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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Verstärken
der Ausgabe eines elektromechanischen Gassensors und zum Feststellen,
ob der Sensor bedienungsfähig
ist, wobei die Vorrichtung Verbindungsmittel zum Bereitstellen einer
elektrischen Verbindung mit einem elektrochemischen Gassensor umfasst.
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Elektrochemische Gassensoren umfassen typischerweise
zwei oder drei Elektroden, die durch ein Elektrolyt getrennt sind.
Diese Sensoren erzeugen Ströme
im Ansprechen auf die Anwesenheit von Gas, z. B. Kohlenmonoxid,
Schwefelwasserstoff, Schwefeldioxid, Ammoniak, wofür sie ausgelegt
sind. Bisher wurden Fehler bei solchen Sensoren, z. B. beschädigte Signaldrähte oder
Elektrolytverlust, durch Zuführen
einer Menge des zu detektierenden Gases zu einem Sensor erfasst,
während
die Sensorausgabe überwacht
wurde. Wenn ein Draht beschädigt
ist oder das Elektrolyt ausgelaufen ist, gibt es keinen, oder wenigstens
einen verringerten Ausgangsstrom.
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Der Bedarf danach, solche Sensoren
durch Zuführen
von Gasmengen zu testen, weist eine Anzahl von Nachteilen auf. Personal
ist erforderlich, um jeden Sensor zu betrachten, was Zeit kostet
und nicht wünschenswert
ist, wenn sich ein Sensor in einer reinen Umgebung befindet, wie
sie in Halbleiterverarbeitungsfabriken vorzufinden ist. Außerdem,
wenn ein Sensor versagt, wird sein Versagen vor dem nächsten Test
nicht detektiert. Dies ist natürlich
dort unerwünscht,
wo der Sensor verwendet wird, um ein toxisches Gas oder einen explosiven
Stoff zu detektieren. Wenn das zu detektierende Gas toxisch ist,
ist es zudem unerwünscht,
dass es absichtlich während des
Testprozesses entweicht, und insbesondere für den Hausgebrauch ist dieses
Testverfahren recht ungeeignet.
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WO 90/12315 beschreibt eine Schaltung zum
Detektieren der Anwesenheit eines funktionstüchtigen Gassensors. Ein Potential
wird zwischen einer Arbeits- und einer Referenzelektrode angelegt, so
dass eine Änderung
in der Ladung zwischen diesen beiden Elektroden bewirkt, dass ein
Strom fließt, der
die Anwesenheit eines funktionstüchtigen
Sensors anzeigt. Dieser Strom wird detektiert.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, die oben erwähnten
Probleme zu überwinden.
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Grob gesagt, die vorliegende Erfindung
stellt eine Gasdetektionsvorrichtung bereit, die in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist. Die Verbindungsmittel umfassen vorzugsweise einen Sockel. Die
Verbindungsmittel können
jedoch Mittel umfassen, an die ein Sensor auf herkömmliche
Weise angelötet werden
kann. Die physikalische Natur der Verbindungsmittel ist für die vorliegende
Erfindung unkritisch, bei der das Schlüsselmerkmal die elektrische Beziehung
zwischen dem Sensor und dem Verstärker ist. Es sollte bemerkt
werden, dass das Testsignal nicht direkt am Sensor angelegt und
das Ergebnis analysiert wird. Stattdessen wird die Anwesenheit eines
gebrauchsfähigen
Sensors indirekt aus der Ausgabe des Verstärkers bestimmt, die im Ansprechen auf
das Testsignal erzeugt wird.
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Da die Übertragungsfunktion des Verstärkers für das Testsignal
durch die Anwesenheit oder Abwesenheit eines gebrauchfähigen elektrochemischen
Gassensors beeinflusst wird, wird die Ausgabe des Verstärkers im
Ansprechen auf das Testsignal abhängig von der Anwesenheit oder
Abwesenheit eines gebrauchsfähigen
Gassensors variieren. Die Übertragungsfunktion
kann mit Hinsicht auf die Verstärkung
des Verstärkers
für das
Testsignal oder die in das Testsignal durch den Verstärker eingebrachte Phasenverschiebung
modifiziert werden. Vorzugsweise werden die Verbindungsmittel jedoch
so konfiguriert, dass die Anwesenheit einer gebrauchsfähigen elektrochemischen
Zelle die Verstärkung
des Verstärkers
für das
Testsignal erhöht.
