DE3827426A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung eines verfahrens zum zwecke der identifizierung und quantifizierung unbekannter gasfoermiger substanzen - Google Patents

Description

Im Bereich der Umwelttechnik sind zunehmend Apparate und Vor­ richtungen bestimmend, die das Vorhandensein von gasförmigen Verbindungen detektieren. Es wird dabei verlangt, daß diese Vorrichtungen möglichst in Echtzeit arbeiten, eine sehr hohe Verfügbarkeit und Lebensdauer haben und preislich deutlich niedriger als die bekannten Analysen-Geräte sind, um so eine massenhafte Verbreitung zu gestatten.

Es sind Sensoren für gasförmige Substanzen bekannt, die nach dem Prinzip der Brennstoffzelle arbeiten. Diese Sensoren ar­ beiten selektiv, gestatten also nicht nur den quantitativen Nachweis, sondern indirekt auch eine qualitative Zuordnung. Weiter sind Zinn-Dioxyd-Halbleitersensoren bekannt. Diese Sensoren detektieren alle oxidierbaren und reduzierenden Sub­ stanzen. Dabei ist die spezifische Empfindlichkeit dieser Sensoren den einzelnen Substanzen gegenüber zwar unterschied­ lich, der Erfassungsbereich ist allerdings so weit, daß man von Breitbandsensoren spricht. Diese Sensoren können im Be­ reich ab 0,1 ppm bei verschiedenen Substanzen erfolgreich eingesetzt werden, wenn die Quereinflüsse von Temperatur und relativer Feuchte kompensiert werden. Das Ausgangssignal des Sensors ist kein Meßwert, sondern lediglich ein Maßstab für das Vorhandensein irgendwelcher Substanzen, auf die der Sen­ sor reagiert, wobei der Sensor summierende Eigenschaften hat.

Die hier beschriebene Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, auf der Basis dieser preiswerten und robusten Sensoren eine qualifizierte Vorrichtung zu schaffen, die vorteilhaft einerseits eine Zuordnung der detektierten Substanz gestattet, ferner eine Aussage über die Größenordnung gestattet.

Dabei macht sich die Erfindung die Tatsache zu eigen, daß in Abhängigkeit von zahlreichen Parametern die spektrale Em­ pfindlichkeit einzelner Substanzen gegenüber von Sensor zu Sensor höchst unterschiedlich ist.

So ist es beispielsweise auch möglich, durch Verändern der Heizleistung und damit der Oberflächentemperatur des Sensors die Reaktivität der Sensoroberfläche verschidenen Substanzen gegenüber zu verändern.

So ist z. B. die Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff (H₂) bereits bei sehr niedrigen Temperaturen sehr hoch. Dies gilt entsprechend für Substanzen mit entsprechender Affinität zu SNO₂ und entsprechender Reaktionsfreude.

Wenig reaktive Substanzen, z. B. Kohlenmonoxyd, bedürfen ei­ ner relativ hohen Oberflächentemperatur des Sensors.

Vereinfacht gesagt ist die Empfindlichkeit gegenüber be­ stimmten Substanzen an bestimmten Temperaturen jeweils am höchsten.

Die Erfindung macht sich diese Eigenschaft wie folgt zu Nutze:

Beispielsweise ist der Luft Kohlenmonoxyd beigegeben, und dieses Gemisch wird auf 2 Sensoren geleitet. Der erste Sensor arbeitet mit geringer Oberflächentemperatur, während der zweite Sensor mit hoher Oberflächentemperatur betrieben wird. Ergebnismäßig wird es so sein, daß Sensor 1 nur sehr geringe Werte anzeigt, Sensor 2 dagegen ein hohes Ausgangssignal er­ zeugt. Es ist gesichert, daß diese signifikanten Unterschiede typisch und reproduzierbar sind.

In der Praxis wird regelmäßig Wert darauf gelegt, die in der Anwendersituation erwarteten spezifischen Substanzen aufzu­ finden, zu erkennen in Qualität und Quantität und ent­ sprechende Warnungen auszugeben. Im Bergbau interessierten z. B. die Substanzen Kohlenmonoxyd und Metan. Beim Auskoffern kontaminierter Böden muß auf Benzol geachtet werden.

Da aufgrund der geringen Masse des Sensors die Oberflächen­ temperatur sehr rasch auf eine Veränderung der Heizleistung reagiert, ist es sehr leicht möglich, programmgesteuert die Heizleistung kontinuierlich zwischen einem Minimum- und Maxi­ mum-Wert zu verändern. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Sensors beobachtet. Je nach Qualität der anwesenden Sub­ stanz wird bei Korrelation der Temperatur und des Sensoraus­ gangssignals an einer bestimmten Position der Temperaturskala ein Maximum zu beobachten sein.

Fig. 1 zeigt eine solche Aufnahme mit einigen typischen Substanzen, wobei Kurve A Wasserstoff ist, Kurve B Methan ist, Kurve C Kohlenmonoxyd ist. Wertet man diese Ergebnisse in einem Mikroprozessor aus, dem die Zuordnung der Sensorausgangssignale und der Tempera­ tur übertragen wird, ergibt sich eine dreidimensionale Ma­ trix, die in Fig. 2 gezeigt wird. A ist dabei das Sensoraus­ gangssignal, B die Sensortemperatur und C ein Korrekturfak­ tor, um bei spezifischen Substanzen das Sensorausgangssignal dimensionieren zu können, z. B. in ppm.

