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Gas spürgerät Die Erfindung betrifft ein Spürgerät für Gase und Rauch
unter Verwendung eines Metalloxid-Halbleiter-Elementes, dessen spezifischer Widerstand
sich unter Einwirkung entflammbarer Gase wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Alkoholdampf
und Benzindampf, und von Rauch nennenswert ändert.
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Es ist ein Spürelement für Gase und Rauch bekannt, welches die Anderung
des spezifischen Widerstandes eines Platindrahtes mit einem Temperaturanstieg ausnutzt0
Hierbei ist jedoch eine genaue Temperaturkompensation des Platindrahtes erforderlich,
und es wird ein mehrstufiger Verstärker benötigt, welche die geringe Anderung des
spezifischen Widerstandes bei der Feststellung von Gasen und Rauch auswertbar macht.
Dieses bekannte Gasspürgerät ist daher recht kompliziert und teuer, so daß es sich
praktisch nicht in großem Stil hat einführen können.
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Ein anderes Gerät zur Aufspürung insbesondere von Kohlenmonoxid verwendet
die Dunkelfärbung einer Paladiumchloridlösung infolge der reduzierenden Wirkung
des Kohlenmonoxids, und diese Dunkelfärbung wird durch eine Photozelle festgestellt.
Da bei dieser Vorrichtung jedoch das Wasser ständig verdampft, muB der Wasserstand
ständig überwacht und das Wasser ergänzt werden. Wenn das Gerät einmal in Tätigkeit
getreten ist, dann läßt es sich nicht ohne weiteres wieder verwenden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung dieser Nachteile
bekannter Gasspürgeräte und in der Schaffung eines Gasspürgerätes außerordentlich
hoher Empfindlichkeit gegenüber Gasen und Rauch und sehr einfachen Aufbaus bei wiederholter
Verwendungsfähigkeit.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Gasspürgerät
mit einem Körper aus einem Metalloxid-Halbleiter-Material, welches unter Einwirkung
von reduzierenden Gasen in der Luft seine elektrische Leitfähigkeit verändert, ferner
mit einem Paar an den Körper angebrachten Elektroden zum Anlegen einer Spannung
an mindestens einen Teil des Körpers und mit einem Heizer zum Erwärmen des Körpers
zur Beschleunigung seiner Leitfähigkeitsänderung. Der durch den Körper fließende
Strom ist von der Leitfähigkeit abhängig und wird zur Auslösung eines Alarms herangezogen,
wenn eine Anderung des spezifischen Widerstandes des Körpers eintritt.
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Die Erfindung ist im rolgenden anhand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine graphische Darstellung der GasspUrempfindlichkeit
eines nach der Erfindung verwendeten Halbleiterelementes für verschiedene Temperaturen;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5 einen Schnitt
längs der Linie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsforin
der Erfindung; Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 der Fig. 4; Fig. 6 bis 8
teilweise geschnittene Darstellungen dreier weiterer Aus führungs formen der Erfindung;
Fig. 9 eine sechste Ausführungsform der Erfindung und Rig. 10 ein Diagramm zur Erläuterung
des Betriebes des in Fig. 9 dargestellten Gasspürelementes.
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In Fig. 1 ist der spezifische Widerstand eines SnO2 SpUrelementes
eines Oasspürgerätes nach der Erfindung über der Konzentration von Isobutan in Luft
für verschiedene Temperaturen des Elementes aufgetragen. Die Neigung der Kurven
ist ein Maß RUr die Empfindlichkeit des Elementes. Die Zeichnungen lassen deutlich
erkennen, daß die Spürempfindlichkeit sich unregelmäßig und diskontinuierlich mit
der Gaskonzentration bei niedriger Temperatur
wie 60 0C und bei
hoher Temperatur wie 550 OG ändert. In einem solchen -unstabilen- Zustand kann das
Gasspürelement nicht verwendet werden. Jedoch verlaufen die Kurven in einem Temperaturbereich
zwischen 150-und 250 0C einigermaßen gleichförmig und kontinuierlich, so daß das
Spürelement in diesem Temperaturbereich verwendet werden sollte. Aus diesem Grund
wird das- erfindungsgemäße Gasspürelement mit einem Heizer versehen.
