DE19925215A1 - Kombinierter Staub- und Gassensor - Google Patents

Abstract

Der kombinierte Staub- und Gassensor weist mindestens einen beheizbaren Gassensor (1) und mindestens eine Elektrode (2), welche dem Gassensor (1) gegenüberliegt, auf, DOLLAR A wobei an die mindestens eine Elektrode (2) und den mindestens einen beheizbaren Gassensor (1) eine Spannung U dergestalt anlegbar ist, daß zwischen der Elektrode (2) und dem Gassensor (1) ein elektrisches Feld aufbaubar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen kombinierten Staub- und Gassensor sowie ein Verfahren zur Messung von Gasen und Stäuben.

Ein beheizbarer Gassensor detektiert in der Regel sowohl ein Gas, d. h. mindestens eine Gaskomponente eines Gasgemischs, als auch brennbare Stäube (Schwebstoffe), wenn diese Stäube mit der Sensoroberfläche in Berührung kommen und dort an der heißen Oberfläche verbrennen.

Für viele Anwendungsbereiche, z. B. Sicherheitssysteme für den Haushalt und im industriellen Bereich (Kunststoffverar­ beitung, Bäckerei, Mühle o. ä.) ist es wünschenswert, zwischen einem brennbaren Gas (undichte Gasleitung, ausgetretenes Lö­ sungsmittel) und einem brennbaren Staub, wie er z. B. bei ei­ nem Schwelbrand entsteht, zu unterscheiden. Mittels der Un­ terscheidung kann ein auf die Drohungssituation angepaßter Alarm ausgelöst werden oder es können, bei einem automati­ schen System, verschiedene Reaktionsweisen des Systems aus dem Erkennen der jeweiligen Situation resultieren, z. B. Aus­ lösen einer Sprinkleranlage oder Auslösen eines Gasalarms.

Herkömmlicherweise werden zur Unterscheidung zwischen Gas und Staub ein Gassensor und davon ein separater Staubsensor ver­ wendet. Bei dem Staubsensor handelt es sich meist um einen optischen Sensor, z. B. eine Lichtschranke, welcher den Nach­ teil besitzt, daß die optischen Fenster sender- und/oder emp­ fängerseitig im Laufe der Zeit leicht durch Staub zugesetzt werden können.

Eine weitere Möglichkeit der Unterscheidung zwischen Gasen und Stäuben besteht in der Verwendung von zwei beheizten Gas­ sensoren. Einer dieser Gassensoren ist mit einem vorgeschal­ teten Feinstaubfilter ausgestattet, der Stäube zurückhält und nur Gase zum Sensor durchläßt, während der andere Gassensor keinen Filter aufweist. Je nachdem, ob nur einer der beiden Sensoren (bei Stäuben/Schwebstoffen) oder beide Sensoren (bei Gasen) reagieren, kann durch Differenzbildung der Sensor­ signale auf die jeweilige Bedrohungssituation geschlossen werden. Die Verwendung von zwei Sensoren, die zusätzlich auch noch die gleiche Gassensitivität aufweisen müssen, besitzen den Nachteil, daß nur zufällig auf den Sensor fallende Stäube detektiert werden und damit der Sensor eine nur geringe Emp­ findlichkeit auf Stäube aufweist.

Zusätzlich führt der vorgeschaltete Feinstaubfilter aufgrund seines Diffusionswiderstands zu einer Zeitverzögerung im An­ sprechen des Gassensors. Dies führt zu einer zusätzlichen Empfindlichkeitseinbuße oder, um dies konstruktiv zu vermei­ den, zu einer großen geometrischen Abmessung des Filters.

In DE 44 28 155 C2 ist ein halbleitender Hochtemperatur-Gas­ sensor mit einer gassensitiven Schicht aus Ga₂O₃ beschrieben.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kombi­ nierten Gas- und Staubsensor bereitzustellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Möglichkeit zur Gas- und Staubdetektion bereitzu­ stellen.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine preisgünstige Möglichkeit zur kombinierten Gas- und Staubde­ tektion bereitzustellen.

Diese Aufgaben werden durch einen kombinierten Gas- und Staubsensor gemäß des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Gas- und Staubdetektion nach Anspruch 9 gelöst.

