DE2025770A1 - Auf ein entflammbares Gas ansprechendes Schaltgerät - Google Patents
Auf ein entflammbares Gas ansprechendes SchaltgerätInfo
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Description
8274-70/Sch/hs
Japanese Serial Nos.
SHO 44-49788; SHO 44-52642;
SHO 44-66O83
Piling Dates: May 28, 1969;
June 5, 1969; July 11, 1969
New Cosmos Electric Co. Ltd. 3, Mitsuyanaka-dori 3-chome
Higashiyodogawa-ku, Osaka (Japan)
Die Erfindung betrifft ein auf ein entflammbares Gas ansprechen-'
des Schaltgerät mit einem Gasspürelement, welches ein Paar Elektroden, von denen mindestens eine eine Heizelektrode ist,
und einen die beiden Elektroden überdeckenden und verbindenden i Metalloxydhalbleiter, dessen elektrischer Widerstand sich mit
der Konzentration des entflammbaren Gases in der Luf verändert, aufweist, ferner mit einer ersten, den Heizstrom für die Heizelektrode liefernden Stromquelle und einer zweiten, die Betriebsspannung
für die Elektroden liefernden Stromquelle und mit einer bei Veränderungen des elektrischen Widerstandes ein Relais
ansteuernden Schaltung.
Derartige Schaltgerät führen beim Feststellen von entflammbaren
Gas in der Luft einen Schaltvorgang aus und enthalten insbesondere eine elektrische Schaltung mit einem Element, das beim Vorhandensein
von entflammbarem Gas ein elektrisches Ausgangssignal
liefert, mit dem ein Relais betätigt wird.
In der Patentanmeldung P 20 07 937.2 der Anmelderin ist ein ]
Metalloxyd-Halbleiterelement behandelt, welches auf ein entflammbares
Gas empfindlich anspricht. Dieses Element enthält 2
009849/1398 ί
Spulen aus Metalldrähten, die parallel und in gegenseitigem Abstand
angeordnet sind und gleichzeitig von dem Metalloxydhalbleiter umgeben werden. Das Metalloxyd kann SnOp, ZnO, Nb3O1-,
Ta3O5, V3O1-, TiO2 oder Fe3O, sein und hat die Eigenschaft, daß
sich sein spezifischer Widerstand bei Anwesenheit von entflammbaren Gas in deutlich unterscheidbarem Maß verändert. Dieses Halbleiterelement
wird so verwendet, daß seine Oberflächentemperatur in einem Bereich zwischen 50° und 3000C gehalten wird, indem man durch eine
oder beide Spulen einen geeigneten Strom fließen läßt, während zwischen den Spulen eine Spannung von beispielsweise 100 V anliegt:
wenn nun ein entflammbares Gas an das Element gelangt, dann steigt der über die Spulen fließende Strom stark an.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nun unter Verwendung eines solchen
Gasspürelementes in der Schaffung einer zur Ansteuerung eines Relais oder Schalters geeigneten Schaltung, mit Hilfe deren
ein Kontakt geöffnet oder geschlossen wirds über den ein zum Schalten
eines (Warn-) Gerätes ausreichender Strom fließt„
Diese Aufgabe wird bei einem Schaltgerät der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die beiden Elektroden und die zweite Stromquelle ein Spannungsteiler eingefügt
ist und daß in Reihe mit der Relaisansteuerschaltung ein Thyristor liegt, dessen Steuerelektrode mit der Anzapfung des Spannungsteilers
verbunden ist. Wenn die Konzentration des entflammbaren Gases in der Luft einen bestimmten Pegel erreichta wird auf diese
Weise das Relais zum-Einschalten des gewünschten Gerätes betätigt.
Dieses Gerät kann beispielsweise ein Alarmgerät, ein Ventilator zum Absaugen des entflammbaren Gases nach außen oder ein Ventil
zum Absperren der Zufuhr des entflammbaren Gases sein.
Das erfindungsgemäße Gerät soll ferner die zum Ansprechen des
Relais erforderliche Konzentration des entflammbaren Gases in der Luft frei wählen und einstellen lassen. Da sämtliche Bauelemente
der Schaltung, einschließlich des Gasspürelementes, unvermeidbare
Herstellungstoleranzen aufweisen, ist die Konzentration
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des Gases, bei welcher das Relais anspricht, nicht für alle Geräte
gleich, so daß sich die Notwendigkeit einer Justierung ergibt, um eine gleiche Relaisansprechempfindlichkeit einzustellen.
