Forschungsgesellschaft für Messtechnik,
Sensorik und Medizintechnik e.V. Dresden

Resonanter Sensor zur In-situ-Analyse von Verbrennungsgasen

Zur Minimierung der Schadstoffemission von Verbrennungsanlagen, im Besonderen für dezentrale regenerative Energiequellen, werden kostengünstige Gassensoren für den Hochtemperaturbereich benötigt. Hierfür wurde ein kompaktes und speziell an die Sensoraufgabe angepasstes Messsystem entwickelt. Es besteht aus resonanten Sensoren, der Messhardware und einer Analysesoftware. Es wurde im Labor ausgiebig getestet. Diese Tests wurden auch auf realen Anlagen (Verbrennungsgas- und Biogasanlage) erfolgreich ausgeweitet.

Kern der Hardwareentwicklung bildete ein Impedanzinterface mit den Funktionen kommerzieller Impedanzspektrumanalysatoren, die sich für den Einsatz in prozessnahen Sensorsystemen eignen. Um ein kompaktes und aufwandsminimiertes Schaltungsdesign für das Impedanzinterface zu erreichen, wurden die analogen Schaltungen zur Signalverarbeitung in digitale Schaltungsstrukturen überführt. Für die spezifische Sensordatenauswertung und Prozessregelung bzw. für die Kommunikation mit einem Prozessleitsystem wurde das leistungsstarke Embedded-Prozessor-Modul in das Schaltungskonzept integriert. Das System wurde ergänzt durch eine autonome mikrokontrollergestützte PID Heizungsregelung für den Sensorbereich. Mit dem Sensorarray und dem Multiplexer im Sensorkopf entstand so ein System, welches stark gedämpfte resonante Sensoren vermessen und die dabei ermittelten Merkmale in Gaskonzentrationen umrechnen kann.

Wesentlich für die erfolgreiche Analyse einer Gaskonzentration mit diesem Sensorkonzept war die Merkmalsbildung. Hierzu wurden Algorithmen implementiert, die die aufgenommenen Rohdaten aufbereiten und vorauswerten konnten. Ein analytisches Vorgehen lieferte die Merkmale für eine nachfolgende Klassifikation. Als wesentliches Merkmal wurde dabei die Serienresonanzfrequenz verwendet. Auch die Güte und Antiresonanzfrequenz wurden mit in die Auswertung einbezogen. Ergänzend zu dem Auswertungsalgorithmus wurde eine zusätzliche Softwarekomponente zur Steuerung der Sensorsoftware, sowie die Darstellung der Ergebnisse entwickelt.

Als Resonatormaterial kommt bei dem entwickeltem Sensor Langasit (La₃Ga₅SiO₁₄) zum Einsatz, welches bis nahe an seinen Schmelzpunkt von 1470 °C zu Scherschwingungen angeregt werden kann. Durch die Verwendung unterschiedlicher Elektrodenlayouts lässt sich eine Unterscheidung elektrischer (Leitfähigkeitsmodus) und mechanischer (Mikrowaagemodus) Veränderungen der Sensorschichten durch Einfluss des Umgebungsgases realisieren. Die Langasitresonatoren werden mit Metalloxidfilmen wie CeO₂, TiO₂ und SnO₂ als gassensitive Schicht versehen. Die Resonatoren werden in hochtemperaturstabile Aluminiumoxidhalterungen integriert, die mit Unterstützung des Projektpartners PSFU GmbH durch Ultraschallfräsen gefertigt werden. Im vorderen Bereich der Halterungen befindet sich eine meanderförmige Heizstruktur, über die die Resonatoren bei einer nahezu konstanten Temperatur betrieben werden können. Durch Einstellen einer Temperatur oberhalb der des zu messenden Prozesses können so auch Ablagerungen, beispielsweise von Ruß, deutlich vermindert werden.

Die Sensoren wurden an einem Hochtemperaturmessplatz bei 600 °C in verschiedenen H₂/CO-Gemischen untersucht. Die Sensorschichten ermöglichten eine Trennung der verschiedenen Gasmischungen. Dabei war CeO₂ auf Grund seiner hohen Stabilität vor allem für den Einsatz bei sehr niedrigen Sauerstoffpartialdrücken unterhalb von 10-10 bar geeignet, während SnO₂ bei höheren Sauerstoffpartialdrücken oberhalb von 10-12 bar eingesetzt werden kann.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 12/07 bis 09/09 an der Technischen Universität Clausthal, LaserAnwendungsCentrum (Arnold-Sommerfeld-Straße 6, 38678 Clausthal-Zellerfeld, Tel.: 05321/685-5151) unter der Leitung von Prof. Dr. H. Fritze (Leiter der For-schungsstelle Prof. Dr. W. Schade) und der Otto-von-Guericke-Universität, Institut für Mikro- und Sensorsysteme, Lehrstuhl Messtechnik/Sensorik (Universitätsplatz 2, 39106 Magdeburg, Tel.: 0391/6718309) unter der Leitung von Herrn Prof. Dr. P. Hauptmann (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. P. Hauptmann) sowie der Hochschule Harz (FH), Fachbereich Automatisierung und Informatik, Mikrocontroller-Applikationszentrum (Friedrichstraße 57-59, 38855 Wernigerode, Tel. 03943/659317) unter der Leitung von Prof. Dr. K.-D. Kramer (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. A. Willingmann).