DD218187A1 - Detektor zum nachweis von gasen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Detektor zum Nachweis von Gasen und bezieht sich auf das Gebiet der Sicherheitstechnik. Das Ziel der Erfindung ist es, einen Detektor mit geringer Leistungsaufnahme zu schaffen, der Gase ueber die Leitfaehigkeitsaenderung von Halbleitermaterialien nachweisen kann, ohne das Halbleitermaterial elektrisch aufheizen zu muessen und der somit ohne langfristige Einlaufvorgaenge arbeitet und universell einsetzbar ist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, das Halbleitermaterial in einer ionisierten Gasatmosphaere und in einem elektrischen Feld so anzuordnen, dass es gleichzeitig Widerstandselement einer Auswerteschaltung und Teil der Anordnung zur Erzeugung des elektrischen Feldes ist. Derartige Detektoren koennen zur kontinuierlichen Ueberwachung und fruehzeitigen Erkennung brennbarer, explosibler oder toxischer Gase eingesetzt werden. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung
Detektor zum Nachweis von Gasen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Detektoren dieses Typs finden in der Sicherheitstechnik Anwendung« Sie werden für die kontinuierliche Überwachung und frühzeitige Erkennung brennbarer, explosibler oder toxischer Gase eingesetzt. Diese Detektoren können aber auch zur Messung der Konzentration der genannten Gase in Gasgemischen verwendet werden· . ;. ."·". ' ' ' ' . ;
,Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Es ist allgemein bekannt, daß durch Reduktion und Oxydation die Leitfähigkeit halbleitender Verbindungen verändert wird. Bekannte Detektoren arbeiten insbesondere mit halbleitenden Metalloxyden, die in Form yon Sinterkörpern Verwendung finden» Durch elektrische Aufheizung (thermische Stimulierung) des Halbleitermaterials auf mehrere 100 C findet bei Anwesenheit oxydierbarer Gase eine Reduktion des Halbleitermaterials statt· Die damit erzielbare Leitfähigkeitsänderung wird zum Nachweis dieser Gase verwendet.
Nachteilig ist die erforderliche elektrische Aufreizung und die damit im Zusammenhang stehende, aufwendige Rückführung des Halbleitermaterials nach Belastungen bzw, Unterbrechungen in den für weitere Messungen erforderlichen Ausgangszustand (z.B.- einige
Tage Einlaufzeit). Siehe ζ·Ββ Prospekt '»Gasempfindlicher Halbleitersensor TGS" der Fa- Figaro engineering Ine,, Japan, die DE-OS 2535059 "Meßzelle zur Bestimmung von Sauerstoffkonzentrationen in einem Gasgemisch" sowie "Ex-Warngerät" (Sensoren mit Leitfähigkeitsänderung halbleitender Materialien) Drägerwerke AG Lübeck·
Ziel der Erfindung f ·
Ziel der Erfindung ist es, die bei Detektoren mit Leitfähigkeitsänderung von Halbleitermaterialien notwendige thermische Stimulierung chemischer Reaktionen durch elektrische Aufheizung auf hohe Temperaturen und den erforderlichen Aufwand zur Herstellung des Ausgangszustandes für weitere Messungen zu beseitigen· Es galt einen mit geringer Leistungsaufnahme arbeitenden, umfassend einsetzbaren, einfachen Detektor zu schaffen, der ZeB„ auch in Ionisätionsfeuermeldern und batteriebetriebenen Gasdetektoren Verwendung finden kann«
Darlegung des Wesens der Erfindung;
