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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem mit einer Mehrzahl von N zyklisch mit einer Zykluszeit T abfragbaren Sensoren und ein Verfahren zur Erfassung einer Messgröße mit einer Mehrzahl von N zyklisch mit einer Zykluszeit T abfragbaren Sensoren. Sensorsysteme der eingangs genannten Art können zur Erfassung von Messgrößen in technischen bzw. industriellen Prozessen eingesetzt werden oder zur Erfassung von Umweltbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Druck oder die Konzentration bestimmter Spurengase wie Ozon oder Stickoxide.
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Aus der
US 2006/0000259 A1 ist ein photoaktivierter Gassensor bekannt. Zum Nachweis bestimmter Gase werden gemäß dem Stand der Technik Metalloxidschichten verwendet. Deren elektrischer Widerstand ändert sich durch Adsorbate, welche die Ladungsträgerdichte an der Oberfläche der Metalloxidschichten verändern. Durch Photoaktivierung, d.h. dem Beleuchten der Oberfläche beispielsweise durch eine Leuchtdiode, können anhaftende Adsorbate entfernt werden, um den Sensor für eine neue Messung vorzubereiten.
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Nachteilig an diesem bekannten Sensor ist jedoch, dass die Adsorption und Desorption der Spurengase auf der Oberfläche der Metalloxidschicht jeweils mehrere Minuten benötigt. Somit können rasche Änderungen der Gaskonzentration nicht erfasst werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässigere und/oder schnellere Messung von Spurengasen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Sensorsystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Mehrzahl von N zyklisch mit einer Zykluszeit T abfragbaren Sensoren zu einem Sensorsystem zusammenzuführen. Die Sensoren können differentiell arbeitende Sensoren sein, bei welchen zwei Messwerte miteinander verglichen werden, um die Messgröße zu bestimmen. Beispielsweise sind Gassensoren auf der Basis von Metalloxidschichten solche differentiell arbeitenden Sensoren, da der elektrische Widerstand mit und ohne Beleuchtung oder bei erhöhter und verringerter Temperatur miteinander verglichen wird, um die Konzentration des nachzuweisenden Spurengases als Messgröße zu bestimmen. Die Sensoren eines erfindungsgemäßen Sensorsystems können identisch sein oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen. Die Sensoren können die identische Messgröße redundant erfassen oder unterschiedliche Messgrößen. Sofern die identische Messgröße mit unterschiedlichen Sensoren erfasst wird, können die Werte plausibilisiert werden oder der Messbereich des Sensorsystems kann über den Messbereich eines einzelnen Sensors hinaus erweitert werden.
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Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, das Sensorsystem über eine Ansteuereinheit zu betreiben, mit welcher die Sensoren sequentiell mit einer Phasenverschiebung von etwa T/N betreibbar sind. Dies führt dazu, dass beispielsweise zwei Sensoren mit der halben Zykluszeit oder vier Sensoren mit der viertelten Zykluszeit abgefragt werden können. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit der Messdatenerfassung entsprechend gesteigert werden, also beispielsweise bei zwei Sensoren um den Faktor 2 oder bei vier Sensoren um einen Faktor 4. Damit erlaubt das vorgeschlagene Sensorsystem eine schnellere Messdatenerfassung als dies mit einzelnen Sensoren möglich ist.
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Das exakte Einhalten einer Phasenverschiebung von etwa T/N ist dabei für die Erfindung nicht wesentlich. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können auch zwei Messwerte kurz hintereinander erfasst werden und nachfolgend eine längere Pause zwischen zwei Messwerten realisiert sein.
