DE102022116509A1 - Gasdetektionsvorrichtung und Gasdetektionsverfahren mit einem Sensor-Bauteil und einem Oxidierungs-Bauteil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasdetektionsvorrichtung (100) und ein Verfahren, um einen Bereich auf ein brennbares Zielgas zu überwachen. Eine Gasprobe (G) aus dem Bereich gelangt in eine Messkammer. Ein Halbleiter-Sensor (1) umfasst ein elektrisch leitendes Sensor-Bauteil (10), der eine elektrische Detektionsgröße aufweist, die in einer Realisierungsform umso größer und in einer anderen Realisierungsform umso kleiner ist, desto geringer die Konzentration des brennbaren Zielgases in der Messkammer (9) ist. Ein Oxidierungs-Bauteil (2) vermag brennbares Zielgas in der Messkammer zu oxidieren. Zu einem ersten Zeitpunkt wird die Detektionsgröße gemessen, und das Oxidierungs-Bauteil (2) ist oder wird eingeschaltet. Bis zu einem zweiten Zeitpunkt oxidiert das Oxidierungs-Bauteil (2) wenigstens einen Teil des brennbaren Zielgases in der Messkammer (9). Zum zweiten Zeitpunkt wird erneut die Detektionsgröße gemessen. Die Differenz zwischen dem Messwert am zweiten Zeitpunkt und dem am ersten Zeitpunkt ist ein Maß für die Konzentration von brennbarem Zielgas in der Messkammer (9).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Gasdetektionsvorrichtung und ein Verfahren, um einen räumlichen Bereich auf ein brennbares Zielgas zu überwachen.
• In einer Anwendung wird die Erfindung dafür verwendet, um das Vorhandensein eines brennbaren Zielgases, beispielsweise Methan (CH₄), auch dann zu detektieren, wenn die Konzentration des Zielgases gering ist, beispielsweise unter 10 ppm liegt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasdetektionsvorrichtung und ein Gasdetektionsverfahren bereitzustellen, die auch dann ein brennbares Zielgas mit einer hohen Zuverlässigkeit zu detektieren vermögen, wenn das Zielgas in einer geringen Konzentration vorliegt und / oder variierende Umgebungsbedingungen Einfluss auf die Messung nehmen können.
• Die Aufgabe wird durch eine Gasdetektionsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Gasdetektionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gasdetektionsvorrichtung sind, soweit sinnvoll, auch vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gasdetektionsverfahrens und umgekehrt.
• Die erfindungsgemäße Gasdetektionsvorrichtung und das erfindungsgemäße Gasdetektionsverfahren vermögen einen Bereich auf mindestens ein brennbares Zielgas zu überwachen, beispielsweise auf Methan (CH₄). Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Gasdetektionsvorrichtung durchgeführt.
• Im Folgenden ist von „dem brennbaren Zielgas“ die Rede. Möglich ist, dass die Gasprobe in der Messkammer gleichzeitig mehrere brennbare Zielgase umfasst.
• Mit der Bezeichnung „das brennbare Zielgas“ soll auch die Situation abgedeckt sein, dass verschiedene brennbare Zielgase in der Messkammer vorhanden sind. Der nachfolgend verwendete Begriff „Detektieren eines Zielgases“ umfasst den Vorgang, das Vorhandensein mindestens eines Zielgases zu detektieren.
• Die Gasdetektionsvorrichtung umfasst eine Messkammer. Die Gasdetektionsvorrichtung ist so ausgestaltet und das Verfahren umfasst den Schritt, dass eine Gasprobe dauerhaft oder wenigstens zeitweise aus dem zu überwachenden Bereich in die Messkammer fließt, beispielsweise durch Ansaugen und / oder Diffundieren.
• In oder an der Messkammer sind ein elektrisch leitendes Sensor-Bauteil sowie ein Oxidierungs-Bauteil angeordnet. Das Sensor-Bauteil weist eine messbare elektrische Detektionsgröße auf und kommt mit der Gasprobe in der Messkammer in einen flächigen Kontakt. Dieser Kontakt beeinflusst die messbare elektrische Detektionsgröße, insbesondere den elektrischen Widerstand, des Sensor-Bauteils wie folgt: In einer ersten Realisierungsform ist der Wert der Detektionsgröße des Sensor-Bauteils umso größer, je geringer die Konzentration des brennbaren Zielgases in der Gasprobe ist, welche sich in der Messkammer befindet. In einer zweiten Realisierungsform ist der Wert der Detektionsgröße umso kleiner, je geringer die Konzentration des brennbaren Zielgases in der Gasprobe ist, welche sich in der Messkammer befindet. In beiden Realisierungsformen korreliert die Detektionsgröße mit der Zielgas-Konzentration in der Gasprobe. Natürlich ist es möglich, dass die Gasprobe überhaupt kein Zielgas aufweist.
• Das Oxidierungs-Bauteil lässt sich einschalten und ausschalten. Das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil vermag brennbares Gas in der Messkammer zu oxidieren.
• Anmerkung: Die nachfolgend verwendeten Begriffe „einschalten“ und „ausschalten“ können einen schlagartigen oder auch einen allmählichen Übergang von einem ausgeschalteten zu einem vollständig eingeschalteten Zustand bezeichnen.
• Die Gasdetektionsvorrichtung umfasst weiterhin einen Detektions-Sensor. Der Detektions-Sensor vermag ein Maß für die Detektionsgröße des Sensor-Bauteils zu messen, beispielsweise ein Maß für den aktuellen elektrischen Widerstand oder für die elektrische Spannung, die am Sensor-Bauteil anliegt, oder für die Stärke des Stroms, der durch das Sensor-Bauteil fließt, oder für die gesamte elektrische Ladung.
• Die Gasdetektionsvorrichtung ist dazu ausgestaltet, die folgenden Schritte durchzuführen, und das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
• - Zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt misst der Detektions-Sensor die Detektionsgröße des Sensor-Bauteils - genauer: ein Maß für die Detektionsgröße zum jeweiligen Zeitpunkt. Dadurch liegen zwei Messwerte der Detektionsgröße vor (genauer gesagt: zwei Messwerte für das Maß für die Detektionsgröße), wobei die beiden Messwerte sich auf zwei unterschiedliche Zeitpunkte beziehen.
• - Das Oxidierungs-Bauteil wird oder ist eingeschaltet. In einem Oxidierungs-Zeitraum oxidiert das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil das oder jedes brennbare Zielgas in der Messkammer. Am Ende des Oxidierungs-Zeitraums ist in der Messkammer weniger brennbares Zielgas als zu Beginn des Oxidierungs-Zeitraums vorhanden oder sogar überhaupt kein brennbares Zielgas mehr. Selbstverständlich ist es möglich, dass bereits zu Beginn des Oxidierungs-Zeitraums kein brennbares Zielgas in der Messkammer vorhanden war, nämlich dann, wenn der zu überwachende Bereich aktuell kein brennbares Zielgas aufweist.
• - Die beiden Zeitpunkte sind voneinander verschieden und relativ zueinander wie folgt gelegt: Wenn im zu überwachenden Bereich brennbares Zielgas vorhanden ist, so ist am ersten Zeitpunkt auch in der Messkammer brennbares Zielgas vorhanden. Am zweiten Zeitpunkt ist dank des Oxidierens durch das Oxidierungs-Bauteil in der Messkammer weniger oder sogar überhaupt kein brennbares Zielgas vorhanden als am ersten Zeitpunkt, auch wenn im Bereich brennbares Zielgas vorhanden ist. Falls in dem zu überwachenden Bereich brennbares Zielgas vorhanden ist, so ist dank des Oxidierens am zweiten Zeitpunkt in der Messkammer eine geringere Konzentration von brennbarem Zielgas vorhanden als in dem Bereich und zum ersten Zeitpunkt in der Messkammer - oder sogar überhaupt kein brennbares Zielgas, selbst wenn im Bereich brennbares Zielgas vorhanden ist.
• - Die Auswerteeinheit berechnet die Differenz zwischen dem Messwert für die Detektionsgröße des Sensor-Bauteils, den der Detektions-Sensor zum ersten Zeitpunkt gemessen hat, und dem Messwert für die Detektionsgröße, den der Detektions-Sensor zum zweiten Zeitpunkt gemessen hat. Am ersten Zeitpunkt kann brennbares Zielgas vorhanden sein, am zweiten Zeitpunkt ist überhaupt kein oder weniger brennbares Zielgas vorhanden.
• - In einer ersten Alternative entscheidet die Auswerteeinheit automatisch abhängig von dieser Messwerte-Differenz, ob ein brennbares Zielgas in der Gasprobe vorhanden ist oder nicht. In einer zweiten Alternative ermittelt die Auswerteeinheit automatisch abhängig von der Messwerte-Differenz wenigstens näherungsweise die Konzentration des brennbaren Zielgases in der Gasprobe. Bevorzugt wendet die Auswerteeinheit bei der zweiten Alternative einen abgespeicherten Zusammenhang zwischen der Messwerte-Differenz und der Zielgas-Konzentration auf die berechnete Differenz an. Diese beiden Alternativen lassen sich miteinander kombinieren.
• Gemäß der ersten Realisierungsform ist die Detektionsgröße des Sensor-Bauteils umso größer, desto geringer die Konzentration des Zielgases in der Messkammer ist. Daher ist der Messwert der Detektionsgröße zum zweiten Zeitpunkt größer als der Messwert der Detektionsgröße zum ersten Zeitpunkt, vorausgesetzt in dem zu überwachenden Bereich und daher auch in der Messkammer ist ein brennbares Zielgas vorhanden. Gemäß der zweiten Realisierungsform ist entsprechend der Messwert der Detektionsgröße zum zweiten Zeitpunkt kleiner als zum ersten Zeitpunkt.
• Falls in dem zu überwachenden Bereich und daher auch in der Messkammer kein brennbares Zielgas vorhanden ist, so sind die beiden Messwerte der Detektionsgröße, die an den beiden Zeitpunkten gemessen wurden, idealerweise gleich. In der Praxis kann die Differenz aufgrund unterschiedliche Umgebungsbedingungen auch dann ungleich Null sein, wenn im zu überwachenden Bereich kein brennbares Zielgas vorhanden ist und die Messkammer daher auch am ersten Zeitpunkt kein brennbares Zielgas aufweist. Diese Differenz zwischen den beiden Messwerten ist aber bei Abwesenheit von Zielgas in der Regel vom Betrag her geringer als die Differenz, die daraus resultiert, dass am ersten Zeitpunkt brennbares Zielgas in der Messkammer vorhanden ist und das Oxidierungs-Bauteil im Oxidierungs-Zeitraum wenigstens einen Teil dieses brennbaren Zielgases in der Messkammer oxidiert. Auch dann, wenn das Oxidierungs-Bauteil nur einen Teil oxidiert, aber nicht alles brennbare Zielgas in der Messkammer, ist in der Regel die Differenz größer als dann, wenn im Bereich und daher auch in der Messkammer kein brennbares Zielgas vorhanden ist. Daher ist eine Differenz ungleich Null oder außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbands ein relativ sicheres Indiz dafür, dass in dem zu überwachenden Bereich und damit zum ersten Zeitpunkt auch in der Messkammer ein brennbares Zielgas vorhanden ist.
• Die Detektionsgröße des Sensor-Bauteils ändert sich häufig in messbarer Weise durch den Kontakt mit brennbarem Zielgas, selbst wenn in der Messkammer brennbares Zielgas nur mit einer geringen Konzentration vorhanden ist. Jedoch hängt die Detektionsgröße in der Regel nicht nur von dem Zielgas, sondern auch von Umgebungsbedingungen ab, insbesondere von der Umgebungstemperatur und der Umgebungsfeuchte. Daher haben bekannte Gasdetektionsvorrichtungen mit einem Sensor-Bauteil, das eine Detektionsgröße aufweist, die auf die Konzentration an brennbarem Zielgas reagiert, häufig den Nachteil, dass der Nullpunkt stark von Umgebungsbedingungen abhängt und dass dieser Nullpunkt in der Regel nicht bekannt ist. Der Nullpunkt ist der Wert der Detektionsgröße bei Abwesenheit von brennbarem Zielgas.
• Die Erfindung löst dieses Problem dadurch, dass ein Oxidierungs-Bauteil das brennbare Zielgas in der Messkammer oxidiert und daher zum zweiten Zeitpunkt quasi der aktuelle Nullpunkt für die Detektionsgröße des Sensor-Bauteils gemessen wird. Die Bezeichnung „aktueller Nullpunkt“ deutet an, dass der Nullpunkt in der Regel von variierenden Umgebungsbedingungen abhängt. Die Zeitspanne zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt ist in der Regel so kurz, dass sich die Umgebungsbedingungen in dieser Zeitspanne nicht wesentlich ändern und daher der Messwert zum zweiten Zeitpunkt trotz des zeitlichen Abstands als Nullpunkt für die Messung zum ersten Zeitpunkt verwendet werden kann. Die erfindungsgemäß berechnete Differenz stimmt ausreichend genau mit der Differenz zwischen dem Messwert am ersten Zeitpunkt und dem Nullpunkt am ersten Zeitpunkt überein.
• Die Erfindung vermeidet die Notwendigkeit, die Gasdetektionsvorrichtung vor jedem Einsatz erneut justieren zu müssen, um einen Nullpunkt aufzufinden. Wie gerade dargelegt, wird der Nullpunkt vielmehr durch die Messung am zweiten Zeitpunkt automatisch gewonnen.
