WO2020120299A1 - Verfahren zum analysieren eines gasgemisches und gassensor - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to methods for analyzing a
- the present invention further relates to a
- Invention gas sensors which are set up to analyze a gas mixture.
- Metal oxide sensors can be used to detect sulfur-containing substances in a gas mixture. This takes advantage of the fact that the adsorption of these gas components on or in the absorption of these
- Gas components in a metal oxide layer change their electrical resistance. If the metal oxide layer is exposed to the gas mixture, the constituents of the gas mixture can be inferred from the measured electrical resistance of the layer. Because the influence is different
- Gas components on the electrical conductivity is temperature-dependent, such measurements are carried out by heating the metal oxide layer at a defined temperature.
- EP 2 995 938 A1 describes such a metal oxide sensor and a method for analyzing the constituents of a gas mixture.
- the sensor and the method are used in particular to analyze a breath sample. In this way, the detection of, among other things
- a method is not always suitable for recognizing a mixture of different sulfur-containing compounds.
- hydrogen sulfide can lower the electrical resistance of tin oxide, while dimethyl disulfide increases the electrical resistance of tin oxide. If both compounds are contained in the gas mixture, their effects on the electrical resistance of the tin oxide can compensate one another, so that the metal oxide sensor switches on
- a layer which is set up to adsorb and / or absorb components of the gas mixture is exposed to the gas mixture.
- the layer is preferably a metal oxide layer, since the sensitivity of
- Metal oxide layers in particular with respect to sulfur-containing compounds, are known. It preferably comprises at least one metal oxide which is selected from the group consisting of tin oxide, zinc oxide, tungsten (VI) oxide and mixtures thereof. It particularly preferably contains at least 10% by weight of tin oxide, very particularly preferably at least 50% by weight of tin oxide.
- the layer in particular to sulfur-containing compounds, it is also preferred that it contains palladium and / or platinum, for example 0.05% by weight to 5% by weight.
- These metals can be present in the layer in particular in the form of a doping or as nano-particles in metallic or in oxidic form.
- the layer has a first temperature
- at least one electrical resistance value of the layer is measured. Then their temperature is reduced from the first temperature to a second temperature. While the layer has the second temperature, at least one electrical resistance value of the layer is measured again. After that the
- Temperature of the layer increased from the second temperature to a third temperature. At the third temperature, too, at least one becomes electric Resistance value of the layer measured.
- the components of the gas mixture are analyzed on the basis of the measured electrical resistance values.
- This method is based on the knowledge that it is easier to distinguish between different components of the gas mixture if
- Resistance values are measured at at least three different temperatures, these temperatures comprising at least one temperature pulse while lowering the temperature of the layer.
- the temperature of the layer is further reduced from the third temperature to a fourth temperature and at least one electrical resistance value of the layer is also measured at the fourth temperature.
- This resistance value is also used as the basis for the analysis.
- the first temperature differs from the third temperature and / or the second temperature differs from the fourth temperature.
- a binary temperature pulse is thus generated, which consists of a first temperature pulse and a second temperature pulse.
- the second temperature pulse differs from the first at least in terms of its start temperature or in terms of its end temperature
- Temperature pulse Components of a gas mixture that show influences in a defined temperature pulse on the electrical resistance of the layer, which could compensate for one another, are shown in the second
- Temperature pulse however, a different behavior, which enables the identification of the components. By using a map in which the behavior of the substances is stored, they can even be quantified.
- the temperature of the layer is increased from the fourth temperature to the first temperature. This makes it possible to carry out the method periodically.
- the period length should be here
- Another method for analyzing the gas mixture provides that a first layer and a second layer are exposed to the gas mixture.
- a first layer and a second layer are exposed to the gas mixture.
- both layers are the same materials preferred as in the previous one
- At least one electrical resistance value of the first layer is measured while it has a first temperature.
- the temperature of the first layer is then reduced from the first temperature to a second temperature and at the second temperature at least one electrical resistance value of the first layer is again measured.
- Resistance value of the second layer measured while it has a third temperature The temperature of the second layer is reduced from the third temperature to a fourth temperature and at the fourth temperature at least one electrical resistance value of the second layer is also measured.
- the first temperature differs from the third temperature and / or the second temperature differs from the fourth temperature.
- the components of the gas mixture are analyzed on the basis of the measured electrical resistance values.
- This method also provides for the evaluation of two temperature pulses. However, these are not generated on the same layer, but on two different layers.
- the electrical resistance values of the first temperature pulse and the second temperature pulse can accordingly be measured simultaneously, which enables the method to be carried out more quickly.
- the measurement of the at least one electrical resistance value of the layer while it is at the second temperature is preferably carried out after the layer has been kept at the second temperature for a period which is in the range from 5 seconds to 30 seconds. As a result, the layer is exposed to the layer for a sufficiently long time
- the temperature is to be carried out, this is also preferably carried out after the layer has been kept at this temperature for a period in the range from 5 seconds to 30 seconds.
- the measurement of the at least one electrical resistance value of the layer while it has the first temperature and the third temperature is preferably carried out after the layer has been kept at the respective temperature for a period of at least 100 milliseconds, preferably of at least 1,000 milliseconds. During this period, there is at least partial desorption of gas components that were previously adsorbed or absorbed at a lower temperature.
- the temperature of the layer is increased from the second temperature to the third temperature within a maximum of one second, particularly preferably within less than 200 milliseconds.
- the temperature increase should preferably be at least 20K.
- Hydrogen sulfide which leads to a lowering of the resistance value of the layer at a low temperature
- sulfur-containing compounds such as dimethyl disulfide
- dimethyl disulfide which leads to an increase in the resistance of the layer at a low temperature
- this temperature jump can alternatively or in addition to the temperature increase from the second temperature to the third temperature also at the
- Temperature increase from the fourth temperature to the first temperature.
