DE19937318A1

DE19937318A1 - Gasanalysegerät und Kalibrierverfahren hierzu

Info

Publication number: DE19937318A1
Application number: DE1999137318
Authority: DE
Inventors: Armin Jerger; Iwan Bouzid
Original assignee: Kohler Heinz
Current assignee: GED GESELLSCHAFT FUER ELEKTRONIK UND DESIGN MB, DE
Priority date: 1999-08-10
Filing date: 1999-08-10
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2019-08-11
Also published as: DE19937318B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gasanalysegerät mit einem Nachkalibrierverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gasanalysegerät und ein Kalibrierverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Verbindung mit einem Gasanalysegerät zur Bestimmung und Anzeige von Gasen mit einem Halbleiter-Gassensor, dessen Arbeitstemperatur zyklisch variiert und dessen Widerstand oder Leitwert über der Zykluszeit in Form von Kalibrierprofilen aufgezeichnet wird, ist ein Speicher vorgesehen, in dem im voraus bestimmten Gasen entsprechende Kalibrierprofile sowie aus bei unterschiedlichen Konzentrationen aufgenommenen Kalibrierprofilen abgeleitete Kalibrierkurven abgespeichert sind. Das gleiche Verfahren kann auch für mehrere Sensorelemente angewandt werden. Es ist ferner eine Auswerte- und Verknüpfungseinheit vorgesehen, in der die vom Halbleiter-Gassensor (oder von den Halbleiter- Gassensoren) aufgenommenen Meßwerte eines zu analysierenden Gases mit den abgespeicherten Kalibrier-Profilen verknüpft werden. Darüber hinaus ist eine Anzeige-Einrichtung und/oder eine Schnittstelle vorgesehen, die als Ergebnis der Verknüpfung und des Vergleichs zwischen aktuellen Meßwerten und den Kalibrier- Profilen die Identität und/oder die Konzentration des zu analysierenden Gases anzeigt oder überträgt.

In der Patentschrift EP 0 829 718 A1 wurde beschrieben, daß beheizte Halbleiter- Gassensoren (in der Literatur auch als Metalloxid-Gassensoren bezeichnet) in Gasanalyse- und Gaswarngeräten als Detektorelemente eingesetzt werden. Es wurde gezeigt, daß die Analysequalität dieser Geräte erheblich verbessert werden kann, wenn die Arbeitstemperatur nicht, wie nach dem damaligen Stand der Technik üblich, konstant gehalten wird, sondern zyklisch in der Zeit verändert wird und während der Zyklen der Leitwert gemessen wird, um sogenannte Leitwert-Zeit-Profile zu registrieren. Die so gewonnenen Leitwert-Zeit-Profile werden in einem Kalibrierverfahren in Abhängigkeit von der Konzentration der jeweiligen Gaskomponente aufgenommen und als Kalibrierdaten abgelegt. Hinterher können in einem Meßzyklus nach dem gleichen Verfahren neue Leitwert-Zeit-Profile aufgenommen werden und diese werden anschließend mit den bereits abgelegten Kalibrierdaten verglichen, um daraus die Gaskomponenten und deren Konzentrationen zu bestimmen.

Dieses in der oben genannte Patentschrift beschriebene Verfahren hat enorme Vorteile gegenüber dem vorhergehenden Stand der Technik (Betrieb der Sensorelemente bei konstanter Arbeitstemperatur), erfordert jedoch einen erheblich höheren Kalibrieraufwand, da bei mindestens zwei Konzentrationen pro Gaskomponente, jedoch höchstens bei 10 Konzentrationen pro Gaskomponente, vorzugsweise bei fünf Konzentrationen pro Gaskomponente kalibriert werden muß, um die Konzentrationsabhängigkeit der Leitwert-Zeit-Profile genügend genau zu erfassen.