• Erfindungsgemäß weist das Sensor-Bauteil eine elektrische Detektionsgröße auf, die in einer ersten Realisierungsform umso größer und in einer zweiten Realisierungsform umso kleiner ist, je geringer die Zielgas-Konzentration ist. Diese Detektionsgröße ist in einer Ausgestaltung der elektrische Widerstand, in einer anderen Ausgestaltung eine elektrische Kapazität und in einer dritten Ausgestaltung das elektrische Potenzial. Das Sensor-Bauteil umfasst beispielsweise
• - einen elektrischen Halbleiter, dessen elektrischer Widerstand von der Zielgas-Konzentration abhängt, oder
• - einen Wärmetönungssensor, dessen Temperatur von der Zielgas-Konzentration abhängt, oder
• - einen photoelektrischen Sensor, der abhängig von der Intensität von auftreffender elektromagnetischer Strahlung ein elektrisches Signal erzeugt, wobei Zielgas diese elektromagnetische Strahlung dämpft,
• - einen Photo-Ionisations-Detektor, der abhängig von einer Ionisierung ein elektrisches Signal erzeugt,
• - einen photoakustischen Sensor, der abhängig von einem akustischen Effekt, der von der Zielgas-Konzentration abhängt, ein elektrisches Signal erzeugt oder
• - einen elektrochemischen Sensor, der einen elektrischen Strom erzeugt, dessen Stärke und / oder Spannung von der Zielgas-Konzentration abhängt.
• Erfindungsgemäß oxidiert das Oxidierungs-Bauteil im Verlaufe des Oxidierungs-Zeitraums wenigstens einen Teil des brennbaren Zielgases in der Messkammer. Dieser Teil ist bevorzugt wenigstens 30 %, besonders bevorzugt mindestens 50 %, insbesondere mindestens 80 % der Menge an brennbarem Zielgas, der zu Beginn des Oxidierungs-Zeitraums in der Messkammer vorhanden ist. In einer Ausgestaltung oxidiert das Oxidierungs-Bauteil im Oxidierungs-Zeitraum alles brennbare Zielgas in der Messkammer.
• Erfindungsgemäß ist das Oxidierungs-Bauteil wenigstens im Verlaufe des Oxidierungs-Zeitraums eingeschaltet und oxidiert brennbares Zielgas in der Messkammer. In einer Ausgestaltung umfasst die Gasdetektionsvorrichtung eine verschließbare Öffnung, beispielsweise ein Ventil oder eine Aussparung mit einer Klappe. Wenn diese Öffnung geöffnet ist, kann eine Gasprobe aus der Umgebung in die Messkammer fließen. Wenn die Öffnung geschlossen ist, ist die Messkammer gegen die Umgebung abgedichtet, sodass dann keine Gasprobe in die Messkammer fließen kann. Bevorzugt ist die Öffnung im Oxidierungs-Zeitraum geschlossen und wenigstens zeitweise vor und / oder nach dem Oxidierungs-Zeitraum geöffnet. Möglich ist aber auch, dass auch im Oxidierungs-Zeitraum Gas in die Messkammer fließen kann. In der Regel ist die Menge des Zielgases, welches bei geöffnetem Verschluss im Oxidierungs-Zeitraum in die Messkammer fließt, geringer als die Menge, welche im Oxidierungs-Zeitraum vom Oxidierungs-Bauteil oxidiert wird.
• In einer Ausgestaltung umfasst die Gasdetektionsvorrichtung zusätzlich ein Heizelement. Dieses Heizelement vermag eine Gasprobe in der Messkammer zu heizen. Das Heizelement lässt sich einschalten und wieder ausschalten. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
• - Zu Beginn eines Heiz-Zeitraums wird das Heizelement eingeschaltet. Am Ende des Heiz-Zeitraums wird das Heizelement wieder ausgeschaltet.
• - Das eingeschaltete Heizelement erhitzt sich.
• - Im Heiz-Zeitraum erhitzt das Heizelement das Gas in der Messkammer.
• Erfindungsgemäß beeinflusst die gesuchte Zielgas-Konzentration die Detektionsgröße des Sensor-Bauteils. Die Detektionsgröße hängt in der Regel zusätzlich von der Temperatur des Sensor-Bauteils ab. Diese Temperatur wird vom eingeschalteten Oxidierungs-Bauteil sowie von dem Vorgang, das Oxidierungs-Bauteil einzuschalten und auszuschalten, beeinflusst. Die Ausgestaltung mit dem Heizelement reduziert den Einfluss, den das eingeschaltete und das ausgeschaltete Oxidierungs-Bauteil durch den unterschiedlichen Eintrag von Wärmeenergie auf das Sensor-Bauteil nimmt.
• Indem der Einfluss reduziert wird, wird die Zuverlässigkeit des Detektionsergebnisses gesteigert. Idealerweise bewirken das eingeschaltete Heizelement und das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil den gleichen Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit in das Sensor-Bauteil.
• Gemäß der gerade beschriebenen Ausgestaltung ist das Heizelement im Heiz-Zeitraum eingeschaltet und bevorzugt im Oxidierungs-Zeitraum ausgeschaltet, und das Oxidierungs-Bauteil ist im Oxidierungs-Zeitraum eingeschaltet und bevorzugt im Heiz-Zeitraum ausgeschaltet. In einer Realisierungsform fällt das Ende des Heiz-Zeitraums mit dem Beginn des Oxidierungs-Zeitraums zusammen. Oder das Ende des Oxidierungs-Zeitraums fällt mit dem Beginn des Heiz-Zeitraums zusammen. Diese beiden Ausgestaltungen reduzieren den Einfluss, den die Temperatur des Oxidierungs-Bauteils auf das Sensor-Bauteil nimmt, verglichen mit einer Ausgestaltung, bei der das Heizelement ausgeschaltet wird, dann eine Zeitspanne vergeht und erst dann das Oxidierungs-Bauteil eingeschaltet wird oder umgekehrt. Verglichen mit einer Ausgestaltung, bei der zeitweise sowohl das Heizelement als auch das Oxidierungs-Bauteil eingeschaltet sind, spart diese Realisierungsform elektrische Energie ein. Außerdem wird erleichtert, den Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit in das Sensor-Bauteil konstant zu halten.
• Bevorzugt befindet sich die Gasdetektionsvorrichtung während eines Einsatzes stets in genau einem der folgenden drei Zustände:
• - Das Oxidierungs-Bauteil ist eingeschaltet, und das Heizelement ist ausgeschaltet.
• - Das Heizelement ist eingeschaltet, und das Oxidierungs-Bauteil ist ausgeschaltet.
• - Die Messkammer wird gespült. Bevorzugt sind dann sowohl das Heizelement als auch das Oxidierungs-Bauteil ausgeschaltet.
• Außerhalb eines Einsatzes kann die Gasdetektionsvorrichtung sich in einem Ruhezustand befinden.
• Wie bereits dargelegt, bewirken sowohl das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil als auch das eingeschaltete Heizelement, dass Wärmeenergie auf das Sensor-Bauteil einwirkt. Bevorzugt ist der Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit, den das eingeschaltete Heizelement bewirkt, genauso groß wie der Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit durch das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil.
• Der Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit, den das Oxidierungs-Bauteil bewirkt, hängt von der Geometrie, insbesondere der Oberfläche, und der Temperatur des Oxidierungs-Bauteils sowie von der Entfernung zwischen dem Oxidierungs-Bauteil und dem Sensor-Bauteil ab. Falls der Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit gleich ist, so ist idealerweise auch der Wert der Detektionsgröße gleich, genauer gesagt: Bei eingeschaltetem Oxidierungs-Bauteil und ausgeschaltetem Heizelement nimmt die Detektionsgröße idealerweise den gleichen Wert an wie bei ausgeschaltetem Oxidierungs-Bauteil und eingeschaltetem Heizelement. Dies gilt optional erst nach einer Einschwingphase, die auftritt, wenn das Oxidierungs-Bauteil oder das Heizelement eingeschaltet wird oder ausgeschaltet wird.
• Erfindungsgemäß wird die Detektionsgröße am ersten Zeitpunkt und am zweiten Zeitpunkt gemessen. Der zweite Zeitpunkt kann mit dem Ende des Oxidierungs-Zeitraums zusammenfallen. Der zweite Zeitpunkt kann auch nach dem Ende des Oxidierungs-Zeitraums liegen.
• In einer Ausgestaltung ist der erste Zeitpunkt der Beginn des Oxidierungs-Zeitraums oder liegt vor dem Oxidierungs-Zeitraum. In der Zeitspanne zwischen dem Anfang des Oxidierungs-Zeitraums und dem zweiten Zeitpunkt ist dann bevorzugt die Messkammer gegen den Bereich verschlossen, sodass in dieser Zeitspanne kein brennbares Zielgas in die Messkammer gelangen kann.
• Möglich ist auch, dass der erste Zeitpunkt nach dem zweiten Zeitpunkt liegt. Der zweite Zeitpunkt ist wiederum gleich dem oder liegt nach dem Ende des Oxidierungs-Zeitraum. Bei dieser alternativen Ausgestaltung steht die Messkammer in einer Zeitspanne, die mindestens den Bereich vom Ende des Oxidierungs-Zeitraums bis zum ersten Zeitpunkt umfasst, in einer Fluidverbindung mit dem zu überwachenden Bereich, sodass eine Gasprobe in die Messkammer fließen kann. Auch bei dieser Ausgestaltung befindet sich zum ersten Zeitpunkt brennbares Zielgas in der Messkammer, vorausgesetzt der zu überwachende Bereich weist brennbares Zielgas auf. Zwischen dem zweiten Zeitpunkt und dem ersten Zeitpunkt fließt eine Gasprobe aus dem zu überwachenden Bereich in die Messkammer. Diese Gasprobe kann brennbares Zielgas umfassen.
• Erfindungsgemäß ist das Oxidierungs-Bauteil wenigstens in der Oxidierungs-Zeitspanne eingeschaltet. In einer Ausgestaltung ist das Oxidierungs-Bauteil in einem Einlass-Zeitraum ausgeschaltet. Mindestens in dem Einlass-Zeitraum ist eine Fluidverbindung zwischen der Messkammer und der Umgebung hergestellt, und die Gasprobe fließt aus dem Bereich in die Messkammer. Dieser Einlass-Zeitraum kann vor oder nach der Oxidierungs-Zeitspanne liegen. Der erste Zeitpunkt liegt im Einlass-Zeitraum oder zwischen dem Einlass-Zeitraum und im Oxidierungs-Zeitraum. Das Oxidierungs-Bauteil wird im laufenden Betrieb also eingeschaltet und / oder ausgeschaltet. Weil in diesem Zeitraum das Oxidierungs-Bauteil ausgeschaltet ist, oxidiert es in diesem Zeitraum kein brennbares Zielgas. Daher sammelt sich im Einlass-Zeitraum brennbares Zielgas in der Messkammer an, vorausgesetzt der zu überwachenden Bereich enthält brennbares Zielgas.
• Die Ausgestaltung mit dem Oxidierungs-Bauteil, das im laufenden Betrieb eingeschaltet und oder ausgeschaltet wird, ermöglicht es in vielen Fällen, dass die Messkammer dauerhaft mit dem zu überwachenden Bereich in einer Fluidverbindung steht. Insbesondere bei einer relativ geringen Konzentration von brennbarem Zielgas oxidiert das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil sehr rasch brennbares Zielgas in der Messkammer, sodass die Fluidverbindung nicht zu einer nennenswerten Verfälschung von Messergebnissen steht.
• Eine andere Ausgestaltung erspart die Notwendigkeit, das Oxidierungs-Bauteil im laufenden Betrieb einzuschalten und / oder auszuschalten. Gemäß dieser anderen Ausgestaltung lässt sich die Messkammer wahlweise in einem geöffneten Zustand und in einem geschlossenen Zustand betreiben. Wenn die Messkammer im geöffneten Zustand ist, so kann die Gasprobe aus dem zu überwachenden Bereich in die Messkammer fließen. Im geschlossenen Zustand ist die Messkammer gegen den Bereich fluiddicht abgedichtet. „Fluiddicht“ bedeutet: bis auf unvermeidliche Spalten oder Lücken.
• Im Oxidierungs-Zeitraum ist die Messkammer im geschlossenen Zustand, und das Oxidierungs-Bauteil oxidiert brennbares Zielgas in der Messkammer, idealerweise alles brennbaren Zielgas. Weil die Messkammer im geschlossenen Zustand ist, kann kein brennbares Zielgas aus der Bereich in die Messkammer fließen. In dem bereits erwähnten Einlass-Zeitraum ist die Messkammer im geöffneten Zustand. In diesem Einlass-Zeitraum sammelt sich brennbares Zielgas in der Messkammer an, vorausgesetzt im zu überwachenden Bereich ist brennbares Zielgas vorhanden.
• Diese beiden Ausgestaltungen lassen sich kombinieren, beispielsweise wie folgt: im Oxidierungs-Zeitraum ist das Oxidierungs-Bauteil eingeschaltet, und die Messkammer ist im geschlossenen Zustand. In dem Einlass-Zeitraum ist das Oxidierungs-Bauteil ausgeschaltet, und die Messkammer ist im geöffneten Zustand. Diese Kombination der beiden Ausgestaltungen ermöglicht es in vielen Fällen, mit noch größerer Zuverlässigkeit das Zielgas zu entdecken, auch wenn es nur in einer relativ geringen Konzentration in dem zu überwachenden Bereich vorhanden ist.
• Möglich ist aber auch, dass das Oxidierungs-Bauteil im laufenden Betrieb dauerhaft eingeschaltet ist und nur in einem Ruhezustand ausgeschaltet ist.
