CH615996A5

CH615996A5 - Instrument for indicating carbon monoxide.

Info

Publication number: CH615996A5
Application number: CH1064674A
Authority: CH
Inventors: Tamotsu Senda; Yoshiaki Okayama
Original assignee: Nohmi Bosai Kogyo Co Ltd
Priority date: 1973-08-03
Filing date: 1974-08-02
Publication date: 1980-02-29
Also published as: DE2437352C2; FR2239683B2; DE2437352A1; FR2239683A2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Nachweis von Kohlenmonoxyd in einer Atmosphäre mit verschiedenen gasförmigen Anteilen mittels eines Halbleiterelements, das Zinnoxyd als Grundmaterial und Platin als Katalysator aufweist. The invention relates to a device for detecting carbon monoxide in an atmosphere with various gaseous fractions by means of a semiconductor element which has tin oxide as the base material and platinum as the catalyst.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art sind jedoch nicht imstande, die Konzentration von Kohlenmonoxyd in der Atmosphäre trennscharf anzuzeigen, weil sie zu gleicher Zeit und mit verschiedener Empfindlichkeit auch die Gegenwart von Wasserstoff, Stadtgas und Propangas anzeigen. Die Konzentration von Kohlenmonoxyd in der Atmosphäre könnte zwar mit grosser Trennschärfe durch ein Analysengerät bestimmt werden. In der Praxis ist diese Messmethode jedoch unbefriedigend, weil sie lange dauert. Mit einem Analysengerät ist es möglich, den Standort eines Feuers durch eine Messung der Konzentration von Kohlenmonoxyd im Rauch des Feuers in kurzer Zeit zu melden. Known devices of this type, however, are unable to clearly display the concentration of carbon monoxide in the atmosphere because they also indicate the presence of hydrogen, town gas and propane gas at the same time and with different sensitivity. The concentration of carbon monoxide in the atmosphere could be determined with great precision using an analyzer. In practice, however, this measurement method is unsatisfactory because it takes a long time. With an analyzer, it is possible to quickly report the location of a fire by measuring the concentration of carbon monoxide in the smoke of the fire.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Gerätes zur Anzeige von Kohlenmonoxyd, welches einfach in der Konstruktion und in der Lage ist, rasch, genau und trennscharf Kohlenmonoxyd allein aus verschiedenen gasförmigen Komponenten in der Atmosphäre anzuzeigen. Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung zur Bestimmung der Unstetigkeitsstelle des elektrischen Widerstandes des Halbleiterelementes, die jeweils bei einer bestimmten Temperatur auftritt, welche von der Koh-lenmonoxyd-Konzentration abhängt. The object of the present invention is to provide a device for displaying carbon monoxide, which is simple in construction and is capable of displaying carbon monoxide from the various gaseous components quickly, precisely and in a selective manner. According to the invention, this object is achieved by a device for determining the point of discontinuity in the electrical resistance of the semiconductor element, which occurs at a specific temperature which depends on the carbon monoxide concentration.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to drawings. Show it:

Fig. 1 ein Diagramm der Temperatur/Widerstandscharakteristik von Halbleiterelementen; 1 shows a diagram of the temperature / resistance characteristic of semiconductor elements;

Fig. 2 ein Diagramm der Charakteristik der Konzentration von Kohlenmonoxyd in Funktion der Temperatur; 2 shows a diagram of the characteristic of the concentration of carbon monoxide as a function of temperature;

Fig. 3 ein Block-Schaltschema eines Gerätes gemäss der Erfindung; 3 shows a block circuit diagram of a device according to the invention;

Fig. 4 ein Schema der elektrischen Verbindungen eines Gerätes gemäss Fig. 3; FIG. 4 shows a diagram of the electrical connections of a device according to FIG. 3;

Fig. 5 ein Block-Schaltschema einer zweiten Ausführungsform eines Gerätes gemäss der Erfindung; 5 shows a block circuit diagram of a second embodiment of a device according to the invention;

Fig. 6 ein Diagramm der Temperatur/Widerstandscharakteristik mit Relativwerten für die Ausführungsform gemäss Fig. 5; 6 shows a diagram of the temperature / resistance characteristic with relative values for the embodiment according to FIG. 5;

Fig. 7—9 Anzeige-Diagramme der Ausgangsspannung in Volt in Funktion der Zeit, gemessen mit einem Gerät nach Fig. 5. 7-9 display diagrams of the output voltage in volts as a function of time, measured with a device according to FIG. 5.

