Konzept für die applikationsspezifische Entwicklung von Gaschromatographen mit Halbleitergassensor (MOS)-Detektor

Abstract

Um die Zustände von Produkten und Prozessen in der Industrie automatisiert überwachen zu können, werden kostengünstige analytische Systeme benötigt, die anspruchsvolle, aber immer gleiche Messaufgaben erfüllen müssen. Applikationsspezifische, Gaschromatographie- (GC-) gekoppelte Sensorsysteme können niedrige Kosten durch eine reduzierte Komplexität im Vergleich zur konventionellen GC mit einer gleichzeitig zufriedenstellenden Erfüllung der Messanforderungen im Vergleich zu günstigen Prozesssensoren kombinieren. Um die Entwicklungskosten dabei gering zu halten, muss die applikationsspezifische Entwicklung systematisiert werden. In dieser Arbeit wurde daher ein vierschrittiges Konzept bestehend aus einer vorgeschalteten Laboranalyse, einem Werkzeugkasten für GC-Elemente, einer Testplattform und dem Aufbau von Demonstratoren entworfen. Der erste Schritt beinhaltet eine effiziente Beschreibung der Messaufgabe mit Hilfe einer zielgerichteten Laboranalytik. Im zweiten Schritt, dem Werkzeugkasten, wurden die für ein GC-Sensorsystem notwendigen Bauteile und Algorithmen entwickelt und zusammengestellt. Im dritten und vierten Schritt wurde eine variable Testplattform zum Aufbau und zur Validierung von GC-Sensorsystemen für Messanforderungen aller Art entworfen und mit dem Aufbau zweier Demonstratoren erfolgreich getestet. Die dadurch geprüfte generelle Machbarkeit ermöglicht zukünftig eine schnellere und günstigere Entwicklung von applikationsspezifischen GC-Sensorsystemen.

For an automatic monitoring of processes and products in industry, cheap analytical systems are necessary, which fulfill demanding but regular measurement tasks. Application-specific sensor systems coupled with gas chromatography (GC) can combine low costs together with sufficient measurement reliability. Low costs can be achieved due to a reduced complexity compared to conventional GCs; a sufficient measurement reliability ca be achieved due to chromatographic separation of analytes in contrast to common process sensors. However, to keep development costs low, application specific setups of such systems must be systematized. Therefore, a four-step-concept, consisting of a laboratory analysis, a GC-toolbox, a test platform and the setup of demonstrators, is designed within this work. The first step involves an efficient description of the measurement task by using a targeted laboratory analysis. In the second step, a toolbox is filled with relevant components of a GC. In addition, an algorithm for peak detection is developed and a guideline for further requirements is designed. In the third and fourth step, a variable test-platform for the validation of GC-sensor systems is set up and tested with the construction of two demonstrators for two different applications. Finally, this proofs general feasibility to save time and costs during the development of new application-specific GC-sensor systems in future.