- the first temperature and the third temperature are each preferably in a range from 250 ° C. to 400 ° C.
- the first temperature and the third temperature can be the same or different. These high temperatures allow the layer to “bake out”, especially with a previous, lower one Desorb components adsorbed or absorbed by the temperature of the gas mixture.
- the second temperature is preferably in the range from 20 ° C to 200 ° C. If a measurement is also provided at a fourth temperature, the fourth temperature is likewise preferably in the range from 20 ° C. to 200 ° C., it being possible for it to be equal to the second temperature or to be different from the second
- Temperatures are in the range of 300 ° C to 400 ° C, the second temperature is in the range of 30 ° C to 100 ° C and the fourth temperature is in the range of 100 ° C to 180 ° C.
- gas components predominantly contribute to the measured electrical resistance value, which lower the resistance value, for example hydrogen sulfide, while at the fourth temperature all gas components contribute to the measured resistance value.
- the gas mixture contains at least two different sulfur-containing constituents, which are selected in particular from the group consisting of hydrogen sulfide, methyl mercaptan, dimethyl sulfide and dimethyl disulfide.
- the proportion of these sulfur-containing constituents in the gas mixture is preferably 1 to 500 ppb, particularly preferably 5 to 200 ppb.
- other volatile organic substances such as alcohols or ketones can also be contained in the gas mixture.
- Their proportion in the gas mixture is preferably 10 ppb to 10 ppm, particularly preferably 10 ppb to 2 ppm. It can come from completely different sources such as the breath of humans or animals, body excretions, foods or food residues. However, it can just as well do protective gas atmospheres with reduced
- the computer program is set up to carry out every step of the method, in particular if it runs on an electronic computing device. It enables different embodiments of the method to be implemented in a gas sensor without having to make structural changes to it. For this it is on the machine readable
- FIG. 1 schematically shows a gas sensor that can be used in the method according to an exemplary embodiment of the invention.
- FIG. 2 shows in two diagrams the time course of the temperature and the electrical resistance of a metal oxide layer in an exemplary embodiment of the method according to the invention.
- Fig. 4 shows schematically another gas sensor, which in one
- Embodiment of the method according to the invention can be used.
- 5 shows in two diagrams the time course of the temperature and the electrical resistance of a metal oxide layer in yet another embodiment of the method according to the invention.
- 6 shows in a diagram the time profile of the temperature of a metal oxide layer in yet another exemplary embodiment of the
- the gas sensor 10a shown in FIG. 1 has a sensitive layer 11, which in the present case consists of tin oxide doped with palladium.
- a first electrode 12 and a second electrode 13 are arranged in the sensitive layer 11 in such a way that they can measure their electrical resistance.
- the sensitive layer 11 and the electrodes 12, 13 are arranged on one side of a substrate 14, on the opposite side of which a heating coil 15 is arranged.
- This is controlled by a computing device 16.
- the computing device 16 also reads the voltage present between the electrodes 12, 13 and the current strength present in a circuit comprising the electrodes 12, 13, so that the electrical resistance of the layer 11 can be determined.
- the layer 11 is exposed to a gas mixture which contains components 20. In the exemplary embodiments of the method according to the invention described below, these components include hydrogen sulfide and
- the layer 11 is first applied to a first for a predetermined period of time, for example 20 seconds
- Temperature Ti heated from 300 ° C, for example, by driving the heating coil 15. The temperature T is then reduced to a second temperature T2 of, for example, 100 ° C. If the gas mixture did not contain any sulfur-containing constituents, the course of the electrical resistance R over time t would be as shown in FIG. 2
- the gas sensor 10a would therefore incorrectly display a gas mixture which contains no sulfur-containing components.
- the layer 11 is first heated to a temperature Ti of 300 ° C. for two seconds and then lowered to a temperature T of 50 ° C.
- the resistance R of the layer 11 becomes immediately before the temperature T and 20 drops
- FIG. 3 shows that the resistance R is the same for two different gas mixtures Gl, G2 with a different ratio of HS and DMDS at the first temperature Ti and at the second temperature T by a resistance profile R (G1) of the first gas mixture Gl of a resistance profile R (G2) of the second
- Gas mixture G2 differentiates. After the temperature T has been at the second temperature T for a long time, it is raised to a third temperature T3 of 325 ° C. After being at this third temperature T3 for 20 seconds, it is lowered to a temperature T4 of 100 ° C. It can be seen that the two resistance profiles R (G1), R (G2) at the third temperature T3 are identical to those of the first temperature Ti R (G1), R (G2), but differ from those at the fourth temperature T4 distinguish at the second temperature T. By measuring resistance values immediately before lowering the third temperature T3 to the fourth temperature T4 and 20 seconds after lowering the temperature, a database is created on the basis of which the proportion of H S and DMDS in the gas mixture can be quantified.
- FIG. 4 shows a gas sensor 10b which can be used in a second exemplary embodiment of the method according to the invention.
- This has a first layer 11a with two electrodes 12a, 13a, a first substrate 14a and a first heating coil 15a.
- a second layer 11b has two electrodes 12b, 13b, a second substrate 14b and a second heating coil 15b.
- the two substrates 14a, 14b are thermally decoupled from one another.
- the two heating coils 15a, 15b are controlled independently of one another by a common computing device 16, which also receives the signals from all electrodes 12a, 13a, 12b, 13b.
- the entire temperature profile according to FIG. 3 is not traversed by a single layer. Rather, the first layer 11a is operated only at the first temperature Ti and the second temperature T2 and the second layer 11b only at the third temperature T 3 and at the fourth temperature T 4 . Both layers 11a, 11b are exposed to the same gas mixture.