In den Figuren bezeichnen die gleichen Bezugszeichen und Bezugsbuchstaben gleiche oder entsprechende Teile. Im CH-Patent Nr. 604 166 ist ein Gerät beschrieben, welches mit Halbleiterelementen zur trennscharfen Anzeige von Kohlenmonoxyd arbeitet, wobei der Halbleiter wahlweise aus Platinsalzen und Platinmohr in einer Menge von mindestens 0,3 % Gewicht bezogen auf metallisches Platin, gemischt mit Zinnoxyd oder Zinnsalzen besteht, wobei die letzteren durch Erhitzung in Zinnoxyde verwandelt werden, und die Mischung in einer oxydierenden Atmosphäre, wenn notwendig in Gegenwart eines Sintermittels, erhitzt wird. In the figures, the same reference symbols and reference letters designate the same or corresponding parts. CH Patent No. 604 166 describes a device which works with semiconductor elements for the selective display of carbon monoxide, the semiconductor optionally consisting of platinum salts and platinum black in an amount of at least 0.3% by weight based on metallic platinum, mixed with tin oxide or Tin salts exist, the latter being converted to tin oxides by heating and the mixture being heated in an oxidizing atmosphere, if necessary in the presence of a sintering agent.

Fig. 1 ist ein Diagramm der Temperatur/Widerstandscharakteristik des Halbleiter-Elementes, Das letztere besteht aus einer Mischung von 80 % Zinnoxyd, 10 °/o Platinchlor-Wasserstoffsäure als Katalysator, und 10 % Ton als Sintermittel. Die Mischung wird in einer oxydierenden Atmosphäre gesintert. Das Halbleiterelement ist in einer Atmosphäre von verschiedenen gasförmigen Anteilen nur auf Kohlenmonoxyd empfindlich. Im übrigen ändert der elektrische Widerstand dieses Halbleiterelementes sprunghaft bei einer gewissen Temperatur, welche von der Konzentration von Kohlenmonoxyd in der Atmosphäre abhängt. Wie in Fig. 1 ersichtlich, sind die Unstetigkeitsstellen für 100 ppm, 500 ppm und 1000 ppm von Kohlenmonoxyd mit Tsi, Ts2 und Ts3 bezeichnet und zeigen die Temperatur in ° C an. Die Temperatur, bei welcher der Widerstand des Elementes sprunghaft ändert, ist proportional höher bei Erhöhung der Konzentration von Kohlenmonoxyd, wie in Fig. 2 ersichtlich. Aus diesem Grunde kann die Konzentration von Kohlenmonoxyd bei Verwendung eines Elementes mit den oben beschriebenen Eigenschaften trennscharf bestimmt werden durch Bestimmung der Temperatur der Unstetigkeitsstelle des Elementes. Fig. 1 is a diagram of the temperature / resistance characteristic of the semiconductor element, the latter consists of a mixture of 80% tin oxide, 10 ° / o platinum chlorohydric acid as a catalyst, and 10% clay as a sintering agent. The mixture is sintered in an oxidizing atmosphere. The semiconductor element is only sensitive to carbon monoxide in an atmosphere of various gaseous fractions. In addition, the electrical resistance of this semiconductor element changes suddenly at a certain temperature, which depends on the concentration of carbon monoxide in the atmosphere. As can be seen in Fig. 1, the discontinuities for 100 ppm, 500 ppm and 1000 ppm of carbon monoxide are designated Tsi, Ts2 and Ts3 and indicate the temperature in ° C. The temperature at which the resistance of the element changes abruptly is proportionally higher when the concentration of carbon monoxide is increased, as can be seen in FIG. 2. For this reason, when using an element with the properties described above, the concentration of carbon monoxide can be determined in a selective manner by determining the temperature of the point of discontinuity of the element.

Fig. 3 ist ein Blockschema eines Gerätes gemäss der Erfindung. Das Halbleiter-Element ist mit S bezeichnet. In der Nähe des Elementes S ist eine Heizvorrichtung h angeordnet, um das Element S zu erhitzen. Ebenfalls in der Nähe des Elementes S ist ein Thermistor t angeordnet zur Messung der Temperatur des Elementes S. Eine Steuervorrichtung H zur Steuerung des Heizstromes in der Heizvorrichtung h ist zwischen die Stromquelle E und die Heizvorrichtung h eingeschaltet. Eine Messvorrichtung SW zur Messung der Temperatur der Unstetigkeitsstelle ist zwischen das Halbleiterelement S und die Stromquelle E eingeschaltet. Die Messvor5 Figure 3 is a block diagram of a device according to the invention. The semiconductor element is labeled S. A heater h is arranged in the vicinity of the element S in order to heat the element S. Also in the vicinity of the element S is a thermistor t for measuring the temperature of the element S. A control device H for controlling the heating current in the heating device h is connected between the current source E and the heating device h. A measuring device SW for measuring the temperature of the discontinuity is connected between the semiconductor element S and the current source E. The measurement pro5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

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3 3rd

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richtung SW besteht aus einer Schaltvorrichtung, welche zwischen das Halbleiterelement S und die Stromquelle E eingeschaltet ist und dient der Ausschaltung der Steuervorrichtung H, sobald sie einen plötzlichen Wechsel des elektrischen Widerstandes des Halbleiterelementes S feststellt, und einem dem s Thermistor t zugeordneten Speicherkreis, um den Wechsel zu speichern. Das Gerät zur Anzeige von Kohlenmonoxyd um-fasst ferner eine Anzeigevorrichtung A, welche die Konzentration von Kohlenmonoxyd in Übereinstimmung mit der Temperatur des Halbleiterelementes S anzeigt bzw. registriert, io Direction SW consists of a switching device which is switched on between the semiconductor element S and the current source E and serves to switch off the control device H as soon as it detects a sudden change in the electrical resistance of the semiconductor element S, and a memory circuit associated with the s thermistor t, around which Save bill of exchange. The device for displaying carbon monoxide further comprises a display device A, which displays or registers the concentration of carbon monoxide in accordance with the temperature of the semiconductor element S, io

