DE2415315C2 - Gasdetektor - Google Patents

Description

2. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

— die Nachweiseinrichtung eine Widerstandsmeßbrücke (EFG H) aufweist,

— der gasempfindliche Widerstand (1) in einem Zweig (E, F) dieser Widerstandsmeßbrücke liegt und

— die Eingänge (E, C) der Widerstandsmeßbrücke (EFCH) mit den Eingängen (A, C) der Widerstandsbrücke (ABCD) verbunden sind.

Die Erfindung betrifft einen Gasdetektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Gasdetektor ist z. B. aus der DE-OS 20 25 770 bekannt.

Ein derartiger Gasdetektor kann eine dauernde variable Messung der Konzentration der einschlägigen Substanz in einer zu prüfenden Atmosphäre vornehmen oder ein Warnsignal abgeben oder eine Steuerung auslösen bei Auftreten von bestimmten Werten dieser Konzentration.

In bereits entwickelten derartigen Gasdetektoren ist es üblich, eine sehr einfache Anordnung zur Stromversorgung des Heizers von einer Quelle mit konstanter Nennspannung zu verwenden. Obwohl derartige Anordnungen zufriedenstellend arbeiten können, wenn herkömmliche Halbleiter geringer Empfindlichkeit verwendet werden (d. h. Halbleiter, die relativ kleine Änderungen ihrer Leitfähigkeit für eine gegebene Änderung in der Konzentration der einschlägigen Gassubstanz zeigen), haben sie sich als ungeeignet herausgestellt wenn genaue Ergebnisse erholten werden sollen, falls in jüngster Zeit entwickelte Halbleiter hoher Empfindlichkeit benutzt werden, wie sie z. B. in einem anderen Patent der Patentinhaberin (vgl. Patentanmeldung P 21 42 7963 vom 26. August 1971, beschrieben sind.

Die Ursache dafür ist, daß in einem derartigen Fall der Betrieb des Detektors dazu neigt, in stärkerem Ausmaß durch Schwankungen der Temperatur des gasempfindlichen Widerstands beeinträchtigt zu werden, wobei diese Temperaturschwankungen entweder durch Schwan-

kungen der Umgebungstemperatur oder Änderungen in der Ist-Spannung der Stromquelle für den Heizer bedingt sein können; letztere Möglichkeit ist besonders wahrscheinlich bei Detektoren, die in tragbaren Instrumenten verwendet werden, die eine durch eine innere Batterie gebildete Stromquelle haben.

Das aus der DE-OS 20 25 770 bekannte auf ein entflammbares Gas ansprechende Schaltgerät weist einen gasempfindlichen Halbleiter-Widerstand auf, der mit der zu prüfenden Atmosphäre in Kontakt steht. Ein Widersiandsheizer ist eng benachbart zum gasempfindlichen Widerstand angeordnet. Ferner sind eine Stromversorgung für den Widerstandsheizer zur Aufheizung zur Aufheizung des gasempfindlichen Widerstands auf Temperaturen, bei denen der Widerstandswert des Halbleiters von der Konzentration einer bestimmten Gassubstanz in der zu prüfenden Atmosphäre abhängt und eine Nachweiseinrichtung, die auf Änderungen des Widerstandswerts des gasempfindlichen Widerstands anspricht, vorgesehen.

Änderungen der Versorgungsspannung und Änderungen der Umgebungstemperatur führen bei diesem Gerät zu Schwankungen der Temperatur des gasempfindlichen Widerstands.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Gasdetektor mit einer Stromversorgung für den Heizer anzugeben, mit der Änderungen der Umgebungstemperatur und Änderungen der Versorgungsspannung ausgeglichen werden.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Patentanspruch 2 beschreibt eine vorteilhafte AusführungsformdeserfindungsgemäßenGasdetektors. Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Gasfühler; und

F i g. 2 das Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des Gasdetektors mit einem Gasfühler gemäß F i g. 1, wobei dieser Gasdetektor besonders für ein tragbares Meßinstrument geeignet ist.

