Rechnergesteuerte Gasmischanlage zur Charakterisierung von Gassensoren und -messsystemen, insbesondere für kleine Konzentrationen bis < 1 ppb

Computer controlled gas mixing system for characterization of gas sensors and measurement systems, especially for low concentrations down to < 1 ppb

For further information please refer to these publications:

• publication in IOP Measurement Science and Technology on the system itself
• publication in IOP Measurement Science and Technology on further improvements of the system
• publication in Journal of Sensors and Sensor Systems on sensor systems for indoor air quality

Wir danken dem Forschungsausschuss der Universität des Saarlandes für die finanzielle Unterstützung für den Aufbau der neuesten Gasmischanlage mit 16 unabhängigen Gaslinien - diese Anlage ist weltweit einzigartig.

We gratefully acknowledge financial support by the research committee of Saarland University for our latest gas mixing system with 16 independent gas lines - this system is unique in the world.

Gas mixing apparatus for gas sensor characterization

Gassensoren werden bisher vor allem in der Sicherheitstechnik im industriellen Bereich (Ex-Schutz, toxische Gase) eingesetzt. In jüngster Zeit haben sich zusätzlich weitere Anwendungsfelder herauskristallisiert, z.B. die Brandfrüherkennung, insbesondere von Schwelbränden, über die Klimasteuerung bis hin zur automatischen Steuerung der Umluftklappe im Pkw. Gemeinsam sind allen Anwendungen die hohen Anforderungen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Fehlalarmsicherheit bei gleichzeitig starkem Preisdruck.
Halbleitergassensoren, vor allem auf der Basis von Zinndioxid, SnO₂, können diese Anforderungen erfüllen.
Allerdings benötigt man in vielen Fällen Multisensorsysteme, da einzelne Sensoren keine ausreichende Selektivität aufweisen, um zuverlässig komplexe Situationen zu erfassen. So werden beispielsweise in Brandmeldesystemen für Kohlekraftwerke drei unterschiedliche Gassensoren eingesetzt, um Schwelbrände detektieren zu können, bevor größere Brände mit hohen Personen- und Sachschäden entstehen können. Dabei werden zwei Sensoren benötigt, um die typischen Gasemissionen eines beginnenden Schwelbrandes zu identifizieren, der dritte Sensor dient der Unterdrückung von Fehlalarmen, die z.B. durch Schweiß- oder Vulkanisierarbeiten ausgelöst werden könnten.
Um die großen Vorteile von Gassensoren - hohe Empfindlichkeit bei niedrigem Preis und großer Robustheit – auch in anderen Anwendungen, z.B. Detektion von Gaslecks in privaten Haushalten, nutzen und gleichzeitig innovative Produkte entwickeln zu können, ist einerseits eine genaue Kenntnis der zu detektierenden Gasemissionen, im Beispiel also CH4, sowie möglicher Störeinflüsse, z.B. durch Alkohol- und Reinigungsmitteldämpfe in Küchen, unabdingbar. Andererseits benötigt man für die Entwicklung solcher Systeme, d.h. zur Abstimmung der Gassensoren auf das Anforderungsprofil und zur Entwicklung geeigneter Auswertealgorithmen, Systeme zur Simulation der nachzuweisenden Situationen im Labor. Ähnliche Systeme können später in der Fertigung eingesetzt werden, um ein Qualitätskontrollsystem aufzubauen.

Das Grundkonzept der Gasmischanlage wurde über mehrere Jahre entwickelt und hat sich bereits in einer Reihe von Hochschulen und Firmen bewährt. Neuist jetzt die Möglichkeit der exakten Herstellung von Prüfgasen mit extrem geringen Konzentrationen im (sub-)ppb-Konzentrationsbereich. Dies wird über zwei unterschiedliche Ansätze realisiert:

• Permeationsöfen: dabei nutzt man die Diffusion der nachzuweisenden Verbindung durch Polymere, insbesondere Teflon, in einem exakt temparierten Ofen. Dieser Ansatz eignet sich besonders für schwerflüchtige Verbindungen wie Naphthalin.
• Verdünnung: das Prüfgas wird wie üblich aus einer Prüfgasflasche angeboten mit einer Konzentration im Bereich von rund 100 ppm; durch eine zusätzliche Vorverdünnungsstufe erzielt man sehr kleine Konzentrationen und zugleich einen extrem großen Dynamikbereich.

Die relativ komplexe Prüftechnik ist erforderlich, um überhaupt kleinste Konzentrationen messen zu können, da das Trägergas (meist Nullluft) nur eine Reinheit von 5.0 hat, also ca. 10 ppm an Verunreinigungen enthält. Die meisten sind zwar unkritsch, aber in der Nullluft ist immer auch Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthalten, auf das die Sensoren stark reagieren. Um nun z.B. die Sensitivität auf flüchtige organische Verbindungen (VOC) im ppb-Bereichüberhaupt sinnvoll bestimmen zu können, muss das Trägergas während der Messung unverändert sein, nur die Konzentration des Zielgases darf sich ändern - dies gewährleistet die am LMT entwickelte Gasmischanlage.

Aktuelle Forschungsprojekte, die am Lehrstuhl für Messtechnik bearbeitet werden, sind z.B.

• Innenraumluftqualität als Basis für die bedarfsgerechte Lüftung zur Erzielung eines optimalen Kompromisses zwischen Energieeinsparung und Gesundheit
• Messung von Geruchsstoffen, z.B. für die Bewertung von lebensmitteln sowie für medizinische Anwendungen
• Untersuchung stabiler und verlässlicher Kalibriersysteme für Gassensoren

In der Regel werden dabei kommerzielle Sensoren eingesetzt und auf ihre Eignung für die gewünschte Anwendung hin untersucht, zusätzlich werden Modifikationen in Kooperation mit Sensorherstellern erprobt oder noch nicht kommerziell verfügbare Sensoren getestet. Ergänzt werden die Laboruntersuchungen durch Feldtests in der vorgesehenen Anwendungsumgebung, um wesentliche Einflussfaktoren frühzeitig erfassen und berücksichtigen zu können und damit eine rasche Umsetzung der Entwicklung bis zum marktreifen Produkt zu gewährleisten. Die Anlage steht für Industriekooperationen vom zeitlich begrenzten Messprogramm bis zur Entwicklung komplexer Applikationslösungen zur Verfügung.

Wir danken dem Forschungsausschuss der Universität des Saarlandes für die Förderung.

We gratefully acknowledge financial support by the research committee of Saarland University.