DE102008028682A1 - Method for measuring gas concentrations by means of a metal oxide gas sensor, sensor device for carrying out the method and use thereof - Google Patents

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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0006Calibrating gas analysers

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Messraum (36) befindlichen Gassensors (16). Um auch kostengünstige Gassensoren in sensibler Umgebung mit einer größeren Funktionssicherheit und geringerem Aufwand betreiben zu können, wird vorgeschlagen, den Gassensor (16) in einem kleinen Messvolumen (14) in wenigstens zwei Betriebsmodi abwechselnd diskontinuierlich zu betreiben. Durch katalytische Reinigung in einem der Betriebsmodi und/oder eine Herausfilterung sich nur über einen längeren Zeitraum hinweg ändernder Signalanteile kann dann eine basislinien-unabhängige Vermessung erfolgen.The invention relates to a method for operating a gas sensor (16) located in a measuring space (36). In order to operate cost-effective gas sensors in a sensitive environment with greater reliability and lower cost, it is proposed to operate the gas sensor (16) in a small measuring volume (14) in at least two operating modes alternately discontinuous. By catalytic cleaning in one of the operating modes and / or filtering out only over a longer period of time changing signal components can then be a baseline-independent survey.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermessen von Gaskonzentrationen mittels eines in einem Messraum befindlichen Metalloxid-Gassensors sowie eine Sensorvorrichtung zum Erfassen von Stoffen in einem Fluid mit einem Messraum und einem Metalloxidsensor in dem Messraum. Außerdem betrifft die Erfindung vorteilhafte Verwendungen einer solchen Sensorvorrichtung.The The invention relates to a method for measuring gas concentrations by means of a metal oxide gas sensor located in a measuring chamber and a sensor device for detecting substances in a fluid with a measuring space and a metal oxide sensor in the measuring space. It also concerns the invention advantageous uses of such a sensor device.

Zur Detektion von unterschiedlichen Gasen und Dämpfen werden heutzutage in der Industrie kostengünstige Dickschichtmetalloxidsensoren verwendet. Metalloxidsensoren verändern allerdings ihren Basiswiderstand mit der Betriebsdauer und der Betriebstemperatur. Ein möglicher Einsatz dieser Gassensoren in Feueralarm- und Überwachungsanlagen ist somit problematisch, da ein durch eine Steuerung oder Software gesetzter Alarmschwellwert mit der Betriebszeit überschritten wird. Ein Einsatz von Metalloxidsensoren beinhaltet deshalb immer aufwändige Kalibrierungs- und Wartungsarbeiten.to Detection of different gases and vapors In the industry today, inexpensive thick film metal oxide sensors used. However, metal oxide sensors change theirs Base resistance with operating time and operating temperature. A possible use of these gas sensors in fire alarm and surveillance equipment is thus problematic as a by a control or software set alarm threshold with the Operating time is exceeded. A use of metal oxide sensors therefore always involves complex calibration and Maintenance work.

Beispiele für Sensorvorrichtungen mit Metalloxid-Gassensoren sind in der WO-01/65211 A2 sowie der EP 0 722 789 A1 offenbart. Es sind hierbei aufwändige Kalibrierungsarbeiten unter Verwendung von externen Gasquellen beschrieben. Die bekannten Sensorvorrichtungen sind daher personalaufwendig und benötigen externe Gasreservoirs.Examples of sensor devices with metal oxide gas sensors are in WO-01/65211 A2 as well as the EP 0 722 789 A1 disclosed. In this case, elaborate calibration work using external gas sources is described. The known sensor devices are therefore labor-intensive and require external gas reservoirs.

Aus Th. Becker, St. Mühlberger, Chr. Bosch-von Braunmühl, G. Müller, A. Meckes and W. Benecke: „Gas Mixture Analysis Using Silicon Micro-Reactor Systems” Journal of Microelectromechemical Systems 9 (2000) 478–484 ; und aus Th. Becker, St. Mühlberger, Chr. Bosch-von Braunmühl, G. Müller, A. Meckes and W. Benecke: „Microreactors and Microfluidic Systems: An Innovative Approach to Gas Sensing Using Tin-Oxide-Based Gas Sensors”; Sensors & Actuators B77 (2001) 48–54 ist es bekannt, Gassensoren in Verbindung mit Mikroreaktoren zu betreiben. Ein Mikroreaktor (auch mikrostrukturierter Reaktor oder Mikrokanalreaktor genannt) ist eine Vorrichtung zur Durchführung von chemischen oder physikalischen Reaktionen in einer Umgebung mit typischen Breitenabmaßen unterhalb von etwa 1 mm. Mikroreaktoren weisen z. B. Mikrokanäle auf oder sind als solche ausgebildet. Solche Mikrokanäle haben typischerweise einen Strömungsquerschnitt in der Größenordnung von weniger als etwa 1 mm2.Out Th. Becker, St. Mühlberger, Chr. Bosch von Braunmühl, G. Muller, A. Meckes and W. Benecke: "Gas Mixture Analysis Using Silicon Micro Reactor Systems" Journal of Microelectromechanical Systems 9 (2000) 478-484 ; and from Th. Becker, St. Mühlberger, Chr. Bosch von Braunmühl, G. Müller, A. Meckes and W. Benecke: "Microreactors and Microfluidic Systems: An Innovative Approach to Gas Sensing Using Tin-Oxide-Based Gas Sensors"; Sensors & Actuators B77 (2001) 48-54 It is known to operate gas sensors in conjunction with microreactors. A microreactor (also called a microstructured reactor or microchannel reactor) is a device for performing chemical or physical reactions in an environment having typical widths of less than about 1 mm. Microreactors have z. B. microchannels or are designed as such. Such microchannels typically have a flow area of the order of less than about 1 mm 2 .

Zur Detektion von unterschiedlichen Gasen und Dämpfen werden heutzutage in der Industrie relativ einfach und mit geringerem Kostenaufwand herstellbare Dickschichtmetalloxidsensoren verwendet. Um den Leistungsverbrauch dieser Sensoren zu reduzieren, geht der aktuelle Trend der Forschung allerdings in Richtung Dünnfilmtechnologie. Die sensitiven Schichten der Sensoren haben hier nur mehr eine nominelle Schichtdicke von wenigen 100 nm.to Detection of different gases and vapors Nowadays in the industry relatively easy and less expensive manufacturable Dickschichtmetalloxidsensoren used. To the power consumption To reduce these sensors, the current trend of research however in the direction of thin-film technology. The sensitive ones Layers of the sensors here only have a nominal layer thickness from a few 100 nm.

Ein großer Nachteil von Metalloxid(MOX)-Gassensoren ist die Drift des Sensorbasiswiderstandes. Durch Korngrößenwachstum steigt der Basiswiderstand der polykristallinen Sensormaterialien während der Betriebszeit langsam an. Dieser Effekt wird insbesondere durch die notwendigen hohen Sensortemperaturen (300°C–500°C) angetrieben.One big disadvantage of metal oxide (MOX) gas sensors is the Drift of the sensor base resistor. By grain size growth the base resistance of the polycrystalline sensor materials increases slowly during operation. This effect will in particular due to the necessary high sensor temperatures (300 ° C-500 ° C) driven.

Die Drift des Sensorwiderstandes ist in 10 näher verdeutlicht. 10 zeigt die Messergebnisse der Vermessung eines Sensorbasiswiderstandes von unterschiedlichen Arten von MOX-Gassensoren nach dem Stand der Technik während eines Konstanttemperaturbetriebes (bei ungefähr 400°C) über einen Zeitraum von mehreren Monaten hinweg. Bei allen vier vermessenen MOX-Gassensoren steigt der Basiswiderstand insbesondere anfänglich stärker an und bleibt auch danach nicht gleich.The drift of the sensor resistance is in 10 clarified in more detail. 10 FIG. 12 shows the measurement results of the measurement of a sensor base resistance of various types of prior art MOX gas sensors during a constant temperature operation (at about 400 ° C.) over a period of several months. In particular, for all four MOX gas sensors measured, the base resistance initially increases more strongly and does not remain the same thereafter.

Eine bei einer Messung festgestellte Veränderung des Grundwiderstandes kann somit einerseits durch die Anwesenheit eines reaktiven Gases oder andererseits durch das Korngrößenwachstum verursacht werden.A change in the basic resistance detected during a measurement Thus, on the one hand by the presence of a reactive gas or on the other hand caused by the grain size growth become.

Die Drift des Basiswiderstandes ist insbesondere für den Einsatz in automatischen Feueralarmanlagen oder sonstigen automatischen Überwachungsanlagen problematisch, wie nachfolgend anhand der 11 erläutert wird. 11 zeigt einen Graphen eines Sensorwiderstandes mit einem Basiswiderstand 100 über einen längeren Zeitraum hinweg. Der Basiswiderstand 100 steigt, wie zuvor anhand der 10 erläutert allmählich an. Es sind zwei Brandsituationen 102 und 104 eingezeichnet. Ein Feueralarmschwellwert 106 ist anhand des anfänglichen Basiswiderstandes fest eingestellt worden. Im Falle eines Brandes sinkt der Sensorwiderstand in gewissem Ausmaß. Bei der ersten Brandsituation 102 ist der Basiswiderstand 100 noch relativ gering, so dass durch das Absenken des Sensorwiderstandes der fest eingestellte Feueralarmschwellwert unterschritten wird und ein Feueralarm ausgelöst wird. Ist aber, wie bei der zweiten, späteren Brandsituation 104, der Basiswiderstand 100 höher, so reicht das Absenken des Sensorwiderstandes im Brandfall nicht mehr zum Unterschreiten des fest eingestellten Feueralarmschwellwertes aus; der Brand wird nicht erkannt.The drift of the base resistor is particularly problematic for use in automatic fire alarm systems or other automatic monitoring systems, as described below with reference to 11 is explained. 11 shows a graph of a sensor resistance with a base resistance 100 over a longer period of time. The basic resistance 100 rises, as before by the 10 gradually explains. There are two fire situations 102 and 104 located. A fire alarm threshold 106 has been fixed based on the initial base resistance. In case of fire, the sensor resistance decreases to some extent. At the first fire situation 102 is the base resistance 100 still relatively low, so that by lowering the sensor resistance of the fixed fire alarm threshold is exceeded and a fire alarm is triggered. But, as with the second, later fire situation 104 , the base resistor 100 higher, the lowering of the sensor resistance in case of fire is no longer sufficient to fall below the fixed fire alarm threshold; the fire is not recognized.

