Das integrierende Messverfahren - ein neuartiges Messprinzip für die Gassensorik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde ein neuartiges Messprinzip zur Gasdetektion untersucht. Anders als bei klassischen konduktometrischen Gassensoren ändert ein kontinuierlich arbeitendes Gasdosimeter eine elektrisch messbare Eigenschaft, beispielsweise die Impedanz, nicht mit der aktuellen Gaskonzentration sondern speichert die Gaskomponente konzentrationsabhängig ein und integriert sie somit auf, was eine Bestimmung der Gasdosis ermöglicht. Die Änderung der elektrischen Eigenschaften soll dabei möglichst linear zur eingespeicherten Gasmenge erfolgen. Mit dem integrierenden Messprinzip sind somit sehr geringe Konzentrationen an Schadgasen messbar. Durch zeitliches Ableiten des Sensorsignals lässt sich zusätzlich die Konzentration bestimmen. In Vorversuchen mit einem kommerziellen NOx-Speicherkatalysatormaterial mit Pt-Beladung aus dem Bereich der automobilen Abgasnachbehandlung konnte das dosimeterartige Verhalten schon beobachtet werden. Ausgehend davon wurde ein NOx-Speichermaterial auf Basis von Kalium und Mangan aber ohne Platinbeladung mit gleichen Eigenschaften selbst hergestellt. Im Rahmen dieses Projekts wurden zunächst durch Literaturrecherche verschiedene Materialien, die für das Dosimeterprinzip geeignet schienen, ausgewählt und mittels Impedanzspektroskopie charakterisiert und im Hinblick auf ihre Gasempfindlichkeit untersucht. Diese Ergebnisse zeigten, dass auch Polymere ein dosimeterartiges Verhalten zeigen, für den Einsatz aber aufgrund einer fehlenden Langzeitstabilität nicht tauglich sind. Verschiedene Zeolithe, die aufgrund ihrer NH3 und NOx-Speicherfähigkeit grundsätzlich für das integrierende Messprinzip geeignet scheinen, sind allerdings durch ihre sehr hohe Impedanz nur schwer zu charakterisieren. Die vielversprechendsten Ergebnisse lieferte ein K/Mn-beladenes Al2O3, das ohne Pt-Beladung auskommt. An diesem Material wurden weitere Untersuchungen durchgeführt um ein besseres Verständnis des Dosimeterprinzips zu erlangen. Dazu wurde auch ein Modell gebildet, das den Transport des zu detektierenden Gases an und in die Schicht beschreibt. Mit einem NOx-Speichermaterial wurden Dosimeter mit unterschiedlichem Design aufgebaut, wobei ein planarer Aufbau favorisiert wurde. Es war möglich mit dem planaren Dosimeter die Stundenmittelwerte kleinster Stickoxidkonzentrationen zu detektieren, wie sie als Maß für die Luftgüte in Städten dienen. Zusätzlich wurden neben konzentrationsintegrierenden Dosimetern zwei Designs entwickelt, die alle im Gasstrom vorhandenen NOx-Moleküle einspeichern und so eine volumenstromabhängige Mengenintegration ermöglichen. In einem direkten Vergleich mit kommerziellen NO2-Sensoren konnte erfolgreich der Funktionsnachweis eines selbstbeheizten NOx-Dosimeters bestätigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Determining the Total Amount of NOx in a Gas Stream - Advances in the Accumulating Gas Sensor Principle, Sensors and Actuators B, 175, 157-162 (2012)
G. Beulertz, A. Groß, R. Moos, D.J. Kubinski, J.H. Visser
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.snb.2012.02.017) - Dual Mode NOx Sensor: Measuring Both the Accumulated Amount and Instantaneous Level at Low Concentrations, Sensors, 12, 2831- 2850 (2012)
A. Groß, G. Beulertz, I. Marr, D. J. Kubinski, J. H. Visser, R. Moos
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/s120302831) - The Effect of the Thickness of the Sensitive Layer on the Performance of the Accumulating NOx Sensor, Sensors, 12, 12329-12346 (2012)
A. Groß, M. Richter, D. J. Kubinski, J. H. Visser, R Moos
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/s120912329) - Dosimeter-type NOx sensing properties of KMnO4 and its electrical conductivity during temperature programmed desorption, Sensors, 13, 4428-4449 (2013)
A. Groß, M. Kremling, I. Marr, D. J. Kubinski, J. H. Visser, H. L. Tuller, R. Moos
(Siehe online unter https://doi.org/10.3390/s130404428) - Novel tube-type LTCC transducers with buried heaters and inner interdigitated electrodes as a platform for gas sensing at various high temperatures, Sensors and Actuators B, 189, 80-88 (2013)
A. Brandenburg, J. Kita, A. Groß, R. Moos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.12.119) - The Effect of SO2 on the Sensitive Layer of a NOx Dosimeter, Sensors and Actuators B, 187, 153-161 (2013)
A. Groß, D. Hanft, G. Beulertz, I. Marr, D.J. Kubinski, J.H. Visser, R. Moos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.snb.2012.10.039) - Overview on Conductometric Solid-State Gas Dosimeters, Journal of Sensors and Sensor Systems, 3, 29-46 (2014)
I. Marr, A. Groß, R. Moos
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.5194/jsss-3-29-2014) - Undoped and Doped Poly(tetraphenylbenzidine) as Sensitive Material for an Impedimetric Nitrogen Dioxide Gas Dosimeter, Applied Physics Letters, 105, 133301 (2014)
I. Marr, K. Neumann, M. Thelakkat, R. Moos
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4896847)
