DE102007021957A1

DE102007021957A1 - Gassensoranordnung

Info

Publication number: DE102007021957A1
Application number: DE102007021957A
Authority: DE
Inventors: Kevin Sutton in Ashfield Brown
Original assignee: e2v Technologies UK Ltd
Current assignee: SGX Sensortech IS Ltd
Priority date: 2006-05-11
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2007-12-20
Also published as: GB2437984A; CA2588432A1; US20070274868A1; GB2437984B; GB0609353D0

Abstract

Eine Gassensoranordnung zum Detektieren eines brennbaren Gases umfasst eine Detektorleitung in thermischem Kontakt mit einem Katalysator und eine Kompensatorleitung. Die Leitungen bestehen in Form von Pellet-Resistoren (Pellistoren) und in einer Brückenanordnung mit konstantem Strom. Eine mit der Detektorleitung und der Kompensatorleitung verbundene elektrische Schaltung ist angeordnet, um eine Differenz zwischen dem Widerstand der Detektorleitung und dem Widerstand der Kompensatorleitung zu detektieren, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, um das Vorhandensein eines brennbaren Gases anzuzeigen. Die elektrische Schaltung ist ferner angeordnet, um ein Korrektursignal aus einer Messung des Widerstands der Kompensatorleitung zum Korriegieren des Ausgangssignals bezüglich einer Temperaturvariation abzuleiten. Die Umgebungstemperatur wird dadurch unter Verwendung der Spannung über der Kompensatorleitung gemessen. Die Korrektur kann als Hardware oder als Software ausgeführt sein.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Gassensoren, insbesondere die Art von Gassensoren, die als katalytische Pellet-Resistoren (Pellistoren) bekannt sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Katalytische Pellistoren werden seit vielen Jahren verwendet, um Niveaus von brennbaren Gasen und Dämpfen in Luft zu detektieren. Kurz dargestellt umfassen derartige Sensoren typischerweise ein Paar von Spulen, die jeweils in einer Perle eingebettet sind. Eine der Perlen (der Detektor) ist mit einem geeigneten Katalysator beschichtet, der mit einem zu prüfenden Gas reagiert, die andere Perle (der Kompensator) ist nicht mit dem Katalysator beschichtet. Die Spulen werden erwärmt, so dass die mit dem Katalysator beschichtete Perle mit dem Prüfgas reagiert, wodurch die Temperatur weiter angehoben wird und der Widerstand der Spule in der katalysierten Perle erhöht wird. Die Widerstandsdifferenz zwischen der Detektor- und der Kompensatorspule wird durch eine Brückenschaltung gemessen. Es ist bekannt, dass sich das Ansprechen dieser Art von Sensor ändern kann, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Diese Änderung kann als eine Änderung des Nullpunkts (d.h. des Ansprechens in Luft) oder als eine Änderung des Nettoansprechens auf das brennbare Gas gesehen werden.
Es ist möglich, die Änderung des Nullpunkts durch genaues Anpassen der Änderungen des Widerstands zwischen der Kompensator- und der Detektorperle zu minimieren. Dies ist bei Konstantstrombetrieb relativ leicht durchzuführen, es ist aber bei Konstantspannungsbetrieb der Brückenschaltung weniger leicht, doch nach wie vor möglich. Die Auswirkung der Temperatur auf das Nettoansprechen auf das brennbare Gas ist eine inhärente Eigenschaft der Detektorperle und führt zu einem Abfall der Empfindlichkeit, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt. Diese Änderung verursacht normalerweise keine bedeutenden Probleme bei "normalen" Umgebungstemperaturen. Zum Beispiel legt die Gütenorm EN 61779-4 (für „Gruppe 2"-Instrumente, die bis zu 100 % der unteren Explosionsgrenze UEG des entzündbaren Gases anzeigen) für eine ortsfeste Vorrichtung fest, dass die maximale Variation bei +55 Grad Celsius ± 10 % des Messbereichs oder ± 20 % der Anzeige nicht überschreiten soll, je nachdem, welcher Wert größer ist. Es scheint jedoch einen Trend dahingehend zu geben, dass die Gütetesttemperaturanforderungen erhöht werden und die zulässige Variation abgesenkt wird. Ein Beispiel ist die CSA-Gütenorm C22-2-152, Abschnitt 6.12.2 für ortsfeste Systeme. Bei dieser wurde die obere Temperatur auf 75 Grad Celsius erhöht, während die maximal zulässige Variation auf ± 5 % des Vollausschlagswerts verringert wurde.
