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Gasdetektor Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasdetektor mit
zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen und betrifft insbesondere
Gasdetektoren,bei welchen Halbleiter-Gasabtastelemente verwendet werden.
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Um in einer Atmosphäre enthaltene gefährliche Gas wie entflammbare
Gase und giftige Gase zu entdecken oder zu erfassen, sind verschiedene Arten von
Halbleiter-Gasdetektoren vorgeschlagen und entwickelt worden. Fig. 1 zeigt ein Beispiel
eines typischen bekannten Halbleiter-Gasdetektors , welcher zwei mit einer nicht
gezeigten Gleichspannungsquelle zu verbindende Eingangsanschlüsse 1 und 2, eine
Reihenschaltung eines Widerstands R und eines Halbleiter-Gasabtastelements A zwischen
den Eingangsanschlüssen 1 und 2 und zwei mit
dem Ende des Widerstands
R verbundene Ausgangsanschlüsse 3 und 4 aufweist. Die Ausgangsanschlüsse 3 und 4
werden mit einer nicht dargestellten geeigneten Einrichtung zum Anzeigen oder Aufzeichnen
der Ausgangs spannung verbunden.
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Das Halbleiter-Gasabtastelement A ist eines von verschiedenen Arten
bekannter n-Typ reduzierender Oxidhalbleitermaterialien, wie z.B.
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n-Typ Zinnoxid, welches eine kleine Menge eines geeigneten Katalysators
enthält. Die Kennlinie des Gasabtastelements bezüglich des elektrischen Widerstands
relativ zu dem Gas und dementsprechend die Ausgangsspannungskennlinie gegenüber
dem Gas des Gasdetektors, in welchem das Gasabtastelement verwendet wird, kann leicht
dadurch zu einer gewünschten Kennlinie gemacht werden, daß lediglich die Menge des
dem Halbleitermaterial zugefügten Katalysators geändert wird. Das Gasdetektorelement
weist allgemein eine geeignete Heizeinrichtung h zum Aufheizen des Gasabtastelements
auf eine erhöhte Temperatur zu dessen Aktivierung auf.
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Der in Fig. 1 dargestellte Gasdetektor zeigt eine Spannungstemperaturkennlinie
über den Ausgangsanschlüssen 3 und 4, wie sie in den verschiedenen Kurven in Fig.
2 dargestellt ist. In der Kurvendarstellung ist die Ausgangsspannung des Gasdetektors
über der Temperatur in Grad Celsius aufgetragen. Die Rurven P, H, M und I zeigen
die Ausgangsspannungen über den Ausgangsanschlüssen 3 und 4, wenn der Gasdetektor
in eine Atmosphäre aus Luft gebracht wird, welche 1000 ppm Gaskomponenten Propangas,
Wasserstoffgas, Methangas bzw.
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Isobutangas enthält, und wenn eine Spannung von 100 V an die Eingangsanschlüsse
1 und 2 angelegt und ein Widerstandswert von 4 kR für den Widerstand R gewählt ist.
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Wenn statt des ersten Gasabtastelements A ein anderes verschiedenes
zweites Gasabtastelement A', welches eine andere Menge des oben beschriebenen Katalysators
enthält, in der gleichen Gasdetektorschaltung wie in Fig. 1 dargestellt verwendet
wird, zeigt der Gasdetektor mit dem zweiten Gasabtastelement At Ausgangsspannungstemperaturkennlinien
für
Propangas, Wasserstoffgas, Methangas und Isobutangas wie in Fig. 3 gezeigt, welche
von den in Fig. 3 gezeigten Kennlinien recht verschieden sind. Die Kennlinienkurven
P, H, M und I sind unter den gleichen Bedingungen wie die in Fig. 2 dargestellten
erhalten, jedoch für das zweite Gasabtastelement A'.
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Aus diesen in den Fig. 2 und 3 dargestellten Kennlinienkurven ist
leicht zu erkennen, daß mit jedem der ersten und zweiten Gasabtastelemente A und
A' verschiedene Arten von Gaskomponenten zur gleichen Zeit erfaßt werden, wodurch
verhindert wird, daß der Gasdetektor selektiv eine bestimmte zu erfassende Gaskomponente
erfaßt. In einigen Fällen ist es unmöglch,gefährliche Gase wie entflammbare Gase
oder ein giftiges Gas durch die Benutzung des bekannten Gasdetektors unter Verwendung
eines einzigen Halbleiter-Gasabtastelements zu erfassen. So ist der bekannte Gasdetektor
für solche Zwecke nicht zufriedenstellend oder in einigen Fällen nutzlos. Weiter
ist der bekannte Gasdetektor ungeeignet, die erfaßte Gaskomponente zu identifizieren
, und er ist unzuverlässig und teilweise unwirksam.