• Möglich ist, dass die Gasdetektionsvorrichtung so betrieben wird, dass nacheinander mehrere Oxidations-Zeiträume auftreten, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Oxidations-Zeiträumen eine Lücke auftritt und das Oxidierungs-Bauteil mindestens in jedem Oxidierungs-Zeitraum Zielgas in der Messkammer oxidiert.
• In einer ersten Ausgestaltung ist eine Oxidierungs-Zeitspanne fest vorgegeben. Die Dauer des oder jedes Oxidierungs-Zeitraums ist gleich dieser Oxidierungs-Zeitspanne. Die Oxidierungs-Zeitspanne und damit jeder Oxidierungs-Zeitraum sind einerseits so lang wie nötig und andererseits so kurz wie möglich. „So lang wie nötig“ bedeutet: Auch bei der höchsten zu erwartenden Konzentration von brennbarem Zielgas in der Messkammer oxidiert das Oxidierungs-Bauteil im Oxidierungs-Zeitraum das brennbare Zielgas in der Messkammer, sodass am Ende des Oxidierungs-Zeitraums die Messkammer frei von brennbarem Zielgas ist.
• In einer zweiten Ausgestaltung hängt die Dauer des oder mindestens eines Oxidierungs-Zeitraums, also wie lange das Oxidierungs-Bauteil eingeschaltet ist, von der Konzentration von brennbarem Zielgas in der Messkammer ab. Die zweite Ausgestaltung erspart die Notwendigkeit, eine Oxidierungs-Zeitspanne fest vorzugeben. Gemäß der zweiten Ausgestaltung ist die Gasdetektionsvorrichtung zusätzlich dazu ausgestaltet, die folgenden Schritte durchzuführen, und das Verfahren umfasst zusätzlich die folgenden Schritte:
• - Das Maß für die Detektionsgröße wird an mindestens zwei verschiedenen Zeitpunkten gemessen. Beide Zeitpunkte liegen im Oxidierungs-Zeitraum. Bevorzugt wird eine Abtastrate für die Messung der Detektionsgröße vorgegeben, und diese Abtastrate legt den zeitlichen Abstand zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Mess-Zeitpunkten fest.
• - Durch die Messungen wird näherungsweise der zeitliche Verlauf der Detektionsgröße während des Oxidierens ermittelt. Falls in der Messkammer brennbares Zielgas vorhanden ist, so nimmt die Detektionsgröße gemäß der ersten Realisierungsform des Sensor-Bauteils mit der Zeit zu, bis alles Zielgas oxidiert ist. Die Steigung des zeitlichen Verlaufs der Detektionsgröße ist also positiv, bis alles Zielgas oxidiert ist. Gemäß der zweiten Realisierungsform nimmt die Detektionsgröße ab, und die Steigung ist negativ, bis alles Zielgas oxidiert ist. Falls in der Messkammer kein brennbares Zielgas vorhanden ist, so bleibt die Detektionsgröße bei beiden Realisierungsformen im Oxidierungs-Zeitraum annähernd konstant.
• - Abhängig von den gemessenen Werten der Detektionsgröße wird ein Maß für die Steigung der Detektionsgröße, also für die Ableitung des zeitlichen Verlaufs der Detektionsgröße nach der Zeit, berechnet. Im einfachsten Fall ist dieses Maß für die Steigung die Differenz zwischen den beiden Messwerten der Detektionsgröße, die an den zeitlich letzten beiden Zeitpunkten gemessen wurden.
• - Falls die Steigung des zeitlichen Verlaufs der Detektionsgröße vom Betrag her unter einer vorgegebenen Schranke liegt, wird die Messung der Detektionsgröße beendet. Der zeitlich letzte Zeitpunkt wird als der zweite Zeitpunkt verwendet. Der Messwert am zeitlich letzten Zeitpunkt wird als der Messwert am zweiten Zeitpunkt verwendet. Die Schranke kann gleich Null oder größer als Null sein. Falls die Steigung unterhalb der vorgegebenen Schranke liegt, ist praktisch alles Zielgas in der Messkammer oxidiert.
• Bei der zweiten Ausgestaltung ist in der Regel der Oxidierungs-Zeitraum umso länger, je höher die Konzentration von brennbarem Zielgas in der Messkammer ist. Die zweite Ausgestaltung führt in vielen Fällen dann zu einem besonders raschen Detektionsergebnis, wenn in dem zu überwachenden Bereich und daher in der Messkammer kein brennbares Zielgas vorhanden ist. In diesem Falle wird die Steigung nur von Umgebungsbedingungen beeinflusst und bleibt in der Regel unter der vorgegebenen Schranke. Andererseits führt die zweite Ausgestaltung auch dann zu einem zuverlässigen Messergebnis, wenn eine sehr hohe Konzentration von brennbaren Zielgas vorhanden ist. In der Regel wird auch in diesem Fall alles brennbare Zielgas in der Messkammer oxidiert, sodass auch in diesem Fall der Messwert am zweiten Zeitpunkt (am zeitlich letzten Zeitpunkt) zuverlässig als Nullwert fungiert.
• In einer dritten Ausgestaltung ist ein funktionaler Zusammenhang vorgegeben, der den zeitlichen Verlauf der Detektionsgröße während des Oxidierungs-Zeitraums beschreibt. Dieser funktionale Zusammenhang umfasst mindestens einen Modellparameter. Häufig hat dieser funktionale Zusammenhang die Gestalt einer Exponentialfunktion, also f(t) = A - C*exp(-α*t) oder f(t) = A*[1- C*exp(-α*t)] mit den Modellparametern A, C und α.
• Während des Oxidierungs-Zeitraums wird die Detektionsgröße (genauer gesagt: das Maß für die Detektionsgröße) mehrmals gemessen, wodurch eine Stichprobe gewonnen wird. Mithilfe dieser Stichprobe werden automatisch Werte für die Modellparameter berechnet. Durch eine Extrapolation lässt sich häufig mit ausreichender Zuverlässigkeit der Messwert für den zweiten Zeitpunkt vorhersagen. Die dritte Ausgestaltung führt häufig sowohl bei einer niedrigen als auch bei einer höheren Zielgas-Konzentration rasch zu einem zuverlässigen Messergebnis.
• Auch bei der dritten Ausgestaltung braucht keine feste Oxidations-Zeitspanne vorgegeben zu werden. Möglich ist aber auch, eine feste Anzahl N > 1 von Messwerten für die Stichprobe, also für die Anzahl der Stichprobenelemente, vorzugeben und den Oxidations-Zeitraum zu beenden, wenn die N Messwerte für die Stichprobe vorliegen.
• Die zweite Ausgestaltung und die dritte Ausgestaltung lassen sich miteinander kombinieren.
• In einer Realisierungsform umfasst das Oxidierungs-Bauteil das elektrisch leitende Sensor-Bauteil. Falls das Oxidierungs-Bauteil eingeschaltet ist, so fließt elektrischer Strom durch das Sensor-Bauteil. Bei ausgeschaltetem Oxidierungs-Bauteil fließt kein elektrischer Strom durch das Sensor-Bauteil. Beispielsweise ist das Oxidierungs-Bauteil als ein sogenannter Pellistor ausgestaltet und umfasst ein Heizelement, welches als das Sensor-Bauteil fungiert, eine keramische Ummantelung um das Heizelement und eine katalytische Beschichtung auf oder eine katalytische Beimischung in der keramischen Ummantelung. Das Heizelement fungiert als das Sensor-Bauteil. Der Detektions-Sensor misst eine Detektionsgröße des Heizelements.
• In einer anderen Realisierungsform sind das Oxidierungs-Bauteil und das Sensor-Bauteil voneinander getrennt. An das Sensor-Bauteil lässt sich eine elektrische Spannung anlegen, und als Folge hiervon fließt elektrischer Strom durch das Sensor-Bauteil, und zwar unabhängig davon, ob das Oxidierungs-Bauteil eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Gemäß dieser anderen Realisierungsform wird das Oxidierungs-Bauteil lediglich dafür benutzt, möglicherweise vorhandenes brennbares Zielgas in der Messkammer zu oxidieren, aber nicht dafür, dieses Zielgas auch zu detektieren. Der Detektions-Sensor misst bevorzugt nicht eine Größe des Oxidierungs-Bauteils. Auch bei dieser anderen Realisierungsform kann das Oxidierungs-Bauteil als ein Pellistor ausgestaltet sein.
• Die erfindungsgemäße Gasdetektionsvorrichtung kann als ein tragbares Gerät ausgestaltet sein, wobei ein Benutzer dieses tragbare Gerät mit sich führt. Bevorzugt umfasst dieses tragbare Gerät eine eigene Spannungsversorgungseinheit. Die erfindungsgemäße Gasdetektionsvorrichtung kann auch als stationäres Gerät ausgestaltet sein und wenigstens zeitweise mit einem stationären Spannungsversorgungsnetz verbunden sein.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Hierbei zeigt
• 1 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasdetektionsvorrichtung;
• 2 schematisch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasdetektionsvorrichtung;
• 3 beispielhaft eine Abfolge mit Messungen der Gasdetektionsvorrichtung;
• 4 beispielhaft das Oxidierungs-Bauteil;
• 5 ein beispielhaftes Flussdiagramm für den Einsatz der Gasdetektionsvorrichtung.
• 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasdetektionsvorrichtung 100, 2 eine zweite Ausführungsform.
• Die Gasdetektionsvorrichtung 100 wird in einer Anwendung dafür verwendet, um einen räumlichen Bereich auf das Vorhandensein eines brennbaren Gases zu überwachen und / oder um die Konzentration eines brennbaren Gases zu ermitteln. Dieses brennbare Gas wird im Folgenden als „Zielgas“ bezeichnet. Der räumliche Bereich ist beispielsweise eine Raffinerie oder eine sonstige Produktionsanlage, ein Gebäude, ein Bergwerk, ein Fahrzeug oder ein Flugzeug. Das brennbare Gas ist beispielsweise Methan (CH₄).
• In einer anderen Anwendung wird die Gasdetektionsvorrichtung 100 dafür verwendet, um einen Probanden auf Alkohol zu untersuchen. Bekanntlich enthält die Luft, die ein Proband ausatmet, Atemalkohol, falls dieser Proband Alkohol zu sich genommen hat und daher in seinem Blut noch Alkohol vorhanden ist. Bei dieser Anwendung umfasst die Gasdetektionsvorrichtung 100 ein Mundstück. Der Proband atmet in das Mundstück hinein, und wenigstens ein Teil der abgegebenen Atemprobe gelangt in das Innere der Gasdetektionsvorrichtung 100. Bei dieser Anwendung ist also gasförmiger Atemalkohol das brennbare Zielgas.
• Die Gasdetektionsvorrichtung 100 ist in einer Realisierungsform ein tragbares Gerät, welches ein Mensch in einer Hand halten kann oder auch an seiner Kleidung befestigen kann und welches eine eigene Spannungsversorgungseinheit umfasst. Beispielsweise führt ein Benutzer eine solche Gasdetektionsvorrichtung 100 mit sich, während er sich in einem Bereich aufhält, in dem mindestens ein brennbares Zielgas vorhanden sein kann. Oder ein Proband nimmt die Gasdetektionsvorrichtung 100 in eine Hand und gibt eine Atemprobe in das Mundstück ein. Die Gasdetektionsvorrichtung 100 kann auch als ein stationäres Gerät ausgestaltet sein, welches sich an ein stationäres Spannungsversorgungsnetz anschließen lässt und nicht notwendigerweise eine eigene Spannungsversorgungseinheit aufweist.
• Die Gasdetektionsvorrichtung 100 umfasst ein Gehäuse 5, welches eine Messkammer 9 - bis auf nachfolgend beschriebene Öffnungen und bis auf unvermeidliche Spalten und Schlitze - fluiddicht umgibt.
• Bei der ersten Ausführungsform führt ein Einlass E im Gehäuse 5 von der Umgebung in die Messkammer 9, und ein Auslass A im Gehäuse 5 führt aus der Messkammer 9 in die Umgebung. Ein ansteuerbares Ventil 6 vermag wahlweise den Einlass E freizugeben oder zu versperren. Ein ansteuerbares Ventil 7 vermag wahlweise den Auslass A freizugeben oder zu versperren. Bei geöffnetem Ventil 6 kann eine Gasprobe G aus der Umgebung, also aus dem zu überwachenden Bereich, durch den Einlass E hindurch in die Messkammer 9 fließen. Bei geöffnetem Ventil 7 kann die Gasprobe G aus der Messkammer 9 heraus in die Umgebung fließen. Ein signalverarbeitendes Steuergerät 12 mit einer Systemuhr 14 vermag automatisch die Ventile 6 und 7 sowie weitere nachfolgend beschriebene Bauteile anzusteuern.
• Optional vermag das Steuergerät 12 eine Pumpe 13 anzusteuern, und die angesteuerte und dadurch aktivierte Pumpe 13 saugt die Gasprobe G durch den geöffneten Einlass E hindurch in das Innere der Gasdetektionsvorrichtung 100. Bei geöffnetem Auslass A fließt gleichzeitig Gas aus der Messkammer 9 heraus. Möglich ist auch, dass die Gasprobe G durch den Einlass E hindurch in das Innere der Gasdetektionsvorrichtung 100 hinein diffundiert.
• Möglich ist auch eine Realisierungsform, bei der zwar die Pumpe 13, der Einlass E und der Auslass A vorhanden sind, aber nicht die Ventile 6 und 7. Möglich ist, dass der Einlass E und der Auslass A dauerhaft geöffnet sind. Möglich ist auch, dass das Ventil 6 durch eine andere Form eines Verschlusses ersetzt ist, beispielsweise durch eine Lochblende mit einem Lochmuster, wobei das Lochmuster mindestens ein Loch aufweist und wobei die Lochblende relativ zum Gehäuse 5 beweglich ist. Je nach Stellung der Lochblende relativ zum Gehäuse 5 überlappt das oder ein Loch der Lochmuster mit dem Einlass E, und der Einlass E ist geöffnet, oder die Lochblende verschließt den Einlass E.
