DE19911867A1 - Sensorsystem zur Detektion von Gasen und Dämpfen in Luft - Google Patents

Abstract

Sensorsystem, bestehend aus Sensorelement, Elektronik mit Mikroprozessor und Steuerungs-/Auswertesoftware zur Detektion von Gasen und Dämpfen in Luft, für die Anwendung DOLLAR A a) zum Zwecke der Überwachung von Atemschutz-Ausrüstungen (z. B. Atemschutz-Masken) DOLLAR A b) zum Zwecke der Überwachung explosionsgefährdeter Gas-Luftgemische DOLLAR A c) zum Zwecke der Ermittlung der Qualität von Luft zum Zwecke der situationsadaptierten Beeinflussung von Lüftungen jeder Art DOLLAR A d) zum Zwecke der Überwachung der Atemluft in geschlossenen Räumen und im Freien. DOLLAR A Bei dem Sensorelement handelt es sich bevorzugt um einen beheizten Metalloxid-Sensor, bestehend aus einer Heizstruktur und einer gassensitiven Wirkschicht, deren Impedanz sich bei Änderung der Gaszusammensetzung ändert. DOLLAR A Die sensitive Wirkschicht des Sensors ist bevorzugt aus Zinndioxid, wobei die Temperatur der Wirkschicht mit der Heizschicht und einer elektrischen Regeleinrichtung auf konstante Werte gehalten werden kann. DOLLAR A Der Heizer ist bevorzugt aus einer Platinstruktur, der elektrische Widerstand dieser Heizstruktur ist ein Maß für die Temperatur der Sensorwirkschicht und wird als Temp. Referenz für eine Regelung genutzt. DOLLAR A Die Temperatur des Sensorelements wird darüber hinaus gezielt beeinflußt, indem der Regelgröße "Sensortemperatur" weitere Störgrößen hinzugefügt werden. DOLLAR A Das Sensorgehäuse ist bevorzugt aus Metall, welches durch einen geeigneten Isoliermantel thermisch isoliert ist. Der Gaseintritt in das Gehäuse zur ...

Description

Aufgabenstellung und Beschreibung des Standes der Technik

Die Erfindung löst die allgemeine Aufgabe, luftgetragene Gase und Dämpfe in der Luft und insbesondere in der Atemluft zu detektieren.

Anwendungen sind u. a. der Schutz von Menschen, die Atemschutzmasken benutzen. Ferner ist die Überwachung von Klima- und Lüftungsanlagen in Bezug auf die (unerwünschte) Anwesen­ heit von Gasen und Dämpfen erwünscht.

Weiter kann mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem die Lüftung von Fahrzeugen derart gesteuert werden, daß die Außenluftzuführung unterbrochen wird, wenn außerhalb des Fahr­ zeuges unerwünschte Gaskonzentrationen detektiert werden.

Weiter kann mit erfindungsgemäßen Sensorsystemen die Lüftung von Räumen oder Gebäuden bedarfsgerecht derart erfolgen, daß die Lüftungsrate an die Konzentration z. B. unerwünschter organischer Luftinhaltsstoffe (Gase, Dämpfe) gekoppelt ist.

Weiter kann mit erfindungsgemäßen Sensorsystemen die Überwachung der Luft in Hinblick auf zündfähige Gas-Luftgemische erfolgen.

Stand der Technik

Für den Aufbau von Sensorsystemen und insbesondere für die sensortechnische Überwachung von Atemschutzmasken sind u. a. folgende Druckschriften bekannt:
DE 36 13 512, EP 0997619, EP 0535385, GB 2266467, DE 41 32 680, EP 0410071, EP 0343521, WO 9612523

Die dem Stand der Technik entnehmbare Lehre benutzt unterschiedliche Sensor-Technologien:

