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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gasmessgerätes für die Messung und/oder Überwachung
der Konzentration von Gasen, insbesondere von brennbaren Gasen,
wie beispielsweise Methan in Umgebungsluft, mit einem Wärmetönungssensor,
einem Wärmeleitfähigkeitssensor
und wenigstens einem Korrektursensor, wonach Messsignale der Sensoren
in einer Steuereinheit verarbeitet werden.
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Ein
solches Verfahren ist Gegenstand der
DE 38 08 305 C2 . In diesem Zusammenhang ist
den beiden Sensoren (Wärmetönungssensor
und Wärmeleitfähigkeitssensor)
zusätzlich
noch ein Temperatursensor zugeordnet. Des weiteren findet sich ein Feuchtemesskreis,
mit dessen Hilfe die Feuchte der Umgebungsluft erfasst wird. Die
Temperatur- und Feuchtemesswerte werden zur Temperaturkorrektur und
Feuchtekorrektur verwendet.
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Eine
Wärmetönungssensor
dient allgemein zum Nachweis und zur Messung von brennbaren Gasen.
Dazu enthält
der fragliche Wärmetönungssensor
einen Katalysator, der auf eine bestimmte Temperatur (beispielsweise
500°C) erhitzt
wird, wodurch das zu messende brennbare Gas unter Verbrauch eines
Teiles des im Messgas bzw. Gasgemisch vorhandenen Sauerstoffs an
der Sensoroberfläche
katalytisch verbrennt. Durch diesen Verbrennungsvorgang wird die
Sensortemperatur erhöht.
Diese Temperaturerhöhung
oder Wärmetönung wird
als Messsignal für
die Konzentration des brennbaren Gases in dem zu untersuchenden
Luftgemisch ausgewertet und angezeigt.
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Meistens
wird der Wärmetönungssensor
als aktiver Detektor zusammen mit einem passiven Kompensator in
einem Brückenhalbzweig
(Wheatstonesche Brückenschaltung)
angeordnet. Diese Brücke bzw.
Brückenschaltung
wird entweder mit Konstantstrom oder mit Konstantspannung gespeist.
Solche Mess einrichtungen mit Wärmetönungssensoren
haben sich bewährt
und arbeiten in der Regel zufriedenstellend bis zu einem Anteil
von beispielsweise 5 Vol.-% an Methan in Umgebungsluft.
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Unabhängig davon
kennt man Wärmeleitfähigkeitssensoren,
die ebenfalls zu einer Brückenanordnung
verschaltet werden. Die Wärmeleitfähigkeitssensoren
erfassen bei einer reduzierten Arbeitstemperatur von beispielsweise
200°C die Änderung der
thermischen Leitfähigkeit
des den Wärmeleitfähigkeitssensor
umgebenden Gasgemisches erfassen. Wird ein bestimmter Schwellwert
für die
thermische Leitfähigkeit überschritten,
so lässt
sich von dem Wärmetönungssensor
auf den Wärmeleitfähigkeitssensor
und umgekehrt umschalten (vgl.
DE 36 35 513 C2 ). Eine solche Umschaltung
ist erforderlich bzw. wird im Allgemeinen vorgenommen, weil beispielsweise
zu hohe Methankonzentrationen in Umgebungsluft den Wärmetönungssensor
schädigen können. Deshalb
wird bei der bekannten Lehre sowohl mit einem Wärmetönungssensor als auch einem
Wärmeleitfähigkeitssensor
gearbeitet.
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Der
Wärmeleitfähigkeitssensor
ist im Allgemeinen ständig
in Betrieb und nur bei einem Vol.-%-Anteil des Methans von etwa
5 Vol.-% wird – zusätzlich oder
alternativ – auf
den Wärmetönungssensor
umgeschaltet, um in diesem Bereich eine genaue Messung vornehmen
zu können.