Andererseits ist es in bestimmten Fällen erforderlich, je nach
der Art des festzustellenden Gases oder der Art des vom Relais zu steuernden Gerätes eine bestimmte Ansprechkonzentration zu
wählen, Bei dem erfindungsgemäßen Schaltgerät läßt sich die Gaskonzentration,
bei welcher das Gerät anspricht, durch Verändern des Spannungsteilerverhältnisses frei wählen und einstellen.
Ferner soll bei der Erfindung das Gasspürelement stabiler und mit höherer Empfindlichkeit betrieben werden. Daß das Gasspürelement
zwei spulenförmige Elektroden aufweist, ist eher fertigungsbedingt
und vom Standpunkt der Betriebsfunktion her gesehen würde auch eine Spule zum Aufheizen des Halbleiterelementes genügen,
während die andere Spule durch eine Draht- oder Plattenelektrode, welche keine Heizfunktion erfüllt, ersetzt werden kann. In der
vorerwähnten Patentanmeldung wird daher bislang ein Heizstrom nur einer der beiden Spulen zugeführt, die beiden Enden der
anderen Spule sind dagegen zusammengeschlossen, und diese Spule dient lediglich als Elektrode. Wenn der Heizstrom jedoch nur einer
der Spulen zugeführt wird, dann wird der Halbleiterkörper nur an einem Teil aufgeheizt, so daß der ungenügend erwärmte Teil des
Halbleiterkörpers für das Feststellen von Gas nicht aktiv ist und die Gassprüempfindlichkeit des Elementes als Ganzes gesehen
nicht voll ausgenutzt ist und Stabilitätsschwankungen unterworfen ist.
Bei den erfindungsgemäßen Gerät wird der Hdzstrom dagegen beiden
Spulen zugeführt, so daß der Halbleiterkörper gleichförmig aufgeheizt wird und die Gasspürempfindlichkeit höher und auch stabiler
wird.
Die Erfindung soll ferner ein Schaltgerät schaffen, welches unter
Verwendung eines Teiles des Gasspürelementes zwei getrennte Relais entsprechend zwei unterschiedlichen Gaskonzentrationen betätigt.
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Zu diesem Zweck ist zusätzlich mit dem Relais in Reihe mit dem
Thyristor ein weiteres Relais eingefügt, welches in eine aus den beiden Spulen des Gasspürelementes und dem Spannungsteiler bestehende
Reihenschaltung geschaltet ist. Die Gaskonzentration, bei welcher dieses letztgenannte Relais schaltet, kann durch Wahl
des Gesamtwiderstands der Reihenschaltung frei verändert werden und zwar so, daß das zweite Relais bei anderen Gaskonzentration
als das erste Relais anspricht» Solche Schaltungen, welche zwischen
zwei verschiedenen Gaskonzentrationen unterscheiden, eignen sich beispielsweise in Anwendungsfällen, wo bei Erreichen eines ersten
Gaskonzentrationswertes ein Lüfter eingeschaltet wird und bei
Erreichen eines höheren Gaskonzentrationswert ein Alarm gegeben wird.
Das erfindungsgemäße Gerät soll auch erkennen lassen, ob das Relais
eingeschaltet oder nicht eingeschaltet ist. Zu diesem Zweck kann eine leuchtende Gasentladungsröhre, wie eine Neonglimmlampe,
parallel zum Relais geschaltet werden. Diese Lampe leuchtet nicht,
wenn der die Relaisspule duchfließende Strom klein ist; steigt
der Strom jedoch an, so leuchtet sie wegen des damit ebenfalls ansteigenden Spannungsabfalls an der Relaisspule, so daß der
Schaltzustand des Relais sichtbar angezeigt wird.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Hauptteils des Gasspürelementes,
wobei der Halbleiterkörper zur Veranschaulichung des inneren Aufbaues durchsichtig gezichnet ist.
Fig. 2 einen Längsschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Gasspüre
lernen t
Fig. 3 eine teilweise aufgebrochene Darstellung des eingebauten Elementes, ■"- .·
Fig. 4 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Schaltgerätes, bei
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welchem beiden Spulen des Elementes Heizstrom zugeführt wird,
ι Fig. 5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform, bei welcher
2 Relais bei unterschiedlichen Gaskonzentrationen ansprechen und
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der jedem
der Relais eine Neonglimmlampe zur Anzeige des Betriebszustandes parallel geschaltet ist.
