DD271379A1

DD271379A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR DETERMINING THE CONCENTRATION OF A GAS

Info

Publication number: DD271379A1
Application number: DD31428988A
Authority: DD
Inventors: Holger Hochmuth; Mathias Artic; Helmut Pietsch
Original assignee: Energieversorgung Ingbetrieb
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1989-08-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Konzentration eines brennbaren Gases in Luft oder in anderen Gasgemischen nach dem Prinzip der katalytischen Verbrennung und findet in allen Bereichen der Gasanalyse von brennbaren Gasen Anwendung. In vorteilhafter Wirkung wird mittels eines Regelkreises einerseits die Temperatur eines aktiven Sensors konstant gehalten und andererseits die Temperatur des nichtaktiven Sensors beeinflusst, wobei sowohl der aktive als auch der nichtaktive Sensor vom gleichen Strom durchflossen werden. Die erfindungsgemaesse Loesung sieht eine Verknuepfung eines Regelkreises mit einer ersten Brueckenanordnung, die sowohl einen aktiven als auch nichtaktiven Sensor enthaelt, und mit einer zweiten Brueckenanordnung, die nur den aktiven Sensor aufweist, vor, wobei in einem gemeinsamen Zweig der ersten sowie der zweiten Brueckenanordnung der aktive Sensor mit dem nichtaktiven Sensor in Reihe geschaltet ist.The invention relates to a circuit arrangement for determining the concentration of a combustible gas in air or in other gas mixtures according to the principle of catalytic combustion and is used in all areas of the gas analysis of combustible gases application. Advantageously, the temperature of an active sensor is kept constant by means of a control circuit on the one hand, and on the other hand, the temperature of the non-active sensor is influenced, wherein both the active and the non-active sensor are traversed by the same current. The inventive solution provides a connection of a control loop with a first bridge arrangement, which contains both an active and non-active sensor, and with a second bridge arrangement having only the active sensor, wherein in a common branch of the first and the second bridge arrangement of active sensor is connected in series with the non-active sensor.

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Konzentration eines brennbaren Gases nach dem Prinzip der katalytischen Verbrennung.The invention relates to a circuit arrangement for determining the concentration of a combustible gas according to the principle of catalytic combustion.

Die Erfindung kann in allen Bereichen der Gasanalyse von brennbaren Gasen angewendet werden.The invention can be applied in all areas of gas analysis of combustible gases.

Characteristic of the known technical solutions

Es ist bekannt, daß zur Bestimmung der Konzentration eines brennbaren Gases in Luft oder in einem anderen Gasgemisch Sensoren verwendet werden, die aus einem dünnen Draht, der mit einem Katalysator überzogen ist, bestehen. Dabei wird ein katalytisch wirksamer, aktiver Sensor zusammen mit einem katalytisch unwirksamen, nichtaktiven Sensor in einer Wheatstone'schen Brückenschaltung zum Zweck der Kompensation der Umwelteinflüsse angeordnet. Die Brücke wird anIt is known that to determine the concentration of a combustible gas in air or in another gas mixture, sensors are used which consist of a thin wire coated with a catalyst. In this case, a catalytically active, active sensor is arranged together with a catalytically inactive, non-active sensor in a Wheatstone bridge circuit for the purpose of compensating the environmental influences. The bridge will be on

eine Spannungs- bzw. Stromquelle angeschlossen, die den Betrieb des aktiven Sensors bei seiner günstigsten Arbeitstemperatur ermöglicht. Bei Zuführung eines brennbaren Gases an die Sensoren erhöht sich die Temperatur des aktiven Sensors durch die katalytische Verbrennung des Gases an dessen Oberfläche. Damit steigt auch sein Widerstand. Es entsteht in der Brücke eine der Konzentration des brennbaren Gases entsprechende Differenzspannung. Nachteilig ist, daß bei höheren Gaskonzentrationen die Temperatur am aktiven Sensor so stark ansteigt, daß dessen Lebensdauer beträchtlich verkürzt wird.a voltage or current source connected, which allows the operation of the active sensor at its best working temperature. When a combustible gas is supplied to the sensors, the temperature of the active sensor increases due to the catalytic combustion of the gas at the surface thereof. This increases his resistance. It creates in the bridge one of the concentration of the combustible gas corresponding differential voltage. The disadvantage is that at higher gas concentrations, the temperature at the active sensor increases so much that its life is considerably shortened.

