Elektronische Nase ARTINOS

Elektronische Nasen als marktreife, industrietaugliche Alleskönner


Bild 1: Über Touchscreen bedienbares Tischgerät ARTINOS® 210.

Dr.-Ing. Dieter Simpfendörfer, Dr. rer. nat. Markus Frietsch, Dr. rer. nat. Ilona Koronczi*)

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  1. SYSCA AG, Im Köbler 2, 75438 Knittlingen, Tel. 07247/82-8345, Fax 07247/82-5593, http://www.sysca-ag.de.


Häufig ist der Geruch ein Indikator, auch „smellprint“ genannt, für eine bestimmten Produktqualität, einen spezifischen Prozesszustand oder eine sich abzeichnende bzw. schon eingetretene Gefahrensituation. In diesem Zusammenhang kommt der Elektronischen Nase der Charakter eines universellen Zustandsmelders zu, der wichtige gasanalytische Informationen für entsprechendes Handeln, Reagieren oder Eingreifen liefert. In vielen Anwendungsfällen sollen kleine Veränderungen bestimmter Zustände, etwa von Spurengasen in Raumluft, bei einer stark variierenden Hintergrundatmosphäre sicher identifiziert werden.


Analog dem Riechvorgang mit Hilfe der biologischen Nase erfolgt die Gasanalyse unter Nutzung eines Multigassensors, landläufig auch als Elektronische Nase bezeichnet, integral, so dass ein Geruch, bestehend aus einem Ensemble verschiedener Gase, als Einheit interpretiert wird. Da Gerüche durch die Art der Gaskomponenten und durch deren Konzentrationsverhältnisse bestimmbar sind, werden geringste Änderungen dieser Einflussgrößen als abweichende Geruchsnoten wahrgenommen und mittels des Sensors qualitativ detektiert. Darüber hinaus bieten Elektronische Nasen die Möglichkeit, die Konzentration einzelner Komponenten innerhalb eines komplexen Gasensembles zuverlässig zu bestimmen.

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Nach einer Trainingsphase, in der während gezielter Gas- oder Geruchsexpositionen die entsprechenden Signalmuster durch die Elektronische Nase erlernt werden, können Einzelgase bzw. Gasgemische wiedererkannt und auch quantifiziert werden. Eine häufig vorkommende Aufgabenstellung besteht darin, im Rahmen der Prozess- oder Produktüberwachung Störfälle zu melden. Hierzu ist es erforderlich, ebenjene Signalmuster zu erlernen, die den Normalfall repräsentieren. Dieser kann daraufhin erkannt bzw. überwacht werden, wohingegen Abweichungen als Störfälle zu interpretieren sind. Wurden auch die charakteristischen Signalmuster der Störfälle trainiert, so ist der auftretende Funktionsfehler identifizierbar, sofern er zur Gruppe der trainierten Fehler gehört.

Abgrenzung „Elektronische Nase“

Im Gegensatz zu Einzelsensoren und Instrumenten der klassischen Gasanalytik wie Gaschromatographen, Massen- oder FTIR-Spektrometer bieten Elektronische Nasen die Möglichkeit, komplexe Gasensembles ganzheitlich und nicht nur anhand ausgewählter Leitgase zu erfassen. Selektive Einzelsensoren können zwar ein bestimmtes Leitgas genau detektieren, doch sind sie – abgesehen von Restquerempfindlichkeiten – unempfindlich für andere Gase. Daher lassen sich mit ihrer Hilfe ausschließlich das Leitgas beeinflussende Fehlerfälle detektieren.

Gegenüber Instrumenten der klassischen Gasanalytik sind bei Elektronischen Nasen zudem eine deutlich kompaktere Bauweise sowie ein wesentlich geringerer Gerätepreis realisierbar. Ferner sind Elektronische Nasen geeignet, ihre Vorteile überall dort zur Geltung zu bringen, wo der Anwender auf den Erhalt sehr schneller Messwerte angewiesen ist. Als Beispiel sei die Detektion zumeist hochtoxischer flüchtiger Gefahrstoffe in Frachtcontainern im Rahmen des internationalen Warenumschlags erwähnt.

