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Es
sind Gassensoren bekannt, die gegenüber unterschiedlichen Molekülen empfindlich
sind. Solche Sensoren sind normalerweise nicht gänzlich selektiv, sondern haben
unterschiedliche Selektivitätsmuster.
Es ist bekannt, solche Sensoren zu kombinieren, um Gasmischungen
und Gerüche
bzw. Düfte
zu analysieren. Durch Vergleichen der erhaltenen Reaktionsmuster
mit vorherigen Testergebnissen unter Verwendung eines Computers
können
bemerkenswert genaue Ergebnisse erhalten werden, bei welchen die
Identifikation, die Klassifikation und auch eine Quantifizierung
von Gasmischungen und Düften berücksichtigt
ist.
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Die
Kombination einer Anzahl von Sensoren und einer Mustererkennungsroutine
ist als "elektronische
Nase" bekannt [Sensors
and Sensory Systems for an Electronic Nose, (J. W. Gardner und P.
N. Bartlett, eds.) Nato ASI Series E, vol. 212, Kluwer Academic
Publishers, 1992]. Die elektronischen Nasen haben zahlreiche Anwendungen
innerhalb der Verfahrens- und Nahrungsmittelindustrie, der medizinischen
Diagnose, der Steuerung von Verbrennungsprozessen und bei der Überwachung
der Umwelt, um nur einige zu nennen.
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Moderne
Computer haben die Möglichkeit zum
Verwenden von Mustererkennungsverfahren verbessert, um das Reaktionsmuster
von unterschiedlichen Sensoren auf unterschiedliche Düfte zu identifizieren.
Viele unterschiedliche Sensoren sind verfügbar, und in vielen Fällen kann
es sein, dass Anzahl von Aufbauten getestet werden muss und sie
sogar kombiniert werden müssen,
um am Ende eine richtige Analyse zu liefern. Dies insbesondere deshalb,
da es nicht nur wünschenswert
ist, zu wissen, welche Moleküle
in der Mischung vorhanden sind, sondern es in vielen Fällen auch
wichtig ist, ihre tatsächlichen
Konzentrationen zu kennen. Dieses macht Probleme, da es sein kann,
dass die Sensoren somit sehr geringe Mengen an Material oder sehr große Mengen
von demselben detektieren müssen. Zu
empfindliche Sensoren werden nicht zum richtigen Anzeigen von großen Mengen
fähig sein,
und zu unempfindliche Sensoren werden überhaupt keine Anzeige von
niedrigeren Konzentrationen ergeben. Zum Erhalten einer vielseitigen
elektronischen Nase sind Sensoren mit unterschiedlichen Selektivitäten und
Empfindlichkeiten nötig.
Weiterhin wird die Auswahl der Sensoren von der bestimmten Anwendung abhängen. Als
Ergebnis der obigen Schwierigkeiten sind die elektronischen Nasen
von heute nicht sehr vielseitig und können in einigen Fällen eine
sehr große
Anzahl von Sensoren und Datenleistung erfordern, was sie sehr teuer
und langsam macht.
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Aus
CH 665 908 ist es bekannt,
Gasmischungen mittels eines Gassensors zu analysieren, die dann,
wenn sie durch reduzierende oder oxidierende Gase beeinflusst werden,
ihre elektrischen Eigenschaften ändern.
Der Gassensor weist mehrere Sensorelemente auf, und für jedes
Sensorelement wird ein Material oder eine Temperatur zu seinem Einstellen
für eine
andere Gaskomponente ausgewählt,
so dass eine gute Selektivität
zwischen den separaten Sensorelementen erhalten wird. Das Sensorelement
weist den Katalysator auf.