• 1. Elektrochemische Zellen: Nachteilig beim Einsatz elektrochemischer Gasdetektions­ zellen ist, daß diese Zellen mehr oder weniger selektiv auf einige Gase reagieren. Die Anwendung dieser Zellen setzt daher voraus, daß im Wesentlichen nur ein Gas detek­ tiert werden muß, welches zudem bekannt sein muß. In der Praxis wird als nachteilig bewertet, daß bei verschiedenen potentiellen gefährlichen Gasen (z. B. in der chemi­ schen Industrie) diese Methode auf Grund dieser Beschränkung fragwürdig ist.
  Im übrigen ist die Lebensdauer elektrochemischer Zellen begrenzt. Die Zellen sind sehr teuer.
• 2. Metall-Oxid-Sensoren nach dem Taguchi-Prinzip: Der Vorteil dieser Sensoren ist, daß sie auf alle gas- und dampfförmigen Substanzen in der Luft reagieren, welche oxi­ dierbar oder reduzierbar sind. Je nach Zusammensetzung der Wirkschicht wird durch oxidierbare Substanzen z. B. der elektrischen Widerstand verringert. Reduzierbare Sub­ stanzen erhöhen in diesem Fall den elektrischen Widerstand. Der Nachteil ist, daß die Sensoren beheizt werden müssen, was Energie verbraucht und die Nutzung von Batte­ rien einschränkt. Ein weiterer Nachteil ist die erhebliche Drift des Sensorwertes in Normalluft, z. B. wenn sich die Lufttemperatur und (oder) die Luftfeuchte ändert
• 3. Farbumschlagsreaktionen, wie sie aus den im Handel befindlichen Prüfröhrchen be­ kannt sind. Ein Nachteil dieser Sensorik ist die Tatsache, daß sie ebenfalls stark selektiv ist. Dies setzt voraus, daß man die zu überwachenden Gase kennt. Ein weiterer Nach­ teil ist, daß die zur Farbumschlagsdetektion verwendeten chemischen Reaktionen häufig nicht-reversibel sind, es handelt sich also um Einwegsensoren, die vor jedem Einsatz speziell ausgewählt werden müssen und anschließen nicht wieder verwendet werden können.

Der derzeitige Stand der Technik gibt keine brauchbare Lehre an, wie trotz der offenkundigen Stabilitäts-Nachteile der Taguchi-Sensoren diese in Applikationen genutzt werden können, in welchen die Sicherheit gegenüber Fehlalarmen und die gleichzeitige Fähigkeit zur Detektion auch kleiner Konzentrationen gefordert wird.

Der in dieser Erfindung angegebene Sensor des Sensorsystem ist - wie jeder Taguchisensor - ein elektrischer Halbleiter. Alle Halbleiter ändern z. B. ihren Widerstand u. a. mit der Tempera­ tur. Aus diesem Grunde ist es notwendig, die Temperatur der gassensitiven Halbleiterschicht in engen Grenzen stabil zu halten. Zusätzlich ändern sich mit der Temperatur die Reaktionsge­ schwindigkeit und Empfindlichkeit des Sensorelementes in Bezug auf die Zielgase, so daß bei unterschiedlichen Temperaturen sich die Kennlinien gegenüber den verschiedenen Gasen er­ heblich unterscheiden.

Zu diesem Zweck sind bereits Temperatur-Regelungen von Sensoren bekannt. Einige nutzen vorteilhaft die Tatsache aus, daß die Sensoren Heizungsstrukturen aus Platin oder einem ande­ ren Material mit ausgeprägtem Temperatur-Koeffizienten haben. Dem Fachmann sind Metho­ den bekannt, wie derartige Heizer so angesteuert werden können, daß der Widerstand des Hei­ zers als IST-Referenz eingesetzt wird.

Abbildung (2) zeigt eine typische Schaltung, welche ähnlich in der bevorzugten Lösung einge­ setzt wird. Dabei ist 2.1 der Sensor, welcher u. a. eine Heizung und eine gassensitive Schicht enthält. Der Heizer wird elektrisch über einen Außenwiderstand (2.2) angesteuert, welcher so dimensioniert ist, daß der Stromfluß keinesfalls die Soll-Temperatur erreichen wird. Vielmehr wird periodisch vom zentralen Steuer- und Regelgerät (2.3), vorteilhaft als Mikrocontroller (µC) ausgebildet, über die Steuerleitung (2.4) ein Impuls auf einen Schaltbaustein (2.5) gege­ ben, welcher einen energiereichen Schaltimpuls auf die Sensorheizung gibt.

Nach dem Abschalten dieses Impulses wird die Spannung über einen A/D-Wandler (2.6) gemessen, die am Spannungsteiler zwischen Sensorheizer und Außenwiderstand (2.3) abge­ griffen wird.

