DE102009038277A1

DE102009038277A1 - Selbstkontrolle von Halbleitergassensoren zur Erkennung von Vergiftungserscheinungen durch organische Silikonverbindungen

Info

Publication number: DE102009038277A1
Application number: DE200910038277
Authority: DE
Inventors: Jörg Gottschald; Tilman Sauerwald; Daniel Skiera; André Freiling
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-08-20
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2011-03-03
Also published as: DE102009038277A8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gassensoranordnung (100) zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung mit einem Gassensor (100), einer Spannungsquelle (102) zum Anlegen einer Messspannung an den Gassensor (101), einer Auswerteeinheit (103) und einer Steuereinheit (104) zum Steuern der Messspannung entsprechend einem Messprotokoll. Die Auswerteeinheit (103) ist zum Bestimmen, ob der Sensor (101) vergiftet ist, auf Basis einer Leitwertmessung (307, 308; 309, 310; 403, 404; 405, 406) an dem Sensor (101) ausgeführt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft die Kontrolle von Gassensoren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Gassensoranordnung zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung sowie ein Luftfahrzeug mit zumindest einer Branddetektionsvorrichtung, die eine Gassensoranordnung umfasst.
Hintergrund der Erfindung
Der Einsatz von Halbleiter-Gassensoren (HLGS) in Flugzeugen erfordert eine Selbstüberwachung der Sensorfunktion, wenn eine Schädigung der Sensoren durch organische Silikone nicht ausgeschlossen werden kann. Dabei können Gassensoren mit organischen Silikonen vergiftet werden. Gassensoren müssen hinsichtlich ihrer Sensorfunktion im Hinblick auf mögliche Schädigung durch organische Silikonverbindungen überwacht werden.
Eine Überprüfung der Sensoren ist insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen wichtig, die einen hohen Wartungsaufwand benötigen, wie beispielsweise bei der Branddetektion in der Avionik. Dabei werden zur Überwachung die Sensoren in regelmäßigen Kalibrationsintervallen mittels eines Prüfgases durch einen Techniker kalibriert, um einen vergifteten Sensor von einem nicht vergifteten Sensor zu unterscheiden.
Durch eine Vergiftung des Halbleiter-Gassensors wird die Funktionsfähigkeit des Sensors oft stark beeinträchtigt.
Aus der DE 197 28 595 C1 ist ein Injektorluftauslass zur Temperatur- und Rauchgasüberwachung sowie ein Verfahren zur Temperatur- und Rauchgasüberwachung von abgeschlossenen Rumpfbereichen eines Flugzeuges bekannt.
Die EP 0 827 907 A1 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Atemgas in Notsauerstoffsystemen für Flugzeuge.
Zusammenfassung der Erfindung
Es kann als Aufgabe der Erfindung angesehen werden, eine einfache Überwachung der Sensorfunktion eines Gassensors anzugeben.
Es sind eine Gassensoranordnung zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung, ein Verfahren zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung sowie ein Luftfahrzeug mit einer Branddetektionsvorrichtung mit einer Gassensoranordnung gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche angegeben. Weiterbildungen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche verkörpert.
Gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung ist eine Gassensoranordnung zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung mit einem Gassensor, einer Spannungsquelle zum Anlegen einer Messspannung an den Gassensor, einer Auswerteeinheit und einer Steuereinheit angegeben. Die Steuereinheit ist zum Steuern der Messspannung entsprechend einem Messprotokoll ausgeführt. Die Auswerteeinheit ist zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist, auf Basis einer Leitwertmessung an dem Sensor ausgeführt.
Eine derartige Gassensoranordnung zur Sensorselbstkontrolle ermöglicht eine Selbstkontrolle eines Gassensors, wie beispielsweise eines Halbleiter-Gassensors (HLGS) ohne Prüfgas, das heißt eine aufwändige Nachkalibration oder Funktionskontrolle durch einen Techniker mit einem Prüfgas muss nicht mehr durchgeführt werden. Die Wartungsintervalle können wesentlich länger werden, wodurch beispielsweise Kostenreduktionen durch eine Reduktion der Wartungsarbeiten verringert werden können.
Ferner ermöglicht eine derartige Gassensoranordnung zur Selbstkontrolle eine Verbesserung der Detektionssicherheit des Gassensors, sowie eine Selbstkontrolle des Gassensors ohne Testgas.
Ein weiterer Vorteil einer derartigen Gassensoranordnung zur Sensorselbstkontrolle ist die mögliche Unterscheidung eines vergifteten Sensors von einem nicht vergifteten Sensor durch eine Sensorselbstkontrolle, ohne Prüfgas, und mit einer Verlängerung der Wartungsintervalle.
