Gassensoren

+Abstrakt
Ein membranbasierter Sensor zum repräsentativen Gasmonitoring in ungesättigter/gesättigter Bodenzone oder Aquifer

D. Lazik, H. Geistlinger
UFZ, Sektion Hydrogeologie, T.-Lieser-Strasse 4, 06120 Halle
Eine neue Methode zum in situ – Gasmonitoring wurde basierend auf der selektiven Diffusion von Gasen durch Membranen entwickelt. Die Messmethode kombiniert die ele-mentspezifischen Diffusionsraten durch ein Membranset, mit dem Dalton’schen Prinzip des Partialdrucks und dem Pascal’schen Prinzip des Druckausgleichs und reduziert damit nach dem idealen Gasgesetz die unterschiedlichen chemischen Messverfahren zur Gaskonzentra-tionsbestimmung auf die Messung der physikalischen Größe: Druck und Temperatur. Der Gassensor besteht aus membranverschlossenen Räumen, die mit Drucksensoren ausges-tattet sind. Über die bekannten Materialeigenschaften der Membranen, die Geometrie des Sensorsystems und das Druck-Zeit-Verhalten ermöglicht ein Gleichungssystem die Bestim-mung der Konzentrationen der einzelnen Gase. Der Gasdruck, der durch alle im Messobjekt am Ort des Sensors vorhandenen Gase erzeugt und über eine weitere gasdurchlässige Membran ermittelt wird, erlaubt die Aufstellung eines unabhängigen Qualitätskriteriums, nach dem der Absolutfehler der Einzelgasanalyse abgeschätzt werden kann. Das Messverfahren gestattet die räumliche Trennung zwischen dem Ort der Druckmessung und dem der eigent-lichen Beobachtung. Aus diesem Grund ist das Verfahren besonders zum verlorenen Einbau (z.B. innerhalb von in situ Sanierungsverfahren im Untergrund, an der Basis von zu errich-tenden Deponien, in Gewässern, Kanalisationen und Kläranlagen, Reaktoren, Lysimetern, Säulen usw.) geeignet und führt über eine vorgebbare punkt-, linien- oder netzförmigen Ge-ometrie der Messfühler auf räumlich und zeitlich festlegbare Messfenster zur Ermittlung re-präsentativer Gaspartialdrücke (Fugazitäten) bzw. Konzentrationen (Aktivitäten).


Einführung

Die in-Situ-Bestimmung der Konzentration von Gasen oder leichtflüchtigen Flüssig-keiten an hydrogeologischen und ingenieurtechnischen Objekten besitzt ein breites Spektrum von Anwendungsmöglichkeiten innerhalb von:

  • Prozesserkennung
  • Steuerung
  • Monitoring

Ein wesentlicher Vorteil der in-Situ-Messung ist, dass Fehler infolge Probenahme und Transport ausgeschlossen werden wobei folgende Minimalanforderungen an ein in-Situ-Meßsystem bestehen:

  • vernachlässigbare Beeinflussung des Untersuchungsraums
  • räumliche und zeitliche Repräsentanz der Messwerte
  • Langzeitstabilität
  • einfache und zuverlässige Handhabung ohne Störung des Untersuchungsob-jektes

 

Erklärungen zum Thema MeGaSen UG  und Wirkungsprinzip

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Der patentierte Gassensor basiert auf dem Prinzip der selektiven Permeation von Gasen durch Membranen.
Die Messmethode kombiniert die gasspezifischen Diffusionsraten durch eine Membran mit dem Dalton’schen Prinzip des Partialdrucks und ermöglicht nach dem idealen Gasgesetz eine Bestimmung von Gaskonzentrationen durch die Messung der physikalischen Größen: Druck bzw. Volumen, Zeit und Temperatur.

Die Gassensorik besteht aus Messzellen, die durch Membranen verschlossen und jeweils mit Drucksensoren oder Volumenstrommessern ausgestattet sind bzw. eine druck- oder volumenabhängige Messgröße analysieren. Die gasselektiven Membranen stehen dabei mit dem zu messenden Gasgemisch einseitig in Kontakt. Ein weiterer Sensor dient der Temperaturerfassung.