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Die Ansteuereinheit kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller enthalten, auf welchem eine entsprechende Software ausgeführt wird. Daneben kann die Ansteuereinheit analoge Verstärker, A/D-Wandler oder weitere Baugruppen enthalten, um Messwerte zu erfassen, zu speichern und zu übermitteln.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Sensorsystem weiterhin eine Auswerteeinheit enthalten, welche dazu eingerichtet ist, den Messwert resp
mean des Sensorsystems aus den Messwerten resp
1, resp
2, ... der Sensoren gemäß nachfolgendem Zusammenhang zu bestimmen:
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Die vorgesschlagene Produktbildung der Einzelmesswerte erlaubt eine Glättung der Messwerte der Einzelsensoren und bei fortlaufender Anwendung eine Verkürzung der Antwortzeit, so dass die Messwerte sowohl schneller als auch mit größerer Zuverlässigkeit bestimmt werden können.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, den Messwert resp1, resp2 des Sensorsystems zur Zeit t nach folgender Gleichung zu bestimmen:
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Dies bedeutet, dass einzelne Messwerte unterschiedlicher Sensoren miteinander verglichen werden, um die Messgröße mit dem Sensornetzwerk zu bestimmen. Im Falle von beheizten bzw. beleuchteten Gassensoren auf Basis einer Widerstandsschicht führt das vorgeschlagene Vorgehen dazu, dass ein elektrischer Widerstand im Zustand niedriger Adsorbatbedeckung eines Sensors mit dem elektrischen Widerstand im Zustand hoher Adsorbatbedeckung eines anderen Sensors verglichen wird. Durch zyklische Abfolge der Messgrößenbestimmung wechselt dabei der zur Bestimmung des Einzelwertes hoher bzw. niedriger Adsorbatbedeckung verwendete Sensor ebenfalls zyklisch. Das vorgeschlagene Verfahren kann eine größere Dynamik und damit eine erhöhte Genauigkeit bewirken. Weiterhin stellt die vorgeschlagene Messwertbildung eine Form physikalischer Mittelwertbildung dar. Auf diese Weise können Schwankungen der Messgröße vermieden werden.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Sensoren dieselbe Messgröße bestimmen, beispielsweise die Konzentration desselben Spurengases, und unterschiedliche Kennlinien aufweisen. Unter einer Kennlinie wird dabei der Zusammenhang zwischen der Messgröße und dem vom Sensor erzeugten elektrischen Signal verstanden, beispielsweise dem elektrischen Widerstand. Auf diese Weise kann das Sensorsystem eine erhöhte Dynamik aufweisen, wenn beispielsweise für hohe und niedrige Konzentrationen eines Spurengases unterschiedliche Einzelsensoren zur Verfügung stehen.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, die Messwerte der einzelnen Sensoren untereinander zu plausibilisieren. Dies ermöglicht eine Selbstdiagnose des Sensorsystems. Wenn beispielsweise ein Sensor eine große Änderung der Messgröße anzeigt, andere Sensoren jedoch nicht, so kann dies auf einen Defekt eines Sensors hindeuten.
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In einigen Ausführungsformen der Erfindung können zumindest die Sensoren des Sensorsystems monolithisch auf einem Substrat integriert sein. In einer Ausführungsform der Erfindung kann zusätzlich zumindest eine elektronische Baugruppe zur Erzeugung und/oder Erfassung und/oder Auswertung der Messwerte und/oder der Messgröße auf dem Substrat integriert sein. Die elektronische Baugruppe kann einen Verstärker, eine Konstantstromquelle, eine Spannungsquelle, einen Komparator, einen A/D-Wandler, einen Mikroprozessor, einen Mikrocontroller oder weitere, hier nicht genannte Baugruppen enthalten.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt:
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1 ein Sensorsystem aus einer Mehrzahl photoaktivierter Gassensoren gemäß einer ersten Ausführungsform.
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2 zeigt ein Sensorsystem mit einer Mehrzahl photoaktivierter Gassensoren gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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3 zeigt ein Sensorsystem mit einer Mehrzahl photoaktivierter Gassensoren gemäß einer dritten Ausführungsform.
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4 zeigt die Rohdaten eines Sensorsystems mit zwei Sensoren.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus 4.
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6 zeigt verschiedene Formen der Messgrößenbildung aus den Messwerten der einzelnen Sensoren.
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7 zeigt einen Ausschnitt aus 6.
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8 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensorsystems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von Sensoren 1, 2 und 3, welche ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 10 bilden. Obgleich die Erfindung am Beispiel photoaktivierter Gassensoren erläutert wird, kann das vorgeschlagene Konzept auch für andere Sensorsysteme verwendet werden, welche andere Messgrößen mit anderen physikalischen Prinzipien erfassen.
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Das Sensorsystem 10 enthält eine Mehrzahl von Sensoren 1, 2 und 3. Beispielhaft sind in 1 drei Sensoren dargestellt, in anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Sensoren jedoch schwanken. Beispielsweise kann die Anzahl der Sensoren mindestens 2 betragen und höchstens 100, höchstens 50 oder höchstens 10. Die einzelnen Sensoren 1, 2 und 3 können nominell identisch sein oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen und damit beispielsweise unterschiedliche Kennlinien verwirklichen.
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Der Aufbau jedes der Sensoren 1, 2 und 3 wird beispielhaft anhand des Sensors 1 erläutert. Der Sensor 1 enthält ein Substrat 13. Das Substrat 13 kann beispielsweise Saphir, Galliumarsenid oder Silicium enthalten. Auf dem Substrat 13 ist eine Sensorschicht 12 abgeschieden. Die Sensorschicht 12 enthält ein Metalloxid, beispielsweise Indiumoxid, Titanoxid, Ceroxid oder weitere, hier nicht explizit aufgeführte Materialien. Sowohl das Substrat 13 als auch die Sensorschicht 12 können daneben weitere Elemente enthalten, beispielsweise in Form von Dotierstoffen oder unvermeidbaren Verunreinigungen.