Ist die Spannung zu hoch (Sensorheizer ist zu hochohmig, also ist die Sensortemperatur zu hoch), wird der Heizimpuls bei den nächsten Perioden verkürzt.

Sollte die Spannung zu klein sein (Sensorheizer ist zu niederohmig, also ist die Sensortempe­ ratur zu niedrig), wird der Heizimpuls bei den nächsten Perioden verlängert.

Die Impedanz der gassensitiven Wirkschicht des Sensors wird ebenfalls mit dem µC und einer geeigneten Software gemessen und steht damit als Signal zur Auswertung zur Verfügung. Im einfachsten Fall wird lediglich der ohmsche Widerstand gemessen.

Abb. 3 zeigt die Systematik:
Wenn die Temperatur dem Soll entspricht, besteht ein bestimmtes Verhältnis zwischen den Heizimpulsen (3.1) und den stromlosen Zeiten (3.2).
Wenn z.B. der Sensor zu kalt ist, wird die Anzahl der Heizimpulse (3.3) vergrößert, und die stromlose Zeit (3.4) wird relativ verkürzt.

Fig. 4 macht die grundsätzliche Schwierigkeit deutlich.

Selbst wenn die Temperatur des Heizelementes (4.2) absolut konstant wäre, kann damit trotzdem keine konstante Temperatur der gassensitiven Schicht (4.3) unter allen Umständen erreicht werden, weil der Temperaturgradient zwischen der Lufttemperatur (4.4), der vom Sensorsubstrat (4.1) abgestrahlten Wärme bzw. über Luftströmung an die Luft abgegebene Wärme extrem ist.

Wenn die Temperatur des Heizers auf z. B. 350°C eingeregelt ist, kann die Temperatur der Umgebungsluft in der Praxis zwischen -40°C und +80°C schwanken.

Aufgrund des Temperaturgradienten zwischen Umgebung und Sensorschicht ist an der Ober­ fläche der gassensitiven Schicht daher eine vom Heizer abweichende Temperatur feststellbar, welche typisch kleiner als der Sollwert ist.

Die über das Substrat an die Umgebung abgebene Energie ist zum einen eine Funktion des Temperaturgradienten, andererseits eine Funktion der Luftgeschwindigkeit relativ zum Senso­ relement.

Bei nur geringsten Luftbewegungen in der Nähe des Sensorelementes verschärfen sich die ge­ schilderten Temperaturgradienten zwischen

• 1. dem auf konstante Temperaturen gehaltenem Heizer,
• 2. der sensitiven Schicht und der
• 3. Temperatur der Umgebungsluft.

Daher wird man trotz aufwendiger elektronischer Regelungen in der Praxis immer erhebliche Schwankungen des Sensorwiderstandes in Normalluft feststellen, was in der Vergangenheit den Einsatz von Halbleitersensoren erheblich eingeschränkt hat, da der Grundwiderstand der gassensitiven Schicht mit der Temperatur massiv schwankt.

Erfindungsgemäße Lösung

Ideal wird das Gassensor-Element in einem thermisch zur Umgebung isolierten Gehäuse an­ geordnet, welches lufttechnisch verschlossen ist und Luftbewegungen außerhalb dieses Gehäu­ ses keinen Zutritt zum beheizten Sensorelement gestattet.

In diesem Raum bildet sich nach einiger Zeit ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem Sen­ sorheizer, dem Trägersubstrat als Wärmespeicher und der gassensitiven Wirkschicht, weil auch die Luft in der Umgebung auf ein höheres Niveau aufgeheizt wird und der Temperaturgradient zwischen Luft und Sensor damit verkleinert wird.

Gase gelangen in das so gebildete Sensorgehäuse durch eine semipermeable Sperre, welche z. B. aus feinstkapilarem Kunststoff (Teflon, gereckte Folien etc.) oder aber aus einem Sinter­ körper aus Metall, Kunststoff, Glas oder Keramik bestehen kann.

Energie transportierende Luftbewegungen durch die semipermeable Schicht hindurch sind aus­ geschlossen oder zumindestens sehr stark eingeschränkt.

