DE2408218B2 - Schaltungsanordnung zum Nachweis von Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung

ίο nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Halbleiter, deren elektrische Eigenschaften sich verändern, wenn sie mit Gasen, z. B. Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Propan und Äthanol in Berührung gebracht werden, sind bekannt, und es ist

ι' möglich, derartige Halbleiter zum Nachweis von Gasen zu verwenden. Bei den bekannten Geräten dieser Art ist es nachteilig, daß sie einen komplizierten Aufbau haben, ein großes Gewicht und Volumen besitzen, häufiger Wartung bedürfen und hohe Anschaffungskosten verursachen.

Durch die DE-OS 2025770 ist eine Schaltungsanordnung für den vorbeschriebenen Zweck bekannt, die von der Aufgabe her zur Ansteuerung eines Relais oder Schalters bestimmt und in dessen Ausgangskreis dementsprechend ein Relais für ein Alarmgerät, einen Ventilator zum Absaugen des entflammbaren Gases nach außen oder<in Ventil zum Absperren der Zufuhr des entflammbaren Gases angeschlossen ist. Dieses Gerät dient also als bloßes Warngerät, das nicht mehr

ίο Aussagen über ein Gasgemisch vermitteln kann und soll, als eben nur, daß die Konzentration eines bestimmten Gases einen vorgewählten Ansprechwert überschreitet.

Bei der Schaltungsanordnung nach US-PS 3 714 562 ist ein Fühlelement weitgehend anderer Art, nämlich ein Halbleiter-Widerstandselement von einer sehr dünnen Schicht eines metallischen Leiters, der eine chemische Affinität gegenüber der festzustellenden Komponente des Gasgemiy^hs aufweist, in einer Brückenschaltung angeordnet, deren Ausgänge an den Eingängen einer Differenzvcrstärker-Schaltungsanordnung anliegen, der ein Anzeige- bzw. Meßinstrument nachgeschaltet ist. Das Fühlelement dieser bekannten Vorrichtung weist im Gegensatz zu derje-

4-. nigen der DE-OS 2025770 keine Heizwicklung als zweite Elektrode auf, mit welcher seine elektrischen Eigenschaften beeinflußt werden könnten.

Wie die vorbeschriebenen Einrichtungen weisen auch alle anderen, ähnlichen den Nachteil auf, daß

ίο sie nicht genau genug arbeiten und daß vor allem ihre Ergebnisse von äußeren Betriebsbedingungen oder sonstigen störenden Schwankungen verfälscht werden können, so daß keine reproduzierbaren Meßergebnisse gewonnen werden.

-,5 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art so auszubilden, daß eine kontinuierliche Anzeige der Größe der Abweichung der überwachten Gasmenge von einem Bezugswert ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art

die Meßstromquelle eine Gleichstromquelle ist,

der Verbindungspunkt der zweiten Meßelektrode und des Widerstands einen Ausgang einer die Meßelektrodenstrecke des Halbleiterelements enthaltenden abgleichbaren Widerstandsbrücke bildet,

die SignalverarbeitUHgsschaltung einen Differenzverstärker umfaßt, dessen Eingänge an jeweils einen Ausgang der Widerstandsbrücke angeschlossen sind, sowie

dem Differenzverstärker ein Meßinstrument nachgeschaltet ist.

Die gemäß der vorstehend beschriebenen Erfindung bzw. Lösung ausgebildete Schaltungsanordnung hat gegenüber dem Stand der Technik insbesondere den Vorteil, daß die Empfindlichkeit der Anzeige erheblich verbessert und gesteigert werden kann, so daß der Anwendungsbereich auf eine Vielfalt von Gasgemisch-Komponenten erweitert werden kann, indem man lediglich die Sensoren, d. h. die in Halbleitertechnik ausgebildeten Meßfühler-Vorrichtungen unter Anpassung ihrer Betriebswerte an das spezifische Meßproblem einzusetzen hat. Die Schaltungsanordnung kann damit in hohem Grade an sehr viele Bedürfnisse der Praxis angepaßt werden. Dazu kommt noch, daß die Meßergebnisse, da sie reproduzierbar sind, mittels der verschiedenen in der einschlägigen Technik verfügbaren Zusatzgeräte in mehreren Varianten ausgewertet werden können.

