Diplom- und Abschlussarbeiten (2024/25)
Transientenbetrieb von Zinnoxid-Gassensoren zur selektiven Wasserstoffdetektion
Projektleiter
Robin Luger
Robin Luger übernahm in der Diplomarbeit die Rolle des Teamleiters und übernahm die organisatorischen Aufgaben. Dazu gehörten die Koordination innerhalb des Teams sowie die Kommunikation mit dem schulinternen Betreuer und den externen Betreuern, der Montanuniversität Leoben.
Mitarbeiter
Moosbrugger Nils
Im Rahmen der Diplomarbeit ist Nils Moosbrugger Teil des Projektteams Hydroguard. Sein Aufgabenbereich umfasst die theoretische Ausarbeitung sowie die Durchführung und Auswertung der Messungen.
Zielsetzung
Das Ziel unseres Projekts ist die Entwicklung Sensor-Gesamtsystems zur frühzeitigen Detektion von Leckagen in Brenngasleitungen. Ein modifizierter Arduino-kompatibler Sensor auf Zinnoxid-Basis soll dafür einem thermischen Transienten ausgesetzt werden. Dadurch soll Wasserstoff von anderen reduzierenden Gasen unterscheiden werden. Dieser Ansatz ist besonders innovativ, da ein bisher für Summenparameter eingesetzter günstiger Sensor für die Unterscheidung von unterschiedlichen Gasen in seiner Funktion enorm erweitert wird. Insbesondere durch die nachhaltige Transformation von energieintensiven Prozessen auf Wasserstoffbetrieb, wird die selektive Detektion von Wasserstoff zukünftig eine besondere sicherheitstechnische Relevanz bekommen.
Problemstellung
Aktuell wird Wasserstoff üblicherweise mittels Wärmeleitfähigkeitsdetektion gemessen, unsere Aufgabe ist es, mithilfe eines Zinnoxid-Gassensor Wasserstoff von anderen reduzierenden Gasen zu unterscheiden. Daher könnte dieser Detektor eine gute und kosteneffiziente Alternative zu bestehenden Wärmeleitfähigkeitsdetektion sein.
Ergebnisse
Die durchgeführten Untersuchungen zum thermischen Transientenbetrieb von Zinnoxid-Gassensoren haben gezeigt, dass durch die Variation der Sensortemperatur, im Gegensatz zum konventionellen isothermen Betrieb, wertvolle Zusatzinformationen erhalten werden können. Es konnte festgestellt werden, dass die dynamischen Widerstandsänderungen in den Thermogrammen charakteristische Merkmale aufweisen, was möglicherweise eine Differenzierung einzelner Analyten ermöglicht. Diese Erkenntnisse liefern starke Indizien für die Erfüllung der aufgestellten Arbeitshypothese, dass durch den transienten Betrieb eines Zinnoxid-Sensors eine selektive Detektion von Wasserstoff in Mischgasatmosphären möglich ist. Die Messdaten zeigen eine klare Korrelation zwischen der Gaskonzentration und des Sensorwiderstands. Dies lässt eine Quantifizierung der Gase zu. Wichtig anzumerken ist, dass die Sensorempfindlichkeit und Selektivität nicht nur von der Gaskonzentration, sondern auch von der Sensortemperatur abhängt.
Prototype
Zu sehen ist die selbst entwickelte Platine, über die der Sensor (rechte Seite des Bilds) betrieben wird. Zu Beginn wurde der Sensor durch ein Breadboard betrieben, aber aufgrund der Fehleranfälligkeit durch eine Platine ausgetauscht.
Technologien
Messapparatur HydroGuard
Das Bild zeigt die entwickelte Messapparatur für die Durchführung von Gasmessungen im Rahmen unserer Diplomarbeit. Im Inneren der Box befinden sich ein Becherglas sowie der verwendete MQ8-Gassensor, der zur Detektion von Wasserstoff und anderen reduzierenden Gasen verwendet wird. Über eine fest verbundene Spritze, die am Deckel der Box angebracht ist, können gezielt Gase oder Flüssigkeiten in das System eingebracht werden, ohne die Messumgebung zu öffnen. Die Messbox ist über ein Kabel mit einer selbst entwickelten Platine verbunden, auf der sich unter anderem ein Arduino Nano befindet. Diese Platine steuert den Sensor und erfasst die Messdaten. Das System wird über USB und eine zusätzliche Stromversorgung betrieben.