Aus den vorerwähnten Gründen benötigt man beim Einsatz von MOX-Gassensoren regelmäßig eine Kalibrierung des Basiswiderstandes unter Nullgasbedingungen. Dies ist aber bei offenen Systemen, wie sie insbesondere für Überwachungsaufgaben wünschenswert sind, nur mit großen Aufwand durchzuführen.For the reasons mentioned above, when using MOX gas sensors, regular calibration of the base resistor under zero-gas conditions is required. However, in open systems, as they are particularly desirable for monitoring tasks, this is only with great effort perform.

Im Allgemeinen ist eine solche Überprüfung mit personellem Aufwand und der Notwendigkeit von externen Referenzgasreservoiren verbunden.in the Generally, such a review is with human resources Expense and the need for external reference gas reservoirs connected.

Dieses aufwändige Prüfverfahren verhindert die Verwendung von MOX-Gassensoren in Anwendungsbereichen mit erhöhten Sicherheitsanforderungen. Zum Beispiel verwendet der Flugzeugbauer Airbus nur Sensoren, die ständig einen Selbsttest durchführen können, ohne dass zusätzliche Mittel (Gasreservoire, Personal) benötigt werden. Bis dato ist kein Verfahren bekannt, das eine Ermittlung des Basiswidertandes von MOX-Gassensoren ohne zusätzliche Referenzgasreservoire ermöglicht.This elaborate testing prevents use of MOX gas sensors in application areas with increased Safety requirements. For example, the aircraft manufacturer uses Airbus only sensors that constantly perform a self-test without additional resources (gas reservoirs, Staff) are needed. To date, no procedure It is known that a determination of the Basiswidertand of MOX gas sensors without additional reference gas reservoir allows.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines MOX-Gassensors derart bereit zu stellen, dass der MOX-Gassensor über einen längeren Zeitraum hinweg genauer und zuverlässiger arbeitet.task The invention is a method for operating a MOX gas sensor to provide such that the MOX gas sensor via a longer and more accurate and reliable.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Patentanspruch 1 gelöst.These The object is achieved by a method according to the attached Claim 1 solved.

Eine Sensorvorrichtung, mit welcher sich ein solches Verfahren durchführen lässt, ist in dem Nebenanspruch angegeben.A Sensor device with which perform such a process is, is specified in the secondary claim.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Vorteilhafte Verwendungen der Erfindung sind in dem weiteren Nebenanspruch angegeben.advantageous Uses of the invention are specified in the further independent claim.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Vermessung von Reaktivgaskonzentrationen mit Hilfe von MOX-Gassensoren ohne Bezug auf den Sensorbasiswiderstand ermöglicht.With the method according to the invention is the measurement of reactive gas concentrations using MOX gas sensors without Relation to the sensor base resistor allows.

Erfindungsgemäß werden zur Vermeidung einer Beeinflussung der Messung durch eine Drift des Sensorbasiswiderstandes zwei grundlegende Verfahrensprinzipien eingesetzt. Zum einen werden in einem Messraum, in dem der MOX-Gassensor betrieben wird, vorhandene Reaktivgase katalytisch zerlegt, um eine Nullgasatmosphäre in dem Messraum zu erzeugen, die zur Re-Kalibrierung des MOX-Gassensors herangezogen werden kann. Dies ist insbesondere bei einem kleinen Messraumvolumen durchführbar, weswegen der Messraum vorzugsweise als Mikrokammer ausgebildet ist. Zum anderen wird das Sensorsignal so verarbeitet, dass sich nur langsam über einen längeren Zeitraum hinweg verändernde Signalanteile herausgefiltert werden und nur sich in kleineren Zeiträumen, die der Durchführung von Messzyklen entsprechen, verändernde Signalanteile für die Messung beachtet werden.According to the invention to avoid influencing the measurement by a drift of the Sensor base resistor used two basic principles of operation. On the one hand, in a measuring room in which the MOX gas sensor is operated is catalytically decomposed existing reactive gases to a zero gas atmosphere in the measuring room, which is used to re-calibrate the MOX gas sensor can be used. This is especially true for a small one Measuring chamber volume feasible, which is why the measuring space preferably is designed as a micro-chamber. On the other hand, the sensor signal processed so that only slowly over a longer Periodically varying signal components filtered out be and only in smaller periods of time, the implementation of measuring cycles, changing signal components for the measurement is observed.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Vermessen von Gaskonzentrationen mittels eines in einem Messraum befindlichen Metalloxid-Gassensors, wobei ein Messzyklus wenigstens die folgende Schritte a) bis c) aufweist und mehrere solcher Messzyklen nacheinander durchgeführt werden:

  • a) Ersetzen eines in dem Messraum befindlichen Gases mit dem zu untersuchenden Gas,
  • b) Einschließen des zu untersuchenden Gases in dem Messraum und
  • c) Vermessen der Gaskonzentration über Erfassen des elektrischen Widerstandes des Metalloxid-Gassensors während der Einschließphase in Schritt b),
und wobei weiter zur Verringerung oder Vermeidung von Messfehlern durch eine Sensordrift:
  • • nach Schritt c) und vor dem erneuten Schritt a) der Schritt d) katalytische Umsetzung von Gasen in dem Messraum in nicht-reaktive Produkte und Kalibrieren des Basiswiderstands für darauffolgende Mes sungen auf einen daraufhin erhaltenen elektrischen Widerstandswert des Metalloxid-Gassensors durchgeführt wird und/oder
  • • von einem von dem Metalloxid-Gassensor (16) während der Messzyklen erhaltenes primäres Sensorssignal sich nur langsam über eine Vielzahl von Messzyklen hinweg ändernde Signalanteile herausgefiltert werden und nur der verbleibende, auf Änderungen im Rhythmus der Messzyklen basierende Signalanteil zur Vermessung herangezogen wird.
The invention provides a method for measuring gas concentrations by means of a metal oxide gas sensor located in a measuring space, wherein a measuring cycle has at least the following steps a) to c) and several such measuring cycles are carried out successively:
  • a) replacing a gas in the measuring space with the gas to be examined,
  • b) enclosing the gas to be examined in the measuring space and
  • c) measuring the gas concentration by detecting the electrical resistance of the metal oxide gas sensor during the containment phase in step b),
and further to reduce or avoid measurement errors by a sensor drift:
  • After step c) and before the renewed step a) the step d) catalytic conversion of gases in the measurement space into non-reactive products and calibration of the base resistance for subsequent measurements to a subsequently obtained electrical resistance of the metal oxide gas sensor is carried out and / or
  • • one of the metal oxide gas sensor ( 16 ) obtained during the measuring cycles primary sensor signal are filtered out only slowly over a plurality of measuring cycles away changing signal components and only the remaining, based on changes in the rhythm of the measuring cycles signal component is used for the measurement.

Durch die mehrfache Durchführung mehrerer Messzyklen hintereinander ergibt sich einerseits die Möglichkeit, zwischen Messzyklen oder als Teil der Messzyklen eine Kalibrierung anhand eines gereinigten Messraumes durchzuführen. Zum anderen wird durch die Wiederholung der Messzyklen ein gewisser Zeitraum vorgegeben, innerhalb der sich das Sensorsignal verändern sollte. Dieser Zeitraum kann zur Signalverarbeitung herangezogen werden, indem längerfristige Veränderungen herausgefiltert werden.By the multiple execution of several measuring cycles in a row On the one hand there is the possibility of between measuring cycles or as part of the measurement cycles, a calibration based on a cleaned Perform the measuring room. On the other hand, through the repetition the measuring cycles given a certain period, within which should change the sensor signal. This period can be for Signal processing are used by longer-term Changes are filtered out.

Beide grundlegenden Verfahrensprinzipien können grundsätzlich alternativ durchgeführt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die beiden Verfahrensprinzipien gemeinsam durchgeführt, wobei ein mit dem ersten Verfahrensprinzip kalibrierter Basiswiderstand bei der Signalverarbeitung nach dem zweiten Verfahrensprinzip verwendet wird, um so ein größeres und gegebenenfalls genaueres Ausgangssignal zu erhalten.Both basic procedural principles can basically alternatively be performed. In a particularly preferred Embodiment be the two principles of the method carried out jointly, one with the first procedural principle Calibrated base resistor during signal processing after second process principle is used, so a larger one and possibly more accurate output signal.

In bevorzugter Ausgestaltung wird zur Ermittlung des Basiswiderstandes derart vorgegangen, dass der Sensor in ein kleines Kammervolumen (im Bereich von höchstens wenigen cm3, vorzugsweise weniger als 1 cm3, mehr bevorzugt weniger als 500 mm3) integriert wird, das zeitdiskret von der Umwelt abgetrennt werden kann. Aktiviert man nun einen ebenfalls in das Volumen eingebrachten Katalysator, werden sowohl an der Sensoroberfläche als auch durch den Katalysator die vorhandenen Gase in nicht reaktive Produkte umgesetzt. Beispielsweise werden Gase zu CO2 und H2O verbrannt. Das Gasvolumen hat nach der Verbrennungsphase keine reaktiven Gasanteile mehr (Nullgaskonzentration) und der dann gemessene Sensorwiderstand entspricht dem Basiswiderstand. Eine Sensorkalibrierung kann somit automatisch durchgeführt werden.In a preferred embodiment, the procedure for determining the base resistance is such that the sensor is placed in a small chamber volume (in FIG Area of at most a few cm 3 , preferably less than 1 cm 3 , more preferably less than 500 mm 3 ) is integrated, which can be separated from the environment time discrete. Activating a catalyst also introduced into the volume, the existing gases are converted into non-reactive products both on the sensor surface and through the catalyst. For example, gases are burned to CO 2 and H 2 O. The gas volume after the combustion phase no more reactive gas shares (zero gas concentration) and then measured sensor resistance corresponds to the base resistance. A sensor calibration can thus be carried out automatically.

Bei einer weiter vorgeschlagenen Vorgehensweise wird über eine geeignete Signalprozessierung eine Messung unabhängig vom Basiswiderstand erreicht.at a further proposed approach is via a appropriate signal processing a measurement independent of Base resistance achieved.