Der Fühler von F i g. 1, der bei Gebrauch so montiert ist, daß er einer zu prüfenden Atmosphäre ausgesetzt werden kann, hat einen gasempfindlichen Widerstand 1 in Form eines Halbleiterfilms, der auf der Oberfläche einer geschmolzenen Glasperle 2 von ungefähr Kugeleo gestalt mit einem Durchmesser von 1 mm aufgetragen ist, wobei der Widerstand 1 mit Zuleitungen 3 und 4 versehen ist, durch teilweise in der Glasperle 2 eingebettete Drähte gebildet sind. Der Gasfühler hat ferner einen elektrischen Widerstandsheizer 5, um den Widerstand 1 auf einer geeigneten Betriebstemperatur zu halten; der Heizer 5 besteht aus einem Stück Platin-Rhodium-Draht, dessen Mittelabschnitt die Form einer in der Glasperle 2 eingebetteten Wendel hat, und bei norma-

len Temperaturen einen Widerstandswert von ca. 1,4 Ω aufweist Der Werkstoff des Widerstands 1 ist so gev.'ählt, daß bei der Betriebstemperatur seine elektrische Leitfähigkeit stark von der Konzentration eines nachzuweisenden bestimmten Gases oder Dampfes in der zu prüfenden Atmosphäre abhängt, wobei der Werkstoff vorzugsweise ein aktiviertes Metalloxid ist, wie es in der oben angegebenen Patentschrift (vgl. Patentanmeldung P 21 42 7963) angegben ist Bei Verwendung eines derartigen aktivierten Oxids liegt eine geeignete Betriebstemperatur normalerweise im Bereich von 40C—700⁰C, wobei der Wert in einem speziellen Fall von der Zusammensetzung des Oxids und des nachzuweisenden Gases oder Dampfes abhängt und wobei der Widerstandswert des Widerstands 1 bei der Betriebstemperatur typisch in der Größenordnung von Tausenden oder Zehntausenden Ω liegt. Das Erhitzen des Fühlers auf eine Temperatur im genannten Bereich erfordert eine Spannung im Bereich von 0,9—1,6 V am Heizer 5, wobei die resultierende Erhöhung des Widerstandswerts des Heizers 5 diesen auf einen Widerstandswert von 2—3 Ω bringt.

Gemäß F i g. 2 hat der Gasdetektor als Stromquelle eine Batterie-5, die aus drei Nickel-Cadmium-Zellen besteht, die im Betrieb zwischen einem positiven Speiseanschluß 7 und einem negativen Speiseanschluß 8 liegen; die Spannung der Batterie 6 beträgt bei voller Aufladung 4,05 V, fällt jedoch auf einen Wert von 3,35 V, wenn die Batterie 6 sich entlädt. Der Heizer 5 des Gasfühlers von F i g. 1 liegt in einer Brücke ABCD, wobei Anschlüsse A und C der Brücke mit dem Anschluß 7 bzw. dem Kollektor eines NPN-Transistors 9 (z. B. der Firma Motorola, Typ MPS UO6) mit einer Nennleistung von 1 W verbunden sind; der Emitter des Transistors 9 ist mit dem Anschluß 8 verbunden, so daß im Betrieb der Brücke Über die Anschlüsse A und C ein Strom zügeführt wird, dessen Stärke vom Basisstrom des Transistors 9 abhängt. Der Heizer 5 liegt im Zweig AB der Brücke, wobei ein Widerstand 10 in Reihe mit dem Heizer 5 in diesem Zweig geschaltet ist, falls die notwendige Heizerspannung zum Erreichen der erforderlichen Betriebstemperatur kleiner als 1,4 V ist; der Widerstand 10 wird weggelassen, wenn die erforderliche Heizerspannung über diesem Wert liegt. Die übrigen Brückenzweige BC, CD und DA bestehen aus einem Widerstand 11 bzw. der Serienschaltung eines Stellwiderstands 12 (mit einem Höchstwert von 20 Ω) und einem Festwiderstand 13 (mit einem Wert zwischen 150 und 200 Ω) bzw. einem Widerstand 14 (240 Ω).

Die Anordnung Ist geeignet zum Betreiben des Heizers 5 bei jeder gewählten Temperatur im Bereich 400—700⁰C; für einen bestimmten Sollwert der Betriebstemperatur werden die Widerstandswerte der Widerstände 10 (falls vorhanden), 11 und 13 in jedem Fall aus einer kleineren Anzahl von Standardwerten gewählt, so daß, wenn der Heizer 5 einen Widerstandswert entsprechend der Soll-Betriebstemperatur hat, die Brücke genau durch entsprechende Einstellung des Widerstands 12 abgeglichen werden kann. Es ist ersichtlich, daß die erforderlichen Widerstandswerte der Widerstände 10 und 11 immer relativ klein sind, so daß der größte Teil des Brückenspeisestroms durch die Zweige AB und BCfließt.