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Die Fig. 2 und 5 veranschaulichen eine erste Ausführungsform der
Erfindung. Man erkennt ein Isolierrohr 2 aus beispielsweise einem Keramikmaterial.
Die Dicke der Wandung dieses Rohres ist vorzugsweise so gering, wie es aus Gründen
der mechanischen Festigkeit gerade noch zu vertreten ist. Auf der Oberfläche des
Mittelteiles des Isolierrohres 2 befindet sich-ein ringförmiger Metalloxid-Halbleiterkörper-10.
Das Material dieses Körpers kann beispielsweise Sn02, also ein n leitendes Halbleitermaterial,
sein.
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Die Sn02 Schicht kann ringförmig um das Isolierrohr herum gemäß Fig.
5 angeordnet werden, in dem sie herumgepreßt, gesintert oder als Materialsuspension
in einem geeigneten Medium aufgepinselt wird0 Gegebenenfalls kann alternativ auch
ein dünner Film von SnO2 verwendet werden.
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Auf beiden Flächen des Metalloxid-Halbleiterkörpers 10 werden Metallelektroden
61 und 62 abgelagert, welche dem elektrischen Kontakt dienen. Diese Ablagerung kann
beispielsweise in Form eines Dampfniederschlages erfolgen. Mit diesen Metallelektroden
61 und 62 sind Zuleitungen 81 und 82 verbunden, und ein schraubenförmiger Heizer
12 wird durch das Isolierrohr 2 geführt. Der Heizer 12 kann gerade sein, wenn das
Isolierrohr nur einen kleinen Innendurchmesser hat.
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Bei diesem Gasspürelement sind die Zuleitungen 81 und 82 beispielsweise
mit einer Hupe 14 in Reihe an eine elektrische Leitung geschaltet. Gleichzeitig
wird dem Leiter 12 eine geeignete Spannung zugeführt, infolge deren der Metalloxid-Halbleiterkörper
10 auf 150 bis 250 0C erwärmt wird.
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Wenn sich das Gasspürelement in normaler Luft befindet, dann beträgt
der Widerstand des Metalloxid-Halbleiterkörpers 10 etwa 500 kO. In diesem Falle
gibt die Hupe 14 keinen Alarm, da nur ein
sehr geringer Strom durch
sie fließt. Enthält die Luft dagegen etwa 1 % Leuchtgas, dann fällt der Widerstand
des Körpers 10 auf etwa 1,2 kO, und die Hupe gibt Alarm. Wenn die Konzentration
des Leuchtgases auf ca. O % abfällt, dann steigt der Widerstand des Metalloxid-Halbleiterkörpers
10 innerhalb kurzer Zeit, zwischen wenigen Sekunden und einigen Minuten, wieder
auf die ursprUnglichen 500 k;o.
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Das Metalloxid-Halbleiter-Material, welches den Körper 10 bildet,
kann n leitend sein, beispielsweise ZnO, Je205, Ti02, V205, Min02, WO5, ThO2, Moos,
0d0 oder PbCrO4 außer den SnO2 bei der vorbeschriebenen Aus führungs form. Auch
andere Gase wie H2, CO, C2H2J CH4 C2H5OH, C5H8 und C4H10 und Rauch werden ebenso
wie Leuchtgas aufgespUrt. Anhand des Beispiels SnO2 si nun erläutert, weshalb sich
die Leitfähigkeit derartiger n leitender Metalloxid-Halbleiter wie SnO2, ZnO, Je205
usw. unter Einwirkung der genannten Gase vergrößert. SnO2 ist ein n leitender Halbleiter,
dessen elektrische Leitfähigkeit hauptsächlich durch seine freien Elektronen bestimmt
wird. Wenn eines der erwähnten Gase auf SnO2 Kristalle einwirkt, dann läuft im Kristall
die folgende Reaktion ab, wenn das Gas reduzierend ist.
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SnO2- SnO + 0 + 2e (e : freies Elektron) Der frei gewordene Sauerstoff
tritt aus dem Kristall aus und läßt die Elektronen der Ionenbindung i Kristall.