Es ergeben sich längere Austauschzyklen für die Sensoren. Weiter sind Fehlalarme vermeidbar. Die Sensorfunktion ist – auch über längere Zeiträume und Wartungsintervalle – sichergestellt. Die Wartungsintervalle lassen sich reduzieren. Außerdem sind die Verwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete von Gassensoren, wie insbesondere Metalloxid-Sensoren weiter ausgedehnt.It result in longer replacement cycles for the sensors. Furthermore, false alarms are avoidable. The sensor function is - too over longer periods and maintenance intervals - guaranteed. The maintenance intervals can be reduced. Besides, they are the uses and applications of gas sensors, as in particular metal oxide sensors further extended.

Insbesondere ist ein Einsatz in Feuerdetektionssystemen in Luft- und Raumfahrtzeugen möglich.Especially is an employment in fire detection systems in aerospace vehicles possible.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:embodiments The invention will be described below with reference to the attached Drawings explained in more detail. It shows:

1 einen schematischen Querschnitt durch den Aufbau eines Mikroreaktorsystems mit einem Gassensor; 1 a schematic cross section through the structure of a microreactor system with a gas sensor;

2 einen Graph über eine Gasmessung mit Hilfe dieses Mikroreaktorsystems; 2 a graph of a gas measurement using this microreactor system;

3 einen Graph, der die Veränderung der Kammertemperatur und der Kammerfeuchte beim Ein- und Ausschalten einer Pumpe zeigt; 3 a graph showing the change in the chamber temperature and the chamber humidity when switching on and off a pump;

4 einen Graph, der die Veränderung der Kammerfeuchte und des Sensorwiderstandes beim Ein- und Ausschalten der Pumpe zeigt; 4 a graph showing the change in the chamber humidity and the sensor resistance when switching on and off the pump;

5 zwei Graphen die den Sensorresponse (relative Widerstandsänderung) eines MOX-Sensors bei Einwirkung von a) Feuchte und b) von NH3 bei unterschiedlichen Sensorbetriebstemperaturen zeigt; 5 two graphs showing the sensor response (relative resistance change) of a MOX sensor when exposed to a) humidity and b) of NH 3 at different sensor operating temperatures;

6 ein Schaltbild eines RC-Netzwerks, welches zur Signalverarbeitung zur Vermessung von Konzentrationsstufen reaktiver Gase an einem MOX-Gassensor mit Basiswiderstand RS_0 verwendbar ist; 6 a circuit diagram of an RC network, which is used for signal processing for measuring concentration levels of reactive gases at a MOX gas sensor with base resistance R S_0 ;

7 einen Graphen, der als Simulationsergebnisse die Wirkungen einer nach dem Prinzip der Schaltung von 6 durchgeführten Signalverarbeitung zeigt; 7 a graph showing as simulation results the effects of a principle of the circuit of 6 performed signal processing shows;

8 den Vergleich zweier Graphen vergleichbar denjenigen von 7, der die Auswirkungen einer besseren Anpassung eines Basiswiderstandes verdeutlicht; 8th the comparison of two graphs comparable to those of 7 that illustrates the effects of better matching a base resistor;

9 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines RC-Netzwerks, welches zur Signalverarbeitung zur Vermessung von Konzentrationsstufen reaktiver Gase an einem MOX-Gassensor verwendbar ist und einen an einen veränderlichen Basiswiderstand anpassbaren Lastwiderstand aufweist; 9 a circuit diagram of another embodiment of an RC network, which is used for signal processing for measuring concentration levels of reactive gases on a MOX gas sensor and having an adaptable to a variable base resistance load resistor;

10 einen Graphen mit mehreren Messkurven, der die Drift eines Sensorbasiswiderstandes von unterschiedlichen Arten von MOX-Gassensoren nach dem Stand der Technik während eines Konstant-Temperaturbetriebes über einen Zeitraum von mehreren Monaten hinweg verdeutlicht; und 10 a multi-trace graph illustrating the drift of a sensor base resistance of different types of MOX gas sensors of the prior art during a constant temperature operation over a period of several months; and

11 eine schematische Darstellung des Driftproblems bei einem Verfahren nach dem Stand der Technik zum Betreiben eines MOX-Gassensors mit fest eingestellten Alarmschwellwerten. 11 a schematic representation of the drift problem in a method according to the prior art for operating a MOX gas sensor with fixed alarm thresholds.

Im Folgenden wird anhand der beigefügten Figuren eine Ausführungsform eines Betriebsverfahrens für einen Gassensor beschrieben, bei dem eine Mikrokammer zur Vermessung von Gaskonzentrationen mit dem als Metalloxid-Gassensors ausgebildeten Gassensor so verwendet wird, dass die Messung durch eine Sensorbasisliniendrift nicht beeinflusst wird.in the Below is an embodiment with reference to the accompanying figures an operating method for a gas sensor, in which a micro-chamber for measuring gas concentrations with used as the metal oxide gas sensor formed gas sensor so is that the measurement is not affected by a sensor baseline drift.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Sensorvorrichtung 10 mit einem erweiterten Mikroreaktorsystem 12 (im Folgenden auch EMRS genannt) zur Gasanalyse verwendet.In a preferred embodiment, a sensor device 10 with an advanced microreactor system 12 (hereinafter also referred to as EMRS) used for gas analysis.

Das in 1 näher dargestellte Mikroreaktorsystem 12 hat eine Mikrokammer 14, einen MOX-Gassensor 16, einen Katalysator 18 und eine Pumpe 20.This in 1 closer illustrated microreactor system 12 has a micro chamber 14 , a MOX gas sensor 16 , a catalyst 18 and a pump 20 ,

Die Mikrokammer 14 ist beispielsweise in Mikrotechnologie hergestellt. Die Mikrokammer 14 weist dünne Gaseinlässe 22 und Gasauslässe 24 auf, die Mikrokanäle 26 als Strömungskanäle aufweisen. Die Mikrokanäle 26 haben aufgrund ihres sehr geringen Strömungsquerschnittes einen hohen Strömungswiderstand, so dass die Mikrokammer 14 – auch ohne Abschlusselemente wie Ventile oder dergleichen – allein durch die dünnen Gaseinlässe 22 und Gasauslässe 24 von der Umgebung getrennt ist.The micro chamber 14 is made, for example, in microtechnology. The micro chamber 14 has thin gas inlets 22 and gas outlets 24 on, the microchannels 26 have as flow channels. The microchannels 26 Due to their very small flow cross-section have a high flow resistance, so that the micro-chamber 14 - Even without end elements such as valves or the like - only by the thin gas inlets 22 and gas outlets 24 separated from the environment.

Der MOX-Gassensor 16 ist in der derart abgeschlossenen Mikrokammer 14 integriert. Er ist über eine nicht näher dargestellte und lediglich durch Heizanschlüsse 58 angedeutete Heizeinrichtung beheizbar.The MOX gas sensor 16 is in the thus closed micro-chamber 14 integrated. He is about a not shown and only by heating connections 58 indicated heating device heated.

Der Katalysator 18 ist ebenfalls mittels einer nicht näher dargestellten und lediglich durch Heizanschlüsse 58 angedeuteten Heizeinrichtung heizbar ausgeführt und ebenfalls in der Mikrokammer 14 eingebaut.The catalyst 18 is also by means of a non-illustrated and only by heating connections 58 indicated heating device designed to be heated and also in the micro-chamber 14 built-in.

Die Pumpe 20 ist beispielsweise als Mikropumpe ausgeführt und derart ausgebildet, dass die Luft in der Mikrokammer 14 abgesaugt und durch frische Luft mit unbekannten Konzentrationen reaktiver Spurengase ersetzbar ist.The pump 20 is designed for example as a micropump and designed such that the air in the micro-chamber 14 aspirated and replaceable by fresh air with unknown concentrations of reactive trace gases.

Zum Zweck der Gasanalyse wird das Mikroreaktorsystem 12 abwechselnd in zwei verschiedenen Betriebsmodi betrieben:

  • 1) in einem durchströmten Aktivzustand 28 (Pumpe an) – Pumpphase-;
  • 2) in einem Ruhezustand 34 (Pumpe aus) – Ruhephase oder Einschlussphase-.
For the purpose of gas analysis, the microreactor system 12 operated alternately in two different operating modes:
  • 1) in a flowed through active state 28 (Pump on) - Pumpphase-;
  • 2) in a dormant state 34 (Pump off) - resting phase or enclosure phase-.

In einer Pumpphase (Aktivzustand 28) wird Frischluft mit unbekannten Spurengaskonzentrationen aus der Umgebung in die Mikrokammer 14 eingesaugt.In a pumping phase (active state 28 ) Fresh air with unknown trace gas concentrations from the environment in the micro-chamber 14 sucked.

Daraufhin folgt ein Ruhezustand 34. Die Pumpe 20 wird ausgeschaltet, weswegen die eingesaugte Frischluft in der Mikrokammer 14 eingeschlossen wird. In dieser Einschlussphase wird das eingesaugte Luftvolumen mit Hilfe des eingebauten MOX-Gassensors 16 analysiert.This is followed by a hibernation 34 , The pump 20 is switched off, which is why the sucked fresh air in the micro chamber 14 is included. In this confining phase, the volume of air drawn in is calculated using the built-in MOX gas sensor 16 analyzed.

Nach Abschluss der Gasmessung kann das eventuell immer noch vorhandene Reaktivgas durch Beheizen des ebenfalls integrierten Katalysators 18 katalytisch zerlegt oder verbrannt werden. Auf diese Art und Weise kann vor jeder erneuten Gasexposition eine Nullgasprobe synthetisch erzeugt werden. Danach ist das Mikroreaktorsystem 12 für einen neuen Messzyklus bereit.After completion of the gas measurement, the possibly still existing reactive gas by heating the also integrated catalyst 18 catalytically decomposed or burned. In this way, a zero gas sample can be generated synthetically before each gas exposure. After that is the microreactor system 12 ready for a new measuring cycle.