Das bei der Erfindung verwendete Gasspürelement ist in den Fig. 1
und 2 dargestellt. Es enthält zwei Spulen 1 und 2, die aus einem auch bei hoher Temperatur nicht oxidierenden Metalldraht wie Platin,
Palladium oder einer Platin-Iridium-Legierung bestehen. Diese Spulen sind in nutenartigen Vertiefungen 4 und 5 auf gegenüberliegenden
Flächen eines Blockes 3 angeordnet, der aus bitzebeständigem,
elektrisch gut isolierendem, anorganischem Oxyd wie AIpO-, SiOp oder BeO besteht und mit Hilfe eines hochschmelzenden
anorganischen Klebmittels 6 und 7 aus ineinander gelösten Glasmaterialien wie Na2O und einem oder mehreren der Materialien
K2O, CaF2, AIpO,, Ba2O- und SiO2 besteht, wobei die Spulen mit
einem Teil jeweils an der Oberfläche der Ausnehmungen 4 und 5 des Blockes 3 befestigt sind und parallel zueinander gehaltert ^j
sind. Die Spulen 1 und 2 sind jeweils nur teilweise in dem Klebstoff
6 oder 7 eingebettet, während ihr restlicher Teil frei liegt. Der Block 3 mit den Spulen 1 und 2 ist dann einheitlich
mit einem Metalloxid-Halbleitermaterial 8 umgeben, welches bei hoher Temperatur empfindlich für ein entflammbares Gas ist, und
diese Einheit ist zu einem blockartigen Äußeren geformt. Von zwei Endflächen des Halbleitermaterialblockes ragen die linear ver-I
laufenden Enden der Spulen 1 und 2 als Zuführungsdrähte 9, 10,
I und 12 fort.
iAls Metalloxid-Halbleitermaterial emfpiehlt sich beispielsweise
SnO2, ZnO, Nb3O5, Ta2O5, V3O5, TiO2 und Fe2O-. Wenn diese Materialien
in einem auf 50° bis 300 0G erhitzten Zustand in Be-
'...'■■■ j
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rUhrung mit einem entflammbaren Gas kommen, dann nimmt dieses Gas Sauerstoffionen von den Halbleitermaterial fort und oxidiert das
Halbleitermaterial, so daß das Gleichgewicht zwischen den Kationen und Anionen innerhalb des Halbleitermaterials gestört wird und
sich sein Widerstand in hohem Ausmaß verändert.
Das vorstehend beschriebene Element wird in folgender Weise hergestellt.
Zunächst werden die Leiterabschnitte 9S 10, 11 und 12
der Spulen 1 und 2 zwischen den Trägerstäben 13, 14, 15 und 16 befestigt, welche auf einem Sockel aus gut isolierendem Material
wie Plastik oder dergleichen aufgerichtet sind. Dadurch werden die Spulen 1 und 2 parallel zueinander und mit einem bestimmten
gegenseitigen Abstand gespannt. Dann wird der Isolierblock 3» in dessen Ausnehmungen 4 und 5 ein hochschmelzender Klebstoff
6 und 7 eingebracht ist, zwischen die Spulen 1 und 2 eingefügt, und die Spulen werden mit den Ausnehmungen 4 und 5 ausgerichtet.
Dann läßt man einen Strom zwischen Trägerstäben 13, 14 bzw. 15 und 16 fließen, so daß die Spulen 1 und 2 aufgeheizt werden und
der Klebstoff schmilzt, wodurch die Spulen 1 und 2 in den Ausnehmungen des Blockes 3 festgelegt werden. Anschließend werden
die Spulen 1 und 2 und der Block 3 als Ganzes mit einem nicht gesinterten, gasempfindlichen Oxid umfclei4et. Nun läßt man wiederum
einen Strom durch die Spulen fließen, so daß das Oxid erhitzt wird und dabei sintert und auf diese Weise das Element fertiggestellt
wird. Da im späteren Gebrauch der Heizstrom des Elementes wesentlich niedriger als bei dieser Herstellung ist, schmilzt der
Klebstoff und das. Oxid im späteren Betrieb nicht und wird nicht
flüssig.
Pig. 3 zeigt ein Montagegehäuse für das Spürelement. Durch einen Plastiksockel 17 ragen die Trägerstäbe 13, 14, 15 und 16, deren
untere Teile als Kontaktstifte dienen. Ein Zylinder 18 aus Maschendraht ist an seinem oberen Ende mit einer Kappe 19 aus
einer Metallplatte abgeschlossen. Der Sockel 17 hat an seinem oberen Abschnitt 20 einen kleineren und an seinem unteren Abschnitt 21 .einen größeren Durchmesser. Der Mnshenaylinder 18
umgibt den kleineren Teil 21 und ruht auf dem Grund einer Nut 23, welche am Übergang zwischen dem Masehenzylinder und dem Sockel
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ausgebildet.ist. Beide Teile sind mit Hilfe eines organischen
Klebstoffes miteinander verbunden.