Physikalisch hat die sehr große Anwendungsbreite der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ihre Ursache darin, daß die Versorgung der Brückenschaltung aus einer Gleichstromquelle in Verbindung mit den besonderen Anschlüssen des Fühlelements bzw. Sensors an Stromquellen und Eingänge des Differenzverstärkers eine volle Ausschöpfung der in dem Meßmittel »Brückenschaltung« liegenden Möglichkeiten erlaubt.

Die beschriebene Schaltungsanordnung kann also in entsprechenden Einrichtungen bei hinreichender Meßgenauigkeit und geringem Anschaffungspreis direkt an den Orten zum Einsatz kommen, wo Gasgemische entstehen. Besonders geeignet ist die Schaltungsanordnung für Geräte und Verfahren zur Abgasüberwachung von Feuerungsanlagen und Verbrennungsmotoren, zur Luftüberwachung in klimatisierten Räumen und zur Steuerung von Klimaanlagen, zur kontinuierlichen Überwachung von Luftverunreinigungen, zur Messung des Alkoholgehalts in der menschlichen Atemluft und dergleichen mehr.

In weiteren Anwendungsfällen kann der Ausgangskreis der Differenzverstärker-Anordnung zur Signal-Übertragung eine Einrichtung für Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation eines Trägersignals mit dem Ausgangs-Gleichspannungssignal der Differenzverstärker-Anoidnung und/oder für dessen Messung und/oder für dessen Anzeige eine Lumineszenzdiode und/oder eine mindestens annähernd als Impulsschalter wirkende Schalteinrichtung enthalten. Diese Aufzählung soll wenigstens ungefähr die Vielzahl der praktischen Auswertung der mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zu gewinnenden Meßergebnisse andeuten.

Für den mobilen Einsatz von Geräten mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist es zweckmäßig, wenn die Gleichstromquelle von einer Batterie gebildet ist und die Heizstromquelle einen Wechselrichter umfaßt, der die Batteriespannung in eine zur Heizung des Halbleiterelements geeignete Wechselspannung umsetzt. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Batterie vermieden, die ansonsten wegen der unterschiedlichen Strom- und Spannungswerte für dir Heizungselektrode u d für die Meßelektroden-Schaltungsgruppe vorgesehen sein müßte, dies erübrigt sich

ίο

aber bei Verwendung eines Wechselrichters durch den Einsatz eines Transformators.

In weiterer Fortbildung ist der andere Ausgang der Widerstandsbrücke vom Abgriff eines Potentiometers gebildet, das mit Festwiderständen in einer Serienschaltung zusammengefaßt ist, weiche parallel zu der vom Halbleiterelement und dem Widerstand gebildeten Serienschaltung an die Klemmen der Gleichstromquelle gelegt ist. In besonderer Ausgestaltung kann auch ein steuerbarer Unterbrechungsschalter in der Verbindungsleitung der einen Klemme der Gleichstromquelle mit der ersten Meßelektrode angeordnet sein. Schließlich ist es vorteilhaft, wenn ein einstellbarer Widerstand zu einem der Festwiderstände parallel schaltbar ist.

Besonders in Verbindung mit den zuletzt beschriebenen Ausgestaltungen ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Einsatz in Geräten für die Überwachung eines von elektrischen Schaltgeräten gesteuerten gasabgebenden tech ,ischen Prozesses geeignet, weil dann das Gerät zur Durchführung mehrerer Meßvorgänge während des Prozesses durch einen Zeitgeber und/oder eine vom Prozeß beeinflußte Meldevorrichtung auf wenigstens einen der Schaltgeräte-Stromkreise mindestens einmal ein- bzw. umgeschaltet bzw. von diesem abgeschaltet werden kann. Hierbei kann dann auch der Stromversorgungskreis der Einrichtung vor dem Beginn einer Phase des zu überwachenden Prozesses und nach deren Ende automatisch und in einfacher Weise ausgeschaltet werden.

