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

Entwicklung der Grundlagen für einen Zweikomponentenwärmeleitdektektor zur gleichzeitigen Konzentrationsbestimmung von CO2 und H2O-Dampf (Hochfeuchtebereich)

Der Wettbewerb zwingt Unternehmen sowohl national als auch international zur Lieferung von qualitativ hochwertigen Produkten zu konkurrenzfähigen Preisen. Voraussetzung dafür sind niedrige Produktionskosten bei gleichzeitiger Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen (Produktsicherheit, Arbeitsschutz). Eine preiswerte und effiziente Qualitätskontrolle sowie eine effektive Prozessüberwachung können hier einen wesentlichen Beitrag leisten. Entscheidende Prozessgrößen in den verschiedenen Wirtschaftszweigen sind z.. B. die Kenntnis und Steuerung der CO₂- und Feuchtekonzentration. Ob als Mess- bzw. Steuergrößen in der Biotechnologie, als wichtige Kenngrößen im Reformingprozess von Brennstoffzellen oder als Einflussgrößen auf das Pflanzenwachstum in Gewächshäusern oder zur Reifebeschleunigung bzw. -dämpfung in Obstlagerstätten. Dazu gehören auch die damit verbundenen Maßnahmen zur Gefahrenabwehr und Personensicherheit. Im Falle der CO₂-Konzentration, spielt dabei die Wasserdampfkonzentration eine wichtige und oft auch untrennbare Rolle.

In der Regel wird die CO₂-Konzentration durch günstige und robuste Wärmeleitmessgeräte erfasst. Exaktere Ergebnisse können durch Messverfahren, die auf der Infrarotabsorption der Gase beruhen, erzielt werden. Diese sind jedoch erheblich teurer. Bei den derzeit auf dem Markt angebotenen preisgünstigen Lösungen, in denen die CO₂-Konzentration mittels Wärmeleitdetektor gemessen wird, sind die Ergebnisse durch die Überlagerung von dem durch die Feuchte entstehenden Zusatzmesssignal stark fehlerbehaftet. Um den Fehler durch das verfälschte Ausgangssignal zu kompensieren, wird die Feuchte bei den bisherigen Systemen gleichzeitig mit einem kapazitiven Sensor gemessen. Es ist allgemein bekannt, dass solche kapazitiven Sensoren driften und bei Feuchtegehalten von > 95 % nicht mehr fehlerfrei arbeiten. Damit gibt es derzeit keine preiswerte Lösung für diese Hochfeuchtebereiche. Dies gab den Ausschlag für das Forschungsvorhaben.

Die Entwickler haben sich die Aufgabe gestellt, die Grundlagen für einen neuartigen, robusten, zuverlässigen und kostengünstigen Zweikomponentenwärmeleitdetektor zu entwickeln, mit dem die Konzentrationen von Kohlendioxid und Wasserdampf (Feuchte) kontinuierlich erfasst werden kann. Das unter diesen Prämissen entwickelte Messsystem hat folgende Eigenschaften:

• kontinuierliche Erfassung von CO₂ und Wasserdampf (Feuchte) mit einem Sensorsystem und einer Auswerteeinheit (z. Zt. sind damit vertretbare Messfehler nur unter definierten Messbedingungen erzielbar )
• kostengünstig in der Herstellung, verschleißfrei und lageunabhängig arbeitend
• mit Heißluft und Wasserdampf sterilisierbare Messzelle
• alle messgasberührenden Teile des Sensors sind temperatur- und druckstabil

Somit liegt ein Funktionsmuster des Zweikomponentenwärmeleitdetektors vor, welches CO₂ (feuchtekorrigiert) sowie verschiedene Feuchten messen kann. Die in der Konstruktion des Detektorsystems eingesetzten Komponenten sind preisgünstig in der Anschaffung und erlauben nach ersten Abschätzungen eine Fertigung des Hardwaresystems ohne Elektronik im avisierten Preissegment zwischen 20 und 25 €. Hauptbestandteil des Wärmeleitsensors sind mikromechanisch gefertigte Platinelemente, die durch Laserstrukturierung hochpräzise gefertigt und durch Schutzüberzüge eine ausreichende chemische Resistenz sowie eine Temperaturfestigkeit bis 500 °C aufweisen. Im Labormaßstab konnte das entwickelte Messverfahren zufriedenstellend verifiziert werden. Eine erste Funktionsprüfung wurde in einem Begasungsbrutschrank, der mit Heißluft bei 90°C sterilisiert wird, erfolgreich durchgeführt.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 05/08 bis 06/10 am Institut für Medizin & Technik e.V., (Bernburger Straße 57, 06366 Köthen, Tel. 03496/67-2316) unter der Leitung von Prof. Dr. rer. nat. habil. Heinz Gatzmanga (Leiter der Forschungsstelle Prof. Dr. Ing. Peter Günzel).