DE4030211C2 - Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch.

Aus dem Stand der Technik DE 35 13 065 C1 ist eine Sonde zur hystereselosen Messung der relativen Feuchte der Luft bekannt. Die Sonde setzt sich aus einem Feuchteaufnehmer aus infrarot-durchlässigem, porösem Material (zum Beispiel Polymer), einer monochromatischen Infrarot-Quelle und einem Miniatur-Temperaturfühler zusammen.

Die Bestrahlung des Feuchteaufnehmers mit der Infrarot-Quelle lockert die H₂O-Bindungen an der inneren Oberfläche des porösen Materials.

Zur Bestimmung der Konzentration einer sensorspezifischen Gaskomponente in einem Gasgemisch kann grundsätzlich ein Oberflächen- (im Gegensatz zu einem "Volumen"-) Chemosensor (Adsorptions-Gassensor) benutzt werden.

Der Oberflächen-Chemosensor wird der Gasatmosphäre ausgesetzt, und es wird ein bestimmter physikalischer Parameter (z. B. die Phasengeschwindigkeit von akustischen Oberflächenwellen, die Austrittsarbeit, die Bandverbiegung) auf durch Gasadsorption entstehende Veränderungen hin untersucht. Diese Veränderungen werden unter Voraussetzung ausreichender Selektivität mit der Konzentration einer bestimmten Gaskomponente korreliert.

Dabei ergibt sich jedoch ein Problem. Wird nämlich eine "saubere" Oberfläche einem Gasgemisch unter Atmosphärendruck ausgesetzt, so wird sie innerhalb von 10^-5 s vollständig mit Gasmolekülen durch Chemisorption bedeckt. Eine nachfolgende Änderung der Zusammensetzung der umgebenden Gasatmosphäre verändert erst über sehr lange Zeiträume die Zusammensetzung der chemisorbierten Gasschicht und somit das Sensorsignal. Der Grund dafür liegt in der hohen Bindungsenergie der an den Oberflächen-Gassensor adsorbierten Moleküle.

Die Frequenz v, mit der Moleküle zwischen adsorbierter Schicht und Gasatmosphäre ausgetauscht werden, ist ein Maß für die Reaktionszeit, mit der der Gassensor auf Änderungen der Gas­ atmosphäre reagiert. Die Frequenz v ist proportional ("α") zum Boltzmannfaktor: v= v_o e^-E/kT, d. h. mit zunehmender Bindungs­ energie nimmt bei einer bestimmten Temperatur T die "Schnellig­ keit" des Gassensors exponentiell ab. In anderen Worten aus­ gedrückt:
Da v = l/t und daher t α e^E/kT (t: Ansprechzeit des Sensors), nimmt die Ansprechzeit exponentiell mit der Bindungsenergie zu. Diese Zeit reicht je nach System und Betriebstemperatur von einigen Stunden bis zu vielen Jahren. Oberflächen-Gassensoren mit derartigen Eigenschaften sind zur Erfassung schneller Änderungen ( < 1 s) der Gaskonzentration unbrauchbar.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit dem sich auch schnelle Änderungen der Konzentration eines in einem Gasgemisch vorhandenen Gases mit Hilfe eines Adsorptions-Gassensors erfassen lassen.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die hohe Bindungs­ energie (ca. 5 eV) von chemisobierten Molekülen durch Absorption von Photonen geeigneter Quantenenergie zu überwinden (Photode­ sorption). Durch Bestrahlung der gasgesättigten Oberfläche des Sensors mit UV-Licht wird diese immer wieder gereinigt, so daß eine erneute Absättigung der Oberfläche durch Adsorption einer Gasschicht die wahren, momentanen Konzentrationsverhältnisse in der umgebenden Gasatmosphäre widerspiegelt.

Dieser Vorgang "Absättigung-Photodesorption-Absättigung" wird periodisch wiederholt und definiert den Begriff "Refresh- Mode" (vgl. Fig. 1 u. Fig. 2). Die Absättigung der Oberfläche eines Gassensors unter Normalbedingungen erfolgt innerhalb von typischerweise etwa ∼10^-5s. Dies ist die physikalische Grenze für die Schnellig­ keit einer Gassensorreaktion.

Die Dauer der Photodesorption hängt von dem Adsorbat-System und der Intensität der Lichtquelle ab.

