Algorithmen zur verbesserten Messung von Wasserverschmutzungen

Mit drei neuartigen Algorithmen sollen die bei CHEMFET-Sensoren auftretenden Signalverarbeitungsstörungen behoben werden.

Chemische Feldeffekttransistor-Sensoren (CHEMFET) weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen chemischen Sensoren auf. Sie haben geringe Abmaße, sind einfach und preiswert herzustellen und benötigen nur eine niedrige Stromversorgung sowie wenig Zusatzelektronik. Bei der Entwicklung eines neuartigen Prototyps zur Überwachung der Wasserverschmutzung auf Basis von CHEMFET-Sensoren, nutzte das Konsortium des SEWING-Projekts diese Vorzüge.

Dabei musste das Konsortium das Problem der Signalverarbeitung, einer der Nachteile von CHEMFET-Sensoren, lösen. Die Sensoren sind extrem empfindlich gegenüber der Interferenz mit anderen Ionenarten, und auf die Bereinigung des Signals von dieser Störung muss große Sorgfalt verwendet werden. Außerdem ist das Signal nichtlinear und wird stark von der Umgebungstemperatur beeinflusst.

Das SEWING-Konsortium brachte daher Experten für die Signalverarbeitung aus verschiedenen Ländern zusammen, um diese Probleme zu überwinden. Ein mehrstufiger Messzyklus wurde eingeführt, der verschiedene Methoden zur Verbesserung des Verhältnisses von Signal zu Störung beinhaltete. Dazu gehörte die Einspritzung der Hauptstörfaktoren wie Ionenstärkeregler und Kalium in die Proben in verschiedenen Stufen.

Ein Optimierungsalgorithmus wurde entwickelt, um die Ionenkonzentrationen verschiedener CHEMFET-Sensoren präzise zu messen. Zur weiteren Reduzierung der Messunsicherheit können überzählige Sensoren verwendet werden. In einem weiteren Ansatz wurde ein Inversalgorithmus für eine Zeitreihe von Messungen genutzt. Die dritte und letzte Variante zur Verbesserung des Verhältnisses von Signal zu Störung kam aus der parallel laufenden Forschung zur Aufhebung von Mehrfachinterferenzen.

Die Signalverarbeitungssoftware wurde erfolgreich in die Arbeitssoftware des Prototypen integriert. Auf diese Weise konnten die genauen Schadstoffionenkonzentrationen quasi in Echtzeit dargestellt werden, wodurch beim Prototyp eine Frühwarnfunktion realisiert wurde. Weiterhin ist die Signalverarbeitung auch offline möglich.