Die Gassensoranordnung ermöglicht vorteilhafterweise die Unterscheidung eines vergifteten Gassensors von einem nicht vergifteten Gassensor auf Basis der Änderung eines Leitwertes auf Basis einer an einer sensitiven Schicht des Gassensors angelegten zyklisch variierten Messspannung. Dabei ändert sich ein Leitwert bzw. eine Variation des Leitwertes innerhalb eines Messzyklus der an der sensitiven Schicht angelegten variierten Messspannung bei einer Beaufschlagung des Gassensors mit einer organischen Silikonverbindung bzw. einer Vergiftung des Gassensors. Die Auswerteeinheit ist zum Feststellen einer Beaufschlagung des Gassensors mit einer organischen Silikonverbindung auf Basis eines durch die Messspannung ermittelten Leitwertes des Gassensors ausgeführt. Die Vergiftung des Sensors kann beispielsweise durch eine organische Silikonverbindung erfolgen, wie Hexamethyldisiloxan (HMDS), wobei die Silikonverbindung auf der sensitiven Schicht des Gassensors oxidiert und eine nicht reversible Quarzschicht bildet, was die Vergiftung des Sensors darstellt. Die oben angegebene Gassensoranordnung ermöglicht eine Kontrolle, ob beispielsweise ein spezifischer Halbleiter-Gassensor durch organische Silikone geschädigt worden ist. Eine finanzielle und zeitaufwändige Funktionskontrolle durch einen Techniker kann entfallen.
Der Gassensor kann ferner durch Ozon, das beispielsweise bei Flügen in großer Höhe auftritt, durch salzhaltige Luft die beispielsweise in der Nähe von Ozeanen auftritt, durch Halogenverbindungen, beispielsweise aus Flammschutzmitteln, oder durch Schwefel- und Phosphorverbindungen vergiftet werden.
Eine derartige Gassensoranordnung ermöglicht es, dass ein spezifischer Halbleiter-Gassensor mit einer zyklisch variierten Messspannung betrieben wird. Im Verlaufe eines Messspannungsprofils bzw. eines Messspannungsprotokolls ändert der Sensor seinen Leitwert. Die Variation des Leitwertes innerhalb eines Messzyklus ändert sich charakteristisch, wenn der Sensor mit einer organischen Silikonverbindung beaufschlagt wurde. Mit einer Verrechnung könnten vergiftete und unvergiftete Sensoren unterschieden werden. Weiterhin können verschiedene Grade der Schädigung unterschieden werden. Die Leitwerte ändern sich bei einer Veränderung der Luftfeuchtigkeit. Die Luft mit einer bestimmten Luftfeuchte kann bei der Selbstkontrolle die Funktion eines Prüfgases übernehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung kann die Steuereinheit in die Auswerteeinheit integriert sein. Spannungsquelle und Auswerteeinheit bzw. Steuereinheit können mit dem Gassensor als modulartige Einheit ausgeführt sein, bzw. in den Gassensor integriert sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht das Messprotokoll das Anlegen einer Polarisationsspannung in eine Polarisationsphase des Gassensors über einen ersten Zeitraum vor. Das Messprotokoll sieht weiterhin ein Messen eines ersten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des ersten Zeitraums vor.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht das Messprotokoll ein Messen einer Anzahl von ersten Leitwerten innerhalb des ersten Zeitraums, der beispielsweise 10 Minuten umfasst, zu bestimmten Zeitpunkten, wobei beispielsweise 10 Punkte mit linearem Zeitabstand gemessen werden, und beispielsweise 50 weitere Punkte in logarithmischem Abstand gemessen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht das Messprotokoll das Anlegen einer Relaxationsspannung in einer Relaxationsphase des Gassensors über einen zweiten Zeitraum vor. Das Messprotokoll sieht ein Messen eines zweiten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des zweiten Zeitraums vor.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die Relaxationsspannung, die beispielsweise 0,5 V umfassen kann, für eine Zeit von beispielsweise 500 μs zu bestimmten Zeitpunkten an, beispielsweise an 10 Zeitpunkte mit einem linearen Zeitintervall und dann beispielsweise an 50 weitere Zeitpunkte mit einem logarithmischen Abstand innerhalb des zweiten Zeitraums.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht das Messprotokoll ein Messen einer Anzahl von zweiten Leitwerten innerhalb des zweiten Zeitraums, der beispielsweise 10 Minuten umfassen kann, zu bestimmten Zeitpunkten, beispielsweise 10 Punkte in einem linearen Zeitabstand und dann beispielsweise 50 weitere Punkte in einem logarithmischen Abstand vor.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht das Messprotokoll das Anlegen einer zyklisch variierten Messspannung in Form einer Polarisationsspannung, beispielsweise in Höhe von 2 V, und einer Relaxationsspannung, beispielsweise in einer Höhe von 0,5 V, über einen jeweils gleichen Zeitraum vor.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist, die Leitwertmessung mit einer Leitwertmessung eines unvergifteten Sensors verglichen.