Das ist erforderlich, weil die Bestimmung des Methangasgehaltes unterhalb
von 5 Vol.-% besonders sensibel ist, da dieser Konzentrationsbereich
hoch explosiv ist bzw. sein kann. Das heißt, es kommt bei der Messung
des Methangasgehaltes, insbesondere unter Tage, darauf an, den Konzentrationsmessbereich
bis 5 Vol.-% möglichst
genau zu erfassen. Außerdem
müssen Schädigungen
des Wärmetönungssensors
vermieden werden, und zwar dadurch, dass dieser oberhalb von beispielsweise
5 Vol.-% Methan abgeschaltet wird.
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Der
Stand der Technik, insbesondere nach der
DE 38 08 305 C2 hat sich
bewährt.
Allerdings ist der Stromverbrauch relativ hoch, weil durchgängig der
Wärmetönungssensor
und der Wärmeleitfähigkeitssensor
in Folge der Brückenschaltung
mit einem Konstantstrom beaufschlagt werden. Das ist insofern nachteilig,
als zunehmend mobile Lösungen
mit verringertem Stromverbrauch gefordert werden. Auch stationäre Gasmessgeräte müssen neuerdings
mit immer weniger elektrischer Energie auskommen, weil die Stromleitungsversorgung
beispielsweise unter Tage aufwendig und kostenträchtig ist. Hier will die Erfindung
insgesamt Abhilfe schaffen.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein derartiges
Betriebsverfahren so weiterzuentwickeln, dass das betreffende Gasmessgerät mit einem
Minimum an elektrischer Energie betrieben werden kann.
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Zur
Lösung
dieser technischen Problemstellung ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren
vorgesehen, dass jeweilige Differenzmesssignale des Wärmetönungssensors
und des Wärmeleitfähigkeitssensors
mit Hilfe von zum jeweiligen Korrekturwert abgespeicherten Differenzkalibriermesswerten
korrigiert werden.
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Im
Gegensatz zu den bekannten Vorgehensweisen werden erfindungsgemäß der Wärmetönungssensor
und der Wärmeleitfähigkeitssensor
also nicht (mehr) in einer jeweiligen Brückenschaltung betrieben. Vielmehr
steht in der Regel jeweils eine gegebenenfalls zu- und abschaltbare
Spannungsversorgung zur Verfügung
und wird jeweils der zugehörige
Spannungsabfall am Sensor erfasst und als Messsignal interpretiert.
Dabei werden die beiden Spannungsabfallsignale von einerseits dem
Wärmetönungssensor
und andererseits dem Wärmeleitfähigkeitssensor
regelmäßig voneinander
subtrahiert und als Differenzmesssignale in der Steuereinheit ausgewertet.
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Zu
diesen Differenzmesssignalen des Wärmetönungssensors und des Wärmeleitfähigkeitssensors
korrespondieren abgespeicherte Differenzkalibriermesswerte. Tatsächlich sind
diese Differenzkalibiermesswerte anhand einer vorgeschalteten Kalibrierung
der beiden Sensoren ermittelt worden – wiederum indem jeweils Differenzmesssignale
der Sensoren erfasst und aufgenommen wurden.
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Diese
Differenzmesssignale sind nun bei der Kalibrierung mit Korrekturwerten
bzw. Korrekturmesswerten des Korrektursensors flankiert worden. Bei
dem Korrektursensor kann es sich um einen Temperatursensor und/oder
einen Feuchtesensor handeln. Zu jedem Korrekturwert, also im Beispielfall Temperaturmesswert
und/oder Feuchtemesswert, korrespondiert nun ein jeweiliger Differenzkalibiermesswert.
Dabei drückt
der Differenzkalibriermesswert aus, um wieviel das aktuell angezeigte
Differenzmesssignal (in Abhängigkeit
vom jeweiligen Temperaturmesswert und/oder Feuchtemesswert) korrigiert
werden muss, um das bei der Kalibrierung bekannte und "wahre" Differenzmesssignal
ausgangsseitig zu erhalten.