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Ein
weiteres Problem, auf das getroffen wird, ist der Mangel an Selektivität, das heißt viele
Sensoren reagieren auf viele Gase nahezu identisch, was es schwierig
macht, sie auseinanderzuhalten, und was zusätzliche Sensoren nötig macht,
etc.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Erweitern der Analyseleistung
von chemischen Sensoranordnungen mit einer genaueren sowie vielseitigeren
Vorrichtung für
die Überwachung von
Gasmischungen und Düften.
Gemäß der Erfindung
wird dies durch Verwenden eines neuen Erfassungsprinzips basierend
auf einer geometrischen Verteilung von Sensoren und Katalysatoren
erreicht. Dieser Aufbau er gibt eine Anzahl von Möglichkeiten für die Verbesserung
und Steuerung des Signalmusters von einer Sensoranordnung für eine gegebene Gasmischung.
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Das
Gas oder die Gasmischung, das oder die zu analysieren ist, wird
dazu gebracht, gleichzeitig mit einer Detektion durch Sensoren einen
Katalysator zu durchlaufen. Viele der Gaskomponenten, für die es
erwünscht
ist, dass sie überwacht
werden, reagieren beim Vorhandensein eines Katalysators auf die
eine oder die andere Weise. Dies bedeutet, dass sich das Gas, das über den
Katalysator läuft,
bezüglich
seiner Anteile unterschiedlicher Molekülen ändern wird. Dies kann wiederum
detektiert werden, da Sensoren, die entlang dem Katalysator platziert
sind, unterschiedliche Auslesungen ergeben werden. Da unterschiedliche
Moleküle
beim Vorhandensein eines spezifischen Katalysators auf unterschiedliche Weisen
reagieren, wird ein erkennbares Muster, das für die Mischung spezifisch ist,
in der Gasflussrichtung entlang dem Katalysator erhalten werden.
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Gemäß der Erfindung
bilden Katalysatoren und Sensoren den Oberteil und den Boden in
einer Gasanalysierdurchflussküvette
unter der Voraussetzung, dass die Höhe nicht so groß ist, da
die Änderung
bezüglich
der Zusammensetzung aufgrund von chemischen Reaktionen bei dem Katalysator
auch die Sensoren beeinflussen müssen,
um das erkennbare Muster zu liefern. Eine solche Messküvette kann mit
einem variierenden Aufbau von Katalysatoren oder katalytischen Oberflächen versehen
sein, und tatsächlich
können
mehrere unterschiedliche katalytische Materialien, wie beispielsweise
Bänder
in der Küvette,
verwendet werden, und können
auch unterschiedliche Sensoren verwendet werden. Eine Änderung
des Aufbaus kann jedoch auch auf andere interessante Arten erhalten
werden. Um damit zu beginnen, kann die Dicke der Schichten von katalytischen Materialien
entlang dem Strömungspfad
variabel sein. Ebenso kann die Temperatur der Sensoren und/oder
der katalytischen Materialien entlang dem Strömungspfad oder quer zum Strömungspfad
variabel sein, um geeignete erkennbare Muster zu liefern. Die Größe der katalytischen
Bereiche und die Temperatur von diesen beeinflussen die Konzentration/Änderung
der Gaskomponenten und die Temperatur der Sensoren beeinflusst die
Empfindlichkeit der Sensoren. Geeignete katalytische Materialien sind
Platin, Palladium, Iridium sowie andere organische oder anorganische
Materialien, einschließlich halbleitender
Materialien.
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Das
Vorhandensein eines Katalysators kann gleichzeitig Gaskomponenten,
die mit den verwendeten Sensoren nicht messbar sind, in Komponenten ändern, die
durch die Sensoren gemessen oder erfasst werden können, und
gleichzeitig können
andere Komponenten, die erfasst werden können, in Komponenten geändert werden,
die durch die verwendeten Sensoren nicht erfasst werden.
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Einer
der Hauptvorteile der Erfindung besteht darin, dass die Sensorzellen
auf einfache Weise zwischen einer Anzahl von unterschiedlichen Selektivitätsmustern
umgeschaltet werden können.
