DE10245822A1 - Verfahren und Gasmesszelle zur Detektion unterschiedlicher Gase - Google Patents

Verfahren und Gasmesszelle zur Detektion unterschiedlicher Gase Download PDF

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Abstract

Beim Verfahren zur Detektion von Gaskonzentrationen wird ein beheizbarer Gassensor mit transienten Temperaturzyklen betrieben, wobei die daraus resultierende IR-Strahlung von einem IR-Detektor detektiert wird und die Leitwertsänderung des Gassensors mit dem Signal vom IR-Detektor mittels eines Rechners verglichen wird, um unterschiedliche Gaskonzentrationen in der Gasmesszelle zu detektieren. DOLLAR A Die Gasmesszelle zur Detektion von Gaskonzentrationen besteht aus DOLLAR A - mindestens einem beheizbaren Gassensor (3) mit einer gassensitiven Schicht, wobei der Gassensor gleichzeitig als Strahlungsquelle dient, DOLLAR A - mindestens einem IR-Detektor (4), wobei der mindestens eine Gassensor (3) transient beheizbar ist. DOLLAR A In einer Weiterbildung der Erfindung weist die Gasmesszelle mindestens zwei Detektor(4)-Gassensor(3)-Paare auf, wobei die Entfernungen jeweils zwischen dem IR-Detektor (4) und dem Gassensor (3) unterschiedlich sind und entsprechend unterschiedliche Absorptionswege bereitgestellt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Detektion unterschiedlicher Gaskonzentrationen.
  • Die Funktion von Halbleiter-Schichtsensoren beruht auf der Absorption und auf einer nachfolgenden Reaktion der nachzuweisenden Gase auf der Oberfläche des gassensitiven Sensors, die zu einer Leitwertänderung des Sensors führen. Unter den verwendeten Halbleiterschichten sind beheizte SnO2-Schichten am weitesten verbreitet.
  • Den Vorteilen der hohen Empfindlichkeit gegenüber geringen Gaskonzentrationen und niedriger Herstellungskosten solcher Sensoren, stehen als Nachteile
    • – die geringe Selektivität, die sich in einer großen Querempfindlichkeit gegenüber allen reduzierend und oxidierend wirkenden Gasen ausdrückt,
    • – die zum Teil sehr großen Zeitkonstanten sowie die starke Abhängigkeit der Leitwertsänderung von der stets vorhandenen Luftfeuchte und
    • – die geringe zeitliche Stabilität der wesentlichen Sensoreigenschaften gegenüber.
  • Für die Anwesenheit reaktiver Gase (TVOC, O3, CH4, CO) nachzuweisen werden Lösungen mit Ga2O3-(Galliumoxid) Halbleitersensoren angeboten. Diese basieren auf bei Temperaturen zwischen 500 und 900°C betriebenem, halbleitendem Ga2O3, das als Dünn- oder Dickschicht auf miniaturisierten, mit Heizern und Temperatur-Messfühlern ausgestatteten Keramik-Sensorchips aufgebracht wird. Die Vorteile gegenüber SnO2-Sensoren sind eine hohe Langzeitstabilität, kurze Reaktions- und Erholzeiten, gute Reproduzierbarkeit und eine geringere Empfindlich keit gegenüber Feuchte. Dennoch sind hier Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen ein Störfaktor der Messwerte. Aus diesem Grund sind Metalloxid-Gassensoren für ein Luftgüte-Kontrollsystem nicht ausreichend.