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Der
Differenzkalibriermesswert wird nun bei einer anschließenden Messung
(nach der Kalibrierung) in Abhängigkeit
von dem aktuell ermittelten Messwert des Korrektursensors (dem jeweiligen
Korrekturwert) mit den tatsächlich
ermittelten Differenzmesssignalen in der Steuereinheit in der Weise
verrechnet, dass etwaige Temperatur- und Feuchteabweichungen der
gemessenen Differenzmesssignale ausgeglichen bzw. korrigiert werden.
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In
vorteilhafter Weise wird die zuvor bereits angesprochene Spannungsversorgung
für den
Wärmetönungssensor
von der Steuereinheit nach Maßgabe
von mittels des Wärmeleitfähigkeitssensors
gemessenen Messsignalen ein- und
ausgeschaltet. Das heißt,
erst wenn mit Hilfe des Wärmeleitfähigkeitssensors
bei einem Methan-Luftgemisch im Beispielfall ein Methangehalt von weniger
als 5 Vol.-% erfasst wird, sorgt die dann mit Hilfe der Steuereinheit zugeschaltete
Spannungsversorgung dafür,
dass der Wärmetönungssensor
ergänzend
in Betrieb genommen wird. Das heißt, der Wärmeleitfähigkeitssensor bleibt zugeschaltet,
um beispielsweise die Spannungsversorgung für den Wärmetönungssensor unmittelbar wieder
abzuschalten, sobald das fragliche Messsignal für den Vol.-%-Anteil des Methans
in Luft im Beispielfall 5% überschreitet.
Jedenfalls wird der Wärmetönungssensor
nur in dem für
ihn gleichsam unschädlichen
Konzentrationsbereich in Betrieb genommen und bleibt ansonsten ausgeschaltet.
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Zu
diesem Zweck ist dem Wärmetönungssensor
ein Schalter zugeordnet, welcher von der Steuereinheit beaufschlagt
wird und die Spannungsversorgung an den fraglichen Sensor anlegt
oder von diesem trennt. Bei diesem Schalter mag es sich um einen
Transistorschalter, insbesondere FET-Transistor (Feldeffekttransistor)
handeln. Das ist selbstverständlich
nicht zwingend.
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Wie
zuvor bereits angedeutet, liegen die jeweiligen Messsignale von
einerseits dem Wärmetönungssensor
und andererseits dem Wärmeleitfähigkeitssensor üblicherweise
als Spannungsabfälle
vor. Das heißt,
je nach Konzentration des zu messenden Gases im Gasgemisch bzw.
von Methan in Umgebungsluft ändert
sich der Widerstand des zugehörigen
Sensors und folglich auch der Spannungsabfall an ihm. Die jeweiligen
Spannungsabfälle
von einerseits dem Wärmeleitfähigkeitssensor
und andererseits dem Wärmetönungssensor
werden gegebenenfalls verstärkt
und in der Steuereinheit zu den Differenzmesssignalen verarbeitet.
Dagegen sind die Differenzkalibriermesswerte vor der eigentlichen
Messung mit Hilfe der Kalibriereinrichtung ermittelt worden. Die
Differenzkalibriermesswerte werden in einen Speicher eingeschrieben.
Bei dem Speicher kann es sich um einen austauschbaren bzw. löschbaren
und programmierbaren Speicher handeln, z. B. EEPROM (Electrically
Erasable Programmable Read Only Memory). Es kommt also vorteilhaft
ein programmierbarer und löschbarer
Speicher zum Einsatz.
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Darüber hinaus
berücksichtigen
die Differenzkalibriermesswerte sowohl eine Temperatur- als auch
Feuchteabweichung des Wärmetönungssensors
wie des Wärmeleitfähigkeitssensors
und folglich auch der hieraus abgeleiteten Differenzmesssignale. Schließlich hat
es sich bewährt
und ist besonders vorteilhaft, wenn die sämtlichen Sensoren zusammen
mit dem Speicher und der Steuereinheit in einem austauschbaren Sensorkopf
angeordnet sind. Dadurch kann bei einem Verschleiß einzelner
oder aller Sensoren ein problemloser Austausch des Sensorkopfes
vorgenommen werden.
