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Die
Erfindung betrifft eine Atemschutzmaske mit einem Sensor-Mikrosystem,
bestehend aus einem beheizbaren Metalloxidsensor mit einer gassensitiven
Wirkschicht, einer Elektronik mit Mikroprozessor und einer Steuerungs/Auswertesoftware,
wobei das Sensor-Mikrosystem den Träger oder andere Personen über in die
Maske eindringende gas- oder dampfförmige Schadstoffe informiert,
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Atemschutzmasken
werden u.a. zum Schutz vor dampf- oder gasförmigen gesundheitsgefährdenden
Verunreinigungen der Atemluft verwendet. Meist handelt es sich dabei
um Schutzmasken, die das gesamte Gesicht bedecken. Die Atemluft
wird über
auswechselbare Filterpatronen gefiltert. Die Filterwirkung beruht
in der Regel auf Adsorptionsprozessen an Aktivkohle. Die Aktivkohle
der Filterpatronen ist den Erfordernissen entsprechend modifiziert
und wird durch zusätzliche
Staubfilter ergänzt.
Die Abdichtung der Maske an der Gesichtskontur erfolgt über flexible
Dichtlippen an der Maske. Die Trennung von Zuluft, Einatmen, und
Abluft, Ausatmen, erfolgt in der Regel über Klappenventile, die den
Maskeninnenraum in der Luftführung
in zwei Bereiche trennen, den Mund/Nasenraum, der durch die inneren
Halbmaske gebildet wird, und den Augenraum. Der Augenraum ist dabei
frei von Abluft und wird bestimmungsgemäß nur von gefilterter Frischluft
durchströmt,
die von dort beim Einatmen über
Klappenventile in der Trennwand zwischen den beiden Bereichen in
den Mund/Nasenraum gelangt. Beim Ausatmen werden diese Ventile durch
den entstehenden Überdruck
geschlossen und die Abluft gelangt über zusätzliche Ventile nach außen.
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Eine
solche Schutzmaske kann den Träger eine
begrenzte Zeit vor der gesundheitsgefährdenden Wirkung von Luftverunreinigungen
schützen.
Je nach Konzentration der Schadstoffe sind die Filterpatronen aber
nach einiger Zeit erschöpft
und lassen in ihrer Filterwirkung nach. Dieses Nachlassen erfolgt nicht
plötzlich,
sondern je nach Konzentration langsam ansteigend. Entsprechendes
ergibt sich für
die Schadstoffkonzentration in der Zuluft (Atemluft). Die Filter-/Maskenhersteller
empfehlen in ihren Gebrauchsanweisungen den Filter zu wechseln, "wenn über Geruch
oder Geschmack ein Nachlassen der Filterwirkung festgestellt wird". Dieses Verfahren
ist, wenn nicht gar menschenverachtend, zumindest äußerst bedenklich,
da insbesondere bei langsamem Nachlassen der Filterwirkung das Adaptionsverhalten
des Geruchssinns dazu führt,
dass gesundheitsgefährdende
Schadstoffkonzentrationen innerhalb der Maske erst sehr spät wahrgenommen
werden. Zudem sind einige toxische Gase wie z.B. Kohlenstoffmonoxid
(CO) geruch- und geschmacklos, so dass diese nicht wahrgenommen
werden können, sondern
erst anhand ihrer toxischen Wirkung auf den menschlichen Organismus
erkannt werden. Dies kann aber bereits zu ernsthaften gesundheitlichen Schäden oder
sogar zum Tod führen.
Ein weiteres wesentliches Problem stellt die Abdichtung der Maske
mit Hilfe der Dichtlippe an der Gesichtskontur dar. Es werden zwar
verschiedene Maskengrößen angeboten,
dennoch ist eine zuverlässige
Abdichtung, bedingt durch die unterschiedlichsten Gesichtsformen, nicht
immer gewährleistet.
Dies wird bei Bartträgern noch
zusätzlich
erschwert.
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Es
gibt keine verwertbaren Statistiken zu Unfällen, Gesundheitsschäden oder
Todesfällen,
welche auf nicht ordnungsgemäß funktionierende
Atemschutzmasken zurückzuführen sind.
Auf Grund der geschilderten Sachverhalte und der Forderungen der Berufsgenossenschaften
und Institutionen zum Arbeitsschutz kann aber davon ausgegangen
werden, dass der persönliche
und der volkswirtschaftliche Schaden, der durch die Folgen nicht
bestimmungsgemäß funktionierender
Atemschutzmasken verursacht ist, sehr groß ist. Deshalb besteht die
Notwendigkeit eines Überwachungssystems,
welches das Eindringen von Schadstoffen in den Zuluftbereich der Atemschutzmaske
zuverlässig
anzeigt und damit den Nutzer vor gesundheitlichen Risiken schützt.