Sobald die Stromquelle E an die Steuervorrichtung H und an die Messvorrichtung SW angeschlossen ist, und das Halbleiterelement S durch die Heizvorrichtung h allmählich erhitzt wird, sinkt der elektrische Widerstand des Thermistors t ebenfalls allmählich. Die Temperatur des Halbleiter- 15 elementes S kann dabei durch ein Schreibgerät, welches in der Anzeigevorrichtung A eingebaut ist, angezeigt werden. Unter der Annahme, dass die zu warnende Konzentration des Kohlenmonoxydes in der Atmosphäre 500 ppm beträgt, verändert sich der elektrische Widerstand des Halbleiterelemen- 20 tes S plötzlich, wenn die Temperatur desselben an die Unstetigkeitsstelle Ts2 gelangt, wie in Fig. 1 dargestellt. Der plötzliche Wechsel des elektrischen Widerstandes wird durch die Messvorrichtung SW festgestellt, worauf die Steuervorrichtung H ausgeschaltet wird. Die Heizvorrichtung h hinkt 25 dabei etwas nach. Die Anzeigevorichtung A zeigt in diesem Moment die Temperatur des Halbleiterelementes S an, welche gleichzeitig auch die Konzentration des Kohlenmonoxydes darstellt. Das Schreibgerät der Anzeigevorrichtung A wird in dieser Stellung während einer vorgegebenen Zeit gehalten. 30 Erreicht die Konzentration des Kohlenmonoxydes in der Atmosphäre 1000 ppm, so bewegt sich der Zeiger des Schreibgerätes, sobald die Temperatur des Halbleiterelements die Unstetigkeitsstelle Tss erreicht, wie in Fig. 1 dargestellt ist. In dieser Stellung wird das Schreibgerät wieder gehalten und 35 zeigt dadurch die entsprechende Konzentration von Kohlenmonoxyd an. As soon as the current source E is connected to the control device H and to the measuring device SW, and the semiconductor element S is gradually heated by the heating device h, the electrical resistance of the thermistor t also decreases gradually. The temperature of the semiconductor element S can be displayed by a writing instrument which is installed in the display device A. Assuming that the concentration of carbon monoxide to be warned in the atmosphere is 500 ppm, the electrical resistance of the semiconductor element S suddenly changes when the temperature thereof reaches the point of discontinuity Ts2, as shown in FIG. 1. The sudden change in the electrical resistance is determined by the measuring device SW, whereupon the control device H is switched off. The heater h limps a bit 25. At this moment, the display device A shows the temperature of the semiconductor element S, which at the same time also represents the concentration of the carbon monoxide. The writing instrument of the display device A is held in this position for a predetermined time. 30 If the concentration of carbon monoxide in the atmosphere reaches 1000 ppm, the pointer of the writing instrument moves as soon as the temperature of the semiconductor element reaches the point of discontinuity Tss, as shown in FIG. 1. The writing instrument is held in this position again and 35 thereby indicates the corresponding concentration of carbon monoxide.

Fig. 4 ist ein Schema der elektrischen Verbindungen eines Gerätes gemäss Blockschema von Fig. 3. Wenn der Schalter U zur Verbindung der Stromquelle E mit dem Gerät-40 d. h. mit den Verbindungsleitungen h und I2, eingeschaltet ist, so befindet sich die Steuervorrichtung H unter Strom. Der Kondensator Ci wid über einen Widerstand Ri allmählich aufgeladen und erhöht dadurch die Spannung der Basis des Transistors Tn, welche an die Verbindungsleitung zwischen 45 dem Widerstand Ri und dem Kondensator Ci angeschlossen ist. Sobald der Transistor Tri leitend wird, kann die Heizvorrichtung h, welche am Kollektor des Transistors Tr2 angeschlossen ist, das Halbleiterelement S erwärmen. Mit dem Erwärmen des Halbleiter elements S wird auch der Thermistor 50 t aufgeheizt, so dass sein Widerstand allmählich abnimmt. Fig. 4 is a diagram of the electrical connections of a device according to the block diagram of Fig. 3. If the switch U to connect the power source E with the device-40 d. H. with the connecting lines h and I2, is switched on, the control device H is under current. The capacitor Ci is gradually charged via a resistor Ri and thereby increases the voltage of the base of the transistor Tn, which is connected to the connecting line between the resistor Ri and the capacitor Ci. As soon as the transistor Tri becomes conductive, the heating device h, which is connected to the collector of the transistor Tr2, can heat the semiconductor element S. With the heating of the semiconductor element S, the thermistor 50 t is heated, so that its resistance gradually decreases.