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Dabei
sind nach einem Austausch der Wärmetönungssensor
und der Wärmeleitfähigkeitssensor
automatisch kalibriert, weil in dem zugehörigen Speicher die zu dem Sensorpaar
korrespondierenden Differenzkalibriermesswerte hinterlegt sind.
Hierdurch ist gewährleistet,
dass der fragliche Sensorkopf unmittelbar korrigierte Messsignale
an eine gegebenenfalls entfernt vorgesehene Anzeigeeinheit abgibt.
Dadurch ist ein unmittelbarer Austausch und problemloser Weiterbetrieb
möglich.
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Gleichzeitig
ist der Verbrauch an elektrischer Energie deutlich gegenüber bisherigen
Ausführungsformen
reduziert, weil nur Spannungsabfälle
an den Sensoren erfasst werden. Ein Dauerbetrieb wie bei einer Brückenschaltung
mit ständig
(hohem) Stromverbrauch wird nicht verfolgt, schon weil der besonders
viel elektrische Energie verbrauchende Wärmetönungssensor nur dann zugeschaltet
wird, wenn sein Betrieb gefahrlos möglich ist.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert;
die einzige Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Gasmessgerät schematisch.
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In
der einzigen Figur ist ein Gasmessgerät dargestellt, welches vorliegend
und nicht einschränkend
zur Messung und Überwachung
der Konzentration von Methan in Umgebungsluft beispielsweise unter
Tage eingesetzt wird. Dazu verfügt
das fragliche Gasmessgerät über einen
Wärmetönungssensor 1 und
einen Wärmeleitfähigkeitssensor 2.
Der Wärmetönungssensor 1 arbeitet
in der zuvor bereits beschriebenen Art und Weise, und zwar dergestalt, dass
je nach Konzentration des brennbaren Gases (Methan) in der Umgebungsluft
ein in seinem Innern ablaufender katalytischer Verbrennungsprozess
zu einer mehr oder minder ausgeprägten Temperaturerhöhung korrespondiert.
Diese Temperaturerhöhung wird über einen
sich ändernden
Widerstand erfasst, der zu einem variierenden Spannungsabfall führt, welcher
seinerseits zwischen zwei Messpunkten a und b abgegriffen und in
einer Steuereinheit 3 ausgewertet werden kann.
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Vergleichbar
arbeitet der Wärmeleitfähigkeitssensor 2,
bei dem ebenfalls ein variierender Spannungsabfall an einem sich ändernden
Widerstand zwischen Messpunkten c und d mit Hilfe der Steuereinheit 3 aufgenommen
und registriert wird. Dieser Spannungsabfall resultiert daher, dass
die Konzentration des zu erfassenden brennbaren Gases (Methan) in
Umgebungsluft die thermische Leitfähigkeit des den fraglichen
Wärmeleitungssensors 2 umgebenden
Gasgemisches ändert.
Die Änderung der
thermischen Leitfähigkeit
korrespondiert zu einer Widerstandsänderung, die wiederum einen
sich ändernden
Spannungsabfall zwischen den Messpunkten c und d impliziert, der
mit Hilfe der Steuereinheit 3 erfasst und gemessen wird.
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Im
Rahmen der Erfindung werden die zugehörigen Spannungswerte bzw. Messwerte
des Spannungsabfalls der beiden Sensoren 1, 2 in
der Steuereinheit 3 dergestalt verarbeitet, dass jeweilige
Differenzmesssignale des Wärmetönungssensors 1 und des
Wärmeleitfähigkeitssensors 2 gebildet
werden. Je nach Auslegung der Sensoren 1, 2 können die
zugehörigen
Spannungsabfallmesswerte, welche zu Digitalwerten korrespondieren
bzw. hierin umgewandelt werden, einfach voneinander subtrahiert
werden. Meistens wird man die Messsignale bzw. Messwerte des nur
bei geringen Konzentrationen im Betrieb befindlichen Wärmetönungssensors 1 von
denjenigen des Wärmeleitfähigkeitsensors 2 subtrahieren.