Es sind u.a. folgende Vorteile von Multigassensoren gegenüber der biologischen Nase zu nennen:

  • Größere Bandbreite an nachweisbaren Gasen.
  • Verwendbarkeit in gesundheitsgefährdender Umgebung (z.B. im Abgas).
  • Dauerhaft objektive Analyseleistung (keine Geruchsadaption).

Messprinzip

Den größten Grad der Marktdurchdringung haben chemische Multigassensoren erlangt, deren Messprinzip darin besteht, die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit einer gassensitiven Schicht („Detektorschicht“) unter dem Einfluss sich an deren Oberfläche anlagernder oder mit der Oberfläche chemisch reagierender Gase zu erfassen. Hierfür werden in einfachster Bauart selbst- oder fremdleitende Polymere (Kunststoffe) als Basis für die gassensitive Schicht herangezogen. Allerdings sind die Nachweisgrenzen bei Sensoren dieser Art im Regelfall auf den ppm-Konzentrationsbereich begrenzt. Zudem steht dem generellen Wunsch nach möglichst umfassenden Nutzungsmöglichkeiten des Sensors die ausgeprägte Feuchtigkeitsempfindlichkeit der Polymere und damit ein starker Störeinfluss entgegen.

Als technisch überlegen erweisen sich demgegenüber Sensorsysteme, bei denen die Leitfähigkeitsänderung einer Detektorschicht aus halbleitendem Metalloxid erfasst wird. Die Empfindlichkeit des Gasnachweises hängt dabei ganz wesentlich von der Betriebstemperatur des Sensors ab, die in der Regel oberhalb von 200 °C liegt, um einen genügend schnellen Gasnachweis zu ermöglichen. Generell sind Detektorschichten aus Metalloxid chemisch wesentlich robuster als solche aus leitfähigem Polymer; ein Umstand, der das Langzeitfunktionsverhalten des Chips äußerst positiv beeinflusst.

Die Elektronische Nase ARTINOS®

Die Elektronische Nase ARTINOS® basiert auf einem hoch integrierten und aus einer Vielzahl von Elementen bestehenden Gassensor-Mikroarray, dessen Design patentrechtlich geschützt ist. Zum Nachweis der Gase wird die Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit einer Metalloxid-Detektorschicht gemessen, sobald der Sensor mit der zu untersuchenden Gasatmosphäre in Berührung kommt. Das gasanalytische Sensorsystem ARTINOS® kann bisher in zwei Versionen zur Anwendung gelangen: als stationäres Laborkleingerät der Baureihe 210 (Bild 1) sowie als portables Handgerät der Baureihe 510 für den flexiblen Vor-Ort-Einsatz (Bild 2).

Die je nach Anwendungsfall durch den Hersteller zumeist vorkonfektionierten Geräte sind einfach in der Bedienung. So existiert bei den Geräten der neuesten Version ein Touchscreen-Display zur Bedienerführung. Ferner sind die Voraussetzungen für eine Ferndiagnose- und Fernwartungsfunktionalität gegeben. Sämtliche Geräte sind unabhängig von ihrer Bauart in der Lage, über eine konfektionierte RS232-Schnittstelle bei Bedarf mit übergeordneten Leitrechnersystemen zu kommunizieren.

Durch die Verwendung gassensitiver Metalloxid-Detektorschichten ergibt sich eine ausgeprägte Breitbandigkeit hinsichtlich der nachweisbaren Gase. Mit Ausnahme einiger weniger Inertgase, wie z. B. Edelgase oder Stickstoff, können Gase zum Großteil bis in den Bereich von Sub-ppm-Konzentrationen nachgewiesen werden. Die Nachweisgrenzen sind gasspezifisch; es lassen sich u.a. folgende Genauigkeitszuordnungen benennen:

  • Ozon, Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Ethanol, Methanol, Aceton: <0,1 ppm.
  • Methan, Propan, Stickoxide, Schwefeldioxid, Benzol, Kohlenmonoxid: <1 ppm.
  • Halogenalkane wie z. B. Chloroform: 100 ppm.