  • Hingegen bringt eine Kombination der oben beschriebenen Halbleiter-Schichtsensoren mit optischen Gassensoren eine deutliche Verbesserung der Messverfahren. Optische Gassensoren nutzen aus, dass die meisten für eine Luftqualität relevanten Gase charakteristische Absorptionsbanden im mittleren Infrarotbereich aufweisen. Der Grad der Abschwächung einer von einer breitbandigen Infrarotquelle ausgesandten Strahlung ist durch das in der Messstrecke zwischen Strahlenquelle und den mit schmalbandigen Filtern ausgestatteten optischen Sensoren befindliche Gas ein Maß für seine jeweilige Konzentration. Derartige optische Sensoren sind sowohl hoch selektiv als auch sensitiv, jedoch teuer und vor allem aufwendig, da für jedes zu erfassende Gas eine Infrarotquelle und ein optischer Sensor eingesetzt werden müssen, welche für den passenden Wellenlängen der Absorptionsbanden des zu detektierenden Gases geeignet sind. Als Strahlungsquellen stehen neben thermischen Strahlern auch Halbleiter-Strahlungsquellen wie z. B. LEDs und Laser und Dünnschichtstrahler zur Verfügung. Photometrische Infrarot-Gasanalysatoren im Low Cost-Bereich arbeiten mit direkt moduliertem, glasgekapselten Strahlungsquellen, wobei das Infrarotlicht durch die Transmissionseigenschaften des Gases nur in Wellenlängen in Bereichen bis ca. 4,3 μm nutzbar ist [1]. Strahlungsquellen mit Saphir-Fenster sind bis zu 5 μm Wellenlänge nutzbar, sodass z. B. Kohlenmonoxidkonzentrationen gerade noch zusätzlich erfassbar sind. Dünnschichtstrahler in Silizium-Technologie emittieren im langwelligen Infrarotbereich. Die im nahen und mittleren Infrarotbereich eingesetzte Diodenlaser für selektive und empfindliche Nachweise, sind dagegen durch ihre hohen Anschaffungs- und Betriebskosten in der Praxis keine attraktive Alternative.
  • Zur Korrektur der Schwankungen der Strahlerintensität und der Eigenschaften des optischen Systems wird neben dem Messstrahl mit einem Referenzkanal die frequenzunspezifische Abschwächung des Signals detektiert. Die Aufteilung in einen Mess- und einen Referenzstrahl erfolgt in einem Strahlteiler, hinter dem je ein Filter und ein Detektor angebracht sind. Dabei transmittiert ein Filter Strahlung innerhalb, das andere außerhalb der Absorptionsbande des Messgases.
  • Um komplexe Gasgemische zu analysieren und "fingerprints" oder kennzeichnende Merkmale von Gerüchen wiederzuerkennen, sind in den vergangenen zehn Jahren eine Vielzahl von Ideen und Konzepten für spezielle Gassensor-Arrays, sog. "elektronische Nasen", vorgestellt worden. Überwiegend werden dabei unterschiedliche Sensoren gleichen Typs miteinander kombiniert, wobei jeder einzelne Sensor auch mehrere der anwesenden Gase in unterschiedlichem Maße empfindlich ist. Bei geeigneter Auswahl der Sensoren lassen sich so die Konzentrationen einzelner Gaskomponenten berechnen. Durch die für die geforderten Zeiträume geringe Langzeitstabilität sind solche "elektronische Nasen" für die Anwendung für die Raumluftüberwachung ungeeignet. Zudem führt die größere Anzahl der notwendigen Gassensoren zu erhöhten Kosten.
  • Zur umfassenden Detektion relevanter Gaskomponenten in Raumluft wurden erste Untersuchungen an sogenannte bifunktionellen Gassensorsystemen vorgenommen, die zeigen, dass eine Kopplung von Infrarot-Analysatoren mit Halbleiter-Gassensoren wesentliche Performance- und Kostenvorteile ergibt. Die beiden genutzten Sensorprinzipien funktionieren dabei weitgehend unabhängig voneinander. Der Aufbau dieses Sensorsystems ist in 1 gezeigt. Bei dem als Labormuster aufgebauten Sensorsystem befinden sich der gleichzeitig als Strahlungsquelle beheizte Gassensor A und ein als Infrarot-Detektor dienendes Thermopile B an je einem Ende einer Messkammer D, eines ca. 100 mm langen Edelstahl- oder Aluminiumrohrs mit einem Durchmesser von 25 mm. Beide Stirnseiten der Messkammer sind mit einem Stahlgewebe C überspannt. Die Sensoren A und B sind über Sockel F an eine Datenerfassungseinheit E verbunden. Durch den vergleichsweise langen Absorptionsweg der Infrarotstrahlung H vom beheizten Gassensor A können hohe Sensitivitäten des Infrarotsensors B erhalten werden. Die Anordnung bewirkt jedoch auch, dass nur weniger als 2 % der ausgesendeten Infrarotenergie auch den Thermopile B erreichen. Der Thermopile B ist in der Regel auch mit einem Infrarot-Bandpassfilter für den Bereich 4,2 μm bis 4,4 μm ausgestattet. In diesem Wellenlängenbereich hat CO2 seine stärkste Infrarot-Absorptionsbande.