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In
der
US 4873970 ist vorgeschlagen,
bei der eine Warneinrichtung mit einer elektrochemischen Zelle in
einem Gehäuse
zwischen Filter und Maske angebracht wird. Ein wesentlicher Nachteil
dieses Lösungsansatzes
ist die Tatsache, dass nur die toxischen Gase erfasst werden können, die über den
Filter in die Atemluft gelangen. Undichtigkeiten der Maske, insbesondere
an der kritischen Dichtfläche zwischen
Maske und Gesichtskontur können
nicht erkannt werden.
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Nachteilig
beim Einsatz elektrochemischer Gasdetektionszellen ist, dass diese
Zellen in der Regel selektiv nur auf einzelne 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.
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In
der
EP 0447619 wird
eine analoge Warneinrichtung wie in der
US 4873970 angegeben die dem Geräteträger auch
bei Lärm
und schlechter Sicht den Erschöpfungszustand
des Gasfilters anzeigt. Durch eine entsprechende Vorrichtung wird
bei Erschöpfung
des Filters der Atemwiderstand spürbar erhöht, und somit der Geräteträger aufmerksam
gemacht.
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Neben
den für
die
US 4873970 angegebenen
Nachteilen kommt in der
EP 0447
619 zusätzlich hinzu,
dass der durch den erschöpften
Filter ohnehin schon mit Schadstoffen belastete Geräteträger noch zusätzlich mit
einem erhöhten
Atemwiderstand belastet wird. Da aber neben den durchbrechenden Schadstoffen
auch lebensnotwendiger Sauerstoff durch die Widerstandserhöhung in
geringerem Maße aufgenommen
wird und der Geräteträger unter
Umständen
noch einen weiten Weg zurückzulegen
hat, um den schadstoffbelasteten Bereich sicher zu verlassen oder
das Filter zu wechseln, bedeutet die Erhöhung des Atemwiderstandes ein
zusätzliches
Risiko, das unter allen Umständen
zu vermeiden ist.
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In
der
EP 0535395 wird
eine Lösung
angegeben, bei der eine Überwachung
sowohl des Filters als auch einer allgemeinen Undichtigkeit der
Maske erfolgt. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Farbumschlagsindikator
auf der inneren Halbmaske angebracht wird. Hierdurch wird erreicht,
dass die gesamte inhalierte Luft den Sensor passieren muss. Als
Indikator ist eine Scheibe mit einem Farbumschlagsindikator vorgesehen.
Farbumschlagsindikatoren haben jedoch den Nachteil, dass wiederum
im Voraus bekannt sein muss, welches Gas detektiert werden soll.
Zudem handelt es sich dabei um nicht-reversible Reaktionen, die
eine Mehrfachverwendung ausschließen. Entsprechendes gilt für den in
der
GB 2266467 angegebenen
Lösungsvorschlag.
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Die
in der
EP 0343531 und
der WO 9612523 angegebenen Lösungsvorschläge sind
lediglich in der Lage ein erschöpftes
Filter anzuzeigen. Undichtigkeiten in der Maske oder in der Dichtfläche zum Gesicht
können
nicht erkannt werden.
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Durch
die
DE 196 50 897
A1 ist eine Atemschutzmaske zum Schutz vor Inhalation bzw.
Absorption von gefährlichen
Gasen für
den Einsatz bei zum Beispiel Feuerwehrleuten oder Chemiearbeitern bekannt
geworden, wobei die Atemschutzmaske im Innenbereich einen oder mehrere
Sensoren enthält, die
auf eindringende Gase oder Dämpfe
empfindlich reagieren und dessen Signale elektronisch aufbereitet
den Benutzer informieren, wobei die Stromversorgung mittels Batterien/Akkus
erfolgt. Dazu weist die Atemschutzmaske an oder innerhalb derselben
visuelle oder akustische Anzeige- bzw. Warneinrichtungen auf, durch
die der Benutzer über
den momentanen Zustand informiert wird. Es wird ein einzelner Sensor
verwendet, dessen Anbringungsort sich in unmittelbarer Nähe zu Mund
und Nase innerhalb der sogenannten inneren Maske befindet, wie auch
mindestens zwei Sensoren verwendet werden können. Der Anbringungsort des
ersten Sensors befindet sich im Lufteintritt zwischen Fitereinsatz
und Rückschlagventil
und ist für
die Filterüberwachung
zuständig. Weitere
Sensoren werden im Innenraum der Maske angeordnet, die die Dichtigkeit
der Atemschutzmaske überprüfen. Der
Sensor, der ein beheizter Metalloxidsensor ist, ist durch eine semipermeable,
gasdurchlässige
Schicht gegen Speicheltröpfchen,
Kondenswasser und ähnliches
geschützt.
Diese semipermeable Schicht ist in ein Drahtgewebe eingelagert,
um die gasdurchlässige
Schicht und das Sensorelement auch gegen mechanische Beschädigungen und
größere Luftdruckschwankungen
zu schützen.