Die Erfindung löst die Aufgabe einen Detektor zum nachweis von Gasen zu schaffen, ' der die nachstehenden Mangel beseitigt* Die für die Leitfähigkeitsänderung an Halbleitermaterialien erforderlichen chemischen Reaktionen zwischen Gas und Halbleiter findenvbei Raumtemperatur nur in einem solchen geringen Umfang statt, daß die durch sie bewirkte Leitfähigkeitsänderungv nicht nachweisbar ist, insbesondere nicht für den Nachweis einer geringen Gaskonzentration· Es ist deshalb erforderlich, dem Halbleitermaterial Energie zuzuführen, um die Reaktion in ausreichendem Mäße ablaufen zu lassen· Die durch elektrische Heizung zugeführte Energie und die damit verbundene Erhöhung der Temperatur auf mehrereΊ00 0C verändert den Zustand des Halbleitermaterials gegenüber einer vorausgehenden Lagerung bei Raumtemperatur· Die Inbetriebnahme erfordert deshalb' Maßnahmen zur Berücksichtigung von Ausgleichsvorgängen*
Die große Abhängigkeit der Leitfähigkeit des Detektormaterials von der Temperatur erfordert stabile Heizspannungen und besondere Vorkehrungen bei der Anwendung von Brückenschaltungen* Der universelle Einsatz dieser Halbleitersensoren als Bestandteil von lonisationsfeueriueldern und ihr Einsatz in batteriebetriebenen Gasdetektoren verbietet sich wegen der hohen Leistungsaufnahme (Gasdetektor: # 1 W, moderne Ionisationsfeuermelder: /uW bis mW). ,
Die Merkmale der Erfindung bestehen erfindungsgemäß darin, daß das Halbleitermaterial in einer ionisierten Gasatmosphäre und in einem elektrischen Feld angeordnet ist wobei das Halbleitermaterial gleichzeitig Widerstandselement in einer Auswerteschaltung und Elektrode in der Anordnung zur Erzeugung des elektrischen Feldes ist·
Die ionisierte Gasatmosphäre wird dabei durch eine oder mehrere tf- oder β -Strahlenquellen erzeugt und die direkte Einwirkung der ot «Strahlung auf die Halbleiteroberfläche durch eine Blende vermieden. Das Halbleitermaterial kann dabei in Form dünner Schichten von Metalloxyden z.B# einer dünnen Sn0o~Schicht auf · der Oberfläche einer Glasfaser oder in Form eines drahtförmigeri Sinterkörpers eingesetzt sein»
Vorteilhaft ist die Unterbringung des Gasdetektiprissystems bestehend aus Halbleitermaterial, umgebender ionisierter Gasatmosphäre und elektrischem Feld in einem gesockelten Gehäuse· Die Gehäuseöffnungen sind dabei so angeordnet, daß die Gase Zutritt zum Gasdetektionssystem haben, der Austritt der <* - oder
β -Strahlung jedoch vermieden wird. Die Elektrode kann auch als Gehäuse ausgebildet sein*
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden» In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig« 1 den Detektor in Verbindung mit einer Auswerteschaltung· " Fig. 2 eine konstruktive Gestaltung des Detektors·
In Fig* 1 ist das Halbleitermaterial 1 ein Widerstandselement in einer einfachen Brückenschaltung, die mit der Betriebsspannung U-Q betrieben wird. Das Halbleitermaterial 1 befindet • sich in der Achse einer zylinderförmig.en Elektrode 2, Zwischen Halbleitermaterial 1 und Elektrode 2 wird durch die angelegte Betriebsspannung tL·, ein elektrisches Feld erzeugt» Damit ist das Halbleitermaterial 1 auch Elektrode des elektrischen Feldsystems, An der Innenfläche der zylinderförmigen Elektrode 2 ist eine β -Strahlenquelle 3 aus Ni ^ angebracht, die die Gasatmosphäre 4 um das Halbleitermaterial 1 ionisiert. Bei Abwesenheit nachzuweisender Gase ist die Brückenschaltung auf tL· =3 0 abgeglichen. Treten nachzuweisende Go.se in die ionisierte Gasatmosphäre 4 ein, werden sie durch die Strahlung ionisiert, in aktivierte, reaktionsfreudige Bestandteile gespalten und durch das elektrische Feld in Richtung Oberfläche des Halbleitermaterials 1 beschleunigt und konzentriert« Die zur Leitfähigkeit s änderung erforderliehe Reduktions-Oxydations Reaktion an der Oberfläche des Halbleitermaterials 1 findet ohne elektrische Aufheizung des Halbleitermaterials 1 statt« Die Aktivierung des nachzuweisenden Gases durch die Einwirkung der Strahlung in Kombination mit dem elektrischen Feld erfolgt im Vergleich zur thermischen Stimulierung durch elektrische Aufheizung nahezu leistungslos« Komplizierte Einlaufeffekte bzw. lange Einlaufzeiten sind durch den Wegfall der elektrischen Aufheizung nicht mehr zu berücksichtigen. In Fig. 2 ist ein De-