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Die Metalloxidschicht 12 weist einen elektrischen Widerstand auf. Durch die Anwesenheit von Adsorbaten auf der Oberfläche 121 der Schicht 12 wird der elektrische Widerstand verändert. Dies kann beispielsweise mit dem elektrischen Dipolmoment der Adsorbate oder dem Ausbilden kovalenter Bindungen an der Oberfläche des Metalloxides und der dadurch geänderten Ladungsverteilung zusammenhängen. Somit kann die Veränderung des elektrischen Widerstandes der Schicht 12 einer Konzentration von Spurengasen zugeordnet werden. Beispielsweise kann eine Schicht 12, welche Indiumoxid enthält, zur Bestimmung von Ozon verwendet werden. Andere Oxide können zum Nachweis anderer Spurengase verwendet werden, beispielsweise Ceroxid zum Nachweis von Stickoxiden.
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Um die mit Adsorbaten bedeckte Oberfläche 121 für eine erneute Messung vorzubereiten, müssen die Adsorbate von der Oberfläche entfernt werden. Hierzu dient eine Leuchtdiode 11, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel als diskretes Bauelement ausgeführt ist. Die Leuchtdiode 11 führt zur photostimulierten Desorption der Adsorbate, so dass der elektrische Widerstand wieder seinen Ausgangswert annimmt.
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Um unterschiedliche Sensoren 1 und 2 nicht zu beeinflussen, können optionale Blenden 51, 52 und 53 zwischen den einzelnen Sensoren 1, 2 und 3 angeordnet sein.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des vorgeschlagenen Sensorsystems. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschränkt. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist die Leuchtdiode 11 zur photostimulierten Desorption der Adsorbate von der Oberfläche 121 monolithisch mit der Sensorschicht 12 auf einem Substrat 13 integriert. Dargestellt ist eine Ausführungsform, bei welcher die Leuchtdiode 11 und die Sensorschicht 12 auf unterschiedlichen Seiten des Substrates 13 angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Leuchtdiode 11 auch auf derselben Seite wie die Sensorschicht 12 angeordnet sein. In jedem Fall ist die Wellenlänge emittierten Lichtes so auf die darüberliegenden Schichten abgestimmt, dass das Licht die Oberfläche 121 erreichen kann, um dort Bindungsbrüche in den Bindungen der Adsorbate zur Oberfläche 121 zu bewirken.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform des vorgeschlagenen Sensorsystems. Auch in diesem Fall sind gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die Beschreibung lediglich auf die Unterschiede erstreckt. Wie aus 3 ersichtlich ist, weist diese Ausführungsform lediglich ein einziges Substrat 13 auf. Auf diesem Substrat 13 sind mehrere Sensorschichten 12, 22 und 32 angeordnet, welche jeweils einen Sensor 1, 2 und 3 bilden. Auf der gegenüberliegenden Seite des Substrates 13 sind zugeordnete Leuchtdioden 11, 21 und 31 monolithisch integriert. Auf diese Weise entsteht ein Sensorsystem mit einem mechanisch robusten Aufbau, welcher die Zuverlässigkeit des Sensorsystems erhöht. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können auf dem Substrat 13 weitere Bauelemente angeordnet sein, beispielsweise Teile der Ansteuereinheit, Teile einer Auswerteeinheit oder eine elektrische Stromversorgung.
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Die Blenden zwischen einzelnen Sensoren 1, 2 oder 3 können durch Abstände 51, 52 und 53 gebildet sein, welche ein Übersprechen der von den Leuchtdioden 11, 21 und 31 emittierten Strahlung auf die jeweils benachbarten Sensorschichten 22, 32 und 12 verhindern.
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Die Funktionsweise des Sensorsystems 10 wird nochmals anhand der 8 erläutert. 8 zeigt schematisch ein Sensorsystem 10, wie bereits vorstehend erläutert. Zur zyklischen Ansteuerung der einzelnen Leuchtdioden und damit zur Erzeugung der differentiellen Messwerte bzw. Widerstandswerte bei adsorbatbedeckten und adsorbatfreien Oberflächen dient eine Ansteuereinheit 60, welche entweder ereignisgesteuert oder in vorgebbaren Zeitintervallen die einzelnen Leuchtdioden ansteuert.