• Die Pumpe 13 kann während des Betriebs der Gasdetektionsvorrichtung 100 dauerhaft angetrieben sein oder abwechselnd eingeschaltet oder ausgeschaltet zu werden. Die Ausgestaltung, bei der die Pumpe 13 dauerhaft eingeschaltet ist, lässt sich mit der beweglichen Lochblende kombinieren. Die Ausgestaltung, bei der die Pumpe 13 eingeschaltet und ausgeschaltet wird, vermeidet die Notwendigkeit, eine Lochblende oder einen sonstigen Verschluss vorzusehen.
• Bei der zweiten Ausführungsform (2) trennt eine gasdurchlässige Membrane 8 die Messkammer 9 von der Umgebung, sodass die Gasprobe G aus der Umgebung durch die Membrane 8 hindurch in die Messkammer 9 hinein und auch wieder durch die Membrane 8 hindurch aus der Messkammer 9 heraus fließen kann. Bei der gezeigten zweiten Ausführungsform tritt die Membrane 8 an die Stelle des Einlasses E und des Auslasses A der ersten Ausführungsform (1). Auch bei der zweiten Ausführungsform kann eine Pumpe 13 (in 2 nicht gezeigt) die Gasprobe G ansaugen, diesmal durch die Membrane 8 hindurch. Bevorzugt verhindert ein nicht gezeigter Flammschutz, beispielsweise ein metallisches Gitter, dass Flammen aus der Messkammer 9 durch die Membrane 8 hindurch in die Umgebung schlagen können.
• Auch bei der zweiten Ausführungsform kann eine Lochblende (nicht gezeigt) relativ zum Gehäuse 5 beweglich sein und je nach Stellung die Messkammer 9 fluiddicht von der Umgebung trennen oder freigeben.
• Falls nicht anders erwähnt, bezieht sich die nachfolgende Beschreibung auf beide Ausführungsformen.
• Im Inneren der Messkammer 9 ist ein Halbleiter-Sensor 1 angeordnet. Der Halbleiter-Sensor 1 umfasst ein Halbleiter-Bauteil 10 sowie ein Heizelement 11. Das Halbleiter-Bauteil 10 fungiert als das Sensor-Bauteil im Sinne der Ansprüche. Das Halbleiter-Bauteil 10 ist elektrisch leitend und ist bevorzugt aus einem Metalloxid, besonders bevorzugt aus einem Halbleiter, aufgebaut, beispielsweise aus Zinndioxid (SnO₂). In 1 und 2 ist das Halbleiter-Bauteil 10 als ein Draht dargestellt, dies ist aber als ein Symbol in einem Ersatzschaltbild zu verstehen und nur eine von mehreren möglichen Realisierungsformen. Elektrische Kontaktierungen für das Halbleiter-Bauteil 10 und für nachfolgend beschriebene weitere Bestandteile der Gasdetektionsvorrichtung 100 sind angedeutet.
• Eine Gasprobe G in der Messkammer 9 erreicht das Halbleiter-Bauteil 10. Die Gasprobe G wirkt auf das Halbleiter-Bauteil 10 ein und beeinflusst dessen elektrischen Widerstand R. Im Ausführungsbeispiel ist also der elektrische Widerstand R die beeinflusste und messbare Detektionsgröße. Die chemische Einwirkung ist im Ausführungsbeispiel dergestalt, dass der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 umso geringer ist, je höher die Konzentration des brennbaren Zielgases in der Gasprobe G und damit in der Messkammer 9 ist.
• Eine bevorzugte Funktionsweise des Halbleiter-Bauteils 10 wird nachfolgend am Beispiel von Zinndioxid (SnO₂) als dem Material des Halbleiter-Bauteils 10 beschrieben: Die elektrische Leitfähigkeit und damit der elektrische Widerstand R hängen von der Anzahl der freien Elektronen (Ladungsträger) im Halbleiter-Bauteil 10 ab. Die Oberfläche von SnO₂-Kristallen weist O₂-Fehlstellen auf, sodass die Elektronen, welche benachbarte Sn-Atome zur Verfügung stellen, keinen Partner finden. Diese Elektronen sind frei beweglich. Die Anzahl der frei beweglichen Elektronen beeinflusst die elektrische Leitfähigkeit und damit den elektrischen Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10. Das Halbleiter-Bauteil 10 adsorbiert an seiner Oberfläche Sauerstoff aus der Umgebung. Dadurch wird wenigstens ein Teil der O₂-Fehlstellen durch Adsorption von umgebenden Sauerstoff besetzt, und die zuvor freien Elektronen werden gebunden. Das Halbleiter-Bauteil 10 wird erhitzt betrieben, beispielsweise mithilfe des Heizelements 11. Ein brennbares Zielgas wird an der Oberfläche des Halbleiter-Bauteils 10 oxidiert, wobei Sauerstoff, der so wie gerade beschrieben adsorbiert wurde, wieder desorbiert wird. Daher nimmt die Dichte von Ladungsträgern in Form von freien Elektronen wieder zu. Je höher der Anteil von Sauerstoff in der Umgebung des Halbleiter-Bauteils 10 ist, desto mehr freie Elektronen verbinden sich mit Sauerstoff, und desto größer ist der elektrische Widerstand R. Die Oxidation von brennbarem Zielgas verringert also die Menge des Sauerstoffs, welchen das Halbleiter-Bauteil 10 adsorbieren kann. Bei ansonsten gleichbleibenden Umgebungsbedingungen ist der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 daher umso kleiner, je größer die Konzentration eines brennbaren Zielgases in der Messkammer 9 ist. Diese Eigenschaft wird erfindungsgemäß ausgenutzt.
• An jedem Abtast-Zeitpunkt einer vorgegebenen Abfolge von Abtast-Zeitpunkten wird erneut ein Maß für den aktuellen elektrischen Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 gemessen. Beispielsweise misst ein Spannungs-Sensor 25 die elektrische Spannung U, die am Halbleiter-Bauteil 10 anliegt. Ein Stromstärken-Sensor 24 misst die Stärke I des elektrischen Stroms, der durch das Halbleiter-Bauteil 10 fließt. Aus der Spannung U und der Stromstärke I wird der elektrische Widerstand R = U/I hergeleitet. Wie gerade dargelegt, korreliert dieser elektrische Widerstand R mit der Konzentration des Zielgases in der Messkammer 9 und hängt außerdem von Umgebungsbedingungen ab, insbesondere von der Temperatur in der Messkammer 9.
• Das Heizelement 11 hat die Form eines elektrischen Widerstands und steht in einem thermischen Kontakt mit dem Halbleiter-Bauteil 10, sodass die Temperatur des Heizelements 11 ausreichend genau mit der Temperatur des Halbleiter-Bauteils 10 übereinstimmt. Das Aufheizen des Halbleiter-Bauteils 10 bewirkt so wie oben beschrieben, dass brennbares Zielgas oxidiert und Sauerstoff desorbiert wird.
• Variable Umgebungsbedingungen, insbesondere Temperatur, Feuchte und Luftdruck, beeinflussen ebenfalls die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiter-Bauteils 10. Eine mögliche Ursache ist, dass Umgebungsbedingungen die Oberflächentemperatur des Halbleiter-Bauteils 10 verändern können, beispielsweise die Temperatur der äußeren Oberfläche des Halbleiter-Sensors 1.
• Nachfolgend wird beschrieben, wie der Einfluss dieser Umgebungsbedingungen auf den elektrischen Widerstand R bis zu einem gewissen Grad rechnerisch kompensiert wird. Weil dieser Einfluss kompensiert wird, lassen sich gemessene Werte des elektrischen Widerstands R - allgemein: der Detektionsgröße - verwenden, um die gesuchte Zielgas-Konzentration zu ermitteln.
• In einer bevorzugten Realisierung der Erfindung wird die Temperatur des Halbleiter-Bauteils 10 konstant gehalten, und zwar auf einer Temperatur oberhalb jeder beim Einsatz möglichen Umgebungstemperatur. Dadurch wird der Einfluss der Umgebungstemperatur auf den elektrischen Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 verringert.
• Bevorzugt regelt das Steuergerät 12 die Temperatur des Heizelements 11 mit dem Regelungsziel, dass die Temperatur des Heizelements 11 trotz variabler Umgebungsbedingungen konstant bleibt und daher der Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit, den das Heizelement 11 auf das Halbleiter-Bauteil 10 ausübt, ebenfalls konstant bleibt, und zwar auch bei variierender Umgebungstemperatur. Um bei Bedarf die Wärmeenergie, die das Heizelement 11 abgibt, zu verändern, verändert das Steuergerät 12 in einer Ausgestaltung die elektrische Spannung U, die am Heizelement 11 anliegt. In einer anderen Ausgestaltung verändert das Steuergerät 12 die Stärke I des Stroms, der durch das Heizelement 11 fließt. Diese beiden Ausgestaltungen lassen sich miteinander kombinieren. Weil die Temperatur des Halbleiter-Bauteils 10 oberhalb der Umgebungstemperatur liegen soll, reicht diese einseitige Temperatur-Regelung mit dem Heizelement 11 als dem Stellglied aus. Zwar möglich, aber in der Regel nicht erforderlich ist, das Heizelement 11 in gesteuerter Weise zu kühlen.
• Der elektrische Widerstand des Halbleiter-Bauteils 10 hängt auch bei annähernd gleichbleibender Temperatur von Umgebungsbedingungen ab, insbesondere vom Sauerstoffgehalt in der Umgebung, manchmal auch von der Feuchte. Daher wird der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 mindestens an einem ersten Abtast-Zeitpunkt t1 und an einem nachfolgenden zweiten Abtast-Zeitpunkt t2 gemessen. Am ersten Abtast-Zeitpunkt t1 beginnt ein Mess-Zeitraum Z3, und am zweiten Abtast-Zeitpunkt t2 endet dieser Mess-Zeitraum Z3, vgl. 3. Möglich ist, den elektrischen Widerstand R zusätzlich mindestens einmal an einem Abtast-Zeitpunkt zwischen diesen beiden Abtast-Zeitpunkten t1 und t2 zu messen. Im Ausführungsbeispiel stimmt dieser Mess-Zeitraum Z3 mit einem nachfolgend beschriebenen Oxidierungs-Zeitraum überein. Sowohl der Mess-Zeitraum als auch der Oxidierungs-Zeitraum beginnen am ersten Zeitpunkt t1 und enden am zweiten Zeitpunkt t2. Daher wird auch für den Oxidierungs-Zeitraum das Bezugszeichen Z3 verwendet.
• In der Darstellung von 3 sind auf der x-Achse die Zeit und auf der y-Achse der gemessene Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 aufgetragen. Am ersten Abtast-Zeitpunkt t1 stimmt die Konzentration des brennbaren Zielgases in der Gasprobe G und somit in der Messkammer 9 ausreichend genau mit der Zielgas-Konzentration in der Umgebung der Gasdetektionsvorrichtung 100, also in dem zu überwachenden Bereich, überein. Am zweiten Abtast-Zeitpunkt t2 befindet sich praktisch kein brennbares Zielgas in der Messkammer 9. Die Messung am zweiten Abtast-Zeitpunkt t2 fungiert also als eine Referenz-Messung oder eine Nullpunkt-Messung.
• Um am zweiten Abtast-Zeitpunkt t2 eine solche Referenz-Messung durchführen zu können, wird während des Oxidierungs-Zeitraums Z3 das brennbare Zielgas in der Messkammer 9 beseitigt, sodass am zweiten Zeitpunkt t2 kein brennbares Zielgas in der Messkammer 9 vorhanden ist. Dieses Beseitigen wird durchgeführt, indem ein Oxidierungs-Bauteil 2 das brennbare Zielgas, welches sich als Bestandteil der Gasprobe G in der Messkammer 9 befindet, oxidiert. Selbstverständlich ist es möglich, dass im zu überwachenden Bereich kein brennbares Zielgas vorhanden ist und daher die Messkammer 9 bereits am ersten Zeitpunkt t1 frei von brennbarem Zielgas ist.
• Bevorzugt wird eine Konzentrations-Schranke als obere Schranke für die zu erwartende Konzentration des Zielgases in dem zu überwachenden Bereich vorgegeben. Diese Konzentrations-Schranke sowie das konstruktionsbedingte Volumen der Messkammer 9 legen die maximal mögliche Menge von brennbarem Zielgas in der Messkammer 9 fest. Diese maximal mögliche Zielgas-Menge ist so gering, dass genügend Sauerstoff in der Messkammer 9 ist, um das gesamte Zielgas in der Messkammer 9 zu oxidieren.
• Der Oxidierungs-Zeitraum Z3 ist einerseits so lang, dass im Verlaufe des Oxidierungs-Zeitraums Z3 das gesamte brennbare Zielgas in der Messkammer 9 oxidiert wird - vorausgesetzt die Konzentration des Zielgases liegt unterhalb der Konzentrations-Schranke. Andererseits ist der Oxidierungs-Zeitraum Z3 bevorzugt so kurz wie möglich, um das Oxidieren und die beiden Messungen des elektrischen Widerstands R des Halbleiter-Bauteils 10 mit einer möglichst hohen Frequenz wiederholen zu können.
• In einer Abweichung wird nicht notwendigerweise eine Konzentrations-Schranke vorgegeben. Der Mess-Zeitraum und Oxidierungs-Zeitraum Z3 wird beendet, wenn Messungen das Ergebnis haben, dass der elektrische Widerstand R gleich bleibt - genauer gesagt: wenn die Steigung des zeitlichen Verlaufs des elektrischen Widerstands R unter einer vorgegebenen Schranke bleibt. Dies zeigt an, dass alles brennbare Zielgas oder wenigstens ein vorgegebener Anteil des Zielgases in der Messkammer 9 oxidiert ist.
• Das brennbare Zielgas in der Messkammer 9 wird von dem Oxidierungs-Bauteil 2 oxidiert. 4 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung des Oxidierungs-Bauteil 2. In diesem Beispiel ist das brennbare Zielgas Methan (CH4). Das Oxidierungs-Bauteil 2 bewirkt die chemische Reaktion CH4 + 2*O2 → 2*H2O + CO2.