Im folgenden wird als realistisches Beispiel die Schnelligkeit abgeschätzt, die das Gas/Oberflächen-System CO/Rostfreier Stahl mit einer UV-Laserlicht-Bestrahlung von 1 W Ausgangsleistung erreicht:
Es werden etwa 10³ Photonen der Energie 5eV benötigt, um ein chemisorbiertes Molekül abzulösen. Die Bedeckung beträgt etwa 5·10¹⁴ Moleküle/cm². Die aktive Sensorfläche soll 1 mm² betragen. Die Berechnung ergibt: Es müssen 5·10¹² Moleküle desorbiert werden. Dazu sind 5·10¹⁵ Photonen dar Energie 5 eV = 8·10^-19J erforderlich, d. h. es müssen etwa 4·10^-3J aufgewendet werden, um das Adsorbat zu desorbieren. Bei einer Laserleistung von 1 W ist dieser Vorgang nach einer Zeit von 4 ms abgeschlossen.

Es ist demnach ein noch höheres Geschwindigkeitspotential bis zur physikalischen Grenze zu erreichen, wenn höhere Licht­ leistungen aufgewendet werden. Andererseits würden auch wesentlich ungünstigere Annahmen (z. B. bei Verwendung eines anderen Adsorbatsystems) immer noch zu einer Sensoransprechzeit von unter ls führen.

Fig. 1 zeigt ein typisches Diagramm mit einer über der Zeit­ achse aufgetragenen, sich schnell ändernden Konzentration einer bestimmten Gaskomponente in der Atmosphäre und den betreffenden sich ergebenden Sensorsignalen nach Photo­ nenbestrahlung der Erfassungsoberfläche eines Ober­ flächen-Gassensors mittels UV-Lichtblitzen einer Dauer von ca. 5 ms.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische schematische Ansicht einer Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Wie Fig. 1 zu entnehmen, kann erfindungsgemäß bei Verwendung eines Oberflächen-Gassensors eine schnelle Änderung der Konzentration einer bestimmten, sensorspezifischen Gaskompo­ nente in der den Gassensor umgebenden Atmosphäre, z. B. Konzen­ trationsänderungen im Bereich von 50-100 Hz, aufgrund des "Reinigungseffekts" durch Photonenbestrahlung der Erfassungs­ oberfläche des Gassensors erfaßt werden. Die "gereinigte" Er­ fassungsoberfläche wird unmittelbar nach erfolgter Photode­ sorption mit der aktuellen Gaszusammensetzung adsorbiert.

Vorteilhafterweise wird für die Photonenbestrahlung UV-Licht verwendet.

Als Quelle für das UV-Licht kann zweckmäßig ein Laser verwendet werden. Die Photonenbestrahlung wird periodisch wiederholt.

Als Oberflächen-Adsorptionsgassensor ist gemäß einem Aus­ führungsbeispiel ein Oberflächen-Schallwellensensor (Surface Acoustic Wave = SAW)-Sensor 1 vorgesehen, dessen Erfassungs­ oberfläche ein Halbleiterlaser 2 mit einem ein Gas- und Bestrahlungsvolumen 3 bildenden Abstand gegenüberliegend angeordnet ist, vergl. Fig. 2.

Der Betrieb eines Oberflächen-Gassensors bietet nach dem er­ findungsgemäßen Verfahren zwei wesentliche Vorteile:

• 1. Es wird stets die aktuelle Gasatmosphäre gemessen und es ergibt sich
• 2. eine wesentliche Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit des Oberflächen-Gassensors.

Die Erfindung kann vorteilhafterweise zur Erfassung bestimmter gasförmiger Produkte schneller Verbrennungsvorgänge (z. B. in der Abgassensorik für die Automobiltechnik) angewendet werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch, bei dem ein Oberflächen-Adsorptionsgassensor (1) dem Gasgemisch ausgesetzt und eine durch Adsorption der nachzuweisenden Gaskomponente hervorgerufene Änderung eines physikalischen Parameters des Gassensors gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Oberfläche des Gassensors (1) periodisch innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne mit Photonen bestrahlt wird, deren Quantenenergie ausreicht, die chemisorbierten Gasmoleküle zu desorbieren und daß nach jeder Photonenbestrahlung ein Sensorsignal aufgezeichnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Oberfläche mit UV-Licht bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser (2) als UV-Lichtquelle verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch einen Oberflächen-Schallwellensensor (1).