Aus dem Vorhergesagten ergibt sich, daß sich beim Durchfahren des Temperaturbereiches und bei Vorhandensein einer bestimm­ ten Substanz sich eine spezifische Sensorsignal-Kurve ergibt, die typisch für die spezifische Substanz ist und die sich signifikant von anderen Substanzen unterscheidet. Innerhalb des Mikroprozessors sollen die Pegel an einzelnen Temperatur­ punkten untereinander bewertet werden. Diese Bewertung ergibt rechnerisch eine typische Größe, die die Identifikation der Substanz erlaubt.

Vereinfacht gesagt, wird somit jeder Substanz "ein Fingerab­ druck einmal abgenommen", und als Zahl im Rechenprogramm ge­ speichert. Mit Hilfe dieser Methode sind zahlreiche Substan­ zen eindeutig identifizierbar.

Da jede Substanz eine spezifische Affinität zum Sensor hat, muß das Sensorausgangssignal mit einer Korrekturzahl, die für die Substanz jeweils typisch ist, multipliziert werden. Ergebnismäßig ist die erfindungsgemäße Vorrichtung also in der Lage

• 1. die unbekannte Substanz grob zu identifizieren,
• 2. die Konzentration in üblichen Dimensionen innerhalb relativ kleiner Toleranzen anzugeben.

Vorteilhaft ist, daß dazu nur ein einziger Sensor benötigt wird, der als Halbleitersensor relativ preiswert ist und über eine sehr große Standzeit verfügt.

Vorteilhaft wird die Vorrichtung incl. Sensor einmal mit Meß­ gasen kalibriert, wobei die spezifischen Korrekturzahlen und Identifikationszahlen in einem nicht flüchtigen Speicher des Gerätes abgelegt werden. Diesen Vorgang, den man als "selbst­ lernende Kalibrierung und Identifizierung" bezeichnen kann, wird vorteilhaft vor Auslieferung des Gerätes an den Kunden durchgeführt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also wie folgt zu be­ schreiben: (siehe Fig. 3).

Ein Halbleitersensorelement ist mit einem Widerstand in Reihe geschaltet und bildet einen elektrischen Spannungsteiler (1). Das Sensorelement wird dabei über eine Heizeinrichtung (3) beheizt, die über eine gesteuerte Stromquelle (2) gespeist wird. Die Stromquelle wird von einem Mikroprozessor (7) pro­ grammgesteuert. Zusätzlich werden über geeignete, technisch bekannte Sensoren die Temperatur (13) und die relative Feuch­ te (14) über einen Analog/Digital-Wandler (4) in den Mikro­ prozessor (7) eingelesen. Diese können auf einem Display (Anzeige) (8) angezeigt werden, wobei hauptsächlich die Quantität als auch Qualität, als auch die zu untersuchende Substanz angezeigt wird. Vorgesehen ist eine Protokoll- Schnittstelle, die als übliche Computer-Schnittstelle ausge­ legt ist. Ein Alarmausgang (10) ist vorgesehen, um bei Über­ schreiten frei festgelegter Gefahrenwerte akustischen und/ oder optischen Alarm zu geben. Während des "Lernvorgangs" ist über eine geeignete, technisch bekannte Schnittstelle eine Tastatur vorübergehend angeschlossen, um den "Lernvor­ gang" steuern zu können und um die Stoffgruppe, die im Dis­ play (Anzeige) später angezeigt werden soll, zu definieren. Die dabei anfallenden Identifikations- und Korrekturdaten werden in einem nicht flüchtigen Speicher (6), z. B. einem EE-PROM, abgelegt. Über einen Testschalter (12) kann die Funktionsfähigkeit der Batterie geprüft werden und weitere relevante Funktionen können automatisch geprüft werden.

Vorteilhaft stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung damit ein preiswertes, einfach zu bedienendes und robustes Gerät vor, das nicht nur das Vorhandensein irgendwelcher Substanzen zu detektieren in der Lage ist, sondern gleichzeitig eine Aus­ sage machen kann, welcher Stoffgruppe die Substanz zuzuordnen ist und welche Konzentration vorliegt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Zwecke der Identifizierung und Quantifizierung unbekannter gasförmiger Substanzen, wobei ein beheizter Halbleiter-Gassensor einge­ setzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß periodisch die Heiz­ leistung und damit die Oberflächentemperatur des Sensors zwischen einem Minimum- und Maximum-Wert verändert wird, wo­ bei gleichzeitig das Ausgangssignal des eigentlichen Sensors über einen Analog/Digital-Wandler in einen Mikroprozessor eingelesen wird, wobei programmgesteuert die Sensorsignale an definierten Heizleistungspunkten miteinander verglichen wer­ den, so daß sich rechnerisch eine bestimmte Zahl ergibt, die mit einer im Mikrocomputer abgelegten Zahl korreliert und identisch mit einer bestimmten Substanzgruppe ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Identifikationszahl im Rechenprogramm eine Korrekturzahl zu­ geordnet ist, die die spezifische Empfindlichkeit des Sensors auf die identifizierte Stoffgruppe beinhaltet, wobei durch rechnerische Verknüpfung mit dem Sensorsignal der tatsäch­ liche Konzentrationswert in verkehrsüblichen Dimensionen her­ gestellt wird.

3. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über eine geeignete Schnittstelle über eine Eingabeeinheit Konzentration und Gat­ tungsname einer oder mehrerer Substanzen eingegeben wird, wobei der Sensor mit dieser Substanz in der angegebenen Kon­ zentration überzogen wird und selbständig die in den vorange­ gangenen Ansprüchen beschriebenen Identifikations- und Korrekturzahlen errechnet und in einem unverlierbaren Speicher abgelegt werden.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorangegangenen An­ sprüche, daß die Heizleistung programmgesteuert durch Ver­ änderung des Impuls-Pausenverhältnisses erzeugt wird.