Auf diese Weise entsteht im Kristall eine Anzahl freier Elektronen, so daß die elektrische
Leitfähigkeit ansteigt. Entsprechend diesen experimentellen Ergebnissen hat sich
herausgestellt, daß die Leitfähigkeitsänderung des SnO2 nur von der Konzentration
des Gases aber fast nicht von der Einwirkungszeit der dieses Gas enthaltenden Atmosphäre
abhängt. Die Leitfähigkeitsänderung der anderen Materialien wie ZnO und Fe2O5 beruht
auf dem gleichen Prinzip.
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Der Halbleiterkörper 10 kann ebenso aus einem p leitenden Metalloxid-Halbleiter
bestehen. Beispiele hierfür sind Cr203, Mo02, 000 und NiO. Wenn diese p leitenden
Metalloxid-Halbleiter-Materialien erwärmt werden, dann adsorbieren sie überschüssigen
Sauerstoff aus der Luft und bilden eine Anzahl von Defekt-Elektronen im Kristall,
so daß sie auf diese Weise eine hohe Leitfähigkeit
zeigen. Wenn
jedoch der p leitende Halbleiter mit den erwähnten reduzierenden Gasen oder mit
Rauch in Berührung kommt, dann entsteht im p leitenden Halbleiterkristall freier
Sauerstoff, wobei viele Elektronen freigesetzt werden. Diese freien Elektronen kompensieren
die Defekt-Elektronen, so daß der spezifische Widerstand des Halbleiters plötzlich
ansteigt.
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Verwendet man einen solchen p leitenden Halbleiter, dann muß man
die Hupe 14 durch ein Relais ersetzen und die Alarmschaltung mit einem Ruhekontakt
des Relais verbinden. Wenn dann in der Luft ein reduzierendes Gas oder Rauch festgestellt
wird, sinkt der Strom durch die Spule des Elektromagneten unter den Haltewert, so
daß der Ruhekontakt geschlossen wird und ein Alarm ausgelöst wird.
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Verwendetman einen solchen p leitenden Halbleiter, wobei wie gesagt
das Relais im Ruhezustand anzieht, dann ist der Stromverbrauch im Vergleich zur
Verwendung eines n leitenden Halbleiters beträchtlich höher, jedoch wird bei einer
Störung, wie einer Leitungsunterbrechung, ebenfalls Alarm gegeben, so daß diese
Unterbrechung gemeldet wird.
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In den Fig. 4 und 5 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Gasspürelementes dargestellt. An einem Isolierstab 16, beispielsweise aus Keramik,
sind drei Elektroden 18, 20 und 22 angebracht. Zwischen den Elektroden 18 und 20
ist eine dünne Schicht 24 aus einem n leitenden oder p leitenden Metalloxid-Halbleiter
vorgesehen. Eine Heizwicklung 26 ist zwischen die Elektroden 20 und 22 gewickelt
und mit ihnen verbunden.
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Wenn die dünne Halbleiterschicht im vorliegenden Beispiel n leitend
ist, dann ist die Elektrode 18 über eine Hupe 14 an einen Anschluß der Sekundärwicklung
eines Transformators 28 und die Elektrode 20 unmittelbar an den anderen Anschluß
der Sekundärwicklung angeschlossen. Die Elektrode 22 ist mit einem dritten Anschluß
der Sekundärwicklung des Transformators 28 verbunden.
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Bei Verwendung eines p leitenden Halbleitermaterials für die dünne
Schicht 24 wird die Hupe 14 durch ein Relais ersetzt. Die Primärwicklung des Transformators
28 ist an eine Versorgungsleitung angeschlossen, so daß ein Strom durch den Heizer
26 fließt, wodurch die Halbleit-erschicht 24 auf die gewünschte Temperatur erhitzt
wird.
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Das Gasspürelement nach dieser Aus fUhrungs form löst auch einen
Alarm aus, wenn die Konzentration der oben erwähnten Gase wie H2, CO, C2H2, CH4
und Rauch in der Luft huber einem vorbestimmten Wert liegt. Da die Funktionsweise
die gleiche wie bei der ersten Ausführungsform ist, brauchen hier weitere Einzelheiten
nicht angeführt zu werden.