  • Das mit dem Metalloxid-Gassensor A, bestehend in diesem Falle aus Ga2O3, vorrangig detektierte Gas wird durch die Wahl seiner Betriebstemperatur sowie durch seine materialspezifischen Eigenschaften bestimmt. Durch optionale, zusätzliche Schichten auf der Ga2O3-Dünnschicht werden die Gassensitivitäten gegenüber den verschiedenen ausgewählten Zielgasen angepasst. Die Abhängigkeit der Temperatur des Metalloxid-Gassensors von den Umgebungsbedingungen wird durch eine Heizungsregelung eliminiert, die den Sensor auf konstanter Betriebstemperatur hält. Dadurch wird auch sichergestellt, dass die spektrale Strahldichte des als Infrarot-Quelle dienenden Metalloxid-Gassensors A konstant bleibt.
  • Derzeit werden wenige Luftgüte-Qualitätssysteme mit mehrdimensionaler Multikomponenten-Sensorik angeboten, deren Sensoren und Detektionsverfahren derart aufeinander abgestimmt sind, dass die mit zu Störungen führenden Querempfindlichkeiten oder mit lückenhaften Messbereichen behafteten Einzelsensoren sich ergänzen können und zu einem optimierten Gesamtsystem führen. Das Übertreffen der Qualität der Summe der Einzelsensoren ist in der Regel nicht gegeben. Ferner sind bisherige Systeme auch hinsichtlich Temperaturschwankungen (Infrarothintergrund) hochempfindlich.
  • Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung und/oder ein Verfahren bereitzustellen, womit in einfacher Weise eine stabile und eindeutige Erfassung von Gaskonzentrationen unterschiedlicher Gase möglich ist.
  • Die Aufgabe wird hinsichtlich einer Anordnung und hinsichtlich eines Verfahrens durch die jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst.
  • Beim Verfahren zur Detektion von Gaskonzentrationen wird ein beheizbarer Gassensor mit transienten Temperaturzyklen betrieben, wobei die daraus resultierende IR-Strahlung von einem IR-Detektor detektiert wird und die Leitwertsänderung des Gassensors mit dem Signal vom IR-Detektor mittels eines Rechners verglichen wird um unterschiedliche Gaskonzentrationen in der Gasmesszelle zu detektieren.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Physik besteht darin, dass Galliumoxidsensoren bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen unterschiedliche Empfindlichkeiten (bzw. Querempfindlichkeiten) gegenüber den zu messenden (bzw. Störsignale erzeugenden) Gasen aufweisen. Wird also gemäß des erfinderischen Verfahrens die Betriebstemperatur des Sensors verändert, kann zwischen den zu messenden Gasen und den Störgasen unterscheiden werden. Dies führt zu einer Erhöhung der Messsicherheit. Zusätzlich ermöglicht das Verändern der Sensorbetriebstemperatur während der Messung, wegen seiner Eigenschaft als IR-Sensor und als IR-Quelle, über das Wien'sche Verschiebungsgesetz, zu einer Veränderung der abgestrahlten IR-Wellenlänge. Durch diese Methode können also zwei Gase, deren IR-Absorbtionwellenlängen dicht nebeneinander liegen, voneinander unterschieden werden.
  • Es ergibt sich der Vorteil, dass die transiente Beheizung des Gassensors als gleichzeitig getaktete IR-Quelle zu seiner er höhten Selektivität gegenüber Gaskonzentrationen unterschiedlicher Gase führt.
