DE4001959A1 - Spezifisch gewichteter gas-partialsummensensor - Google Patents

Description

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Messung von gas­ förmigen Stoffen mittels homogener Halbleiter wie z. B. Me­ talloxide. Bei diesem speziellem Verfahren werden die Gas- Partialsummen erfaßt und spezifisch in der Art gewichtet, daß die Partialsummenbildungen beispielsweise ein Maß für die Gefährdung von Personen durch toxische Gase, für Geruchsbe­ lästung oder Maß für Gefährdungen anderer Art wie z. B. Brandgefahr sind.

Die kontinuierliche Erfassung von Gefährdungspotentialen, die ihren Ursprung in der Konzentration bestimmter Gase in der Umgebungsluft haben, ist bis heute problematisch, in vielen Fällen mit unvertretbar hohem Aufwand verbunden und in eini­ gen anderen Fällen überhaupt nicht möglich. So werden z. B. bei der Sanierung kontaminierter Böden kontinuierliche Mes­ sungen der entweichenden Gase notwendig. Auch die kontinuier­ liche Überwachung von Giftmülldeponien bzgl. sich bildender Giftgase wird zunehmend zu einem Problem. Fehlerhafte Be­ triebszustände bei Kläranlagen können zu erheblichen Geruchs­ belästigungen führen. In all diesen Fällen ist bisher eine kontinuierliche Überwachung nicht möglich, weil mit einschlä­ gigen analytischen Methoden wie Gas-Chromatograf oder IR- Spektroskopie nur diskontinuierlich gearbeitet werden kann bzw. wirtschaftlich nicht vertretbare Kosten entstehen.

Andere bekannte analytische Detektoren wie elektrochemische Zellen, die selektiv arbeiten oder auf dem Markt befindliche SnO2-Sensoren, die ein reines Summensignal erzeugen, können ohne weitere Vorrichtungen keine situations- oder anwendungs­ abhängige Aussagen erzeugen.

Es ist bekannt, daß in zunehmenden Maße versucht wird, mit homogenen Halbleitersensoren selektive Aussagen zu erreichen. Diese Ansätze sind z. B. beschrieben in den Patentanmeldungen P 37 36 200 und P 37 36 199. Diese Zielrichtungen sind aber nicht tauglich für Situationen, in denen mehrere Gase gleich­ zeitig erfaßt und bewertet werden müssen. Für die Lösung dieser Aufgabenstellung wird ein neuartiger Ansatz gewählt, bei dem davon ausgegangen wird, daß für den jeweiligen kon­ kreten Einsatzfall (kontaminierte Böden, Deponie etc.), die zu erfassende und zu bewertende Partialsumme bekannt ist. So kommen beispielsweise auf nicht entsorgten Standorten von ehemaligen Kokereien gesundheitsschädliche Stoffgruppen vor wie aromatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzol) und poli­ zyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzpyren) oder Phenole. Die zu berücksichtigenden Gase können analy­ tisch im Labor einmalig selektiv bestimmt werden zur Fest­ legung der zu berücksichtigenden Gas-Partialsumme.

Die auf der Basis der analytischen Untersuchung festgelegten Partialsumme ist dann kontinuierlich zu überwachen. Gleich­ zeitig sind Signale von Gasen zu unterdrücken, die nicht zu Beeinträchtigungen führen. Auf diese Weise können beispiels­ weise während eines Auskofferungsprozesses kontaminierter Böden mögliche gesundheitliche Schäden durch plötzliche Konzentrationserhöhungen ausgeschlossen werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, daß zwei oder mehr gasempfindliche Sensor-Elemente oder zwei oder mehr gasempfindliche Sensorsysteme eingesetzt werden. Diese Sensor-Elemente oder Sensorsysteme werden an zwei oder mehr verschiedenen Orten plaziert, zwischen denen eine Höhen­ differenz besteht. Da die Gase aufgrund ihres unterschied­ lichen spezifischen Gewichtes bei verschiedenen Höhen unter­ schiedliche Konzentrationen aufweisen und bei neuem Entstehen auch unterschiedliche vertikale Ausbreitungsgeschwindigkeiten aufweisen, entstehen unterschiedliche Leitfähigkeitsänderun­ gen an Sensor-Elementen.

Als Sensor-Element wird ein Metalloxid-Halbleiter wie z. B. SnO₂ eingesetzt, die bereits in unterschiedlichen Ausführun­ gen auf dem Markt angeboten werden. Prinzipiell reagieren diese Sensoren mit einer Änderung des elektrischen Wider­ standes der Metalloxidschicht auf die Summe der angebotenen Gase. Abhängig aber von z. B. Herstellverfahren, Dotierung und Arbeitstemperatur ändert sich der Widerstand spezifisch abhängig von einer Gasart.