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Fig. 6 veranschaulicht eine dritte Aus führungs form des erfindungsgemäßen
Gasspürgerätes. Eine Isolierplatte 40, beispielsweise aus Keramikmaterial, besitzt
eine Elektrode 42 aus einem geeigneten spulenförmigen Leiter, die auf eine ihrer
Flächen mit einem Schmelzglas 44 befestigt ist. Die Elektrode 42 hat eine Zuführungsleitung
46. Ein Spiralheizer 48 aus Pt, Pd, Au, Ag, Nichrom oder dgl. oder einer entsprechenden
Legierung ist in gleicher Weise mit Glas 50 an der anderen Fläche der Isolierplatte
40 befestigt. Der Heizer 48 hat Zuführungsleitungen 52 und 54. Mit 56 ist ein p
oder n leitender Metalloxid-Halbleiter bezeichnet, der sphärisch um die Isolierplatte
40 als der Spürkörper angeordnet ist.
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Bei dieser Ausführungsform des Gasspürelementes sind die Zuleitungen
46 und 52 in Reihe mit einer Hupe 14 oder einem Alarmrelais und einer Stromquelle
58 geschaltet, und zwischen die Leiter 52 und 54 ist eine Heizstromquelle 60 geschaltet.
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Wenn die Konzentration des reduzierenden Gases, wie H2, CO, C2H2 oder
CH4, oder Rauch in der Luft bis zu einem bestimnten Ausmaß ansteigt, dann erhöht
sich die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters 56 plötzlich im Falle eines n
leitenden Materials, oder sie fällt im Falle eines p leitenden Materials ab. Der
von der Stromquelle 58 huber die Hupe 14, die Zuleitung 46, die Elektrode 42, den
Halbleiter 56, den Heizer 48 und die Leitungen 52 und 54 wieder in die Stromquelle
58 zurückfließende Strom verändert sich damit, und die Hupe 14 kann Alarm geben.
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Bei einer vierten Aus führungs form des Gasspürgerätes,nach Fig.
7, ist eine Metallelektrode 70 durch Aufdampfen oder Aufbrennen auf eine Fläche
einer Isolierplatte 40 ausgebildet, und mit ihr ist ein Leiter 46uarbunden. Der
übrige Aufbau und die Funktionsweise entspricht dem Gasspürgerät nach Fig. 6.
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Eine fUnfte Ausführungsform ist in Fig0 8 dargestellt, welche sich
insbesondere für Gasspürgeräte sehr kleiner Abmessungen eignet. EIN kugelfbrmiger
Métalloxid-Halbleiterkörper 66 mit einem Durchmesser von einem Millimeter oder geringer
ist mit einem einfachen geradlinigen Heizer 68, welcher ihn durchsetzt, und einer
eingefügten geradlinigen Elektrode 74 versehen. Die Zuleitungen für den Heizer 68
sind mit 52 und 54, die Zuleitung für die Elektrode 74 ist mit 46 bezeichnet. Im
dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zuleitungen 46, 52 und 54 Teile der Elektrode
74 und des Heizers 68. Die Funktionsweise entspricht der der vorbeschriebenen Aus
führungs form.
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Eine sechste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 9 dargestellt.
Als Heizer für das Metalloxid-Halbleiter-Material dient hier ein Halbleiter mit
negativem Temperaturkoeffizienten seines spezifischen Widerstandes.
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Wie in Verbindung mit den vorstehend erläuterten Ausführungsformen
erwähnt ist, muß das Halbleitermaterial des Gasspürelementes auf erhöhte Temperatur
wie 150 bis 250 °C gehalten werden, damit die Empfindlichkeit vergrößert und die-Eigenschaften
stabiler werden. Im Verlauf eines Jahres kann die Temperaturdifferenz jedoch manchmal
mehr als 40 0C betragen, so daß es sehr schwierig ist, die Temperatur des Gasspür-Halbleiters
über ein Jahr hindurch mit Hilfe eines Heizdrahtes, welcher lediglich Joule'suche
Wärme erzeugt, konstantzuhalten. Die Ausführungsform nach Fig. 9 en-thält ein Halbleitermaterial
mit negativem Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes, welcher dafür
sorgt, daß die Temperatur des GasspürHalbleiter-Materials unabhängig von Umgebungstemperaturänderungen
praktisch konstant bleibt.