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Des
Weiteren ist durch die
DE
44 12 447 A1 eine Sensoranordnung zur Detektion explosionsgefährdeter
Gase bekannt geworden unter Verwendung von halbleiten den Gassensoren,
insbesondere nach dem Taguchi- oder Pellistoren-Prinzip, Wärmetönungssensoren,
und einer elektrischen Auswerteschaltung, unter Verwendung eines
Mikroprozessors und eines Steuerprogramms. Das Sensorelement befindet
sich in einem Gehäuse,
dessen Zutrittsöffnung
für Außenluft
durch ein gasdurchlässiges
und mehrlagiges Filter versperrt ist, wobei mindestens eine Lage
aus Aktivkohle besteht. Dadurch soll zum Schutz vor Explosionen
immer dann Alarm ausgelöst werden,
wenn die Konzentration von z.B. Methan in der Luft einen bestimmten
Grenzwert überschreitet.
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Technische Aufgabe:
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Atemschutzmaske der eingangs
genannten Gattung derart zu verbessern, dass das Sensor-Mikrosystem
mit dem beheizbaren Metalloxidsensor innerhalb der Atemschutzmaske
gegen Beschädigungen
wirkungsvoll geschützt
ist und trotzdem die am häufigsten
vorkommenden gas- oder dampfförmigen Schadstoffe
zuverlässig
zu detektieren imstande ist sowie eine Reinigung der Atemschutzmaske
nicht behindert.
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Offenbarung der Erfindung
und deren Vorteile:
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Atemschutzmaske der eingangs genannten Gattung
mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
erfindungsgemäße Atemschutzmaske besitzt
die Vorteile, dass dieselbe mit nur einem integriertem Sensorsystem,
Mikrosystem, imstande ist, die am häufigsten vorkommenden Schadstoffe,
z.B. Dämpfe
organischer Lösungsmittel
(VOC), Kohlenstoffmonoxid (CO) Schwefeldioxid (SO2)
Ammoniak (NH3), und weitere) zuverlässig zu
detektierten. Das Sensorsystem kann zum Zwecke der Reinigung der Atemschutzmaske
leicht entfernt und wieder montiert werden. Neben der Erschöpfung des
Filters kann bei der erfindungsgemäßen Atemschutzmaske aber auch
jede Undichtigkeit der Maske erkannt und dem Träger signalisiert werden. Des
Weiteren ist das Sensorsystem vorteilhaft so gestaltet, dass sich
die meisten im Handel befindlichen Masken mit dem Sensorsystem nachrüsten lassen.
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Für die gastechnische
Verbindung von Sensor und Maskeninnenraum sind erfindungsgemäß verschiedene,
alternativ verwendbare Lösungen
vorgesehen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung, in der zeigen:
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1 eine
Atemschutzmaske mit integriertem Ansatzstück und Sensorsystem
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2 eine
Atemschutzmasken mit Sichtscheibe und einem am unteren Rand der
Sichtscheibe angebracht Sensorsystem
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3 eine
Atemschutzmaske mit einem von derselben abgesetzten Sensorsystem
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4 eine
Atemschutzmaske, in welcher das Sensorsystem in einem Adapter zwischen
Filter und Maske angebracht ist
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5 ein
Blockschaltbild des Sensor-Mikrosystems, bestehend aus den Komponenten
Metalloxid-Sensor, Elektronik und Mikroprozessor mit integrierter
Software zur Steuerung und Auswertung des Sensorelementes
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6 die
Ausbildung des Gassensors
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7 eine
typische Schaltung zur Ansteuerung des Gassensors
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8 die
Temperaturverteilung an einem Sensor
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9 die
gemittelte Kurve des aktuellen Sensorsignals und die Veränderung
beim Auftreten von plötzlichen
Ereignissen und
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10 eine
Kennlinie des Sensors bei sehr kurzfristigen und daher praktisch
zu vernachlässigenden
Gasimpuls oder bei zu kompensierenden Feuchteimpuls ohne Fehlalarm
mit der zugehörigen Heizkurve.
- 1.) Wie in 1 dargestellt,
wird das Sensorsystem 1.1 über ein in die Außenhaut 1.2 der
Maske integriertes Ansatzstück 1.10 an
der Maske gasdicht befestigt. Die Befestigung erfolgt so, dass der
Sensor 1.3 gastechnisch mit dem Augenraum 1.4 der
Maske in Verbindung steht. Der Augenraum 1.4 ist, bedingt
durch die ventilgesteuerte Luftführung 1.5, 1.6,
in der Maske frei von der ausgeatmeten Atemluft des Maskenträgers und
enthält
nur den Teil der Luft der eingeatmet wird. Die Befestigung am Ansatzstück 1.10 erfolgt
zweckmäßig über ein
gasdichtes Schraubgewinde oder einen gasdichten Bajonettverschluss 1.7,
so dass das Sensorsystem 1.1 zum Zwecke der Maskenreinigung
oder bei Nichtgebrauch leicht und ohne Spezialwerkzeug entfernt
werden kann. Bei Nichtgebrauch des Sensorsystems wird das Ansatzstück zu weiteren
Verwendung der Atemschutzmaske mit einer Blindplatte gasdicht verschlossen.