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Wenn die Testmittel so konfiguriert
werden, dass das Testsignal bewirkt, dass der Verstärker eine große Ausgabe
ausgibt oder in Sättigung
geht, wenn ein gebrauchfähiger
elektrochemischer Sensor mit dem Verstärker durch die Verbindungsmittel
verbunden wird, ist es relativ einfach, die Anwesenheit eines Sensors
beispielsweise unter Verwendung eines digitalen oder analogen Komparators
zu detektieren. Eine Schwelle für
den Elektrolytverlust kann durch Austesten des Niveaus der Verstärkerausgabe
zu einer vorgegebenen Zeitdauer nach dem Start des Testsignals eingestellt
werden. Dies ist so, weil die niedrigeren Niveaus des Elektrolyts
dazu führen
werden, dass die Ausgabe des Verstärkers für kürzere Zeitdauern über der
vorgegebenen Schwelle liegt.
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Vorzugsweise ist der Verstärker einer
Operationsverstärker,
die Verbindungsmittel sind zum Verbinden einer elektrochemischen
Zelle zwischen dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers und
der Erde konfiguriert, und die Testmittel sind so konfiguriert,
dass sie das Testsignal in den nicht invertierenden Eingang des
Operationsverstärkers
eingeben.
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Vorzugsweise umfasst das Testsignal
einen Sprung (transient). Der Sprung kann durch ein Mittel zum Erzeugen
einer Spannungsstufe und einer Differenziereinrichtung zum Differenzieren
der Spannungsstufe erzeugt werden, um das Testsignal zu erzeugen.
Die Spannungsstufe kann durch einen Potentialteiler erzeugt werden,
der zwischen die Leistungsversorgungsleitungen des Verstärkers geschaltet
ist. Der Sensor wird somit jedes Mal getestet, wenn der Verstärker mit
Energie versorgt wird. Ein Sprung oder ein Wechselstromsignal können zu
jeder Zeit angelegt werden. Das Anlegen eines Wechselstromsignals
mit einer geeigneten Frequenz führt dazu,
dass der Verstärker
eine Serie von Impulsen ausgibt.
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Bei einer batteriebetriebenen Vorrichtung wird
der Leistungsverbrauch oftmals durch diskontinuierlich betriebene
Schaltungen reduziert. Die Erzeugung des Testsignals, die mit dem
Einschalten des Verstärkers
verknüpft
ist, ist für
eine solche Vorrichtung besonders geeignet. Vorteilhafter Weise
enthält
die erfindungsgemäße Vorrichtung
daher Steuermittel und Umschaltmittel zum Umschalten der Leistungsversorgung
für den
Verstärker
und die Testmittel, wobei sich die Steuermittel so betätigen lassen, dass
sie den Verstärker
und die Testmittel zyklisch mit Energie versorgen.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform wird
jetzt beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
Schnittansicht eines elektrochemischen Gassensors ist;
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2 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
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3 ein
Schaltplan der Verstärkerschaltung
und der Umschaltschaltung der Vorrichtung von 2 ist;
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4 ein
Flussdiagramm ist, welches den Betrieb der Vorrichtung von 2 zeigt;
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5(a) bis 5(d) Wellenformdiagramme sind,
die den Betrieb der Schaltung von 3 zeigen.
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In 1 umfasst
ein elektrochemischer Sensor 1 eine im allgemeinen zylindrische
Schale 2, die aus Kunststoffharzmaterial ausgebildet ist.
Erste und zweite Kontaktstifte 3, 4 erstrecken
sich durch die Grundfläche
der Schale 2. Eine Schicht 5 aus einer Gießverbindung
(Potting) befindet sich unmittelbar über dem Boden der Schale 2.
Eine erste Elektrodenstruktur 6 liegt über der Gießverbindung. Ein Polstermaterial 7,
das eine Rolle aus Glasfasertextilien umfasst, liegt oben auf der
Elektrodenstruktur 6 auf. Das Polstermaterial 7 ist
in einem Elektrolyt eingeweicht. Eine scheibenförmige Kappe 8 ist
so bemessen, dass sie das offene Ende der Schale 2 verschließt. Die
Kappe 8 weist ein axiales, zentrisch angeordnetes Loch 9 auf,
um einem zu erfassenden Gas zu ermöglichen in die Schale 2 einzutreten.