Eine Brückenschaltung, bestehend aus dem, zwischen den Verbindungsleitungen Ii und I2 über den Widerstand R3 geschalteten Thermistor t einerseits und den Widerständen Rs, R4 und Rs andererseits, wird aus dem Gleichgewicht ge- 55 bracht und setzt dadurch den zwischen den Widerständen R4 und R5 angeschlossenen Kondensator C2 über eine Diode D unter Spannung. Die Diode D ist mit dem Thermistor t direkt verbunden. Die Gitterspannung des Feldeffekt-Tran-sistors FET, dessen Gitter mit dem Kondensator C2 verbun- 60 den ist, steigt. Diese Spannungserhöhung der Gitterspannung verursacht einen Strom, welcher über die Anzeigevorrichtung A fliesst. Als Anzeigevorrichtung A kann beispielsweise ein Ampèremeter verwendet werden, welches an die Verbindungsleitung Ii und den Abfluss des Transistors FET ange- 65 schlössen ist. Der Zeiger des Ampèremeters zeigt die Temperatur des Halbleiterelementes S an. Wenn diese Temperatur die Unstetigkeitsstelle Ts2 erreicht, wie in Fig. 1 gezeigt, so erhöht sich der Widerstand des Halbleiterelementes S plötzlich. Dadurch tritt ein Spannungssprung an der Verbindungsstelle zwischen dem Widerstand R2 und dem Halbleiterelement S auf, welcher über die Transistoren Tr2 und Tr3 verstärkt wird. Der Transistor Tr2 ist mit seiner Basis über den Kondensator C3 mit der oben erwähnten Verbindungsstelle verbunden. Der Kollektor des Transistors Tr2 ist über den Widerstand Re mit der Verbindungsleitung Ii verbunden. Der Emitter dieses Transistors ist direkt mit der Verbindungsleitung I2 verbunden. Der Transistor Trs ist mit seiner Basis mit dem Kollektor des Transistors Tr2 verbunden. Der Emitter des Transistors Tr3 ist mit der Verbindungsleitung Ii verbunden. Der Kollektor dieses Transistors ist über den Widerstand R7 mit der Verbindungsleitung I2 verbunden. Sobald das verstärkte Signal auftritt, wird der gesteuerte Siliziumgleichrichter SCR leitend. Dieser Gleichrichter ist zwischen die Verbindungsleitungen Ii und I2 geschaltet und weist eine Verbindung zum Kollektor des Transistors Ts auf, welche von der Gitterelektrode des Gleichrichters über eine Zener-diode ZDi führt. Die Zenerdiode ZDi dient der Spannungshaltung. Sobald der Gleichrichter SCR leitend gemacht ist, ist der Stromkreis der Heizvorrichtung h kurz geschlossen und stellt die Erhitzung des Halbleiterelementes ein. Gleichzeitig leuchtet eine Meldelampe L auf, welche in Serie mit dem Widerstand Rs und der Verbindungsleitung Ii zwischen die Stromquelle E und dem Gleichrichter SCR geschaltet ist. Die Meldelampe zeigt durch ihr Aufleuchten an, dass eine plötzliche Widerstandsänderung, d. h. eine Unstetigkeitsstelle des Halbleiterelementes S erreicht ist. Die Temperatur Ts2 des Halbleiterelementes S und die entsprechende Konzentration von Kohlenmonoxyd von 500 ppm wird durch das Schreibgerät der Anzeigevorrichtung A angegeben. Durch den Kondensator C2 wird die Stellung des Zeigers der Anzeigevorrichtung A während einer vorbestimmten Zeit gehalten. Der Zeiger kann durch Einstellung des veränderlichen Widerstandes R5 in die Nullstellung gebracht werden. Zwischen den Verbindungsleitungen Ii und I2 sind ein Kondensator Gt und eine Zenerdiode ZD2 parallel eingeschaltet zur Unterdrückung von Störungen, welche von der Stromquelle E herrühren. Dabei wird gleichzeitig auch eine Stabilisierung der Spannung bewirkt. A bridge circuit, consisting of the thermistor t connected between the connecting lines Ii and I2 via the resistor R3 on the one hand and the resistors Rs, R4 and Rs on the other hand, is brought out of equilibrium and thereby sets the one connected between the resistors R4 and R5 Capacitor C2 through a diode D under voltage. The diode D is connected directly to the thermistor t. The grid voltage of the field effect transistor FET, the grid of which is connected to the capacitor C2, rises. This voltage increase in the grid voltage causes a current which flows across the display device A. An ammeter, for example, can be used as the display device A, which is connected to the connecting line Ii and the outflow of the transistor FET. The pointer of the ammeter shows the temperature of the semiconductor element S. When this temperature reaches the point of discontinuity Ts2, as shown in FIG. 1, the resistance of the semiconductor element S suddenly increases. As a result, a voltage jump occurs at the junction between the resistor R2 and the semiconductor element S, which is amplified via the transistors Tr2 and Tr3. The base of the transistor Tr2 is connected to the above-mentioned junction via the capacitor C3. The collector of the transistor Tr2 is connected to the connecting line Ii via the resistor Re. The emitter of this transistor is connected directly to the connecting line I2. The base of the transistor Trs is connected to the collector of the transistor Tr2. The emitter of the transistor Tr3 is connected to the connecting line Ii. The collector of this transistor is connected to the connecting line I2 via the resistor R7. As soon as the amplified signal occurs, the controlled silicon rectifier SCR becomes conductive. This rectifier is connected between the connecting lines Ii and I2 and has a connection to the collector of the transistor Ts, which leads from the grid electrode of the rectifier via a Zener diode ZDi. The Zener diode ZDi is used for voltage maintenance. As soon as the rectifier SCR is made conductive, the circuit of the heating device h is briefly closed and stops the heating of the semiconductor element. At the same time, a signal lamp L lights up, which is connected in series with the resistor Rs and the connecting line Ii between the current source E and the rectifier SCR. When it lights up, the indicator lamp indicates that a sudden change in resistance, i. H. a point of discontinuity of the semiconductor element S is reached. The temperature Ts2 of the semiconductor element S and the corresponding concentration of carbon monoxide of 500 ppm is indicated by the writing device of the display device A. The position of the pointer of the display device A is held by the capacitor C2 for a predetermined time. The pointer can be brought into the zero position by setting the variable resistor R5. A capacitor Gt and a Zener diode ZD2 are connected in parallel between the connecting lines Ii and I2 in order to suppress disturbances which originate from the current source E. At the same time, the voltage is also stabilized.