Die Erfindung basiert darauf, daß der kombinierte Staub- und Gasdetektor mindestens einen beheizbaren Gassensor aufweist, dem mindestens eine Elektrode gegenüberliegt. Zwischen dem mindestens einen Gassensor und der mindestens einen Elektrode muß eine elektrische Spannung U derart anlegbar sein, daß in einem Zwischenraum zwischen der Elektrode und dem Gassensor ein elektrisches Feld E aufgebaut werden kann.

Die Gas- und Staubdetektion geschieht dadurch, daß

• - bei ausgeschalteter Spannung U der beheizte Gassensor so­ wohl Gase als auch die zufällig auf dem Gassensor auftref­ fenden und dort verbrennenden Staubteilchen in Form von Sensorsignalen detektiert,
• - bei eingeschalteter Spannung U die sich im Bereich des elektrischen Feldes E zwischen der Elektrode und dem Gas­ sensor befindlichen Stäube elektrisch geladen oder durch Influenzeffekte so beeinflußt werden, daß die Staubteilchen zum Gassensor hin beschleunigt werden. Der Staub wird beim Auftreffen auf den Gassensor verbrannt. Der Verbrennungs-/­ Oxidationsvorgang eines Staubteilchens auf der Sensorober­ fläche führt zu einem Sensorsignal.

Mittels eines Vergleichs der Sensorsignale bei ein- und aus­ geschalteter Spannung lassen sich Rückschlüsse auf das Ver­ hältnis der Gas- zur Staubkonzentration ziehen.

In der Regel ist das Sensorsignal abhängig unter anderem von der Art und Betriebsweise des Gassensors und von der Art der Staubteilchen. Weil der Zusammenhang zwischen Gas- und Staub­ konzentration einerseits und Betriebsparametern andererseits nicht einfach erfaßbar ist, ist zur Meßwerterfassung ein ex­ perimenteller Abgleich mit bekannten Gas- und Staubkonzentra­ tion, z. B. mittels einer Eichung, günstig.

Bei eingeschalteter Spannung U zwischen der Elektrode und dem Gassensor treffen erheblich günstigerweise mehr Staubteil­ chen/Schwebstoffe auf den Gassensor, typischerweise um einen Faktor 5 bis 10 mehr, als ohne Spannung U, bei der nur zufäl­ lig Staubteilchen auf den Sensor gelangen.

Der kombinierte Staub- und Gassensor weist den Vorteil auf, daß nur ein Detektor, nämlich der beheizte Gassensor minde­ stens vorhanden sein muß. Daraus ergibt sich, daß der kombi­ nierte Staub- und Gassensor vergleichsweise kompakt aufbaubar ist und daß er preiswert herstellbar ist.

Zudem ist ein solcher kombinierter Staub- und Gassensor in Bezug auf die Detektion von Staubteilchen schnell anspre­ chend.

Weiterhin ergibt sich der Vorteil, daß die Gasselektivität und -sensitivität nicht mit anderen Gassensoren abgestimmt werden muß.

Ein typischer Abstand zwischen der Elektrode und dem Gassen­ sor, d. h. den beiden Polen, beträgt 1 mm bis 10 mm.

Die Spannung U liegt, je nach Elektrodenabstand und Staubart, zwischen 100 V bis ca. 50 kV. Es ist dabei vorteilhaft, falls eine Durchschlagsfestigkeit des Mediums zwischen Elektrode und Gassensor mindestens um den Faktor 10 überschritten wird bzw. eine Durchschlagsfeldstärke um den Faktor 10 unter­ schritten wird.

Die Bereitstellung der Spannung U kann entweder durch An­ schluß der Elektrode und des Gassensors an eine externe Span­ nungsquelle geschehen oder dadurch, daß der kombinierte Staub- und Gassensor zusätzlich eine eigene Spannungsquelle aufweist.

Bei ortsfesten Systemen kann die Spannung vorteilhafterweise durch Gleichrichtung einer vom Stromnetz gelieferten Wech­ selspannung, gegebenenfalls nach vorhergehender Hochtransfor­ mation, erzeugt werden.