Der mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielbare Fortschritt läßt sich weiterhin noch dadurch steigern, daß der Differenzverstärker eine Rückkopplung besitzt, in der ein Trimmwiderstand angeordnet ist, und daß an den Ausgang des Differenzverstärkers ein von dessen Ausgangssignal gesteuerter kontaktloser elektronischer Leistungsschalter gelegt ist. Schon durch die vorbeschriebenen Einzelmaßnahmen zusätzlicher Art, aber insbesondere durch die letzte Teilmaßnahme sowohl allein als auch in Verbindung mit den anderen wird eine Abstimmung des Ausgangssignals an unterschiedliche Betriebszustände der Einrichtung und/oder des Gegenstandes der Messung, die dem Definierten Nachweis einer Gaskomponente dienen soll, herbeigeführt. Die Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1: Geräi zum Nachweis von Gasen,

Fig. 2: Einschaltvorrichtung für das vorgenannte Gerät,

Fig. 3: Einschaltvorrichtung für das dem vorgenannte Gerät vorgeschaltete Gasfördcrungsgerät,

Fig. 4: Codier- und Decodiereinrichtung, die mit der Einschaltvorrichtung nach Fig. 2 kombiniert werden kann,

Fig. 5: kontAtlose elektronische Leistungsschalter-Anordnung.

Gemäß Fig. 1 befindet sich ein als Meßfühler 1 geeigneter Halbleiter in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Meßkammer und wird mit dem zu analysierenden Gas in Berührung gebracht. Der Halbleiter ist für ein bestimmtes Gas, beispielsweise Kohlenmonoxid, sensibilisiert und gibt, wenn er mit Kohlenmonoxid in Berührung gebracht wird, ein elektrisches Signal ab, dessen Größe sich proportional zur Kohlen-

monoxid-Konzentration verändert. In der Meßkammer können auch mehrere als Meßfühler 1 geeignete Halbleiter untergebracht sein.

Der Meßfühler 1 ist mit zwei Elektroden 2 und 3 ausgestattet, von denen die eine oder andere beheizt wird. Die Elektroden 2 und 3 werden über die Sekundärwicklungen 9 und 10 des Transformators 8 und den Zweiweggleichrichter 11, dem ein Siebkondensator 14 nachgeschaltet ist, mit Spannung versorgt. Die Elektrode 2 ist über die Anschlüsse 4 und 5 mit der Sekundärwicklung 9 verbunden und heizt den Meßfühler 1. Die Betriebstemperatur des Meßfühlers 1 beträgt je nach Zusammensetzung der zu analysierenden Gasmischung 80° bis 120° C. Die Elektrode 2 ist über den Relaiskontakt 15 mit der Plusseite 12 der Gleichstromquelle verbunden. Die Elektrode 3 ist über die Anschlüsse 6 und 7 und den Widerstand 16 mit dem Minuspol 13 der Gleichstromquelle und an den fiiciii-iiVvcTiiciciiüeii Eingang 22 des Operationsverstärkers 20 angeschlossen. Der Spannungsteiler mit den Widerständen 17, 18 und 19 ist bestimmend für den Verstärkungsfaktor.

Am Potentiometer 18 kann das gewünschte Potential für den Anschluß 21 des invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 20 abgegriffen werden (Sollwerteinstellung). Über die Anschlüsse 23 und 24 wird der Operationsverstärker 20 mit der notwendigen Betriebsspannung versorgt, während die verstärkten Signale zwischen dem Anschluß 26 und der Plusseite der Gleichstromquelle abgegriffen werden können. Der Operationsverstärker 20 ist über den Anschluß 25 und 26 mit dem Kondensator 28 verbunden und wird von diesem frequenzkompensiert. Die vom Operationsverstärker 20 über den Widerstand 27 abgegebenen verstärkten Signale wirken auf das Relais 31 und über die Treiberstufe 33 auf das Relais 34, das den Umschalter 3<6 der Gallium-Arsenid-Diode 37 betätigt. Die Dämpfungsdioden 32 und 35 stabilisieren die Relais 31 und 34. Parallel zum Widerstand 19 kann der Regelwiderstand 19 durch Schließen des Schalters 30 gelegt werden, der von einem Relais, z. B. 53 (Fig. 2) geschlossen oder geöffnet wird. Der Widerstand 29 ist so eingestellt, daß er die Empfindlichkeit des Operationsverstärkers 20 so weit herabsetzt, daß dieser unter bestimmten Bedingungen, wie sie beispielsweise beim Anfahren eines ÖI-brenners auftreten, nicht durchschaltet.