- 2.) In den meisten Fällen
verfügen
Atemschutzmasken über
eine Sichtscheibe 2.1 aus klarem durchsichtigem Kunststoff,
die den größten Teil des
Gesichtes überdeckt.
In diesen Fällen
kann ohne wesentliche Beeinträchtigung
des Gesichtsfeldes am unteren Rand der Sichtscheibe diese so modifiziert
werden, dass dort das Sensorsystem 2.2 angebracht werden
kann. Der Sensor 2.3 ist dabei über eine nach außen gasdichte Öffnung mit
dem Augenraum 2.4 der Maske gastechnisch verbunden. Die
Befestigung des Sensorsystems, Sensor + Elektronik, erfolgt dabei
ebenfalls über gasdichte
Schraubgewinde 2.5, gasdichten Bajonettverschluss oder
andere, dem Fachmann bekannte, ohne Werkzeug leicht zu lösende, gasdichte
Befestigungen.
Die mit dem Sensorsystem 2.2 verbundenen
optischen Funktions- und Warneinrichtungen, z.B. LED, 2.6 können, da
sie sich direkt im Gesichtsfeld befinden, sicher wahrgenommen werden. Vorteilhaft
ist bei dieser Variante, dass bei Umrüstung einer vorhandenen Schutzmaske
lediglich die Sichtscheibe gewechselt werden muss.
- 3.) In Fällen,
in denen eine Anbringung an der Sichtscheibe oder am unteren Rand
der Atemschutzmasken nicht möglich
oder nicht sinnvoll ist, kann wie in 3 angegeben,
das Sensorsystem 3.1 auch abgesetzt von der Schutzmaske getragen
werden z.B. an den Verschlussriemen der Atemschutzmaske am Hinterkopf
oder am Gürtel
des Geräteträgers. Die
gastechnische Verbindung zwischen Augenraum 3.4 und Sensor 3.5 erfolgt
dabei zweckmäßig z.B. über eine
nach außen
gasdichte flexible Schlauchverbindung 3.2. Der Gastransport
vom Augenraum zum Sensor kann über
Diffusion erfolgen. Dies hat jedoch den Nachteil einer unter Umständen erheblichen
zeitlichen Verzögerung zwischen
Auftreten eines Schadstoffes im Augenraum und der Detektion durch
das Sensorsystem. Es wird daher erfindungsgemäß ergänzend vorgeschlagen, dass der Gastransport
zwischen Augenraum und Sensor über
einen elektrisch betriebenen kleinen Ventilator 3.3 erfolgt
oder mit Hilfe einer Membranpumpe, die über die bei der natürlichen
Atmung auftretenden Druckdifferenzen angetrieben wird. Eine solche über Druckdifferenzen
angetriebene Membranpumpe kann vom Fachmann leicht angegeben werden.
Die zum Sensor geförderte
Luft wird entweder über
ein Klappenventil 3.6 an die Außenluft abgegeben oder über eine
weitere Schlauchverbindung in den Augenraum zurückgeführt.
- 4.) Alternativ kann das Sensorsystem auch in einem Adapter 4.2 zwischen
Filter 4.3 und Maske angebracht werden 4,
hierbei ist jedoch zu beachten, dass das üblicherweise zwischen Filter und
Maske innerhalb des Anschlussgewindes in der Maske befindliche Klappenventil
filterseitig in den Adapter 4.2 integriert wird. Dies ist
zwingend erforderlich, da ansonsten keine Undichtigkeiten der Maske
selbst erkannt werden können.
Der Gastransport vom Augenraum 4.6 zum Sensor 4.5 über Diffusion
ist durch diese Maßname
gewährleistet,
ohne das die sonstigen Funktionen der Maske beeinträchtigt sind.
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Die
Signalisierung von in die Maske, eindringenden Schadstoffen erfolgt
optisch, z.B. über
Lichtquellen bevorzugt verschiedenfarbige LED. Alternativ oder ergänzend kann
ein Alarm auch akustisch z.B. mit Hilfe von Schallwandlern erfolgen.
Für den Einsatz,
in denen die akustische oder optische Wahrnehmungsfähigkeit
des Geräteträgers eingeschränkt ist,
wird die Verwendung von Reizströmen
vorgeschlagen, die zwar medizinisch unbedenklich sind, dem Geräteträger aber
dennoch einen Alarm zuverlässig
signalisieren.
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Da
das Sensor-Mikrosystem u.a. einen integrierten Mikroprozessor und
andere elektronische Komponenten enthält, ist es denkbar, dass das
System durch starke elektromagnetische Strahlung oder andere Störeinflüsse derart
beeinträchtigt
wird, dass eine ordnungsgemäße Funktion
nicht mehr sichergestellt ist. Es werden daher die für die Funktion
wesentlichen Parameter des Systems überwacht. Bei bestimmungsgemäßer Funktion
wird dies durch eine sich ändernde
optische Anzeige, z.B. bevorzugt eine blinkende, farbige LED, angezeigt.