Hierfür kann die Gassensoranordnung eine Speichereinheit aufweisen, in dem die Referenzdaten, beispielsweise die Leitwertmessungen des unvergifteten Gassensors, gespeichert sind. Der Speichereinheit kann in die Auswerteeinheit bzw. die Steuereinheit integriert sein.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist, auf Basis einer Verrechnung der Leitwertmessungen des vergifteten Gassensors mit Leitwertmessungen eines nicht vergifteten Gassensors.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Verrechnen unter Verwendung eines Neuronalen Netzes.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Verrechnen auf Basis einer Hauptkomponentenanalyse.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Verrechnen auf Basis einer Linearen Diskriminanzanalyse (LDA).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Verrechnen auf Basis einer Cluster-Analyse.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Gassensoranordnung weiterhin ein Luftfeuchtigkeitsmessgerät zum Bestimmen der Luftfeuchtigkeit auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist, die Leitwertmessungen bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit mit einer Leitwertmessung eines unvergifteten Sensors bei der bestimmten Luftfeuchtigkeit verglichen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Gassensoranordnung eine Speichereinheit zum Speichern von Leitwerten nicht vergifteter Sensoren bei bestimmten angelegten Spannungen und bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Auswerteeinheit der Gassensoranordnung zum Bestimmen eines Vergiftungsgrades des Sensors auf Basis einer Leitwertmessung des Sensors ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gassensor zum Feststellen eines Vergiftungsgrades des Gassensors auf Basis einer Verrechnung der ermittelten Leitwertmessungen bzw. Leitwerten des vergifteten Gassensors mit Leitwertmessungen bzw. Leitwerten eines nicht vergifteten Gassensors ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Gassensoranordnung zur Selbstkontrolle zur Erkennung einer Vergiftung ohne eine Kalibration mit einem Prüfgas ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Gassensor ein Halbleiter-Gassensor.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für ein Verfahren zur Selbstkontrolle bzw. zur Selbstüberwachung zum Erkennen einer Sensorvergiftung angegeben, das die folgenden Schritte aufweist: Anlegen einer Messspannung an den Gassensor; Steuern der Messspannung entsprechend einem Messprotokoll; und Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist, auf Basis einer Leitwertmessung des Sensors.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin ein Anlegen einer Polarisationsspannung in einer Polarisationsphase über einen Zeitraum gemäß dem Messprotokoll und ein Messen eines ersten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des ersten Zeitraums gemäß dem Messprotokoll auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin folgende Schritte auf: Anlegen einer Relaxationsspannung in einer Relaxationsphase über einen zweiten Zeitraum gemäß dem Messprotokoll und Messen eines zweiten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des zweiten Zeitraums gemäß dem Messprotokoll.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin ein Vergleichen der Leitwertmessung mit einer Leitwertmessung eines unvergifteten Gassensors zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist, auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ein Verrechnen der Leitwertmessungen des vergifteten Gassensors mit Leitwertmessungen eines nicht vergifteten Gassensors zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist, auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin folgende Schritte auf: Messen einer Luftfeuchtigkeit; und Vergleichen der Leitwertmessungen bei der Luftfeuchtigkeit mit einer Leitwertmessung eines unvergifteten Gassensors bei der Luftfeuchtigkeit zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin ein Bestimmen eines Vergiftungsgrades des Sensors auf Basis einer Leitwertmessung des Sensors auf.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Verrechnen unter Verwendung eines Neuronalen Netzes.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Verrechnen auf Basis einer Hauptkomponentenanalyse.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren weiterhin folgende Schritte auf: Polarisieren eines ersten nicht vergifteten Gassensors und eines zweiten vergifteten Gassensors durch das Anlegen einer ersten Messspannung an jeweils eine sensitive Schicht des ersten und zweiten Gassensors; Erfassen einer ersten Anzahl von Leitwerten für den ersten nicht vergifteten Gassensor und einer zweiten Anzahl von Leitwerten für den zweiten vergifteten Gassensor über einen ersten Zeitraum des Polarisierens; Relaxieren des ersten nicht vergifteten Gassensors und des zweiten vergifteten Gassensors durch das Anlegen einer zweiten Spannung an die jeweils sensitive Schicht des ersten und zweiten Gassensors; Erfassen einer dritten Anzahl von Leitwerten für den ersten nicht vergifteten Gassensor und einer zweiten Anzahl von Leitwerten für den zweiten vergifteten Gassensor über einen zweiten Zeitraum des Relaxierens; Verrechnen der ersten und zweiten Anzahl von Leitwerten des Gassensors; Verrechnen der zweiten und der dritten Anzahl von Leitwerten des Gassensors; Ermitteln eines Vergiftungsgrades je ermittelten Leitwert der Gassensoren auf Basis der Verrechnungen der ersten und zweiten Anzahl von Leitwerten der Gassensoren; und Ermitteln eines Vergiftungsgrades je ermittelten Leitwert der Gassensoren auf Basis der Verrechnungen der dritten und vierten Anzahl von Leitwerten der Gassensoren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Luftfahrzeug mit zumindest einer Branddetektionsvorrichtung angegeben, die zumindest eine Gassensoranordnung nach einem der vorangegangen Ausführungsbeispiele aufweist.