Erhält der Transformator 8 auf seiner Primärseite Spannung, so wird das Gerät zum Nachweis von Gasen durch die beiden Sekundärwicklungen 9 und 10 sowie den Zweiweggleichrichter 11 mit Wechsel- und Gleichstrom versorgt. Über den Relais-Kontakt 15 wird die Meßbereitschaft hergestellt und am Spannungsteiler 17, 18, 19 wird das Potentiometer 18 so eingeregelt, daß der Operationsverstärker bei einem Istwert, der unter dem Sollwert der Gaskonzentration liegt, nicht anspricht, aber bei einem Istwert, der über dem Sollwert liegt, durchschaltet.

Über das Relais 31 werden dann sichtbare und hörbare Signale geschaltet, wahlweise Regelimpulse gegeben oder der zu überwachende Prozeß, z, B. eine ölverbrennung, wird abgeschaltet. Über die Treiberstufe 33 schaltet das Relais 34 den Umschalter 36 der Gallium-Arsenid-Diode 37 bei Normalbetrieb des Geräts zum Nachweis von Gasen auf die Minusseite der Gleichstromversorgung und bei Überschreiten einer bestimmten Gaskonzentration auf die positive Seite. Entsprechend dem Betriebszustand, der über

das Relais 34 angezeigt wird, sendet die Gallium-Arsenid-Diode 37 rotes oder grünes Licht aus, da die Kniespannung der Dioden 38 und 39 über den Spannungsteiler 40, 41 entsprechend eingestellt wird.

Fig. 2 zeigt eine Einschaltvorrichtung für das Gerät zum Nachweis von Gasen und eine Anordnung zur Änderungseiner Empfindlichkeit. Die Anschlüsse 45 und 46 sind beispielsweise mit dem ölfeuerungsautomaten eines Brenners verbunden. Läuft ein Prozeß an, bei dem Gasgemische gebildet werden, deren Zusammensetzung überwacht werden soll, erhalten die Anschlüsse 45 und 46 Spannung. Auch das Relais 47 erhält über die Anschlüsse 48 und 49, die durch die Brücke verbunden sind, Spannung. Das Relais 47 schließt den Relaiskontakt 15 (Fig. 1) und den Schalter 55 (F ig. 3). Dadurch wird das Gerät zum Nachweis von Gasen in Meßbereitschaft gebracht und die Gaszufuhr zum Meßfühler 1 wird in Gang gesetzt. Die Widerstände 51 und 52 haben einen negativen iemperaturkoeffizienten und sind so bemessen, daß bei der zwischen den Anschlüssen 45 und 46 liegenden Spannung das Relais 53 noch nicht anspricht.

Nach einer einstellbaren Zeit erwärmen sich die beiden Widerstände 51 und 52 so stark, daß der Stromdurchgang ausreicht, um das Relais 53 zu betätigen. Dann wird de Schalter 54 geschlossen, um die Widerstände 51 und 52 vor Überhitzung zu schützen. Außerdem wird der Schalter 30 (Fig. 1) geöffnet. Hierdurch wird die während der Anlaufzeit des Prozesses verminderte Empfindlichkeit des Operationsverstärkers 20 erhöht. Die durch Erwärmung der Widerstände 51 und 52 entstehende Verzögerung ist so bemessen, daß sie der Anfahrzeit des zu überwachenden Prozesses entspricht.

Fig. 3 zeigt eine Einschaltvorrichtung für das dem Gerät zum Nachweis von Gasen vorgeschaltete Gasförderungsgerät. Wenn das Relais 47 den Schalter 55 schließt, wird Gas zum Meßfühler 1 gefördert. Die Anschlüsse 56 und 57 sind mit der Gasförderpumpe verbunden.