Der Messzyklus weist daher die folgenden Schritte auf:

  • a) Einschalten der Pumpe 20;
  • b) Ausschalten der Pumpe 20;
  • c) Abfragen des Sensorsignals des MOX-Gassensors 16;
  • d) Beheizen des Katalysators 18.
The measuring cycle therefore has the following steps:
  • a) switching on the pump 20 ;
  • b) Switch off the pump 20 ;
  • c) Querying the sensor signal of the MOX gas sensor 16 ;
  • d) heating the catalyst 18 ,

Nach dem Ende dieses Messzyklus kann ein neuer Messzyklus mit Beginn des Schrittes a) erneut durchgeführt werden. Solche Messzyklen können in einem automatisierten Messverfahren periodisch nacheinander durchgeführt werden. Hierzu ist die Sensorvorrichtung 10 mit einer Steuerung 50 zum Steuern der einzelnen Komponenten des Mikroreaktorsystems 12 versehen. Der Steuerung 50 ist eine Kalibriereinrichtung 51 zur automatischen Kalibrierung zugeordnet.After the end of this measurement cycle, a new measurement cycle can be performed again with the beginning of step a). Such measuring cycles can be carried out periodically one after the other in an automated measuring method. For this purpose, the sensor device 10 with a controller 50 for controlling the individual components of the microreactor system 12 Mistake. The controller 50 is a calibration device 51 assigned for automatic calibration.

Die Steuerung 50 ist mit einer Leitung 52 an die Pumpe 20 angeschlossen, um diese entsprechend periodisch zu steuern. Die Pumpe 20 mit den Gaseinlässen 22 und den Gasauslassen 24 und der Steuerung 50 bilden somit eine Durchflusseinrichtung 62, mittels welcher sich der Durchfluss von Gas und insbesondere feuchter Luft durch die Mikrokammer 14 und dadurch durch den Messraum 36 einstellen lässt und insbesondere periodisch verändern lässt. In der hier dargestellten bevorzugten Ausgestaltung geschieht dies einfach durch Ein- und Ausschalten der Pumpe 20. Die Steuerung 50 ist weiter mit einer Signalleitung 54 an den MOX-Gassensor 26 angeschlossen und mit einer Leitung 56 an die Heizeinrichtung des Katalysators 18 angeschlossen. Die Steuerung 50 weist eine – bei spielsweise als Software realisierte – Selbsttesteinrichtung 60 auf, die das über die Signalleitung 54 erhaltene Sensorsignal in Abhängigkeit von der Steuerung der Durchflusseinrichtung 62 und insbesondere in Abhängigkeit von dem Schaltzustand der Pumpe 20 korreliert und hierdurch einen Selbsttest durchführt. Eine solche Selbsttestfunktion wird im Folgenden näher erläutert.The control 50 is with a lead 52 to the pump 20 connected in order to control these periodically. The pump 20 with the gas inlets 22 and the gas leaks 24 and the controller 50 thus form a flow device 62 by which the flow of gas and in particular moist air through the micro-chamber 14 and thereby through the measuring room 36 can be adjusted and, in particular, can be changed periodically. In the preferred embodiment shown here, this is done simply by switching the pump on and off 20 , The control 50 is on with a signal line 54 to the MOX gas sensor 26 connected and with a line 56 to the heater of the catalyst 18 connected. The control 50 has a - for example, realized as a software - self-test device 60 on that over the signal line 54 obtained sensor signal in response to the control of the flow device 62 and in particular depending on the switching state of the pump 20 correlates and thereby performs a self-test. Such a self-test function will be explained in more detail below.

Bei einem periodischen Durchführen der oben erwähnten Messzyklen ergibt sich durch das Ein- und Ausschalten der Pumpe 20 ein periodischer Gasaustauschvorgang, der sich in einem periodischen Signalverlauf niederschlägt, was im Folgenden auch als ”Atmen” des Mikroreaktorsystem 12 bezeichnet wird.In a periodic execution of the above-mentioned measuring cycles results from the switching on and off of the pump 20 a periodic gas exchange process, which is reflected in a periodic waveform, which in the following also as "breathing" of the microreactor system 12 referred to as.

Ausgehend von der periodisch diskontinuierlichen Betriebsweise des Mikroreaktorsystems 12 ergeben sich besondere Möglichkeiten einer basislinienunabhängigen Gasmessung, die im folgenden näher erläutert werden. Zudem ergibt sich die Möglichkeit einer Selbsttestfunktion.Starting from the periodically discontinuous mode of operation of the microreactor system 12 There are special possibilities of a baseline-independent gas measurement, which are explained in more detail below. In addition, there is the possibility of a self-test function.

Erstes Verfahren zur basislinien-unabhängigen Gasmessung:First procedure for baseline-independent Gas measurement:

Gasdetektion mit Hilfe des Mikroreaktorsystems und periodische Re-Kalibration durch Nullgas-Generierung:Gas detection with the help of the microreactor system and periodic re-calibration by zero-gas generation:

Zur Illustration des Mikroreaktorsystem-basierten Gassensierungsverfahren ist in 2 der Verlauf des elektrischen Widerstandes des MOX-Gassensors 16 über mehrere EMRS-Messzyklen hinweg als Funktion der Zeit aufgetragen. Als Rechtecke schematisch angedeutet sind die jeweiligen Zeiten – Aktivzustände 28-, in denen das Mikroreaktorsystem 12 durch Aktivieren der Pumpe 20 zwangsweise mit frischer Außenluft durchströmt wird.For illustration of the microreactor system-based gasification method is shown in 2 the course of the electrical resistance of the MOX gas sensor 16 plotted over several EMRS measurement cycles as a function of time. As a rectangle schematically indicated are the respec gen times - active states 28 - in which the microreactor system 12 by activating the pump 20 Forcibly flows through fresh air.

Bei dem Messbeispiel von 2 wird in fünf der sechs dargestellten Pumpzyklen jeweils feuchte Frischluft aus der Umgebung angesaugt. Bis auf sehr geringe periodische Erhöhungen des Sensorbasiswiderstands während der Pumpphasen – Aktivzustand 28 – wird wie erwartet kein Sensorresponse beobachtet.In the measuring example of 2 In each of the six illustrated pump cycles, moist fresh air is sucked in from the environment. Except for very small periodic increases in sensor base resistance during the pumping phases - active state 28 - As expected, no sensor response is observed.

Mit Beginn der dritten Pumpphase wird jedoch von dem Mikroreaktorsystem 12 Luft mit einer geringen Menge NO2 angesaugt. Als Reaktion hierauf wird – wie ebenfalls erwartet – ein großer Widerstandsanstieg beobachtet. Am Ende der Einschlussphase wird der eingebaute Katalysator 18 durch elektrisches Erhitzen aktiviert und das eingesaugte NO2 in nicht oder sehr viel schlechter detektierbares N2 und O2 umgesetzt. Durch katalytische Umsetzung der Reaktivgasprobe kann also künstlich Nullgas erzeugt werden. Danach ist das Mikroreaktorsystem 12 für einen neuen Messzyklus bereit.However, with the start of the third pumping phase, the microreactor system becomes 12 Air sucked in with a small amount of NO 2 . In response, as expected, a large increase in resistance is observed. At the end of the inclusion phase, the built-in catalyst becomes 18 activated by electric heating and the sucked NO 2 in not or much less detectable N 2 and O 2 reacted. By catalytic conversion of the reactive gas sample so artificial zero gas can be generated. After that is the microreactor system 12 ready for a new measuring cycle.

Durch Nullgasexposition und Messung des MOX-Sensorwiderstandes zu Beginn der nachfolgenden vierten Pumpphase kann somit eine Re-Kalibration der Sensorbasislinie erhalten werden, relativ zu der das eventuell nachfolgend eingesaugte Reaktivgas bewertet werden kann. Die Kalibriereinrichtung 51 ist in Software derart ausgebildet, dass sie eine solche Kalibrierung am Ende jedes Messzyklus automatisch durchführt.By zero gas exposure and measurement of the MOX sensor resistance at the beginning of the subsequent fourth pumping phase, a re-calibration of the sensor base line can thus be obtained relative to which the possibly subsequently aspirated reactive gas can be evaluated. The calibration device 51 is software designed to automatically perform such calibration at the end of each measurement cycle.

Eine eventuell auftretende langsame Drift der Sensorbasislinie während des EMRS-Betriebes kann wegen der häufigen periodischen Re-Kalibrationsmessungen toleriert werden.A possibly occurring slow drift of the sensor baseline during of EMRS operation may be due to frequent periodic Re-calibration measurements are tolerated.

2 stellt somit die Gasmessung mit Hilfe eines Mikroreaktorsystems 12 dar. Die Kurve 30 gibt den elektrischen Widerstand des MOX-Gassensors 16 als Sensorsignal wieder. Auf der x-Achse ist die Zeit in Sekunden eingetragen. Weiter ist an die Pumpe 20 angelegte Pumpenspannung 32 in Volt wiedergegeben. Mit Beginn der dritten Pumpphase wird NO2 in das EMRS eingesaugt. Während der anderen Pumpphasen wird feuchtehaltige Frischluft eingesaugt. Am Ende jedes der Messzyklen wird die Mikrokammer von eventuell vorhandenem Reaktivgas katalytisch gereinigt. 2 thus provides the gas measurement using a microreactor system 12 dar. The curve 30 gives the electrical resistance of the MOX gas sensor 16 as a sensor signal again. The time in seconds is entered on the x-axis. Next is the pump 20 applied pump voltage 32 reproduced in volts. With the beginning of the third pumping phase, NO 2 is sucked into the EMRS. During the other pumping phases, moist fresh air is sucked in. At the end of each of the measuring cycles, the microchamber is catalytically cleaned of any reactive gas present.

Implementieren einer Selbsttestfunktion:Implement a self-test function:

Als weitere Beobachtung fällt in der 2 auf, dass auch bei Abwesenheit reaktiver Spurengase der Widerstand 30 in der Pumpphase – Aktivzustand 28 – und der Einschlussphase – Ruhezustand 34 – geringfügig verschiedene Werte annimmt. Wie weiter unten gezeigt wird, ist dieses ”Atmen” des Mikroreaktorsystems 12 darauf zurückzuführen, dass mit jedem Ansaugzyklus mehr oder weniger feuchte Luft angesaugt wird und dass sich daraufhin in dem Messraum 36 – d. h. im Reaktorinneren der Mikrokammer 14 – in den beiden verschiedenen Betriebsmodi unterschiedliche feuchte Konzentrationen einstellen. Diese natürlich auftretenden Feuchteschwankungen können zu einem Selbsttest des EMRS-integrierten MOX-Gassensors 16 verwendet werden.As further observation falls in the 2 on, that even in the absence of reactive trace gases, the resistance 30 in the pumping phase - active state 28 - and the inclusion phase - resting state 34 - slightly different values. As will be shown below, this is "breathing" of the microreactor system 12 due to the fact that with each intake cycle more or less moist air is sucked in and that then in the measuring room 36 - ie in the reactor interior of the micro chamber 14 - set different moist concentrations in the two different operating modes. These naturally occurring humidity variations can be used to self test the EMRS integrated MOX gas sensor 16 be used.

