Projekt 06031/01

Thermochemischer Sensor für die Detektion organischer Dämpfe

Projektdurchführung

Technische Universität Bergakademie FreibergInstitut für Physikalische Chemie
Leipziger Str. 29
09596 Freiberg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Zielstellung des Vorhabens ist die Entwicklung eines leistungsfähigen Gerätes für die Störfallbekämpfung auf der Basis der thermischen Detektion organischer Dämpfe mittels clathratbildender chemischer Rezeptoren als chemische Erkennungssysteme. Ein wichtiger Anwendungsbereich des Gerätes ist die Früherkennung der Überschreitung der maximalen Arbeitsplatz-Konzentration (MAK), z.B. bei Havarien.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenWesentliche Arbeitsschritte bei der Entwicklung des Schadstoffmeßgerätes stellen die Charakterisierung geeignet erscheinender Rezeptorverbindungen, die Entwicklung und Erprobung empfindlicher, miniaturisierter Kalorimeterzellen, der Aufbau eines Meßplatzes für die Rezeptorcharakterisierung und Testung der Gerätekomponenten, die Entwicklung geeigneter im Meßgerät zu implementierender Signalverarbeitungsalgorithmen und die technische Geräteentwicklung dar.
Die Rezeptorverbindungen werden unter Laborbedingungen getestet, indem periodische Wärmeleistungssignale erfaßt und analysiert werde, die durch alternierendes Einwirken von Inertgas und Lösungsmitteldämpfen auf rezeptorbeschichtete Kalorimeter-Chips generiert werden. Aus den charakteristischen Signalparametern werden Detektionsempfindlichkeit und Selektivität abgeleitet. Gemäß diesen Daten erfolgt die Auswahl für die Beschichtung der maximal acht Wärmeleistungsdetektoren im Meßgerät. Es sind unterschiedliche, anwendungsabhängige Beschichtungsvarianten vorgesehen.
Es werden solche Signalverarbeitungsverfahren entwickelt, die eine maximale Störunterdrückung bei akzeptabler Meßfrequenz ermöglichen.
Das Meßgerät wird als modulares System entwickelt, bestehend aus Detektionsmodul, Kommunikationseinheit und Gefäß. Der Detektionsmodul enthält neben dem Kalorimeterblock eine intelligente Steuerungs- und Signalverarbeitungseinheit. Dazu wird ein Signalprozessor verwendet.


Ergebnisse und Diskussion

Die Ergebnisse der Arbeiten können wie folgt zusammengefaßt werden:

- Die Aufgabe bestand in der Entwicklung eines Gerätes zur Detektion organischer Dämpfe. Dabei wurde das Prinzip der thermischen Detektion soweit ausgereift, daß erstmals eine kompakte Anordnung mit mehreren parallel arbeitenden miniaturisierten Wärmeleistungsdetektoren möglich wurde, die eine Signalauflösung im ppm-Bereich erlaubt.

- Der entwickelte kalorimetrische Sensormodul kann sowohl autark als Schadstoffmeßgerät eingesetzt oder mit anderen Sensormodulen kombiniert werden. Die technische Schnittstelle ist für eine mögliche Integration in die Elektronische Nase MOSES II (Lennartz electronic, Tübingen) ausgelegt.

- Im Ergebnis aufwendiger Untersuchungen mit unterschiedlichen Rezeptormaterialien wurden Polymere als chemische Transducer ausgewählt.

- Durch geeignete Wahl der Betriebsparameter können Meßzeit und Empfindlichkeit der jeweiligen Aufgabenstellung angepaßt werden. Bei empfindlichkeitsoptimaler Betriebsart sind Auflösungen im ppm-Bereich erzielbar. Damit reicht die Auflösung der thermischen Detektion an die von Quarzmikrowaagen (QMB)-Sensoren heran.

- Die Signale besitzen eine sehr gute Linearität und - bedingt durch das spezifische Meßverfahren - ist auch die Driftstabilität hervorragend.

- Der parallele Betrieb von 8 Sensoren ermöglicht eine qualitative Bewertung von komplexen Gemischen durch Mustererkennung (z.B. PCA). Es konnte gezeigt werden, daß - wie erwartet - bei gleichen Gemischen die Signalmuster des kalorimetrischen Sensorarrays sich von den mit anderen Sensoren erzeugten Mustern deutlich unterscheiden. Damit stellen thermische Sensoren eine wesentliche Erweiterung des Spektrums an Sensoren dar, die für den kombinierten Einsatz in Elektronischen Nasen geeignet sind.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse wurden bisher in folgender Form vorgestellt:
SENSOR 97 (Kongreß), Nürnberg, Mai 1997
Messe INNOVATION 97, Leipzig, September 1997
Messe ENVITEC 98, Düsseldorf, Februar 1998


Fazit

Die wesentlichen Ziele der Arbeit wurden erreicht. Der Nachweis, daß thermische Sensoren für die Detektion organischer Lösungsmitteldämpfe geeignet sind, konnte erfolgreich geführt werden. Die erzielten Ergebnisse sind praktisch verwertbar.