Des weiteren sind Schaltungsanordnungen bekannt, bei denen die Temperaturen des aktiven und des nichtaktiven Sensors konstant gehalten werden. In der DE-OS 2445550 werden die beiden Sensoren in zwei parallel geschalteten Brücken betrieben. Nachteilig ist, daß durch die Parallelschaltung der beiden'Brücken der doppelte Speisestrom benötigt wird. Dies ist besonders bei langen Speiseleitungen z.B. in Gaswarnanlagen kritisch. Durch die gewählte Schaltungsanordnung ist außerdem das Konstanthalten der Temperatur des nichtaktiven Sensors erforderlich, was zu einem erhöhten Schaltungsaufwand führt. Weiter ist eine Schaltungsanordnung beschrieben, bei der nur ein aktiver Sensor in einer Brückenschaltung verwendet wird (DE-OS 2457650). Durch einen Regelkreis wird die Brückenverstimmung auf Null gehalten. Die Regelgröße ist gleichzeitig ein Maß für die Konzentration des brennbaren Gases. Nachteilig ist, daß durch die gewählte Schahungsart kein Kompensationssensor in der Brücke angeordnet werden kann. Damit täuschen Temperaturschwankungen des Gasgemisches Konzentrationsänderungen vor. Die Schaltung funktioniert nur bei sehr hohen Gaskonzentrationen sicher.Furthermore, circuit arrangements are known in which the temperatures of the active and the non-active sensor are kept constant. In DE-OS 2445550 the two sensors are operated in two bridges connected in parallel. The disadvantage is that by the parallel connection of the two bridges the double supply current is needed. This is especially true for long feed lines e.g. critical in gas detection systems. The selected circuit arrangement also requires keeping the temperature of the non-active sensor constant, which leads to an increased circuit complexity. Next, a circuit arrangement is described in which only an active sensor is used in a bridge circuit (DE-OS 2457650). A control loop keeps the bridge detuning at zero. The controlled variable is also a measure of the concentration of the combustible gas. The disadvantage is that no compensating sensor can be arranged in the bridge by the chosen Schahungsart. Thus, temperature fluctuations of the gas mixture pretend concentration changes. The circuit works only at very high gas concentrations safely.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Schaltungsanordnung zum zuverlässigen Betrieb von Gassensoren zu finden, die hohe Nachweisempfindlichkeiten zuläßt, einen relativ geringen Speisestrom benötigt und eine hohe Lebensdauer der Gassensoren bei gleichzeitiger Kompensation der Umwelteinflüsse (z.B. Temperatur) gewährleistet.The aim of the invention is to find a simple and inexpensive circuit arrangement for the reliable operation of gas sensors, which allows high detection sensitivities, requires a relatively low supply current and ensures a long service life of the gas sensors with simultaneous compensation of the environmental influences (for example temperature).

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Konzentration eines brennbaren Gases zu entwickeln, wobei mittels eines Regelkreises einerseits die Temperatur eines aktiven Sensors konstant gehalten und andererseits die Temperatur eines nichtaktiven Sensors beeinflußt wird.The invention has for its object to develop a circuit arrangement for determining the concentration of a combustible gas, wherein by means of a control circuit on the one hand, the temperature of an active sensor kept constant and on the other hand, the temperature of a non-active sensor is affected.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe nach dem Prinzip der katalytischer! Verbrennung mittels Sensor, Widerstandsbrückenanordnung sowie Regelkreis durch eine kombinierte Verschaltung eines Regelkreises sowohl mit einer ersten Brückenanordnung als auch mit einer zweiten Brückenanordnung gelöst. Die erste Brückenanordnung, die einen aktiven sowie nichtaktiven Sensor aufweist, ist mit der zweiten Brückenanordnung, die den aktiven Sensor enthält, derartig verknüpft, daß der aktive sowie der nichtaktive Sensor in Reihe geschaltet sind.According to the invention, the object is based on the principle of catalytic! Combustion by means of sensor, resistance bridge arrangement and control loop by a combined interconnection of a control loop with both a first bridge arrangement and with a second bridge arrangement solved. The first bridge arrangement comprising an active and non-active sensor is linked to the second bridge arrangement containing the active sensor such that the active and non-active sensors are connected in series.

Der aktive und nichtaktive Sensor werden dem gleichen Gasstrom ausgesetzt.The active and non-active sensors are exposed to the same gas flow.