Da H2O-Moleküle aufgrund ihrer Größe dichte Oberflächenbelegungen diffusiv nicht durchdringen können, deutet die Abwesenheit eines unterschiedlichen MOX-Sensorresponse in den beiden Betriebsmodi auf die Abwesenheit passivierend wirkender Oberflächenbelegungen hin. Bezüglich dieser diffusiven Hemmung verhält sich H2O ähnlich wie eine große Anzahl anderer reaktiver Gase, wie sie z. B. im Falle eines Brandes oder eines anderen Störfalls in der Umgebung auftreten. Eine Ausnahme im Bereich der reaktiven Gase bildet allein H2, das aufgrund seiner geringen Größe auch relativ dicke, passivierend wirkende SiO2- und Al2O3-Schichten durchdringen kann. Da Luftfeuchte in allen Regionen der Erde vorhanden ist, ist das vorgeschlagene H2O-basierte Verfahren universell einsetzbar und insbesondere alternativ möglichen H2-basierten Verfahren überlegen.Since H 2 O molecules can not diffusively penetrate dense surface coverings due to their size, the absence of a different MOX sensor response in the two operating modes indicates the absence of passively acting surface coatings. With regard to this diffusive inhibition, H 2 O behaves similarly to a large number of other reactive gases, such as those described in US Pat. B. occur in the event of a fire or other accident in the area. An exception in the field of reactive gases is formed by H 2 alone, which due to its small size can also penetrate relatively thick, passively acting SiO 2 and Al 2 O 3 layers. Since atmospheric moisture is present in all regions of the earth, the proposed H 2 O-based process is universally applicable and, in particular, is superior to possible H 2 -based processes.

Im Folgenden werden die physikalischen Hintergründe näher erläutert. Die Sensorvorrichtung 10 zeichnet sich insbesondere durch die folgenden drei Gegebenheiten aus:

  • 1) Die in 2 dargestellte Mikrokammer 14 ist aus Keramik oder einem anderen schlecht wärmeleitenden Material hergestellt.
  • 2) Der Messraum 36 ist durch die Gaseinlässe 22 und Gasauslässe 24 mit einem hohem Strömungswiderstand mit der Außenwelt verbunden. Diese Gaseinlässe 22 und Gasauslässe 24 behindern den diffusiven Gasaustausch mit der Umgebung so stark, dass bei abgeschalteter Pumpe 20 die Luft im Inneren der Mikrokammer 14 – also in dem Messraum 36 – effektiv von der Außenluft getrennt ist.
  • 3) Im Inneren der Mikrokammer 14 wird der durch die Heizeinrichtung beheizbare MOX-Gassenor 16 betrieben. Durch die Beheizung und die thermische Isolierung des Messraumes 36 kommt es deshalb in dem Ruhezustand 34 des Mikroreaktorsystems 12 zu einem Hitzestau in dem Messraum 36.
The physical backgrounds are explained in more detail below. The sensor device 10 is characterized in particular by the following three facts:
  • 1) The in 2 illustrated micro-chamber 14 is made of ceramic or other poor thermal conductivity material.
  • 2) The measuring room 36 is through the gas inlets 22 and gas outlets 24 connected to the outside world with a high flow resistance. These gas inlets 22 and gas outlets 24 hinder the diffusive gas exchange with the environment so much that when the pump is switched off 20 the air inside the micro chamber 14 - in the measuring room 36 - is effectively separated from the outside air.
  • 3) Inside the micro chamber 14 becomes the heated by the heater MOX-Gassenor 16 operated. By the heating and the thermal insulation of the measuring room 36 therefore it comes in the idle state 34 of the microreactor system 12 to a heat accumulation in the measuring room 36 ,

Aus der thermischen und gaskinetischen Separation des Reaktorinneren von der Außenwelt ergeben sich die folgenden Konsequenzen für die beiden Betriebsmodi:

  • – Nach Ansaugen einer frischen Probe mit endlicher aber ansonsten unbekannter Luftfeuchte wird bei Beginn des Ruhezustandes 34 das eingeschlossene Luftvolumen über die Umgebungstemperatur erhitzt. Durch den in dem Ruhezustand 34 des Mikroreaktorsystems 12 auftretenden Hitzestau wird die Absorption der eingetragenen Feuchte an den Redaktorinnenwänden reduziert und die Aufnahmefähigkeit der eingeschlossenen Luft für H2O-Moleküle erhöht. Im Ruhezustand 34 sieht der eingeschlossene MOX-Gassensor 16 deshalb eine gegenüber der Außenluft erhöhte Luftfeuchte.
  • – Im darauf folgenden durchströmten Zustand – Aktivzustand 28 – wird die feuchte Luft aus dem Reaktorinneren abgesaugt und durch kältere und weniger feuchte Außenluft ersetzt.
From the thermal and gas kinetic separation of the interior of the reactor from the outside world, the following consequences arise for the two operating modes:
  • - After aspiration of a fresh sample with finite but otherwise unknown humidity is at the beginning of the resting state 34 the trapped air volume is heated above ambient temperature. By in the resting state 34 of the microreactor system 12 occurring heat accumulation reduces the absorption of the registered moisture at the inner editor walls and increases the absorption capacity of the trapped air for H 2 O molecules. At rest 34 sees the enclosed MOX gas sensor 16 Therefore, compared to the outside air increased humidity.
  • - In the subsequent flow state - Active state 28 - The moist air is sucked out of the interior of the reactor and replaced by colder and less humid outside air.

Ein MOX-Gassensor 16 mit reaktiver Oberfläche sieht deshalb – je nach Betriebsmodus – zwei verschiedene Feuchtniveaus die zum Sensortest verwendet werden können.An MOX gas sensor 16 with reactive surface therefore sees - depending on the operating mode - two different humidity levels that can be used for the sensor test.

Die Selbsttesteinrichtung 60 ist daher beispielsweise derart ausgebildet, dass sie einen ständigen Wechsel des Sensorsignals bei Wechsel zwischen den beiden Betriebsmodi überwacht. Bleibt das Sensorsignal bei Wechsel des Betriebsmodus jedoch gleich, dann gibt die Selbsttesteinrichtung 60 ein Störungssignal ab. Die Steuerung 50 meldet dann eine Funktionssteuerung des MOX-Gassensors 16.The self-test device 60 Therefore, for example, is designed such that it monitors a constant change of the sensor signal when switching between the two operating modes. If, however, the sensor signal remains the same when the operating mode is changed, then the self-test device outputs 60 a fault signal. The control 50 then reports a function control of the MOX gas sensor 16 ,

Die beschriebenen Mechanismen werden durch die in den 3, 4 und 5 als Graphen dargestellten Ergebnisse illustriert.The mechanisms described are by the in the 3 . 4 and 5 Illustrated as graphs results.

3 zeigt die Veränderung der Kammertemperatur und der Kammerfeuchte beim Ein- und Ausschalten der Pumpe 20. Die allmählich abnehmende Feuchte ist auf das Einschwingen des vorher geöffneten Mikroreaktorsystems 12 zurückzuführen. 3 zeigt insbesondere die periodische Variation der Kammertemperatur 40 in den beiden Betriebsmodi und eine damit einhergehende Änderung der relativen Feuchte im Kammerinneren. Eine Kurve für die Kammerfeuchte 42 wurde hier mit Hilfe eines in dem Mikroreaktorsystem 12 platzierten Feuchtsensors direkt nachgewiesen. 3 shows the change in the chamber temperature and the chamber humidity when switching on and off the pump 20 , The gradually decreasing humidity is due to the settling of the previously opened microreactor system 12 due. 3 in particular, shows the periodic variation of the chamber temperature 40 in the two operating modes and a concomitant change in the relative humidity in the chamber interior. A curve for the chamber humidity 42 was here using one in the microreactor system 12 placed wet sensor detected directly.

4 zeigt die Veränderung der Kammerfeuchte 42 und des Sensorwiderstandes 30 beim Ein- und Ausschalten der Pumpe 20. 4 belegt, dass die mit dem eingebauten Feuchtsensor (nicht dargestellt) gemessenen Feuchtenänderungen auch von dem mit in die Mikrokammer 14 integrierten MOX-Gassensor 16 detektiert werden. 4 shows the change in the chamber humidity 42 and the sensor resistance 30 when switching on and off the pump 20 , 4 proves that the humidity changes measured with the built-in humidity sensor (not shown) are also from the micro chamber 14 integrated MOX gas sensor 16 be detected.

5 zeigt das Seniorresponse (die relative Widerstandsänderung) des MOX-Gassensors 16 bei Einwirken a) von Feuchte – linke Darstellung – und b) von NH3 – rechte Darstellung – bei unterschiedlichen Sensorbetriebstemperaturen. Parameter in beiden Abbildungen ist die anliegende Dampf- bzw. Gaskonzentration. Die linke Darstellung in 5 (5a) zeigt, dass die Feuchteempfindlichkeit eines MOX-Gassensors 16 selbst stark von der Sensorbetriebstemperatur abhängt. Insbesondere wird beobachtet, dass bei Sensorbetriebstemperaturen von weniger als etwa 100°C keine Wasserdampfempfindlichkeit beobachtet wird. Die rechte Darstellung von 5 (5b) zeigt andererseits dass bei Sensorbetriebstemperaturen, bei denen eine deutliche Wasserdampfempfindlichkeit beobachtet wird, MOX-Gassensoren 16 ebenfalls eine hohe Empfindlichkeit gegenüber anderen reaktiven Gasen (hier NH3) aufweisen. 5 shows the senior response (the relative resistance change) of the MOX gas sensor 16 when exposed to a) humidity - left-hand illustration - and b) NH 3 - right-hand illustration - at different sensor operating temperatures. The parameter in both figures is the applied vapor or gas concentration. The left illustration in 5 ( 5a ) shows that the moisture sensitivity of a MOX gas sensor 16 itself strongly depends on the sensor operating temperature. In particular, it is observed that at sensor operating temperatures less than about 100 ° C no water vapor sensitivity is observed. The right representation of 5 ( 5b On the other hand, at sensor operating temperatures where significant water vapor sensitivity is observed, MOX gas sensors 16 also have a high sensitivity to other reactive gases (here NH 3 ).