Aufgrund der unterschiedlichen Partialdrücke innerhalb und außerhalb der Kammer diffundie­ ren Gase in die Kammer hinein bzw. hinaus.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung des Gassensors: In einem kleinen Gehäuse (1.1) - bevorzugt aus Metall - befindet sich ein Gassensor-Element (1.2). Die Anschlußdrähte des Sensorelementes (1.4) werden gasdicht durch den Gehäuseboden geführt. Bevorzugt er­ folgt dies, indem die Anschlußdrähte in eine den Gehäuseboden bedeckende Glasschicht (1.9) eingeschmolzen sind.

Das Gehäuse ist mit einem Mantel (1.8) umgeben, welcher das Gehäuse thermisch isoliert.

Nach außen ist das Gehäuse durch eine Barriere (1.7) abgeschlossen. Diese Barriere ist eben­ falls eine thermische Isolation und unterbindet jegliche Luftzirkulation. Gase können diese Bar­ riere nach dem Diffusionsprinzip durchdringen.

Vorteilhaft wird durch die neuartige Kombination eines isothermisch betriebenen Gassensors und einer sehr exakten Heizungs-Regelung erreicht, daß sich in einem sehr weiten Temperatur­ bereich keinerlei Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf den Sensorwiderstand in Nor­ malluft mehr zeigen.

Ein weiterer Vorteil ist, daß der Energiebedarf des Sensorelementes durch den erfindungsge­ mäßen isothermischen Aufbau des Gehäuses erheblich verringern läßt, was beim Betrieb mit Batterien von großer Wichtigkeit und Vorteilhaftigkeit ist.

Signalauswertung, Stand der Technik

Es ist bekannt, Sensorsignale derart auszuwerten, daß die aktuellen Signale des Sensors mit einem über eine bestimmte Zeit ermittelten Mittelwerte der vergangen Sensorsignale vergli­ chen werden.

Treten plötzliche Ereignisse auf, lassen sich diese mit dieser Methode sehr gut detektieren. Langsame und/oder nur kleine Änderungen des Sensorwiderstandes führen dagegen zu keinen Auswertungen.

Fig. 6 verdeutlicht diese Methode. Das aktuelle Sensorsignal (6.1) wird über eine bestimmte Zeit gemittelt und mit einem konstanten Wert addiert, so daß sich ein geringfügig oberhalb des Sensorsignals liegendes Signal (6.2) ergibt. Treten Ereignisse (6.3; 6.4) auf, die den Wert des aktuellen Sensorsignals auf Werte oberhalb der Schwelle (6.2) verändert, wird ein Signal (6.3; 6.4) ausgelöst.

Vorteilhaft werden langsame Änderungen des Sensorwertes, die entweder aus einem Driftver­ halten des Sensors selbst stammen können oder aber aus der durchschnittlichen Qualität der Umgebungsluft stammen können, ignoriert.

Vielmehr wird beim Auftreten von plötzlichen Konzentrationserhöhungen oxidierbarer Gase in der Umgebungsluft zuverlässig ein Signal generiert.

In vielen Fällen ist es aber sehr wichtig, daß der langsame Anstieg von Gaskonzentrationen sicher detektiert wird. Dies ist z. B. wichtig bei der Überwachung von Atemschutzmasken, weil z. B. bei der Sättigung des Filters dieser typisch nicht plötzlich seine Funktion verliert, sondern die Abscheideleistung des Filters wird meistens schleichend schlechter wird.

Auch könnte sich die Konzentration toxischer Gase sehr langsam erhöhen, was auf jeden Fall detektiert werden muß.

Die mit Fig. 6 erläuterte Methode kann daher nicht ohne weiteres angewandt werden. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Heizleistung durch eine zusätzliche Größe (zur Temperatur) zu beeinflussen. (Regelungstechnisch wird eine Störgrößen-Aufschaltung vorge­ nommen.).

Die erfindungsgemäße Idee geht von der Beobachtung aus, daß Änderungen der elektrischen Parameter der Wirkschicht (Widerstand, Kapazität, Induktivität) sowohl vom Angebot oxi­ dierbarer oder reduzierbarer Gase stammen können, als auch das Ergebnis von Schwankungen der Luftfeuchte oder der Temperatur sein können.

Im Nachfolgenden sei der Einfachheit halber nur die Arbeit mit oxidierbaren Gasen beschrie­ ben. (reduzierbare Gase verhalten sich prinzipiell invers, erhöhen also z. B. den Sensorwider­ stand, wogegegen oxidierbare Gase diesen verkleinern.)