Der Basisstrom des Transistors 9 ist so eingestellt, daß er bei normalem Betrieb automatisch in Abhängigkeit von der Spannung zwischen den Anschlüssen B und D geregelt wird, und zwar durch eine Servoschleife mit einem als Differenzverstärker geschalteten Operationsverstärker 15 (Intersil-Typ 8G21C) und einem PNP-Transistor 16 (Mullard-Typ BCY72). Der Anschluß B ist über einen Widerstand 17 (100 Ω) mit dem Invertereingang des Operationsverstärkers 15 verbunden, während der Anschluß D direkt mit dem Nichtinvertereingang des Operationsverstärkers verbunden ist Der positive und negative Speiseanschluß des Operationsverstärkers 15 sind mit den Anschlüssen 7 bzw. 8 verbunden, und der Strom-Stellanschluß des Operationsverstärkers 15 ist an den Anschluß 8 über einen Widerstand 18 (100 kO) angeschlossen; die Eingangs-Offset-Stellanschlüsse des Operationsverstärkers 15 haben zwischen sich ein verstellbares Potentiometer 19(100 kO), dessen Abgriff mit dem Anschluß 8 verbunden ist, und ein Rückkopplungswiderstand 20 (1 ΜΩ) liegt zwischen dem Ausgang und dem Invertereingang des Operationsverstärkers 15. Der Operationsverstärker 15 arbeitet nicht zufriedenstellend, wenn die Spannung zwischen seinem positiven Speiseeingang und seinem positiven Eingang unter 1,4 V fällt, weshalb der Widerstand 10 in der Brücke vorgesehen ist wenn die erforderliche Heizerspannung unter diesem Wert liegt Der Ausgang des Operationsverstärkers 15 ist über einen Widerstand 21 (240 Ω) mit der Basis des Transistors 16 verbunden, dessen Emitter mit dem Anschluß 7 verbunden ist, während der Kollektor des Transistors 16 über einen Widerstand 22 (75 Ω) an die Basis des Transistors 9 angeschlossen ist; ein Kondensator 23 (0,1 μΡ) liegt zwischen der Basis und dem Kollektor des Transistors 16, um keine Schwingungen aufkommen zu lassen. Es ist ersichtlich, daß der Detektor ferner einen NPN-Transistor 24 hat, dessen Kollektor bzw. Emitter mit der Basis bzw. dem Emitter des Transistors 9 verbunden sind; der Zweck des Transistors 24 wird weiter unten erläutert werden, hier soll nur gesagt werden, daß bei normalem Betrieb des Detektors der Transistors 24 praktisch gesperrt ist, so daß er vernachlässigt werden kann.

In normalem Betrieb stellt die Servoschleife den Brückenspeisestrom so ein. daß der Widerstandswert des Heizers 5 im wesentlichen auf einem Festwert gehalten wird, der der Soll-Betriebstemperatur entspricht, und zwar bestimmt durch die Widerstandswerte der Widerstände 10 (falls vorhanden), 11 und 13 sowie die Einstellung des Widerstands 12. Im Idealfall arbeitet die Anordnung so, daß die Brücke genau abgeglichen gehalten wird, jedoch empfiehlt es sich in der Praxis, zur besseren Stabilisierung das Potentiometer 19 einzustellen, das die Eingangsoffsetsteuerung des Operationsverstärkers 15 vornimmt, so daß der Anschluß D auf ca. 1 mV positiv gegenüber dem Anschluß B gehalten wird. Die Stabilität der Temperaturregelung hängt von der Stabilität der Widerstände in der Brücke ab. Da die Widerstände 10 (wenn vorhanden) und 11 einen beträchtlichen Strom ziehen, sind sie vorzugsweise aus Draht mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstands gewickelt und in ihren Abmessungen groß genug gemacht, daß ihre Temperatur bei Normalbetrieb nicht sehr oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Die Widerstände 13 und 14 können Metallschichtwiderstände darstellen, während der Widerstand 12 zweckmäßigerweise vom »Cermet«-Typ ist.

Der Widerstand 1 des Gasfühlei s von F i g. 1 liegt in einer zweiten Brücke EFCH, deren Anschlüsse fund G mit den Anschlüssen A bzw. C verbunden sind; die Zweige EF, FC, GH und HE der zweiten Brücke bestehen aus dem Widerstand 1 bzw. der Reihenschaltung von zwei Stellwiderständen 25 (Höchstwert 5 kΩ) und 26 (Höchstwert 1 kΩ) und eines Festwiderstands 27 bzw. einem Widerstand 28 (470 Ω) bzw. einem Wider-