Bei einem netzunabhängigen System wird eine (vergleichsweise kleine) Sperrwandlerschaltung mit nachgeschalteter Hochspan­ nungskaskade (Dioden-Kondensator-Netzwerk) bevorzugt, weil sich dabei die benötigte Spannung U mit geringem Aufwand be­ reitstellen läßt.

Es reicht aus, während der Staubmessphasen die Spannung U nur jeweils eine vergleichsweise kurze Zeit t1 einzuschalten. Da­ bei beträgt ein typisches Verhältnis zwischen der Zeit t1, in der die Spannung U eingeschaltet ist, und der Zeit t2, in der die Spannung U ausgeschaltet ist, 1 : 2 bis 1 : 30.

In einem typischen Meßzyklus wird der kombinierte Staub- und Gassensor 5 min ohne Spannung U, d. h. vorwiegend zur Gasmes­ sung betrieben, und 20 sec mit eingeschalteter Spannung U, d. h. vorwiegend zur Staubmessung. Durch die Taktung ergibt sich der Vorteil einer Minimierung des Stromverbrauchs des Sen­ sors.

Zur einfachen Herstellung ist es vorteilhaft, wenn die Elek­ trode aus einer dünnen Drahtspitze besteht.

Zur verbesserten Staubdetektion, u. a. durch Aufbau eines ho­ mogeneren elektrischen Feldes zwischen Elektrode und Gas­ sensor, besteht die Elektrode vorteilhafterweise aus einem Array, d. h. einer geordneten Anordnung mehrerer Drahtspit­ zen. Dabei wird eine gleichmäßige und flächige Anordnung der Elektrodenspitzen zum Einsatz mit einem flächigen Gassensor bevorzugt. Diese Drahtspitzen können beispielsweise auf einem Gitter angebracht sein.

Es ist vorteilhaft, wenn der Gassensor mittels eines Da­ vy'schen Sicherheitsgitters gekapselt ist. Das Davy'sche Si­ cherheitsgitter dient dazu, eine Zündung eines den heißen Gassensor umgebenden Gases zu verhindern. Bei Verwendung ei­ nes Davy'schen Sicherheitsgitters ist es besonders vorteil­ haft, wenn dieses als Elektrode verwendet wird, beispielswei­ se durch den Anschluß an die Spannung U und eine entspre­ chende elektrische Isolation zum eigentlichen Gassensor hin. Eine solche Ausgestaltung besitzt den Vorteil, daß der Auf­ wand für eine Nutzung als kombinierter Staub- und Gassensor vergleichsweise gering und damit entsprechend preisgünstig ist.

Es ist auch zur Beschleunigung der Staubteilchen zum Gassen­ sor hin günstig, falls die Elektrode negativ gepolt ist.

Es ist günstig, falls der Gassensor ein halbleitender Hochtemperatur-Gassensor ist, z. B. auf Ga₂O₃ basierend, weil solche Sensoren preiswert und robust sind, und mit zur Ver­ brennung der Staubteilchen ausreichend hoher Temperatur (ty­ pischerweise T ≧ 500°C) betrieben werden.

Die folgende Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel schema­ tisch einen kombinierten Staub- und Gassensor als Schnittdar­ stellung in Seitenansicht.

Dieser kombinierte Staub- und Gassensor ist im Hinblick auf eine einfache Realisierung optimiert.

Einem beheizbaren Gassensor 1 liegt im Abstand d eine Elek­ trode 2 in Form einer einzelnen Elektrodenspitze gegenüber. Die Elektrode 2 und der Gassensor 1 sind jeweils an eine Spannungsquelle S angeschlossen, als deren Pole sie dadurch wirken. Die Elektrode 2 ist negativ, die Oberfläche des Gas­ sensors 1 ist positiv gepolt.

Durch das Anlegen der Spannung U an die Elektrode 2 und den Gassensor 1 wird in ihren Zwischenraum ein elektrisches Feld E aufgebaut. Ein sich innerhalb des Feldes E befindliches Staubteilchen T wird dadurch auf die gassensitive Oberfläche des Gassensor 1 beschleunigt.

Das Staubteilchen T wird innerhalb des elektrischen Feldes E entweder negativ aufgeladen ("mit negativer Ladung besprüht") oder mittels Influenzeffekte zum Gassensor 1 hin beschleu­ nigt.