  • Die für die Ausführung des Messverfahrens geeignete Anordnung besteht aus einer Gasmesszelle 1 zur Detektion von Gaskonzentrationen, welche
    • – mindestens einen beheizbaren Gassensor 3 mit einer gassensitiven Schicht, wobei der Gassensor gleichzeitig als Strahlungsquelle dient,
    • – mindestens einen IR-Detektor 4 aufweist, wobei der mindestens eine Gassensor 3 transient beheizbar ist.
  • Die Gasmesszelle kann alternativ eine IR-Strahlung reflektierende Innenwand 5 aufweisen und/oder die Gassensoren 3 von den IR-Detektoren 4 derart mit unterschiedlichen Abständen voneinander getrennt sein, dass der IR-Strahlengang von einem Gassensor 3 zu einem IR-Detektor 4 mindestens eine Absorptionsstrecke zurücklegt, welche für die Detektion eines Zielgases geeignet ist. Für die Gestaltung von unterschiedlichen Absorptionsstrecken wird der Einsatz von mindestens zwei IR-Detektor 4 – Gassensor 3 Paaren bevorzugt, wobei die Entfernungen zwischen dem IR-Detektor 4 und dem Gassensor 3 der jeweiligen Paare variabel ist.
  • Es wird bevorzugt, dass die Gasmesszelle mindestens eine Form mit einer höheren Anzahl von Seiten als eine rechteckige Form aufweist, wobei die Gassensoren und die IR-Detektoren an mehreren Seiten der Gasmesszelle angeordnet sind, sodass unterschiedliche Absorptionslängen zwischen den Infrarotquellen und den IR-Detektoren zurücklegbar sind.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt
  • 2 Beheizungsschema eines Ga2O3 Gassensors zur Entlockung hoher Selektivität und
  • 3 eine Messzelle mit einer Geometrie für variable Infrarot-Strahlengänge.
  • In 2 werden Temperaturverläufe 1, 2 und 3, also sägezahn-, treppen, oder rampenförmig eines Metalloxid-Gassensors A gezeigt, die jeweils zu einer erhöhten Selektivität des Gassensors führen.
  • Nach dem Wienschen Gesetz emittieren heiße Objekte ihre Energie vorwiegend in kurzen Wellenlängen, d.h., mit zunehmender Temperatur erhöht sich also der Intensitätsanteil kurzwelliger Strahlung, wobei kühlere Objekte ihre Strahlung vorwiegend in längeren Wellenlängen abgeben. Es wird also möglich, den Gassensor in einem größeren Infrarot-Frequenzband durchzustimmen als dies mit einer Strahlungsquelle mit fester Betriebstemperatur möglich wäre, da insgesamt die Lage der Spitzenwellenlänge in der Planck'schen Kurve verschoben wird und somit ein größerer Frequenz bzw. Wellenlängenbereich und die in diesen Bereich auftretenden Absorptionslinien der zu detektierenden Gase ausgewertet werden können.
  • Die vorzugsweise im Messverfahren eingesetzten Metalloxid-Gassensoren A, welche bei Temperaturen von typisch 550 bis 900°C betrieben werden, zeigen bei der jeweiligen Temperatur bestimmte Sensitivitäten auf die jeweiligen Gase. Dabei ändern sich auch die verschiedenen Querempfindlichkeiten zu den Störgasen. Wird die Temperatur der Gassensoren A also während einer Messung geändert, ist es möglich, bei entsprechender Signalauswertung zwischen den einzelnen Gasen zu unterscheiden und den Sensoren eine Selektivität zu entlocken, die sie bei einer konstanten Temperatur betrieben für sich genommen nicht aufweisen. Die ruckartige Temperaturänderungen zwischen einer Spitze einer Sägezahnform und einem Tiefpunkt dieser Form ist möglich, da der Sensor klein genug ist, um in kürzester Zeit wieder abzukühlen.
  • Messungen bei mehreren Strahlertemperaturen dienen vorteilhafterweise auch zur Eigenkontrolle des Sensors und zur Stabilisierung gegenüber Einfluss-Größenschwankungen, Verschmutzungseffekte und Alterungseffekte.