stand 29 (470 Ω). Die Brücke EFGH ist so aufgebaut, daß bei Normalbetrieb sie abgeglichen ist, wenn der Widerstand 1 einer Atmosphäre ausgesetzt ist, in der das nachzuweisende Gas oder der nachzuweisende Dampf fehlen; dies erfordert eine geeignete Auswahl des Widerstandswerts des Widerstands 27 entsprechend der Zusammensetzung und der Soll-Betriebstemperatur des Widerstands 1 und geeignete Einstellungen des Grob- und Feinabgleichs durch die Widerstände 25 bzw. 26. Die Anschlüsse H und F sind über Widerstände 30 (10 kQ) bzw. 31 (1 k£l) mit dem Inverter- bzw. Nichtinverter-Eingang eines zweiten als Differenzverstärker geschalteten Operationsverstärkers 32 (Intersil-Typ 8021C) verbunden. Der positive und der negative Speiseanschluß des Verstärkers 32 sind mit den Anschlüssen 7 bzw. 8 verbunden, der Strom Steüanschiiiß des Verstärkers 32 mit dem Anschluß 8 über einen Widerstand 33 (100 kO.), die Eingangs-Offset-Stellanschlüsse des Verstärkers 32 haben zwischen sich ein verstellbares Potentiometer 34 (10OkQ) geschaltet, dessen Abgriff mit dem Anschluß 8 verbunden ist, und ein Rückkopplungswiderstand 35 (10 kD) liegt zwischen dem Ausgang und dem Inverter-Eingang des Operationsverstärkers 32. Ein Amperemeter 36 und ein Stellwiderstand 37 (Höchstwert 10 kQ) liegen in Reihe zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 32 und dem Anschluß H, wobei das Potentiometer 34 so eingestellt ist, daß der Strom durch das Amperemeter 36 Null ist, wenn die Brücke EFGH abgeglichen ist. Wenn der Widerstand 1 einer Atmosphäre ausgesetzt ist, in der ein nachzuweisendes Gas oder ein nachzuweisender Dampf vorhanden ist, verursacht die resultierende Änderung seines Widerstandswerts eine Verstimmungs-Spannung zwischen den Anschlüssen Fund H, so daß Strom durch das Amperemeter 36 mit einer Stärke fließt, die von der Konzentration des betreffenden Gases oder Dampfes abhängt; die Kalibrierung der Anzeige des Amperemeters 36 in Werten dieser Konzentration kann durch Einstellung des Widerstands 37 vorgenommen werden.

Die oben beschriebene Anordnung hat den Vorteil, eine bedeutend stabilere Spannungsversorgung für die Brücke EFGH zu erzielen, als es der Fall gewesen wäre, wenn diese Schaltung direkt von der Batterie 6 gespeist worden wäre, da der Betrieb der Servoschleife so ist, daß die Spannung zwischen den Anschlüssen A und C im wesentlichen unabhängig von der Spannung der Batterie 6 ist. Auf diese Weise wird, ohne daß ein gesonderter Spannungskonstanthalter notwendig ist, gewährleistet, daß die Anzeige des Amperemeters 36 für eine gegebene Konzentration des nachzuweisenden Gases oder Dampfes nicht wesentlich durch Spannungsschwankurigen der Batterie 6 beeinträchtigt wird. Der Betrieb der Servoschleife verursacht zwar naturgemäß einige Schwankungen der Spannung zwischen den Anschlüssen A und C, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, jedoch ist der Bereich dieser Spannungsschwankung aufgrund dieser Ursache hinreichend klein in seiner Auswirkung auf die Anzeige des Amperemeters 36, so daß er in der Praxis vernachlässigbar ist

Die bisherige Beschreibung hat sich nur mit dem normalen Betrieb des Detektors beschäftigt, wenn der Gasfühler auf einer hohen Temperatur gehalten wird; es bleibt jetzt noch zu erörtern, was passiert, wenn die Anordnung mit dem Gasfühler anfangs bei Umgebungstemperatur eingeschaltet wird. Ein schnelles Aufheizen des Fühlers auf dessen normale Betriebstemperatur kann eine vorübergehende Änderung in der Widerstandswert-Kennlinie des Widerstands 1 verursachen, so daß eine beträchtliche Erholungszeit (möglicherweise bis zu 15 min) vorgegeben werden muß, bis das Instrument genau anzeigt. Die Dauer dieser Erholungszeit kann verringert werden durch Verringerung der Aufheizrate, was im vorliegenden Fall durch eine Anordnung erreicht wird, die den Speisestrom der Brücke ABCD so begrenzt, daß die Spannung zwischen den Anschlüssen A und C, wenn der Heizer 5 unterhalb der ίο Soll-Betriebstemperatur ist, nur etwas die Spannung zwischen den Anschlüssen A und C überschreitet, wenn der Heizer 5 sich auf der Soll-Temperatur befindet; in Abwesenheit einer derartigen Anordnung wurde die relativ große Verstimmungs-Spannung, die anfangs zwisehen den Anschlüssen B und D auftritt, wenn der Detektor eingeschaltet wird, den Transistor 9 in einen Sättigungszustand treiben, so daß die Spannung zwischen den Anschlüssen A und C nahezu gleich der Spannung der Batterie 6 werden würde.

