DE2007937C3 - Gasspürelement - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Gasspürelement, bei welehern
an einem Träger aus hitzebeständigem Isolierstoff zwei spulenförmige Metallelektroden angeordnet
sind, die gemeinsam mit dem Träger von einem sie kontaktierenden Metalloxid-Halbleiterkörper umgeben
sind.
Derartige Gasspürelementt werden zur Alarmauslösung
bei Explosionsgefahr oder zur Feststellung von bei Bränden entstehendem Kohlenmonoxid zur Feueralarmauslösung
verwendet. Es ist festgestellt worden, daß eine bestimmte Art von Metalloxid-Halbleitern bei
Erwärmung eine feststellbare Veränderung des elektrischen Widerstandes zeigt, wenn sie mit brennbarem
Gas in Berührung kommt. Ein diese Erscheinung ausnutzendes Gasspürelement kann so aufgebaut werden,
daß zwei Elektrodendrähte spiralförmig in gleichem Abstand parallel auf einen Zylinderkörper aus hitzebeständigem
Isoliermaterial aufgewickelt werden und diese Elektrodendrähte einschließlich der Oberfläche des
Wickelkörpers mit einer Metalloxid-Halbleiterschicht überzogen werden. Bei einem solchen Aufbau sind jedoch
die Eigenschaften des fertigen Elementes nicht gleichförmig, weil sich die Drähte während der Montagearbeiten
verschieben. In besonders krassen Fällen können die Drähte sogar sich gegenseitig berühren
oder vom Wickelkörper herunterrutschen. Die Vermeidung solcher Fehler erfordert eine sehr aufwendige
und mühselige Montage. Um beispielsweise ein Verschieben der Drähte zu vermeiden, kann man die Drähte
mit einem glasartigen Bindemittel auf der Oberfläche des Wickelkörpers befestigen. Hierbei ist es jedoch
nachteilig, daß das Bindemittel dazu neigt, die Drähte ganz oder teilweise zu umgeben, so daß ein guter elektrischer
Kontakt zwischen den Drähten und dem Metalloxid-Halbleiter nicht erreicht wird.
Aus dem Buch »Messen und Regeln in der Chemisehen Technik« von Hengstenberg-Sturm-Winkler,
2. Auflage, Springer-Verlag 1964, S. 656 und 657, sind Leitfähigkeitsmeßzellen für die relative
Feuchte bekannt, die entsprechend der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaut sind. Eine Variante, bei
welcher die Gefahr von Verschiebungen der Drahtwendeln nich gegeben ist, besteht gemäß dieser Literaturstelle
darin, daß auf einem Kunststoffplättchen
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kammartig ineinandergreifende Elektroden aufgedruckt sind, die mit einer feuchtigkeitsempfindlichen
Schicht bedeckt werden, wobei dann der zwischen den FJektroden meßbare Widerstand von der relativen
Feuchte der Umgebung abhängig ist. Jedoch eignet sich eine derartige Ausbildung nicht für bei erhöhter Temperatur
betriebene Gasspürelemente, da sich die aufgedrückten
Elektroden von ihrer Unterlage lösen wurden. Wollte man sie, um dies zu vermeiden, mit einem Bindemittel
fixieren, so müßte dies die Elektroden selbst bedecken, und dadurch würde der elektrische Kontakt
zu der gasempfindlichen Umhüllungsschicht in Frage gestellt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung des Aufbaus von Gasspürelementen der eingangs
erwähnten Art in dem Sinne, daß ihre Charakteristika gleichförmiger werden und ihre Herstellung erleichtert
wird. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch gekennzeichnet.
Bei dieser Ausführung sind die Elektroden nur teilweise an dem Isolierblock befestigt, und selbst wenn
das Bindemittel die Elektroden an diesem Befestigungsbereich umgibt, ist ein guter elektrischer Kontakt zwischen
dem anderen Elektrodenbereich und dem Halbleitermaterial gewährleistet. Da ferner der Abstand
zwischen den Elektroden konstant gehalten wird, stimmen
die fertigen Erzeugnisse auch in ihren Eigenschaften gut überein.
Die spulenförmigen Elektroden werden während der Herstellung an dem Isolierblock befestigt und verändern
ihren gegenseitigen Abstand im Verlaufe späterer Behandlungsverfahren nicht, so daß sich die Herstellung
im ganzen wesentlich vereinfacht. Die Befestigung der Spulenelektroden am Isolierblock mit dem Bindemittel
und das Ausheizen des Halbleitermaterials läßt sich sehr einfach durchführen, indem man die Elektroden
des zusammengebauten Elements von einem Strom durchfließen läßt, so daß sie aufgeheizt werden.