In dem oben beschriebenen Gerät zur Anzeige von Kohlenmonoxyd wird das Halbleiterelement S durch die Heizvorrichtung h allmählich erhitzt. Es ist jedoch möglich, die Temperatur des Halbleiterelementes stufenweise zu verändern, indem das Halbleiterelement durch eine andere Heizvorrichtung der Steuervorrichtung H auf eine höhere Temperatur gebracht wird und anschliessend nach Ausschaltung dieser Heizvorrichtung das erhitzte Halbleiterelement in die zu überwachende Atmosphäre eingebracht und stufenweise durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Halbleiterelement und der Atmosphäre abgekühlt wird. In diesem Falle erreicht das Halbleiterelement S während der Abkühlung eine vorbestimmte Temperatur, z. B. die Unstetigkeitsstelle Ts2, welche von der Konzentration des Kohlenmonoxydes in der Atmosphäre abhängt. An dieser Stelle vermindert sich der elektrische Widerstand des Halbleiterelementes S plötzlich, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die Schaltvorrichtung in der Messvorrichtung SW zur Ausschaltung der Steuervorrichtung H kam bei dieser Ausführungsform weggelassen werden. Es ist vorteilhaft, ein Halbleiterelement mit einer grossen Wärmekapazität zu wählen, damit die Temperatur des Halbleiterelementes, nachdem die Heizvorrichtung abgeschaltet ist, über eine gewisse Zeit ungefähr gehalten werden kann. In the carbon monoxide display device described above, the semiconductor element S is gradually heated by the heater h. However, it is possible to change the temperature of the semiconductor element in stages by bringing the semiconductor element to a higher temperature by means of another heating device of the control device H and then, after switching off this heating device, introducing the heated semiconductor element into the atmosphere to be monitored and gradually by the temperature difference between the semiconductor element and the atmosphere is cooled. In this case, the semiconductor element S reaches a predetermined temperature, e.g. B. the discontinuity Ts2, which depends on the concentration of carbon monoxide in the atmosphere. At this point, the electrical resistance of the semiconductor element S suddenly decreases, as shown in FIG. 1. The switching device in the measuring device SW for switching off the control device H was omitted in this embodiment. It is advantageous to choose a semiconductor element with a large heat capacity so that the temperature of the semiconductor element can be approximately maintained for a certain time after the heating device is switched off.

Fig. 5 ist ein Block-Schaltschema einer zweiten Ausführungsform eines Gerätes zur Anzeige von Kohlenmonoxyd, gemäss der Erfindung. Das Halbleiterelement S erhitzt sich durch den elektrischen Strom, welcher durch das Halbleiter- Fig. 5 is a block diagram of a second embodiment of a carbon monoxide display device according to the invention. The semiconductor element S is heated by the electrical current which is generated by the semiconductor

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4 4th

Element hindurchfliesst und benötigt deshalb keine Heizvorrichtung. Die Klemme 2 des Halbleiter-Elementes S ist über einen Lastwiderstand 3 mit der Klemme 4 einer Stromquelle E verbunden. Die Klemme 1 des Halbleiter-Elementes ist mit der Klemme 5 der Stromquelle verbunden. Ein Anzeigegerät I ist über einen Impulszähler P an die Enden des Lastwiderstandes 3 angeschlossen. Element flows through and therefore does not require a heating device. The terminal 2 of the semiconductor element S is connected to the terminal 4 of a current source E via a load resistor 3. Terminal 1 of the semiconductor element is connected to terminal 5 of the current source. A display device I is connected via a pulse counter P to the ends of the load resistor 3.