Es versteht sich von selbst, daß der Kalibrieraufwand nochmals um einen Faktor zwei oder höher steigen kann, um den Temperatureinfluß des Meßmediums auf die Leitwert-Zeit-Profile numerisch kompensieren zu können. Dieser Aspekt wird hier nicht weiter beleuchtet, er muß jedoch vom Anwender in die Gesamtbetrachtung mit einbezogen werden.

Betrachtet man den günstigsten Fall, daß die Mediumtemperatur nicht variiert, dann fällt dieser höhere Kalibrieraufwand bereits für diesen Fall umso mehr ins Gewicht, wenn er nicht nur in einer Erstkalibrierung zu leisten ist, sondern von Zeit zu Zeit diese vollständige Kalibrierung wiederholt werden muß. Dies kann z. B. durch die Veränderung der Profilform der Leitwert-Zeit-Profile über die Zeit infolge Driftverhalten der Sensorelemente in gewissen Zeitabständen notwendig sein. Dieses Driftverhalten ist abhängig vom Sensorelement und variiert von Anwendungsfall zu Anwendungsfall und kann, bezieht man noch von Anwendung zu Anwendung unterschiedliche Meßgenauigkeitsansprüche mit ein, Nachkalibrierungsintervalle von wenigen Stunden bis mehreren Monaten oder Jahren erfordern. Vor diesem Hintergrund geht der Nachkalibrieraufwand beim Einsatz eines Gasanalysegerätes oft höher in die Gesamtwirtschaftlichkeitsrechnung ein als der Erstkalibrieraufwand.

Jedes auf der Auswertung von im Rahmen einer zyklischen Temperaturvariation aufgenommenen Leitwert-Zeit-Profilen basierende Meßverfahren muß, unabhängig vom Auswerteverfahren, wegen der Konzentrationsabhängikeit der Profilform mit relativ hohem Erstkalibrieraufwand betrieben werden. Sind die Nachkalibrierintervalle infolge Profilformänderung durch Drifteffekte relativ kurz und der Nachkalibrieraufwand gleich oder ähnlich hoch wie der Erstkalibrieraufwand, dann ist das Verfahren möglicherweise kostenintensiv.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein weniger aufwendiges Nachkalibrierverfahren vorzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Gasanalysegerät und das zugehörige Kalibrierverfahren nach Anspruch 1 gelöst. Das nachfolgend anhand eines Beispiels erläuterte Gasanalysegerät mit Nachkalibrierverfahren reduziert den Kalibrieraufwand im Vergleich zum Erstkalibrieraufwand (beispielsweise fünf Leitwert-Zeit-Profile pro Komponente) auf ungefähr ein Fünftel und stellt deshalb einen besonderen Schritt zur Erhöhung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit solcher Meßverfahren dar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1-3 näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein auch miniaturisierbares Gasanalyse- oder/und Gaswarngerät 1 gezeigt, das einen Halbleiter-Gassensor oder mehrere Halbleiter-Gassensoren 3 umfaßt, der bzw. die einerseits mit einer oder mehreren Temperatursteuerungen 5 und andererseits mit dem Eingang einer arithmetischen Verknüpfungseinheit 7 gekoppelt ist bzw. sind. In der Auswerte- und Verknüpfungseinheit 7 werden die Meßwerte mit aus dem Speicher 9 ausgelesenen Kalibrierwerten arithmetisch logisch verarbeitet und verglichen. Nach Beendigung der arithmetisch logischen Verarbeitung in Verknüpfungseinheit 7 wird das Ergebnis auf Anzeigeeinrichtung 11 zur Anzeige gebracht und/oder über eine entsprechende Schnittstelle an eine andere Einheit übertragen. Für den Fall, daß ein Grenzwert über- oder unterschritten wurde, kann ein Ansteuersignal an einen Signalgenerator oder Aktor 13 abgegeben werden. Der Aufbau der Bauelemente 3 bis 13 kann sowohl diskret sein als auch ganz oder teilweise in integrierten Schaltkreisen zu Miniaturisierungszwecken realisiert sein. Auch tragbare, batteriegepufferte Realisierungen mit besonders niedrigem Energiebedarf können in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein.

