Der Schlüssel zum optimalen Sensor - Querempfindlichkeiten bei der Multigasmessung vermeiden und kompensieren. Querempfindlichkeiten sind insbesondere in Applikationen, in denen mehrere Gase gleichzeitig auftreten, eine Herausforderung.
Ursache für Querempfindlichkeiten bei NDIR-Gasanalysatoren ist eine Überlappung der Absorptionsbanden der betroffenen Gase. Durch geschickte Auswahl von Absorptionsbanden der beteiligten Gase lassen sich diese Querempfindlichkeiten im besten Fall vermeiden, häufig aber mindestens stark reduzieren. Durch interne Kompensationsmechanismen werden auch die übrigen Querempfindlichkeiten meist weitgehend eliminiert.
Was dies bedeutet, soll hier am Beispiel der gleichzeitigen Messung von Methan (CH4), Ethan (C2H6) und Propan (C3H8) gezeigt werden. Abbildung 1 zeigt, dass die Absorptionsbanden der drei Gase im Bereich um 3,4µm Wellenlänge stark überlappen. Durch optische Messkanäle in diesem Bereich entstehen starke Querempfindlichkeiten zwischen allen Gasen, die sich auch mittels Kalibration und mathematischen Kompensationsalgorithmen nur ungenügend reduzieren lassen. Methan besitzt im Bereich zwischen 7,5µm und 8µm eine weitere starke Absorptionsbande, in der nur vernachlässigbare Absorptionen der beiden anderen Gase vorhanden sind.
Allerdings ist eine relevante Überlappung mit den Absorptionsbanden des Wassers vorhanden. Mit Kompensation dieser Querempfindlichkeit kann Methan hier gut gemessen werden. Durch Einbeziehung dieser Messung können nun auch Ethan (C2H6) und Propan (C3H8) im Bereich um 3,4µm gut bestimmt werden. Insgesamt ist es auf diese Weise möglich, alle drei Gase mit hoher Genauigkeit zu messen. Die hierzu erforderliche Multiparameter-Kalibration findet ab Werk bei m-u-t statt und die komplexen mathematischen Kompensationsalgorithmen werden direkt im Gassensor ausgeführt, so dass der Nutzer unmittelbar kalibrierte Messwerte erhält.
m-u-t verfügt über umfangreiche Erfahrungen in der Selektion optimaler Wellenlängenkombinationen und der Erstellung von Algorithmen auch komplexer Querempfindlichkeitskompensationen. Die zugehörige Multiparameter-Kalibration ist bei m-u-t vollautomatisiert, wodurch reproduzierbare Messeigenschaften der in Serie hergestellten Multigassensoren sichergestellt werden.
m-u-t Detektoren zeichnen sich durch eine hoch innovative Messtechnik und zugleich hochentwickelte Elektronik aus. Die Sensoren sind modular aufgebaut, wobei elektronische Module meist eigenständige Embedded-Systeme mit eigenen Mikrocontrollern sind. Jedes Modul kann so bestmöglich auf seine jeweilige Aufgabe hin optimiert und applikationsspezifisch programmiert werden. Eine übergeordnete Prozessoreinheit vereinigt die Daten aller angeschlossenen Module, führt unter Verwendung der gespeicherten Kalibrierdaten die komplexen Kompensationsalgorithmen aus und kommuniziert mit dem Kundensystem. Als Schnittstellen sind RS232 und RS422 Standard. Weitere Schnittstellen, wie USB, RS485, Ethernet, CAN (optional WLAN, Bluetooth oder GSM) oder andere Feldbusschnittstellen, lassen sich bei m-u-t Gassensoren einfach und kostengünstig ergänzen.
Durch den Einsatz von leistungsstarken Infrarotstrahlern auf der Basis von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), empfindlichen Infrarot-Detektoren und einer hochempfindlichen Elektronik holen wir das bestmögliche Signal-zu-Rauschverhältnis heraus. Der Weg, den die Infrarotstrahlung durch die Probenkammer nimmt, wird dabei bis zu neunmal umgelenkt. Durch dieses Multireflexions-Design wird die Strecke verlängert, die zur Absorption durch das Gas zur Verfügung steht und die Empfindlichkeit entsprechend verbessert, ohne dass sich die Baugröße wesentlich erhöht. Dass auf dem Weg durch diese optische Anordnung nur wenig vom Signal verloren geht, ist eine Herausforderung und gleichzeitig eine unserer Kernkompetenzen.
Gassensoren reagieren sehr empfindlich auf Änderungen der Umgebungsbedingungen. Bei Multigassensoren treten zusätzlich häufig Querbeeinflussungen der zu messenden Gase auf. Beides lässt sich durch die Kalibration der integrierten Kompensationsmechanismen soweit reduzieren, dass die Sensoren unter allen im realen Betrieb auftretenden Bedingungen mit den geforderten Eigenschaften funktionieren. In den leistungsfähigen Umweltlabors von m-u-t werden dazu die Bedingungen der Kundenanwendungen simuliert, indem alle relevanten Parameter systematisch variiert werden. Durch diese Multiparameter-Kalibration in Verbindung mit den zugehörigen Kompensationsalgorithmen geben die Sensoren direkt kalibrierte Messwerte aus und stehen beim Kunden sofort einsatzbereit zur Verfügung.
Das elektronische Messsignal der Infrarotdetektoren wird, wie bei jedem hochempfindlichen Messprinzip, durch Rauschen beeinflusst, welches sich begrenzend auf die Auflösung und Empfindlichkeit des Gassensors auswirkt. Durch spezielle Messverfahren werden Rauschen sowie Störungen durch äußere Einflüsse zu großen Teilen elektronisch minimiert. Die hierzu erforderliche Intelligenz steckt dabei in einem dedizierten Mikrocontroller, der den Messablauf koordiniert und alle beteiligten Komponenten ansteuert.