Es gibt die Möglichkeit
zum Verwenden eines modularen Systems mit ein- oder zweidimensionalen
Sensormatrizen oder -feldern und einer katalytischen Oberfläche oder
sogar einem Feld oder einer Matrix von Katalysatoren mit Bereichen
von unterschiedlichen katalytischen Materialien, die kombiniert
werden können,
um eine Vorrichtung mit einer großen Anzahl unterschiedlicher
Selektivitätsmustern
zu ergeben. Der Oberteil und der Boden in einer Analysierdurchflussküvette können kombiniert
werden, um die erwünschte
Selektivität
und Empfindlichkeit zur Verfügung
zu stellen, was die Anzahl von Sensorfeldern effizient reduziert,
die in einem Lager gehalten werden müssen. Da der Katalysatorteil
(beispielsweise das oberste Ende) keine oder nur wenige (Temperatursteuerung)
elektrische Verbindungen benötigt, kann
ein Austausch auf einfache mechanische Weisen ausgeführt werden.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
offensichtlich, die in Zusammenhang mit beigefügten Zeichnungen beschrieben sind,
wobei in 1 und in 2 gezeigt
ist, was dann passiert, wenn ein Gas durch eine katalytische Oberfläche läuft, 3a und b eine Gaserfassungsküvette und
ein Beispiel von möglichen
Sensorsignalen zeigen, 4 ein oberstes Ende und ein
unterstes Ende einer Küvette
mit Katalysator- und Sensormustern zeigt, 5 einen
Katalysator und Sensoren auf einem gemeinsamen Substrat zeigt, und 6a und c die Signalantwort von einer Vorrichtung zeigen,
wie sie in 6b gezeigt ist.
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Die
Erfindung basiert somit auf der Tatsache, dass katalytische Materialien
(nicht nur Metalle, sondern auch Halbleiter, Isolatoren, organische
Materialien, Zeolithen etc.) durch Reaktionen an der Oberfläche des
Materials Moleküle
effizient verbrauchen und neue Moleküle herstellen, wie es schematisch
in 1 gezeigt ist. Dies bedeutet, dass dann, wenn ein
Gasstrom über
eine katalytische Oberfläche
läuft, die
Kon zentrationen von Gaskomponenten A und B reduziert werden, während die
Konzentrationen der Reaktionsprodukte AB, nämlich X und Y, größer werden
(2). Dieser Effekt wird bei der Erfindung zum Analysieren
einer Gasmischung verwendet, da die unterschiedlichen Teile der
Mischung entlang der Oberfläche
mit unterschiedlichen Raten aufgebracht werden/reagieren. Dies ist
in 3 mit zwei Komponenten U, W gezeigt, die dann,
wenn sie beim Vorhandensein der katalytischen Oberfläche reagieren, die
jeweiligen Produkte S und P ergeben (in 3 sind nur
U und W gezeigt). Durch Anordnen der katalytischen Oberfläche beispielsweise
am obersten Ende der Durchflussküvette
und durch Platzieren von chemischen Sensoren entlang dem untersten
Ende der Durchflussküvette,
die für
U, W, P und/oder S empfindlich sind, kann das Reaktionsmuster gemessen
werden, und damit kann die Zusammensetzung der Gasmischung analysiert
werden. Diese Möglichkeit
ist in 3 schematisch gezeigt. Kompliziertere Muster werden
erhalten, wenn auch S und P detektiert werden können.