Die Effizienzsteigerung durch das Verfahren nach Anspruch 1 wird an den folgenden Diagrammen der Fig. 2-3 demonstriert:
Die Diagramme zeigen für zwei Ausführungsbeispiele die Leitwert-Zeit-Profile für Ethanol (Fig. 2a) und Essigsäure (Fig. 2b), wobei das Verfahren für alle an einem Halbleiter Gassensor umsetzbaren Stoffe, wie beispielsweise Methan, Kohlenmonoxid, Benzol, usw. vorteilhaft sein kann, aufgenommen beispielsweise mit einem TGS 823 Sensorelement bei verschiedenen Gaskonzentrationen c_a, c_b, c_c, c_d, c_e anhand durchgezogener Linien 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 101a, 101b, 101c, 101d, 101e.

Die gestrichelten Linien 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 102a, 102b, 102c, 102d, 102e zeigen die gleichen Messungen, aufgenommen mit dem identischen Sensorelement zwei Wochen später. Es wird deutlich, daß infolge des Driftverhaltens des Sensorelements erhebliche Unterschiede dar Leitwert-Zeit-Profile bei allen Konzentrationen auftreten (in diesem Fall eine Erhöhung der Empfindlichkeit) und deswegen wären, hätte man die ursprünglichen Leitwert-Zeit-Profile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 101a, 101b, 101c, 101d, 101e) als Kalibrierprofile verwendet, erhebliche Abweichungen vom richtigen Meßwert zu diesem Zeitpunkt zu erwarten gewesen, würde man keine Korrektur dieser Erstkalibrierprofile durchführen.

Die Korrektur der ursprünglichen Kalibrierprofile (1a, 1b, 1c, 1d, 1e; 101a, 101b, 101c, 101d, 101e) geschieht nun folgendermaßen: In einem Nachkalibrierverfahren wird jeweils von einer einzigen Konzentration, vorzugsweise einer mittleren Konzentration einer jeden zu analysierenden Gaskomponente ein repräsentatives Leitwert-Zeit- Profil aufgenommen (im folgenden Nachkalibrierprofil genannt, Linien 2c bzw. 102c in den Fig. 2a/b) und dieses durch Vergleich mit dem entsprechenden, früher gemessenen Profil gleicher Gaskonzentration 1c bzw. 101c (Fig. 2a/b) zur Korrektur aller Kalibrierprofile herangezogen.

Die Ergebnisse der numerischen Korrekturen sind in den Diagrammen der Fig. 3a) und 3b) dargestellt, welche zur Prüfung der Effizienz des Verfahrens auch die neu gemessenen Leitwert-Zeit-Profile der übrigen 4 Konzentrationen enthalten. Die gestrichelten Linien der Fig. 3a/b zeigen die zum ungefähren Zeitpunkt der Aufnahme der Nachkalibrierprofile gemessenen Leitwert-Zeit-Profile (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 102a, 102b, 102c, 102d, 102e). Die durchgezogenen Linien 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 103a, 103b, 103c, 103d, 103e) in Fig. 3a/b konnten durch arithmetisch logische Vergleiche generiert werden aus den Erstkalibrierdaten (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 102a, 102b, 102c, 102d, 102e in Fig. 2a/b, zwei Wochen früher aufgenommen) und den beiden als Nachkalibrierprofile verwendeten Leitwert-Zeit-Profilen (Linien 2c bzw. 102c in Fig. 2a/b bzw. in den Fig. 3a/b) zum Beispiel durch Ermittlung von "Driftfaktoren"