- the gas sensor according to FIG. 1 is operated with the temperature profile shown in FIG. 5.
- the layer 11 is first heated to a first temperature Ti of 300 ° C., then cooled to a second temperature T2 of 100 ° C. and finally heated again to a third temperature T 3 of 300 ° C.
- the heating from the second temperature T 2 to the third temperature T 3 takes place suddenly within 100 milliseconds.
- this third exemplary embodiment of the method shows the same temperature profile for different gas mixtures as in the conventional method according to FIG. 2. Only on the basis of resistance values which are measured at these two temperatures would H2S and DMDS be in a gas mixture may not be detectable side by side.
- the temperature jump leads to the fact that at a jump point S immediately after reaching the third temperature T 3, both H 2 S and DMDS have a resistance-reducing effect and thus generate a sum signal in the resistance profile.
- a fourth exemplary embodiment of the method according to the invention follows a temperature profile which is shown in FIG. 6. Using the gas sensor according to Fig.l, this temperature profile is carried out periodically with a period length of 80 seconds. It starts with a temperature of Tivon 350 ° C. Resistance values are measured in a first measuring range 31, for which volatile organic constituents of the gas mixture, for example
- the temperature T is then suddenly increased again to the first temperature Ti within 50 milliseconds.
- H S and DMDS contribute with the same sign to the measured resistance values.
- composition of the gas mixture can be continuously monitored.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren eines Gasgemisches, in dem eine Schicht, die zur Adsorption und/oder Absorption von Bestandteilen des Gasgemisches eingerichtet ist, dem Gasgemisch ausgesetzt wird. Esumfasst ein Abkühlender Schicht von einer ersten Temperatur (T ) auf eine zweite Temperatur (T 2 ) und ein Erwärmen der Schichtvon der zweiten Temperatur (T 2 ) 10 auf eine dritte Temperatur (T 3 ). Während die Schicht jeweils die erste Temperatur (T ), die zweite Temperatur (T 2 ) und die dritte Temperatur (T 3 ) aufweist, wird jeweils mindestens ein elektrischer Widerstandswert (R) der Schicht gemessen. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren, in demeine erste Schicht und eine zweite Schichtdem Gasgemisch ausgesetzt werden. Die erste Schichtwird1 von einer ersten Temperatur (T ) auf eine zweite Temperatur (T 2 )abgekühltund diezweite Schicht von einer dritten Temperatur (T 3 ) auf eine vierte Temperatur (T 4 )abgekühlt. Die erste Temperatur (T ) unterscheidet sich von der dritten Temperatur (T 3 ) und/oder die zweite Temperatur (T 2 ) unterscheidet sich von der vierten Temperatur (T 4 ). Während die erste Schicht jeweils die erste Temperatur 20 (T ) und die zweite Temperatur (T 2 ) aufweist und die zweite Schicht jeweils die dritte Temperatur (T 3 ) und die vierte Temperatur aufweist, wird jeweils mindestens ein elektrischer Widerstandswert (R)der jeweiligen Schicht gemessen. Die Bestandteile des Gasgemisches werden in beiden Verfahren anhand der Widerstandswerte (R) analysiert.2 (Fig. 3)
Description
Beschreibung
Titel
Verfahren zum Analysieren eines Gasgemisches und Gassensor
Die vorlegende Erfindung betrifft Verfahren zum Analysieren eines
Gasgemisches. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt eines solchen Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die
Erfindung Gassensoren, welche eingerichtet sind, um ein Gasgemisch zu analysieren.
Stand der Technik
Metalloxidsensoren können dazu verwendet werden, um schwefelhaltige Substanzen in einem Gasgemisch zu detektieren. Dabei wird ausgenutzt, dass die Adsorption dieser Gasbestandteile auf oder in die Absorption dieser
Gasbestandteile in einer Metalloxidschicht deren elektrischen Widerstand verändern. Wird die Metalloxidschicht dem Gasgemisch ausgesetzt, so kann aus dem gemessenen elektrischen Widerstand der Schicht auf die Bestandteile des Gasgemisches geschlossen werden. Da der Einfluss unterschiedlicher
Gasbestandteile auf die elektrische Leitfähigkeit temperaturabhängig ist, werden derartige Messungen durch Beheizen der Metalloxidschicht bei einer definierten Temperatur durchgeführt.
Die EP 2 995 938 Al beschreibt einen derartigen Metalloxidsensor sowie ein Verfahren zum Analysieren der Bestandteile eines Gasgemischs. Der Sensor und das Verfahren werden insbesondere zum Analysieren einer Atemprobe verwendet. Auf diese Weise wird die Detektion unter anderem von
Schwefelwasserstoff im Atem. Als Metalloxidschicht wird Zinnoxid verwendet.
Ein derartiges Verfahren ist allerdings nicht immer dazu geeignet, ein Gemisch unterschiedlicher schwefelhaltiger Verbindungen zu erkennen. So kann beispielsweise Schwefelwasserstoff zu einer Absenkung des elektrischen Widerstandes von Zinnoxid führen, während Dimethyldisulfid den elektrischen Widerstand von Zinnoxid erhöht. Sind beide Verbindungen im Gasgemisch enthalten, so können sich ihre Effekte auf den elektrischen Widerstand des Zinnoxids gegenseitig kompensieren, sodass der Metalloxidsensor ein
Gasgemisch erkennt, das scheinbar frei von schwefelhaltigen Verbindungen ist.