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Die
Durchflussküvette
in der Vorrichtung in 3 sollte so dünn sein,
dass der Verbrauch/das Bilden von Molekülen bei der katalytischen Oberfläche auch
an der anderen Wand der Durchflussküvette (derjenigen mit den chemischen
Sensoren) beobachtet wird. Der Abstand wird beispielsweise durch Durchflussraten
und das Reaktionsvermögen
der katalytischen Oberfläche
und die verfügbaren
Druckdifferenzen zwischen Ein- und Auslass der Durchflussküvette bestimmt
bzw. geregelt. Dieser Abstand kann jedoch innerhalb weiter Grenzen
variabel sein, ist aus praktischen Gründen jedoch zwischen 0,001
und 10 mm. Die Länge
der Durchflussküvette
wird teilweise durch das Reaktionsvermögen der katalytischen Oberfläche und
die Anzahl von chemischen Sensoren, die entlang dem Kanal platziert
sind (und den Typ von diesen) bestimmt. Längen zwischen 1–100 mm
sind daher wahrscheinlich. Über
die Breite der Durchflussküvette
wird im Wesentlichen durch die Sensortechnologie entschieden, die
verwendet wird, und den gesamten Gasfluss, der unterzubringen ist. Die
Breite ist jedoch nicht der kritische Parameter und kann daher innerhalb
weiter Grenzen variiert werden. In 3a sind
vier Sensorreihen gezeigt, wobei jede Reihe aus Sensoren mit denselben
oder unterschiedlichen Selektivitätsmustern in Bezug auf unterschiedliche
Typen von Gasen oder Molekülen bestehen
kann.
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Wenn
es erwünscht
ist, kann die Zelle auch Wände
aufweisen, die den Fluss über
unterschiedliche Bereiche von Sensoren trennen, und zwar übereinstimmend
mit den Bändern
von katalytischen Materialien oder mehr oder weniger quer zu diesen.
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Eines
der einzigartigen Merkmale der Erfindung besteht in den erhöhten Kombinationsmöglichkeiten,
die erreicht werden, wenn die Vorrichtung gemäß 3 verwendet
wird. Die katalytische Aktivität hängt von
einer Auswahl von katalytischem Material und seiner Temperatur ab.
Oberflächen
mit "Mustern" eines Verbrauchs
und einer Erzeugung von Molekülen
können
daher hergestellt werden. Ebenso haben viele chemische Sensoren
(beispielsweise basierend auf halbleitenden Metalloxiden, Feldeffekttransistoren,
etc.) eine temperaturabhängige
Empfindlichkeit und Selektivität.
Durch Variieren der Temperatur entlang der Sensormatrizen und/oder
der katalytischen Oberfläche
kann daher eine Anzahl von unterschiedlichen Reaktionsmustern mit
gegebenen katalytischen Oberflächen
und Sensormatrizen erhalten werden.
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3b zeigt ein Beispiel, bei welchem ein Temperaturgradient
(T1 < T2) entlang
der Sensormatrix und der katalytischen Oberfläche existiert und wobei der
Verbrauch von U und W an der katalytischen Oberfläche mit
der Temperatur erhöht
wird und wobei sich die Empfindlichkeit der Sensoren für U und
W auch mit der Temperatur erhöht.
In diesem Fall werden Maxima der Reaktion auf U und W entlang der
Sensormatrix erhalten. Die Positionen der Maxima sind für U und
W im Allgemeinen unterschiedlich. Eine interessante Beobachtung
besteht darin, dass die Sensoren bei dem Beispiel in 3b für
U und W völlig
unselektiv sein können.
Der katalytische Verbrauch der Moleküle wird jedoch eine Selektivität zur Verfügung stellen.