Eine komplizierte Behandlung in einem Heizofen, wie sie für derartige Befestigungsvorgänge bisher notwendig
war, kann daher entfallen.
Die Erfindung gestattet ferner eine einfachere Befestigung
des Gasspürelements. Da die Wärmeofenbehandlung entfallen kann, braucht auch kein wärmefester
Sockel vorgesehen zu werden. Vielmehr kann ein billiger Kunstharzsockel Verwendung finden, und zum
Abdichten zwischen Kappe und Sockel kann ein übliches organisches Bindemittel dienen. Auf diese Weise
werden die Herstellungskosten beträchtlich gesenkt.
Bei einer Schaltung unter Verwendung des Gasspülelemems wird einer der beiden Spulenelektroden ein
Heizstrom von einer Sekundäranzapfung eines Autotransformators zugeführt, so daß die Elektrode auf eine
geeignete Temperatur unterhalb der bei der Herstellung angewandten Temperatur erwärmt wird. Eine solche
geeignete Temperatur liegt im Bereich zwischen ς0
und 300°C. Die Primärspannung des Transformators liegt über eine Alarmhupe an den beiden Elektroden.
Wenn kein brennbares Gas sich in der Umgebungsluft befindet, dann ist der durch das Halbleitermaterial des
Gasspürelements fließende Strom gering und reicht nicht aus, um die Hupe in Tätigkeit zu setzen. Wenn
jedoch der Anteil an brennbarem Gas in der Luft eine bestimmte Grenze überschreitet, dann steigt der das
Halbleitermaterial des Elements durchfließende Strom, so daß die Hupe in Betrieb gesetzt wird. Die Hupe ist
so ausgebildet, daß sich der Spalt zwischen den Magnetpolen
und dem Vibrator justieren läßt, so daß der Schwellwert für das Ansprechen der Hupe einstellbar
ist. Auf diese Weise läßt sich die Anspreci empfindlichkeit der gesamten Anlage trotz unvermeidbarer Abweichungen
der Charakteristik der tJasspürelemente und der Sekundärspannung des Autotransformators auf
einen bestimmten Wert einstellen.
Das Gehäuse, in welches das Gasspürelement eingebaut wird, IaQ; sich so ausbilden, daß es einen Hauptbehalter
zur Aufnahme der Alarmschaltung und einen glockenförmigen Resonator aufweist, welcher von
einer Seitenfläche des Hauptbehälters nach hinten ragt Der Hauptbehälter ist mit der Glocke durch einen Verbindungsschliiz
verbunden, so daß die Luft durch diesen Schlitz zu dem im Hauptbehälter befindlichen Gasspürelement
gelangen kann. Der glockenförmige Resonator erlaubt die Verwendung einer relativ schwach tönenden
Hupe, welche unmittelbar von dem Gasspürelement angesteuert werden kann und deren Ton durch
den Resonator genügend verstärkt wird. Durch den Resonator kann außerdem die Netzleitung geführt
werden, welche den Strom für die im Inneren des Hauptbehälters befindliche Alarmschaltung liefert.
Die Erfindung ist im folgender, an Hand der Darstellungen
von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Spürelements für brennbare Gase,
F i g. 2 einen Querschnitt durch das in F i g. 1 dargestellte Gasspürelement.
F i g. 3 eine teilweise aufgebrochene Darstellung einer bevorzugten Montageanordnung für das in
F i g. 1 dargestellte Element,
F i g. 4 eine elektrische Schaltung für den Betrieb des Elements,
F i g. 5 eine Draufsicht auf die Grundplatte, auf welcher die Schaltung nach F i g. 4 aufgedruckt ist,
F i g. 6 eine Seitenansicht einer in Verbindung mit dem Gasspürelement verwendbaren Hupe,
F i g. 7 bis 9 ein zur Aufnahme der in F i g. 5 dargestellten Anordnung geeignetes Gehäuse in Frontan-
> .ht. perspektivischer Ansicht von vorn und perspektivischer
Ansicht von hinten und
F i g. 10 einen Schnitt längs der Linie 10-10 in F i g. 5 zur Veranschaulichung der Anordnung der Teile bei
geschlossener Abdeckkappe des Gehäuses.
