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Elektronische Hochleistungs-Nase aus dem Forschungszentrum Karlsruhe beim Statuskolloquium Mikrosystemtechnik vorgestellt
Elektronische Nasen können in komplexen Stoffgemischen einzelne Bestandteile erkennen. Ihr Einsatzbereich ist deshalb riesig: von der Prozesssteuerung in der chemischen Industrie bis zur Überwachung von Erdgasbohrstellen. Bisher waren die Kosten solcher Systeme für einen breiten Einsatz allerdings zu hoch, die Geräte oft zu unflexibel. Eine im Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte elektronische Nase ist dagegen preiswert und kann den unterschiedlichsten Anforderungen leicht angepasst werden. Eine Anwendung in der chemischen Industrie unterstreicht die Vorzüge des Verfahrens. Im Rahmen des 4. Statuskolloquiums Mikrosystemtechnik, das am 30. und 31. März 2000 im Forschungszentrum Karlsruhe stattfindet, werden Entwicklung und Anwendung präsentiert.
Chemische Prozesse bergen auch Gefahren: Falsch gemischte Stoffe verändern chemische Reaktionen bei der Synthese. Im günstigsten Fall entsteht ein unbrauchbares Produkt, und im schlimmsten Fall kommt es zu einer Explosion. Eine wünschenswerte kontinuierliche Überwachung scheiterte bisher oft an langen Analysezeiten oder zu hohen Kosten. SAGAS, eine im Forschungszentrum entwickelte elektronische Nase, löst diese Probleme: Sekundenschnell können in einem Gasgemisch verschiedene organische Substanzen zuverlässig unterschieden werden. In einem explosionsgeschützten Industriebereich hat sich das Verfahren nun auch in großtechnischem Maßstab bewährt.
Das Messprinzip von SAGAS (Surface Acoustic Wave Aroma und Gas Analyse System) beruht darauf, dass sich die Resonanzfrequenz bestimmter Sensoren ändert, wenn sich deren Masse ändert. Die dabei benutzten so genannten SAW (Surface Acoustic Wave)-Bauelemente sind als Massenprodukt der Elektronikindustrie preiswert erhältlich. Die Oberflächen dieser Messfühler werden durch Beschichtung so verändert, dass sie für bestimmte Gase empfindlich werden. Die Gase lagern sich aus einem vorbeiströmenden Luftstrom an der Oberfläche selektiv an; dadurch wird die Masse der Oberflächen vergrößert, und die Resonanzfrequenz verändert sich. Aus der Änderung der Resonanzfrequenz kann die angelagerte Masse berechnet werden. Aus dem ursprünglichen SAW-Bauelement entsteht so ein chemischer Sensor.
Auf einem Sensorfeld liegen acht Einzelsensoren, die infolge unterschiedlicher Beschichtungen für verschiedene Gase empfindlich sind. "Jeder Stoff erzeugt in diesem Sensorfeld ein anderes Signalmuster und kann damit eindeutig bestimmt werden", erläutert Dr. Michael Rapp, der SAGAS im Institut für Instrumentelle Analytik des Forschungszentrums Karlsruhe entwickelte. "Auch in Gasgemischen kann das Gerät einzelne Komponenten 'riechen und wiedererkennen', so wie das die menschliche Nase auch tut. Wie bei einer 'Naturnase' erfordert dies jedoch eine zuvor stattgefundene Erfahrung bzw. ein Training." Aus diesem Grund erfolgt die Auswertung der Sensordaten über künstliche neuronale Netze, eine Software, die wie das menschliche Gehirn Prozesse 'lernen' und dann wiedererkennen kann. Ein neuartiges Multiplexverfahren zur Ansteuerung der Sensoren ermöglicht die Miniaturisierung des Sensorfeldes. Damit konnte ein Sensorkopf realisiert werden, der als bislang einziger seiner Art alle hochfrequenztechnischen Funktionen auf kleinstem Raum in sich vereinigt. Die Betriebsstabilität und die Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren wurden so wesentlich verbessert.
Im Rahmen eines Projektes mit der chemischen Industrie wurde ein Anwendungsgebiet gewählt, bei dem eine schnelle quantitative Gasanalyse benötigt wird: die Online-Kontrolle einer präparativen Hochdruck-Flüssigkeits-Chromatographie (HPLC), einer Methode, die der Trennung verschiedener Syntheseprodukte dient. Hierfür ist die gezielte Mischung verschiedener Lösungsmittel erforderlich. Fehler aufgrund verwechselter Ausgangssubstanzen oder falscher Mischungsverhältnisse verursachen hier hohe Kosten. Durch den Einsatz von SAGAS konnten diese Fehler frühzeitig erkannt und vermieden werden. Die elektronische Nase wurde für den Einsatz in dem explosionsgeschützten Industriebereich zusammen mit dem Lizenzpartner des Forschungszentrums, der Firma Bürkert GmbH, Großröhrsdorf, für diese kritische Anwendung umgerüstet. Das System ist nach erfolgreichem Test inzwischen in den Routinebetrieb des Chemieunternehmens integriert.
Joachim Hoffmann 29. März 2000
Der miniaturisierte Sensorkopf von SAGAS: 8 einzeln auswechselbare SAW-Sensoren können in ihrer Empf ...
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Das komplette Sensorsystem kann vom PC oder durch einen Mikroprozessor gesteuert und ausgewertet wer ...
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Merkmale dieser Pressemitteilung:
Biologie, Chemie, Maschinenbau
überregional
Forschungsergebnisse
Deutsch
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