In Ausgestaltung der Erfindung sind die Eingänge eines Subtrahierverstärkers an die Diagonale der zweiten Brückenanordnung angeschlossen. Der erste Eingang des Subtrahierverstärkers ist an den ersten Anschluß eines ersten Widerstandes der ersten Brückenanordnung, an den ersten Anschluß des aktiven Sensors der ersten sowie zweiten Brückenanordnung und an den ersten Anschluß eines dritten Widerstandes der zweiten Brückenanordnung, dessen zweiter Anschluß an Masse liegt, angeschlossen, wobei der zweite Anschluß des aktiven Sensors über den Verbindungspunkt A mit dem ersten Anschluß des nichtaktiven Sensors der ersten Brückenanordnung verbunden ist. Weiterhin führt der zweite Anschluß des ersten Widerstandes über den Verbindungspunkt B an den ersten Anschluß eines zweiten Widerstandes der ersten Brückenanordnung. Der zweite Widerstand ist als Einstellwiderstand ausgebildet. Über ihn wird der Nullabgleich der ersten Brückenanordnung durchgeführt. Sein zweiter Anschluß ist über den Verbindungspunkt C sowohl mit dem zweiten Anschluß des nichtaktiven Sensors der ersten Brückenanordnung als auch mit dem Ausgang des Subtrahierverstärkers verbunden, womit ein Regelkreis entsteht.In an embodiment of the invention, the inputs of a subtracting amplifier are connected to the diagonal of the second bridge arrangement. The first input of the subtracting amplifier is connected to the first terminal of a first resistor of the first bridge arrangement, to the first terminal of the active sensor of the first and second bridge arrangement and to the first terminal of a third resistor of the second bridge arrangement whose second terminal is grounded. wherein the second terminal of the active sensor is connected via the connection point A to the first terminal of the non-active sensor of the first bridge arrangement. Furthermore, the second terminal of the first resistor leads via the connection point B to the first terminal of a second resistor of the first bridge arrangement. The second resistor is designed as a setting resistor. About him the zero balance of the first bridge arrangement is performed. Its second terminal is connected via the connection point C both to the second terminal of the non-active sensor of the first bridge arrangement and to the output of the subtraction amplifier, whereby a control circuit is formed.

In weiterer Ausgestaltung ist der Subtrahierverstärker mit seinem zweiten Eingang sowohl an den ersten Anschluß eines vierten Widerstandes der zweiten Brückenanordnung, dessen zweiter Anschluß an den Verbindungspunkt A der ersten Brückenanordnung führt, verschaltet. An der Diagonalen A,B ist ein Abgriff der Differenzspannung für den Betrieb einer Anzeigevorrichtung vorgesehen. Mittels des fünften Widerstandes, der als Einstellwiderstand ausgebildet ist, wird die Arbeitstemperatur des aktiven Sensors eingestellt.In a further embodiment, the subtracting amplifier is connected with its second input both to the first terminal of a fourth resistor of the second bridge arrangement, whose second terminal leads to the connection point A of the first bridge arrangement. On the diagonal A, B a tap of the differential voltage for the operation of a display device is provided. By means of the fifth resistor, which is designed as a setting resistor, the operating temperature of the active sensor is set.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung sind zwei Fälle von Bedeutung.To explain the operation of the circuit, two cases are important.

Im ersten Fall ändert sich bei vorher abgeglichener erster Brückenanordnung (Differenzspannung = 0) die Temperatur des Gasgemisches. Der Regelkreis verringert bei Temperaturerhöhung bzw. erhöht bei Temperaturabnahme die Spannung über den Sensoren. Damit wird der Widerstand des aktiven Sensors durch Änderung der zugeführten elektrischen Leistung konstant gehalten. Da aber durch die Reihenschaltung der beiden Sensoren auch die dem nichtaktiven Sensor zugeführte elektrische Leistung in dem gleichen Maße geändert wird, kann sich auch dessen Temperatur und damit auch sein Widerstand nicht ändern.In the first case changes in previously balanced first bridge arrangement (differential voltage = 0), the temperature of the gas mixture. The control circuit reduces the voltage across the sensors when the temperature increases or increases as the temperature decreases. Thus, the resistance of the active sensor is kept constant by changing the supplied electric power. However, since the series connection of the two sensors and the non-active sensor supplied electrical power is changed in the same degree, its temperature and thus its resistance can not change.

Die erste Brückenanordnung bleibt dadurch abgeglichen. Temperaturänderungen rufen also keine Änderung der Differenzspannung hervor. Praktisch wird eine sehr geringe Änderung der Differenzspannung auftreten, die um so kleineV Ist, je weniger sich die beiden Sensoren in ihrem Aufbau unterscheiden.The first bridge arrangement remains aligned. Temperature changes do not cause a change in the differential voltage. In practice, there will be a very small change in the differential voltage, which is the smaller the difference between the two sensors in their construction.