Offenbarung der Erfindung
In einem Verfahren zum Analysieren eines Gasgemisches wird eine Schicht, die zur Adsorption und/oder Absorption von Bestandteilen des Gasgemisches eingerichtet ist, dem Gasgemisch ausgesetzt. Bei der Schicht handelt es sich vorzugsweise um eine Metalloxidschicht, da die Sensitivität von
Metalloxidschichten insbesondere gegenüber schwefelhaltigen Verbindungen bekannt ist. Sie umfasst vorzugsweise mindestens ein Metalloxid, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zinnoxid, Zinkoxid, Wolfram(VI)- oxid und Gemischen daraus. Besonders bevorzugt enthält sie mindestens 10 Gew.% Zinnoxid, ganz besonders bevorzugt mindestens 50 Gew.% Zinnoxid.
Um die Sensitivität der Schicht insbesondere gegenüber schwefelhaltigen Verbindungen noch weiter zu verbessern, ist es außerdem bevorzugt, dass sie Palladium und/ oder Platin, beispielsweise 0,05 Gew.% bis 5 Gew.%, enthält. Diese Metalle können insbesondere in Form einer Dotierung oder als Nano- Partikel in metallischer oder in oxydischer Form in der Schicht vorliegen.
Während die Schicht eine erste Temperatur aufweist, wird mindestens ein elektrischer Widerstandswert der Schicht gemessen. Anschließend wird ihre Temperatur von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur verringert. Während die Schicht die zweite Temperatur aufweist, wird erneut mindestens ein elektrischer Widerstandswert der Schicht gemessen. Danach wird die
Temperatur der Schicht von der zweiten Temperatur auf eine dritte Temperatur erhöht. Auch bei der dritten Temperatur wird mindestens ein elektrischer
Widerstandswert der Schicht gemessen. Ein Analysieren der Bestandteile des Gasgemisches erfolgt anhand der gemessenen elektrischen Widerstandswerte.
Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Unterscheidung unterschiedlicher Bestandteile des Gasgemisches erleichtert wird, wenn
Widerstandswerte bei mindestens drei verschiedenen Temperaturen gemessen werden, wobei diese Temperaturen zumindest einen Temperaturpuls unter Absenkung der Temperatur der Schicht umfassen.
Dies kann besonders vorteilhaft dadurch realisiert werden, dass die Temperatur der Schicht weiterhin von der dritten Temperatur auf eine vierte Temperatur verringert wird und auch bei der vierten Temperatur mindestens ein elektrischer Widerstandswert der Schicht gemessen wird. Auch dieser Widerstandswert wird der Analyse zugrunde gelegt. Dabei unterscheidet sich die erste Temperatur von der dritten Temperatur und/oder die zweite Temperatur unterscheidet sich von der vierten Temperatur. Es wird also ein binärer Temperaturpuls erzeugt, welcher aus einem ersten Temperaturpuls und einem zweiten Temperaturpuls besteht. Dabei unterscheidet der zweite Temperaturpuls sich zumindest bezüglich seiner Starttemperatur oder bezüglich seiner Endtemperatur vom ersten
Temperaturpuls. Bestandteile eines Gasgemisches, die in einem definierten Temperaturpuls Einflüsse auf den elektrischen Widerstand der Schicht zeigen, welche sich gegenseitig kompensieren könnten, zeigen in dem zweiten
Temperaturpuls hingegen ein abweichendes Verhalten, was die Identifizierung der Bestandteile ermöglicht. Durch Verwendung eines Kennfeldes, in dem das Verhalten der Substanzen hinterlegt ist, können diese sogar quantifiziert werden.
Es ist bevorzugt, dass nach dem Messen des elektrischen Widerstandswerts bei der vierten Temperatur eine Erhöhung der Temperatur der Schicht von der vierten Temperatur auf die erste Temperatur erfolgt. Dies ermöglicht es, das Verfahren periodisch durchzuführen. Die Periodenlänge sollte hierbei
insbesondere im Bereich von 20 Sekunden bis 120 Sekunden liegen, um ein zuverlässiges Analysenergebnis zu erhalten.
Ein weiteres Verfahren zum Analysieren des Gasgemisches sieht vor, dass eine erste Schicht und eine zweite Schicht dem Gasgemisch ausgesetzt werden. Für
beide Schichten sind dieselben Materialien bevorzugt wie im zuvor
beschriebenen Verfahren. In diesem Verfahren wird mindestens ein elektrischer Widerstandswert der ersten Schicht gemessen, während dieser eine erste Temperatur aufweist. Anschließend wird die Temperatur der ersten Schicht von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur verringert und bei der zweiten Temperatur wird wiederum mindestens ein elektrischer Widerstandwert der ersten Schicht gemessen. Außerdem wird mindestens ein elektrischer
Widerstandswert der zweiten Schicht gemessen, während diese eine dritte Temperatur aufweist. Die Temperatur der zweiten Schicht wird von der dritten Temperatur auf eine vierte Temperatur verringert und bei der vierten Temperatur wird ebenfalls mindestens ein elektrischer Widerstandswert der zweiten Schicht gemessen. Dabei unterscheidet sich die erste Temperatur von der dritten Temperatur und/oder die zweite Temperatur unterscheidet sich von der vierten Temperatur. Die Bestandteile des Gasgemisches werden anhand der gemessenen elektrischen Widerstandswerte analysiert. Auch dieses Verfahren sieht die Auswertung von zwei Temperaturpulsen vor. Diese werden jedoch nicht an derselben Schicht, sondern an zwei unterschiedlichen Schichten erzeugt. Die Messung der elektrischen Widerstandswerte des ersten Temperaturpulses und des zweiten Temperaturpulses kann demnach gleichzeitig erfolgen, was eine schnellere Durchführung des Verfahrens ermöglicht.