Insgesamt belegen die in den 3, 4, 5 gezeigten Daten, dass bei ausreichend hoher Sensorbetriebstemperatur das ”Atmen” des MOX-Gassensors – also eine von einem Luftdurchfluss und/oder dem Feuchtgehalt abhängige Veränderung des Sensorsignals (hier des Widerstandes 30) – als Hinweis für eine funktionierende Reaktivität der Sensoroberfläche interpretiert werden kann.Overall, in the 3 . 4 . 5 shown data that at sufficiently high sensor operating temperature, the "breathing" of the MOX gas sensor - that is dependent on an air flow and / or the moisture content change of the sensor signal (in this case the resistance 30 ) - can be interpreted as an indication of a functioning reactivity of the sensor surface.

Das hier verwendete Mikroreaktorsystem 12 wird bevorzugt in Mikrotechnologie unter Verwendung von aus der Halbleiterbauelementindustrie bekannten Fertigungstechniken hergestellt. Das Volumen des Messraumes 36 liegt bevorzugt unterhalb von 1 cm3, beispielsweise in dem Bereich von weniger als etwa 200 mm3.The microreactor system used here 12 is preferably manufactured in microtechnology using manufacturing techniques known in the semiconductor device industry. The volume of the measuring room 36 is preferably below 1 cm 3 , for example in the range of less than about 200 mm 3 .

Die abwechselnde, insbesondere periodische Betriebsweise bietet aber auch noch die folgende vorteilhaft Verfahrensweise für eine basislinien-unabhängige Gasmessung:The alternating, in particular periodic operation offers but also the following advantageous procedure for a baseline-independent gas measurement:

Zweites Verfahren zur basislinien-unabhängigen Gasmessung:Second method for baseline-independent gas measurement:

Neben der oben beschriebenen Methode, den Sensorbasiswidertand nach jeder einzelnen Gasmessung neu zu bestimmen und somit zu re-kalibrieren, bietet das Mikroreaktorsystem 12 und die damit versehene Sensorvorrichtung 10 eine weitere Möglichkeit, Gasmessungen ohne Bezug auf den konkreten Sensorbasiswiderstand durchzuführen.In addition to the method described above, the sensor base reference after every single gas measurement to redefine and thus re-calibrate, offers the microreactor system 12 and the sensor device provided therewith 10 Another way to perform gas measurements without reference to the specific sensor base resistance.

Durch das periodische Umschalten zwischen Einschlussphase – Ruhephase 34 – und Pumpphase – Aktivzustand 28 – des Mikroreaktorsystems 12 können nahezu rechteckförmige Konzentrationsänderungen erzeugt werden. Wird nach Abschluss einer Einschlussphase Reaktivgas in die Mikrokammer 14 eingesaugt, so erfolgt eine starke, abrupte Widerstandsänderung. Widerstandsänderungen, die auf solchen Messungen von Reaktivgasen beruhen, verändern sich im Wechsel der Messzyklen.By periodically switching between inclusion phase - resting phase 34 - and pumping phase - active state 28 - the microreactor system 12 Almost rectangular changes in concentration can be generated. After completion of an inclusion phase, reactive gas enters the microchamber 14 sucked, so there is a strong, abrupt change in resistance. Resistance changes based on such measurements of reactive gases change as the cycles of measurement change.

Die Sensorvorrichtung 10 weist eine Signalverarbeitungseinrichtung 64 auf, mittels derer sich über längere Zeiträume hinweg langsam ändernde Signalanteile herausgefiltert werden können, so dass im wesentlichen nur solche sich in der Größenordnung der Frequenz der Messzyklen und/oder der Betriebsphasen ändernden Signalanteile für die Gasmessung betrachtet werden.The sensor device 10 has a signal processing device 64 on, by means of which over long periods slowly changing signal components can be filtered out, so that essentially only those in the order of the frequency of the measuring cycles and / or the operating phases changing signal components are considered for the gas measurement.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Signalverarbeitungseinrichtung 64 ein RC-Netzwerk 66 auf, wie es in 6 näher dargestellt ist. 6 zeigt ein Blockschaltbild für eine Schaltung zur Signalverarbeitung. Dabei wird eine Basisspannung UB über einen Spannungsteiler mit dem Lastwiderstand RL und dem Sensorwider stand RS angelegt. Eine an dem Sensorwiderstand RS abgegriffene Spannung wird als primäres Sensorsignal US(t) auf das RC-Netzwerk 66 übertragen.In one embodiment, the signal processing device 64 an RC network 66 on how it is in 6 is shown in more detail. 6 shows a block diagram of a circuit for signal processing. In this case, a base voltage U B via a voltage divider with the load resistance R L and the sensor resistance R S is applied. A voltage picked off at the sensor resistor R S is applied to the RC network as the primary sensor signal U S (t) 66 transfer.

Das RC-Netzwerk 66 hat ein als Differenzierglied verschaltetes erstes RC-Glied 68 mit einer Kapazität Cdiff und einem Widerstand Rdiff, einen Treiberverstärker 69 und ein als Integrierglied verschaltetes zweites RC-Glied 70 mit einem Widerstand Rint und einer Kapazität Cint. Weiter ist in 6 der durch das erste RC-Glied 68 fließende Eingangsstrom Iin und der durch das zweite RC-Glied 70 fließende Ausgangsstrom Iout dargestellt.The RC network 66 has a differentiated as a differentiating first RC element 68 with a capacitance C diff and a resistor R diff , a driver amplifier 69 and a second RC element connected as an integrator 70 with a resistance R int and a capacitance C int . Next is in 6 the one by the first RC element 68 flowing input current I into and through the second RC element 70 flowing output current I out shown.

Die oben erwähnte abrupte Widerstandsänderung wird per kapazitiver Kopplung auf das RC-Netzwerk 66 übertragen. Bei Vorliegen eines Konzentrationsgradienten, wie er insbesondere bei einem Wechsel von reaktorintern erzeugter Null-Luft zu angesaugtem Reaktivgas auftritt, wird die an dem Sensorwiderstand RS auftretende Widerstandsänderung durch das erste RC-Glied 68 übertragen, wobei an dessen Ausgang im wesentlichen die zeitliche Ableitung Udrive(t) des primären Sensorsignals US(t) entsteht. Hinter dem nachfolgenden Treiberverstärker 69 (unity gain buffer) ist das zweite RC-Glied 70 angeordnet, das das differenzierte Ausgangssignal wieder integriert, wodurch das Ausgangssignal Uout(t) entsteht.The aforementioned abrupt change in resistance becomes capacitive coupling to the RC network 66 transfer. In the presence of a concentration gradient, as occurs in particular with a change from reactor-internally generated zero air to sucked reactive gas, the resistance change occurring at the sensor resistance R S by the first RC element 68 transmit, wherein at its output substantially the time derivative U drive (t) of the primary sensor signal U S (t) is formed. Behind the following driver amplifier 69 (unity gain buffer) is the second RC element 70 arranged, which integrates the differentiated output signal again, whereby the output signal U out (t) is formed.

Das erste RC-Glied 68 wirkt als Hochpassfilter. Durch diese Hochpassfiltereigenschaft des ersten RC-Gliedes 68 ist Uout(t) kein 1:1-Abbild des primären Sensorausgangssignals US(t), das die Basislinieninformation mit beinhaltet. Das Ausgangssignal Uout(t) ist vielmehr ein prozessiertes Sensorsignal, das nur den messtechnisch relevanten Wechselanteil beinhaltet.The first RC element 68 acts as a high pass filter. By this high pass filter property of the first RC element 68 U out (t) is not a 1: 1 image of the primary sensor output signal U S (t) that includes the baseline information. Rather, the output signal U out (t) is a processed sensor signal which contains only the metrologically relevant alternating component.

Die einzige Bedingung für dieses Signalverarbeitungsverfahren, welches die Sensordrift herausfiltert, ist, dass der Sensorbasiswiderstand im Vergleich zu der Per odendauer des Mikroreaktorsystems 12 nur sehr langsam driftet. Diese Bedingung ist jedoch im allgemeinen immer erfüllt.The only condition for this signal processing method, which filters out the sensor drift, is that the sensor base resistance compared to the Per odendauer of the microreactor system 12 only drifts very slowly. However, this condition is generally always met.

Die in 6 dargestellte Schaltung zeigt nur ein praktisches Beispiel, mit dem sich dieses Signalverarbeitungsverfahren durchführen lässt. Es ist klar, dass ähnliche Verfahrensweisen mit einer Reihe von Filtertechniken, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, durchführbar sind. Denkbar sind sowohl Hardware-Realisierungen als auch Software-Realisierungen.In the 6 The circuit shown only shows a practical example with which this signal processing method can be carried out. It will be appreciated that similar procedures may be practiced using a variety of filtering techniques known in the art. Conceivable are both hardware implementations and software implementations.

Die in dem RC-Netzwerk 66 auftretenden Spannungssignale Udrive und Uout ergeben sich zum Beispiel aus de primär erzeugten Sensoreingangssignal US(t) durch Lösung der folgenden beiden gekoppelten Differentialgleichungen:

Figure 00200001
undThose in the RC network 66 occurring voltage signals U drive and U out result, for example, from the de primary generated sensor input signal U S (t) by solving the following two coupled differential equations:
Figure 00200001
and

Figure 00200002
Figure 00200002

Diese beiden Lösungen können zum Beispiel auch digital aus aufeinander folgenden diskreten Werten des primären Sensorsignals US(t) erzeugt werden.For example, these two solutions can also be generated digitally from successive discrete values of the primary sensor signal U S (t).

