Gasmessung mit MEMS-Sensoren und kombinierte Auswertung von acht Messkurven zur Unterscheidung verschiedener Gase

"Die Daten werden mithilfe des LabVIEW Interface for Arduino aufgenommen."

- Prof. Dr. Jost Göttert, Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein

Die Aufgabe:

Um die Zuführung von Frischluft entsprechend regeln zu können, müssen Gase detektiert und Konzentrationen gemessen werden.

Die Lösung:

Die Gasmessung mit MEMS-Sensoren bietet hier einen vielversprechenden Ansatz.

Autor(en):

Prof. Dr. Jost Göttert - Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein
Dipl.-Ing. Tobias Kaltenecker - Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein
Dipl.-Ing. Georg Toszkowski - Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein
M. Eng. Lasse Wagner - Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein
B. Eng. Marc Schriefers - Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein

Diese Kundenlösung wurde im Tagungsband 2015 des Technologie- und Anwenderkongresses „Virtuelle Instrumente in der Praxis“ veröffentlicht.

Eingesetzte Produkte: LabVIEW

 

Die Abbildungen der Kundenlösung finden Sie in der Galerie und im Fließtext. In der Galerie können Sie die Bilder in größerer Auflösung ansehen.


Kurzfassung

Im Zuge der Energiewende geht der Trend in der Bauwirtschaft hin zum Niedrigenergie-Haus, sowohl im privaten als auch im öffentlichen Sektor. Ein Teil der Energieeinsparung wird hier durch eine entsprechende Dämmung erzielt, was wiederum zu einer erhöhten Dichtigkeit gegenüber der Umgebungsluft führt. Der somit unterbundene Luftaustausch führt z. B. zu einem Anstieg der CO2-Konzentration im Haus. Um die Zuführung von Frischluft entsprechend regeln zu können, müssen Gase detektiert und Konzentrationen gemessen werden. Die Gasmessung mit MEMS-Sensoren bietet hier einen vielversprechenden Ansatz.

 

Motivation

Zur kontinuierlichen Überwachung der Luftqualität vor Ort können MEMS-gefertigte Gassensoren als empfindliche Sensoren eingesetzt werden. Dabei liegt das Interesse primär auf der schnellen Reaktion und weniger auf der genauen Analyse der Einzelbestandteile des Probengemischs. Ein gravierender Nachteil dieser Halbleiter-Gassensoren ist jedoch ihre geringe Selektivität auf einzelne Gase. Hier kann durch Kombination mehrerer ähnlich reagierender Sensoren und einer alternativen Auswertung ihrer Signale ein charakteristisches „Duftbild“ einer Probe aufgenommen und durch Vergleich mit erlernten Duftbildern identifiziert werden.

 

Entwicklung

Zum Zwecke der Datenaufnahme wird ein Array von insgesamt acht Gassensoren, einem Temperatur- und Luftfeuchtesensor sowie drei Drucksensoren in einem Manifold eingebaut, durch das ein Luftgemisch unter kontrollierten Bedingungen eingezogen und analysiert werden kann (siehe Bild 1). Die Daten werden mithilfe des LabVIEW Interface for Arduino aufgenommen, ebenso die Steuersignale für die Vakuumpumpe und die Ein-/Auslassventile generiert. Der Arduino wird per USB mit einem Rechner verbunden. Die Datenaufnahme und -darstellung sowie die Steuerung wird von LabVIEW übernommen.

 

Die Messdaten werden anschließend in einen achtdimensionalen Vektor übertragen (siehe Bild 2), der im zeitlichen Verlauf ein wiederholbares Muster erzeugt, dessen Form mit früher aufgenommenen Kurven verglichen und auf Ähnlichkeit untersucht werden kann.

 

Der gewählte vektorielle Ansatz erlaubt unter Laborbedingungen eine Unterscheidung einzelner Gase. Eine beliebig scharfe Trennung für alle in der Datenbasis vorhandenen Gase ist derzeit aber noch nicht möglich. Aktuell wird diese Arbeit fortgesetzt mit dem Ziel, den Hardwareaufbau auf die myRIO-Plattform zu übertragen und somit eine flexiblere Messung vor Ort zu ermöglichen.

 

Informationen zum Autor:

Prof. Dr. Jost Göttert
Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Hochschule Niederrhein
Reinarzstr. 49
Krefeld 47805
Germany
Tel: +49 (0)2151 822-4636
Fax: +49 (0)2151 822-4888
jost.goettert@hs-niederrhein.de

Bild 1: Schematische Darstellung des Sensormoduls
Bild 2: 3-D-Verktorpattern von Methanol