Die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden, wodurch sich zum Teil auch vorteilhafte Wirkungen einstellen können, die über die Summe der Einzelwirkungen hinausgehen, selbst wenn diese nicht ausdrücklich beschrieben sind.
Es ist insbesondere zu beachten, dass die hier und im Folgenden im Hinblick auf die Anordnung beschriebenen Merkmale auch in einem Luftfahrzeug und in einem Verfahren sowie in einem Gassensor implementierbar sind und umgekehrt.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden durch die Bezugnahme auf die hiernach beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen erläutert und verdeutlicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a zeigt eine schematische Darstellung einer Gassensoranordnung zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1b zeigt eine schematische Darstellung einer Gassensoranordnung zur Selbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Messspannungszyklus mit einer Polarisationsphase und einer Relaxationsphase gemäß einem Messprotokoll gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Leitwertmessung für eine Polarisationsphase und eine Relaxationsphase bei 50% Luftfeuchtigkeit nach einer ersten Vergiftung des Gassensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Leitwertmessung einer Polarisationsphase und einer Relaxationsphase an einem Gassensor bei 50% Luftfeuchtigkeit nach einer zweiten Vergiftung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Verrechnung von Leitwerten von vergifteten und unvergifteten Gassensoren nach einer ersten Vergiftung und nach einer zweiten Vergiftung bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Luftfahrzeugs mit zumindest einer Branddetektionsvorrichtung mit einer Gassensoranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In den folgenden Figurenbeschreibungen werden für gleiche oder ähnliche Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1a zeigt eine Gassensoranordnung 100 zur Selbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung mit einem Gassensor 101, an eine Messspannung einer Spannungsquelle 102 angelegt ist. Eine Steuereinheit 104 steuert die Messspannung entsprechend einem Messprotokoll, und ist an die Spannungsquelle 102 sowie den Gassensor 103 angeschlossen. Eine Auswerteeinheit 103 ist an den Gassensor angeschlossen, und zum Bestimmen, ob der Sensor 101 vergiftet ist, auf Basis einer Leitwertmessung an dem Sensor 101 ausgeführt.
1b zeigt eine schematische Darstellung einer Gassensoranordnung 100 zur Selbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung mit einem Gassensor 101, an den eine Spannungsquelle 102 zum Anlegen einer Messspannung an den Gassensor 101 angelegt ist. Eine Auswerteeinheit 103 umfasst eine Steuereinheit 104. Die Steuereinheit 104 kann in die Auswerteeinheit integriert sein. Die Steuereinheit 104 ist zum Steuern der Messspannung entsprechend einem Messprotokoll ausgeführt. Die Auswerteeinheit 103 ist zum Bestimmen, ob der Sensor 101 vergiftet ist, auf Basis einer Leitwertmessung an dem Sensor 101 ausgeführt, und mit dem Gassensor 101 sowie der Spannungsquelle 102 über eine Leitung verbunden.
Die Gassensoranordnung 100 umfasst gemäß 1b weiterhin ein Luftfeuchtigkeitsmessgerät 105 zum Bestimmten der Luftfeuchtigkeit.
Eine Speichereinheit 106 ist zum Speichern von Leitwerten eines unvergifteten Sensors bei bestimmten Luftfeuchtigkeiten ausgeführt, die zum Vergleichen mit den Leitwerten des Gassensors 101 bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit, für welchen Gassensor 101 bestimmt werden soll, ob er vergiftet ist, ausgeführt.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Messspannungszyklus 200 mit einer Polarisationsphase 201, in der eine Polarisationsspannung 207 an den Gassensor (nicht gezeigt) über einen gewissen Zeitraum, von beispielsweise 10 Minuten bzw. 600 Sekunden angelegt ist.
Bei der Polarisation bzw. in der Polarisationsphase 201 liegt dauerhaft für 10 Minuten eine Polarisationsspannung 207 von 2 V beispielsweise an der sensitiven Schicht eines Gassensors an.
Die schwarzen Balken in 2 zeigen die Messpunkte, bei denen das Sensorsignal gemessen wurde. Zuerst werden 10 Zeitpunkte mit linearem Abstand 208 aufgenommen, dann folgen 50 weitere Zeitpunkte mit logarithmischem Abstand 209. Eine vertikale Polarisationsspannungsachse 203 zeigt Werte von 0 bis 2 V an, während eine horizontale Zeitachse 204 einen ersten Zeitraum 204 von 0 bis 600 Sekunden bezeichnet.