Abhängig von der zu erfassenden Gaspartialsumme können unter­ schiedliche Zahlen von verschiedenen Sensoren auf einer Höhe H1 eingesetzt werden. Die gleiche oder eine davon abweichende Anordnung von Sensoren wird auf der Höhe H2 eingesetzt. Über eine mikroprozessor gesteuerte Auswertung werden die unter­ schiedlichen Werte der Partialsummen erfaßt und bewertet.

Mittels eines Vergleichs können bei Überschreiten eines vor­ gegebenen "Gefährdungspotentials" Aktionen ausgelöst werden wie z. B. Unterbrechung der Baggerarbeiten bei kontaminierten Böden.

Wenn bei der Zusammenstellung des Gefährdungspotentials der Quereinfluß eines bestimmten Gases, das nicht in das Gefähr­ dungspotential mit einbezogen ist, von der Gaspartialsummen­ bildung nicht ausgeschlossen werden kann, ist es als Zusatz­ maßnahme ohne weiteres möglich, vor dem Gaseingang eine selektive Membran anzubringen, die dieses Gas ausschließt.

In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform des Gas-Partial­ summensensors beschrieben. In einem Gehäuse (1) befinden sich vertikal auf unterschiedlicher Höhe Gaseintrittsöffnungen (2).

Hinter der Gaseintrittsöffnung (2) sind die gasdicht abge­ schlossenen auf der vertikalen Höhe H1 befindlichen Gehäuse (3) und auf der Höhe H2 befindlichen Gehäuse (4) plaziert.

In diesen Gehäusen befinden sich jeweils ein Sensor-Array, (5) mit einem oder mehreren Sensoren (6). Eine zentrale Elek­ tronik (7) steuert die Sensor-Arrays (5) mit dem elektrischen Sensor-Widerstand und verarbeitet die Meßwerte. Die zentrale Elektronik (7) umfaßt eine Heizungssteuerung für die Sensoren und die direkte Ansteuerung der Sensoren. A/DWandler, Mikro­ prozessoren und ROMs für die Bewertung der Partialsumme sind ebenfalls in der Zentralelektronik (7) enthalten. Die zen­ trale Elektronik wird über die Leitung (8) mit Energie ver­ sorgt und gibt über eine digitale Schnittstelle (9) ihre Ergebnisse aus.

In Fig. 2 ist dargestellt, daß die gasdichten Gehäuse (3 u. 4) ohne weiteres auch getrennt aufgebaut werden können, so daß mit großen Höhendifferenzen gearbeitet werden kann. Die zentrale Elektronik läßt sich davon völlig unabhängig an einem getrennten Ort aufbauen.

In Fig. 3 ist gesondert herausgehoben, daß vor den Gasein­ trittsöffnungen 2 eine Membran (10) angebracht sein kann, die z. B. für eine bestimmte Gasart undurchlässig ist. Es kann auch zusätzlich eine Gas-Verzögerungsstrecke (11) eingebaut werden, um den zeitlichen Unterschied der Gaskonzentrations­ änderungen zwischen der Höhe H1 und H2 zu verstärken.

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß kostengünstig direkt kontinuierliche Gaspartialsummenmessungen möglich werden. Innerhalb der Sensor-Arrays können gebräuchliche Halbleitersensoren eingesetzt werden. Der Umweg über eine selektive Messung, die bei Halbleitersensoren nur mit auf­ wändiger Mustererkennung möglich ist und eine anschließende Addition aller Komponenten erfordert, kann vermieden werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Messung von Gaspartialsummen mit Hilfe von homogenen Halbleitern oder anderen empfindlichen Gassen­ soren, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Sensor-Arrays, jeweils aus einem oder mehreren Sensor-Elementen bestehend, in zwei oder mehr unterschiedliche Höhen angeordnet werden und daß die auf­ grund unterschiedlicher spezifischer Gewichte dabei ent­ stehenden Konzentrationsunterschiede der Gase an den Sensor-Arrays ein Maß für der Bewertung der Partialsumme sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Unterschied der Konzentrationsänderungen in unterschiedlichen Höhen ein Maß bei der Bewertung der Gaspartialsumme ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Membran vor die gasempfindlichen Sen­ sorelemente angebracht wird, die undurchlässig für die Gase ist, die bei der gewünschten Gaspartialsumme nicht berücksichtigt werden sollen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der zeitlichen Unterschiede von Kon­ zentrationsänderungen Gasverzögerungsstrecken vor die gasempfindlichen Sensoren geschaltet werden.