DE2800683A1

DE2800683A1 - Gas-ueberwachungsvorrichtung

Info

Publication number: DE2800683A1
Application number: DE19782800683
Authority: DE
Inventors: Leslie John Owens
Original assignee: British Steel Corp
Current assignee: British Steel Corp
Priority date: 1977-01-10
Filing date: 1978-01-09
Publication date: 1978-07-20
Also published as: FR2377035B1; FR2377035A1; NL7800036A; GB1557921A; JPS5389495A; US4185491A; BE862723A

Description

Patentanwälte D:pl.-ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

& Dipl.-fng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 9„ Januar I978

Unser Zeichen: 16 1".9 K/Nil

Anmelder: British Steel Corporation

Grosvenor Place
London S.W.I., England

Bezeichnung: Gas-Überwachungsvorrichtung

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Die Erfindung "bezieht sich auf eine Gas-Überwachungsvorrichtung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf eine überwachungsvorrichtung, die in der Lage ist, auf das Vorhandensein toxischer Gase innerhalb der Umgebungsluft anzusprechen, z. B. auf Kohlenmonoxyd.

Die Erfindung befaßt sich mit Überwachungsvorrichtungen, bei denen der Gassensor aus einem elektrisch erhitzten Halbleiterelement besteht, dessen Widerstand sich als Funktion des adsorbierten Gases ändert. Derartige Gassensoren enthalten im typischen Falle ein geeignet gedoptes Metalloxyd, und derartige Sensoren sind im einzelnen beispielsweise in der GB-PS 1 374 575 und in dem Artikel "Solid State Detectors for Carbon Monoxide" in Ann. occup. Hyg., Band 18, S. 63-68, beschrieben.

Sensoren dieser Bauart werden allgemein in einen Arm einer Brückenschaltung oder einer anderen Widerstandsmeßschaltung derart eingeschaltet, daß Änderungen des Widerstandswertes, die durch Veränderung der Konzentration eines Bestandteils der Umgebung des Sensors hervorgerufen werden, festgestellt und registriert werden können. Die relative Empfindlichkeit des Sensors gegenüber verschiedenen Bestandteilen kann dadurch modifiziert werden, daß die Arbeitstemperatur des Haltleiterelementes in bestimmter Weise gewählt wird,und eine bestimmte Temperatur zur Feststellung spezieller Gase wird dadurch eingestellt, daß der Heizstrom für das Sensorelement beeinflußt wird.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Sensortemperatur, die erforderlich ist, um das Sensorelement frei von absorbiertem Gas zu halten, für die meisten Gase nur eine relativ

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niedrige Empfindlichkeit ergibt. Das Fehlen der Empfindlichkeit wird insbesondere merklich, wenn die Konzentration von Kohlenstoffmonoxyd in der Umgebungsluft industrieller Einrichtungen überwacht werden soll, und der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Empfindlichkeit einer Gas-Überwachungsvorrichtung zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Heizgerät des Halbleiter-Gassensors an eine variable Spannungsquelle angeschaltet ist, deren Ausgang gemäß der Konzentration des zu prüfenden Gases eingestellt wird.

Es hat sich gezeigt, daß für die meisten Gase durch Absenken der !Temperatur des Sensorelementes ein Ansteigen der Empfindlichkeit erlangt werden kann, abgesehen von der progressiven Elementvergiftung, die durch die schnellere Absorption des Gases bei niedriger Temperatur auftritt. Die Zeitdauer, während der das Element bei der niedrigeren Temperatur arbeiten kann, hängt sowohl von dem erzeugten Temperaturabfall ab als auch von der Konzentration des gewählten Gases, das überwacht werden soll.

Um einen unnötigen Betrieb des Sensorelementes bei verminderter Temperatur zu vermeiden, wird die Spannungsquelle so gesteuert, daß der normale Buheeingang des Heizgerätes nur dann vermindert wird, wenn die Konzentration des gewählten Gases über einen vorgewählten Pegel ansteigt.

Nach dem Betrieb mit verminderter Temperatur kann die erhöhte Menge des im Sensorelement absorbierten Gases wieder abgestoßen werden, indem die Temperatur des Sensorelementes über den normalen Ruhearbeitspegel angehoben wird, wo

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ein Gleichgewicht zwischen absorbiertem und abgestoßenem Gas aufrechterhalten wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung spricht das Sensorheizgerät auch auf ein weiteres Steuersignal an, welches repräsentativ ist für eine Konzentration des gewählten Gases über einem zweiten höheren Schwellwert, bei dem der Sensor Gas mit einer Rate absorbiert, die eine noch schnellere Vergiftung zur Folge hat. In diesem Fall wird automatisch die EingangsSpannung des Heizgerätes über den Ruhepegel angehoben, um das Sensorelement auf eine Temperatur zu bringen, bei der die Rate der Gasabsorption vermindert wird. Wenn auch diese höhere Temperatur allgemein eine Verminderung der Empfindlichkeit nach sich zieht, so wird diese Verminderung durch die höheren Konzentrationen des überwachten Gases kompensiert.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Schaltbild einer Kohlenmonoxydüberwachungsvorrichtung mit einer Heizvorrichtung für den Sensor mit mehreren Spannungen.