24.1
tektor mit O^ -Strahlenquelle 5 aus Am ^ dargestellt. Das Halbleitermaterial 1 aus SnO„ befindet sich als dünne Oberflächenschicht auf einer Glasfaser 7 in der Achse einer zylinderförmigen Elektrode 2« Vor der Oi -Strahlenquelle 5 ist eine Blende 9 aus nicht leitendem Material so angebracht, daß die o( -Strahlen die Halbleiteroberfläche nicht treffen können, weil diese, im Strahlenschatten 6 liegt. Damit ,werden irreversible Leitfähigkeitsänderungen vermieden. Durch die Öffnungen 10 des mit einem Sockel 8 versehenen Gehäuses ti können Gas'e in das Gasdetektionssystem eintreten, die U. «Strahlung jedoch nicht hinausgelangen, weil die Öffnungen 10 durch die Elektrode 2 verdeckt und außer-
halb der ionisierten GasatmoSphäre 4 angeordnet sind· Der Durchmesser der Glasfaser 7 ist so gering, daß durch die Anordnung in der Achse der zylinderförmigen Elektrode 2 das elektrische Feld, an der Oberfläche des Halbleitermaterials 1, auch bei mit niederspannung betriebenen Detektor, sehr hoch ist«. - :.' ..- ;. . .' .' ' ' ' In der Umgebung des Halbleitermaterials 1 finden dadurch energiereiche Stöße zwischen Ionen und Molekülen statt. Insbesondere erfahren die so angeregten und ionisierten Bestandteile des nachzuweisenden Gases auf der Strecke der letzten freien Weglänge eine die Reaktion fördernde Beschleunigung.

Claims (1)

  1. Erfindungsanspruch . '. ;
    Detektor zum Nachweis von Gasen durch Leitfähigkeitsänderung von Halbleitermaterialien, gekennzeichnet dadurch, daß das Halbleitermaterial (T) -in einer ionisierten Gasatmosphäre (4) und in einem elektrischen Feld angeordnet ist, wobei das Halbleitermaterial (1) gleichzeitig Widerstand in der Auswert eschaltung und Elektrode in der Anordnung zur Erzeugung dls elektrischen Feldes, bestehend aus Halbleitermaterial (1) und Elektrode (2) ist,
    Detektor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Ionisierung der Gasatmosphäre (4) eine oder mehrere oC -Strahlenquellen (5) oder β -Strahlenquellen (3) eingesetzt sind, wobei vor der oi -Strahlenquelle (5) -eine Blende (9) so angeordnet ist, daß das Halbleitermaterial (1) im Strahlenschatten (6) liegt/
    Detektor nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Halbleitermaterial (1) dünne Schichten von Metalloxyden z.B· SnO2 auf nichtleitenden Grundmaterialien z.B. einer Glasfaser (T)' angeordnet sind, oder das Halbleitermaterial (1) als drahtförmiger Sinterkörper ausgebildet ist*
    Detektor nach Punkt 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch, daß das Halbleitermaterial (I)9 umgeben von der ionisierten Gasatmosphäre (4) und der Anordnung bestehend aus Halbleiter material (1) und Elektrode (2) in einemGehäuse (11) mit Sockel (8) und Öffnungen (10) untergebracht ist, wobei die Öffnungen (10) durch die"pC - und β -Strahlung undurchlässige Elektrode (2) verdeckt und außerhalb der ionisierten Gasatmosphäre (4) angeordnet sind*
    Detektor nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektrode (2) als Gehäuse (11) ausgebildet ist.
    f//eriu.1 Seit« Zeichnungen
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