DE19911867C2 - Sensorsystem zur Detektion von Gasen und Dämpfen in Luft - Google Patents

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) Anwesenheit 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 Fahrzeuges unerwünschte Gas­ konzentrationen 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- und 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 0 447 619; EP 0 535 385; GB 2 266 467; DE 41 32 680; EP 0 410 071; EP 0 343 521; WO 9612523.

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

• 1. Elektrochemische Zellen: Nachteilig beim Einsatz elektrochemischer Gasdetektionszellen 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 detektiert werden muss, welches zudem bekannt sein muss. In der Praxis wird als nachteilig bewertet, dass bei verschiedenen potentiellen gefährlichen Gasen (z. B. in der chemischen 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 oxidierbar oder reduzierbar sind. Je nach Zusammensetzung der Wirkschicht wird durch oxidierbare Substanzen z. B. der elektrische Widerstand verringert. Reduzierbare Substanzen erhöhen in diesem Fall den elektrischen Widerstand. Der Nachteil ist, dass die Sensoren beheizt werden müssen, was Energie verbraucht und die Nutzung von Batterien 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 bekannt 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 Nachteil 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 anschliessend 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 Fehlalarm und die gleichzeitige Fähigkeit zur Detektion auch kleiner Konzentrationen gefordert wird.

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

Zu diesem Zweck sind bereits Temperatur-Regelungen von Sensoren bekannt. Einige nutzen vorteilhaft die Tatsache aus, dass die Sensoren Heizungs­ strukturen aus Platin oder einem anderen Material mit ausgeprägtem Temperatur-Koeffizienten haben. Dem Fachmann sind Methoden bekannt, wie derartige Heizer so angesteuert werden können, dass der Widerstand des Heizers als IST-Referenz eingesetzt wird.

Abb. 2 zeigt eine typische Schaltung, welche ähnlich in der bevorzugten Lösung eingesetzt 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) gegeben, welcher einen energiereichen Schaltimpuls auf die Sensorheizung gibt.

Nach dem Abschalten dieses Impulses wird die Spannung über den A/D- Wandler (2.6) gemessen, die am Spannungsteiler zwischen Sensorheizer und Außenwiderstand (2.3) abgegriffen 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 Sensortemperatur 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), dem vom Sensorsubstrat (4.1) abge­ strahlten 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 Oberfläche der gassensitiven Schicht daher eine vom Heizer abweichende Temperatur feststellbar, welche typisch kleiner als der Sollwert ist.

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

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

• - dem auf konstante Temperaturen gehaltenem Heizer,
• - der sensitiven Schicht und der
• - 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

Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Detektion von in Luft enthaltenen Gasen oder Dämpfen mittels eines Sensorelementes, z. B. Metalloxidsensor, welches eine gassensitive Schicht aufweist, mittels einer Heizung elektrisch beheizbar ist und bei Beaufschlagung mit Gasen oder Dämpfen ein Sensorsignal abgibt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sensorelementes mittels der Heizung so geregelt wird, daß sie einer Soll-Temperatur zustrebt, wobei aus zeitlich zurückliegenden Sensorsignalen ein Referenzwert gebildet wird und die Soll-Temperatur durch die Größe des Sensorsignals und den Referenzwert zumindest zeitweise beeinflußt wird.

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

In diesem Raum bildet sich nach einiger Zeit ein thermisches Gleichgewicht zwischen dem Sensorheizer, 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 Sinterkörper der aus Metall, Kunststoff, Glas oder Keramik bestehen kann.

Energie transportierende Luftbewegungen durch die semipermeable Schicht hindurch sind ausgeschlossen oder zumindestens sehr stark eingeschränkt. Aufgrund der unterschiedlichen Partialdrücke innerhalb und außerhalb der Kammer diffundieren Gase in der Kammer hinein bzw. hinaus.

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:

Abb. 1 eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,

Abb. 2 einen schematische Schaltung zum Betreiben einer Sensorvorrichtung,

Abb. 3 ein Beispiel für das zeitliche Verhalten der Heizleistung zum Zwecke der Temperaturregelung,

Abb. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelementes mit Heizstruktur sowie ein Beispiel für einen Temperaturverlauf in einer Richtung senkrecht zum Sensorelement,

Abb. 6 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf des Sensorsignals und eines Referenzwertes gemäß dem Stand der Technik,

Abb. 7 Beispiele für zeitliche Verläufe des Sensorsignals mit und ohne erfindungsgemäße Beeinflussung der Soll-Temperatur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sowie die dazugehörigen Heizleistungen,

Abb. 8 ein Beispiel für zeitliche Verläufe des Sensorsignals mit erfindungsgemäßer Beeinflussung der Soll-Temperatur und des Referenzwertes gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

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 erfolgt 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 ebenfalls eine thermische Isolation und unterbindet jegliche Luftzirkulation. Gase können diese Barriere 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 Temperaturbereich keinerlei Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf den Sensorwiderstand in Normalluft mehr zeigen. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Energiebedarf des Sensorelementes durch den erfindungsgemäßen 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 vergangenen Sensorsignale verglichen werden.