Die Fig. 6 zeigt ein Diagramm der Temperatur/Wider-standscharakteristik des Halbleiter-Elementes S, welches in der Ausführungsform von Fig. 5 Anwendung findet. Die Kurve Ai zeigt den Widerstand R des Halbleiter-Elementes in reiner Luft in Abhängigkeit der Temperatur T. Die Kurven M und N zeigen Widerstandswerte desselben Halbleiter-Elementes in einer Atmosphäre, welche M ppm Kohlenmonoxyd bzw. N ppm Kohlenmonoxyd enthält. Aus diesen Kurven ist klar ersichtlich, dass der Strom, welcher durch das Halbleiter-Element S hindurchfliesst, infolge des hohen Widerstandswertes des Halbleiter-Elementes in reiner Luft sehr klein ist. In einer Atmosphäre, welche M ppm Kohlenmonoxyd enthält, erhöht sich der Widerstand des Halbleiter-Elementes bei der Unstetigkeitsstelle Tj plötzlich und zeigt, wie aus der Kurve M klar ersichtlich ist, keine Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxyd mehr an. In einer Atmosphäre, welche N ppm Kohlenmonoxyd enthält, erhöht sich die Unstetigkeitsstelle von Tj auf die höhere Tempeatur Tk, wie aus der Kurve N ersichtlich. FIG. 6 shows a diagram of the temperature / resistance characteristic of the semiconductor element S, which is used in the embodiment of FIG. 5. Curve Ai shows the resistance R of the semiconductor element in pure air as a function of the temperature T. Curves M and N show resistance values of the same semiconductor element in an atmosphere which contains M ppm carbon monoxide and N ppm carbon monoxide. It is clearly evident from these curves that the current which flows through the semiconductor element S is very small due to the high resistance value of the semiconductor element in clean air. In an atmosphere containing M ppm carbon monoxide, the resistance of the semiconductor element at the point of discontinuity Tj suddenly increases and, as can be clearly seen from curve M, no longer indicates sensitivity to carbon monoxide. In an atmosphere containing N ppm carbon monoxide, the point of discontinuity increases from Tj to the higher temperature Tk, as can be seen from curve N.

Wenn das Halbleiter-Element S in einem Gerät gemäss Fig. 5 in Berührung mit einer Atmosphäre, welche M ppm Kohlenmonoxyd enthält, bei einer Raumtemperatur To in Berührung kommt, so fällt der Widerstand des Halbleiter-Ele-mentes S plötzlich von a auf b und bewirkt dadurch, dass der Strom, welcher durch das Halbleiter-Element fliesst, ansteigt. If, in a device according to FIG. 5, the semiconductor element S comes into contact with an atmosphere containing M ppm carbon monoxide at a room temperature To, the resistance of the semiconductor element S suddenly drops from a to b and thereby causes the current flowing through the semiconductor element to increase.

Dadurch steigt die Temperatur infolge Selbsterhitzung des Halbleiter-Elementes S von To auf eine höhere Temperatur Ti. Der Widerstand des Halbleiter-Elementes verändert sich nun nur wenig, bis die Unstetigkeitsstelle Tj erreicht ist. Bei diesen Bedingungen zeigt das Halbleiter-Element S keine Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxyd, bis der Punkt d erreicht ist. Der Strom, welcher durch das Halbleiter-Element fliesst, vermindert sich und bewirkt dadurch eine Abkühlung des Halbleiter-Elementes auf die Temperatur T2, bei welcher das Element wieder Empfindlichkeit gegenüber Kohlenmonoxyd aufweist. Hierauf erhitzt sich das Halbleiter-Element erneut auf die Temperatur T3 und erhöht dadurch dessen Widerstand von c auf d. Dieser Zyklus wiederholt sich so lange, als Kohlenmonoxyd in einer Konzentration von M ppm in der Atmosphäre vorhanden ist. Wie oben beschrieben, erhöht und vermindert sich der Widerstand des Halbleiter-Elementes periodisch so lange, als die Atmosphäre Kohlenmonoxyd enthält. Die Spannung, welche an den Klemmen des Widerstandes 3 des Schaltkreises von Fig. 5 auftritt, verändert sich gemäss den Fig. 7—9. Diese Kurven wurden mit Gleichstrom von 100 Volt an den Klemmen 4 und 5 und mit einem Widerstand 3 von 4 kQ erreicht. Die Fig. 7—9 sind Spannungswellen an den Enden des Lastwiderstandes 3 bei einem Gehalt von Kohlenmonoxyd von 100 ppm bzw. 700 ppm bzw. 1000 ppm. Die Impulsfrequenz der Kurve von Fig. 7 beträgt etwa 49 Sek., diejenige von Fig. 8 etwa 13 Sek. und diejenige von Fig. 9 etwa 7 Sek. Die Frequenz der periodischen Wiederholung des Aufheizvorganges kann als Mass für die Konzentration des Kohlenmonoyds dienen. As a result, the temperature rises due to self-heating of the semiconductor element S from To to a higher temperature Ti. The resistance of the semiconductor element now changes only slightly until the point of discontinuity Tj is reached. Under these conditions, the semiconductor element S shows no sensitivity to carbon monoxide until point d is reached. The current that flows through the semiconductor element is reduced, thereby causing the semiconductor element to cool down to the temperature T2, at which the element again has sensitivity to carbon monoxide. The semiconductor element then heats up again to the temperature T3 and thereby increases its resistance from c to d. This cycle is repeated as long as carbon monoxide is present in the atmosphere at a concentration of M ppm. As described above, the resistance of the semiconductor element increases and decreases periodically as long as the atmosphere contains carbon monoxide. The voltage which appears at the terminals of the resistor 3 of the circuit of FIG. 5 changes according to FIGS. 7-9. These curves were achieved with direct current of 100 volts at terminals 4 and 5 and with a resistance 3 of 4 kQ. 7-9 are voltage waves at the ends of the load resistor 3 with a carbon monoxide content of 100 ppm, 700 ppm and 1000 ppm, respectively. The pulse frequency of the curve of FIG. 7 is approximately 49 seconds, that of FIG. 8 approximately 13 seconds and that of FIG. 9 approximately 7 seconds. The frequency of the periodic repetition of the heating process can serve as a measure of the concentration of the carbon monoxide.