Die beschriebene Erfindung gilt insofern sinngemäß, wenn auch invers, für reduzierbare Gase.

Abb. 7 beschreibt den Wirkungszusammenhang. Dabei ist 7.8 das Sensorsignal ohne veränderte Heizleistung, (7.2). Die Heizleistung mit Störgrößenaufschaltung (7.3) führt zu einem entsprechenden Sensorsignal (7.4) mit beeinflußter Heizleistung.

Zu Beginn hat der Sensor in Normalluft einen Sensorwert (7.a) bei einer Heizleistung von (7.b).

Anschließend wird der Sensor mit einem Gasimpuls beaufschlagt. Ohne Beeinflussung der Heizleistung kommt der Sensor nach Ende des Gasimpulses erst nach längerer Zeit auf den Ausgangswert zurück.

Wird dagegen die Heizleistung immer dann z. B. proportional im Sinne einer Temperaturerhö­ hung nachgeführt (7.3), wenn der Sensorwert sich vom Normalwert entfernt, kommt der Sen­ sorwert signifikant schneller auf den Normalwert (7.4) zurück. Wichtig ist im Zusammenhang, daß im Falle einer tatsächlich am Sensor anstehenden Gaskonzentration die Reaktionen der sensitiven Wirkschicht mit dem Gas auf jeden Fall stattfindet und daß die gasinduzierte Ver­ minderung des Sensorwertes unabhängig von der Anhebung der Sensortemperatur den glei­ chen Verlauf nimmt wie eine ansonsten identische Versuchsanordnung ohne Temperaturnach­ führung.

Wird die Reaktion des Sensorwiderstands von z. B. einer Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur verursacht, hat dies ohne Beeinflussung der Heizleistung erhebli­ che und anhaltenden Einfluß auf den Sensorwert (7.5).

Wenn bei Beginn der Einwirkung die Heizleistung beeinflußt wurde, ist der Veränderung des Sensorwertes (7.6) nicht nur viel geringer, sondern auch zeitlich deutlich kürzer.

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Heizungsregelung des Sensors so auszulegen, daß die Führungsgröße des Heizungsreglers die Temperatur ist, und daß eine Störgröße auf die Regelung aufgeschaltet wird, die sich aus der Abweichung des aktuellen Sensorwertes von einem Normalwert bei Normalluft ableitet.

Da entsprechend Fig. 2 sowohl Signalverarbeitung als auch Heizungsregler von einem einzigen Singlecircuit-Controller (µC) gesteuert werden, ist eine Verknüpfung der jeweiligen Daten­ kreise relativ einfach und dem Fachmann nach Anleitung durch die Lehre dieser Erfindung oh­ ne weiteres möglich.

Das vorteilhafte Ergebnis der beiden erfindungsgemäßen Lehren

• a) isothermisches Gehäuse
• b) Gaszutritt zum Sensor ohne Luftbewegung durch Diffusion
• c) Heizung des Sensorelementes durch Regelung der Temperatur, wobei dem Regelkreis als Störgröße die relative Abweichung des aktuellen Sensorwiderstandes von Widerstand des Sensorelementes unter Normalbedingungen aufgeschaltet wird

ist, daß das Sensorsignal schnell und fast ausschließlich dem faktischen Gehalt an oxidierbaren Luftinhaltsstoffen folgt und weitaus weniger Drifterscheinungen als bisher bekannt aufweist. Wird dieses Ergebnis einer Auswertung zugeführt, die ähnlich

Fig.

6 den aktuellen Sensorwert mit einem über die Zeit ermittelten Durchschnittswert vergleicht, kann dann von deutlich ge­ ringeren Schwankungen des Sensorwertes unter Normalbedingungen ausgegangen werden.

Dies insbesondere dann, wenn das System nach einiger Zeit stabil geworden ist.

Erfindungsgemäß wird daher weiter vorgeschlagen, daß die Zeiten, in denen der Vergleichs­ wert zum aktuellen Sensorwert als Durchschnittswert ermittelt wird, nicht konstant sind, son­ dern im Laufe der Betriebszeit des Systems immer länger werden.