Treten plötzlich Ereignisse auf, lassen sich diese mit dieser Methode sehr gut detektieren. Langsame und/oder nur kleine Änderungen des Sensor­ widerstandes 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 Driftverhalten 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 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 vorgenommen).

Die erfindungsgemäße Idee geht von der Beobachtung aus, daß Änderungen der elektrischen Parameter der Wirkschicht (Widerstand, Kapazität, Induktivität) sowohl vom Angebot oxidierbarer 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 beschrieben (reduzierbare Gase verhalten sich prinzipiell invers, erhöhen also z. B. den Sensorwiderstand, wogegen 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 Störgrößen-Aufschaltung (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 Temperaturerhöhung nachgeführt (7.3), wenn der Sensorwert sich vom Normalwert entfernt, kommt der Sensorwert 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 das die gasinduzierte Verminderung des Sensorwertes unabhängig von der Anhebung der Sensortemperatur den gleichen Verlauf nimmt wie eine ansonsten identische Versuchsanordnung ohne Temperaturnachführung.

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

Wenn bei Beginn der Einwirkung die Heizleistung beeinflußt wurde, ist die 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 das 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 Datenkreise relativ einfach und dem Fachmann unter Anleitung durch die Lehre dieser Erfindung ohne 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 geringeren 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 Vergleichswert zum aktuellen Sensorwert als Durchschnittswert ermittelt wird, nicht konstant sind, sondern im Laufe der Betriebszeit des Systems immer länger werden.

Der erste Durchschnittswert wird als Mittelwert über einem relativ kurzen Zeitraum gewonnen. Dies, weil unmittelbar nach dem Einschalten das System zwangsläufig hohen eigendynamischen 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 sogenannten 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-eingeschwungenen Zustand Signale ausgelöst werden, obwohl tatsächlich keine signifikante Gaskonzentrationsänderung auftritt.

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

Es können im Zusammenhang weitere Verfeinerungen eingeführt werden, z. B. wird vorgeschlagen, 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 auszusetzen, wenn eine gasinduzierte Sensorsignaländerung auftritt.

Trotz der geschilderten Maßnahmen könnte der tatsächliche Gaspegel derartig langsam ansteigen, daß er langsamer als die Berechnung des Durchschnittswertes erfolgt. Insofern könnten sich langsam erhebliche Gaskonzentrationen ausbilden, ohne das die vorstehend 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 Minimalwert festgelegt ist und der tatsächliche Referenzwert niemals kleiner werden kann als dieser festgelegt 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 Sicherheitsabstand zur Explosionsgrenze befindet.

Kommt es (z. B. bei der Anbringung des Sensors an geeigneter Stelle in oder an Atemschutzmasken zum Zwecke der Filter- oder Dichtheitsüberwachung), zu sprunghaften Änderungen der Feuchte oder 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 vorgeschlagen, wie sie in Abb. 8 erläutert wird.

Unter dem Sensor-Normpegel (8.1) liegt ein Referenzwert (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 vorgegebenen 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 Gasimpuls oder kommt es zu einem durch die Lehre der Erfindung zu kompensierenden Feuchteimpulsen ähnlich (8.5), wird es keinen irritierenden Schaltimpuls geben.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Zeitspanne (8.3) des Voralarms nicht fest zu definieren, sondern als Funktion der Schnelle der Sensorsignal- Änderung oder als Funktion des absoluten Änderungsbetrages über die Zeit aufzufassen. Wenn also innerhalb einer festgelegten Zeitspanne eine sehr große Sensorsignaländerung eingetreten 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, dass der ohmsche Widerstand der gassensitiven Wirkschicht als Sensorsignal verwendet wird bedeutet dies, dass z. B. 10 ppm (parts per million) eines bestimmten Gases abhängig 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. Diese Tatsache 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 Betrieb 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 sensitiven Wirkschicht kurzzeitig erhöht wird. Die Temperaturerhöhung bewirkt zum einen eine Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts innerhalb der Sensorschicht, die sich in einer Veränderung des Sensorsignals zeigt, zum anderen wird der Sensor kurzzeitig auf einer anderen (temperaturabhängigen) Kennlinie betrieben. Die Erfassung und Auswertung der Sensorsignale vor, während und nach der kurzzeitigen Temperaturerhöhung ermöglicht Rückschlüsse auf eine eventuell vorliegende Gasbelastung.

