B1 beschrieben sind.

Für die Messung der Feuchte werden häufig kapazitive Feuchtesensoren eingesetzt und für die Sauerstoffmessung werden elektrochemische Gassensoren auf der Basis von sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten oder paramagnetische Messzellen verwendet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Konzentration von Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf in Begasungsbrutschränken anzugeben sowie einen Sensor zu entwickeln, der für die Anwendung des Verfahrens geeignet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Ansprüchen 1 und 6 angegebenen Mitteln gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren repräsentiert die Verbindung einer dynamischen Wärmeleitfähigkeitsmessung mit einer paramagnetischen Sauerstoffmessung auf eine Art und Weise, die eine vorteilhafte Integration beider Messverfahren in einem einzelnen Sensor ermöglicht.

Die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert auf dem Einsatz eines miniaturisierten mit geringer thermischer Zeitkonstante, dessen Übertemperatur gegenüber Umgebung sowohl durch eine zeitliche Variation der Beheizung des Messwiderstandes selbst oder eines Membranträgers als auch durch zeitliche Änderungen der thermodynamischen oder mechanischen Parameter der ihn umgebenden Gasatmosphäre moduliert werden kann.

Das Prinzip der Wärmeleitfähigkeitsmessung sowie der Aufbau miniaturisierter Temperaturmesswiderstände zum Einsatz als Mikro-Wärmeleitfähigkeitsdetektoren (μWLD) sind dem Stand der Technik entsprechend bekannt, werden beispielsweise in der WO 02/059 588 A1, in der DE 37 11 511 C1 oder in „Industrielle Gassensorik", Gerhard Wiegleb ..., Renningen-Malmsheim, expert-Verlag 2001 beschrieben und sollen hier nicht näher erläutert werden. Neben den auf den MEMS-Technologien basierenden μWLD's, die auch kommerziell verfügbar sind, in vielen Wärmeleitfähigkeits-Gasanalysatoren eingesetzt werden und im dynamischen Betrieb Temperaturhübe von 100 °C und Modulationsfrequenzen größer 2 Hz erreichen, können als Temperaturmesswiderstände erfindungsgemäß auch Wolframwendeln eingesetzt werden.

Des Weiteren sind Permanentmagnete (6) aus Neodym und Samarium-Kobalt verfügbar, mit denen kompakte Magnetsysteme aufgebaut werden können, bei denen in einem Luftspalt von 1 cm Länge eine Feldstärke von 0.8 T erreicht wird. Aktoren (8) für die Positionsmodulation des Luftspaltes des Magnetsystems können auf der Basis von elektromagnetischen oder Piezoantrieben aufgebaut werden.

Damit können Gassensoren entsprechend 1 oder 2 aufgebaut werden.
Da sich die Temperaturabhängigkeiten der Wärmeleitfähigkeit von Kohlendioxid und Wasserdampf signifikant unterscheiden (vgl. P. Profos (Hrsg.), Handbuch der Industriellen Messtechnik, Vulkan Verlag, Essen, 1978) besteht die Möglichkeit, das heizleistungsmodulierte Temperatursignal des Temperaturmesswiderstandes so zu filtern, dass die enthaltenen Informationen über die Kohlendioxidkonzentration und den Wasserdampfgehalt der Messatmosphäre separiert werden können. Wenn innerhalb der Messzelle ein inhomogenes Magnetfeld auftritt, wird bei Anwesenheit von Sauerstoff dieser auf Grund seines Paramagnetismus in das Magnetfeld hineingezogen und erzeugt einen sogenannten magnetischen Wind. Durch die erfindungsgemäße zusätzliche Magnetfeldmodulation kann dementsprechend die Zone des Auftretens des magnetischen Windes in den Bereich des Temperaturmesswiderstandes verlagert werden, was zu diesem Zeitpunkt eine von der Sauerstoffkonzentration abhängige zusätzliche Abkühlung des Temperaturmesswiderstandes bewirkt.
Die Verschiebung des Luftspaltes (7) kann sowohl durch ein geradlinige Bewegung, wie in 1 darstellt, als auch durch eine Verdrehung um eine Achse (10) erfolgen.

Claims

Verfahren zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff in Begasungsbrutschränken, dadurch gekennzeichnet, dass dem zeitlichen Verlauf der Übertemperatur eines dem zu analysierenden Gasgemisch ausgesetzten Messwiderstandes durch geeignete Modulation der Beheizung des Messwiderstandes und des örtlichen Gradienten der magnetischen Feldstärke in der Umgebung des Messwiderstandes, periodische Zeitfunktionen aufgeprägt werden, die in dem Messwiderstand eine periodische Widerstandsänderung hervorrufen, dass die Modulationsfunktionen für die Temperaturmodulation und die Magnetfeldmodulation bezüglich Frequenz und Phasenlage so ausgelegt werden, dass die durch die Temperaturmodulation und die Magnetfeldmodulation hervorgerufenen Signalkomponenten der periodischen Widerstandsänderung des Messwiderstandes durch geeignete Hard- und/oder Softwarefilter getrennt werden können, und dass diese periodische Widerstandsänderung dynamisch derart analysiert wird, dass aus den Signalkomponenten, die von der Temperaturmodulation beeinflusst werden, die Konzentration von Kohlendioxid und Wasserdampf ermittelt wird und aus den Signalkomponenten, die von der Magnetfeldmodulation beeinflusst werden, die Sauerstoffkonzentration ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturmodulation und Magnetfeldmodulation gleichzeitig mit der selben Frequenz und einer Phasenverschiebung von 90° erfolgen, und dass die dynamische Signalanalyse auf der Basis geeignet eingestellter phasenempfindlicher Gleichrichter erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturmodulation und Magnetfeldmodulation mit unterschiedlichen Frequenzen erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Signalanalyse eine Fourieranalyse des Zeitverlaufes der Widerstandsänderung des Messwiderstandes umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldmodulation mit einem Bruchteil der Frequenz der Temperaturmodulation erfolgt, und dass die dynamische Signalanalyse lediglich die Auswertung der einfach zu ermittelnden Parameter Mittelwert und Amplitude der Widerstandsänderung des Messwiderstandes umfasst
Sensor zur Messung der Konzentration von Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff in Begasungsbrutschränken zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, einen beheizbaren, miniaturisierten Temperaturmesswiderstand (1) in einer nichtmagnetische Gaszelle (2), der über eine Öffnung mit einem optionalen Filter (3) dem zu analysierenden Gas ausgesetzt ist, sowie ein Magnetsystem, bestehend aus einem Permanentmagneten (6), einen Rückflusskern (4), Polschuhe (5) sowie einen Luftspalt (7), dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Luftspaltes (7) des Magnetsystems relativ zum Temperaturmesswiderstand (1) über Mittel (8, 9, 10) verändert werden kann.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (7) des Magnetsystems so verschoben werden kann, dass sich die Kanten der Polschuhe (5) und damit die Zone des höchsten örtlichen Feldstärkegradienten innerhalb des Verschiebeweges (11) sowohl in der Nähe des Temperaturmesswiderstandes (1) als auch entfernt davon befinden können.