Gasdetektoren: So lassen sie sich aus pyroelektrischen Sensoren entwickeln

Gasdetektoren sind in unserem Alltag überall zu finden. Im Haushalt schützen uns Rauch- und Kohlenmonoxidsensoren, in modernen Büros überwachen Sensoren die Luftqualität anhand des Kohlendioxidgehalts und in Fabriken messen sowie erkennen Gasdetektoren viele verschiedene Gase für die Prozesssteuerung und, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Die Überwachung der Gase von Batteriezellen ist eine neuere Sicherheitsanwendung in Elektrofahrzeugen. Eine Gasentwicklung durch eine Zelle zeigt frühzeitig einen abweichenden Betrieb des Akkus an, noch bevor es zu Temperaturänderungen kommt. In Krankenhäusern und Gesundheitseinrichtungen stecken Sensoren zur Gasdetektion in zahlreichen klinischen und diagnostischen Geräten. Ein solches ist zum Beispiel ein Kapnograph. Diese meist tragbaren Geräte messen die Menge des vom Patienten ausgeatmeten Kohlendioxids und liefern über eine Analyse der Atemluft Rückschlüsse auf den Stoffwechsels des Patienten. Häufig nutzen Ersthelfer sowie Ärzte in Notaufnahmen diese Geräte, um mit den schnellen Ergebnissen erste Diagnosen stellen zu können.

Verfahren zur Gasdetektion

Gasdetektoren arbeiten oft mit Infrarotlicht (IR). Da die unterschiedlichen Gase bei bestimmten Wellenlängen mehr des ausgesendeten IR-Lichts absorbieren, lassen sie sich anhand dieser Energieabsorption unterscheiden. Bei dieser Energieabsorption werden die Gasmoleküle zudem angeregt und dadurch beweglicher – Wärme entsteht. Zudem lässt sich von der Menge der absorbierten Infrarot-Energie auf die Höhe der Konzentration eines bestimmten Gases schließen.

Bei der pyroelektrischen Methode zur Gaserkennung hingegen wird der sogenannte pyroelektrische Effekt genutzt. Dieser Effekt erzeugt eine Ausgangsspannung, wenn Änderungen in der Menge der absorbierten IR-Strahlung erkannt werden.

Bild1 zeigt einen solchen pyroelektrischen Gassensor, der im Nahinfrarot-Spektrum arbeitet. Eine IR-Lichtquelle wird durch eine geschlossene Kammer auf die Sensor-Elemente gerichtet. Gleichzeitig isolieren Spektralfilter das optische Spektrum, um es an das zu detektierende Gas anzupassen und einen Referenzkanal bereitzustellen. Die Differenz zwischen der von der Quelle ausgesandten und der vom Sensor empfangenen IR-Energiemenge spiegelt die Konzentration des Gases wieder. Solche Sensoren nutzen zwei IR-Detektoren: einen für das Referenzsignal, um die Menge der übertragenen Energie zu bestimmen, und ein zweiter, um das spezifische Gas nachzuweisen.

Beispiel-Applikation

Bild 2 zeigt eine beispielhafte Applikation eines Atemgasanalysators mit einem pyroelektrischen Sensor. Mit einer gepulsten IR-Wärmequelle wird IR-Energie durch ein Gasrohr sowie lichtdurchlässige Filter zu zwei pyroelektrischen Sensoren übertragen. Ein Sensor liefert das Referenzkanalsignal mit einer Wellenlänge von 3,9 Mikrometern (µm), und der zweite Sensor erkennt die CO2-Wellenlänge von 4,26 Mikrometern.