Die Ansteuerung der optischen Anzeige erfolgt dabei direkt vom integrierten
Mikroprozessor. Dies hat den Vorteil, dass durch das Blinken der
Anzeige auch der Prozessor selbst überwacht wird.
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Es
sind aber auch Situationen denkbar, in denen eine Alarmsignalisierung
an den Geräteträger allein
nicht ausreichend ist. Dies ist z.B. möglich bei plötzlich auftretenden
hohen Schadstoffkonzentrationen in der Atemluft, die den Geräteträger handlungsunfähig machen.
Diese Situation kann z.B. auftreten, wenn in einer Umgebung mit
hoher Schadstoffkonzentration die Atemschutzmaske unbeabsichtigt
vom Gesicht entfernt wird. Für
diese Fälle
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
die Daten des Sensor-Mikrosystems, nämlich die ordnungsgemäße Funktion,
die Gaskonzentration in der Atemluft, Alarmsignal, über eine
drahtlose Datenfernverbindung, z.B. eine digital kodierte Funkverbindung,
an eine Zentrale zu übermitteln.
Zur Fernüberwachung
mehrerer Maskenträger
mit Sensorsystem, können
die Signale einzelner Systeme zur Unterscheidung ebenfalls unterschiedlich
digital kodiert sein.
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Häufig ist
es erforderlich, eventuell aufgetretene Schadstoffbelastungen des
Geräteträgers im nachhinein
zu rekonstruieren z.B. nach Arbeitsunfällen. Für diese oder ähnliche
Fälle wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen
die relevanten Sensordaten, z.B. ordnungsgemäße Funktion, Gaskonzentration
in der Atemluft, Alarmsignal, während
der Betriebszeit des Sensorsystems in einem Digitalspeicher zu speichern,
vergleichbar mit der Black-Box bei Verkehrsflugzeugen. Im Bedarfsfall
können
diese dann nachträglich
ausgewertet werden.
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Für eine weitere
Ausführungsvariante
der Atemschutzmaske mit Sensor-Mikrosystem ist erfindungsgemäß vorgesehen,
bei Vorliegen hoher Schadstoffkonzentrationen in der Atemluft des
Geräteträgers, auf
einen zweiten Filter umzuschalten. Dies ist jedoch nur sinnvoll,
wenn die erhöhte
Schadstoffkonzentration durch ein erschöpftes Filter bedingt ist. Für zusätzliche
Sicherheit auch in Fällen,
in denen eine plötzliche
Undichtigkeit der Maske auftritt ist erfindungsgemäß vorgesehen
bei Vorliegen erhöhter
Schadstoffkonzentrationen automatisch ein Ventil zu öffnen, das
die Innenmaske mit Luft oder reinem Sauerstoff belüftet. Der
erhöhte
Druck treibt dabei die belastete Luft nach außen und ermöglicht dem Geräteträger, den
belasteten Bereich zu verlassen oder andere Schutzmaßnahmen
vorzunehmen. Die Luft oder der reine Sauerstoff stammt aus einem geeigneten
Druckbehälter,
der außen
an der Maske angebracht ist.
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Als
die Sicherheit erhöhendes
Merkmal ist ergänzend
vorgesehen, die Maske mit einem zusätzlichen Sensor auszustatten,
der die Luftqualität
auch außerhalb
der Maske überwacht.
Bei Vorliegen vorgegebener Schadstoffkonzentrationen in der Außenluft
kann so ein sogenannter Vor-Alarm signalisiert werden, der den Maskenträger zu erhöhter Aufmerksamkeit
und Vorsicht auffordert.
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Sensor-Mikrosystem
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Das
zur Detektion von in die Maske eindringenden Schadstoffen bevorzugt
zu verwendende Sensorsystem ist ein Mikrosystem, bestehend aus den
Komponenten Metalloxid-Sensor 5.2, Elektronik, Mikroprozessor
mit integrierter Software 5.3 zur Steuerung und Auswertung
des Sensorelementes.
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Bei
dem in dem Mikrosystem zu verwendenden 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.
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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. Andere oxidische Wirkschichten sind denkbar.
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Der
Heizer ist bevorzugt aus einer Platinstruktur. Der elektrische Widerstand
dieser Heizstruktur ist ein Maß für die Temperatur
der Sensorwirkschicht, und wird als Temperaturreferenz für eine Regelung
genutzt. Es sind aber auch andere Materialien als Platin möglich. Die
Temperatur des Sensorelementes wird darüber hinaus gezielt beeinflusst,
indem der Regelgröße "Sensortemperatur" weitere Störgrößen hinzugefügt werden.
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Das
Sensorgehäuse
ist bevorzugt aus Metall, welches durch einen geeigneten Isoliermantel thermisch
isoliert ist. Der Gaseintritt in das Gehäuse zur gassensitiven Struktur
erfolgt durch Diffusion durch eine gasdurchlässige Schicht bevorzugt aus Sintermaterial
hindurch, z.B. Glas oder Metall.