Das Messprotokoll, gemäß dem die Messspannung an den Gassensor angelegt wird, sieht das Anlegen einer Polarisationsspannung 207, beispielsweise in Höhe von 2 V, in der Polarisationsphase 201 des Gassensors (nicht gezeigt) über einen ersten Zeitraum 204, beispielsweise über eine Länge von 10 Minuten, vor. Das Messprotokoll sieht ferner das Messen eines ersten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des ersten Zeitraums 204 vor.
Es können auch eine bestimmte Anzahl von ersten Leitwerten innerhalb des ersten Zeitraums zu bestimmten Zeitpunkten, beispielsweise 10 Zeitpunkte mit linearem Abstand 208, und dann 50 weitere Zeitpunkte in logarithmischem Abstand 209 gemessen werden.
Das Messprotokoll sieht ferner das Anlegen einer Relaxationsspannung 210, beispielsweise in Höhe von 0,5 V in einer Relaxationsphase 202 des Gassensors 101 über einen zweiten Zeitraum 206 vor. Dabei ist in 2 eine vertikale Relaxationsspannungsachse 205 mit Werten von 0–2 V gezeigt und eine zweite Zeitachse 206 mit einem zweiten Zeitraum mit einer Länge von beispielsweise 10 Minuten von 0 bis 600 Sekunden. Bei der Relaxation wird nur zur Messung des Sensorsignals für eine Zeit von beispielsweise 500 μs, eine Relaxationsspannung von beispielsweise 0,5 V angelegt, um den Sensor nicht weiter zu polarisieren. Gemäß 2 werden zuerst 10 Messpunkte mit linearem Abstand 210 aufgenommen, und dann 50 weitere Messpunkte mit logarithmischem Abstand 211. Das Bezugszeichen 212 bezeichnet beispielsweise einen Messpunkt der Relaxationsphase 202.
Gemäß 2 weist ein kompletter Spannungszyklus eine Dauer von 20 Minuten auf und umfasst 120 Messpunkte.
Bei der Messanordnung der 2 sowie den Darstellungen der 3 bis 5 sind beispielsweise zwei Halbleiter-Gassensoren vom Typ GGS 5330 der Firma UST GmbH oder beispielsweise wolframtrioxidbasierte Halbleitergassensoren einsetzbar, wobei einer dieser Sensoren zwei Mal für 10 Minuten mit einer Dosis von 100 parts per million (ppm) Hexamethyldisiloxan (HMDS) ausgesetzt wurden. In anderen Worten wurde eine erste Vergiftung des Sensors mit 100 ppm HMDS und eine zweite Vergiftung mit 200 ppm HMDS vorgenommen. Hierbei wird ein Sensor bei 5 V Heizspannung betrieben, was die typische Betriebsspannung für diesen Sensortyp darstellt. Der andere Sensor ist keiner Dosis von HMDS ausgesetzt. HMDS ist ein typischer Vertreter von organischen Silikonverbindungen, wie sie überall in Räumen, Autos oder auch Flugzeugen vorkommen können. Diese leicht flüchtigen Silikonverbindungen treten zum Beispiel aus Fensterdichtungen oder Kabelisolierungen aus. Bei Kontakt mit einem auf Betriebstemperatur liegenden Halbleiter-Gassensor oxidiert die Silikonverbindung auf der sensitiven Schicht des Sensors und bildet eine nicht reversible Quarzschicht, wodurch der Sensor vergiftet ist. Hierdurch wird die Funktionsfähigkeit des Sensors stark beeinträchtigt. Bisher konnte nur bei Angebot mit einem Testgas eine Vergiftung bei einem Sensor erkannt werden, da der Grundleitwert des Sensors in Raumluft sich nur unwesentlich bei einer Vergiftung ändert.
Die Gassensoren gemäß den schematischen Darstellungen der 2, 3, 4 und 5 sind beispielsweise synthetischer Luft mit 50% Luftfeuchtigkeit ausgesetzt.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Leitwertmessung eines vergifteten Sensors mit 100 ppm HMDS sowie einem nicht vergifteten Sensor bei 50% Luftfeuchtigkeit nach der ersten Vergiftung über einen bestimmten Zeitraum von etwa 10 Minuten während einer Polarisationsphase und einer Relaxationsphase dargestellt.
Eine vertikale Polarisationsleitwertachse 303 bezeichnet die Leitwerte von 0 bis 3,5 × 10^–6 1/Ohm sowie eine horizontale erste Zeitachse 304 für einen ersten Zeitraum 304 von 10 Minuten zwischen 10^–3 bis 10³ Sekunden für die Polarisationsphase 301.
In der Polarisationsphase 301 sind die Leitwerte des vergifteten Sensors 307 und des unvergifteten Sensors 308 dargestellt. Der vergiftete Sensor zeigt bei der Polarisation nach etwa 10–20 Sekunden einen deutlichen Leitwertanstieg, während der unvergiftete Sensor einen ebenen Verlauf des Leitwertes über die Zeit darstellt.