Fig. 4 zeigt eine Codier- und Decodiereinrichtung, die mit der Einschaltvorrichtung (Fig. 2) kombiniert sein kann. Wird die Brücke entfernt und werden die Anschlüsse 48 und 49 mit den Anschlüssen 58 und 59 der Codier- und Decodiereinrichtung 60 verbunden, so schaltet die Codier- und Decodiereinrichtung erst nach einer beliebig einstellbaren Zahl von Prozessen, bei denen das zu überwachende Gasgemisch entsteht, das Relais 47 und damit den Meßvorgang ein. Auf diese Weise kann z. B. jeder 10. Verbrennungsvorgang eines ölbrenners überwacht werden. Die Codier- und Decodiereinrichtung 60 kann auch durch einen Zeitschalter ersetzt werden. Codier- und Decodiereinrichtung 60 sowie Zeitschalter können auch hintereinander geschaltet werden und mit den Anschlüssen 48 und 49 verbunden werden. Die Anschlüsse 61 und 62 sind mit den Anschlüssen 45 und 46 verbunden.

Fig. 5 zeigt eine kontaktlose elektronische Leistungsschaltungsanordnung, die die möglicherweise verwendete Lastschaltung (Relais 31 in Fig. 1) ersetzen kann. Bei Verwendung der kontaktlosen elektronischen Leistungs-Schaltungsanordnung entfallen das Relais 31 und die Diode 32 und es wird der Operationsverstärker 44 mit dem Anschluß 63, Anschluß

42 mit dem Anschluß 64, Anschluß 65 mit Anschluß

43 und Anschluß 66 mit dem Punkt 21 des nicht-invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 20

verbunden. Die Last 67 wird von einem kontaktlosen Leistungsschalter 68. beispielsweise einem Triac, geschaltet, der über die als Spannungsteiler wirkenden Widerstände 69 und 70 vom Operationsverstärkerausgang 44 über Anschluß 63 gesteuert wird. Der

Festwiderstand 71 und der regelbare Widerstand 72 bewirken eine Rückkopplung über Anschluß 66 und den nicht-invertierenden Eingang 21 des Operationsverstärkers 20, durch die die Steuerung des kontaktlosen Leistungsschalters 68 stabilisiert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Nachweis von Gasen mit

a) einem seine Leitfähigkeit in Anwesenheit bestimmter Gase ändernden Halbleiterelement, welches aufweist:

1. eine als erste Meßelektrode fungierende Heizwicklung,

2, eine von dieser räumlich getrennte zweite Meßelektrode,

b) einer die Heizwicklung speisenden Heizstromquelle,

c) einer Meßstromquelle, deren eine Klemme mit der ersten Meßelektrode und deren andere Klemme mit dem einen Ende eines Widerstandes verbunden ist, dessen anderes Ende an die zweite Meßelektrode gelegt ist,

d) einer Signalverarbeitungsschaltung,
dadurch gekennzeichnet, daß

e) die Meßstromquelle eine Gleichstromquelle (11) ist,

f) der Verbindungspunkt der zweiten Meßelektrode (3) und des Widerstands (16) einen Ausgang einer die Meöelektrodenstrecke des Halbleiterelements (1) enthaltenden abgleichbaren Widerstandsbrücke (1, 16, 17, 18, 19, 29, 30) bildet,

g) die S'gnalverarbeitungsschaltung einen Differenzverstärker (20) umfaßt, dessen Eingänge (21,22) an jev.eils einen Ausgang der Widerstandsbrtcks angeschlossen sind, sowie

h) dem Differenzverstärker (20) ein Meßinstrument nachgeschaltet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle von einer Batterie gebildet ist und die Heizstromquelle einen Wechselrichter umfaßt, der die Batteriespannung in eine zur Heizung des Halbleitcrelements (1) geeignete Wechselspannung umsetzt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Ausgang der Widerstandsbrücke vom Abgriff eines Potentiometers (18) gebildet ist, das mit Festwiderständen (17,19) in einer Serienschaltung zusammengefaßt ist, welche parallel zu der von dem Halbleiterelement (1) und dem Widerstand (16) gebildeten Serienschaltung an die Klemmen der Gleichstromquelle (11) gelegt ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungslcitung der einen Klemme (12) der Gleichstromquelle (11) mit der ersten Meßelektrode (2) ein steuerbarer Unterbrechungsschalter (15) angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein einstellbarer Widerstand (29) zu einem der Festwiderstände (19) parallel schaltbar ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (20) eine Rückkopplung besitzt, in der ein Trimmwiderstand (72) angeordnet ist, und daß an den Ausgang (44) des Differenzverstärkers (20) ein von dessen Ausgangssignal gesteuerter kontaktloser elektronischer Leistungsschalter (68) gelegt ist.