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Der
Sensor ist bevorzugt auf einem gemeinsamen Trägersubstrat montiert, auf welcher
sich die Komponenten für
Analog-/Digitalwandlung, Signalverarbeitung und Heizungsteuerung
befinden.
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Die
Auswertung erfolgt durch Vergleich des jeweils aktuellen Sensorsignals
mit einem berechneten Referenzwert, der aus dem gewichteten Durchschnittssignal
der Sensorwerte gebildet wird und der sich an die jeweilige Situation
adaptiert.
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Der
in dieser Erfindung angegebene Sensor des Sensorsystem ist ein elektrischer
Halbleiter. Alle Halbleiter ändern
z.B. ihren Widerstand u.a. mit der Temperatur. Aus diesem Grunde
ist es notwendig, die jeweils vorgegebene Temperatur dieser gassensitiven
Halbleiterschicht in engen Grenzen stabil zu halten. Zusätzlich ändern sich
mit der Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeiten und Empfindlichkeit
des Sensorelementes in Bezug auf die Zielgase, so dass bei unterschiedlichen
Temperaturen sich die Kennlinien gegenüber den verschiedenen Gasen
erheblich unterscheiden können.
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Zu
diesem Zweck sind bereits Temperatur-Regelungen von Sensoren bekannt.
Einige nutzen vorteilhaft die Tatsache aus, dass die Sensoren Heizungsstrukturen
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 Heizer als IST-Referenz eingesetzt wird.
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7 zeigt
eine typische Schaltung, welche ähnlich
in der bevorzugten Lösung
eingesetzt wird. Dabei ist 7.1 der Sensor, welcher eine
Heizung und eine gassensitive Schicht enthält. Der Heizer wird elektrisch über einen
Außenwiderstand
angesteuert, welcher so dimensioniert ist, dass der Stromfluss keinesfalls
die Soll-Temperatur erreichen wird. Vielmehr wird periodisch von
einer zentralen Steuer- und Regelkomponente 7.3, vorteilhaft
als integrierter Mikrocontroller μC
ausgebildet, über
eine Steuerleitung 7.4 ein Impuls auf ein Schaltelement 7.5 gegeben,
welcher einen energiereichen Schaltimpuls auf die Sensorheizung
gibt.
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Nach
dem Abschalten dieses Impulses wird die Spannung über einen
A/D-Wandler 7.6 gemessen,
die am Spannungsteiler zwischen Sensorheizer und Außenwiderstand 7.2 abgegriffen
wird. Ist die Spannung zu hoch, die Sensorheizer ist zu hochohmig,
also ist die Sensortemperatur zu hoch, wird die Anzahl der Heizimpulse
bei den nächsten
Perioden verringert. Sollte die Spannung zu klein sein, die Sensorheizer
ist zu niederohmig, also ist die Sensortemperatur zu niedrig, wird
die Anzahl der Heizimpulse bei den nächsten Perioden erhöht.
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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.
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8 verdeutlicht
die Temperaturverteilung an einem Sensor. Selbst wenn die Temperatur
des Heizelementes 8,2 absolut konstant wäre, kann
damit trotzdem keine konstante Temperatur der gassensitiven Schicht 8.3 unter
allen Umständen
erreicht werden, weil der Temperaturgradient zwischen der Lufttemperatur 8.4,
der vom Sensorsubstrat 8.1 abgestrahlten Wärme bzw. über Luftströmung an
die Luft abgegebene Wärme
extrem ist.
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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,
Ts < 350°C, feststellbar,
weiche typisch kleiner als der Sollwert ist.
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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 den in einer Atemschutzmaske zwangsläufig auftretenden
Luftbewegungen in der Nähe
des Sensorelementes verschärfen
sich die geschilderten Temperaturgradienten zwischen
- 1. dem auf konstante Temperaturen gehaltenem Heizer,
- 2. der sensitiven Schicht und der
- 3. Temperatur der Umgebungsluft.
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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.
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Erfindungsgemäß wird deshalb
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.
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Gase
gelangen in das so gebildete Sensorgehäuse durch eine semipermeable
Sperre oder Barriere, welche z.B. aus feinstkapillarem Kunststoff, Teflon,
gereckte Folien etc., oder aber aus einem Sinterkörper aus
Metall, Kunststoff oder Glas oder Keramik bestehen kann.
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Energie
transportierende Luftbewegungen durch die semipermeable Schicht
hindurch sind ausgeschlossen oder zumindest sehr stark eingeschränkt. Aufgrund
der unterschiedlichen Partialdrücke
innerhalb und außerhalb
der Sensorkavität
diffundieren Gase in die Kavität
hinein bzw. hinaus.
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6 zeigt
die erfindungsgemäße Ausbildung
des Gassensors: In einem kleinen Gehäuse 6.1 – bevorzugt
aus Metall – befindet
sich ein Gassensor-Element 6.2. Die Anschlussdrähte des
Sensorelementes 6.4 werden gasdicht durch den Gehäuseboden
geführt.