Der erste Durchschnittswert wird als Mittelwert über einem relativ kurzem Zeitraum gewon­ nen. Dies, weil unmittelbar nach dem Einschalten das System zwangsläufig hohen eigendyna­ mischen Schwankungen unterliegt. Nach der Einschaltphase wird diese Zeitspanne erhöht, und erreicht schließlich im eingeschwungenen Zustand eine wesentlich längere Integrationszeit. Da der Durchschnittswert prinzipiell genau auf der Linie des aktuellen Sensorwertes (5.4) liegen kann, wird vom errechneten Durchschnittswert ein bestimmter Betrag abgezogen, um den so­ genannten Referenzwert zu bilden.

Erfindungsgemäß ist der in Abzug zu bringende Betrag in der Anfangsphase sehr groß, so daß der Referenzwert einen großen Abstand zum Sensorwert hat.

Dies ist wichtig, um zu verhindern, daß im nicht-eingeschwungenem Zustand Signale ausgelöst werden, obwohl tatsächlich keine signifikante Gaskonzentrationsänderung auftritt.

Im weiteren zeitlichen Verlauf wird der Betrag successive verkleinert, so daß im eingeschwun­ genen Zustand sich der Referenzwert immer mehr dem Sensorwert annähert.

Es können im Zusammenhang weitere Verfeinerungen eingeführt werden. z. B. wird vorge­ schlagen, nach heftigen gasinduzierten Sensorreaktionen den Schwellwert wieder auf einen größeren Abstand zum Sensorwert zu bringen, weil erfahrungsgemäß heftige Reaktionen des Sensors zu zeitweilig instabilen Sensorverhältnissen führen.

Es wird weiter vorgeschlagen, die Berechnung des Durchschnittswertes wieder in kürzeren Zeiträumen zu berechnen, wenn eine gasinduzierte starke Sensorsignaländerung eingetreten ist. Es wird weiter vorgeschlagen, die Berechnung des Durchschnittswertes für den Zeitraum aus­ zusetzen, wenn eine gasinduzierte Sensorsignaländerung auftritt.

Trotz der geschilderten Maßnahmen könnte der tatsächliche Gaspegel derartig langsam anstei­ gen, daß er langsamer als die Berechnung des Durchschnittswertes erfolgt.

Insofern könnten sich langsam erhebliche Gaskonzentrationen ausbilden, ohne daß die vorste­ hend beschriebene Auslösebedingung erfüllt wäre, demnach das aktuelle Sensorsignal einen kleineren Wert annimmt als der rechnerisch ermittelte Referenzwert.

Darum wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß für den Referenzwert zusätzlich ein Mini­ malwert festgelegt ist und der tatsächliche Referenzwert niemals kleiner werden kann als die­ ser festgelegte Minimalwert.

Der Minimalwert ist so gewählt, daß durch sensorbedingte Schwankungen diese Grenze nicht erreicht wird, andererseits die Gaskonzentrationen, die diesem Sensorwert zugeordnet werden können, noch keine dauerhaften Schäden auf den Menschen haben, bzw. im Falle einer z. B. Überwachung von Explosionsgrenzen (z. B. Methan-Luft-Gemisch) sich in weitem Sicher­ heitsabstand zur Explosionsgrenze befinden.

Kommt es, (z. B. bei der Anbringung des Sensors an geeigneter Stelle in oder an Atemschutz­ masken zum Zwecke der Filter- oder Dichtheitsüberwachung), zu sprunghaften Änderungen der Feuchte oder der Temperatur, wird bei Einsatz der Lehre dieser Erfindung die Auswirkung dieser Einflüsse auf den Sensorwiderstand absolut kleiner und nur vorübergehend sein.

Trotzdem kann es zu einer irrtümlichen Signalauslösung kommen, die dann ein unerwünschter Fehlalarm wäre.

Erfindungsgemäß wird daher eine zeitlich versetzte Auswertung vorschlagen, wie sie in Abb. 8 erläutert wird.

Unter dem Sensor-Normpegel (8.1) liegt ein Refrenzwert (8.7).

Wenn ein Gasimpuls den Sensorwert um einen bestimmten Betrag verringert (8.2), wird der Referenzwert unterschritten. Damit wird eine Art "stiller Voralarm" (8.3) ausgelöst. Erst, wenn nach Ablauf einer vorgegeben Zeit des Voralarms immer noch das Schaltkriterium erfüllt ist (8.4), wird ein Schaltsignal ausgelöst.