Ein erster Draht (nicht gezeigt) erstreckt sich vom ersten Kontaktstift 3 und
liegt über
der ersten Elektrodenstruktur 6. Ein zweiter Draht (nicht
gezeigt) erstreckt sich vom zweiten Kontaktstift 4 innen
an der Schale 2 nach oben und zwischen dem Polstermaterial 7 und
der zweiten Elektrodenstruktur 11, um mit dieser eine Verbindung
einzugehen.
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Eine Öffnung 14 ist in der
Seitenwand der Schale 2 vorgesehen. Diese Öffnung wird
mit einem Stöpsel 15 verschlossen.
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Die erste Elektrode 6 umfasst
eine Scheibe aus Gasdurchlässigem
PTFE, die auf der einen Seite mit Platinschwarz beschichtet ist.
Die beschichtet Fläche
bildet eine Elektrode und berührt
das Polstermaterial 7 in dem zusammengesetzten Sensor 1.
Die zweite Elektrodenstruktur 11 weist denselben Aufbau auf,
und ihre beschichtete Fläche
befindet sich auch mit dem Polstermaterial 7 in dem zusammengesetzten
Sensor 1 in Kontakt.
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Die erste Elektrode 6 ermöglicht den
Durchtritt von Gas. Sie verhindert jedoch, dass das Elektrolyt durch
das Loch 9 in der Kappe 8 entweicht. Das Polstermaterial
fungiert als Docht, um sicherzustellen, dass die Elektrodenstrukturen 6, 11 in
Kontakt mit dem Elektrolyt bleiben, wie auch immer die Orientierung
des Sensors ist.
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In 2 umfasst
die Gasdetektionsvorrichtung eine Sensorschaltung 21, einen
Mikrocomputer 22 zum analysieren der Ausgabe der Sensorschaltung 21,
eine 3V-Batterie 23, eine Umschaltschaltung 24 zum
selektiven Zuführen
von Leistung zur Sensorschaltung 21 in Abhängigkeit
eines Schaltsignals vom Mikrocomputer 22, eine Alarmschaltung 25 und einen
mit der Alarmschaltung 25 verbundenen Lautsprecher 26.
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Der Mikrocomputer 22 umfasst
einen Mikroprozessor 27, einen Nur-Lesespeicher (ROM) 28,
der ein Steuerprogramm speichert, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 29 zum
Speichern von Daten und einen Analog/Digitalwandler (ADC) 30.
Die Komponenten des Mikrocomputers 22 sind durch einen
Daten- und Adressbus 31 verbunden. Der ADC 30 empfängt als
Eingabe die Ausgabe der Sensorschaltung 21. Der Mikroprozessor 27 ist
so konfiguriert, dass er zwei Anschlüsse mit 1-Bit-Breite aufweist,
von denen der erste mit der Umschaltschaltung 24 und der
zweite mit der Alarmschaltung 25 verbunden ist.
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Der Mikroprozessor 27 ist
von der Art (z. B. Motorola MC 146805E2), die einen WARTE-Modus mit geringem
Leistungsverbrauch aufweist. Unterbrechungen, die durch einen CPU-Taktgeber erzeugt werden,
werden verwendet, um den Mikroprozessor 27 aus seinem WARTE-Zustand
aufzuwecken.
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Im 3 umfasst
die Umschaltschaltung 24 einen pnp-Schalttransistor 32 und
eine widerstand 33, der zwischen die Basis des Transistors 32 und den
ersten 1-Bit-Anschluss (1-bit
wide port) des Mikroprozessors 27 geschaltet ist. Der Emitter
des Transistors 32 ist mit dem positiven Anschluss der Batterie 23 verbunden.