Die Änderung des Ansprechens derartiger Sensoren mit der Temperatur kann leicht modelliert und das Ansprechen kann kompensiert werden (durch Erhöhen der Verstärkung in der Sensorschaltung), wenn die Umgebungstemperatur bekannt ist. Bestehende Instrumente führen dies durch Messen der Umgebungstemperatur unter Verwendung eines Thermometers durch, entweder in dem Sensorkopf oder in dem Instrument selbst. Dieses Thermometer weist typischerweise die Form eines Thermistors oder eines Thermoelements auf.
Ein Beispiel der Anordnung einer Detektorperle und einer Kompensatorperle ist in EP-A-0 231 973 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird eine Kompensatorperle verwendet, um zusätzlich zu messen, ob die Gaskonzentration über einer oberen Explosionsgrenzenkonzentration (OEG-Konzentration) liegt, bei welcher eine Verbrennung an der Detektorperle erstickt würde und die Messung der Gaskonzentration ungenau würde.
Wir haben die Notwendigkeit eingesehen, die Leistungsfähigkeit von Gassensoren zu verbessern, die einen detektierten Anstieg der Temperatur aufgrund der katalytischen Reaktion als den Mechanismus verwenden, um ein Targetgas zu detektieren. Wir haben insbesondere die Notwendigkeit eingesehen, die Umgebungstemperatur genau und einfach zu messen, um eine Kompensation der Temperaturvariation zu ermöglichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert, auf welche nun die Bezugnahme gerichtet wird.
Die Erfindung umfasst Schaltkreise, die angeordnet sind, um aus dem Widerstand einer Kompensatorleitung ein Korrektursignal abzuleiten. Dies ermöglicht es, dass die Umgebungstemperatur des Umfelds, welche die Detektorleitung und die Kompensatorleitung umgibt, ermittelt wird, und dass eine geeignete Korrektur durchgeführt wird, um den Abfall der Empfindlichkeit zu kompensieren, wenn der Sensor bei hohen Temperaturen verwendet wird, wie zum Beispiel bei etwa 200 Grad Celsius.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben, wobei:
1 einen Querschnitt eines Gassensors, welcher die Erfindung verkörpern kann, von oben und von der Seite zeigt;
2 einen Pellet-Resistor zeigt; und
3 eine Brückenschaltung zeigt, welche die Erfindung verkörpern kann.
BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Ausführungsform der Erfindung ist ein Gassensor von der Art eines Pellet-Resistors (auch als Pellistor bekannt). Die physische Anordnung eines derartigen Sensors wird zuerst kurz beschrieben (dies ist dem Fachmann wohlbekannt).
Der Gassensor umfasst eine Basis 1, die ein Siebgewebe oder ein Sintermetall 3 lagert, um ein Gehäuse zu bilden. Die Rückseite des Gehäuses kann mit einer Vergussmasse 9 abgedichtet sein. Innerhalb des Gehäuses befinden sich ein Detektierelement 7 und ein Kompensatorelement 8. Jedes Element umfasst eine Metallspule 5, die in einem Oxid eingebettet ist, um eine Perle zu bilden. Die Detektierperle ist mit einer katalytischen Metallbeschichtung beschichtet, die aus Palladium oder Platin bestehen kann. Die Kompensatorperle ist mit einer nicht katalytischen Verbindung beschichtet. Die Draht- oder Leitungsspulen sind über elektrisch leitfähige Stifte 4 mit Schaltkreisen verbunden. Der Aufbau der Pellistorperlen ist in 2 gezeigt, welche den Heizdraht 12 zeigt, der in einer Metalloxidperle 14 eingebettet ist. Die Detektier- und die Kompensierperle sind über leitfähige Adern 9, Stifte oder andere Leiter mit Schaltkreisen verbunden.
Die elektrische Schaltung des verkörpernden Sensors ist in 3 gezeigt. Das Detektorelement 7 und das Kompensatorelement 8 sind in einer Brückenschaltung mit Gleichgewichtswiderständen R₁ 20, 22 verbunden. Ein Abgleichwiderstand 24 ist vorgesehen, um die Schaltung ins Gleichgewicht zu bringen. Eine Energiequelle 28 ist über die Brückenschaltung über zwei Kontaktstellen und ein Ausgangsdetektor, hier als ein einfaches Voltmeter 26 gezeigt, über die anderen beiden Kontaktstellen verbunden. In der Praxis wird der Ausgangsdetektor weitere Schaltkreise umfassen, typischerweise, um ein Digitalsignal zur Analyse bereitzustellen.
Während des Betriebs hält der Abgleichwiderstand die Brücke im Gleichgewicht. Eine Brücke im Gleichgewicht weist kein Ausgangssignal auf. Der Widerstandswert R₁ und der Abgleichwiderstand 24 werden mit relativ großen Widerstandswerten gewählt, um eine korrekte Funktion der Schaltung sicherzustellen. Wenn ein Gas an der aktiven Sensoroberfläche des Detektierelements 8 verbrennt, bewirkt die Wärme der Verbrennung, dass die Temperatur des Elements ansteigt, was wiederum den Widerstand des Elements ändert. Wenn der Widerstand der Brücke nicht im Gleichgewicht ist, wird die Offsetspannung durch das Voltmeter 26 als Signal gemessen. Es ist wichtig, dass die Referenzperle (Kompensatorperle) während der Einwirkung des brennbaren Gases einen im Wesentlichen konstanten Widerstand aufrecht erhält; andernfalls ist das gemessene Signal ungenau. Ein zusätzlicher Widerstand kann parallel zu der Kompensatorperle zu Abstimmungszwecken vorgesehen sein.