Das Messen des mindestens einen elektrischen Widerstandswertes der Schicht, während diese die zweite Temperatur aufweist, erfolgt vorzugsweise, nachdem die Schicht für einen Zeitraum auf der zweiten Temperatur gehalten wurde, welcher im Bereich von 5 Sekunden bis 30 Sekunden liegt. Dadurch erfolgt zum einen eine ausreichend lange Exposition der Schicht gegenüber dem
Gasgemisch bei dieser Temperatur, damit viele Gasbestandteile an der
Oberfläche adsorbiert bzw. in ihr absorbiert werden können. Andererseits ist dieser Zeitraum aber auch kurz genug, um Sättigungseffekte zu verhindern. Wenn das Verfahren vorsieht, dass auch eine Messung bei einer vierten
Temperatur durchgeführt werden soll, so erfolgt diese ebenfalls vorzugsweise, nachdem die Schicht für einen Zeitraum im Bereich von 5 Sekunden bis 30 Sekunden auf dieser Temperatur gehalten wurde.
Das Messen des mindestens einen elektrischen Widerstandswerts der Schicht, während diese die erste Temperatur und die dritte Temperatur aufweist, erfolgt vorzugsweise nachdem die Schicht für einen Zeitraum von mindestens 100 Millisekunden, bevorzugt von mindestens 1.000 Millisekunden, auf der jeweiligen Temperatur gehalten wurde. In diesem Zeitraum erfolgt eine zumindest teilweise Desorption von Gasbestandteilen, die zuvor bei einer niedrigeren Temperatur adsorbiert oder absorbiert wurden.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Erhöhen der Temperatur der Schicht von der zweiten Temperatur auf die dritte Temperatur innerhalb von maximal einer Sekunde, besonders bevorzugt innerhalb von weniger als 200 Millisekunden, erfolgt. Dabei sollte der Temperaturanstieg vorzugsweise mindestens 20K betragen. Sowohl schwefelhaltige Verbindungen wie beispielsweise
Schwefelwasserstoff, die bei einer niedrigen Temperatur zu einer Senkung des Widerstandswertes der Schicht führen als auch schwefelhaltige Verbindungen wie beispielsweise Dimethyldisulfid, die bei niedriger Temperatur zu einer Erhöhung des Widerstandes der Schicht führen, führen kurz nach einem derartigen sprunghaften Wechsel auf eine höhere Temperatur zu einer
Widerstandserniedrigung. Somit kann der Nachteil der Uneindeutigkeit durch ein gegenseitiges Auslöschen bei einer niedrigen zweiten oder vierten Temperatur umgangen werden. Nach dem Temperatursprung tragen die einzelnen
Bestandteile mit einem Signal in die gleiche widerstandserniedrigende Richtung bei. Damit wird ein Summensignal erreicht, wobei die einzelnen Komponenten durchaus eine eigene Gewichtung haben können. Je höher die Konzentration jedes der Bestandteile ist, umso stärker ist dann die Signaländerung. Wenn das Verfahren auch eine Messung bei der vierten Temperatur vorsieht, so kann dieser Temperatursprung alternativ oder zusätzlich zu der Temperaturerhöhung von der zweiten Temperatur auf die dritte Temperatur auch bei der
Temperaturerhöhung von der vierten Temperatur auf die erste Temperatur erfolgen.
Die erste Temperatur und die dritte Temperatur liegen jeweils vorzugsweise in einem Bereich von 250°C bis 400°C. Dabei können die erste Temperatur und die dritte Temperatur gleich oder unterschiedlich sein. Diese hohen Temperaturen ermöglichen ein„Ausheizen“ der Schicht, um so bei einer vorherigen, niedrigeren
Temperatur adsorbierte oder absorbierte Bestandteile des Gasgemisches zu desorbieren.
Die zweite Temperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 20°C bis 200°C. Wenn auch eine Messung bei einer vierten Temperatur vorgesehen ist, so liegt die vierte Temperatur ebenfalls vorzugsweise im Bereich von 20°C bis 200°C, wobei sie gleich der zweiten Temperatur sein kann oder sich von der zweiten
Temperatur unterscheiden kann.
Wenn die erste Temperatur und die dritte Temperatur gleich sind, dann ist es in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass diese beiden
Temperaturen im Bereich von 300°C bis 400°C liegen, die zweite Temperatur im Bereich von 30°C bis 100°C liegt und die vierte Temperatur im Bereich von 100°C bis 180°C liegt. Dabei tragen bei der zweiten Temperatur überwiegend Gasbestandteile zum gemessenen elektrischen Widerstandswert bei, welche den Widerstandswert absenken wie beispielsweise Schwefelwasserstoff, während bei der vierten Temperatur alle Gasbestandteile zum gemessenen Widerstandswert beitragen.
Es ist bevorzugt, dass das Gasgemisch mindestens zwei verschiedene schwefelhaltige Bestandteile enthält, die insbesondere aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Schwefelwasserstoff, Methylmercaptan, Dimethylsulfid und Dimethyldisulfid besteht. Das Verfahren ermöglicht die gleichzeitige
Bestimmung mehrerer derartiger Gasbestandteile nebeneinander. Der Anteil dieser schwefelhaltigen Bestandteile am Gasgemisch beträgt bevorzugt 1 - 500 ppb, besonders bevorzugt 5 - 200 ppb. Zusätzlich können in dem Gasgemisch auch noch andere flüchtige organische Substanzen wie beispielsweise Alkohole oder Ketone enthalten sein. Ihr Anteil am Gasgemisch beträgt bevorzugt 10 ppb bis 10 ppm, besonders bevorzugt 10 ppb bis 2 ppm. Es kann aus völlig unterschiedlichen Quellen stammen wie zum Beispiel dem Atem von Menschen oder Tieren, Körperausscheidungen, Lebensmitteln oder Lebensmittelresten. Genauso gut kann es aber auch Schutzgasatmosphären mit reduziertem
Sauerstoffanteil vorweisen.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem elektronischen Rechengerät abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens in einem Gassensor, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren
Speichermedium gespeichert. Durch Aufspielen des Computerprogramms auf das Rechengerät eines herkömmlichen Gassensors mit einer Schicht, die zur Adsorption und/oder Absorption von Bestandteilen eines Gasgemisches eingerichtet ist, wie beispielsweise einem Gassensor gemäß der EP 2 995 938 Al, wird ein Gassensor erhalten, welcher eingerichtet ist, um ein Gasgemisch mittels eines der Verfahren zu analysieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Gassensor, der in dem Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet werden kann.