Das Spürelement für brennbare Gase enthält gemäß F i g. 1 und 2 zwei Spulen 1 und 2 aus Metalldrähten,
beispielsweise aus Platin, Palladium oder einer Platin-Iridiumlegierung, weiche auch bei hohen Temperaturen
oxidationsfest ist. Diese Spulen werden in nutenartige Einschnitte 4 und 5 in zwei gegenüberliegenden Flächen
eines Blockes 3 aus einem hitzefesten hochisolierenden nichtorganischen Oxidblock, wio beispielsweise
AI2O3, S1O2 oder BeO, aufgenommen und an bestimmten
Bereichen an die Flächen der Einkerbungen 4 und 5 des Blockes 3 mit Hilfe eines anorganischen hochschmelzenden Bindemittels 6 und 7 von glasartiger
Substanz festgelegt, so daß sie parallel zueinander angeordnet sind. Das Bindemittel kann aus einer festen
Lösung Na2O und einer oder mehreren der nachstehenden
Verbindungen K2O, CaF2, AI2O3, Ba2U3 und
S1O2 bestehen. Die Spulen 1 und 2 werden von dem Bindemittel 6 und 7 nur zum Teil umgeben, während
die übrigen Spulenbereiche frei bleiben. Der Block 3 und die Spulen 1 und 2 werden dann gemeinsam mit
einem Metalloxid-Halbleitermaterial 8 umgeben, wel-
ches bei hoher Temperatur auf brennbares Gas reagiert, und die dabei entstehende Einheit erhält ein
blockförmiges Äußeres. Die von den beiden Endflächen des Halbleitermaterialblocks gerade wegragenden beiden
Enden der Spulen 1 und 2 diener, als Anschlußdrähte 9,10,11 und 12.
Als Metalloxid-HaiWeitermaterial lassen sich beispielsweise
SnO2, ZnO, Nb2Os, Ta2O3, T1O2 und Fe2Oj
verwenden. Wenn ein derartiges Halbleitermaterial auf 50 bis 300° C erhitzt wird und in Berührung mit einem
brennbaren Gas kommt, dann nimmt das Gas Sauerstoffionen von dem Halbleitermaterial auf, welche dieses
oxidieren, so daß das Gleichgewicht zwischen Kationen und Anionen im Halbleitermaterial gestört wird
und sich sein Widerstand stark verändert
Das Halbleiterelement wird in den folgenden Verfahrensschritten hergestellt. Zunächst werden die Drahtanschlüsse
9,10,11 und 12 der Spulen 1 und 2 zwischen
vier Halterungen 13, 14, 15 und 16 befestigt, die auf einem Sockel aus Plastik- oder einem anderen elektrisch
gut isolierenden Material aufgerichtet sind, festgelegt, so daß die Spulen parallel in einem vorbestimmten
Abstand gespannt sind. Anschließend werden die Oberflächen der Einkerbungen 4 und 5 mit einem hochschmelzenden
Bindemittel 6 und 7 versehen, und der Block 3 wird zwischen den Spulen 1 und 2 angeordnet,
so daß die Spulen in den Einkerbungen 4 und 5 liegen. Dann läßt man einen Strom zwischen den Trägern 13
und 14 und zwischen den Trägern 15 und 16 fließen, so daß die Spulen 1 und 2 erwärmt werden und ihrerseits
das hochschmelzende Bindemittel zum Schmelzen bringen, wobei die Spulen 1 und 2 in den Einkerbungen des
Blockes 3 befestigt werden. Dann werden die Spulen 1 und 2 und der Block 3 als Ganzes mit einem nicht gesinterten
Material umhüllt, welches aus einem gasempfindlichen Oxid besteht, dann läßt man wiederum einen
Strom durch die Spulen fließen, damit das gasempfindliche Oxid sintert und das Gasspürelement auf diese
Weise fertiggestellt wird. Wenn der Heizstrom des Elements im späteren Gebrauch im Vergleich zu der bei
der Herstellung angewandten Stromstärke genügend klein ist, dann besteht keine Gefahr, daß das Bindemittel
oder das Oxidmaterial während des späteren Gebrauches etwa schmilzt.