und nachfolgender Multiplikation der d_i mit den Meßpunkten S_i aller zugehörigen Erstkalibrierprofile. Selbstverständlich sind auch andere Korrekturalgorithmen denkbar und deren Eignung wurden auch teilweise gezeigt, so daß dieses hier vorgestellte Schema keinesfalls einschränkend sondern beispielgebend sein soll. Die Übereinstimmung zwischen den neu gemessenen Leitwert-Zeit-Profilen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 102a, 102b, 102c, 102d, 102e in Fig. 3a/b und den numerisch generierten 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 103a, 103b, 103c, 103d, 103e in Fig. 3a/b ist bei allen Konzentrationen überraschenderweise genügend gut, um alle oder zumindest einen Großteil der Nachkalibrierungen auf dieses stark vereinfachte Verfahren zu beschränken.

In der praktischen Anwendung bedeutet dies, daß der Anwender z. B. nur ein einziges "Standard-Kalibriergas" bzw. eine einzige "Standard-Kalibrierflüssigkeit" mit entsprechendem Gaspartialdruck für jede zu messende Komponente bereithalten muß, um die nötigen Nachkalibrierungen von Zeit zu Zeit durchzuführen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungsbeispiele sind in den Unteransprüchen der vorliegenden Anmeldung aufgeführt.

Claims

1. Gasanalysegerät bzw. Gaswarngerät zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung einer Konzentration von zumindest einer Gaskomponente eines Gasgemisches mittels zumindest einem nach einem zyklisch vorgegebenen Heizprofil beheizten Detektorelement, dessen/deren Leitwert-Zeit-Profile als Meßkurve bzw. Meßkurven aufgenommen wird bzw. werden und zur Identifizierung und/oder Konzentrationsbestimmung von zumindest einer Gaskomponente mit zuvor als Leitwert-Zeit-Profilen abgelegten Kalibrierprofilen verglichen werden, gekennzeichnet dadurch, daß

a) die in einem ersten Kalibrierverfahren abgelegten Leitwert-Zeit-Profile in Abhängigkeit von der Konzentration aufgenommen werden, derart, daß Leitwert-Zeit-Profile von jeder Gaskomponente bei N < 1 verschiedenen Konzentrationen aufgezeichnet werden.
b) ein Nachkalibrierverfahren nach dem ersten Kalibrierverfahren bei höchstens N-1 Konzentrationen durchgeführt wird.
c) der numerische Vergleich der Meß- mit den Kalibrierkurven als Ergebnis mindestens eine im Gasgemisch vorliegende Gaskomponente identifiziert und/oder dessen Konzentration einer Ausgabeeinheit zur Verfügung gestellt wird.

2. Gasanalysegerät bzw. Gaswarngerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwert-Zeit-Profile des Nachkalibrierverfahrens zur arithmetischen Korrektur der abgelegten Kalibrierprofile des ersten Kalibrierverfahrens verwendet und die nachfolgenden Messungen mit diesen korrigierten Kalibrierprofilen verglichen werden.

3. Gasanalysegerät bzw. Gaswarngerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwert-Zeit-Profile eines k-ten Nachkalibrierverfahrens zur Korrektur der Kalibrierprofile des k-1-ten Nachkalibrierverfahrens herangezogen werden und die nachfolgenden Messungen mit diesen korrigierten Kalibrierprofilen verglichen werden.

4. Gasanalysegerät bzw. Gaswarngerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung des ersten Nachkalibrierverfahrens (k = 1) die Kalibrierprofile des ersten Kalibrierverfahrens zur arithmetischen Korrektur der Kalibrierprofile verwendet werden.

5. Gasanalysegerät bzw. Gaswarngerät nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Nachkalibrierverfahren die Aufnahme eines Leitwert- Zeit-Profils bei jeweils einer einzigen Konzentration pro zu analysierender Gaskomponente für das zumindest eine Detektorelement verwendet wird.

6. Gasanalysegerät bzw. Gaswarngerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Kalibrierverfahren zumindest ein zusätzliches Leitwert-Zeit-Profil von einer Mischung aus mindestens zwei Gaskomponenten aufgenommen wird.