Fig. 2 zeigt in zwei Diagrammen den zeitlichen Verlauf der Temperatur und des elektrischen Widerstandes einer Metalloxidschicht in einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 3 zeigt in zwei Diagrammen den zeitlichen Verlauf der Temperatur und des elektrischen Widerstandes einer Metalloxidschicht in einem anderen
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 4 zeigt schematisch einen anderen Gassensor, welcher in einem
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.
Fig. 5 zeigt in zwei Diagrammen den zeitlichen Verlauf der Temperatur und des elektrischen Widerstandes einer Metalloxidschicht in einem noch anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Fig. 6 zeigt in einem Diagramm den zeitlichen Verlauf der Temperatur einer Metalloxidschicht in noch einem anderen Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
Der in Fig. 1 dargestellte Gassensor 10a weist eine sensitive Schicht 11 auf, die vorliegend aus mit Palladium dotiertem Zinnoxid besteht. Eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 13 sind so in der sensitiven Schicht 11 angeordnet, dass sie deren elektrischen Widerstand messen können. Die sensitive Schicht 11 und die Elektroden 12, 13 sind auf einer Seite eines Substrats 14 angeordnet, auf dessen gegenüberliegender Seite eine Heizspule 15 angeordnet ist. Diese wird von einem Rechengerät 16 gesteuert. Das Rechengerät 16 liest außerdem die zwischen den Elektroden 12, 13 anliegende Spannung und die in einem die Elektroden 12, 13 umfassenden Stromkreis vorliegende Stromstärke, sodass der elektrische Widerstand der Schicht 11 ermittelt werden kann. Die Schicht 11 wird einem Gasgemisch ausgesetzt, welches Bestandteile 20 enthält. In den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen diese Bestandteile Schwefelwasserstoff und
Dimethyldisulfid, zwischen denen mittels der unterschiedlichen
Ausführungsformen des Verfahrens unterschieden wird.
In einem herkömmlichen Verfahren zur Analyse der Bestandteile 20, wie es aus der EP 2 995 938 Al bekannt ist, wird die Schicht 11 zunächst für einen vorgegebenen Zeitraum von beispielsweise 20 Sekunden auf eine erste
Temperatur Ti von beispielsweise 300°C aufgeheizt, indem die Heizspule 15 angesteuert wird. Anschließend erfolgt ein Absenken der Temperatur T auf eine zweite Temperatur T2 von beispielsweise 100°C. Würde das Gasgemisch keine schwefelhaltigen Bestandteile enthalten, so wäre ein Verlauf des elektrischen Widerstandes R mit der Zeit t gemäß dem in Fig. 2 dargestellten
Widerstandsprofil Ro zu erwarten. Würde das Gasgemisch als einzigen schwefelhaltigen Bestandteil Schwefelwasserstoff (H2S) enthalten, so wäre demgegenüber eine Absenkung des Widerstandes R gemäß dem
Widerstandsprofil R(H2S) zu erwarten. Würde das Gasgemisch hingegen als
einzigen schwefelhaltigen Bestandteil Dimethyldisulfid (DMDS) enthalten, so wäre eine Erhöhung des Widerstandes R gemäß dem Widerstandsprofil
R(DMDS) zu erwarten. Enthält das Gasgemisch allerdings beide Bestandteile, so können sich diese Effekte gegenseitig aufheben, sodass sich wieder das
Widerstandsprofil Ro ergibt. Der Gassensor 10a würde also fälschlicherweise ein Gasgemisch anzeigen, welches keine schwefelhaltigen Bestandteile enthält.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schicht 11 zunächst zwei Sekunden lang auf eine Temperatur Ti von 300°C erhitzt und dann auf eine Temperatur T von 50°C gesenkt. Der Widerstand R der Schicht 11 wird unmittelbar vor Absenkung der Temperatur T und 20
Sekunden nach ihrer Absenkung gemessen. Fig. 3 zeigt, dass der Widerstand R für zwei unterschiedliche Gasgemische Gl, G2 mit einem unterschiedlichen Verhältnis von H S und DMDS bei der ersten Temperatur Ti gleich ist und sich bei der zweiten Temperatur T durch ein Widerstandsprofil R(G1) des ersten Gasgemisches Gl von einem Widerstandsprofil R(G2) des zweiten
Gasgemisches G2 unterscheidet. Nachdem sich die Temperatur T längere Zeit auf der zweiten Temperatur T befunden hat, wird sie auf eine dritte Temperatur T3 von 325°C erhöht. Nachdem sie sich 20 Sekunden lang auf dieser dritten Temperatur T3 befunden hat, wird sie auf eine Temperatur T4 von 100°C abgesenkt. Es ist zu erkennen, dass die beiden Widerstandsprofile R(G1), R(G2) bei der dritten Temperatur T3 identisch zu jenen der ersten Temperatur Ti R(G1), R(G2) sind, sich jedoch bei der vierten Temperatur T4 von denen bei der zweiten Temperatur T unterscheiden. Indem auch hier Widerstandswerte unmittelbar vor dem Absenken der dritten Temperatur T3 auf die vierte Temperatur T4 sowie 20 Sekunden nach dem Absenken der Temperatur gemessen werden, wird eine Datenbasis geschaffen, aufgrund derer der Anteil von H S und DMDS an dem Gasgemisch quantifiziert werden kann.