• Diese chemische Reaktion ist in 4 angedeutet. Zwar wird beim Oxidieren des Zielgases Sauerstoff gebunden. Die optionale Konzentrations-Schranke ist aber so vorgegeben, dass die Verringerung des Gehalts an O2-Molekülen in der Messkammer 9 aufgrund des Oxidierens so gering ist, dass der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 dadurch nur in vernachlässigbarer Weise verändert wird.
• In der in 4 gezeigten bevorzugten Ausgestaltung ist das Oxidierungs-Bauteil 2 als ein Pellistor ausgestaltet und umfasst
• - ein spiralförmiges heizendes Segment 20,
• - eine bevorzugt kugelförmige Ummantelung 21 um das heizende Segment 20,
• - zwei elektrische Kontaktierungen 22 und
• - eine Platte 23.
• An das heizende Segment 20 wird eine elektrische Spannung angelegt. Dadurch wird das heizende Segment 20 auf eine Betriebstemperatur erhitzt, die zwischen 300 °C und 700 °C liegt, bevorzugt zwischen 400 °C und 550 °C. Das heizende Segment 20 steht in einem thermischen Kontakt mit der Ummantelung 21, sodass auch die Ummantelung 21 erhitzt wird.
• Diese Temperatur alleine würde aber noch nicht ausreichen, um in ausreichendem Maße brennbares Zielgas zu oxidieren. Eine höhere Temperatur verbraucht mehr elektrische Energie und erhöht das Risiko, dass ein Zielgas in der Messkammer 9 schlagartig verbrennt oder sogar explodiert. Um trotz einer Temperatur von bevorzugt unter 550 °C alles brennbare Zielgas in der Messkammer 9 zu oxidieren, ist in die Ummantelung 21 ein katalytisches Material eingelassen, beispielsweise Platin oder ein Platinoxid. Bevorzugt ist die Ummantelung 21 porös, sodass die thermisch wirksame Oberfläche der Ummantelung 21 größer ist als bei einer glatten Oberfläche.
• Zwischen dem Halbleiter-Sensor 1 und dem Oxidierungs-Bauteil 2 ist eine thermische Barriere 4 angeordnet, die in 1 und 2 schematisch gezeigt ist. Diese thermische Barriere 4 reduziert den thermischen Einfluss des Oxidierungs-Bauteils 2 auf den Halbleiter-Sensor 1 und reduziert daher die Gefahr, dass der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 in nennenswerter Weise durch das erhitzte Oxidierungs-Bauteil 2 und / oder durch das Einschalten und durch das Ausschalten des Oxidierungs-Bauteils 2 verändert wird, was zu einer falschen Messung könnte. Zwischen dem Gehäuse 5 und der thermischen Barriere 4 tritt aber mindestens eine Öffnung auf, bevorzugt eine umlaufende Öffnung, sodass die Gasprobe G durch die gesamte Messkammer 9 fließen kann. Dies ist gewünscht, damit das Oxidierungs-Bauteil 2 das gesamte Zielgas in der Messkammer 9 oxidieren kann, auch das Zielgas hinter der thermischen Barriere 4, und um den gemessenen elektrischen Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 als Maß für die gesuchte Zielgas-Konzentration verwenden zu können.
• Das Steuergerät 12 vermag das Oxidierungs-Bauteil 2 einzuschalten und auszuschalten. Das Steuergerät 12 bewirkt in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, dass das Oxidierungs-Bauteil 2 in jedem Oxidierungs-Zeitraum Z3 eingeschaltet und außerhalb eines Oxidierungs-Zeitraums Z3 ausgeschaltet ist. Weil das Oxidierungs-Bauteil 2 eine relativ geringe thermische Masse aufweist, erreicht es nach dem Einschalten schnell die Betriebstemperatur zwischen 300 °C und 700 °C und kühlt nach einem Ausschalten rasch auf die Temperatur in der Messkammer 9 ab. Diese gewollte starke und in der Regel oszillierende Temperaturänderung führt in der Regel zwangsläufig zu einem oszillierenden Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit durch das Oxidierungs-Bauteil 2 auf die äußere Oberfläche des Halbleiter-Sensors 1. Die oszillierende Temperatur verändert in der Regel den elektrischen Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 und führt daher zu fehlerhaften Messungen.
• Das Oxidierungs-Bauteil 2, dessen Temperatur bei der ersten Ausgestaltung oszilliert, kann einen unerwünschten thermischen Einfluss auf das Halbleiter-Bauteil 10 nehmen. Um diesen thermischen Einfluss in der Messkammer 9 zu verringern, ist in der Messkammer 9 zusätzlich ein ansteuerbares Heizelement 3 angeordnet, und zwar auf derselben Seite der thermischen Barriere 4 wie das Oxidierungs-Bauteil 2.
• Das Steuergerät 12 vermag gemäß der ersten Ausgestaltung nicht nur das Oxidierungs-Bauteil 2, sondern auch das Heizelement 3 einzuschalten und auszuschalten. Das eingeschaltete Heizelement 3 bewirkt idealerweise den gleichen Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit in das Halbleiter-Bauteil 10 wie das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil 2. Die Wirkung: Das Oxidierungs-Bauteil 2 nimmt einen ähnlichen thermischen Einfluss auf das Halbleiter-Bauteil 10 wie das Heizelement 3. Die Gefahr, dass die aktuelle Temperatur des Oxidierungs-Bauteils 2 die Messergebnisse des Halbleiter-Sensors 1 verfälscht, wird reduziert.
• In einer Ausgestaltung umfasst das Heizelement 3 genauso wie das Oxidierungs-Bauteil 2 ein spiralförmiges heizendes Segment 20, eine Ummantelung 21 und elektrische Kontaktierungen 22, jedoch kein katalytisches Material in der Ummantelung 21. Daher vermag das eingeschaltete Heizelement 3 auch mit erhitztem heizenden Segment 20 kein brennbares Zielgas in der Messkammer 9 zu oxidieren.
• Zeitlich vor oder auch nach dem Oxidierungs-Zeitraum (= Mess-Zeitraum) Z3 ist ein Einlass-Zeitraum Z1 vorhanden. Wenigstens in diesem Einlass-Zeitraum Z1 kann eine Gasprobe G aus dem Bereich in die Messkammer 9 fließen, insbesondere indem die Gasprobe G von der Pumpe 13 angesaugt wird und / oder in die Messkammer 9 diffundiert. Zwischen dem Einlass-Zeitraum Z1 und dem Oxidierungs-Zeitraum Z3 ist bei der ersten Ausgestaltung ein Heiz-Zeitraum Z2 angeordnet.
• In jedem Oxidierungs-Zeitraum Z3 ist das Oxidierungs-Bauteil 2 eingeschaltet, und das Heizelement 3 ist ausgeschaltet. Im Heiz-Zeitraum Z2 ist das Heizelement 3 eingeschaltet, und das Oxidierungs-Bauteil 2 ist ausgeschaltet. Das Heizelement 3 heizt die Gasprobe G in der Messkammer 9 auf, sodass beim Übergang von einem Heiz-Zeitraum Z2 zu einem Oxidierungs-Zeitraum (= Mess-Zeitraum Z3) in der Messkammer 9 keine abrupte Temperaturänderung auftritt. Dank des Heizelements 3 ist der Eintrag von thermischer Energie pro Zeiteinheit in das Halbleiter-Bauteil 10 im Heiz-Zeitraum Z2 etwa gleich dem Eintrag im Mess-Zeitraum Z3. Insbesondere variiert der Eintrag von Heizenergie in den Halbleiter-Sensor 1 über der Zeit weniger verglichen mit einem Zustand ohne ein Heizelement 3.
• In einer Ausgestaltung wird vorab eine Justierung durchgeführt, um eine Soll-Betriebstemperatur Temp_Soll(3) des Heizelements 3 festzulegen. Das Heizelement 3 erreicht nach dem Einschalten diese Soll-Betriebstemperatur Temp_Soll(3). Das Ziel bei der Justierung ist, dass der Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit auf den Halbleiter-Sensor 1, den das eingeschaltete Heizelement 3 bewirkt, gleich dem Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit ist, den das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil 2 bewirkt. Außer der Soll-Betriebstemperatur Temp_Soll(3) lassen sich auch der Abstand dist(3) zwischen dem Heizelement 3 und dem Halbleiter-Sensor 1 sowie der Abstand dist(2) zwischen dem Oxidierungs-Bauteil 2 und dem Halbleiter-Sensor 1 verändern. Für die Justierung wird ein Zustand hergestellt, bei dem die Messkammer 9 frei von brennbarem Zielgas ist. Die Soll-Betriebstemperatur Temp_Soll(3) und der Abstand werden so eingestellt, dass die Detektionsgröße, hier also der elektrische Widerstand R, des Halbleiter-Bauteils 10 bei eingeschaltetem Oxidierungs-Bauteil 2 und ausgeschaltetem Heizelement 3 genauso groß ist wie bei ausgeschaltetem Oxidierungs-Bauteil 2 und eingeschaltetem Heizelement 3.
• 3 veranschaulicht einen beispielhaften zeitlichen Verlauf beim Betrieb der Gasdetektionsvorrichtung 100. Auf der x-Achse ist die Zeit t aufgetragen, auf der y-Achse der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die erste Ausführungsform gemäß 1.
• Mindestens einmal wird eine Abfolge durchgeführt, die aus einem Einlass-Zeitraum Z1, dem nachfolgenden Heiz-Zeitraum Z2 und dem nachfolgenden Mess-Zeitraum (= Oxidierungs-Zeitraum Z3) besteht. Bevorzugt wird diese Abfolge wiederholt durchgeführt, während die Gasdetektionsvorrichtung 100 verwendet wird. 5 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm für eine derartige Abfolge beim Betrieb der Gasdetektionsvorrichtung 100.
• Der Einlass-Zeitraum Z1 beginnt zum Zeitpunkt ta. Im Einlass-Zeitraum Z1 sind die Ventile 6 und 7 geöffnet, und die optionale Pumpe 13 wird eingeschaltet. Die Messkammer 9 wird ausgespült. Dies bedeutet: Die zuvor in der Messkammer 9 vorhandene Gasprobe G fließt durch den Auslass A aus der Messkammer 9 heraus, und die nunmehr zu untersuchende Gasprobe G fließt aus dem zu überwachenden Bereich durch den Einlass E hindurch in die Messkammer 9. In einer Ausgestaltung ist die optionale Pumpe 13 eingeschaltet und fördert die Gasprobe G aus der Umgebung in die Messkammer 9 hinein. Möglich ist auch, dass die zu untersuchende Gasprobe G aus dem Bereich in die Messkammer 9 hinein diffundiert.
• In 5 bedeutet ta:S1 den Schritt, dass zum Zeitpunkt ta die Ventile 6 und 7 geöffnet werden, die Pumpe 13 eingeschaltet wird und die Messkammer 9 ausgespült wird. Das Heizelement 3 und das Oxidierungs-Bauteil 2 sind ausgeschaltet.
• Der Einlass-Zeitraum Z1 ist so lang, dass nach dem Ende des Einlass-Zeitraums Z1 die Konzentration von brennbarem Zielgas in der Messkammer 9 etwa gleich der Zielgas-Konzentration in der Umgebung und daher in dem zu überwachenden Bereich ist. Insbesondere ist der Einlass-Zeitraum Z1 so lang, dass dann, wenn in der Messkammer 9 kein brennbares Zielgas detektiert ist, fest steht, dass auch in der Umgebung kein brennbares Zielgas oberhalb einer Nachweisgrenze vorhanden ist. In einer Ausgestaltung ist die Dauer des Einlass-Zeitraums Z1 fest vorgegeben.
• Im Einlass-Zeitraum Z1 ist das Oxidierungs-Bauteil 2 ausgeschaltet. In einer Realisierungsform ist im Einlass-Zeitraum Z1 auch das Heizelement 3 ausgeschaltet, wodurch elektrische Energie eingespart wird. In einer anderen Realisierungsform ist das Heizelement im Einlass-Zeitraum Z1 eingeschaltet, was häufig einen kürzeren Heiz-Zeitraum Z2 ermöglicht und dadurch Zeit einspart.
• Zum Zeitpunkt t0 ist der Einlass-Zeitraum Z1 beendet, und der nachfolgende - Zeitraum Z2 beginnt. Im Heiz-Zeitraum Z2 bleibt das Oxidierungs-Bauteil 2 ausgeschaltet. Das Steuergerät 12 löst zum Zeitpunkt t0 folgenden Ereignisse aus:
• - Die Ventile 6 und 7 werden geschlossen, sodass die Messkammer 9 von der Umgebung getrennt ist.
• - Die optionale Pumpe 13 wird ausgeschaltet.
• - Das Heizelement 3 wird eingeschaltet.
• In 5 bedeutet t0:S2 den Schritt, dass zum Zeitpunkt t0 die Ventile 6 und 7 geschlossen werden und die Pumpe 13 ausgeschaltet wird. t0:S3 bedeutet den Schritt, dass zum Zeitpunkt t0 das Heizelement 3 eingeschaltet wird. Das Oxidierungs-Bauteil 2 bleibt ausgeschaltet.
• Der Heiz-Zeitraum Z2, in dem das Heizelement 3 eingeschaltet ist, ist so lang, dass das Heizelement 3 im Heiz-Zeitraum Z2 auf die Soll-Betriebstemperatur Temp_Soll(3) aufgeheizt wird, welche wie oben beschrieben in einer vorhergehenden Justierung ermittelt wurde und den gleichen Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit wie später das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil 2 bewirkt.
• In einer Ausgestaltung ist die Soll-Betriebstemperatur Temp_Soll(3) des Heizelements 3 vorgegeben. Die aktuelle Temperatur Temp(3) des Heizelements 3 wird gemessen. Beispielsweise wird der aktuelle elektrische Widerstand des Heizelements 3 gemessen. Bekanntlich korreliert der elektrische Widerstand eines Metalls mit dessen Temperatur, so dass der Widerstand ein Maß für die Temperatur ist.
• In 5 bezeichnet E1? die Entscheidung, ob der Heiz-Zeitraum Z2 bereits verstrichen ist oder nicht.
• Zum Zeitpunkt t1 ist der Heiz-Zeitraum Z2 beendet, und der Mess-Zeitraum Z3 beginnt. Das Steuergerät 12 löst zum Zeitpunkt t1 folgende Ereignisse aus:
• - Der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 wird gemessen. Der zu t1 gemessene Wert des elektrischen Widerstands wird mit r1 bezeichnet.
• - Das Heizelement 3 wird ausgeschaltet.
• - Das Oxidierungs-Bauteil 2 wird eingeschaltet.
• Im Mess-Zeitraum Z3 bleibt das Heizelement 3 ausgeschaltet. Die Ventile 6 und 7 bleiben geschlossen, und die Pumpe 13 bleibt ausgeschaltet. Das im Oxidierungs-Zeitraum (= Mess-Zeitraum) Z3 eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil 2 oxidiert das oder jedes brennbare Zielgas in der Messkammer 9. Selbstverständlich ist es möglich, dass sich in dem zu überwachenden Bereich und damit auch in der Messkammer 9 kein brennbares Zielgas befindet und daher das erhitzte Oxidierungs-Bauteil 2 kein Oxidieren durchführt.
• Im Ausführungsbeispiel ist der erste Zeitpunkt t1 sowohl das Ende des Heiz-Zeitraums Z2 als auch der Beginn des Mess-Zeitraums (= Oxidierungs-Zeitraums) Z3. In 5 bedeutet t1 :S4, dass zum Zeitpunkt t1 das Heizelement 3 ausgeschaltet und das Oxidierungs-Bauteil 2 eingeschaltet werden. S5(t) bedeutet, dass zum Zeitpunkt t der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 gemessen wird. Anfänglich wird der Zeitpunkt t auf t1 gesetzt. Die Messung S5(t1) zum ersten Zeitpunkt t1 liefert den Widerstands-Wert r1.
• Zum Zeitpunkt t2 sind der Mess-Zeitraum Z3 und damit die Abfolge bestehend aus den Zeiträumen Z1, Z2, Z3 beendet.
• Das Steuergerät 12 löst zum Zeitpunkt t2 folgenden Ereignisse aus:
• - Der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 wird erneut gemessen. Der Messung S5(t2) zum zweiten Zeitpunkt t2 liefert einen Wert des elektrischen Widerstands R, der mit r2 bezeichnet wird.
• - Das Oxidierungs-Bauteil 2 wird ausgeschaltet.
• In dem beispielhaften Flussdiagramm ist der Oxidierungs-Zeitraum Z3 zwischen t1 und t2 nicht fest vorgegeben. Vielmehr wird der elektrische Widerstand R an den Zeitpunkten t1, t1+Δt, t1+2*Δt, ... gemessen, wobei Δt ein fest vorgegebener Abstand ist.. Weil das Oxidierungs-Bauteil 2 brennbares Zielgas in der Messkammer 9 verbrennt, wird der elektrische Widerstand R immer größer. Mit r(t) wird der Widerstands-Wert zum Zeitpunkt t bezeichnet. Berechnet wird die Differenz zwischen den Widerstands-Werten an zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t-Δt und t, also die Differenz r(t) - r(t-Δt).
• Im gezeigten Beispiel kann während des Mess-Zeitraums Z3 kein brennbares Zielgas von außen in die Messkammer 9 gelangen. Falls die Differenz r(t) - r(t-Δt) kleiner als eine vorgegebene Schranke ΔR_min ist, so ist praktisch alles brennbare Zielgas in der Messkammer 9 oxidiert. Der Zeitpunkt t, an dem dies festgestellt wird, wird als der Zeitpunkt t2 verwendet, an dem der Mess-Zeitraum Z3 beendet ist. Der zuletzt gemessene Widerstands-Wert r(t) wird als der Wert r2 = r(t2) verwendet.
• Im gezeigten Beispiel wird die Differenz r(t) - r(t-Δt) zwischen den beiden jüngsten Widerstands-Werten verwendet. Allgemein wird die Steigung des elektrischen Widerstands R als Funktion der Zeit berechnet, wofür die Zeitreihe r(t1), r(t1+Δt), r(t1+2*Δt), ... verwendet wird. Wenn diese Steigung unter einer vorgegeben Schranke liegt, wird der Zeitpunkt der jüngsten Messung als zweiter Zeitpunkt t2 verwendet.
• In 5 bedeutet t2:S6, dass zum Zeitpunkt t2 das Oxidierungs-Bauteil 2 ausgeschaltet wird.
• Eine nachfolgende Abfolge beginnt. In 3 ist der Einlass-Zeitraum Z1 der nachfolgenden Abfolge angedeutet. Optional werden zum zweiten Zeitpunkt t2 die Ventile 6 und 7 wieder geöffnet, und die Pumpe 13 wird wieder eingeschaltet.
• In der gerade beschriebenen ersten Ausgestaltung ist das Oxidierungs-Bauteil 2 nur während des Oxidierungs-Zeitraum Z3 eingeschaltet und ansonsten ausgeschaltet. Nachfolgend wird eine alternative zweite Ausgestaltung beschrieben. Bei dieser zweiten Ausgestaltung ist das Oxidierungs-Bauteil 2 nicht nur im Oxidierungs-Zeitraum Z3 eingeschaltet, sondern wenigstens auch im Einlass-Zeitraum Z1. Optional bleibt das Oxidierungs-Bauteil 2 während des gesamten Betriebs der Gasdetektionsvorrichtung 100 eingeschaltet und wird nur in einem Ruhezustand der Gasdetektionsvorrichtung 100 ausgeschaltet. In vielen Fällen spart der Ausgestaltung, das Oxidierungs-Bauteil 2 eingeschaltet zu lassen, ein Heizelement 3 ein. An den Einlass-Zeitraum Z1 kann sich direkt der Oxidierungs-Zeitraum Z3 anschließen, ein Heiz-Zeitraum Z2 wird also nicht benötigt. Die zweite Ausgestaltung lässt sich aber auch in Kombination mit einem Heizelement 3 verwenden, welches mögliche Schwankungen in dem Eintrag von Wärmeenergie, den das Oxidierungs-Bauteil 2 auf das Halbleiter-Bauteil 10 bewirkt, bis zu einem gewissen Grade kompensiert.
• Bei der zweiten Ausgestaltung ist die Messkammer 9 im Einlass-Zeitraum Z1 geöffnet, sodass eine Gasprobe G aus dem zu überwachenden Bereich in die Messkammer 9 fließen kann. Im Oxidierungs-Zeitraum Z3 ist die Messkammer 9 geschlossen und damit fluiddicht gegen den zu überwachenden Bereich abgeschlossen, sodass im Oxidierungs-Zeitraum Z3 kein Zielgas in die Messkammer 9 fließen kann, auch wenn im Bereich brennbares Zielgas vorhanden ist.
• Den Vorgang, die Messkammer 9 zu öffnen und zu schließen und dadurch wahlweise in einem geöffneten oder in einem geschlossenen Zustand zu betreiben, lässt sich beispielsweise auf eine der folgenden Weisen realisieren:
• - Die Pumpe 13 wird eingeschaltet und ausgeschaltet. Insbesondere ist die Pumpe 13 im Einlass-Zeitraum Z1 eingeschaltet und im oxidieren Zeitraum Z3 ausgeschaltet.
• - Das Ventil 6 am Einlass E wird geöffnet und geschlossen. Das Ventil 6 ist im Einlass-Zeitraum Z1 geöffnet und im Oxidierungs-Zeitraum Z3 geschlossen.
• - Die oben beschriebene Lochblende oder auch eine Klappe wird relativ zum Gehäuse 5 bewegt, sodass die Lochblende 5 bzw. die Klappe im Einlass-Zeitraum Z1 den Einlass E freigibt und im Oxidierungs-Zeitraum Z3 den Einlass E versperrt.
• Diese beiden Ausgestaltungen lassen sich miteinander kombinieren, was in vielen Fällen die Zuverlässigkeit der Gasdetektionsvorrichtung 100 vergrößert. Im Einlass-Zeitraum Z1 sind also der Einlass E geöffnet, und das Oxidierungs-Bauteil 2 und das optionale Heizelement 3 sind ausgeschaltet. Im Oxidierungs-Zeitraum Z3 sind der Einlass E geschlossen, das Oxidierungs-Bauteil 2 eingeschaltet und das optionale Heizelement 3 ausgeschaltet. Im optionalen Heiz-Zeitraum Z2 ist bevorzugt der Einlass E geschlossen.
• Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die Ausgestaltung gemäß 1 und auf beide Ausgestaltungen, also sowohl auf der Ausgestaltung, bei der das Oxidierungs-Bauteil 2 eingeschaltet ausgeschaltet wird, also auf die Ausgestaltung, bei der die Messkammer 9 geöffnet und geschlossen wird.
• Die beiden gemessenen Werte r1 und r2 und optional weitere gemessene Werte für den elektrischen Widerstand R werden an eine signalverarbeitende Auswerteeinheit 15 übermittelt, die in der gezeigten Realisierung ein Bestandteil des Steuergeräts 12 ist. Wie bereits dargelegt, ist im Ausführungsbeispiel der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 umso kleiner, je größer der Anteil (die Konzentration) von brennbarem Zielgas in der Messkammer 9 ist. Der elektrische Widerstand R hängt außerdem von Umgebungsbedingungen ab. Erfindungsgemäß wird die Differenz Δr = r2 - r1 ausgewertet. Diese Differenz Δr hängt im Wesentlichen nur von der gesuchten Konzentration von brennbarem Zielgas in der Messkammer 9 ab, während Umgebungsbedingungen an beiden Mess-Zeitpunkten t1 und t2 etwa gleich auf den elektrischen Widerstand R einwirken. „Im Wesentlichen“ bedeutet: Der Einfluss von Umgebungsbedingungen auf die Differenz Δr ist vernachlässigbar gering. Auf diese Weise wird der Einfluss von Umgebungsbedingungen rechnerisch kompensiert.
• In einer Ausgestaltung wird die Gasdetektionsvorrichtung 100 für die Entscheidung verwendet, ob in dem zu überwachenden Bereich mindestens ein brennbares Zielgas vorhanden ist oder nicht. Während eines Einsatzes wird wiederholt eine Abfolge Z1, Z2, Z3 durchgeführt. Falls nach einer Abfolge die gemessene Differenz Δr oberhalb einer Differenz-Schranke liegt, so ist ein brennbares Zielgas detektiert. Ansonsten steht fest, dass aktuell kein brennbares Zielgas vorhanden ist - natürlich vorausgesetzt, dass die Gasdetektionsvorrichtung 100 intakt ist. Die Erfinder haben in internen Versuchen mit einem bestimmten brennbaren Zielgas festgestellt, dass eine erfindungsgemäße Gasdetektionsvorrichtung 100 dieses Zielgas mit einer Konzentration von unter 10 ppm zuverlässig zu detektieren vermag, oft sogar mit einer Konzentration von unter 2 ppm.
• Bevorzugt wird die Gasdetektionsvorrichtung 100 vorab kalibriert. Bei dieser Kalibrierung werden in der Umgebung der Gasdetektionsvorrichtung 100 nacheinander unterschiedliche Konzentrationen con(1), con(2), ... eines zu detektierenden Zielgases hergestellt. Für jede Konzentration con(i) wird jeweils mindestens einmal eine Differenz Δr(i) gemessen. Bevorzugt werden mehrere Abfolgen Z1, Z2, Z3 durchgeführt, und über die gemessenen Differenzen wird gemittelt. Die Kalibrierung liefert einen empirisch ermittelten funktionalen Zusammenhang Con = f(ΔR). Dieser empirisch ermittelte funktionale Zusammenhang wird in einer rechnerauswertbaren Form in einem Datenspeicher der Auswerteeinheit 15 abgespeichert. Anmerkung: Mit Con wird die Größe bezeichnet, mit con ein bestimmter Messwert für diese Größe.
• Bevorzugt wird bei dieser Justierung auch das Heizelement 3 so wie oben beschrieben eingestellt, sodass der Eintrag pro Zeiteinheit von Wärmeenergie durch das Heizelement 3 gleich dem Eintrag pro Zeiteinheit durch das Oxidierungs-Bauteil 2 ist.
• Bei einem Einsatz der Gasdetektionsvorrichtung 100 wird die Abfolge Z1, Z2, Z3 wiederholt durchgeführt. Auf die gemessene Differenz Δr wird der abgespeicherte funktionale Zusammenhang f angewendet und liefert die gesuchte aktuelle Zielgas-Konzentration con = f(Δr).
• Erfindungsgemäß wird mindestens an den beiden Zeitpunkten t1 und t2 der elektrische Widerstand R des Halbleiter-Bauteils 10 gemessen. In einer Ausgestaltung wird der elektrische Widerstand R zusätzlich an mindestens einem Zwischen-Zeitpunkt t_x, der zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 liegt, gemessen. In einer bevorzugten Weiterbildung wird der zeitliche Verlauf des elektrischen Widerstands R im Mess-Zeitraum Z3 gemessen. Durch geeignete numerische Verfahren, beispielsweise mithilfe einer Glättung, werden bis zu einem gewissen Grade Ausreißer und sonstige Messfehler rechnerisch kompensiert.
• Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 2 umfasst die Gasdetektionsvorrichtung 100 keinen Einlass E und keinen Auslass A. In einer Ausgestaltung vermag eine verschiebbare Blende oder ein sonstiger geeigneter Verschluss die Fluidverbindung zwischen der Messkammer 9 und der Umgebung wahlweise freizugeben oder zu verschließen. Bei dieser Ausgestaltung wird ebenfalls mindestens eine Abfolge mit einem Einlass-Zeitraum Z1, einem Heiz-Zeitraum Z2 und einem Mess-Zeitraum Z3 durchgeführt, wobei die Fluidverbindung zwischen der Messkammer 9 und der Umgebung während des Einlass-Zeitraums Z1 geöffnet und während des Heiz-Zeitraums Z2 und des Mess-Zeitraums Z3 unterbrochen ist. Die Ausgestaltung gemäß 2 und mit dem beweglichen Verschluss lässt sich mit einer Realisierungsform kombinieren, bei denen das Oxidierungs-Bauteil 2 dauerhaft eingeschaltet ist und ein Heizelement 3 zwar vorhanden sein kann, aber nicht benötigt wird.
• Falls hingegen dauerhaft eine Fluidverbindung zwischen der Messkammer 9 und der Umgebung durch die Membrane 8 hindurch hergestellt ist, so wird bevorzugt mindestens einmal eine Abfolge durchgeführt, die nur aus einem Heiz-Zeitraum Z2 und einem nachfolgenden Mess-Zeitraum Z3 besteht, wobei das Steuergerät 12 die oben für diese beiden Zeiträume Z2 und Z3 beschriebenen Vorgänge auslöst. Bei dieser Ausgestaltung fungiert der Heiz-Zeitraum Z2 gleichzeitig als der Einlass-Zeitraum Z1.
• Bezugszeichenliste

