GAS-O-CHROM Übersicht Verbundprojekt

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2 GAS-O-CHROM Übersicht Gasochrome Sensoren Optische Gassensoren für den Einsatz in Brandmeldern zur Brandgasfrüherkennung Motivation Konsortium und Projektstruktur Arbeitsinhalte Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

3 GAS-O-CHROM Motivation Brandtote vor und nach Einführung der Rauchwarnmelderpflicht in den einzelnen Bundesländern Brandmelder bieten eine deutliche Verbesserung der Sicherheit für Personen und Sachwerte Alarm durch kommerzielle Rauchmelder in vielen Fällen unsicher oder zu spät Quelle: Sulzburger Studie zur Einführungspflicht von Rauchwarnmeldern Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

5 GAS-O-CHROM Gassensorik zur frühen Branderkennung GAS-O-CHROM Herkömmliche Rauchmelder Detektion brandtypischer Gase erlaubt deutlich schnellere Branderkennung Deutliche Reduktion der brandbedingten Schäden möglich Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

6 GAS-O-CHROM Gassensorik zur frühen Branderkennung Kohlenmonoxid als geeigneter Indikator zur Erkennung typischer Brandentstehungs- Situationen ZVEI - Forschungsprojekt Frühe Brandphase 2015 Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

7 Welche Vorteile bietet gassensorbasierte Branddetektion? Partikel/ Aerosole Fehlalarme Brandleitgase (CO, NOx, CO2, H2O, NH3) Korrelation mit Norm-Bränden Empfindlichkeit Z u v e r l ä s s i g k e i t M i n i a t u r i s i e r u n g Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

8 Anwendungsmöglichkeiten gasochromer Sensoren Energy, Komfort, Gesundheit und Sicherheit Atemdiagnose Branderkennung Luftgüte gas c (ppm) CO ppm CO 30 ppm Pentanal ~ 5-10 ppb HC-Mix ~ 500 ppm Ethanol 0, ppm Ethylacetate 0, ppm... ppb - ppm gas c (ppm) CO2 3-4% Ethanol Acetone NO CO VOC ~ xx ppb ~ x ppb gas concentration CO ppm NO ppm CO 10 70ppm H 2 O 2 40 % rel. H ppm Methanol < 10 ppm Formic Acid < 5 ppm Methane < 10 ppm Formaldehyde < 10 ppm Ethylene < 10 ppm Acrolein < 10 ppm Robuste Messung erforderlich Markt fordert low-cost Lösungen Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

9 Detektion eines Brandereignisses: Vom Brand zum Alarm EVENT SENSOR ALARM data analysis Die Signalkette muss vollständig interdisziplinär betrachtet werden Minimierung von Fehlalarmen Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

10 Low-cost Gassensoren Stand der Technik, MEMS basierte Entwicklungen State of the Art Industrial (CO2,smell) State of the Art Consumer (VOC, smell) MEMS Approach Si based sensor chip Micronas 2014 ESEE/CT Sensor package: Semiautomatic mounting 12V 0.1-1W CW Room air monitor: discrete electronics MEMS platform Special process for gas sensing layer 3.3V 10mW Pulsed 5 2cm AppliedSensor 2014 Heterogenous integration AMS/AppliedSensor + Low cost Microcontroller Target: <1mW < 1 Sensirion Bosch > 2015 Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

11 Low-cost Gassensoren gasochrome Sensoren vs. Stand der Technik Messeffekt: Farbänderung einer Substanz bei Kontakt mit dem Zielgas Metalloxid-Sensoren Kolorimetrische Gassensoren Energiebedarf Beheizt, mW Keine Heizung, <<10mW Sensitive Eigenschaften Unselektiv, breitbandig Herstellung Si-MEMS+Spezialprozesse Druckbar Selektive Detektion möglich Kolorimetrische Gassensoren bieten besonders für die Branddetektion deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik Quelle: Fraunhofer IPM Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

12 Kostengünstige Gassensoren für die Branddetektion Das Colorimetrische Sensorprinzip Gute Selektivität auf die Zielgase Preiswerte Fertigungsverfahren Kleiner und einfacher Sensoraufbau Sehr geringe Leistungsaufnahme möglich Gut geeignet für drahtlose Systeme Beispiele für Anwendungsfelder: Branddetektion Prozess Monitoring Environmental Monitoring State-of-the-art: Dräger Tubes Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

14 Colorimetrische Gas-Sensoren Rhodium Komplexe für den Nachweis von Kohlenmonoxid UV/VIS Transmission verändert sich bei Beaufschlagung mit Kohlenmonoxid Farbänderung von Lila nach Gelb Quelle: Fraunhofer IPM Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