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Fig. 9 zeigt einen stabförmigen Metalloxid-Halbleiter-Spürkörper
84 und einen Halbleiterstab 86, der mit ihm thermisch gekoppelt ist und als Heizer
wirkt. Das Material des Halbleiterstabes 86, welcher als Heizer dient, kann nicht
nur anderer Art als der GasspUr-Halbleiter 84 sein, sondern er kann auch von der
gleichen Art sein und bdspielsweise aus gesinterten SnO2 bestehen, das einen Körper
mit ihm bildet. Die Elektroden 88, 90 und 92 stellen den elektrischen Kontakt zu
beiden Halbleiterstäben her.
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Die Zeichnung läßt erkennen, daß die Elektroden 88 und 90 über eine
Hupe oder ein Relais 14 mit einer Spannungsquelle verbunden sind und daß die Elektroden
90 und 92 über einen Stabilisierwiderstand 94 mit einen Wert rO ebenfalls an die
Spannungsquelle geschaltet sind. Der Widerstand R des Halbleiter-Heizstabes 86 ist
ausreichend höher als der Widerstand rO des Stabilisierwiderstandes 94. Zunächst
wird daher der größte Teil der Spannung Vo dem Halbleiterheizer 86 zu dessen Aufheizung
zugeführt.
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Mit steigender Temperatur des Halbleiterheizers 86 erniedrigt sich
sein Widerstand, wobei sich die Menge der erzeugten Wärmeenergie verändert.
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Fig. 10 veranschaulicht den Zusammenhang von Anderungen der Wärmemenge
mit dem Widerstand des Halbleiterheizers 86. Wie die Zeichnung klar erkennen läßt,
wird die maximale Erwärmung (V02)/4rO erhalten, wenn der Widerstand R des Halbleiter-Heizstabes
86 gleich dem Widerstand rO des Stabilisierungswiderstandes 94 ist. Wenn daher der
Widerstand r0 des Stabilisierungswiderstandes 94 und die Temperaturkennlinie des
Widerstandes des Halbleitermaterials des Heizstabes 86 so gewählt wird, daß am Punkt
R1 eine bestimmte Wärmemenge erzeugt wird, wo R1 kleiner rO ist, dann wird der Widerstand
R des Heizstabes 86 kleiner als R1, so daß die Wärmemenge niedriger wird, wenn die
Umgebungstemperatur steigt und umgekehrt R größer als R1 wird, wenn die Umgebungstemperatur
fällt, so daß die Wärmemenge ansteigt. Auf diese Weise wird die Temperatur des Gasspür-Halbleiterkörpers
84 praktisch konstantgehalten ohne Rücksicht auf Umgebungstemperaturänderungen,
und ein Vorhandensein von Gas kann stets mit der gleichen Empfindlichkeit festgestellt
werden.
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Weiterhin kann der Halbleiterheizer unmittelbar über den Stabilisierungswiderstand
94 an eine übliche Stromquelle nach Fig. 9 angeschlossen werden, da er im Vergleich
zu normalen Metallheizdrähten einen sehr hohen Widerstand hat. Die Verwendung eines
Halbleiterheizers hat daher den zusätzlichen Vorteil, daß ein teuerer Transformator
für den Heizer eingespart werden kann und das gesamte Gasspürgerät billiger wird.
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Das erfindungsgemäße Gasspürgerät kann Gase wie H2, CO, C2H2,
CH4,
C2H50H, C3H8, C4H10, Benzindampf, Rauch, Kohlenstaub und dgl. mit guter Empfindlichkeit
aussparen.
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Die Erfindung ist jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern die Gasspürelemente können auch ion einer ansprechenden Puppe
oder-Figur oder in künstlerischen Ornamenten eingebettet und angeordnet sein. In
diesem Falle verändert die Figur ihr Aussehen, wenn ein Gasgehalt festgestellt wird,
so daß ein amüsantes Gasspürgerät zur Verfügung steht,