Die Auswirkung von Temperaturänderungen auf die Pellistorperlen ist bekannt. Bei einer Schaltung der Wheatstonebrückenart wie oben beschrieben, die bei konstanter Spannung betrieben wird, erhöht ein Anstieg der Umgebungstemperatur beide Perlenwiderstände. Bei einer Konstantspannungsschaltung bewirkt diese Widerstandserhöhung ein Absinken des in der Schaltung hindurchfließenden Stroms. Eine Änderung der einzelnen Spannungen ist ebenfalls zu sehen und eine positive Änderung in einer Perle wird sich in einer negativen Änderung in der anderen Perle widerspiegeln. Dies ist auch bei Vorhandensein eines brennbaren Gases zu sehen. In diesem Fall steigt die Spannung über der Detektorperle an (aufgrund des an der Detektorperle verbrennenden Gases, was deren Temperatur und daher deren Widerstand erhöht), und es muss deshalb, da die Perlenpaar- oder Brückenspannung fest ist, die Kompensatorspannung abfallen. Daher sind die Perlen voneinander abhängig.
Die Schaltung, welche die Erfindung verkörpert, wird mit einer Konstantstromquelle 28 betrieben. Im Fall von konstantem Strom sind die Spannungen über den Perlen nicht voneinander abhängig. Deshalb sind beide Perlenspannungen frei, um sich mit der Temperatur zu ändern. Die Spannung über der Detektorperle kann bei Vorhandensein eines brennbaren Gases ansteigen, aber die Spannung über der Kompensatorperle ist durch die Änderung über der Detektorperle unbeeinflusst (abgesehen von einer kleinen Änderung aufgrund der Gesamtänderung der Gasdichte). Jegliche Änderung der Spannung über der Kompensatorperle liegt deshalb an einer Änderung der Umgebungstemperatur und ist im Wesentlichen linear. Somit kann die Spannung über dem Kompensator als ein Thermometer verwendet werden, um die Umgebungstemperatur zu messen. Es gibt eine Änderung der Empfindlichkeit mit ansteigender Umgebungstemperatur, wenn die Temperaturänderung im Vergleich zur Umgebungstemperatur absinkt. Die Änderung der Empfindlichkeit des Sensors insgesamt mit der Temperatur ist bekannt, und so kann das korrekte Maß an Kompensation durchgeführt werden. Die Korrektur des Ausgangssignals, um eine Änderung der Temperatur zu kompensieren, kann in weiteren Schaltkreisen durchgeführt werden, die hier als ein Voltmeter 30 gezeigt sind. Das Korrektursignal, das aus der Messung des Widerstands der Kompensatorperle erhalten wird, wird jedoch vorzugsweise verwendet, um die Verstärkung des Ausgangssignals in einer nachfolgenden Softwareverarbeitung einzustellen, wobei in diesem Fall die als ein einfaches Voltmeter gezeigten Schaltkreise in der Praxis ein Analog-Digital-Wandler sind. Die Spannung über dem Kompensator wird gemessen und der Temperaturbetrag wird dann unter Verwendung eines Algorithmus oder einer Nachschlagetabelle berechnet. Die Messung wird unter Verwendung eines Hochimpedanzsystems durchgeführt und würde daher den Rest der Wheatstonebrückenschaltung nicht beeinflussen.
Die Technik in dieser Ausführungsform der Erfindung wird immer wichtiger, wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, zum Beispiel kann bei Temperaturen von 200 Grad Celsius die Pellistorempfindlichkeit um ~20 % verringert sein. Die vorliegende Technik würde die Möglichkeiten erhöhen, dass die Gütenormtemperaturen ohne die Notwendigkeit für externe Temperaturmesssensoren auf weit über 100 Grad Celsius erhöht werden können.
Die geeigneten Ausgänge von dem Gassensor sind in 3 gezeigt und können durch drei Ausgangsstifte vorgesehen sein: zwei Ausgangsstifte zum Anschluss des Voltmeters 26 und ein Extrastift zum Extraanschluss des zusätzlichen Voltmeters 30.
Ein typisches Ansprechen auf eine Umgebungstemperaturänderung der Kompensatorperle variiert linear von 2,5 Ohm bei 20 Grad Celsius bis 3 Ohm bei 200 Grad Celsius. Dieses lineare Ansprechen kann in analogen Schaltkreisen, einem DSP oder einer Nachschlagetabelle als Software ausgeführt sein.