Zudem ist ein großer Dynamikbereich vorhanden, der es im Regelfall erlaubt, bei ein und demselben Gas sowohl hohe Konzentrationen bis in den Prozentbereich zu erfassen als auch enorme Nachweisempfindlichkeiten bis in die untersten ppb-Regionen zu erreichen.

Neben diesen grundsätzlichen Vorzügen des sensorischen Messprinzips bietet das ARTINOS®-System durch den spezifischen Aufbau seines Gassensor-Arrays einige weitere Vorteile, so z. B.:

  • Keine Verfälschung des Messergebnisses durch Alterungsphänomene der Sensormaterialien.
  • Hohe Beständigkeit der charakteristischen Signalmuster und damit der gaserkennenden Eigenschaften.
  • Extrem hohe Gasunterscheidungsfähigkeit und schnelles Ansprechverhalten durch die Nutzung spezieller Datenauswertemethoden.
  • Keine Anzeige falscher Messergebnisse aufgrund permanenter Plausibilitätskontrollen der Sensorsignale (Selbstdiagnosefähigkeit).

Die genannten Besonderheiten tragen in erheblichem Maße zu einer gesteigerten Zuverlässigkeit des ARTINOS®-Systems im industriellen Alltag bei.

Anwendungsbereiche

Die denkbaren Nutzungsarten sind vielfältig. Sie lassen sich pauschal wie folgt unterteilen:

  • Vergleichende Geruchsbeurteilung zur Bestimmung feinster Unterschiede bis in den ppb-Konzentrationsbereich.
  • Quantifizierung von komplexen Gerüchen oder Einzelgasen unter Bezugnahme auf eine bekannte Konzentration als Referenz.
  • Kontinuierliche Online-Qualitätskontrolle über flüchtige Komponenten in der Gasphase sowie
  • Überwachung von Prozessabläufen zur Erkennung von Grenzwertüberschreitungen bzw. zum Aufbau von Regelkreisen (Bild 3).

Für Elektronische Nasen des geschilderten Wirkprinzips lässt sich eine Fülle von denkbaren Anwendungsgebieten benennen, die sowohl auf klassische Laborapplikationen als auch auf Einsatzfelder im rauen industriellen oder sonstigen Umfeld gemünzt sind; zu ihnen gehören ohne Anspruch auf Vollständigkeit die im Info-Kasten (Seite 43) aufgeführten Anwendungen.

Fazit

Elektronische Nasen sind Multigassensoren, die für die qualitative und quantitative Erfassung von Einzelgasen und Gerüchen in einem breiten Applikationsspektrum Verwendung finden. Geräte der neuesten Bauart sind sowohl für reine Laboranwendungen als auch für den Einsatz unter erschwerten Umfeldbedingungen geeignet. Sie sind mit dem Anspruch konzipiert, ein Höchstmaß an Bedienerfreundlichkeit zu erreichen. Hinsichtlich der technischen Kriterien Messgenauigkeit, Gasunterscheidungsfähigkeit, Querempfindlichkeit gegenüber geruchlichen Störkulissen, Breitbandigkeit der Nutzung sowie Kürze der Zeitdauer bis zum Erhalt der Messwerte erweisen sich Elektronische Nasen heutiger Bauart als uneingeschränkt fähig, die Bedürfnisse einer Vielzahl von Anwendern zuverlässig und ohne Probleme gerade auch unter industriellen Einsatzbedingungen zu erfüllen. Nicht zuletzt hinsichtlich der deutlich geringeren Anschaffungskosten bilden sie in vielen Anwendungsfällen eine interessante Ergänzung, wenn nicht gar Alternative zur klassischen gassensorischen Laboranalytik.

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