  • Aus der sägezahn- (Punkte mit x markiert), treppen- (Punkte mit Rechtecken markiert) oder rampenförmigen (Punkte mit Kreisen markiert) Ansteuerung des halbleitenden Hochtemperatur-Metalloxid-Gassensors ergibt sich eine vorteilhafte Konsequenz:
    Die in der Erfindung benutzten pyroelektrischen Infrarotsensoren 4, welche sehr hohe Ausgangssignale liefern können, sind rein dynamisch arbeitende Sensoren: Die beim Auftreffen von Infrarot-Strahlung auf den Sensor 4 entstehenden Ladungen fließen über den endlichen Innenwiderstand von ≥30 Gigaohm ab und die Ausgangsspannung sinkt bei nach wie vor auftreffender IR-Strahlung nach einiger Zeit auf einen Nullwert. Abhilfe für das Sinken der Ausgangspannung schafften hier nur mechanische Chopper (Flügelblenden), die den IR-Strahlengang periodisch unterbrechen und damit zu einem Wechselsignal führen, dessen Amplitude der Temperaturdifferenz zwischen Heizstrahlertemperatur und Chopperflügeltemperatur proportional ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Verwendung dieser im Temperaturwechselbetrieb betriebenen Gassensoren 3 als Infrarotquelle wird der Chopper vorteilhafterweise überflüssig, da der Temperaturwechsel schon durch die Infrarotquelle selbst erfolgt. Voraussetzung für den optimalen Betrieb der IR-Sensoren ist, dass ihre elektrischen Abfließ-Zeitkonstanten der pyroelektrischen Sensoren lang gegenüber den Temperaturwechsel-Zeitkonstanten der Infrarotquellen sind, damit das Signal nicht durch einen zu niedrigen Ableitwiderstand schon abgeflossen ist, bevor die Messungen bei einer weiteren Tempera tur gemäß des erfinderischen Verfahrens stattgefunden hat. Zwischen den einzelnen Messungen bei verschiedenen Temperaturen des Metalloxidsensors 3 liegt also vorzugsweise eine Messpause, bei der sich das pyroelektrische Material des IR-Sensors 4 wieder auf den Nullwert einstellen kann. Dieses lässt sich durch geeignete Wahl der parallel zum pyroelektrischen Material geschalteten Ableitwiderstände gut realisieren.
  • Es wird bevorzugt, einen optischen Filter vor dem pyroelektrischen Sensor vorzuschalten, da durch die hiermit gewonnene hohe Schmalbandigkeit eine Selektivitätserhöhung der Sensoranordnung verstärkt wird. Es wird dadurch möglich, die wechselnden Infrarot-Hintergründe durch Veränderungen der Umgebungstemperatur als Störeffekt zu eliminieren.
  • Im Vergleich zu den dynamisch arbeitenden Sensoren ist die Verwendung statisch messender optischer Sensoren bei der optischen Messung der Infrarot-Absorption durch ein zu messendes Gas im Strahlengang eines Sensors teuer; aufgrund geringer Signal/Rauschabstände müssten diese Sensoren unter Umständen gekühlt werden oder, bei der Verwendung von Thermopiles, deren sehr geringe Ausgangsspannung in Kauf genommen werden. Somit ist der Einsatz von in der Erfindung verwendeten dynamisch arbeitenden Sensoren besonders vorteilhaft.
  • Eine weitere Hilfe zum Erreichen einer hohen Nullpunktstabilität besteht darin, dass die Gassensoren 3 und die IR-Detektoren 4 mit Thermopiles (nicht dargestellt) kombiniert werden. Die Heizungen von Ga2O3-Sensoren haben bei einer bestimmten Temperatur einen dazugehörenden Leitungswiderstand welcher über den positiven Temperaturkoeffizienten des Heizungsmetalls liegt und auf den die Heizungselektronik regelt. Durch Alterung kann es zu einer Temperaturverschiebung kommen. Durch Temperaturmessung per Thermopile, beispielsweise als Bolometer, kann die Temperaturregelung aber nachjustiert werden.