7 zeigt entsprechend digital erhaltene Simulationsergebnisse. Dabei ist das primäre Spannungssignal US, das differenzierte Ausgangssignal des ersten RC-Gliedes, also die zeitliche Ableitung Udrive und das durch Integration wieder hergestellte sekundäre Sensorausgangssignal – Ausgangssignal Uout – dargestellt. Man erkennt die Abtrennung der Sensorbasislinie, die sich im vorliegenden Fall durch eine spezielle Wahl der Spannungsteilerwiderstände ergeben hat. In dem hier vorliegenden Beispiel wurde der Lastwiderstand RL auf den tatsächlichen Basiswiderstandswert RS_0 des MOX-Gassensors 16 gesetzt. Als gasinduzierte Widerstands änderung ist zum Zwecke der hier vorliegenden Simulation ΔRS = 0,5 × RS_0 angenommen worden. 7 shows accordingly digitally obtained simulation results. In this case, the primary voltage signal U S , the differentiated output signal of the first RC element, ie the time derivative U drive and the secondary sensor output signal produced by integration - output signal U out - are shown. One recognizes the separation of the sensor base line, which has resulted in the present case by a special choice of the voltage divider resistors. In the present example, the load resistance R L was based on the actual base resistance R S_0 of the MOX gas sensor 16 set. As a gas-induced resistance change has been assumed for the purpose of the present simulation ΔR S = 0.5 × R S_0 .

In 8 ist ein Vergleich solcher Simulationen für unterschiedliche Anpassungen des Lastwiderstandes RL an den tatsächlichen Basiswiderstand RS_0 dargestellt. Es sind das primäre Sensorausgangssignal US, das differenzierte Ausgangssignal Udrive und das durch Integration wieder hergestellte Sensorausgangssignal Uout unter Bedingungen schlechter Anpassung des Lastwiderstandes RL an den Sensorbasiswiderstand RS_0 dargestellt. Als gasinduzierte Widerstandsänderung ist bei der Simulation wiederum ΔRs = 0,5 × RS_0 angenommen worden.In 8th a comparison of such simulations for different adaptations of the load resistance R L to the actual base resistance R S_0 is shown. It is the primary sensor output signal U S , the differentiated output signal U drive and the sensor output signal U out restored by integration under conditions of poor adaptation of the load resistance R L to the sensor base resistor R S_0 . As a gas-induced resistance change ΔRs = 0.5 × R S_0 has again been assumed in the simulation.

Der Vergleich zeigt, dass basislinien-unabhängige Ausgangssignale Uout auch bei signifikant kleineren (x 0,1) und größeren (x 10) Sensorbasiswiderständen RS_0 erhalten werden. Allerdings erkennt man auch, dass im Falle schlechter Anpassung (RL ungleich RS_0) kleinere Sensorausgangssignale Uout erhalten werden. Gravierende Abweichungen von der Bedingung RS_0 = RL reduzieren das primäre Sensorsignal US und das sekundäre Sensorsignal Uout.The comparison shows that baseline unab pending output signals U out can also be obtained at significantly smaller (x 0.1) and larger (x 10) sensor base resistances R S_0 . However, it can also be seen that in the case of poor adaptation (R L not equal to R S_0 ), smaller sensor output signals U out are obtained. Serious deviations from the condition R S_0 = R L reduce the primary sensor signal U S and the secondary sensor signal U out .

Dieser Nachteil kann bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kompensiert werden, indem man von der im ersten Verfahren beschriebenen Möglichkeit einer periodischen oder zumindest bei einigen der Messzyklen durchgeführten Nullgasmessung in dem Mikroreaktorsystem Gebrauch macht.This Disadvantage can in a preferred embodiment of the method be compensated for by the one described in the first method Possibility of a periodic or at least some the zero cycles measured in the microreactor system Use.

9 zeigt eine gegenüber der Schaltung von 6 modifizierte Schaltung, mit der diese Möglichkeit nutzbar ist. Die Schaltung von 9 unterscheidet sich von derjenigen von 6 im wesentlichen dadurch, dass der Lastwiderstand RL regelbar, beispielsweise als Transistor T, ausgeführt ist. Der Lastwiderstand RL ist dann beispielsweise abhängig von der Nullgasmessung so regelbar, dass er dem aktuellen Sensorbasiswiderstand RS_0 entspricht. Mit einer solchen Schaltung kann die Bedingung R1 = RS_0 (oder zumindest ungefähr gleich) auch im Falle einer driftenden Sensorbasislinie eingehalten werden und damit die relative Größe des Gasresponses beibehalten werden. 9 shows one opposite the circuit of 6 Modified circuit with which this possibility is available. The circuit of 9 is different from that of 6 essentially in that the load resistance R L is controllable, for example as a transistor T, is executed. The load resistance R L is then, for example, depending on the zero gas measurement adjustable so that it corresponds to the current sensor base resistance R S_0 . With such a circuit, the condition R 1 = R S_0 (or at least about the same) can be maintained even in the case of a drifting sensor base line and thus the relative size of the gas response can be maintained.

9 zeigt demgemäß eine Variante der Schaltung von 6 mit einstellbarem R1 (Transistor T). Im Fall einer driftenden Sensorbasislinie und insbesondere bei Verwendung eines Mikroreaktorsystems 12 kann die Bedingung RL ≈ RS_0 oder RL = RS_0 am Ende jeder Einschlussphase nach der Generierung von Nullgas vorgenommen werden. Ebenfalls angedeutet ist die Möglichkeit eines Integrator-Resets Sreset am Ende einer Einschlussphase. 9 shows a variant of the circuit of 6 with adjustable R 1 (transistor T). In the case of a drifting sensor baseline and especially when using a microreactor system 12 For example, the condition R L ≈ R S_0 or R L = R S_0 can be made at the end of each confinement phase after the generation of zero gas. Also indicated is the possibility of an integrator reset S reset at the end of an inclusion phase.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass sich durch die Verwendung einer Mikrokammer 14 Gaskonzentrationen mit Hilfe von Metalloxid-Gassensoren 16 ohne Beeinflussung einer Sensorbasisliniendrift vermessen lassen.In summary, it can be stated that by using a micro-chamber 14 Gas concentrations using metal oxide gas sensors 16 Measure without influencing a sensor baseline drift.

Es ist ein Verfahren zum Betreiben eines in einem Messraum (36) befindlichen Gassensors (16) beschrieben worden. Um auch kostengünstige Gassensoren (16) in sensibler Umgebung mit einer größeren Funktionssicherheit und geringerem Aufwand betreiben zu können, wird vorgeschlagen, den Gassensor (16) in einem kleinen Messvolumen (14) in wenigstens zwei Betriebsmodi abwechselnd diskontinuierlich zu betreiben. Durch katalytische Reinigung in einem der Betriebsmodi und/oder eine Herausfilterung sich nur über einen längeren Zeitraum hinweg ändernder Signalanteile kann dann eine basislinien-unabhängige Vermessung erfolgen.It is a method for operating a in a measuring room ( 36 ) located gas sensor ( 16 ). In order to cost-effective gas sensors ( 16 ) in sensitive environment with a greater reliability and lower cost to operate, it is proposed that the gas sensor ( 16 ) in a small measuring volume ( 14 ) operate alternately intermittently in at least two modes of operation. By catalytic cleaning in one of the operating modes and / or filtering out only over a longer period of time changing signal components can then be a baseline-independent survey.

1010
Sensorvorrichtungsensor device
1212
Mikroreaktorsystem (EMRS)Microreactor system (EMRS)
1414
Mikrokammermicrochamber
1616
MOX-GassensorMOX gas sensor
1818
Katalysatorcatalyst
2020
Pumpepump
2222
Gaseinlassgas inlet
2424
Gasauslassgas outlet
2626
Mikrokanalmicrochannel
2828
Aktivzustandactive state
3030
Widerstandresistance
3232
Pumpenspannungpump voltage
3434
Ruhezustandhibernation
3636
Messraummeasuring room
4040
Kammertemperaturchamber temperature
4242
Kammerfeuchtechamber humidity
5050
Steuerungcontrol
5151
Kalibriereinrichtungcalibration
5252
Leitung zur Pumpemanagement to the pump
5454
Signalleitungsignal line
5656
Leitung zur Heizeinrichtung des Katalysatorsmanagement to the heater of the catalyst
5858
HeizanschlüsseHeating connections
6060
SelbsttesteinrichtungSelf-testing device
6262
DurchflusseinrichtungFlow device
6464
SignalverarbeitungseinrichtungSignal processing device
6666
RC-NetzwerkRC network
6868
erstes RC-Gliedfirst RC element
6969
Treiberverstärkerdriver amplifier
7070
zweites RC-Gliedsecond RC element
100100
Basiswiderstandbase resistance
102102
erste Brandsituationfirst fire situation
104104
zweite Brandsituationsecond fire situation
106106
fest eingestellter Feueralarmschwellwertfirmly set fire alarm threshold
UB U B
Basisspannungbase voltage
RL R L
Lastwiderstandload resistance
RS R S
Sensorwiderstandsensor resistance
Us U s
primäres Sensorsignalprimary sensor signal
Cdiff C diff
Kapazität des ersten RC-Gliedescapacity of the first RC element
Rdiff R diff
Widerstand des ersten RC-Gliedesresistance of the first RC element
Cint C int
Kapazität des zweiten RC-Gliedescapacity of the second RC element
Rint R int
Widerstand des zweiten RC-Gliedesresistance of the second RC element
Udrive U drive
zeitliche Ableitung des primären Sensorsignalstime Derivation of the primary sensor signal
Uout U out
Ausgangssignaloutput
TT
Transistor (regelbarer Lastwiderstand RL)Transistor (adjustable load resistance R L )
Sreset S reset
Integrator-ResetIntegrator reset

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (23)