Im zweiten Fall werden die beiden Sensoren bei vorher abgeglichener erster Brückenanordnung einem brennbaren Gasgemisch ausgesetzt. Dadurch wird dem aktiven Sensor eine zusätzliche Leistung durch die katalytische Verbrennung von außen zugeführt. Der Regelkreis verringert jetzt die Spannung über den Sensoren und hält den Widerstand des aktiven Sensors konstant. Durch die Reihenschaltung der beiden Sensoren wird nun dem nichtaktiven Sensor eine reduzierte elektrische Leistung zugeführt. Da diesem aber keine zusätzliche katalytische Leistung zugeführt wird, sinkt dessen Temperatur und damit auch sein Widerstand. Damit entsteht in der Diagonale der ersten Brückenanordnung eine der Gaskonzentration entsprechende Differenzspannung.In the second case, the two sensors are exposed to a combustible gas mixture at previously balanced first bridge arrangement. As a result, an additional power is supplied to the active sensor by the catalytic combustion from the outside. The control loop now reduces the voltage across the sensors and keeps the resistance of the active sensor constant. Due to the series connection of the two sensors, a reduced electrical power is now supplied to the non-active sensor. However, since this is no additional catalytic power supplied, its temperature and thus its resistance decreases. This produces a differential voltage corresponding to the gas concentration in the diagonal of the first bridge arrangement.

Die unmittelbaren vorteilhaften technischen Auswirkungen der Erfindung bestehen darin, daß die Temperatur des aktiven Sensors konstant gehalten wird, die Temperatur des nichtaktiven Sensors mittels des Regelkreises bei NichtVorhandensein eines brennbaren Gasgemisches ebenfalls konstant gehalten wird, dieXemperatur des nichtaktiven Sensors mittels des Regelkreises bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches abgesenkt wird und die kritische Temperaturerhöhung des aktiven Sensors bei Vorhandensein eines brennbaren Gasgemisches ohne Regelung durch die Regelung in eine unkritische Temperaturabnahme des nichtaktiven Sensors überführt wird.The immediate advantageous technical effects of the invention are that the temperature of the active sensor is kept constant, the temperature of the non-active sensor is kept constant by the control circuit in the absence of a combustible gas mixture, the temperature of the non-active sensor by means of the control loop in the presence of a combustible gas mixture is lowered and the critical temperature increase of the active sensor is transferred in the presence of a combustible gas mixture without regulation by the scheme in a non-critical temperature decrease of the non-active sensor.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below by exemplary embodiments.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Schaltungsanordnung vor, die den aktiven und den nichtaktiven Sensor 2,1 in Reihenschaltung in einem Zweig einer Brückenanordnung enthält, die die Temperatur des aktiven Sensors konstant hält und die nur einen Regelkreis benötigt (vgl. Fig. 1).The solution according to the invention provides a circuit arrangement which contains the active and non-active sensor 2, 1 connected in series in a branch of a bridge arrangement which keeps the temperature of the active sensor constant and which requires only one control loop (see FIG.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch zwei ineinandergeschachtelte Brückenanordnungen und einen Regelkreis gelöst. Die erste Brückenanordnung besteht aus dem nichtaktiven Sensor 1, dem aktiven Sensor 2 sowie den Widerständen 3 und 4. Aktiver und nichtaktiver Sensor 1,2 müssen bis auf die katalytischen Eigenschaften annähernd gleiche geometrische Abmessungen und physikalische Eigenschaften besitzen. Beide Sensoren werden dem gleichen Gasstrom ausgesetzt. An der Diagonale A,B der ersten Brückenanordnung wird die Differenzspannung U (Diff) zum Betrieb einer Anzeigeeinrichtung für die Gaskonzentration abgegriffen. Die zweite Brückenanordnung besteht aus dem aktiven Sensor 2 und den Widerständen 5,6 und 7. An die Diagonale der zweiten Brückenanordnung sind die beiden Eingänge eines Subtrahierverstärkers 8 angeschlossen. Die erste Brückenanordnung ist mit dem Ausgang des Subtrahierverstärkers 8 verbunden, welcher die Versorgungsspannung der beiden Brückenanordnungen beeinflußt. Damit ist ein Regelkreis entstanden.According to the invention, the object is achieved by two nested bridge arrangements and a control loop. The first bridge arrangement consists of the non-active sensor 1, the active sensor 2 and the resistors 3 and 4. Active and non-active sensor 1,2 must have approximately the same geometric dimensions and physical properties except for the catalytic properties. Both sensors are exposed to the same gas flow. At the diagonal A, B of the first bridge arrangement, the differential voltage U (Diff) for operating a display device for the gas concentration is tapped. The second bridge arrangement consists of the active sensor 2 and the resistors 5, 6 and 7. The two inputs of a subtraction amplifier 8 are connected to the diagonal of the second bridge arrangement. The first bridge arrangement is connected to the output of the subtracting amplifier 8, which influences the supply voltage of the two bridge arrangements. This created a control loop.