In der Relaxationsphase 302 einer ersten Vergiftung ist eine vertikale Relaxationsleitwertachse 305 von 0–3,5 × 10^–6 1/Ohm dargestellt sowie eine horizontale zweite Zeitachse 306 mit einem zweiten Zeitraum 306 von 10 Minuten zwischen 10^–3 bis 10³ Sekunden. In der Relaxationsphase 302 sind jeweils die Leitwerte des vergifteten Sensors 309 und die Leitwerte des unvergifteten Sensors 310 über den zweiten Zeitraum 306 dargestellt. In der Relaxationsphase 302 zeigt der vergiftete Sensor ein ausgeprägtes Leitwertmaximum bei etwa 10–20 Sekunden.
Insgesamt sind in der Polarisationsphase 301 an 60 Zeitpunkten Leitwerte für den vergifteten und unvergifteten Sensor bestimmt, ebenso wie in der Relaxationsphase 302.
4 zeigt Leitwertmessungen bei 50% Luftfeuchte nach der zweiten Vergiftung 400 für einen vergifteten Gassensor und einen unvergifteten Gassensor während der Polarisationsphase 401 und der Relaxationsphase 402. Die Leitwerte der Polarisationsphase 401 bzw. der Relaxationsphase 402 sind an einem Koordinatensystem gemäß 3 mit einer Polarisationsleitwertachse 303, einem ersten Zeitraum 304 sowie einer Polarisationsleitwertachse 305 sowie einem zweiten Zeitraum 306 dargestellt.
Der Kurvenverlauf der Leitwerte des vergifteten Gassensors 403 während der Polarisationsphase 401 während der zweiten Vergiftung ist noch wesentlich ausgeprägter als der Kurvenverlauf der Leitwerte des vergifteten Sensors während der Polarisationsphase 307 bei der ersten Vergiftung. In der graphischen Darstellung der Polarisationsphase 307 sind ebenfalls die Leitwerte des unvergifteten Sensors 404 über den ersten Zeitraum 304 dargestellt, die ähnlich dem Verlauf der Leitwerte des unvergifteten Sensors der 3 sind. Der Leitwertanstieg in der Polarisationsphase 401 des vergifteten Sensors 403 nach der zweiten Vergiftung ist wesentlich steiler als der Leitwertanstieg in der Polarisationsphase 301 des vergifteten Sensors 307 nach der ersten Vergiftung.
In der Relaxationsphase 402 nach der zweiten Vergiftung bei einer Luftfeuchte von 50% ist ebenfalls ein stärkerer Leitwertanstieg des vergifteten Sensors 402 über den zweiten Zeitrahmen 306 zu verzeichnen als in dem Kurvenverlauf des vergifteten Sensors 309 nach der ersten Vergiftung in der Relaxationsphase 302 gemäß 3. Der Kurvenverlauf des nicht vergifteten Sensors in der Relaxationsphase 406 nach der zweiten Vergiftung ist ähnlich dem Kurvenverlauf des unvergifteten Gassensors während der Relaxationsphase 310 nach der ersten Vergiftung gemäß 3.
Grundsätzlich zeigt der unvergiftete Sensor bei beiden Messungen einen annähernd gleichen Kurvenverlauf mit einem sehr flachen Leitwertmaximum bei etwa 1000 Sekunden in der Polarisationsphase 301, 401 und einem ebenfalls sehr flachen Leitwertmaximum bei etwa 10 Sekunden in der Relaxationsphase 302, 402. Die Ergebnisse der 3 und 4 zeigen eine gute Reproduzierbarkeit der Leitwertmessungen.
Die Leitwertmessungen nach einer ersten und einer zweiten Vergiftung sind ebenfalls bei einer Luftfeuchtigkeit von 10% und 90% durchführbar.
Zur Auswertung der spannungszyklischen Messungen und automatischen Erkennung der Vergiftung können unterschiedliche Verfahren, wie zum Beispiel Neuronale Netze oder die Hauptkomponentenanalyse, angewendet werden. Da ein Messzyklus in diesem Experiment aus 120 Punkten besteht, kann man einen Zyklus aus 120-dimensionalen Vektoren im entsprechenden Vektorraum betrachten.
4 zeigt eine einfache Verrechnung der Messergebnisse nach einer ersten Vergiftung 500 und nach einer zweiten Vergiftung 501 bei Luftfeuchtigkeiten von 10, 50 und 90% des vergifteten Sensors und des unvergifteten Sensors.
Die vertikalen Achsen der graphischen Darstellung der ersten Vergiftung 500 und der graphischen Darstellung der zweiten Vergiftung 501 bezeichnen jeweils die Leitwerte des Zeitmesspunktes 90 von 0–5,0 × 10^–6 1/Ohm 502 sowie in der horizontalen Achse den Leitwert bei Zeitpunkt 26 von 0–1,6 × 10^–6 1/Ohm 503.