Bevorzugt erfolgt dies, indem die Anschlussdrähte in eine den Gehäuseboden
bedeckende Glasschicht 6.9 eingeschmolzen sind. Das Gehäuse ist
mit einem Mantel 6.8 umgeben, welcher das Gehäuse thermisch
isoliert.
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Nach
außen
ist das Gehäuse
durch eine Barriere 6.7 abgeschlossen. Diese Barriere ist
ebenfalls eine thermische Isolation und unterbindet jegliche Luftzirkulation.
Gase können
diese Barriere nach dem Diffusionsprinzip durchdringen.
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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.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass der Energiebedarf des Sensorelementes
durch den erfindungsgemäßen isothermischen
Aufbau des Gehäuses
sich erheblich verringern lässt,
was beim Betrieb mit Batterien von großer Wichtigkeit und Vorteilhaftigkeit
ist.
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Signalauswertung:
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Es
ist bekannt, Sensorsignale derart auszuwerten, dass die aktuellen
Signale des Sensors mit einem über
eine bestimmte Zeit ermittelten Mittelwerte der vergangen Sensorsignale
verglichen werden.
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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.
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9 verdeutlicht
diese Methode. Das aktuelle Sensorsignal 9.1 wird über eine
bestimmte Zeit gemittelt und mit einem konstanten Wert addiert,
so dass sich ein geringfügig
oberhalb des Sensorsignals liegendes Signal 9.2 ergibt.
Treten Ereignisse 9.3; 9.4 auf, die den Wert des
aktuellen Sensorsignals auf Werte oberhalb der Schwelle 9.2 verändert, wird
ein Signal 9.3; 9.4 ausgelöst.
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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.
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Vielmehr
wird beim Auftreten von plötzlichen Konzentrationserhöhungen oxidierbarer
Gase in der Umgebungsluft zuverlässig
ein Signal generiert.
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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
innerhalb der Atemschutzmaske, weil z.B. bei der Sättigung
des Filters dieser typisch nicht plötzlich seine Funktion verliert,
sondern die Abscheideleistung des Filters schleichend schlechter
wird.
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Auch
könnte
sich die Konzentration toxischer Gase sehr langsam erhöhen, was
auf jeden Fall detektiert werden muss.
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Die
in der 9 erläuterte
Methode kann daher nicht ohne weiteres angewandt werden.
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Erfindungsgemäß wird daher
vorgeschlagen, die Heizleistung durch eine zusätzliche Größe, nämlich zur Temperatur, zu beeinflussen.
Regelungstechnisch wird eine Störgrößen-Aufschaltung
vorgenommen.
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Die
erfindungsgemäße Idee
geht von der Beobachtung aus, dass Änderungen der elektrischen Parameter
der Sensor-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.
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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 erfindungsgemäße Lösung gilt insofern sinngemäß, wenn
auch invers, für
reduzierbare Gase.
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10 beschreibt
den Wirkungszusammenhang. Dabei ist 10.8 das Sensorsignal
ohne veränderte
Heizleistung 10.2. 10.3 ist die Heizleistung mit Störgrößenaufschaltung
und 10.4 ist das Sensorsignal, das sich mit beeinflusster
Heizleistung ergibt.
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Zu
Beginn hat der Sensor in Normalluft einen Sensorwert 10.a bei
einer Heizleistung von 10.b.
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Anschließend wird
der Sensor mit einem Gasimpuls beaufschlagt. Ohne Beeinflussung
der Heizleistung 10.2 kommt der Sensor nach Ende des Gasimpulses
erst nach längerer
Zeit auf den Ausgangswert zurück 10.8.
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Wird
dagegen die Heizleistung immer dann z.B. proportional im Sinne einer
Temperaturerhöhung nachgeführt 10.3,
wenn der Sensorwert sich vom Normalwert entfernt, kommt der Sensorwert
signifikant schneller auf den Normalwert 10.4 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 Verminderung
des Sensorwertes unabhängig von
der Anhebung der Sensortemperatur den gleichen Verlauf nimmt wie
eine ansonsten identische Versuchsabnordung ohne Temperaturnachführung.
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Wird
die Reaktion des Sensorwiderstands von z.B. einer Änderung
der Luftfeuchte oder einer Änderung
der Lufttemperatur verursacht, hat dies ohne Beeinflussung der Heizleistung
erheblichen und anhaltenden Einfluss auf den Sensorwert 10.5.
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Wenn
bei Beginn der Einwirkung die Heizleistung beeinflusst wurde, ist
der Veränderung
des Sensorwertes 10.6 nicht nur viel geringer, sonder auch
zeitlich deutlich kürzer.
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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.
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Da
entsprechend 7 sowohl Signalverarbeitung
als auch Heizungsregler von einem einzigen, im Sensorsystem integrierten
Mikroprozessor gesteuert werden, ist eine Kopplung der jeweiligen
Datenkreise relativ einfach.
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Das
vorteilhafte Ergebnis der 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.