Verfahren zum Vermessen von Gaskonzentrationen mittels eines in einem Messraum (36) befindlichen Metalloxid-Gassensors (16), wobei ein Messzyklus wenigstens die folgende Schritte a) bis c) aufweist und mehrere solcher Messzyklen nacheinander durchgeführt werden: a) Ersetzen eines in dem Messraum (36) befindlichen Gases mit zu untersuchendem Gas, b) Einschließen des zu untersuchenden Gases in dem Messraum (36) und c) Vermessen der Gaskonzentration über Erfassen des elektrischen Widerstandes des Metalloxid-Gassensors während der Einschließphase in Schritt b), und wobei weiter zur Verringerung oder Vermeidung von Messfehlern durch eine Sensordrift: • nach Schritt c) und vor dem erneuten Schritt a) der Schritt d) katalytische Umsetzung von Gasen in dem Messraum (36) in nichtreaktive Produkte und Kalibrieren des Basiswiderstands (RS_0) für darauffolgende Messungen auf einen daraufhin erhaltenen elektrischen Widerstandswert des Metalloxid-Gassensors (16) durchgeführt wird und/oder • von einem von dem Metalloxid-Gassensor (16) während der Messzyklen erhaltenes primäres Sensorausgangssignal (US) sich nur langsam über eine Vielzahl von Messzyklen hinweg ändernde Signalanteile herausgefiltert werden und nur der verbleibende, auf Änderungen im Rhythmus der Messzyklen basierende Signalanteil (Uout) zur Vermessung herangezogen wird.Method for measuring gas concentrations by means of a measuring chamber ( 36 ) metal oxide gas sensor ( 16 ), wherein a measuring cycle has at least the following steps a) to c) and a plurality of such measuring cycles are carried out successively: a) replacing one in the measuring space ( 36 ) gas with gas to be examined, b) enclosing the gas to be examined in the measuring space ( 36 ) and c) measuring the gas concentration by detecting the electrical resistance of the metal oxide gas sensor during the containment phase in step b), and further to reduce or avoid measurement errors by a sensor drift: • after step c) and before the renewed step a) Step d) catalytic conversion of gases in the measurement space ( 36 ) in non-reactive products and calibration of the base resistance (R S_0 ) for subsequent measurements to a subsequently obtained electrical resistance of the metal oxide gas sensor ( 16 ) and / or of one of the metal oxide gas sensor ( 16 ) received during the measuring cycles primary sensor output signal (U S ) are filtered out only slowly over a plurality of measuring cycles away changing signal components and only the remaining, based on changes in the rhythm of the measuring cycles signal component (U out ) is used for the measurement. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herausfiltern der sich nur langsam ändernden Signalanteile das von dem Metalloxid-Gassensor (16) erhaltene primäre Sensorausgangssignal (US) zunächst nach der Zeit differenziert und anschließend wieder integriert wird, so dass ein derart verarbeitetes Ausgangssignal (Uout) zwar Veränderungen von einem Messzyklus zum nächsten angibt, jedoch sich nur langsam über mehrere Messzyklen hinweg verändernde Signalanteile außer acht bleiben.Method according to Claim 1, characterized in that, for filtering out the signal components which change only slowly, the signal from the metal oxide gas sensor ( 16 ) Obtained primary sensor output signal (U S) is first differentiated with respect to time and then integrated again so that such a processed output signal (U out), although variations from one measurement cycle to the next indicative, but only slowly changing over a plurality of measuring cycles, signal components other than eight stay. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (Udrive) zwischen dem Differenzieren und dem Integrieren verstärkt wird.A method according to claim 2, characterized in that the sensor signal (U drive ) is amplified between differentiating and integrating. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das primäre Sensorsignal (US) mittels einer Schaltung, insbesondere einem Spannungsteiler, mit einem in Abhängigkeit von dem in Schritt d) ermittelten Basiswiderstand (RS_0) einstellbaren oder regelbaren Lastwiderstand (RL; T) aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the primary sensor signal (U S ) by means of a circuit, in particular a voltage divider, with a depending on the determined in step d) base resistance (R S_0 ) adjustable or variable load resistor (R L ; T). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausfiltern mittels eines analogen Hochpassfilters (66; 68) durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the filtering out by means of an analog high-pass filter ( 66 ; 68 ) is carried out. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Herausfiltern mittels digitaler Signalverarbeitung anhand aufeinanderfolgender diskreter Werte des primären Sensorsignals (US) erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the filtering out takes place by means of digital signal processing on the basis of successive discrete values of the primary sensor signal (U S ). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Signalverarbeitung in Abhängigkeit von dem in Schritt d) ermittelten Basiswiderstand (RS_0) erfolgt.A method according to claim 6, characterized in that the digital signal processing in dependence on the base resistance (R S_0 ) determined in step d) takes place. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchführen von Schritt a) ein Fluss von umgebender Luft durch den Messraum (36) hindurch eingeschaltet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for carrying out step a) a flow of ambient air through the measuring space ( 36 ) is turned on. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalloxid-Gassensor (16) in dem Innenraum eines Mikroreaktors (12) betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal oxide gas sensor ( 16 ) in the interior of a microreactor ( 12 ) is operated. Verfahren nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ersetzen des zu untersuchenden Gases wenigstens eine Pumpe (20) eingeschaltet wird, um das zu untersuchende Gas durch Strömungskanäle (22, 24, 26) des Mikroreaktors (12, 14) zu leiten, die einen so hohen Strömungswiderstand aufweisen, dass ein wesentlicher Gasaustausch nur über Pumpeneinwirkung erfolgen kann, wobei das Einschließen des zu untersuchenden Gases durch Abschalten der Pumpe (20) erfolgt.A method according to claim 8 and 9, characterized in that for replacing the gas to be examined at least one pump ( 20 ) is switched on to the gas to be examined by flow channels ( 22 . 24 . 26 ) of the microreactor ( 12 . 14 ), which have such a high flow resistance that a substantial gas exchange can take place only by pump action, wherein the inclusion of the gas to be examined by switching off the pump ( 20 ) he follows. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es automatisch gesteuert durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that it is performed automatically controlled becomes. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzyklen periodisch wiederholt durchgeführt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring cycles are repeated periodically become. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (16) mittels wiederholter Ausführung von Schritt d) periodisch automatischen re-kalibriert wird.Method according to claim 12, characterized in that the gas sensor ( 16 ) is re-calibrated periodically by means of repeated execution of step d). Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur katalytischen Reinigung in Schritt d) ein in dem Messraum angeordneter Katalysator beheizt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the catalytic purification in step d) a catalyst arranged in the measuring space is heated. Sensorvorrichtung (10) zum Erfassen von Stoffkonzentrationen in einem Gas mit einem Messraum (39), und einem Metalloxid-Gassensor (16) in dem Messraum (36), gekennzeichnet durch eine einen Katalysator (18) zum katalytischen Reinigen von in dem Messraum (36) befindlicher Gase aufweisende Kalibriereinrichtung (51) zum automatischen Kalibrieren des Metalloxid-Gassensors (16) und/oder eine Signalverarbeitungseinrichtung (64) zum Herausfiltern von sich nur langsam über eine Vielzahl von Messzyklen hinweg ändernder Signalanteile aus einem von einem von dem Metalloxid-Gassensor (16) während der Messzyklen erhaltenen primären Sensorsignal (US).Sensor device ( 10 ) for detecting substance concentrations in a gas with a measuring space ( 39 ), and a metal oxide gas sensor ( 16 ) in the measuring room ( 36 ) characterized by a catalyst ( 18 ) for catalytic cleaning in the measuring room ( 36 ) located gas having calibration ( 51 ) for automatically calibrating the metal oxide gas sensor ( 16 ) and / or a signal processing device ( 64 ) for filtering out signal components changing only slowly over a plurality of measurement cycles from one of the metal oxide gas sensors ( 16 ) received during the measurement cycles primary sensor signal (U S ). Sensorvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (64) als Ausgangssignal (Uout) nur den verbleibenden, auf Änderungen im Rhythmus der Messzyklen basierende Signalanteil zur Vermessung der Gaskonzentration liefert.Sensor device according to claim 15, characterized in that the signal processing device ( 64 ) supplies as output signal (U out ) only the remaining signal component based on changes in the rhythm of the measuring cycles for measuring the gas concentration. Sensorvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchflusseinrichtung (62; 20, 22, 24, 26) zum vorzugsweise zyklischen Verändern eines Durchfluss von zu untersuchendem Gas durch den Messraum (36) vorgesehen ist.Sensor device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a flow-through device ( 62 ; 20 . 22 . 24 . 26 ) for preferably cyclically changing a flow of gas to be examined through the measuring space ( 36 ) is provided. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (36) als Innenraum oder Mikrokammer (14) eines Mikroreaktors (12) ausgebildet ist, der mit wenigstens einem Strömungskanal (22, 24, 26) zum Einleiten und/oder Ausleiten von zu untersuchendem Gas versehen ist.Sensor device according to one of claims 15 to 17, characterized in that the measuring space ( 36 ) as an interior or microchamber ( 14 ) of a microreactor ( 12 ) is formed, which with at least one flow channel ( 22 . 24 . 26 ) is provided for introducing and / or discharging gas to be examined. Sensorvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pumpe (20) an den wenigstens einen Strömungskanal (22, 24, 26) angeschlossen ist und dass der Strömungskanal (22, 24, 26) kapillar mit einem derartig hohen Strömungswiderstand ausgebildet ist, dass ohne Einschalten der Pumpe (20) im wesentlichen kein Gasaustausch erfolgt.Sensor device according to claim 18, characterized in that a pump ( 20 ) to the at least one flow channel ( 22 . 24 . 26 ) and that the flow channel ( 22 . 24 . 26 ) is formed capillary with such a high flow resistance, that without switching on the pump ( 20 ) Substantially no gas exchange takes place. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine steuerbare Heizeinrichtung des Katalysators (18) vorgesehen ist.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that a controllable heating device of the catalyst ( 18 ) is provided. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (64) ein Differenzierglied (68) zum Differenzieren des primären Sensorsignals (US) nach der Zeit und ein Integrierglied (70) zum Integrieren eines von dem Differenzierglied (68) gelieferten Signals (Udrive) über die Zeit vorgesehen ist.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal processing device ( 64 ) a differentiator ( 68 ) for differentiating the primary sensor signal (U S ) in time and an integrator ( 70 ) for integrating one of the differentiator ( 68 ) supplied signal (U drive ) over time is provided. Sensorvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinrichtung (64) zum Abgreifen des primären Sensorsignals (US) einen in Abhängigkeit von dem durch die Kalibriereinrichtung (51) kalibrierten Basiswiderstand (RS_0) einstellbaren Lastwiderstand (RL; T) aufweist.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the signal processing device ( 64 ) for picking up the primary sensor signal (U S ) as a function of the voltage applied by the calibration device ( 51 ) calibrated base resistor (R S_0 ) adjustable load resistance (R L ; T). Verwendung einer Sensorvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 22: • zur Überwachung der Luft in einem Raum für Menschen, insbesondere in öffentlichen Räumen und/oder in der Kabine eines Fahrzeuges, insbesondere eines Luft- oder Raumfahrzeuges, oder • in Feueralarmsystemen, insbesondere in Luft- oder Raumfahrzeugen.Use of a sensor device ( 10 ) according to one of claims 15 to 22: • for monitoring the air in a room for people, in particular in public spaces and / or in the cabin of a vehicle, in particular an aircraft or spacecraft, or • in fire alarm systems, in particular in air or spacecraft.
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