Der neuartige Gassensor der MeGaSen ermöglicht phasenunabhängig die direkte Messung unterschiedlicher Gase nach einem einheitlichen Verfahrenskonzept. Der patentierte Gassensor basiert auf dem Prinzip der selektiven Permeation von Gasen durch Membranen

Die grundlegende Technologie wurde durch eine Patentfamilie geschützt und hat gegenüber dem Stand der Technik weite Alleinstellungsmerkmale und Anwendungspotenziale, etwa:

  • Einheitliche Theorie, Messmethodik und Technologie des sensorischen / aktorischen Systems für unterschiedliche Gase
  • Nichtinvasives Messverfahren mit innerem Standard
  • Physikalisches Verfahrensprinzip wirkt ohne Zusätze an gesundheitsgefährdenden chemischen Substanzen
  • Sensorisches Element ist gleichzeitig medientrennende Membran – dies ermöglicht unterschiedliche kundenspezifische Applikationen nach ein und derselben Technologie, insbesondere die sichere direkte Messung in explosionsgefährdeten Anlagen
  • Sensorisches Element ist gleichzeitig medientrennende Membran – dies ermöglicht unterschiedliche kundenspezifische Applikationen nach ein und derselben Technologie, insbesondere die sichere direkte Messung in explosionsgefährdeten Anlagen der medientrennende Einsatz in biologischen, medizinischen oder chemischen Anlagen (d.h. Messung erfolgt ohne offenen Kontakt zum Anlageninneren)
  • Einsatz unter extremen Bedingungen möglich
  • Sensor kann ohne Entnahme aus dem Messobjekt kalibriert werden
  • Linien- oder Netzwerke membranbasierter Gassensoren ermöglichen gegenüber lokal arbeitenden Sensoren eine deutliche Repräsentanzanhebung der Messung die Messung ist unabhängig von der Phasenzusammensetzung sowie der Anströmung des Sensors im Untersuchungsraum

Mittel- und langfristigen FE – Baustellen sind:
Erhöhung der Analysegenauigkeit durch Systemoptimierung und Steigerung der Membranselektivitäten
Erweiterung des Spektrums analysierbarer Gase durch gezielte Modifikation und Entwicklung von Membranen
Miniaturisierung sensorischer und aktorischer Messsysteme

Langfristiges Ziel
ist die Ableitung modularer chipbasierter Mikromesssysteme als Alternative zu räumlich mittelnde Meßsystemen.
Relevanz für derartige Mikromess-Systeme wird für unterschiedliche Technologiebereiche, angefangen bei Klimatechnik, Fahrzeugbau, bis hin zu Blut- und Atemgasanalyse gesehen

Produktrelevante Eigenschaften
Der neuartige Gassensor der MeGaSen UG ermöglicht phasenunabhängig die direkte Messung unterschiedlicher Gase nach einem einheitlichen Verfahrenskonzept. Der patentierte Gassensor basiert auf dem Prinzip der selektiven Permeation von Gasen durch Membranen.
Dieses Prinzip führt ähnlich der bei der Gaschromatographie ausgenutzten selektiven Desorption auf eine zeitliche Differenzierbarkeit eines Gasgemisches in dessen Komponenten
Der Permeation der Gase liegt die Gasdiffusion in Festkörpern zugrunde. Dieser Prozess führt allgemein auf die langsamste Möglichkeit für die Bewegung von Gasen. Prinzipbedingt ermöglicht das membranbasierte Sensorkonzept deshalb die Entwicklung von nahezu zur Umgebung wechselwirkungsfreien Sensoren.
Die Geometrie des Sensors ist für das zu beobachtenden Messobjekt optimierbar um die Repräsentanz und damit die Richtigkeit der Messung zu sichern. Neben der punktförmigen Messung ist eine solche also auch über Linien(-sensoren) oder Netzwerke aus linienförmigen und / oder punktförmigen Sensoren realisierbar.