Kommt es dagegen zu einem sehr kurzfristigen und daher praktisch zu vernachlässigenden Ga­ simpuls oder kommt es zu einem durch die Lehre der Erfindung zu kompensierenden Feuch­ teimpuls ähnlich (8.5), wird es keinen irritierenden Schaltimpuls geben.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Zeitspanne (8.3) des Voralarms nicht fest zu definie­ ren, sondern als Funktion der Schnelle der Sensorsignal-Änderung oder als Funktion des ab­ soluten Änderungsbetrages über die Zeit aufzufassen.

Wenn also innerhalb einer festgelegten Zeitspanne eine sehr große Sensorsignaländerung ein­ getreten ist, kann die Zeitspanne des Voralarms verkürzt werden.

Dies ist vorteilhaft, um bei tatsächlich plötzlich auftretenden großen Gaskonzentrationen die Zeit bis zur Alarmauslösung so kurz wie möglich halten zu können.

Ein ähnliches Ergebnis kann erreicht werden, wenn das Sensorsignal über einen Zeitraum von z. B. 20 Sek. und über einen Zeitraum von z. B. 300 Sek. gemittelt wird.

Vom längeren Durchschnittswert wird wie vorerwähnt ein bestimmter Betrag von z. B. 2% des Normalwertes o. ä. abgezogen.

Die so ermittelten Werte werden miteinander verglichen.

Ein Alarm wird dann ausgelöst, wenn der kürzere Mittelwert kleiner wird als der über einen längeren Zeitraum minus Festbetrag (z. B. 2%) gemittelte Wert.

Das Schaltkriterium ist erreicht, wenn der Wert Y negativ wird.

Häufig ist es aber nicht sinnvoll zur Bildung eines Referenzwertes, lediglich einen konstanten Festbetrag vom Mittelwert abzuziehen, da die Sensorkennlinie (Sensorsignal in Abhängigkeit von der Gaskonzentration) in der Regel nicht-linear ist.

Für den Fall, das der ohmsche Widerstand der gassensitiven Wirkschicht als Sensorsignal ver­ wendet wird bedeutet dies, daß z. B. 10 ppm (parts per million) eines bestimmten Gases abhän­ gig vom Grundwiderstand der sensitiven Wirkschicht unterschiedliche Widerstandsänderungen bewirken. So ist z. B. bei niedrigem Grundwiderstand die durch 10 ppm eines Gases bedingte relative Widerstandsänderung wesentlich kleiner als bei hohem Grundwiderstand. Dieser Tat­ sache kann berücksichtigt werden, indem erfindungsgemäß die Sensorkennlinien verschiedener Zielgase in der Berechnung des Referenzwertes auf Grundlage des ermittelten Mittelwertes berücksichtigt werden.

Besonders kritisch ist der Einsatz des beschriebenen Sensorsystems wenn das System in Be­ trieb genommen wird, wenn bereits eine erhebliche Gasbelastung vorliegt. Da das System aber keine Absolutkonzentrationen messen kann, sondern lediglich Änderungen (bezogen auf den Referenzwert) innerhalb des Beobachtungszeitraumes erfassen kann, würde das System keinen Hinweis (Alarm) auf die tatsächlich vorliegende Gasbelastung liefern.

Erfindungsgemäß wird diese Problemstellung dadurch gelöst, daß die Temperatur der sensiti­ ven Wirkschicht kurzzeitig erhöht wird. Die Temperaturerhöhung bewirkt zum einen eine Ver­ schiebung des Reaktionsgleichgewichts innerhalb der Sensorschicht, die sich in einer Verände­ rung des Sensorsignals zeigt, zum anderen wird der Sensor kurzzeitig auf einer anderen (tem­ peraturabhängigen) Kennlinie betrieben. Die Erfassung und Auswertung der Sensorsignale vor, während und nach der kurzzeitigen Temperaturerhöhung ermöglicht Rückschlüsse auf eine eventuell vorliegende Gasbelastung.