Die Überwachungsvorrichtung weist einen Halbleiter-Sensor 2 auf, der in einem Gehäuse 4 enthalten ist, der ein eingebautes Widerstandsheizelement 6 besitzt. Das Heizelement 6 hält den Sensor 2 auf einer vorgewählten Temperatur und wird von einer Spannungsquelle 8 erregt. Die Spannungsquelle 8 liefert am Ausgang 10 verschiedene abgestufte Spannungen, die selektiv durch die Steuereingänge 12, 14 gewählt werden.

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Die Spannungsquelle 8 wird zusammen mit der übrigen Schaltung von einer Primärbatterie oder einer Sekundärbatterie 17 erregt.

Der Sensor 2 liegt in einem Arm einer Brückenschaltung, die einen Spannungsteiler 18 enthält. Der Spannungsausgang vom Abgriff des Spannungsteilers 18 ist ein Haß für den Widerstandswert des Sensors 2, was wiederum repräsentativ ist für die Konzentration des Kohlenmonoxyds an der aktiven Oberfläche des Sensorelementes.

Der Stromeingang nach der Brückenschaltung erfolgt über eine stabilisierte Potentialdifferenz, die von einer Leuchtdiode 20 erhalten wird, welche die Charakteristiken einer Zener-Diode aufweist. Die Diode 20 bildet einen Teil einer Reihenschaltung von Leuchtdioden 20, 22, 24, die zwischen die positive Klemme und die negative Klemme der Batterie 18 geschaltet sind. Die Diode 22 liefert eine Anzeige des Ladungspegels der Batterie 18, während die Diode 24 einen Spannungsabfall bewirkt, der es den Dioden 20 und 22 ermöglicht, die erforderlichen Betriebspotentialdifferenzen zu liefern.

Der Ausgang des Spannungsteilers 18 wird gleichzeitig einem Differentialkomparatorverstärker 26 und Differentialverstärkern 28 und 30 zugeführt. Die Differentialverstärker 28 und 30 sind so ausgebildet, daß sie Spannungsausgänge liefern, wenn der Eingang vom Spannungsteiler jeweils relativ niedrige bzw. hohe Pegel überschreitet. Der Verstärker 26 ist beispielsweise so ausgebildet, daß er einen Ausgang erzeugt, wenn das Eingangssignal einen Wert überschreitet, welcher einen unteren Ansprechpegel

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von Kohlenmonoxyd in der zu überwachenden Umgebung von etwa 25 ppm (parts pro million) entspricht. Wenn der untere Schwellwert überschritten wird, dann liefert der Ausgang des Verstärkers ein Steuersignal, welches die Stromquelle 8 von einer Buheausgangsspannung von 5*0 V auf eine niedrigere Ausgangsspannung von 4,25 V umschaltet. Bei Verwendung eines Sensors der Type "Figaro 812" erzeugt eine Heizspannung von 5>O T eine Sensortemperatur, bei der adsorbiertes und abgestoßenes Eohlenmonoxyd im wesentlichen im Gleichgewicht gehalten werden, jedoch mit einer relativ niedrigen Empfindlichkeit für Kohlenmonoxyd. Bei der Temperatur, welche bei einer verminderten Spannung von 4,25 V erzeugt wird, erhöht sich die Empfindlichkeit für Kohlenstoff monoxyd um einen Faktor von etwa 5» abgesehen von der Tatsache, daß eine progressive Vergiftung bzw. Verunreinigung des Elementes infolge der höheren Eate der Gasadsorption auftritt, die eine Folge der geringeren Emissionsrate ist. Wenn die Kohlenstoffmonoxyd-Konzentration nicht ungefähr 800 ppm überschreitet, dann kann die niedrigere Temperatur während einer genügenden Zeitdauer aufrechterhalten werden, um eine bedeutsame Messung durchzuführen, ohne daß die Empfindlichkeit merklich verringert wird.

Änderungen der Konzentration von Kohlenmonoxyd schlagen sich in der Ausgangsspannung des Potentialteilers 18 nieder und sie werden einem Komparatorverstärkermodul 26 zugeführt. Das Verstärkermodul 26 besitzt mehrere individuelle Verstärkerkreise, die aufeinanderfolgend eine Leitungsmatrix 32 von Leuchtdioden aktivieren, welche eine Anzeige der Konzentration liefern. Gewählte Ausgänge des Verstärkers 26, die für spezifische Konzentrationen repräsentativ sind, aktivieren eine oder mehrere Alarm-

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vorrichtungen, beispielsweise einen Audiotransponder 34-. (Lautsprecher). Der Lautsprecher kann durch eine Licht emittierende Vorrichtung ersetzt sein, die kontinuierlich oder intermittierend arbeitet.