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Die Sensorschaltung 21 enthält einen
Operationsverstärker
(op-amp) 34, einen Rückkopplungswiderstand 35,
der zwischen den Ausgang und den invertierenden Eingang des op-amp 34 geschaltet
ist, einen Widerstand 36, der zwischen den invertierenden
Eingang des op-amp 34 und
die Erde geschaltet ist, einen Sockel 37 zum Aufnehmen
eines einsteckbaren elektrochemischen Gassensors 38 und
zu dessen Parallelschaltung mit dem Widerstand 36, einen
Widerstand 39, der zwischen den nicht invertierenden Eingang
des op-amp 34 und die Erde geschaltet ist, einen Potentialteiler,
der zwei in Reihe geschaltete Widerstände 40, 41 umfasst,
und einen Kondensator 42, der den zentralen Knoten des
Potentialteilers mit dem nicht invertierenden Eingang des op-amp 34 verbindet.
Ein Ende des Widerstands 40 ist mit dem Kollektor des Schalttransistors 32 verbunden,
und ein Ende des Widerstandes 41 ist mit der Erde verbunden.
Der positive Versorgungsanschluss des op-amp 34 ist außerdem mit
dem Kollektor des Schalttransistors 32 verbunden.
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Die Arbeitsweise der Gasdetektionsvorrichtung
wird jetzt beschrieben.
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Wenn in 4 der Mikroprozessor 27 aktiv wird,
gibt er ein OV-Signal aus dem ersten 1-Bit-Anschluss aus (Schritt S1), um den
Schalttransistor 32 einzuschalten. Hierdurch wird die Sensorschaltung 21 mit
Leistung versorgt. Die Widerstände 40, 41 des Potentialteilers
weisen Werte mit einem Verhältnis
im Bereich von 99 : 1 auf. Die Spannung am zentralen Knoten des
Potentialteilers steigt folglich rasch von 0 V bis etwa 30 mV (5(a)) an, wenn der Schalttransistor 32 eingeschaltet
wird. Dies induziert einen entsprechenden Spannungsanstieg des Testsignals
auf der anderen Seite des Kondensators 42 über dem Widerstand 39 (5(b)). Die Spannung über dem Widerstand 39 fällt dann
exponentiell ab. Anders ausgedrückt,
der Kondensator 42 und der Widerstand 39 bilden
eine nicht perfekte Differenzierungseinrichtung. Die RC-Zeitkonstante
des Widerstandes 40 und des Kondensators 42 sollte
deutlich geringer sein als die des Widerstandes 39 und
des Kondensators 42.
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Wenn kein Gassensor 38 in
die Schaltung eingesteckt ist, wird die Verstärkung des op-amp 34 durch
das Verhältnis
der Werte des Widerstandes 35 und des Widerstandes 36 bestimmt
(die wohl bekannte Formel: Av = Rf/Rs). Dieses Verhältnis liegt
in der Größenordnung
von 10. Demgemäß wird ein
30 mV Spitzensignal über
dem Widerstand 39 verstärkt und
an den ADC 30 mit einem Spitzenwert von 300 mV ausgegeben
(5(c)).
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Jetzt liest der Mikroprozessor 27 den
ADC 30 aus (Schritt S2). Der aus dem ADC 30 ausgelesene Wert
wird mit einem ersten Schwellenwert, z. B. 1.5 V, verglichen (Schritt
S3). Ohne vorhandenen Sensor 38 wird der aus dem ADC 30 ausgelesene
Wert unter der ersten Schwelle liegen, und der Mikroprozessor 27 gibt
dann ein Fehleralarmsignal vom zweiten 1-Bit-Anschluss an die Alarmschaltung 25 aus (Schritt
S4). Das Fehleralarmsignal liegt normalerweise bei 0 V. Im Falle
eines Fehlers gibt der Mikroprozessor 27 jedoch Impulspaare
aus, wobei die Zeit zwischen den Paaren deutlich größer ist,
als die Zeit zwischen den Impulsen eines Paares. Die Alarmschaltung 25 bewirkt,
dass der Lautsprecher 26 einen Tonimpuls im Ansprechen
auf jeden der Impulse vom Mikroprozessor 27 ausgibt.
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Der Sensor 38 weist eine
große
Kapazität und
folglich eine sehr geringe Impedanz für die Frequenzbereichkomponenten
des Sprungs, d. h. des Testsignals, auf, die über den Widerstand 39 auftreten.
Folglich ist die Verstärkung
des op-amp 34 für das
Testsignal sehr hoch. In der Tat ist die Verstärkung so hoch, dass die Ausgabe
des op-amp typischerweise bei 2 V vom Start des Testsignals sättigt, bis
es fast vollständig
abgefallen ist (5(d)).