In vorteilhafter Weise wird mit dem Regelkreis die Temperatur des aktiven Sensors 2 konstant gehalten, gleichzeitig aber, da beide Sensoren 1,2 vom gleichen Strom durchflossen werden, die Temperatur des nichtaktiven Sensors 1 beeinflußt.Advantageously, the temperature of the active sensor 2 is kept constant with the control loop, but at the same time, since both sensors 1.2 are traversed by the same current, the temperature of the non-active sensor 1 is affected.

Fig. 2 und 3 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung.Figs. 2 and 3 show two embodiments of the invention.

Bis auf die Regelstrecke und die Speisung unterscheiden sich beide Beispiele nicht. Die Brückenanordnungen werden abgeglichen, wenn kein brennbares Gasgemisch vorhanden ist. Mittels Einstellwiderstand 5 wird zuerst die Sensorarbeitstemperatur eingestellt. Danach wird über den Einstellwiderstand 3 der Nullabgleich der Brückenanordnungen durchgeführt.Except for the controlled system and the feed, both examples do not differ. The bridge arrangements are adjusted if no combustible gas mixture is present. By means of adjusting resistor 5, the sensor working temperature is first set. After that, zero adjustment of the bridge arrangements is carried out via the setting resistor 3.

Fig. 2 stellt die Schaltungsanordnung bei Speisung an einer konstanten Spannung dar. Die Leistungsreduzierung wird hier mittels eines Längsregeltransistors 9 durchgeführt. Hier wäre auch ein Schattregler zwecks Reduzierung der Regelverluste einsetzbar.FIG. 2 shows the circuit arrangement when supplied with a constant voltage. The power reduction is carried out here by means of a longitudinal control transistor 9. Here also a shading controller could be used to reduce the control losses.

Fig. 3 stellt die Schaltungsanordnung bei Speisung mit einem konstanten Strom dar. Die Leistungsreduzierung wird hier mittels eines Querregeltransistors 11 durchgeführt.FIG. 3 shows the circuit arrangement when supplied with a constant current. The power reduction is carried out here by means of a transverse control transistor 11.

Claims

Claim:

1. Circuit arrangement for determining the concentration of a combustible gas in air or other gas mixtures according to the principle of catalytic combustion, wherein the temperature of the active sensor is kept constant by means of control loop, characterized in that a control circuit with both a first bridge arrangement and with a second Bridge arrangement is connected, wherein the first bridge arrangement, which contains an active and non-active sensor (2; 1), which are exposed to the same gas flow, with the second bridge arrangement, which has only the active sensor (2), is linked such that the active and the non-active sensor (2; 1) are connected in series.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that

A subtracting amplifier (8) is connected with its first input to the first terminal of a first resistor (4) of the first bridge arrangement, the second terminal of which leads via the connection point B to the first terminal of a second resistor (3) of the first bridge arrangement,

A subtracting amplifier (8) having its first input connected to the first terminal of a third resistor (6) of the second bridge arrangement whose second terminal is grounded,

- A subtracting amplifier (8) is connected with its first input to the first terminal of the active sensor (2) of the first and second bridge arrangement, wherein the second terminal of the active sensor (2) via the connection point A with the first terminal of the non-active sensor ( 1) of the first bridge arrangement whose second terminal leads via the connection point C to the second terminal of the second resistor (3) of the first bridge arrangement is connected,

The subtracting amplifier (8) is connected with its second input both to the first terminal of a fourth resistor (7) of the second bridge arrangement whose second terminal is grounded and to the first terminal of a fifth resistor (5) of the second bridge arrangement, whose second connection leads to the diagonal A, B of the first bridge arrangement is connected,

- The subtracting amplifier (8) is connected with its output for controlling the supply voltage of the first and second bridge arrangement to the connection point C of the first bridge arrangement.

3. Circuit arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that a tap of the differential voltage U (Diff) is provided on the diagonal A, B of the first bridge arrangement for the operation of a display device for the gas concentration.

4. Circuit arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the output of the subtracting amplifier (8) to the base of the longitudinal control transistor (9) for controlling the voltage source (10) provided operating voltage of the first and second bridge arrangement is connected.

5. Circuit arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the output of the subtracting amplifier (8) is connected to the base of the transverse control transistor (11) for controlling the current supplied by the current source (12) operating current of the first and second bridge arrangement.