Ein Vergleich dieser drei Kurven zeigt, dass die Impulsfrequenz niedriger ist, wenn die Konzentration von Kohlenmonoxyd niedrig ist und höher wird, sobald die Konzentration von Kohlenmonoxyd ansteigt. Dies kann durch die Kurven von Fig. 6 erklärt werden. In einer Atmosphäre mit Kohlenmonoxyd mit einer Konzentration von M ppm wechselt die Temperatur des Halbleiter-Elementes während einer Impulswelle von T2 auf T3, während die Temperatur des Halbleiter-Elementes in einer Atmosphäre mit N ppm Kohlenmonoxyd von T4 auf Ts wechselt. Die Gasaufnahme und die Gasabgabe des Halbleiter-Elementes erfolgt bei höheren Temperaturen schneller. Der Widerstand des Halbleiter-Elementes vermindert sich bei N ppm Kohlenmonoxyd schneller als bei M ppm Kohlenmonoxyd. Das Halbleiter-Element kühlt sich von Ts auf T4 rascher ab als von T3 auf T2. Die Impulsfrequenz der Ausgangs-Spannung am Lastwiderstand 3 ist bei N ppm höher als bei M ppm Kohlenmonoxyd. A comparison of these three curves shows that the pulse rate is lower when the concentration of carbon monoxide is low and becomes higher as the concentration of carbon monoxide increases. This can be explained by the curves of FIG. 6. In an atmosphere with carbon monoxide with a concentration of M ppm, the temperature of the semiconductor element changes from T2 to T3 during a pulse wave, while the temperature of the semiconductor element changes in an atmosphere with N ppm carbon monoxide from T4 to Ts. The gas absorption and the gas release of the semiconductor element takes place faster at higher temperatures. The resistance of the semiconductor element decreases faster with N ppm carbon monoxide than with M ppm carbon monoxide. The semiconductor element cools faster from Ts to T4 than from T3 to T2. The pulse frequency of the output voltage at the load resistor 3 is higher at N ppm than at M ppm carbon monoxide.

Aus den Fig. 7—9 ist ersichtlich, dass die Spannung der unteren Umkehrpunkte der Impulswellen bei höherer Konzentration von Kohlenmonoxyd in der Atmosphäre höher ist. Dies erklärt sich aus der Kurve von Fig. 6, in welcher der Bereich der Veränderung des Widerstandes des Halbleiter-Elementes bei M ppm Kohlenmonoxyd von c zu d wechselt, während der Widerstand bei N ppm Kohlenmonoxyd sich von e auf f verändert. Der Widerstand d, welcher der niedrigeren Spannung entspricht, ist höher als der Widerstand f, welcher der Spannung für höhere Konzentration von Kohlenmonoxyd entspricht. Die Spannungen der unteren Umkehrpunkte der Impulswellen erreichen bei 100 ppm, 700 ppm und bei 1000 ppm Kohlenmonoxyd die Beträge von 3,3 Volt, 7,5 Volt bzw. 12,5 Volt. It can be seen from FIGS. 7-9 that the voltage of the lower reversal points of the pulse waves is higher with a higher concentration of carbon monoxide in the atmosphere. This can be explained from the curve of FIG. 6, in which the range of the change in the resistance of the semiconductor element changes from c to d at M ppm carbon monoxide, while the resistance changes at n ppm carbon monoxide from e to f. The resistance d, which corresponds to the lower voltage, is higher than the resistance f, which corresponds to the voltage for higher concentration of carbon monoxide. The voltages of the lower reversal points of the pulse waves reach the amounts of 3.3 volts, 7.5 volts and 12.5 volts at 100 ppm, 700 ppm and at 1000 ppm carbon monoxide.