Fig. 4 zeigt einen Gassensor 10b, der in einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Dieser weist eine erste Schicht 11a mit zwei Elektroden 12a, 13a, einem ersten Substrat 14a und einer ersten Heizspule 15a auf. Weiterhin weist eine zweite Schicht 11b mit zwei Elektroden 12b, 13b, einem zweiten Substrat 14b und einer zweiten Heizspule 15b auf. Die beiden Substrate 14a, 14b sind thermisch voneinander entkoppelt.
Die beiden Heizspulen 15a, 15b werden unabhängig voneinander durch ein gemeinsames Rechengerät 16 angesteuert, welches auch die Signale aller Elektroden 12a, 13a, 12b, 13b empfängt. In diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird nicht das gesamte Temperaturprofil gemäß Fig. 3 von einer einzigen Schicht durchlaufen. Vielmehr wird die erste Schicht 11a nur bei der ersten Temperatur Ti und der zweiten Temperatur T2 und die zweite Schicht 11b nur bei der dritten Temperatur T3 und bei der vierten Temperatur T4 betrieben. Dabei werden beide Schichten 11a, 11b demselben Gasgemisch ausgesetzt.
Dies ermöglicht eine erheblich schnellere Gasanalyse als mittels des ersten Ausführungsbeispiels des Verfahrens.
In einem dritten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Gassensor gemäß Fig. 1 mit dem in Fig. 5 dargestellten Temperaturprofil betrieben. Dabei wird die Schicht 11 zunächst auf eine erste Temperatur Ti von 300°C erhitzt, dann auf eine zweite Temperatur T2 von 100°C abgekühlt und schließlich wieder auf eine dritte Temperatur T3 von 300°C aufgeheizt. Das Aufheizen von der zweiten Temperatur T2 auf die dritte Temperatur T3 erfolgt sprunghaft innerhalb von 100 Millisekunden. Bei der ersten Temperatur Ti und der zweiten Temperatur T2 zeigt sich in diesem dritten Ausführungsbeispiel des Verfahrens für unterschiedliche Gasgemische dasselbe Temperaturprofil wie im herkömmlichen Verfahren gemäß Fig. 2. Nur aufgrund von Widerstandswerten, welche bei diesen beiden Temperaturen gemessen werden, wären H2S und DMDS in einem Gasgemisch unter Umständen nicht nebeneinander detektierbar. Der Temperatursprung führt allerdings dazu, dass an einem Sprungpunkt S unmittelbar nach dem Erreichen der dritten Temperatur T3 sowohl H2S als auch DMDS widerstandssenkend wirken und somit ein Summensignal im Widerstandsprofil erzeugen. Das
Summensignal muss dabei die Einzelsignale nicht im Verhältnis 1 : 1 gewichten sondern kann auch eine gewichtete Summe sein. Selbst dann, wenn die Effekte der beiden schwefelhaltigen Bestandteile auf den Widerstand R sich bei der zweiten Temperatur T2 gegenseitig ausgelöscht haben, kann ihre Anwesenheit doch durch eine Widerstandsmessung unmittelbar nach Erreichen der dritten Temperatur T3 erkannt werden und aus dem dort gemessenen Widerstandswert zusammen mit dem Widerstandswert, der bei der zweiten Temperatur T2 gemessen wurde, kann auch ihr Anteil am Gasgemisch quantifiziert werden.
Ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens folgt einem Temperaturprofil, das in Fig. 6 dargestellt ist. Unter Verwendung des Gassensors gemäß Fig.l wird dieses Temperaturprofil periodisch mit einer Periodenlänge von 80 Sekunden durchgeführt. Es beginnt mit einer Temperatur Tivon 350°C. In einem ersten Messbereich 31 werden Widerstandswerte gemessen, zu denen flüchtige organische Bestandteile des Gasgemisches wie beispielsweise
Alkohole oder Ketone einen starken Beitrag leisten. Schwefelhaltige Bestandteile leisten hingegen nur einen geringen Beitrag. Anschließend erfolgt eine
Absenkung der Temperatur T auf eine zweite Temperatur T von 70°C. Bei dieser liegt ein zweiter Messbereich 32 vor, in dem vorwiegend H S einen Beitrag zum gemessenen Widerstand leistet. Anschließend erfolgt eine Erhöhung der Temperatur T auf eine dritte Temperatur T3, die der ersten Temperatur Ti entspricht. In einem dritten Messbereich 33 bei der dritten Temperatur T3 liegt wiederum kein wesentlicher Beitrag der schwefelhaltigen Bestandteile des Gasgemisches zu den gemessenen Widerstandswerten bei. Anschließend erfolgt eine Absenkung der Temperatur T auf eine vierte Temperatur T4 von 140°C. Dort tragen in einem vierten Messbereich 34 sowohl H S als auch DMDS zu den gemessenen Widerstandswerten bei, wobei der Beitrag dieser beiden
Bestandteile unterschiedliche Vorzeichen aufweist. Die Temperatur T wird anschließend sprunghaft innerhalb von 50 Millisekunden wieder auf die erste Temperatur Ti erhöht. In einem fünften Messbereich 35 unmittelbar nach dem erneuten Erreichen der ersten Temperatur Ti tragen H S und DMDS mit demselben Vorzeichen zu den gemessenen Widerstandswerten bei. Indem das Temperaturprofil gemäß Fig. 6 periodisch wiederholt wird, kann die
Zusammensetzung des Gasgemisches kontinuierlich überwacht werden.