Das ist jedoch nicht zwingend.
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Zu
diesen Messwerten bzw. Messsignalen und den hieraus resultierenden
Differenzmesssignalen von einerseits dem Wärmetönungssensor 1 und andererseits
dem Wärmeleitfähigkeitssensor 2 treten Korrekturmesswerte
bzw. Korrekturwerte hinzu. Diese Korrekturmesswerte resultieren
einerseits von Messsignalen eines Temperatursensors 4 und
andererseits von Messsignalen eines Feuchtesensors 5. Mit
Hilfe des Temperatursensors 4 und des Feuchtesensors 5 wird
die aktuelle Feuchte und Temperatur an die Steuereinheit 3 übermittelt,
beispielsweise 25% Feuchte und 20°C
Temperatur.
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Zu
den fraglichen und aktuellen Korrekturmesswerten bzw. Korrekturwerten
(25% Feuchte; 20°C)
gehören
Differenzkalibriermesswerte. Diese Differenzkalibriermesswerte gleichen
einerseits Temperaturabweichungen und andererseits Feuchteabweichungen
der Differenzmesssignale aus und sind in einem vorgeschalteten Kalibriervorgang
einmalig ermittelt und festgelegt sowie abgespeichert worden. Das
heißt,
zu jedem Wertepaar Temperatur/Feuchte gehört im Beispielfall ein spezieller
und definierter Differenzkalibriermesswert. Dieser spiegelt einen Messwert
wider, der zu dem aktuell ermittelten Differenzmesssignal gehört beispielsweise
addiert oder subtrahiert werden muss, um die bei dem aktuellen Korrekturwert
(Temperaturmesswert und/oder Feuchtemesswert) bei der Kalibrierung
beobachteten Abweichungen des gemessenen vom tatsächlichen Differenzmesssignal
auszugleichen.
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Bei
den Differenzkalibriermesswerten handelt es sich im einfachsten
Fall um abgespeicherte Digitalwerte, die die Korrektur des Differenzmesssignales
in Abhängigkeit
von den Korrekturmesswerten, einerseits den Messwerten des Temperatursensors 4 und
andererseits denjenigen des Feuchtesensors 5 vorgeben.
Meistens werden die aktuellen jeweiligen Differenzmesssignale und
die Differenzkalibriermesswerte addiert oder durch eine andere Rechenoperation
in der Steuereinheit verknüpft,
so dass nach dieser Rechenoperation korrigierte Differenzmesssignale
ausgangsseitig der Steuereinheit 3 zur Verfügung stehen.
Diese korrigierten Differenzmesssignale werden an eine lediglich
angedeutete und entfernte Anzeigeeinheit 6 übergeben.
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Zu
der Steuereinheit 3 gehört
ein Speicher 7, welcher primär die vorgenannten Differenzkalibriermesswerte
beinhaltet. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels
ist der Speicher als lösch-
und programmierbarer Speicher, beispielsweise EEPROM, ausgeführt. Je
nach Korrekturwert, bzw. Korrekturmesswert, einerseits von dem Temperatursensor 4 und
andererseits von dem Feuchtesensor 5, entnimmt die Steuereinheit 3 dem
Speicher 7 den zugehörigen
Differenzkalibriermesswert. Im Anschluss daran sorgt eine Korrektureinheit 3' dafür, dass
die jeweiligen Differenzmesssignale des Wärmetönungssensors 1 und
des Wärmeleitfähigkeitsensors 2 unter
Berücksichtung
des oder der zum jeweiligen Korrekturwert abgespeicherten Diffenzkalibriersignale
korrigiert werden.
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Die
daraus resultierenden korrigierten Differenzmesssignale werden – wie gesagt – an die
Anzeigeeinheit 6 über
eine Zuleitung 8 übermittelt.