Wenn Kohlenmonoxyd mit dem Halbleiter-Element S im Gerät gemäss der Erfindung in Berührung kommt, so vermindert sich der Widerstand des Halbleiter-Elementes und bewirkt dadurch eine Erwärmung desselben. Diese Erwärmung dauert an, bis das Halbleiter-Element eine höhere Temperatur erreicht hat, bei welcher Wasserdampf und reduzierende Gase, welche vor Beginn der Erwärmung aufgenommen wurden, ähnlich wie bei üblichen Halbleiter-Gas-messgeräten bei normalen Temperaturen abgegeben werden. Aus diesem Grunde erreicht die Ausgangsspannung über den Klemmen des Lastwiderstandes 3 einen höchsten Wert bereits beim ersten Impuls. Die Impulswellen der Ausgangsspannung werden erst vom zweiten Impuls an regelmässig. Die Tatsache, dass der erste Impuls der Ausgangsspannung einen hohen Wert erreicht, hat jedoch keinen Einfluss auf das Resultat des Impulszählers I. Der erste Impuls kann deshalb beim Zählen der Impulse schon berücksichtigt werden. Bei einer anderen Ausführungsform des Gerätes kann der erste Impuls nur als Signal für die Ingangsetzung des Impulszählers verwendet werden. Bei einer weiteren Ausführungsform kann beim Auftreten einer periodischen Temperaturschwankung mit einer Frequenz, welche unterhalb einer vorgegebenen Grenze liegt, eine Alarmvorrichtung betätigt werden. Die regelmässigen Impulse, welche dem ersten Impuls folgen, werden gezählt, um die Konzentration des Kohlenmonoxydes in der Atmosphäre genau zu bestimmen und im Anzeigegerät I aufgezeichnet zu werden. When carbon monoxide comes into contact with the semiconductor element S in the device according to the invention, the resistance of the semiconductor element is reduced and thereby causes the latter to heat up. This heating continues until the semiconductor element has reached a higher temperature at which water vapor and reducing gases, which were absorbed before the start of the heating, are emitted at normal temperatures, similarly to conventional semiconductor gas measuring devices. For this reason, the output voltage across the terminals of the load resistor 3 already reaches a highest value with the first pulse. The pulse waves of the output voltage only become regular from the second pulse. However, the fact that the first pulse of the output voltage reaches a high value has no influence on the result of the pulse counter I. The first pulse can therefore already be taken into account when counting the pulses. In another embodiment of the device, the first pulse can only be used as a signal for starting the pulse counter. In a further embodiment, an alarm device can be actuated when a periodic temperature fluctuation occurs with a frequency which is below a predetermined limit. The regular pulses following the first pulse are counted in order to precisely determine the concentration of carbon monoxide in the atmosphere and to be recorded in the display device I.

Die Anzeige der Konzentration von Kohlenmonoxyd durch das Zählen der Spannungsimpulse ist gegenüber bekannten Anzeigeverfahren vorteilhaft, weil eine Gleichstrom-Ausgangsspannung als Endergebnis gemesen wird. Diese Gleichstrom-Ausgangsspannung kann durch Störungen wie z. B. Spannungs-Spitzen, die durch das Einschalten der Stromquelle entstehen oder durch induzierte Spannungen, herrührend von einem anderen Stromkreis, nicht beeinflusst werden. Displaying the concentration of carbon monoxide by counting the voltage pulses is advantageous compared to known display methods because a DC output voltage is measured as the end result. This DC output voltage can be caused by interference such. B. voltage peaks, which are caused by switching on the power source or by induced voltages originating from another circuit, are not influenced.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

M M

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

615 996

1. Device for the detection of carbon monoxide in an atmosphere with various gaseous fractions by means of a semiconductor element which has tin oxide as the base material and platinum as the catalyst, characterized by a device for determining the point of discontinuity of the electrical resistance of the semiconductor element, each at a specific temperature occurs, which depends on the carbon monoxide concentration.

2. Device according to claim 1, characterized in that the semiconductor element can be heated to a variable temperature and that a device for measuring the temperature of the semiconductor element is provided.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Apparatus according to claim 2, characterized by a heating device for continuously increasing the temperature of the semiconductor element and by a device for determining the temperature at which a sudden increase in resistance of the semiconductor element occurs.

4. The device according to claim 2, characterized by a device for periodically repeating the heating up to a predetermined temperature limit.

5. The device according to claim 3 or 4, characterized by a device for holding the determined discontinuity of the electrical resistance during a predetermined time.

6. The device according to claim 1, characterized in that the semiconductor element is arranged in an electrical circuit such that it can be heated by passage of current due to self-heating.

7. The device according to claim 6, characterized in that the element is connected in series with a resistor in such a way that when the point of discontinuity is reached the heating power absorbed by the element and the temperature drop, whereupon the heating process is repeated periodically.

8. The device according to claim 7, characterized in that the frequency of the periodic repetition of the heating process serves as a measure of the carbon monoxide concentration.

9. The device according to claim 7, characterized by an alarm device, the actuation of which occurs through the occurrence of periodic temperature fluctuations with a frequency below a predetermined limit.