Pig. 4 zeigt eine Schaltung des erfindungsgemäßen Gerätes, wobei
das Gasepürelement mit 31 und die beiden Spulen 32 und 33 bezeichnet sind. Ein Transformator 34 ist mit seiner Primärwicklung 35
an ein Wechselstromnetz von beispielsweise 220 V Spannung angeschlossen, die Sekundärwicklungen 36 und 37 geben eine Spannung
von 1,5 V ab, eine weitere Sekundärwicklung 38 liefert eine
Spannung von 100 V. Die Sekundärwicklungen 36 und 37 liefern Strom an die Spulen 32 und 33 zum Aufheizen des Elementes 31.
Die Sekundärwicklung 38 ist an die Reihenschaltung des Elementes 31 und einen Spannungsteilerwiderstand 39 und außerdem an eine
weitere , parallel dazu liegende Reihenschaltung aus einem Relais 40 und einem Thyristor 41 angeschlossen. Die erstgenannte Reihenschaltung verläuft durch einen Halbleiterabschnitt 42, welcher
zwischen den Spulen 32 und 33 des Elementes 31 liegt. Die Steuerelektrode 43 des Thyristors 41 liegt am Schleifer 44 des Spannungs-Teilerwiderstandee 39. Das Relais 40 hat Kontakte 15, die beim
Erregen des Relais geöffnet oder geschlossen werden. Vorzugsweise schaltet man einen Kondensator 46 parallel zum Relais 40,
so daß die Welligkeit des Erregerstroms verringert wird.
Die Schaltung nach Fig. 4 arbeitet so, daß bei einer sehr geringen
Konzentration von entflammbarem Gas in der Luft der elektrische
Widerstand des- Teils 42 des Halbleiterlementes 31 hoch ist und die am Schleifer 44 des Widerstands 39 auftretende Spannung
gering ist, so daß der Thyristor 41 nicht gezündet wird und dementsprechend das Relais kO nicht erregt wird. Steigt jedoch die
Konzentration des entflammbaren Gases in der Luft, so sinkt der elektrische Widerstand.des Elementes 31 allmählich und wenn die
Konzentration einen bestimmten Schwellwert erreicht, dann tritt am Schleifer 44 eine Spannung auf, welche zum Zünden des Thyristors
#1 ausreicht, so daß nach dem Zünden des Thyristors ein Erregtrstrom durch das Relais 40 fließt. Mit Hilfe des öffnens oder
Schließens des Kontakts 45 des Relais 40 läßt sich nun ein angeschlossenes Gerät schalten. Die Schwellertkonzentration, bei
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welcher der Thyristor 41 gekündet wird und das Relais 40 erregt,
kann durch Verstellen des Schleifers 14 des Widerstands 39 auf
irgendeinen gewünschten Wert eingestellt werden. Sinkt die Konzentration des brennbaren Gases unter den Schwellwert, dann kehrt
der Thyristor 41 wieder in seinen Spfrrzustand zurück, und das
Relais 40 fällt ab.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 hat der Transformator 34
nur eine Niederspannungssekundärwicklung 37, und der Halbleiterteil 42 wird nur von der Spule 33 beheizt. Ein Relais 51 ist in
Reihe mit dem Halbleiterteil 42 des Elementes 31 und dem Spannungsteilerwiderstand 39 geschaltet. Die Betriebsweise gleicht
insofern der Schaltung nach Fig. 4, als das Relais 40 erregt wird, wenn die Konzentration dee brennbaren Gases in der Luft einen bestimmten Schwellwert erreicht, und als dieser Schwellwert durch
Einstellen des Schleifers 44 dee Widerstands 39 verändert werden kann. Jedoch ist ein zusätzliches Relais 51 in Reihe mit dem
Halbleiterteil 42 geschaltet und die Schaltung ist so ausgelegt, daß bei Ansteigen der Konzentration des brennbaren Gases in der
Luft der das Relais 51 durchfließende Strom ansteigt und bei
Erreichen eines bestimmten Schwellwertes der Konzentration der Strom genügend groß wird, um das Relais 51 anziehen zu lassen,
welches darauf hin seinen Kontakt 52 öffnet oder schließt. Die
Schwellwertkonzentration für das Ansprechen des Relais 51 läßt sich unabhängig von den Verhältnissen für das Relais 40 durch
den Gesamtwiderstand des Spannungsteilers bestimmen. Um diesen Gesamtwiderstand des Spannungsteilers unabhängig von der Wahl
des Spannungsteiler Verhältnisses (für das Relais 40) zu bestimmen, ist parallel zum Widerstand 39 ein Einstellwiderstand 53
geschaltet.
Bei der Schaltung nach Fig. 5 sprechen die beiden RElais bei unterschiedlichen Konzehtrationeschwellwerten an. Diese AusfUhrungsform eignet sich insbesondere für Anordnungen, bei denen
durch das bei der niedrigeren Gaskonzentration ansprechende Relais ein Ventilator in dem betreffenden Raum eingeschaltet
wird und bei einer höheren Gaskonzentration trotz des Arbeitens
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des Ventilators ein Alarmgerät oder ein Schließmechanismus für
ein Ventil des betreffenden Gases durch das zweite Relais in Tätigkeit gesetzt wird.
Ein weiteres. Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt.
Hier sind parallel zu den Relais 40 und 51 Glimmlampen
54 bzw. 56 mit einem Stabilisierungswiderstand 55 bzw. 57 geschaltet.
Vorzugsweise ist ein Ende der Zündschaltung für die Glimmlampe 56 mit einem Schleifer eines gesonderten Spannungsteilerwiderstand
58 verbunden, der parallel zum Spannungsteiler 39 geschaltet ist.
Wenn die Glimmlampe 54 beim Zünden des Thyristors 41 aufleuchtet,
zeigt sie den Betrieb des Relais 41 an. Die Glimmlampe 56 leuchtet
auf, wenn der elektrische Widerstand des Halbleiterteils 42
des Elementes 31 unter einem bestimmten Schwellwert sinkt, jedoch
kann dieser Schwellwert mit Hilfe des Abgriffs des Spannungsteilerwiderstandes 58 eingestellt werden. Durch eine entsprechende
Einstellung des Abgriffs kann die Glimmlampe 56 zum Aufleuchten gebracht werden, wenn das Relais 51 in Betrieb ist, so daß dieser
Betrieb durch die Glimmlampe 56 angezeigt wird.
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Claims (6)
- . lt> - 202577ÖPatentansprüchey Auf ein entflammbares Gas ansprechendes Schaltgerät mit einem Gasspürelement, welches ein Paar Elektroden, von denen mindestens eine eine Heizelektrode ist, und einen die beiden Elektroden überdeckenden und verbindenden Metalloxydhalbleiter, dessen elektrischer Widerstand sich mit der Konzentration des entflammbaren Gases in der Luft verändert, aufweist, ferner mit einer ersten, den Heizstrom für die Heizelektrode liefernden Stromquelle und mit einer zweiten, die Betriebsspannung für die Elektroden liefernden Stromquelle, und mit einer bei Veränderung des elektrischen Widerstandes ein Relais ansteuernden Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die beiden Elektroden (32,33) und die zweite Stromquelle (38) ein Spannungsteiler (39) eingefügt ist und daß in Reihe mit der Relaisansteuerschaltung (38, 40) ein Thyristor (41) liegt, dessen Steuerelektrode (43) mit der Anzapfung (44) des Spannungsteilers (39) verbunden 33t.
- 2. Schaltgerät nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (32, 33) als Heizelektroden ausgebildet sind und daß die erste Stromquelle zwei unabhängige Teilstromquellen (36, 37) zur getrennten Zuführung des Heizstromes zu den Elektroden aufweist.
- 3. Schaltgerät nach Anspruch 1, d ad u r c h g e kennzeichnet, daß der Spannungsteiler (39) als Spannungsteilerwiderstand ausgebildet ist, dessen Teilerverhältnis sich durch Veränderung der Stellung seines Schleifers (44) verändern läßt.
- 4. Schaltgerät nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß außer dem einen Relais (40) ein zweites Relais (51) vorgesehen ist, welches in Reihe mit den Elektroden (32, 33) der zweiten Stromquelle (38) und dem Span™ nungsteiler (39) geschaltet ist und von dem diese ReihenschaltungGO'9'849/ 1398durchfließenden Strom betätigbar ist.
- 5. Schaltgerät nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem RElais (40) eine Gasentladungslampe (51I) geschaltet ist.
- 6. Schaltgerät nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladungslampe parallel zu dem Relais (51) geschaltet ist, welches in Reihe mit den Elektroden (32, 33) der zweiten Stromquelle (38) unddem Spannungsteiler (39) geschaltet ist. |009849/1398Leerseite
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