19 GAS-O-CHROM Konsortium und Projektstruktur Gasochrome Sensoren Optische Gassensoren für den Einsatz in Brandmeldern zur Brandgasfrüherkennung (Bekanntmachung Zivile Sicherheit Innovative Rettungs- und Sicherheitssysteme ) Laufzeit: 36 Monate Partner Siemens AG MAZeT HTCO GmbH Thieme Fraunhofer IPM Fraunhofer EMI Hekatron (assoziiert) VdS (assoziiert) Feuerwehr Freiburg (assoziiert) Perthes-Heim Bonn (assoziiert) Hauptkompetenzen in GAS-O-CHROM Systemhaus Gebäudetechnik, F&E Gassensorik Farb- und Spektralsensorik, embedded Systeme numerische Simulation und Modellierung Drucktechnik, Schichttechnologie F&E Gassensorik, Materialien Simulation und Modellierung Produktanbieter Brandmeldeanlagen, Rauchmelder Sachverständigenorganisation Brandschutz Brandbekämpfungs, Rettungsszenarien Anwender, Mustergebäude Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

20 GAS-O-CHROM Verwertungskette im Verbund Wertschöpfungskette Wissenschaftliche und technische Grundlagen Basistechnologie Materialien, Herstellungsprozesse System- Entwicklung, Hard- und Software Gesamtsystem Verwertung EMI, HTCO, IPM IPM, Thieme, MAZeT Siemens, MAZeT, Hekatron Hekatron, Siemens, MAZeT VdS, Feuerwehr Freiburg, Pertesheim VdS, Feuerwehr Freibrg, Pertesheim Lückenlose Abdeckung aller Bereiche von Erforschung wissenschaftlicher Grundlagen bis zur wirtschaftlichen Verwertung mit Marktzugang Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

21 GAS-O-CHROM Arbeitspakete und Struktur AP1 Modellierung EMI, HTCO, Hekatron, VdS AP2 Entwicklung Sensormodul IPM, MAZeT, Thieme, Siemens PM 1-36 AP3 Sensornetzwerk PM 1-26 PM 4-18 Siemens, Hekatron, MAZeT AP5 Projektmanagement Siemens AP4 Evaluierung und Demonstration Hekatron, Siemens, Feuerwehr Freiburg, VdS PM PM 1-36 Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

22 GAS-O-CHROM Arbeitspakete und Inhalte AP 1: Modellierung und Analyse der Brandgasentstehung und Ausbreitung sowie begleitende Validierung Ziel: Verständnis der Brandgasentstehung und Ausbreitung in Gebäuden als Grundlage für die schnelle Branderkennung und Bekämpfung - Auswahl der zu untersuchenden Szenarien - Modellierung, Simulation und Analyse der Referenz-Szenarien - Messwertgestützte Optimierung und Validierung der Modelle - Modellierung eines Mustergebäudes (Pflegeheim) und Simulation eines repräsentativen Szenarios als Vergleichsbasis für CFD-Simulationen HTCO EMI Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

23 GAS-O-CHROM Arbeitspakete und Inhalte AP 2: Entwicklung eines gasochromen Sensormoduls Ziel: Entwicklung eines gasochromen Sensors für die Integration in ein drahtloses Brandgas- Sensorsystem - Konzeptentwicklung Sensormodul (MAZeT, IPM, Siemens) - Auswahl und Optimierung gasochromer Materialien (IPM) - Prozessierung gasochromer Materialien für die Integration in den Transducer (Thieme, IPM) - Entwicklung und Herstellung des gasochromen Sensormoduls (MAZeT) - Elektrische und optische Charakterisierung der Sensormodule (MAZeT, IPM) - Laborcharakterisierung der gassensitiven Eigenschaften, - Konzepte zur Kalibration der Sensormodule (IPM, MAZeT, Siemens) Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

24 GAS-O-CHROM Arbeitspakete und Inhalte AP 3: Etablierung eines drahtlosen Sensornetzwerks zur Brandgasdetektion Ziel: Aufbau eines vernetzten Sensorsystems zur Evaluierung gasochromer und kommerzieller Gassensoren zur Branderkennung - Hardware- und Software- Konzeption für ein drahtlos vernetzbares Multigassensormodul - Erstellung der Hardware und Software - Integration in eine drahtlose Infrastruktur - Labortest der grundlegenden Funktionalität des Netzwerkes Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved

25 GAS-O-CHROM Arbeitspakete und Inhalte AP4:Evaluierung und Demonstration in Testbränden Ziel: Nachweis und Optimierung der frühzeitigen Branderkennung mit gasochromen Gassensoren. - Durchführung von Norm-Testbränden - Durchführung von Szenarien für die Brandentstehung -Untersuchung wichtiger Störgrößen und typischer Ursachen für Fehlalarme, Durchführung von standardisiertem Umwelttests gemäß EN54 - Auswahl und Anpassung geeigneter Signalauswerteverfahren - Bewertung der Testergebnisse in Bezug auf herkömmliche Meldetechnik - Analyse der Sensorsignale in Hinblick auf die zeitliche und räumliche Brandgasverteilung und Erarbeitung der Simulationsgrundlagen zur Erarbeitung von Positionierungsrichtlinien. (Parameter: Fehlalarmrate, Einfluss von Störgrößen, Zuverlässigkeit, Stabilität, ) 1.4 p training validation Y Predicted 1 (Class 1) Holz Schwelbrand Erkennung Sample Page Corporate Technology Siemens AG All rights reserved