DE2007937C3

DE2007937C3 - Gasspürelement

Info

Publication number: DE2007937C3
Application number: DE2007937A
Authority: DE
Inventors: Tsutaharu Yao Osaka Takeuchi (Japan)
Original assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 1969-02-22
Filing date: 1970-02-20
Publication date: 1975-08-07
Also published as: FR2035655A5; DE2007937A1; US3603954A; DE2007937B2; JPS4820080Y1

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

937

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 relati^v 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

9η η? Patentansprüche:

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.