Ein Ausgang des Potentialteilers 18, der eine hohe Konzentration von Kohlenmonoxyd anzeigt, z. B. 800 ppm und mehr, und so stark ist, daß eine schnelle Verunreinigung des Sensorelementes 2 zu befürchten ist, bewirkt eine Aktivierung des Verstärkers 30, der die Spannungsquelle 8 so steuert, daß eine höhere Ausgangsspannung von 6,5 V für das Heizelement geliefert wird. Wie erwähnt, vermindert die erhöhte Sensortemperatur bei diesem Spannungseingang des Heizgerätes beträchtlich die Rate, mit der der Sensor verschmutzt bzw. vergiftet wird, obgleich die Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxyd absinkt, aber es ergibt sich eine Stabilität während jener Zeitdauer, während der die Messung durchgeführt wird.

TJm genügend hohe Anzeigepegel trotz vermindei'ter Empfindlichkeit des Sensors bei höheren Temperaturen, die durch Spannungen von 6,5 V erzeugt werden, aufrechtzuerhalten, wird ein Signal direkt von dem Steuersignal mit dem höheren Pegel der Anzeigeschaltung zugeführt, um diese in Alarmstellung zu versetzen.

Es wird ein Zeitgeber 36 aktiviert, wenn die Schaltung zuerst angeschaltet wird, und diese bewirkt eine Steuerung der Spannungsquelle 8 in dem Sinne, daß eine Heizspannung erzeugt wird, die den Sensor 2 auf einer Temperatur hält, bei welcher er das während der vorangegangenen Ruheperiode adsorbierte Gas abstoßen kann.

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Ein Brückenlinearisierungskreis 38 ist mit einem Komparatorverstärker 26 und mit Verstärkern 28 und 30 verbunden, um eine konstante Empfindlichkeit des Überwachungsgerätes insgesamt zu erreichen, und zwar unabhängig von Empfindlichkeitsänderungen des Sensors 2, die durch Änderungen der Betriebstemperatur veranlaßt sind. Eine weitere Kompensation hinsichtlich der Empfindlichkeitsänderung mit der Temperatur wird durch einen Thermistor bewirkt, der auf die Temperatur des Sensorgehäuses anspricht und ein Kompensationssignal der Schaltung 38 liefert.

Um zu gewährleisten, daß die Heizspannung auf 5*0 V zurückkehrt, wenn die Gaskonzentration auf einen Pegel fällt, bei dem die erste Änderung der Heizspannung auftritt, ist es notwendig zu gewährleisten, daß die Bückschaltung bei einem Pegel erfolgt, der in direkter Beziehung zum Ansteigen der Empfindlichkeit erhöht ist, die durch die anfängliche Verminderung der Heizspannung erzeugt wurde. Dies kann dadurch geschehen, daß ein Signal von dem 4,25 V Heizsteuersignal dem ersten Schaltbezugspegel des Komparatorverstärkers zugeführt wird.

Die Erfindung wurde vorstehend in Verbindung mit der Überwachung des Kohlenmonoxydgehalts in der Luft beschrieben. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auch anwendbar für die Überwachung anderer Gase. Die Temperatur, bei der der Sensor arbeitet, kann gemäß dem zu überwachenden Gas und gemäß der spezifischen Empfindlichkeit eingestellt werden, die unter verschiedenen Umgebungsbedingungen erforderlich ist.

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Claims

Patent ansprüche

1.) Gas-tJberwachungsvorrichtung mit einem Gassensor der Bauart mit erwärmtem Halbleiter, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizgerät für das Sensorelement an eine variable Spannungsquelle angeschaltet ist, deren Ausgang sich gemäß der Konzentration des zu prüfenden Gases ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Spannungsquelle unter einen Ruhepegel vermindert wird, wenn die Gaskonzentration über einen vorgewählten Schwellwert ansteigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Spannungsquelle über den Euhepegel erhöht wird, wenn die Gaskonzentration über einen weiteren Pegel ansteigt, der höher ist als der Schwellwert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitgeber die Dauer bestimmt, während der der Spannungeausgang über dem Buhepegel liegt.

5· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle durch ein Signal gesteuert wird, welches vom Sensorelement geliefert wird und die Gaskonzentration umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet,

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daß die Quelle durch unabhängige Signale gesteuert wird, die getrennten Eingängen zugeführt werden und den Schwellwertpegel und weiteren Gaskonzentrationspegel darstellen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die unabhängigen Signale von Differentialverstärkern erlangt werden, die auf den Ausgang des Sensorelementes und auf Bezugseingänge ansprechen, die den Schwellwert bzw. weitere Gaskonzentrationspegel darstellen.

8. "Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß durch ein vom Sensorelement abgeleitetes Signal eine Anzeigevorrichtung und/oder eine Alarmvorrichtung aktiviert werden.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signalübertragungskreis den Ausgang des Sensorelementes modifiziert, um Änderungen in der Empfindlichkeit gegenüber dem Gas zu kompensieren, die durch Änderungen der dem Heizelement zugeführten Leistung bedingt sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Temperatur des Sensorelementgehäuses ansprechende Einrichtung eine Kompensation der durch die Temperatur eingeführten Veränderung der Elementempfindlichkeit bewirkt.

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