Claims
1. Verfahren zum Analysieren eines Gasgemisches, in dem eine Schicht (11),
die zur Adsorption und/oder Absorption von Bestandteilen (20) des
Gasgemisches eingerichtet ist, dem Gasgemisch ausgesetzt wird, umfassend die folgenden Schritte:
Messen von mindestens einem elektrischen Widerstandswert (R) der
Schicht (11), während diese eine erste Temperatur (Ti) aufweist,
Verringern der Temperatur (T) der Schicht (11) von der ersten
Temperatur (Ti) auf eine zweite Temperatur (T2),
Messen von mindestens einem elektrischen Widerstandswert (R) der
Schicht (11), während diese die zweite Temperatur (T2) aufweist,
Erhöhen der Temperatur (T) der Schicht (11) von der zweiten Temperatur (T2) auf eine dritte Temperatur (T3) ,
Messen von mindestens einem elektrischen Widerstandswert (R) der
Schicht (11), während diese die dritte Temperatur (T3) aufweist, und
Analysieren der Bestandteile (20) des Gasgemisches anhand der
gemessenen elektrischen Widerstandswerte (R).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin die
folgende Schritte umfasst:
Verringern der Temperatur der Schicht (11) von der dritten Temperatur (T3) auf eine vierte Temperatur (T4), und
Messen von mindestens einem elektrischen Widerstandswert (R) der
Schicht (11), während diese die vierte Temperatur (T4) aufweist, wobei die erste Temperatur (Ti) sich von der dritten Temperatur (T3) unterscheidet und/oder die zweite Temperatur (T2) sich von der vierten Temperatur (T4) unterscheidet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den folgenden Schritt umfasst:
Erhöhen der Temperatur (T) der Schicht (11) von der vierten Temperatur (T4) auf die erste Temperatur (Ti).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren
periodisch durchgeführt wird, wobei seine Periodenlänge im Bereich von 20 Sekunden bis 120 Sekunden liegt.
5. Verfahren zum Analysieren eines Gasgemisches, in dem eine erste Schicht
(11a) und eine zweite Schicht (11b), die jeweils zur Adsorption und/oder
Absorption von Bestandteilen (20) des Gasgemisches eingerichtet ist, dem Gasgemisch ausgesetzt werden, umfassend die folgenden Schritte:
Messen von mindestens einem elektrischen Widerstandswert der ersten (11a) Schicht, während diese eine erste Temperatur (Ti) aufweist,
Verringern der Temperatur (T) der ersten Schicht (11a) von der ersten
Temperatur (Ti) auf eine zweite Temperatur (T2),
Messen von mindestens einem elektrischen Widerstandswert (R) der ersten Schicht (11a), während diese die zweite Temperatur (T2) aufweist, Messen von mindestens einem elektrischen Widerstandswert (R) der zweiten Schicht (11b), während diese eine dritte Temperatur (T3)
aufweist,
Verringern der Temperatur (T) der zweiten Schicht (11b) von der dritten Temperatur (T3) auf eine vierte Temperatur (T4) ,
Messen von mindestens einem elektrischen Widerstandswert (R) der zweiten Schicht (11b), während diese die vierte Temperatur (T4) aufweist, und
Analysieren der Bestandteile (20) des Gasgemisches anhand der
gemessenen elektrischen Widerstandswerte (R), wobei die erste Temperatur (Ti) sich von der dritten Temperatur (T3) unterscheidet und/oder die zweite Temperatur (T2) sich von der vierten Temperatur (T4) unterscheidet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen des mindestens einen elektrischen Widerstandswerts der Schicht (11, 11a, 11b), während diese die zweite Temperatur (T2) oder die vierte Temperatur (T4) aufweist erfolgt, nachdem die Schicht (11, 11a, 11b) für einen Zeitraum im Bereich von 5 Sekunden bis 30 Sekunden auf der jeweiligen Temperatur (T2, T4) gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen des mindestens einen elektrischen Widerstandswerts (R) der Schicht (11, 11a, 11b), während diese die erste Temperatur (Ti) oder die dritte Temperatur (T3) aufweist, erfolgt, nachdem die Schicht (11, 11a, 11b) für einen Zeitraum von mindestens 100 Millisekunden auf der jeweiligen Temperatur (Ti, T3) gehalten wurde.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhöhen der Temperatur (T) der Schicht (11, 11a, 11b) von der zweiten Temperatur (T2) auf die dritte Temperatur (T3) und/oder das Erhöhen der Temperatur (T) der Schicht (11, 11a, 11b) von der vierten Temperatur (T4) auf die erste Temperatur (Ti) innerhalb von maximal einer Sekunde erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (Ti) und die dritte Temperatur (T3) jeweils unabhängig voneinander im Bereich von 250°C bis 400°C liegen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur (T 2) und die vierte Temperatur (T4) jeweils unabhängig voneinander im Bereich von 20°C bis 200°C liegen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T 1) und die dritte Temperatur (T3) gleich sind und im Bereich von 300°C bis 400°C liegen, die zweite Temperatur (T2) im Bereich von 30°C bis 100°C liegt und die vierte Temperatur (T4) im Bereich von 100°C bis 180°C liegt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch mindestens zwei verschiedene schwefelhaltige Bestandteile (20) enthält.
13. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
14. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 13 gespeichert ist.
15. Gassensor (10a, 10b), welcher eingerichtet ist, um ein Gasgemisch mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zu analysieren.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19820687 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19820687 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |