DE202004015181U1

DE202004015181U1 - Sensorsystem zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen

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Publication number: DE202004015181U1
Application number: DE200420015181
Authority: DE
Original assignee: T E M TECHNOLOGISCHE ENTWICKLU; Tem! Technologische Entwicklungen und Management GmbH
Current assignee: Al Ko Kober SE
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2014-10-01

Abstract

Sensorsystem zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen, vorzugsweise zur Detektion explosionsgefährdeter oder brennbarer Luft-Gasgemischen von Heizgasen, wie Methan oder Propan oder Butan oder Kohlenmonoxid, mit einem beheizbaren metalloxidischen Gassensor mit gassensitiver Wirkschicht als gassensitives Bauteil, welches sich in einem mit einem Gaszugang versehenen Gehäuse befindet, dadurch gekennzeichnet, dass in der den Gassensor (6,1,7.5) umgebenden Atmosphäre benachbart ein die Luftfeuchte ermittelnder Feuchtesensor (7.4) angeordnet ist, dessen elektrische Signale gemeinsam mit den elektrischen Signalen des Gassensors (6,1,7.5) einer Auswerteeinheit (6.3) aufgebbar sind, welche die beiden Sensorsignale, nämlich die Gaskonzentration des Gassensors (6.1,7.5) und die Luftfeuchte des Feuchtesensors (6.2,7.4), zu einem beide Sensorsignale berücksichtigenden Messsignal zu verknüpfen imstande ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen, vorzugsweise zur Detektion explosionsgefährdeter oder brennbarer Luft-Gasgemischen von Heizgasen wie Methan oder Propan oder Butan oder Kohlenmonoxid, mit einem beheizbaren metalloxidischen Gassensor mit gassensitiver Wirkschicht als gassensitives Bauteil, welches sich in einem mit einem Gaszugang versehenen Gehäuse befindet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik:
Es sind Gassensoren bekannt, in welchen beheizte Schichten aus bestimmten Metalloxiden der zu überwachenden Luft zum Zwecke der Detektion luftgetragener Gase oder Dämpfe – wie zum Beispiel Methan – ausgesetzt werden, wobei ein derartiger Gassensor des Standes der Technik in 1 gezeigt ist. Dabei ist die Bezugsziffer 1.1 das die Sensorschichten tragende Substrat, welches aus Keramik oder aus Silizium gefertigt sein kann. 1.2 ist ein Heizer mit Zuleitungen, welcher als elektrischer Widerstand zum Beispiel aus Platin gefertigt sein kann oder im Falle von Silizium-Sensoren auch aus Polysilizium bestehen kann. Der Heizer 1.2 temperiert eine Wirkschicht 1.4 auf eine bestimmte Temperatur, welche typisch zwischen 300–450°C liegt. Der elektrische Widerstand der Wirkschicht 1.4 wird über eine fingerartige Kontaktstruktur 1.3 mit Zuleitungen mittels eines elektrischen Stromes abgegriffen. Die Wirkschicht 1.4 besteht aus Metalloxid, und kann unterschiedliche Korngrößen aufweisen. Als gassensitives Metalloxid sind Substanzen bekannt, wie Zinndioxid, Zinkoxid, Wolframoxid, Indiumoxid, Galliumoxid und einige andere Metalloxide. Bei Begasung mit leichten oxidierbaren Gasen wie z.B. Wasserstoff dringt das Gas in die Metalloxidstruktur ein und reagiert mit dem Metalloxid, welches teilweise reduziert wird. Im Ergebnis vermindert sich der elektrische Widerstand bzw. erhöht sich der elektrische Leitwert des Metalloxids der Wirkschicht 1.4, wodurch eine auswertbare Änderung des elektrischen Ausgangssignals erhalten wird.
Andere Gase oder Dämpfe adsorbieren zuerst an der Oberfläche der Wirkschicht und reagieren dann mit den Metalloxiden. Je nach Affinität der Gase oder Dämpfe zum als Wirkschicht eingesetzten Metalloxid und dessen Arbeitstemperatur und auch nach dessen Korngröße und Abstand der Kontaktelektroden zueinander wird bei unterschiedlichen Gasen ein unterschiedliches Ansprechverhalten der Sensorwirkschicht auf das anwesende Gas festgestellt.
Die Änderung des elektrischen Widerstandes der Wirkschicht als Funktion der Gaskonzentration folgt grundsätzlich einer stark gekrümmten Kurve. Bei kleinen Gaskonzentrationen ist der Änderungsquotient R_s/R₀ sehr hoch. Bei größeren Gaskonzentrationen verläuft die Kurve zunehmend flacher und praktisch asymptotisch. Deshalb wirken sich Änderungen der Gaskonzentration im Sättigungsfall praktisch nicht mehr auf den dann sehr niedrigen elektrischen Widerstand des Gassensors aus.
Der Erfindung liegt das zu lösende Problem zugrunde, dass der industriellen Verwendung oxidischer Sensoren oder Pellistoren zum Zwecke der Konzentrationsmessung oxidierbarer Gase oder Dämpfe, – zum Beispiel von Methan (CH₄) – deren grundsätzliche Querempfindlichkeit gegenüber Luftfeuchte entgegensteht. Denn mit der Luftfeuchte ändert sich sowohl die Grundlinie, der Null-Wert, des Sensors ebenso wie auch die Ansprechempfindlichkeit des Sensors gegenüber dem angebotenen Gas.
Wenn die Luftfeuchte nach den Vorgaben der Norm DIN/EN 50194 verändert wird, wie es in 2 dargestellt ist, zeigt sich bei allen oxidischen Sensoren, welche mit z.B. 4.400ppm Methan begast werden

• die Sensorreaktion bei Normalbedingungen 20°C, 55% rel. Feuchte, gemäß der Kurve 2.2
• die Sensorreaktion gemäß der Kurve 2.3, bei der von den durch die Norm EN/DIN 50174 vorgegebenen Testbedingungen 40°C, 70% relative Feuchte (= absolute Feuchte von ca. 50g/m³) ausgegangen wird, welche eine deutlich höhere Reaktion auf Gas zeigt als die Kurve 2.2 die Sensorreaktion gemäß der Kurve 2.1 bei den Testbedingungen 15°C bei 30% rel. Feuchte (= absolute Feuchte von ca. 4g/m³ ), welche eine deutlich geringere Reaktion auf Gas zeigt als die Kurve 2.2.

Die Norm DIN/EN 50194 fordert nun von Sensorsystemen Mindestgenauigkeiten des Schaltpunktes:

• Alarmauslösung zwischen 3 und 20 % UEG (d.h.: für Methan: 1320 – 8800 ppm)
• Toleranz der Alarmauslösung um Alarmschwelle: ±2,5 % UEG (für Methan: ±1100 ppm)
• Alarmauslösung innerhalb der Toleranz gefordert für den Betrieb in absoluten Luftfeuchten von 0,7 bis 50 g/m³ (entspr. –10°C bei 30%
• rel. Feuchte bis +40°C bei 95% rel. Feuchte)

Der Feuchteeinfluss auf das Detektionsergebnis oxidischer Sensoren ist jedoch nicht akzeptabel hoch:

Trockene Luft: Messwert ca. –50% vom Mittelwert

Feuchte Luft: Messwert ca. +30% vom Mittelwert
Ohne Kompensation des Einflusses der Luftfeuchte sind oxidische Sensoren für Messzwecke oder für Gasdetektion unter erhöhten Ansprüchen bzw. unter den Anforderungen der Norm EN/DIN 50194 nicht einsetzbar.
Zur Verringerung des Einflusses der Luftfeuchte sind Sensorsysteme bekannt, bei denen nach der Abbildung der 3 einem Sensorelement 3.1 eine Aktivkohle-Lage 3.2 vorgeschaltet ist, die Feuchte einspeichert. Entsprechend der Speicherkapazität der Aktivkohle werden schnelle Änderungen der Feuchte gemittelt, jedoch erreichen impulsartige Änderungen der Luftfeuchte das Sensorelement nicht. Ändern sich die Luftfeuchten sehr langsam, etwa im Rhythmus der Jahreszeiten, kann durch einen Aktivkohlepuffer das Problem der Feuchteempfindlichkeit ebensowenig ausreichend gelöst werden und muss als Scheinlösung bezeichnet werden. Außerdem ist die Speicherfähigkeit der Aktivkohle in nicht voraussehbarer Weise durch das Einspeichern von Gasen und Dämpfen beeinflusst, was ein weiterer Nachteil ist.
In der Abbildung der 4 ist hierzu das Ansprechverhalten eines oxidischen Sensors bei einer geringen Gaskonzentration 4.3 und bei einer größeren Gaskonzentration 4.4 dargestellt. Aus 4 ist erkenntlich, dass zwei Messkurven, 4.1 und 4.2, mit unterschiedlichen Luftfeuchten dargestellt sind. Es ist erkennbar, dass Feuchte, nämlich die Kurve 4.2, das Ansprechverhalten des Sensors dergestalt erhöht, als wäre das Gasangebot größer. Trockene Luft löst hingegen eine umgekehrte Reaktion aus: Die Reaktion des Gassensors, nämlich die Kurve 4.1, auf das Gasangebot ist geringer als das bei größerer Feuchte.
Auf der beheizten Oberfläche des Sensorelements wird zum Beispiel Methan nach folgender Reaktionsgleichung chemisch umgesetzt: CH₄ + 2(O₂) >>> CO₂ + 2(H₂O).
Die Abbildung der 5 zeigt hierzu die typisch sehr stark gekrümmte Kennlinie des elektrischen Widerstand der Wirkschicht eines metalloxidischen Halbleitersensors des Standes der Technik. Aus Gründen der besseren Lesbarkeit ist die Darstellung des Sensorwiderstandes, y-Achse, logarithmisch abgebildet, weil die Kennlinie tatsächlich außerordentlich steil verläuft. Die Kennlinie ist sehr stark gekrümmt, wobei sie ab einer bestimmten Gaskonzentration sehr flach wird und quasi asymptotisch verläuft. Die untere Explosionsgrenze von Methan (UEG = 44.000ppm) ist mit 5.2 gekennzeichnet. Die Alarmgrenze von z.B. 1/10 UEG (4.400ppm) ist mit 5.1. gekennzeichnet. Beide Punkte liegen bereits im sehr flachen Teil der Kennlinie, was die messtechnische Auswertung erschwert. Die Einflüsse der Luftfeuchte erzeugen deshalb einen relativ großen Messfehler. Die sich aus der genannten chemischen Reaktion ergebene Feuchte verlässt das Sensorgehäuse zum großen Teil. Wassermoleküle lagern sich an den relativ kühleren Gehäusewänden an, verdampfen wieder und erhöhen insofern die Feuchte im Sensorgehäuse relativ zur Feuchte der Außenluft, was den Messfehler weiter vergrößert.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem der eingangs genannten Gattung dergestalt zu verbessern, dass dasselbe den Einfluss der Luftfeuchte zu kompensieren imstande ist.
Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:
Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Sensorsystem der eingangs genannten Gattung darin, dass in der den Gassensor umgebenden Atmosphäre benachbart ein die Luftfeuchte ermittelnder Feuchtesensor angeordnet ist, dessen elektrische Signale gemeinsam mit den elektrischen Signalen des Gassensors einer Auswerteeinheit aufgebbar sind, welche die beiden Sensorsignale, nämlich die Gaskonzentration des Gassensors und die Luftfeuchte des Feuchtesensors, zu einem beide Sensorsignale berücksichtigenden Messsignal verknüpft.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Sensorsystem den Einfluss der Luftfeuchte zu kompensieren imstande ist und dadurch eine hohe Messgenauigkeit unabhängig von der Feuchte der Atmosphäre erreicht wird.
In weiterer erfinderischer Ausgestaltung des Sensorsystems erfolgt die Verknüpfung der elektrischen Sensorsignale für Gaskonzentration und für Luftfeuchte dergestalt, dass die Auswerteeinheit den durch den Einfluss der Luftfeuchte bedingten Messfehler des Gassensors zu kompensieren imstande ist.
In einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung des Sensorsystems befindet sich der Feuchtesensor und der Gassensor in einem gemeinsamen Gehäuse, welches in zwei Kammern mit je einer Luft-Gaszugangsöffnung unterteilt ist zur Aufnahme je eines der beiden Sensoren.
In einer weiteren erfinderischen Ausgestaltung des Sensorsystems können die beiden Kammern thermisch voneinander isoliert und die den Gassensor beherbergende Kammer kann darüber hinaus zusätzlich beheizbar sein, nämlich auf eine Temperatur von > 100°C.
Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
1 einen Gassensor des Standes der Technik
2 die Abhängigkeit des Sensorsignals eines oxidischen Sensors des Standes der Technik von der absoluten Luftfeuchte
3 ein weiteres Gas-Sensorsystem des Standes der Technik, dem eine Aktivkohle-Lage vorgeschaltet ist
4 das Ansprechverhalten eines oxidischen Sensors bei einer geringen und bei einer größeren Gaskonzentration
5 die typisch sehr stark gekrümmte Kennlinie des elektrischen Widerstand der Wirkschicht eines metalloxidischen Halbleitersensors in logarithmischer Darstellung
6 der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensorsystems und
7 eine Ausführung eines Sensorsystems mit zwei thermisch und lufttechnisch voneinander isolierte Kammern in einem gemeinsamen Gehäuse.
In der 6 ist der prinzipielle Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensorsystems gezeigt. Ein Gas-Sensor 6.1 und ein Feuchte-Sensor 6.2, welche benachbart, vorzugsweise unmittelbar benachbart, und derselben Atmosphäre ausgesetzt sind, liefern jeweils elektrische Messwerte an eine Auswerteeinheit 6.3, welche analogtechnisch oder numerisch-digital ausgeführt und entfernt angeordnet sein kann. In der Auswerteeinheit werden die beiden elektrischen Signale derart miteinander verknüpft, dass vom Ergebnis her der Feuchteeinfluss des resultierenden Ausgangssignals korrigiert ist. Die Auswerteeinheit ist somit zur Verknüpfung der beiden Sensorsignale, nämlich dasjenige der Gaskonzentration des Gassensors 6.1 und dasjenige der Luftfeuchte des Feuchtesensors 6.2, zu einem beide Sensorsignale berücksichtigenden Messsignal imstande.
7 zeigt hierzu eine beispielhafte Ausführung, in dem in einem gemeinsamen Gehäuse 7.1 zwei Kammern 7.7, 7.8 angeordnet sind. Die Kammern 7.7, 7.8 können daneben thermisch und auch lufttechnisch voneinander isoliert sein. In der einen Kammer 7.7 befindet sich ein Gasensor 7.5, in der anderen Kammer 7.8 ein Feuchtesensor 7.4. Die Luft erreicht den Feuchtesensor 7.4 durch eine Öffnung 7.3, welche zum Beispiel durch ein Drahtgitter gebildet ist, innerhalb der Kammer 7.8. Der Gassensor 7.5 ist über nicht benannte Kontaktdrähte elektrisch kontaktiert.
Luft und Gas erreicht den Gassensor 7.5 durch eine Öffnung 7.2 innerhalb der Kammer 7.7. Die den Gassensor 7.5 aufweisende Kammer 7.7 des Gehäuses 7.1 wird im gezeigten Beispiel – optional – durch eine elektrische Heizung 7.6. zusätzlich auf Temperaturen oberhalb von 100°C beheizt.
In der Praxis ist dieses Gehäuse 7.1, welches ein Doppelgehäuse darstellt, so ausgebildet, dass es möglichst klein ist und dass die thermische Isolierung der beiden Sensoren voneinander maximal ist, so dass die beiden Sensoren benachbart und derselben Atmosphäre ausgesetzt sind. Es ist vorteilhaft, das Gehäuse des Gassensors bzw. die den Gassensor aufnehmende Kammer thermisch sehr gut zu isolieren, da ja der Gassensor für seine Funktion beheizt sein muss. Ebenso kann in vorteilhafter Weise das Gehäuse des Gassensors bzw. die den Gassensor aufnehmende Kammer zusätzlich auf eine Temperatur oberhalb von 100°C beheizt werden, dass auf jeden Fall Kondensate als Dampf abgegeben werden und aus dem Gehäuse des Gassensors bzw. aus der den Gassensor aufnehmenden Kammer austreten können.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem liefert entsprechend der 6 elektrische Signale für Luftfeuchte und Gaskonzentration an die Auswerteeinheit 6.3 gemäß der 6, welche Auswerteeinheit 6.3 den Feuchteeinfluss analogtechnisch oder digital/rechnerisch kompensiert. Die erfindungsgemäße Feuchtekompensation mit Feuchtesensor kann auch mit einem Gassensor durchgeführt werden, der weder thermisch isoliert noch mit einer zusätzlichen Gehäuseheizung ausgestattet ist.
Die Erfindung kann in zahlreichen Variationen zur Anwendung kommen. Gemeinsam ist allen Anwendungen, dass die Luftfeuchte durch einen Feuchtesensor ermittelt wird, dessen Signal den Messfehler des Gassensors kompensiert. Der Gassensor sitzt in einem Gehäuse, welches zusätzlich beheizt sein kann. Die beiden Sensoren für Gas bzw. Feuchte können einzeln eingesetzt werden, zum Beispiel in getrennten Gehäusen untergebracht sein oder in einem Kombigehäuse angeordnet sein oder das Gehäuse kann ein Doppelgehäuse mit zwei Kammern für je einen der Sensoren sein.

Claims

Sensorsystem zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen, vorzugsweise zur Detektion explosionsgefährdeter oder brennbarer Luft-Gasgemischen von Heizgasen, wie Methan oder Propan oder Butan oder Kohlenmonoxid, mit einem beheizbaren metalloxidischen Gassensor mit gassensitiver Wirkschicht als gassensitives Bauteil, welches sich in einem mit einem Gaszugang versehenen Gehäuse befindet, dadurch gekennzeichnet, dass in der den Gassensor (6,1,7.5) umgebenden Atmosphäre benachbart ein die Luftfeuchte ermittelnder Feuchtesensor (7.4) angeordnet ist, dessen elektrische Signale gemeinsam mit den elektrischen Signalen des Gassensors (6,1,7.5) einer Auswerteeinheit (6.3) aufgebbar sind, welche die beiden Sensorsignale, nämlich die Gaskonzentration des Gassensors (6.1,7.5) und die Luftfeuchte des Feuchtesensors (6.2,7.4), zu einem beide Sensorsignale berücksichtigenden Messsignal zu verknüpfen imstande ist.
Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung der elektrischen Sensorsignale für Gaskonzentration und für Luftfeuchte dergestalt erfolgt, dass die Auswerteeinheit (6.3) den durch den Einfluss der Luftfeuchte bedingten Messfehler des Gassensors (6.1,7.5) zu kompensieren imstande ist.
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtesensor (5.2) und der Gassensor (5.1,7.3,8.5) sich in einem gemeinsamen Gehäuse (7.1) befinden, welches in zwei Kammern (7.7,7.8) mit je einer Luft-Gaszugangsöffnung (7.2,7.3) unterteilt ist zur Aufnahme je eines der beiden Sensoren (5.1,5.2,7.3,8.5).
Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (7.7.,7.8) thermisch voneinander isoliert sind und die den Gassensor (7.5) beherbergende Kammer (7.7) zusätzlich beheizbar ist, nämlich auf eine Temperatur von > 100°C.