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Wird
dieses Ergebnis einer Auswertung zugeführt, die ähnlich 9 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.
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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.
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Dabei
wird der erste Durchschnittswert aus 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 sehr lange Zeitpanne.
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Da
der Durchschnittswert prinzipiell genau auf der Linie des aktuellen
Sensorwertes liegen kann, wird vom errechneten Durchschnittswert
ein bestimmter Betrag abgezogen, um den sogenannten Referenzwert
zu bilden.
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Erfindungsgemäß ist der
in Abzug zu bringende Betrag der 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.
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Im
weiteren zeitlichen Verlauf wird der Betrag suczessive verkleinert,
so dass im eingeschwungenen Zustand sich der Referenzwert immer
mehr dem Sensorwert annähert.
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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.
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Es
wird weiter vorgeschlagen, die Berechnung des Durchschnittswertes
wieder in kürzeren Zeiträumen zu
berechnen, wenn eine gasinduzierte starke Sensorsignaländerung
eingetreten ist.
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Es
wird weiter vorgeschlagen, die Berechnung des Durchschnittswertes
für den
Zeitraum auszusetzen, wenn eine gasinduzierte Sensorsignaländerung
auftritt.
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Trotz
der geschilderten Maßnahmen
könnte der
tatsächliche
Gaspegel derartig langsam ansteigen, dass er langsamer als die Berechnung
des Durchschnittswertes erfolgt.
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Insofern
könnten
sich langsam erhebliche Gaskonzentrationen ausbilden, ohne dass
die vorstehend beschriebene Auslösebedingung
erfüllt
wäre, demnach
das aktuelle Sensorsignal einen kleineren Wert annimmt als der rechnerisch
ermittelte Referenzwert.
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Darum
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
dass für
den Referenzwert ein Minimalwert festgelegt ist und der Referenzwert
niemals kleiner werden kann als dieser festgelegte Minimalwert.
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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. Kommt es zu sprunghaften Änderungen
der Feuchte oder der Temperatur, wie es bei körperlicher Anstrengung des
Maskenträgers
auftreten kann, wird bei Einsatz der Lehre dieser Erfindung die
Auswirkung dieser Einflüsse
auf den Sensorwiderstand absolut kleiner und nur vorübergehend
sein.
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Trotzdem
kann es zu einer irrtümlichen
Signalauslösung
kommen, die dann ein unerwünschter Fehlalarm
wäre. Erfindungsgemäß wird daher
eine zeitlich versetzte Auswertung vorschlagen. Unter dem Sensor-Normpegel
liegt ein Referenzwert, wenn ein Gasimpuls den Sensorwert um einen
bestimmten Betrag verringert, wird der Referenzwert unterschritten.
Damit wird eine Art "stiller
Voralarm" ausgelöst. Erst,
wenn nach Ablauf einer vorgegeben Zeit des Voralarms immer noch
das Schaltkriterium erfüllt
ist, wird ein gültiges
Alarmsignal ausgelöst.
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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 Feuchteimpuls ähnlich 10.6,
wird es keinen Fehlalarm geben.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
die Zeitspanne des Voralarms nicht fest zu definieren, sondern als
Funktion der Schnelle der Sensorsignal-Änderung oder als Funktion des
absoluten Änderungsbetrages über die
Zeit aufzufassen.
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Wenn
also innerhalb einer festgelegten Zeitspanne eine sehr große Sensorsignaländerung
eingetreten ist, kann die Zeitspanne des Voralarms verkürzt werden.
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Dies
ist vorteilhaft, um bei tatsächlich
plötzlich
auftretenden großen
Gaskonzentrationen die Zeit bis zur Alarmauslösung so kurz wie möglich halten
zu können.
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Ein ähnliches
Ergebnis kann erreicht werden, wenn das Sensorsignal über einen
Zeitraum von z.B. 20sek. und über
einen Zeitraum von z.B. 300sek. Bemittelt wird.
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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%, Bemittelte Wert. (S1 + S2 + S3 + ... + Sn)/n – 0.98·(S1 + S2 + S3 + ... + S(10n))/(10·n) = Y
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Das
Schaltkriterium ist erreicht, wenn der Wert Y negativ wird.
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Häufig ist
es aber nicht sinnvoll zur Bildung eines Referenzwertes, lediglich
einen konstanten prozentualen Anteil vom Mittelwert abzuziehen,
da die Sensorkenn linie, d.i. das Sensorsignal in Abhängigkeit
von der Gaskonzentration, in der Regel nichtlinear ist.
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Für den Fall,
das der ohmsche Widerstand der gassensitiven Wirkschicht als Sensorsignal
verwendet wird, bedeutet dies, dass z.B. 10ppm (parts per million)
eines bestimmten Gases abhängig
vom Grundwiderstand der sensitiven Wirkschicht unterschiedliche
Widerstandsänderungen
bewirken. So ist z.B. bei niedrigem Grundwiderstand die durch 10ppm 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.
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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.
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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.