Claims (20)

1. Sensorvorrichtung zur Detektion von in Luft enthaltenen Gasen oder Dämpfen mittels eines Sensorelementes, z. B. Metalloxidsensor, welches eine gassensitive Schicht aufweist, mittels einer Heizung elektrisch beheizbar ist und bei Beaufschlagung mit Gasen oder Dämpfen ein Sensorsignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sensorelementes (1.2, 2.1) mittels der Heizung so geregelt wird, daß sie einer Soll-Temperatur zustrebt, wobei aus zeitlich zurückliegenden Sensorsignalen ein Referenzwert gebildet wird und die Soll- Temperatur durch die Größe des Sensorsignals und den Referenzwert zumindest zeitweise beeinflußt wird.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Sensorelement (1.2, 2.1) in einem thermisch isolierten Gehäuse (1.1, 1.8) befindet und der Gasaustausch aber eine semipermeable Sperre (1.7) erfolgt.

3. Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Sperre (1.7) aus einem Sintermaterial mit glasartiger oder metallischer Struktur besteht.

4. Sensorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Sperre (1.7) aus einer gasdurchlässigen Kunststofffolie besteht.

5. Sensorsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolie aus Teflon (PTFE) besteht.

6. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1.2, 2.1) ein Metalloxidsensor ist, welcher über eine strukturierte Platinschicht (4.2) beheizt wird.

7. Sensorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der Platinstruktur (4.2) als Regelgröße für die Temperatur der gassensitiven Schicht (4.3) verwendet wird.

8. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz der gassensitiven Schicht (4.3) als Sensorsignal verwendet wird.

9. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand der gassensitiven Wirkschicht (4.3) als Sensorsignal verwendet wird.

10. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der gassensitiven Wirkschicht (4.3) vorübergehend erhöht wird, wenn sich das Sensorsignal von einem bestimmten Normalwert entfernt, um so Störeinflüsse von tatsächlichen Änderungen der Gas­ zusammensetzung zu trennen.

11. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus zeitlich zurückliegenden Sensorsignalen ein Mittelwert und aus diesem der Referenzwert gebildet wird.

12. Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Zeitraum der Beeinflussung der Soll-Temperatur durch die Größe des Sensorsignals und den Referenzwert die Mittelwertbildung ausgesetzt wird.

13. Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Referenzwertes aus dem Mittelwert die Kennlinie des Sensorelementes (1.2, 2.1) bezüglich des jeweiligen Zielgases berücksichtigt wird.

14. Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion oxidierbarer Luftinhaltsstoffe für den Zeitraum, in dem das Sensorsignal kleiner ist als der aus dem Mittelwert gebildete Referenzwert, die Mittelwertbildung ausgesetzt wird und der Referenzwert unverändert bleibt.

15. Sensorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion reduzierbarer Luftinhaltsstoffe für den Zeitraum, in dem das Sensorsignal größer ist als der aus dem Mittelwert gebildete Referenzwert, die Mittelwertbildung ausgesetzt wird und der Referenzwert unverändert bleibt.

16. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Heizung vorübergehend erhöht wird und die Sensor­ signale vor, während und nach der Temperaturerhöhung zur qualitativen Ermittlung der Anwesenheit zusätzlicher oxidierbarer (reduzierbarer) Luftinhaltsstoffe verglichen werden, wobei die Mittelwertbildung zur Ermittlung des Referenzwertes ausgesetzt ist.

17. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Bildung des Referenzwertes aus zeitlich zurückliegenden Sensorsignalen berücksichtigte Zeitraum im Laufe der Zeit länger wird.

18. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Bildung des Referenzwertes aus zeitlich zurückliegenden Sensorsignalen berücksichtigte Zeitraum verkürzt wird, wenn eine gasinduzierte Sensorsignaländerung eingetreten ist.

19. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal zugleich über zwei verschiedene Zeiträume, z. B. 20 Sek. und 300 Sek., gemittelt wird, wobei von dem über einen längeren Zeitraum gebildeten Mittelwert ein bestimmter Betrag abgezogen wird und ein Alarm dann ausgelöst wird, wenn der über den kürzeren Zeitraum gebildete Mittelwert kleiner wird als der sich durch Mittelung über den längeren Zeitraum und Abzug des bestimmten Betrages ergebende Wert.

20. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzwert gebildet wird, indem aus dem über einen bestimmten Zeitraum gemittelten Sensorsignal ein bestimmter Betrag abgezogen wird, wobei ein Alarm nur dann ausgelöst wird, wenn das Sensorsignal für mindestens eine vorgegebene Zeit kleiner ist als der Referenzwert.