  • Zur Wissensbasis, welche für die Ausführung des Messverfahrens notwendig ist, gehören zu jedem Zeitpunkt des Messverfahrens:
    • – die Temperatur des Gassensors (3)
    • – die Absorptionseigenschaften unterschiedlicher Gase
    • – die Umgebungstemperatur, erfassbar durch einen Thermopile
  • Zusammen mit dieser Information kann die Leitwertänderung des Gassensors 3 und die Spannungen am IR-Detektor 4 kombiniert werden um die Konzentration eines Gases mittels eines Rechners mit geeigneter Auswertesoftware zu erfassen.
  • Die Vorrichtung gemäß 3 besteht aus mindestens einer infrarot-optischen Gasmesszelle 1, welche mindestens einen Sensor 3 mit gassensitiver Schicht, vorzugsweise ein Metalloxid-Sensor, und mindestens einen Infrarot-Detektor 4 aufweist. Die 3 zeigt zwei IR-Detektor – Gassensor 3 Paare, welche jeweils zwei Absorptionsstrecken mit unterschiedlichen Längen bereitstellen. Die zu detektierenden Gase dringen in die Gasmesszelle durch die Öffnungen 2 ein. Der IR-Detektor 4 besteht vorzugsweise aus einer Kombination eines pyroelektrischen Elements und eines Thermopiles. Die Kombination eines nahe einander montierten Thermopiles und pyroelektrischen Elements führt, wie zum Beispiel in einem gemeinsamen Gehäuse oder hinter einem gemeinsamen Filter, zu folgenden, gegenseitigen Ergänzungen: ein Thermopile misst statische Signale und ermöglicht Rückschlüsse über das Signal/ Rauschverhältnis durch Messung der Differenz zwischen Umgebungstemperatur und der Temperatur welche sich aus dem empfangenen Ir-Messsignal ergibt, das pyroelektrische Element erlaubt hingegen schnellere Messungen und damit eine erhöhte Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit bei transientem Betrieb der IR-Quellen.
  • Die Gasmesszelle 1 ist hier auch derart ausgebildet, dass mindestens eine Wand 5 eine variierte Positionierung von Inf rarot-Detektoren 4 oder Gassensoren 3 and der Wand erlaubt, sodass die Absorptionsstrecke 6 der von den beheizten Gassensoren ausgestrahlten Infrarot-Strahlung zu den IR-Detektoren 4 auch variabel ist. Dabei kann die Wand 5 beispielsweise an beliebiger Stelle des Gehäuses eine Fläche quer oder zumindest nicht parallel zur Ausstrahlungsrichtung der Infrarotstrahlung aufweisen. Bei einer geschickten Platzierung von Infrarotquellen 3 und Empfangselementen 4 können somit unterschiedliche optische Weglängen 6 auf die jeweiligen Erfordernisse wie z. B. der Absorptionsfaktor bzw. die Konzentration des Gases abgestimmt werden. Gefaltete Strahlengänge sind auch insbesondere bei reflektiver Innenwand der Gasmesszelle möglich. Durch eine solche relative Positionierung der Gas- und Infrarotsensoren 3 und 4 wird die Zahl der detektierbaren Gase erweitert und die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Anordnung 1 gesteigert. Die aus den Sensoren 3 und 4 stammenden Ausgangssignale werden über Leitungen 7, welche vorzugsweise abgeschirmte Kabeln wegen der Hochohmigkeit der Signale aufweisen, von einer Datenerfassungseinheit E, wie z.B. von einem Rechner mit einer entsprechenden Software, ausgewertet.
  • Es ergeben sich deutliche Kostenvorteile beim Aufbau und Betrieb der erfinderischen Anordnung 1. Das Multigas-Sensorsystem benutzt sowohl die Infrarotabsorption von Gasmolekülen zur Detektion von nicht-reaktiven Gasen wie z. B. CO2, Wasser, die Streuung z. B. an Partikeln und Rauch, als auch die Leitfähigkeitsänderung von Metalloxiden der gassensitiven Schichten der Gassensoren 3 zur Detektion von relevanten organischen sowie toxischen und explosiven Gasen.