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Wenn daher ein gebrauchsfähiger Sensor 38 vorhanden
ist, wird der in Schritt S2 aus dem ADC ausgelesene Wert in Schritt
S3 so bestimmt, dass er größer als
die erste Schwelle ist. In diesem Fall wartet der Mikroprozessor 27 eine
Sekunde lang (Schritt S5), um zu ermöglichen, dass die Ausgabe des op-amp 34 von
ihrem Sättigungsniveau
abfällt,
und liest anschließend
den ADC wieder aus (Schritt S6). Sobald der ADC zum zweiten Mal
ausgelesen ist, braucht die Sensorschaltung 21 nicht länger aktiv
zu sein. Folglich steigert der Mikroprozessor 27 die Ausgabe
zu seinem ersten 1-Bit-Anschluss auf 3 V (Schritt S7), um den Schalttransistor 32 auszuschalten.
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Der aus dem ADC in Schritt S6 ausgelesene Wert
wird anschließend
mit einer zweiten Schwelle Verglichen, die eine vorbestimmte Gaskonzentration darstellt
(Schritt S8). Wenn der Wert oberhalb der Schwelle liegt, lässt der
Mikroprozessor 27 einen Gasalarm ertönen (Schritt S9). Der Mikroprozessor 27 tut
dies durch Ausgeben einer Reihe von gleich beabstandeten 1-Sekunden-Pulsen
aus dem 1-Bit-Anschluss. Entsprechende Tonimpulse werden anschließend durch
den Lautsprecher 26 ausgegeben.
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Wenn die zweite Schwelle überschritten
worden ist, geht der Mikroprozessor 27 in seinen Schlaf- oder
WARTE-Zustand über
(Schritt S10). Der Mikroprozessor 27 verbleibt in diesem
Zustand, bis er durch eine Unterbrechungsanfrage aufgeweckt wird, die
durch seinen CPU-Taktgeber erzeugt wird (Schritt S11). Wenn der
Mikroprozessor 27 „aufgewacht" ist, kehrt er zu
Schritt S1 zurück.
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Voranstehend wurde die vorliegende
Erfindung in den Fällen
beschrieben, in welchen ein Sensor entweder vorhanden oder nicht
vorhanden ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch in der
Lage zu detektieren, wann ein Sensor vorhanden ist, jedoch eine
Fehlfunktion aufweist. Einer der Fehlermodi der elektrochemischen
Sensoren ist eine Beschädigung
in einem der Drähte,
die zu den Elektroden führen.
Wenn dies auftritt, fällt
die Kapazität
des Sensors drastisch ab, und der Sensor erscheint als einfache
offene Schaltung. In diesem Fall benimmt sich die Sensorschaltung 21 so,
als wäre
kein Sensor vorhanden.
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Ein weiterer Fehlermodus der elektrochemischen
Sensoren ist der Verlust von Elektrolyt. Wenn dies auftritt, fällt die
Kapazität
des Sensors 38, wodurch die Verstärkung des op-amp 34 für das Testsignal
reduziert wird. Dies bewirkt die Verkürzung der Länge der 2 V-Impulsausgabe durch den op-amp 34. Eine
Schwelle, die einer akzeptablen Elektrolytmenge entspricht, kann
durch Einbringen einer Verzögerung
zwischen den Schritten S1 und S2 eingestellt werden. Bei einer solchen
Anordnung gilt, je länger die
Verzögerung,
desto kleiner die Elektrolytmenge, die verloren gehen kann, bevor
der Fehleralarm ertönt.
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Die vorliegende Erfindung wurde mit
Bezug auf einen Gasalarm beschrieben. Sie lässt sich jedoch in gleicher
Weise auf eine Vorrichtung zur Überwachung
und/oder Aufzeichnung der Gaskonzentration anwenden, in der die
Gasalarmfunktion optional ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einer Zentralstation
durch Direktverbindungen oder über ein
Netzwerk verbunden werden. In solchen Systemen würden die Fehler- und Gasalarme
der Zentralstation zur Kenntnis gebracht. Keine der Alarmbedingungen
braucht notwendigerweise lokal angezeigt werden oder ertönen.