F i g. 3 veranschaulicht eine geeignete Halterung für das Gasspürelement. Sie besteht aus einem Plastiksokkel
17, durch welchen Träger 13, 14, 15 und 16 hindurchragen. Die unten durch den Sockel hinausragenden
Enden der Träger bilden die Kontaktstifte für die äußeren Anschlüsse. Ein zylindrisches Metallgitter 18
ist an seinem oberen Ende durch eine Metallkappe 19 verschlossen. Der obere Teil des Sockels hat einen Abschnitt
20 etwas geringeren Durchmessers als der untere Teil 21. Das Maschengitter 18 umgibt mit seinem
unteren Ende den Teil 20 und sitzt in einer Nut 22 auf, welche am Übergang zwischen den beiden Teilen 20
und 21 des Sockels 17 gebildet wird. Das Maschengitter ist dort mit Hilfe eines organischen Bindemittels befestigt.
F i g. 4 zeigt eine geeignete elektrische Schaltung für das Gasspürelement. Die Klemmen 23 sind über ein
Netzkabel 24 (s. F i g. 5) an eine Wechselstromquelle von etwa 100 oder 200 V angeschlossen. Die Stromklemmen
23 sind über eine Sicherung 25 mit der Primärwicklung eines Autotransformators 26 verbunden;
parallel zur Primärwicklung liegt die Reihenschaltung einer zur Kontrolle dienenden Gasentladungsröhre 27
mit einem Stabilisierungswiderstand 28. Eine d_er Spu-,
len 30 des Gasspürelements 29 ist zwischen einen Endanschluß
31 des Autotransformators und seine Sekundäranzapfung 32 geschaltet, an der eine relativ niedrige
geeignete Spannung abgegriffen wird, während die andere Spule 33 des Gasspiirelements 29 mit ihren beiden
Enden zusammengeschaltet und über eine Hupe 34 an das andere Ende 35 des Transformators angeschlossen
ist. Wenn die Stromquelle eine relativ hohe Spannung, beispielsweise 200 V, liefert, dann kann die Hupe 34 an
eine getrennte Sekundäranzapfung angeschlossen werden, welche eine höhere Spannung als die Anzapfung
32 des Autotransformators liefert. F i g. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine gedruckte Schaltungsplatte 36, auf
welcher die in Fig.4 dargestellte Schaltung realisiert
ist, indem die Schaltungsverbindungen auf die Rückseite der Platte 36 aufgedruckt sind. Zur Befestigung der
Platte im Gehäuse dienen Schraubenlöcher 37 und 38.
Wenn bei dieser Schaltung die Klemmen 23 an die Wechselspannungsquelle angeschlossen werden, dann
leuchtet die Neonentladungsröhre 27 auf, und zur gleichen Zeit wird die Spule 30 des Gasspürelements 29
von einem Strom durchflossen und heizt das Element auf eine Temperatur zwischen 50 und 3000C auf.
Gleichzeitig liegt eine relativ hohe Wechselspannung zwischen den Spulen 30 und 33 über die Hupe 34 an,
wenn jedoch die Umgebungsluft kein brennbares Gas enthält, dann ist der zwischen den Spulen 33 und 30
fließende Strom zu schwach, um die Hupe 34 zum Tönen zu bringen. Enthält die Luft ein entflammbares
Gas, dann fließt jedoch ein relativ großer Strom zwisehen den Spulen 30 und 33, und die Hupe tönt und
meldet somit das Vorhandensein von brennbarem Gas.
Die Hupe ist so eingerichtet, daß Abweichungen der Charakteristik des Gasspürelements 29 und der Sekun
därspannung des Autotransformators sich kompensieren lassen und die Alarmauslösung sich auf eine vorbeslimiviie
Konzentration von brennbarem Gas einstellen läßt
F i g. 6 zeigt die Hupe 34. Ein Eisenkern 4!, auf den
eine Magnetspule 39 aufgewickelt ist. ist an einem Joch 40 in Richtung auf dessen eines Ende verschoben montiert,
während am anderen Ende des Joches 40 eine Membran 42 in Form einer dünnen Eisenplatte angebracht
ist Das Joch 34 ist hoch- und zurückgebogen, und am umgebogenen Teil ist die Membran 42 mit HiI-fe
von Schrauben 43 und 44 angeschraubt, während ihr freies Ende der Endfläche des Eisenkerns 41 mit einem
kleinen Luftspalt gegenüberliegt. Der Luftspalt läßt sich mit Hilfe einer Justierschraube 45 verstellen, welche
in der Nähe des Befestigungsendes der Membran 42 angeordnet ist und deren spitzes Ende gegen die
Grundfläche des Joches 40 anliegt Beim Drehen der Justierschraube 45 verändert sich der Abstand zwischen
der Membran 42 und dem Eisenkern 41, wobei sich auch die Empfindlichkeit der Hupe, oder anders
ausgedrückt, der minimale Magnetisierungsstrom, welcher zum Ansprechen der Hupe erforderlich ist, verändert.