Auch ein drahtloser Datenaustausch zwischen der Steuereinheit 3 und
der Anzeigeeinheit 6 ist möglich und wird von der Erfindung
umfasst. Die Korrektureinheit 3' ist im Ausführungsbeispiel in die Steuereinheit 3 integriert.
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Der
Temperatursensor 4 und der Feuchtesensor 5 bzw.
die beiden Korrektursensoren 4, 5 sind zusammen
mit dem Wärmetönungssensor 1,
dem Wärmeleitfähigkeitssensor 2,
der Steuereinheit 3 und dem Speicher 7 sowie gegebenenfalls
einer zusätzlichen
Spannungsversorgung 9, 10 auf einer gemeinsamen
Platine bzw. insgesamt in einem Sensorkopf 11 angeordnet.
Dieser Sensorkopf 11 lässt
sich als komplette Baueinheit austauschen. Dazu verfügt der Sensorkopf 11 ausgangsseitig über eine
entsprechende Steckverbindung 12, mit welcher die elektrische
Verbindung zur Anzeigeeinheit 6 bzw. einer externen zusätzlichen
Spannungsquelle hergestellt wird.
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Auf
diese Weise kann der Betrieb des Gasmessgerätes unmittelbar weitergeführt werden,
und zwar auch dann, wenn der Wärmetönungssensor 1 und/oder
der Wärmeleitfähigkeitssensor 2 verschlissen
oder funktionsunfähig
sein sollten. Denn der Sensorkopf 11 stellt eine komplette
Baueinheit zur Verfügung,
die ausgangsseitig hinsichtlich Temperatur und Feuchte korrigierte
Differenzmesssignale zur Verfügung
stellt. Diese Differenzmesssignale lassen sich unmittelbar in Konzentrationsmesswerte
des zu überwachenden
brennbaren Gases (Methan) in Umgebungsluft im Beispielfall umsetzen.
Das kann entweder schon in der Steuereinheit 3 erfolgen
oder erst in der Anzeigeeinheit 6.
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Anhand
der einzigen Figur wird deutlich, dass der Wärmetönungssensor 1 einerseits
und der Wärmeleitfähigkeitssensor 2 andererseits über eigene
Spannungsversorgungen 9 respektive 10 verfügen. Die
jeweiligen Spannungsversorgungen 9, 10 greifen
jeweils auf einen Operationsverstärker als Gleichspannungsverstärker zurück. Mit
Hilfe des Operationsverstärkers
wird ein Schalter bzw. Transistor T bei der Spannungsversorgung 9 für den Wärmetönungssensor 1 auf
Durchlass geschaltet, sobald von der Steuereinheit 3 über eine
Diode D ein entsprechendes Eingangssignal an den Operationsverstärker der
Spannungsversorgung 9 angelegt wird. Hierdurch kann die
Spannungsversorgung 9 für
den Wärmetönungssensor 1 ein-
und ausgeschaltet werden, und zwar nach Maßgabe von Signalen der Steuereinheit 3.
Dabei schaltet die Steuereinheit 3 den fraglichen Wärmetönungssensor 1 jeweils
in Abhängigkeit
von mittels des Wärmeleitfähigkeitssensors 2 gemessenen
Messsignalen ein und aus.
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Liegt
beispielsweise die vom Wärmeleitfähigkeitssensor 2 gemessene
Konzentration des brennbaren Gases (Methan) in Umgebungsluft oberhalb
von 5 Vol.-%, so wird der fragliche Schalter bzw. Transistor T nicht
auf Durchlass geschaltet, ist also gesperrt. Folgerichtig erhält der Wärmetönungssenor 1 keine
Versorgungsspannung. Erst unterhalb von in etwa 5 Vol.-% Konzentrationsgehalt
des brennbaren Gases (Methan) wird der Wärmetönungssensor 1 zusätzlich zu
dem Wärmeleitfähigkeitssensor 2 betrieben.