Die Begrenzeranordnung hat einen Transistor 24 (Mullard-Typ BC109) und einen PNP-Transistor 38 (Mullard-Typ BCY71), dessen Kollektor mit der Basis des Transistors 24 und über einen Widerstand 39 (10 kO) mit dem Anschluß 8 verbunden ist. Der Emitter und die Basis des Transistors 38 sind mit Punkten von zwei Spannungsteilern zwischen den Anschlüssen A und C entsprechend verbunden, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Transistor 28 und damit auch der Transistor 24 leiten, wenn die Spannung zwischen diesen Anschlüssen ca. 0,1 V überschreitet, also den Wert, bei dem der Heizer 5 die Soll-Betriebstemperatur angenommen hat. Zu diesem Zweck ist der Emitter des Transistors 38 mit dem Anschluß A über eine Referenzdiode 40 (Mullard-Typ BZY88-C1V3) und mit dem Anschluß C über einen Widerstand 41 (330 Ω) verbunden; die Basis des Transistors 38 ist mit dem Anschluß A über einen Widerstand 42 (12 kQ) in Reihe mit der Parallelkombination eines Thermistors 43 (Standard-Telephones-and-Cables-Typ G14) und eines Widerstands 44 (39 kQ) verbunden, und ferner verbunden mit dem Anschluß C über einen Festwiderstand 45 (5,6 kQ) in Reihe mit einem Steliwiderstand 46 (Höchstwert 5 kO), dessen Einstellung den genauen Kennlinienpunkt bestimmt, bei dem der Transistor 38 leitet. Der Begrenzer arbeitet so, daß jede Neigung der Anordnung, daß die Spannung zwischen den Anschlüssen A und Cden Wert überschreitet, bei dem der Transistor 38 leitet, zu einer Verringerung in der Ansteuerung des Transistors 9 führt, die durch einen niederohmigen Nebenschluß erzielt wird, der so durch den Transistor 24 gebildet wird, so daß geeignet der Speisestrom der Brücke ABCD begrenzt wird. Ein Kondensator 47 (0,1 μΡ) liegt zwischen de~ Kollektor und der Basis des Transistors 24, um jede Schwingungsgefahr zu unterdrücken.

Wie bereits erwähnt wurde, ändert sich die Spannung zwischen den Anschlüssen A und C im normalen Betriebszustand mit der Umgebungstemperatur, weshalb der Begrenzer einen geeigneten Anpassungstemperaturkoeffzient haben muß, so daß, wenn die Umgebungstemperatur schwankt, die Differenz zwischen dieser Spannung und der Spannung, bei der die Begrenzung einsetzt, im wesentlichen konstant gehalten wird. Dies wird in der beschriebenen Schaltung durch einen geeigneten Abgleich zwischen den Kennlinien der Diode 40 und des Impedanz-Netzwerks erreicht, das durch den Thennistor 43 und die Widerstände 42 und 44 gebildet ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Gasdetektor, mit

— einem gasempfindlichen Widerstand,

— der aus einem Halbleiter besteht und

— der mit einer zu prüfenden Atmosphäre in Kontakt steht,

— einem elektrischen Widerstandsheizer,

— der eng benachbart zum gasempfindlichen Widerstand angeordnet ist,

— einer Stromversorgung des Widerstandsheizers, zur Aufheizung des gasempfindlichen Widerstands auf Temperaturen, bei denen der Widerstandswert des Halbleiters von der Konzentration einer bestimmten Gassubstanz in der zu prüfenden Atmosphäre abhängt und

— einer Nachweiseinrichtung, die auf Änderungen des Widerstandswertes des gasempfindlichen Widerstands anspricht,

dadurch gekennzeichnet, daß

— die Stromversorgung des elektrischen Widerstandsheizers (5) eine Widerstandsbrücke (ABCD) aufweist,

— deren Eingänge (A, C) in Reihe mit einem Stromregler (9) an die Anschlüsse einer Spannungsquelle geschaltet sind,

— der Heizwiderstand (5) in einem Zweig (A, B) der Brücke (ABCD) liegt,

— der Heizwiderstand (5) einen hohen Temperaturkoeffizienlen hat und

— eine Servoschleife (15—23) vorgesehen ist, die den Stromregler (9) in Abhängigkeit von der an den Ausgängen (B, D) der Widerstandsbrücke (ABCD)anliegenden Spannung steuert.