1

Halbleiter-Sensor, umfasst das Halbleiter-Bauteil 10 und das Heizelement 11

2

ansteuerbares Oxidierungs-Bauteil 2, umfasst den Heizdraht 20, die keramische und katalytische Ummantelung 21, die elektrischen Kontaktierungen 22 und die Platte 23, ist als katalytischer Pellistor ausgestaltet

3

ansteuerbares Heizelement in der Messkammer 9

4

thermische Barriere zwischen dem Oxidierungs-Bauteil 2 und dem Heizelement 3 einerseits und dem Halbleiter-Sensor 1 andererseits

5

Gehäuse der Gasdetektionsvorrichtung 100, umgibt die Messkammer 9

6

Ventil am Einlass E

7

Ventil am Auslass A

8

gasdurchlässige Membrane, verbindet die Messkammer 9 mit der Umgebung

9

Messkammer der Gasdetektionsvorrichtung 100, vom Gehäuse 5 umgeben, nimmt den Halbleiter-Sensor 1, das Oxidierungs-Bauteil 2, das Heizelement 3 und die thermische Barriere 4 auf

10

Halbleiter-Bauteil des Halbleiter-Sensors 1, dessen elektrischen Widerstand R gemessen wird, fungiert als das Sensor-Bauteil

11

Heizelement des Halbleiter-Sensors 1, heizt das Halbleiter-Bauteil 10

12

signalverarbeitendes Steuergerät, steuert das Heizelement 11 des Halbleiter-Sensors 1, das Oxidierungs-Bauteil 2, das Heizelement 3, die optionalen Ventile 6 und 7 und die optionale Pumpe 13 an, umfasst die Auswerteeinheit 15

13

ansteuerbare Pumpe, welche eine Gasprobe G aus der Umgebung ansaugt und durch den Einlass E hindurch in die Messkammer 9 einspeist

14

Systemuhr des Steuergeräts 12

15

signalverarbeitende Auswerteeinheit, ermittelt die Konzentration des brennbaren Zielgases, ist ein Bestandteil des Steuergeräts 12

20

Heizdraht des Oxidierungs-Bauteils 2

21

keramische und katalytische Ummantelung des Oxidierungs-Bauteils 2

22

elektrische Kontaktierungen des Oxidierungs-Bauteils 2

23

Platte des Oxidierungs-Bauteils 2

24

Stromstärken-Sensor, misst die Stärke I des Stroms, der durch das Halbleiter-Bauteil 10 fließt

25

Spannungs-Sensor, misst die elektrische Spannung U, die am Halbleiter-Bauteil 10 anliegt

100

Gasdetektionsvorrichtung, umfasst die Messkammer 9 im Gehäuse 5, den Halbleiter-Sensor 1, das Oxidierungs-Bauteil 2, das Heizelement 3, die thermische Barriere 4, optional den Einlass E mit dem Ventil 6 und den Auslass A mit dem Ventil 7, optional die Membrane 8 und optional die Pumpe 13

A

Auslass aus der Messkammer 9, umfasst das Ventil 7

dist(2)

Abstand zwischen dem Oxidierungs-Bauteil 2 und dem Halbleiter-Sensor 1

dist(3)

Abstand zwischen dem Heizelement 3 und dem Halbleiter-Sensor 1

E

Einlass zu der Messkammer 9, umfasst das Ventil 6

E1?

Entscheidung: Heiz-Zeitraum Z2 verstrichen?

G

Gasprobe aus dem zu überwachenden Bereich, fließt durch den Einlass E oder die Membrane 8 hindurch in die Messkammer 9 und wird dort untersucht

R

elektrischer Widerstand des Halbleiter-Bauteils 10, wird aufgrund von Messwerten der Sensoren 24 und 25 ermittelt

r1

Messwert zum Zeitpunkt t1 für den elektrischen Widerstand R

r2

Messwert zum Zeitpunkt t2 für den elektrischen Widerstand R

r(t)

Messwert zum Zeitpunkt t für den elektrischen Widerstand R

ΔR_min

vorgegebene Schranke für die Veränderung des elektrischen Widerstands R

S1

Schritt: zum Zeitpunkt ta werden die Ventile 6 und 7 geöffnet, die Pumpe 13 wird eingeschaltet, und die Messkammer 9 wird ausgespült

S2

Schritt: zum Zeitpunkt t0 werden die Ventile 6 und 7 geschlossen, und die Pumpe 13 wird eingeschaltet

S3

Schritt: zum Zeitpunkt t0 wird das Heizelement 3 eingeschaltet

S4

Schritt: zum Zeitpunkt t1 wird das Heizelement 3 ausgeschaltet, und das Oxidierungs-Bauteil 2 wird eingeschaltet

t0

Anfang des Heiz-Zeitraums Z2

t1

erster Zeitpunkt, an dem die Detektionsgröße gemessen wird - am ersten Zeitpunkt kann brennbares Zielgas in der Messkammer 9 sein

t2

zweiter Zeitpunkt, an dem die Detektionsgröße gemessen wird - am zweiten Zeitpunkt ist durch das Oxidieren kein brennbares Zielgas in der Messkammer 9 vorhanden

ta

Anfang des Einlass-Zeitraums Z1

Z1

Einlass-Zeitraum, in dem die Gasprobe G in die Messkammer 9 fließt und das Heizelement 3 ausgeschaltet ist

Z2

Heiz-Zeitraum, in dem das Heizelement 3 eingeschaltet ist, beginnt im Zeitpunkt t0

Z3

Oxidierungs-Zeitraum, in dem das Oxidierungs-Bauteil 2 eingeschaltet und das Heizelement 3 ausgeschaltet ist, reicht vom ersten Zeitpunkt t1 bis zum zweiten Zeitpunkt t2

Claims (15)