Die Kurve 504 zeigt das Leitwertverhältnis zwischen Leitwertpunkt 90 und Leitwertpunkt 26 des vergifteten Sensors bei einer Luftfeuchtigkeit von 10, 50 und 90% nach der ersten Vergiftung, wobei die Kurve in einem steilen Winkel 506, der beispielsweise 20° betragen kann, ansteigt. Im Verhältnis dazu steigt die Kurve 505, die den Leitwert von Punkt 90 zum Leitwert von Punkt 26 des unvergifteten Gassensors bei einer Luftfeuchtigkeit von 10, 50 und 90% nach der ersten Vergiftung darstellt, in einem sehr flachen Winkel 507 an, der beispielsweise weniger als 1° betragen kann.
Die Darstellung der zweiten Vergiftung 501 zeigt deutlich einen steileren Anstieg der Kurve aus dem Verhältnis des Leitwertes von Punkt 90 zu Punkt 26 des vergifteten Sensors 508 bei einer Luftfeuchtigkeit von 10, 50 und 90% mit einem Steigungswinkel von 510, der beispielsweise mehr als 20° betragen kann. Im Verhältnis dazu ist der Steigungswinkel 511 der Kurve aus dem Leitwert von Punkt 90 zu dem Leitwert von Zeitpunkt 26 des nicht vergifteten Sensors bei einer Luftfeuchtigkeit von 10, 50 und 90% 509 wesentlich geringer, kann allerdings mehr als 1° betragen.
Die starken Unterschiede der Steigung der Kurven der vergifteten Sensoren 504, 508 und der schwachen Steigungen der Kurven der unvergifteten Sensoren 505, 509 ermöglichen eine sichere Unterscheidung eines vergifteten von einem unvergifteten Sensor. Dabei ist eine beliebige Auftragung von unterschiedlichen Zeitpunkten gegeneinander aus den jeweiligen Zyklen möglich. Man erkennt bei einer Verrechnung des Punktes 90 gegen den Punkt 26 aus dem jeweiligen Zyklus neben einer deutlichen Clusterung der Messpunkte auch einen annähernd linearen Verlauf bei Anstieg der Luftfeuchtigkeit mit einem annähernd konstanten Winkel zwischen vergifteten und unvergifteten Sensor unabhängig von der Höhe der Vergiftung. Das bedeutet, dass, falls sich ein Sensorsignal auf der schwarzen Kurve 505, 509 in 5 bewegt, der Sensor nicht vergiftet ist. Falls sich das Sensorsignal jedoch auf den gestrichelten Linien 504, 508 bewegt, dann ist der Sensor vergiftet und sollte ausgetauscht werden. Zusammen mit einem Luftfeuchtesensor kann der Grad der Vergiftung erkannt werden, da bei stärkerer Vergiftung die Messpunkte, abhängig von der Höhe der Luftfeuchtigkeit deutlich weiter auseinander liegen.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms eines Verfahrens 600 zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung mit einem Anlegen einer Messspannung an den Gassensor 601, einem Steuern der Messspannung entsprechend einem Messprotokoll 602, einem Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist auf Basis einer Leitwertmessung des Sensors 603, einem Anlegen einer Polarisationsspannung in einer Polarisationsphase über einen ersten Zeitraum gemäß dem Messprotokoll 604, einem Messen eines ersten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des ersten Zeitraums gemäß dem Messprotokoll 605, einem Anlegen einer Relaxationsspannung in einer Relaxationsphase über einen zweiten Zeitraum gemäß dem Messprotokoll 606, einem Messen eines zweiten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des zweiten Zeitraums gemäß dem Messprotokoll 607, einem Vergleichen der Leitwertmessung mit einer Leitwertmessung eines unvergifteten Gassensors zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist 608, einem Verrechnen der Leitwertmessungen des vergifteten Gassensors mit Leitwertmessungen eines nicht vergifteten Gassensors zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist 609, einem Messen einer Luftfeuchtigkeit 610, einem Vergleichen der Leitwertmessung bei der Luftfeuchtigkeit mit einer Leitwertmessung eines unvergifteten Gassensors bei der Luftfeuchtigkeit zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist 611, und dem Bestimmen eines Vergiftungsgrades des Sensors auf Basis einer Leitwertmessung des Sensors 612.