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Es
ist offensichtlich, dass die Vorrichtung in 3 eine bemerkenswerte
analytische Fähigkeit beispielsweise
durch Bilden von Bändern
von katalytischen Materialien mit unterschiedlicher Selektivität/Aktivität für unterschiedliche
Klassen von Molekülen
und durch Bilden von Bereichen oder Reihen von chemischen Sensoren
mit unterschiedlichen Selektivitätsmustern
für unterschiedliche
Klassen von Molekülen
ergeben kann. 4 stellt diese Möglichkeiten schematisch
dar. Die Sensoren können
beispielsweise Feldeffekttransistoren mit einer dünnen Platinschicht,
einer dicken Palladiumschicht und einer dünnen Iridiumschicht sein. Mischungen
von Sensortechnologien können
auch verwendet werden, wie beispielsweise zwei Reihen mit Feldeffekttransistoren
und eine mit halbleitendem Metalloxid (so genannte Taguchi-Sensoren). Die Bereiche
von den Sensoren und den katalytischen Bändern müssen nicht überlappend sein, sondern können getrennt sein. 4 zeigt,
dass wir auch unterschiedliche Temperaturgradienten entlang der
Sensorbereiche und der katalytischen Oberfläche berücksichtigen können. Weitere
Optionen in Bezug auf die Tem peratur bestehen darin, die Gradienten
nicht entlang der Bereiche oder der Bänder zu haben, sondern unter einem
optionalen Winkel in Bezug zu diesen.
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Die
Erfindung bildet eine starke Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik,
da sie die Verwendung von Sensoren zulässt, die nicht selbst einen
Unterschied zwischen unterschiedlichen Molekülen finden können, sondern
dies zusammen mit der Anordnung eines Katalysators können. Um
zu beginnen, werden Moleküle,
die beim Vorhanden des Katalysators nicht reagieren oder reagieren,
sofort auseinander gezogen werden. Jedoch sogar Moleküle, die
bei derselben katalytischen Oberfläche reagieren, werden sich
möglicherweise
unterscheiden, da das Maximum der Reaktion (des Signals) bei unterschiedlichen
Stellen in der Küvette
gefunden werden wird, da sie in der Küvette mit unterschiedlichen
Raten bzw. Geschwindigkeiten reagieren werden.
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Die
Erfindung bildet auch einen großen Schritt
nach vorn in Bezug auf Sensorelemente für elektronische Nasen, da sowohl
die katalytischen Oberflächen
als auch die Sensorbereiche standardisiert werden können und
nur kombiniert werden müssen,
um das schließliche
Selektivitätsmuster
zur Verfügung
zu stellen. Bei einer elektronischen Nase ist es erforderlich, dass
die Sensoren Signale liefern, von welchen die Muster mit dem Gemisch
aus der Mischung von Gasen (Düften)
variieren. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist hier sehr nützlich.
Die Vorrichtung kann auf unterschiedliche Arten aufgebaut sein.
Die Sensorbereiche können
unter irgendeinem Winkel in Bezug auf die katalytischen Bereiche
angeordnet sein, was die Anzahl von möglichen Selektivitätsmustern
weiter erhöht.
Sensoren mit unterschiedlicher Selektivität müssen nicht in Reihen angeordnet sein,
sondern können
in irgendeinem zweidimensionalen Muster angeordnet sein. Dies gilt
auch für
die katalytische Oberfläche.
Sensor- und/oder katalytische Bereiche können auf demselben Substrat
oder auf separaten Substraten gebildet sein.
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Katalytische
Metalle, wie beispielsweise Palladium, Iridium, Platin, Ruthenium
und Legierungen von ihnen wandeln organische Moleküle mit einer Rate
um, die durch die Auswahl von Metall und Temperatur geregelt ist.
Sensoren existieren auch für
die Mehrheit von organischen Molekülen, wie beispielsweise Feldeffekttransistoren
mit Gates, die aus katalytischen Metallen hergestellt sind, oder
Sensoren, die auf halbleitenden Metalloxiden (SnO2, TiO2) basieren.
Solche Sensoren können
klein und mit Einfachheit in Reihen hergestellt werden. Es gibt
somit auch die Möglichkeit
zum Herstellen einer Anzahl von Sensorreihen auf jedem Substrat.
Dies kann entweder zum Erhöhen
der Anzahl von Selektivitätsmustern
(unterschiedliche Sensoren in zwei oder mehreren Reihen) oder zum
Erhalten einer Vorrichtung mit Redundanz (Sensoren derselben Art
in mehr als einer Reihe) verwendet werden, und daher für eine bessere
Genauigkeit und eine langzeitige Stabilität.