1. Gasdetektionsvorrichtung (100) zum Überwachen eines Bereichs auf ein brennbares Zielgas (CH₄), wobei die Gasdetektionsvorrichtung (100) - eine Messkammer (9), - ein elektrisch leitendes Sensor-Bauteil (10, 20), - ein einschaltbares und ausschaltbares Oxidierungs-Bauteil (2), - einen Detektions-Sensor (24, 25) und - eine signalverarbeitende Auswerteeinheit (15) umfasst, wobei die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass wenigstens zeitweise eine Gasprobe (G) aus dem Bereich in die Messkammer (9) fließt und das Sensor-Bauteil (10, 20) in Kontakt mit der Gasprobe (G) in der Messkammer (9) kommt, wobei eine messbare elektrische Detektionsgröße, insbesondere der elektrische Widerstand (R), des Sensor-Bauteils (10, 20) in einer ersten Realisierungsform umso größer und in einer zweiten Realisierungsform umso kleiner ist, desto geringer die Konzentration des Zielgases (CH₄) in der Gasprobe (G) in der Messkammer (9) ist, wobei der Detektions-Sensor (24, 25) dazu ausgestaltet ist, ein Maß für die Detektionsgröße (R) des Sensor-Bauteils (10, 20) zu messen, wobei das Oxidierungs-Bauteil (2) dazu ausgestaltet ist, brennbares Zielgas (CH₄) in einer Gasprobe (G) in der Messkammer (9) zu oxidieren, wobei die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass das Oxidierungs-Bauteil (2) - mindestens während eines Oxidierungs-Zeitraums (Z3) eingeschaltet ist und - bis zum Ende des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) brennbares Zielgas (CH₄) in der Gasprobe (G) in der Messkammer (9) oxidiert, wobei die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass der Detektions-Sensor (24, 25) an einem ersten Zeitpunkt (t1) und an einem zweiten Zeitpunkt (t2) ein Maß für die Detektionsgröße (R) des Sensor-Bauteils (10, 20) misst, wobei diese beiden Zeitpunkte (t1, t2) so angeordnet sind, dass - dann, wenn im zu überwachenden Bereich brennbares Zielgas (CH₄) vorhanden ist, auch am ersten Zeitpunkt (t1) in der Messkammer (9) brennbares Zielgas (CH₄) vorhanden ist, und - am zweiten Zeitpunkt (t2) aufgrund der Oxidation im Oxidations-Zeitraum (Z3) weniger brennbares Zielgas (CH₄) als am ersten Zeitpunkt (t1) oder überhaupt kein brennbares Zielgas in der Messkammer (9) vorhanden ist, und wobei die Gasdetektionsvorrichtung (100) weiterhin so ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit (15) die Differenz (Δr) zwischen dem Messwert (r2) am zweiten Zeitpunkt (t2) und dem Messwert (r1) am ersten Zeitpunkt (t1) für die Detektionsgröße (R) berechnet und abhängig von dieser Differenz (Δr) - automatisch entscheidet, ob ein brennbares Zielgas (CH₄) in der Gasprobe (G) vorhanden ist oder nicht, und / oder - automatisch die Konzentration des brennbaren Zielgases (CH₄) in der Gasprobe (G) ermittelt.
2. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdetektionsvorrichtung (100) zusätzlich ein Heizelement (3) umfasst, welches einschaltbar und ausschaltbar ist, wobei das Heizelement (3) dazu ausgestaltet ist, nach einem Einschalten die Gasprobe (G) in der Messkammer (9) zu erhitzen, wobei die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass das Heizelement (3) zu Beginn eines Heiz-Zeitraums (Z2), welcher außerhalb des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) liegt, eingeschaltet und am Ende des Heiz-Zeitraums (Z2) wieder ausgeschaltet ist.
3. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil (2) einen Eintrag von Wärmeenergie in das Sensor-Bauteil (10, 20) bewirkt und das eingeschaltete Heizelement (3) ebenfalls einen Eintrag von Wärmeenergie in das Sensor-Bauteil (10, 20) bewirkt, wobei der Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit durch das eingeschaltete Heizelement (3) gleich dem Eintrag von Wärmeenergie pro Zeiteinheit durch das eingeschaltete Oxidierungs-Bauteil (2) ist.
4. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass bei gleichen Umgebungsbedingungen die Detektionsgröße (R) des Sensor-Bauteils (10, 20) bei eingeschaltetem Oxidierungs-Bauteil (2) und ausgeschaltetem Heizelement (3) den gleichen Wert annimmt wie bei ausgeschaltetem Oxidierungs-Bauteil (2) und eingeschaltetem Heizelement (3).
5. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass das Ende (t1) des Heiz-Zeitraums (Z2) gleich dem Beginn (t1) des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) ist und das Heizelement (3) im Oxidierungs-Zeitraum (Z3) ausgeschaltet ist.
6. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitpunkt (t1) vor oder an dem Beginn des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) liegt und der zweite Zeitpunkt (t2) an oder nach dem Ende des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) liegt.
7. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass der Detektions-Sensor (24, 25) an mindestens zwei Zeitpunkten (t1, t_x), die im Oxidierungs-Zeitraum (Z3) liegen, das Maß für die Detektionsgröße (R) des Sensor-Bauteils (10, 20) misst, und die Auswerteeinheit (15) dazu ausgestaltet ist, ein Maß für die Steigung der Detektionsgröße (R) über der Zeit zu berechnen und dann, wenn die berechnete Steigung unter einer vorgegebenen Schranke (ΔR_min) liegt, den zeitlich jüngsten Zeitpunkt, an dem das Maß für die Detektionsgröße (R) gemessen worden ist, als den zweiten Zeitpunkt (t2) und den Messwert am zeitlich jüngsten Zeitpunkt als den Messwert (r2) am zweiten Zeitpunkt (t2) zu verwenden.
8. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitpunkt (t1) außerhalb oder am Beginn des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) liegt, das Oxidierungs-Bauteil (2) in einem Einlass-Zeitraum (Z2) ausgeschaltet ist und die Gasdetektionsvorrichtungen (100) so ausgestaltet ist, dass die Gasprobe (G) mindestens im Einlass-Zeitraum (Z2) in die Messkammer (9) fließt, wobei der erste Zeitpunkt (t1) im Einlass-Zeitraum (Z2) oder zwischen dem Einlass-Zeitraum (Z2) und dem Oxidierungs-Zeitraum (Z3) liegt.
9. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitpunkt (t1) außerhalb oder am Beginn des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) liegt und die Messkammer (9) wahlweise in einem geöffneten Zustand und in einem geschlossenen Zustand betreibbar ist, wobei die Gasdetektionsvorrichtungen (100) so ausgestaltet ist, dass im geöffneten Zustand die Gasprobe (G) in die Messkammer (9) fließt und im geschlossenen Zustand die Messkammer (9) gegen den Bereich fluiddicht abgedichtet ist, wobei die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass die Messkammer (9) in einem Einlass-Zeitraum (Z1) im geöffneten Zustand ist und im Oxidierungs-Zeitraum (Z3) im geschlossenen Zustand ist, wobei der erste Zeitpunkt (t1) im Einlass-Zeitraum (Z1) oder zwischen dem Einlass-Zeitraum (Z2) und dem Oxidierungs-Zeitraum (Z3) liegt.
10. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdetektionsvorrichtung (100) so ausgestaltet ist, dass das Oxidierungs-Bauteil (2) auch in dem Einlass-Zeitraum (Z1) eingeschaltet ist und bevorzugt beim Betrieb der Gasdetektionsvorrichtung (100) dauerhaft eingeschaltet ist.
11. Gasdetektionsvorrichtung (100) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Oxidierungs-Bauteil (2) eingeschaltet ist, elektrischer Strom durch das Sensor-Bauteil (10, 20) fließt.
12. Verfahren zum Überwachen eines Bereichs auf ein brennbares Zielgas (CH₄) unter Verwendung einer Gasdetektionsvorrichtung (100), die - eine Messkammer (9), - ein elektrisch leitendes Sensor-Bauteil (10, 20) und - ein einschaltbares und ausschaltbares Oxidierungs-Bauteil (2) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass ermöglicht oder bewirkt wird, dass eine Gasprobe (G) aus dem Bereich in die Messkammer (9) fließt, das Sensor-Bauteil (10, 20) in Kontakt mit der Gasprobe (G) in der Messkammer (9) kommt, der Kontakt dergestalt einen Einfluss auf das Sensor-Bauteil (10, 20) nimmt, dass eine Detektionsgröße, insbesondere der elektrische Widerstand (R), des Sensor-Bauteils (10, 20) in einer ersten Realisierungsform umso größer und in einer zweiten Realisierungsform umso kleiner ist, desto geringer die Konzentration des Zielgases (CH₄) in der Gasprobe (G) in der Messkammer (9) ist, das Oxidierungs-Bauteil (2) - mindestens während eines Oxidierungs-Zeitraums (Z3) eingeschaltet ist und - bis zum Ende des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) brennbares Zielgas (CH₄) in der Gasprobe (G) in der Messkammer (9) oxidiert, an einem ersten Zeitpunkt (t1) und an einem zweiten Zeitpunkt (t2) ein Maß für die Detektionsgröße (R) des Sensor-Bauteils (10, 20) gemessen wird, wobei diese beiden Zeitpunkte (t1, t2) so angeordnet sind, dass - dann, wenn im zu überwachenden Bereich brennbares Zielgas (CH₄) vorhanden ist, auch am ersten Zeitpunkt (t1) in der Messkammer (9) brennbares Zielgas (CH₄) vorhanden ist und - am zweiten Zeitpunkt (t2) in der Messkammer (9) aufgrund der Oxidation im Oxidations-Zeitraum (Z3) weniger brennbares Zielgas (CH₄) als am ersten Zeitpunkt (t1) oder überhaupt kein brennbares Zielgas vorhanden ist, die Differenz (Δr) zwischen dem Messwert (r2) am zweiten Zeitpunkt (t2) und dem Messwert (r1) am ersten Zeitpunkt (t1) berechnet wird und abhängig von dieser Differenz (Δr) - automatisch entschieden wird, ob ein brennbares Zielgas (CH₄) in der Gasprobe (G) vorhanden ist oder nicht, und / oder - automatisch die Konzentration des brennbaren Zielgases (CH₄) in der Gasprobe (G) ermittelt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdetektionsvorrichtung (100) zusätzlich ein Heizelement (3) umfasst, welches sich einschalten und wieder ausschalten lässt, und das Verfahren die Schritte umfasst, dass - das Heizelement (3) zu Beginn eines Heiz-Zeitraums (Z2), welche außerhalb des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) liegt, eingeschaltet und am Ende des Heiz-Zeitraums (Z2) wieder ausgeschaltet wird und - das eingeschaltete Heizelement (3) die Gasprobe (G) in der Messkammer (9) erhitzt, - wobei bevorzugt der Wärmeeintrag pro Zeiteinheit des eingeschalteten Heizelements (3) in das Sensor-Bauteil (10, 20) gleich dem Wärmeeintrag pro Zeiteinheit des eingeschalteten Oxidierungs-Bauteils (2) in das Sensor-Bauteil (10, 20) ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß für die Detektionsgröße (R) des Sensor-Bauteils (10, 20) an dem ersten Zeitpunkt (t1) und an mindestens einem weiteren Zeitpunkt (t_x), der nach dem ersten Zeitpunkt (t1) liegt, gemessen wird, ein Maß für die Steigung der Detektionsgröße (R) über der Zeit berechnet wird und dann, wenn die berechnete Steigung unter einer vorgegebenen Schranke (ΔR_min) liegt, der zeitlich jüngste Zeitpunkt, an dem das Maß für die Detektionsgröße (R) gemessen worden ist, als der zweite Zeitpunkt (t2) und der Messwert am zeitlich jüngsten Zeitpunkt als der Messwert (r2) am zweiten Zeitpunkt (t2) verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitpunkt (t1) außerhalb des Oxidierungs-Zeitraums (Z3) liegt und eine erste Abfolge und / oder eine zweite Abfolge durchgeführt werden, wobei die erste Abfolge die Schritte umfasst, dass - das Oxidierungs-Bauteil (2) in einem Einlass-Zeitraum (Z1), der den ersten Zeitpunkt (t1) umfasst, ausgeschaltet ist und - die Gasprobe (G) mindestens im Einlass-Zeitraum (Z1) in die Messkammer (9) fließt und wobei die zweite Abfolge die Schritte umfasst, dass - die Messkammer (9) in dem Einlass-Zeitraum (Z1) in einem geöffneten Zustand betrieben wird, in dem die Gasprobe (G) in die Messkammer (9) fließt und - die Messkammer (9) in dem Oxidierungs-Zeitraum (Z3) in einem geschlossenen Zustand betrieben wird, in dem die Messkammer (9) gegen den Bereich fluiddicht abgedichtet ist.

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