Claims (14)

1. Sensorsystem, bestehend aus Sensorelement, Elektronik mit Mikoprozessor und Steue­ rungs-/Auswertesoftware für Anwendungen

• 1. zum Zwecke der Überwachung von Atemschutz-Ausrüstungen (z. B. Atemschutz- Masken)
• 2. zum Zwecke der Überwachung explosionsgefährdeter Gas-Luftgemische
• 3. zum Zwecke der Ermittlung der Qualität von Luft zum Zwecke der situationsadaptier­ ten Beeinflussung von Lüftungen jeder Art.
• 4. zum Zwecke der allgemeinen Überwachung der Atemluft in geschlossenen Räumen und im Freien

dadurch gekennzeichnet, daß der aktuelle Sensorwert auf einen aus zeitlich zurückliegen­ den Sensorwerten adaptiv gebildeten Referenzwert bezogen wird und der geregelte Tem­ peratursollwert des Sensorelementes aufgrund einer Störgrößenaufschaltung, abhängig vom Sensorwert zeitweise verändert wird.

2. Sensorsytem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Sensorele­ ment um einen beheizten Metalloxidsensor handelt, der sich in einem isothermischen Ge­ häuse befindet und der Gasaustausch über eine Diffusionsschicht erfolgt.

3. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht aus einem Sintermaterial mit glasartiger oder metallischer Struktur besteht.

4. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschicht aus einer gasdurchlässigen Kunststoffolie besteht.

5. Sensorsytem nach Anspruch 1, 2 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolie aus Teflon (PTFE) besteht.

6. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Metalloxidsensor über eine strukturierte Platinschicht be­ heizt wird und daß der elektrische Widerstand der Platinstruktur als Regelgröße für die Temperatur der gassensitiven Wirkschicht verwendet wird.

7. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Änderung der komplexen, frequenzabhängigen Impedanz Z(ω) = R + iωL + 1/iωC der gassensitiven Wirkschicht, als Sensorsignal auf die Änderung der Gaszusammensetzung verwendet wird.

8. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Änderung des elektrischen Widerstands R der gassensitiven Wirkschicht als Sensorsignal auf die Änderung der Gaszusammensetzung verwendet wird.

9. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Temperatur der gassensitiven Wirkschicht nicht konstant gehalten wird, sondern abhängig vom Sensorsignal eine Störgrößenaufschaltung erfolgt, mit dem Ziel die Temperatur kurzzeitig zu erhöhen, um so Störeinflüsse von tatsächlichen Änderungen der Gaszusammensetzung zu trennen.

10. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß aus den zeitlich zurückliegenden Sensorsignalen, wie sie in den Ansprüchen 7 und 8 beschrieben sind, ein Mittelwert gebildet wird und aus diesem Mittel­ wert ein Referenzwert für den jeweils aktuellen Sensorwert gebildet wird. Für den Zeit­ raum der Störgrößenaufschaltung gemäß Anspruch 9 wird die Mittelwertbildung vorteil­ haft ausgesetzt.

11. Sensorsystem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, das zur Bildung des Referenzwertes aus dem Mittelwert die Kennlinie des Sensorelementes berücksichtigt wird.

12. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß für das Ziel der Detektion oxidierbarer Luftinhaltstoffe, für den Zeitraum, in dem der aktuelle Sensorwert kleiner als der aus dem Mittelwert gebildete Re­ ferenzwert ist, die Mittelwertbildung aussetzt und der alte Referenzwert beibehalten wird.

13. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß für das Ziel der Detektion reduzierbarer Luftinhaltstoffe, für den Zeitraum, in dem der aktuelle Sensorwert größer als der aus dem Mittelwert gebildete Referenzwert ist, die Mittelwertbildung aussetzt und der alte Referenzwert beibehalten wird.

14. Sensorsytem nach Anspruch 1 und 2 sowie mindestens einem der Ansprüche 3 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Heizstruktur zyklisch (z. B. alle 30 Sekun­ den) kurzzeitig für einige Sekunden (z. B. 2 Sekunden) erhöht wird. Der Vergleich und die Auswertung der Sensorsignale vor, während und nach der Temperaturerhöhung ergeben qualitative Hinweise auf die Anwesenheit zusätzlicher oxidierbarer (reduzierbarer) Luftin­ haltsstoffe. In diesem Fall wird die Mittelwertbildung zur Ermittlung des Referenzwertes ebenfalls ausgesetzt.