  • Durch den neuartigen Aufbau der Gasmesszelle oder Messküvette 1 mit mehrfacher Strahlfaltung 6 werden die großen Unterschiede im Absorptionsvermögen von CO2, H2O bzw. CO und die daraus resultierenden Anforderungen an die optische Weglänge ausgeglichen. Es ist also vorteilhaft, in eine Messküvette unterschiedliche Absorptionslängen für IR-Strahlengänge zu erlauben, da eine bestimmte Gase die IR-Strahlung weniger gut absorbieren und somit einen längeren Absorptionsweg brauchen, und für andere Gase eine kürzere Absorptionsstrecke ausreichend ist um die Absorptionslinie im Spektrum erkennen zu können. Mit modellgestützter und redundanter elektronischer Signalauswertung wird die üblicherweise bei Gassensoren stark ausgeprägte Temperatur-, Druck- und Feuchteabhängigkeit der Sensorausgangssignale kompensiert.
  • Es wird bevorzugt, eine Kombination mehrerer Gasmesszellen 1 zu verwenden. In diesem Falle können wie im vorhergehenden einfachen Beispiel die Signale der Infrarotdetektoren 4 mit den Signalen der Gassensoren 3 kombiniert werden, um die Gaskonzentrationen in den Gasmesszellen auszuwerten.
  • Mit der erfinderischen Anordnung und Verfahren zu deren Betrieb ergibt sich vorteilhafterweise neben der Bewertung der Luftgüte eine Vielzahl weiterer Einsatzmöglichkeiten, wie z.B. die Bestimmung der Behaglichkeit einschließlich Feuchtigkeit und Staubbelastung, oder die Detektion von Gefahrensituationen durch Austritt toxischer und explosiver Gase, sowie zur Brandfrüherkennung.
  • Literaturverzeichnis

Claims (12)

  1. Gasmesszelle zur Detektion von Gaskonzentrationen, aufweisend – mindestens einen beheizbaren Gassensor (3) mit einer gassensitiven Schicht, wobei der Gassensor gleichzeitig als Strahlungsquelle dient, – mindestens einen IR-Detektor (4) – mindestens einen Gaseinlass (2) dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gassensor (3) transient beheizbar ist.
  2. Gasmesszelle nach Anspruch 1, bei der mindestens eine Gasmesszelle mindestens zwei IR-Detektor (4) – Gassensor (3) Paare aufweist, wobei die Entfernungen jeweils zwischen dem IR-Detektor (4) und dem Gassensor (3) unterschiedlich sind und entsprechend unterschiedliche Absorptionswege bereitgestellt sind.
  3. Gasmesszelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Innenwand der Gasmesszelle reflektiv ist.
  4. Gasmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Gassensor (3) ein Metall-Oxid Gassensor ist.
  5. Gasmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Infrarot-Detektor (4) ein dynamisch arbeitender pyro-elektrischen Sensor ist.
  6. Gasmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Thermopile mit dem Infrarot-Detektor (9) und dem Gassensor (3) zur Temperaturjustierung eingesetzt wird.
  7. Gasmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein optischer Filter zur Reduzierung von Störsignalen dem IR-Detekkor (4) vorgeschaltet ist.
  8. Gasmesszelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der IR-Detektor eine lange Abfließzeitkonstante gegenüber den Temperaturwechselzeitkonstanten der Gassensoren (3) aufweist.
  9. Verfahren zur Detektion von Gaskonzentrationen, bei dem ein beheizbarer Gassensor (3) mit transienten Temperaturzyklen betrieben wird, wobei die daraus resultierende IR-Strahlung von einem IR-Detektor (4) detektiert wird und die Leitwertsänderung des Gassensors mit dem Ausgangssignal vom IR-Detektor (4) mittels eines Rechners verglichen wird um unterschiedliche Gaskonzentrationen zu detektieren.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Beheizung des Gassensors (3) sägezahn-, treppen-, oder rampenförmig verläuft.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem eine Temperaturjustierung des Gassensors anhand eines Thermopiles ausgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem zwischen zwei unterschiedlichen Temperaturen des Gassensors eine Messpause eingelegt wird, bei der sich das pyroelektrische Material des IR-Detektors (4) wieder auf einen Nullwert einstellen kann.
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