Claims

Gassensoranordnung zum Detektieren eines brennbaren Gases, umfassend eine Detektorleitung in thermischem Kontakt mit einem Katalysator und eine Kompensatorleitung, eine elektrische Schaltung, die mit der Detektorleitung und der Kompensatorleitung verbunden ist und die angeordnet ist, um eine Differenz zwischen dem Widerstand der Detektorleitung und dem Widerstand der Kompensatorleitung zu detektieren, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, um das Vorhandensein eines brennbaren Gases anzuzeigen, wobei die elektrische Schaltung ferner angeordnet ist, um ein Korrektursignal aus einer Messung des Widerstands der Kompensatorleitung zum Korrigieren des Ausgangssignals bezüglich einer Temperaturvariation abzuleiten.
Gassensoranordnung nach Anspruch 1, wobei die elektrische Schaltung als Konstantstromschaltung arbeitet.
Gassensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Schaltung eine Brückenanordnung umfasst.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei die Detektorleitung und die Kompensatorleitung in einer Wheatstonebrückenanordnung mit einer Konstantstromquelle über die Detektorleitung und die Kompensatorleitung mit der elektrischen Schaltung verbunden sind.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Schaltung eine Anordnung zum Kompensieren des Ausgangssignals in Bezug auf das Korrektursignal umfasst.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrische Schaltung Analog-Digital-Wandler umfasst, um das Ausgangssignal und das Korrektursignal in entsprechende digitale Signale zum nachfolgenden digitalen Verarbeiten zum Korrigieren der Temperaturvariation umzuwandeln.
Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Detektor- und die Kompensatorleitung in Perlen in Form von Pellistoren befinden.
Verfahren zum Betreiben eines Gassensors, wobei der Gassensor eine Detektorleitung in thermischem Kontakt mit einem Katalysator und eine Kompensatorleitung umfasst, wobei das Verfahren ein Detektieren einer Differenz zwischen dem Widerstand der Detektorleitung und dem Widerstand der Kompensatorleitung umfasst, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, um die Anwesenheit eines brennbaren Gases anzuzeigen, sowie ein Ableiten eines Korrektursignals aus einer Messung des Widerstands der Kompensatorleitung zum Korrigieren des Ausgangssignals bezüglich einer Temperaturvariation.
Verfahren nach Anspruch 8, umfassend ein Bereitstellen eines konstanten Stroms durch die Detektorleitung und die Kompensatorleitung.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, umfassend ein Umwandeln des Ausgangssignals und des Korrektursignals in jeweilige digitale Signale und ein Kompensieren des Ausgangssignals in Bezug auf das Korrektursignal unter Verwendung von digitaler Signalverarbeitung.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die digitale Signalverarbeitung als Software ausgeführt ist.