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Der elektrische Widerstand der einzelnen Sensorschichten 12, 22 und 32 kann mittels einer Auswerteeinheit 70 erfasst werden. Die Auswerteeinheit 70 kann beispielsweise Konstantstromquellen, Konstantspannungsquellen, Messverstärker, A/D-Wandler oder weitere, nicht explizit genannte Baugruppen enthalten. Die von der Auswerteeinheit 70 erfassten, die Messgröße repräsentierenden Werte können nachfolgend auf einer Anzeigeeinheit 80 visualisiert oder zur Steuerung industrieller Prozesse verwendet werden.
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4 zeigt beispielhaft den Messwert eines Sensorsystems mit zwei photoaktivierten Indiumoxidsensoren in Abhängigkeit des Ozongehaltes. Dabei ist der elektrische Widerstand der einzelnen Sensoren in Kiloohm auf der Ordinate und die Zeit in Sekunden auf der Abszisse aufgetragen. Dargestellt sind Messwerte für einen ersten Sensor 1 und einen zweiten Sensor 2. Der Ozongehalt der Umgebungsluft steigt in vorgebbaren Zeitintervallen von 10 ppb bis 160 ppb an. Die Sensoren weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, so dass der gleiche Ozonwert zu unterschiedlichen elektrischen Widerständen führt. Aus 4 ist erkennbar, dass der elektrische Widerstand mit zunehmender Ozonkonzentration ansteigt. Somit ist der elektrische Widerstand als Maß für die Messgröße geeignet. Da die Messgröße aus der Differenz oder dem Quotient des elektrischen Widerstandes einer adsorbatfreien und einer adsorbatbedeckten Oberfläche gebildet wird bzw. aus der Differenz oder dem Quotient des Widerstandes bei hoher und niedriger Adsorbatbedeckung, wird die Leuchtdiode mit einer Zykluszeit von 2 Minuten ein- bzw. ausgeschaltet. Somit können die Sensoren 1 und 2 jeweils alle 4 Minuten einen Messwert erzeugen.
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5 zeigt einen Ausschnitt aus den Messwerten gemäß 4. Aufgrund des größeren Maßstabes auf der Abszisse sind einzelne Messzyklen von jeweils 4 Minuten erkennbar. Dargestellt ist in 5 weiterhin, dass beide Sensoren 1 und 2 mit derselben Zykluszeit T betrieben werden, jedoch eine Phasenverschiebung von T/2 aufweisen. Verallgemeinert beträgt die Phasenverschiebung T/N, wobei N die Anzahl der Sensoren bezeichnet. Auf diese Weise kann die Zykluszeit bei zwei Sensoren halbiert werden, so dass alle 2 Minuten ein entsprechender Messwert zur Verfügung steht. Entsprechend kann das vorgestellte Konzept leicht auf 3, 4 oder mehr Sensoren erweitert werden.
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6 und
7 zeigen unterschiedliche Verfahren, um die Messwerte der Sensoren miteinander zu verrechnen, um auf diese Weise einen Mittelwert der Messgröße mit größerer Genauigkeit bereit zu stellen. Dargestellt sind wiederum das Antwortsignal des Sensorsystems auf der Ordinate und die Zeit in Sekunden auf der Abszisse. Dabei bezeichnen die Kurven B und D die Messwerte der einzelnen Sensoren
1 und
2, wie bereits anhand von
4 erläutert. Die Kurve A ergibt sich aus dem Vergleich der Rohdaten resp
1 und resp
2 beider Sensoren zu einem vorgebbaren Zeitpunkt t, so dass
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Der Kurvenverlauf C ergibt sich durch Multiplikation der Einzelwerte B und D gemäß folgender Gleichung:
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Wie 6 und 7 zeigt, hat die Verrechnung der Rohdaten der Einzelsensoren 1 und 2 zu einer Messgröße des Sensorsystems mehrere Vorteile. So zeigt Kurve A eine erhöhte Sensitivität, d.h. beim Anstieg der Ozonkonzentration von 85 ppm auf 160 ppm nimmt die Amplitude des Ausgangssignales stärker zu als die Amplitude der einzelnen Messwerte B und D. Weiterhin zeigen die Sensoren 1 und 2 bei schnellem Anstieg der Ozonkonzentration den unerwünschten Effekt des vorübergehenden Abfalles des Messwertes, wie am besten anhand von Kurve D ersichtlich ist. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verrechnung der Messwerte wird dieser Effekt neutralisiert, so dass auch bei schnellem Anstieg des Ozongehaltes ein zuverlässiger Messwert erfasst werden kann.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0000259 A1 [0002]