Die Hupe läßt sich damit so justieren, daß Abweichungen in den Eigenschaften des Gasspürelements 29
und der Sekundärspannung des Transformators ausgeglichen werden und sich sämtliche Geräte auf eine gewünschte
— gleiche — Empfindlichkeit einstellen lassen. Diese Justierung ist sehr einfach, weil sie nur mit
Hilfe einer einzigen Stellschraube durchgeführt wird.
Die F i g. 7 bis 10 zeigen ein geeignetes Gehäuse für
das Gasspürgerät. In der Rückfläche eines Hauptbehälters
46 befindet sich eine öffnung, die durch eine Abdeckung 47 verschließbar ist; an einer geeigneten Stelle
enthält die Vorderseite ein durchsichtiges rotes Anzeigefenster 48. Von der Mitte der Umfangsfläche des
Hauptbehälters 46 ragt ein ebener Flansch 49 nach außen, und vom Umfang des Flansches 49 verläuft ein
glockenartiger Teil 50 nach hinten und endet etwa in derselben Ebene wie die Oberfläche des Deckels 47. An
einer Ecke der Seitenfläche des Haupibehälters 46, von
welchem der Flansch 49 wegragt, öffnet sich ein Spalt 51 zum Inneren. Innerhalb des Hauptbehälters 46 wird
eine Spürkammer 53 eine Trennwand 52 an derjenigen Kante gebildet, an welcher sich der Spalt 51 befindet,
und die Trennwand 52 ist etwas weniger hoch als die Seitenwand des Hauptkörpers. In dieser Ecke und einer
an die erste Ecke angrenzenden Ecke sind Schraubenlöcher 54 und 55 vorgesehen. An einer geeigneten Stelle
der rückwärtigen Kante der Seitenwand des Hauptbehälters ist ein Ausschnitt 56 vorgesehen. Beispielsweise
werden der Hauptbehälter 46, der Flansch 49 und der glockenförmige Teil 50 in einem Stück aus einem
festen, aber nachgiebigen Material, wie Acrylobutadien-Stylol-Harz
(ABC-Harz), hergestellt. Der Deckel 47 kann aus dem gleichen Material bestehen und eine
Druckrippe 47 nahe der Umfangskante an seiner Innenoberfläche
haben. Ferner kann er mit einer druckempfindlichen Klebstoffschicht 58 auf seiner Rückfläche
versehen sein und an gegenüberliegenden Ecken — nicht dargestellte — Schraubenlöcher entsprechend
den Schraubensitzen 54 und 55 haben.
Der gemäß F i g. 5 verschaltete Aufbau wird von der Rückseite her in den Hauptbehälter 46 eingesetzt, wie
es F i g. 10 darstellt, dann wird der Deckel 47 aufgesetzt und mit Hilfe der Schrauben 59 und 60 gemäß F i g. 9
festgeschraubt. Dann wird das Spürelement 29 in die Spürkammer 53 eingesetzt und die Glimmlampe 27
hinter dem Anzeigefenster 48 angeordnet. Die Schaltungsplatte 36 wird an ihrer Vorderfläche durch die
Trennwand 52 und die Schraubensitze 54 und 55 gehalten, gegen ihre Rückseite drückt die Druckrippe 57 des
Deckels. Das Anschlußkabel 24 ragt durch den ausgeschnittenen Teil 56 nach außen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Gasspürelement, bei welchem an einem Träger aus hitzebeständigem Isolierstoff zwei spulenförmige
Metallelektroden angeordnet sind, die gemeinsam mit dem Träger von einem sie kontaktierenden
Metalloxid-Halbleiterkörper umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (3)
in zwei gegenüberliegenden Flächen jeweils eine Nut (4, 5) mit kreisbogenförmigem Profil aufweist
und daß die beiden spulenförmigen Elektroden (1,2) in diesen Nuten liegen und dort mittels eines hochschmelzenden Bindemittels befestigt sind.
2. Gasspürelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß von jeder Elektrode (1,2) jeweils zwei Anschlüsse (9, 10, 11, 12) aus dem Halbleiterkörper
(8) herausragen und daß das Element mit diesen vier Anschlüssen zwischen vier Anschlußstiften
(13,14,15.16) aufgehängt ist.
Applications Claiming Priority (1)
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