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Es
sollte aufgezeigt werden, dass auch andere als die oben beschriebenen
Anordnungen möglich
sind. Es gibt nichts, was verhindert, dass katalytische Materialien,
wie beispielsweise in der Form eines Rohrs oder einer Helix (in
einer zylindrischen Durchflussküvette),
die Sensoranordnung umgibt.
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In 5 ist
ein einfaches Beispiel gezeigt, das das Verfahren der Erfindung
zeigt. Es soll angenommen sein, dass wir zwei Substanzen a und b
in dem Gasgemisch haben, die an der katalytischen Oberfläche mit
einem Temperaturgradienten "verbraucht" werden. Dies wird
in einer Reduktion der Anzahl von Molekülen entlang der Oberfläche des
Katalysators in Abhängigkeit
von den Eigenschaften der Moleküle
resultieren. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Moleküle werden
unterschiedliche Konzentrationsprofile entlang der katalytischen
Oberfläche
zur Verfügung
stellen. Eine Anzahl von Sensoren ist entlang der Bodenfläche vorgesehen,
und die Signale von diesen werden durch die Konzentrationen der
Moleküle
und die Temperatur der Sensoren geregelt. Dies bedeutet, dass in
dem Signalmuster, das von den unterschiedlichen Sensoren erhalten
wird, die in 5c gezeigt sind, und
das den Kurven entspricht, die in 5a gezeigt
sind, wie es berechnet ist, Moleküle unterschiedliche Maxima
liefern werden, die zum Erkennen der vorhandenen unterschiedlichen
Moleküle
verwendet werden können, was
veranlasst, dass sonst nicht selektive Sensoren selektiv werden.
Natürlich
können
auf diese Weise mehr als zwei Komponenten auseinander gezogen werden.
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Die
verwendeten diskreten Sensoren können
in einem geeigneten Muster angeordnet sein, wie beispielsweise in
Streifen bzw. Bändern.
Gleichzeitig können
ein oder mehrere Katalysatoren in einem geeigneten Muster gegenüber den
Sensoren angeordnet sein, und zwar in einem Deckel oder einem Dach
der Sensorzelle. Dieses Muster kann Streifen bzw. Bänder von
unterschiedlichen Katalysatoren enthalten, die dieselben wie diejenigen
sein können,
die die diskreten Sensoren umgeben, oder unterschiedlich von diesen,
oder in einer anderen Reihenfolge. Das Muster kann auch Streifen
enthalten, die in einer anderen Richtung als die Sensoren abgewinkelt
sind, oder Katalysatorstreifen auf demselben Substrat wie die Sensoren.
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Der
erfundene Weg zum Gewinnen einer Selektivität kann in Kombination mit bekannten
Sensoren verwendet werden und kann tatsächlich dazu verwendet werden,
bereits hergestellte Vorrichtungen zu verbessern.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine einfache Adaption an neue Düfte
durch Ändern
der katalytischen Oberfläche,
der Sensoranordnung, der Temperatur und der Temperaturgradienten
entlang der katalytischen Oberfläche
und der Sensoranordnung.
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Die
Detektion gemäß der Erfindung
muss während
einer Erfassung nicht statisch sein, sondern kann stattdessen variiert
werden, und zwar vorzugsweise periodisch während der Erfassungsprozedur. Dies
wird sehr einfach durch Drehen des Oberteils des Katalysators in
einer Erfassungsküvette
erreicht. Ebenso kann die Temperatur oder können die Temperaturen der Katalysatoren
und der Sensoren variieren.
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Die
Erfindung stellt eine Erhöhung
bezüglich verfügbarer Selektivitätsmuster
zur Verfügung,
und der Computer kann seine eigene Beurteilung verwenden, um den
besten Aufbau der Detektion der verschiedenen Komponenten herauszupicken.