7 zeigt ein Luftfahrzeug 700 mit zumindest einer Branddetektionsvorrichtung 701, beispielsweise mit vier Brandschutzvorrichtungen 701, mit jeweils einer Gassensoranordnung 100 nach den oben genannten Ausführungsbeispielen.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Die Gassensoranordnung zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung kann ebenso wie das Verfahren zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung in einem Luftfahrzeug oder in jeglichem anderen Transportmittel, wie beispielsweise einem Helikopter oder einem Landfahrzeug oder einem Wasser- und Schienenfahrzeug ausgefürt sein.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend” oder „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Insbesondere kann die Gassensoreinheit beispielsweise also mehr als einen Gassensor, mehr als eine Spannungsquelle, mehr als eine Auswerteeinheit und mehr als eine Steuereinheit, sowie mehr als ein Luftfeuchtigkeitsmessgerät aufweisen.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19728595 C1 [0005]
EP 0827907 A1 [0006]

Claims

Eine Gassensoranordnung (100) zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung, die Gassensoranordnung aufweisend: einen Gassensor (101); eine Spannungsquelle (102) zum Anlegen einer Messspannung an den Gassensor (101); eine Auswerteeinheit (103); eine Steuereinheit (104) wobei die Steuereinheit (104) zum Steuern der Messspannung entsprechend einem Messprotokoll ausgeführt ist; wobei die Auswerteeinheit (103) zum Bestimmen, ob der Sensor (101) vergiftet ist, auf Basis einer Leitwertmessung (307, 308; 309, 310; 403, 404; 405, 406) an dem Sensor (101) ausgeführt ist.
Gassensoranordnung (100) nach Anspruch 1, wobei das Messprotokoll das Anlegen einer Polarisationsspannung (203, 207) in einer Polarisationsphase (201) des Gassensors (101) über einen ersten Zeitraum (204) vorsieht; wobei das Messprotokoll ein Messen eines ersten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des ersten Zeitraums (204) vorsieht.
Gassensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messprotokoll das Anlegen einer Relaxationsspannung (205, 210) in einer Relaxationsphase (202) des Gassensors (101) über einen zweiten Zeitraum (206) vorsieht; wobei das Messprotokoll ein Messen eines zweiten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des zweiten Zeitraums (206) vorsieht.
Gassensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen, ob der Sensor (101) vergiftet ist, die Leitwertmessung (307; 309; 403; 405) mit einer Leitwertmessung (308; 310; 404; 406) eines unvergifteten Gassensors (101) verglichen wird.
Gassensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob der Sensor (101) vergiftet ist, auf Basis einer Verrechnung (504, 505, 508, 509) der Leitwertmessungen (307; 309; 403; 405) des vergifteten Gassensors (101) mit Leitwertmessungen (308; 310; 404; 406) eines nichtvergifteten Gassensors (101) erfolgt.
Gassensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zum Bestimmen, ob der Sensor (101) vergiftet ist, die Leitwertmessungen (307; 309; 403; 405) bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit mit einer Leitwertmessung (308; 310; 404; 406) eines unvergifteten Gassensors (101) bei der bestimmten Luftfeuchtigkeit verglichen werden.
Gassensoranordnung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (103) zum Bestimmen eines Vergiftungsgrades des Sensors (101) auf Basis einer Leitwertmessung (307, 308; 309, 310; 403, 404; 405, 406) des Sensors (101) ausgeführt ist.
Verfahren (600) zur Sensorselbstkontrolle zum Erkennen einer Sensorvergiftung, das Verfahren aufweisend die Schritte: Anlegen einer Messspannung an den Gassensor (601); Steuern der Messspannung entsprechend einem Messprotokoll (602); Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist, auf Basis einer Leitwertmessung des Sensors (603).
Verfahren (600) nach Anspruch 8, weiterhin aufweisen die Schritte: Anlegen einer Polarisationsspannung in einer Polarisationsphase über einen ersten Zeitraum gemäß dem Messprotokoll (604); Messen eines ersten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des ersten Zeitraums gemäß dem Messprotokoll (605).
Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, weiterhin aufweisend die Schritte: Anlegen einer Relaxationsspannung in einer Relaxationsphase über einen zweiten Zeitraum gemäß dem Messprotokoll (606); Messen eines zweiten Leitwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt des zweiten Zeitraums gemäß dem Messprotokoll (607).
Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, weiterhin aufweisend den Schritt: Vergleichen der Leitwertmessung mit einer Leitwertmessung eines unvergifteten Gassensors zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist (608).
Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, weiterhin aufweisend den Schritt: Verrechnen der Leitwertmessungen des vergifteten Gassensors mit Leitwertmessungen eines nichtvergifteten Gassensors zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist (609).
Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, weiterhin aufweisend die Schritte: Messen einer Luftfeuchtigkeit (610); Vergleichen der Leitwertmessung bei der Luftfeuchtigkeit mit einer Leitwertmessung eines unvergifteten Gassensors bei der Luftfeuchtigkeit zum Bestimmen, ob der Sensor vergiftet ist (611).
Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiterhin aufweisend den Schritt: Bestimmen eines Vergiftungsgrades des Sensors auf Basis einer Leitwertmessung des Sensors (612).
Luftfahrzeug (700) mit einer Branddetektionsvorrichtung (701), die eine Gassensoranordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.