Entwurf eines pyroelektrischen Gasdetektionssystems

Beispiel für einen CO2-Gassensor ist der USEQGSEAC82180 von Kemet. Dieser pyroelektrische Dünnfilm-Sensor ist in einem kompakten SMD-Gehäuse integriert und zeichnet sich durch eine extrem niedrige Leistungsaufnahme aus. Er führt Gasmessungen 15-mal schneller durch als ein Thermosäulendetektor. Durch die geringe thermische Masse des piezoelektrischen Sensorelements (PZT) können sie Messungen extrem schnell durchführen und sich nahezu verzögerungsfrei initialisieren. Außerdem haben PZT-basierte Sensoren im Vergleich zu Thermosäulen eine längere Nutzungsdauer. Sie benötigen keine zusätzlichen analogen Schaltkreise und können über die digitale I²C-Schnittstelle bequem und einfach an einen Mikrocontroller angeschlossen werden. Im Kemet-Sensor ist zudem ein programmierbarer ASIC integriert, der ebenfalls über die I²C-Schnittstelle angeschlossen wird. Dieser ermöglicht die vollständige Steuerung sowie Konfiguration der analogen Filter, der Verstärkerleistung und der Analog-Digital-Wandlung.

Der Sensor verfügt zudem über zwei Betriebsmodi: einen normalen Modus mit einer maximalen Abtastrate von 1 Kilohertz und einen Low-Power-Modus mit einer maximalen Abtastrate von 166 Hertz. Im Normalmodus beträgt der typische Stromverbrauch 22 Mikro-Ampere, im Low-Power-Modus sind es lediglich 3,5 Mikro-Ampere. Eine weitere Stromsparfunktion kann den Sensor abschalten und reduziert den durchschnittlichen Stromverbrauch so auf nur noch 1,1 Mikro-Ampere.

Gasdetektoren: So gelingt die genaue Bestimmung der Gaskonzentrationen

Durch die Integration aller wichtigen Komponenten der analogen Signalkette in ein einziges Gehäuse und die Verwendung der I²C-Schnittstelle vereinfacht die Entwicklung eines CO2-Sensors mit geringem Stromverbrauch für den Einsatz in batteriebetriebenen Kapnographen erheblich. Die Sensormesswerte werden in mehreren Registern gespeichert, die über die I²C-Schnittstelle abrufbar sind. Der gesamte Prozess der Messung sowie der Signalaufbereitung wird im Sensor erledigt, ohne die Ressourcen des Host-Mikrocontrollers zu belasten.

Ein komplettes Kapnograph-System umfasst eine gepulste IR-Quelle (in der Regel mit bis zu 40 Hertz gepulst), eine Gaszelle mit einer definierten Weglänge (typischerweise 20 bis 32 Millimeter), einen Referenzsensorkanal sowie einen CO2-Gassensor. Bei der Kalibrierung werden mithilfe bestimmter Algorithmen die spezifischen Verhältnisse zwischen Referenz- und Gaskanal ermittelt, die später zur genauen Bestimmung der Gaskonzentrationen verwendet werden können. Für die Linearisierung und genaue Ermittlung der Gaskonzentration auf Grundlage der in den I²C-Registern gespeicherten Sensorwerte wird das Lambert-Beersche-Gesetz verwendet. Bild 3 zeigt die Rohwerte der I²C-Register, die von einem CO2-Sensor für CO2-Werte von 0 bis 100 Prozent gelesen wurden. Zu sehen ist eine nichtlineare Charakteristik der Kurve. Der Hersteller stellt einen Anwendungshinweis sowie ein Excel-Sheet zur Verfügung, was die Linearisierung des Sensors und die Bestimmung des Gasanteils erleichtert.

Gasdetektoren: Schnell zum Prototypen

Kemet liefert für die Entwicklung eines Gasdetektionssystems auch das passende Evaluierungskit (USEQGSK3000000) – siehe Bild 4. Es enthält ein komplettes Messsystem mit zwei Sensoren, dem Referenzsensor USEQFSEA391180 und dem eigentlichen CO2-Sensor USEQGSEAC82180. Zudem ist der Mikrocontroller STM32F303K8T6 von STMicroelectronics enthalten, eine 3D-gedruckte Gaszellenkammer und eine IR-Sender- und Treiberplatine. Zudem kommt das Kit mit einer Windows-Software, mit der sich die Sensorplattform konfigurieren und Daten erfassen sowie analysieren lassen.

Mark Patrick ist Head of Technical Marketing bei Mouser.
Derick Stevens ist Global Product Manager bei Kemet.

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