Die angelegte Spannung beträgt 5000 V bei einem Abstand d ≧ 50 mm. Sie ist somit so dimensioniert, daß die Durchschlag­ festigkeit von Luft von ca. 1 mm/KV mindestens um einen Faktor 10 überschritten wird.

Es ist aber auch möglich, den kombinierten Staub- und Gassen­ sor bei einem Abstand ≧ 5 mm bei einer angelegten Spannung U = 5000 V zu betreiben. Dadurch wird die Durchschlagfeldstärke noch nicht erreicht, und die Staubteilchen werden günstiger­ weise stark beschleunigt.

Als Gassensor 1 wird ein hochtemperaturbetriebener (Tempera­ tur T ≧ 500°C) Metalloxid-Gassensor mit einer gassensitiven Schicht aus Ga₂O₃ verwendet.

Claims (12)

1. Kombinierter Staub- und Gassensor, aufweisend

• - mindestens einen beheizbaren Gassensor (1),
• - mindestens eine Elektrode (2), welche dem Gassensor (1) ge­ genüberliegt,

wobei an die mindestens eine Elektrode (2) und den mindestens einen beheizbaren Gassensor (1) eine Spannung U dergestalt anlegbar ist, daß zwischen der Elektrode (2) und dem Gassen­ sor (1) ein elektrisches Feld (E) aufbaubar ist.

2. Kombinierter Staub- und Gassensor nach Anspruch 1, bei dem die Elektrode (2) in Form einer Drahtspitze ausgeführt ist.

3. Kombinierter Staub- und Gasdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Elektrode (2) aus einer Anordnung mehrerer Drahtspit­ zen besteht.

4. Kombinierter Staub- und Gassensor nach einem der Ansprüche 1 oder 3, bei dem die Elektrode (2) ein Davy'sches Sicherheitsgitter des Gas­ sensors (1) beinhaltet.

5. Kombinierter Staub- und Gassensor nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, bei dem der Abstand (d) zwischen dem Gassensor (1) und der Elektrode (2) zwischen 1 mm und 10 mm beträgt.

6. Kombinierter Staub- und Gassensor nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, welcher zusätzlich eine Spannungsquelle (S) aufweist, welche einerseits an den Gassensor (1) und anderer­ seits an die Elektrode (2) angeschlossen ist.

7. Kombinierter Staub- und Gassensor nach Anspruch 6, bei dem die Spannungsquelle (S) eine Sperrwandlerschaltung mit einer Hochspannungskaskade ist.

8. Kombinierter Staub- und Gassensor nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, bei dem der Gassensor ein hochtemperaturbetriebener Gassensor (1) auf der Basis eines halbleitenden Metalloxids ist.

9. Verfahren zur Staub- und Gasdetektion mittels eines kombi­ nierten Staub- und Gassensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem

• - für eine Zeitdauer (t1) eine Spannung (U) zwischen dem Gas­ sensor (1) und der Elektrode (2) derart angelegt wird, daß ein sich im elektrischen Feld (E) zwischen Gassensor (1) und Elektrode (2) befindliches Staubteilchen (T) zum Gas­ sensor (1) hin beschleunigt wird und beim Auftreffen auf den Gassensor (1) verbrennt, und durch das Verbrennen des Staubteilchens (T) ein Sensorsignal am Gassensor (1) er­ zeugt wird,
• - eine weitere Zeitdauer (t2) die Spannung (U) zwischen Gas­ sensor (1) und Elektrode (2) abgeschaltet wird und am Gas­ sensor (1) ein weiteres Sensorsignal aufgenommen wird,
• - durch Vergleich der Sensorsignale aus der ersten Zeitdauer (t1) und der weiteren Zeitdauer (t2) ein Verhältnis zwi­ schen Staubkonzentration und Gaskonzentration ermittelt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem ein Taktverhältnis zwischen erster Zeitdauer (t1) und weite­ rer Zeitdauer (t2) zwischen 1 : 2 und 1 : 30 beträgt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem die elektrische Spannung (U) zwischen 100 V und 50 kV liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die Elektrode (2) negativ gepolt ist.