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Ziel der Erfindung ist es daher, einen Gasdetektor zu schaffen, welcher
Gaskomponenten genau zu unterscheiden vermag und sehr zuverlässxig ist. Der Gasdetektor
soll dabei unter Verwendung üblicher Gasabtastelemente einen einfachen Aufbau haben.
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Dieses Ziel wird mit einem Gasdetektor der eingangs beschriebenen
Art erreicht, welcher erfindungsgemäß einen elektrischen Schaltkreis mit mehreren
zwischen die Eingangs anschlüsse und die Ausgangsanschlüsse geschalteten Gasabtastelementen
aufweist, welche verschiedXene Empfindlichkeiten für wenigstens eine der zu erfassen
den Gaskomponenten haben.
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Weiterbildungen bzw. zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gasdetektors ergeben sich aus den Ansprüchen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
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werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 ein Schaltbild
eines bekannten Gasdetektors unter Verwendung eines einzigen Halbleiter-Gasabtastelements,
Fig. 2 die Ausgangsspannungskennlinien des in Fig. 1 gezeigten Gasdetektors für
verschiedene Gase, Fig. 3 die Ausgangsspannungskennlinien eines anderen Gasdetektors
unter Verwendung einer anderen Art von Salbleiter-Gasabtastelementen, Fig. 4 ein
Schaltbild eines erfindungsgemäßen Gasdetektors, Fig. 5 eine Kurvendarstellung,
welche die Ausgangsspannungs-Temperaturkennlinien für verschiedene Gase des in Fig.
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4 gezeigten Gasdetektors zeigt, Fig. 6 bis 8 Schaltbilder modifizierter
Gasdetektoren gemäß der Erfindung, Fig. 9 eine Kurvendarstellung, welche die Ausgangsspannungs-Temperaturkennlinien
für verschiedene Gase des in Fig. 8 gezeigten Gasdetektors zeigt, Fig. 10 bis 12
Schaltbilder weiterer modifizierter Gasdetektoren gemäß der Erfindung, und Fig.
13 eine Schnittansicht, welche ein erstes und ein zweites Gasabtastelement in einem
einheitlichen Aufbau ausgebildet zeigt.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche oder einander
entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Fig. 4 zeigt einen gemäß der Erfindung aufgebauten Gasdetektor und
läßt leicht erkennen, daß der erfindungsgemäße Gasdetektor 10 dadurch gebildet worden
ist, daß einfach ein zweites Halbleiter-Gasabtastelement A', welches die in Fig.
3 gezeigten Eigenschaften hat, zwischen das erste Gasabtastelement A und einen hiermit
in Reihe geschalteten Widerstand R mit 10 k anL eingefügt worden ist. Im übrigen
ist die Schaltung die gleiche wie die in Fig. 1 gezeigte.
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Der Gasdetektor 10 hat Ausgangsspannungs-Temperatur-Kennlinien für
verschiedene Gase über den Ausgangsanschlüssen 3 und 4, wie es in einer Kurvendarstellung
in Fig. 5 gezeigt ist. Aus der Kurvendarstellung, die auf gleiche Weise wie die
in Fig. 2 und 3 gezeigte Kurvendarstellung gezeichnet ist, ist zu erkennen, daß
der zwei verschiedene Gasabtastelemente A und A' aufweisende Gasdetektor 10 eine
Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffgas allein innerhalb eines Temperaturbereichs
von 1000 C bis 1500 C hat. Der Grund hierfür ist, daß sowohl das erste Gasabtastelement,
als auch das zweite Gasabtastelement A' eine Ausgangs spannung über dem Widerstand
R ergeben.
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Es ist leicht zu verstehen, daß der Gasdetektor 10 gemäß der Erfindung
die Ausgangsspannungs-Temperatur-Kennlinien für verschiedene Gaskomponenten wie
in Fig. 5 gezeigt ergibt, wenn in Betracht gezogen wird, daß die in Reihe geschalteten
ersten und zweiten Gasabtastelemente A und A' , welche die Kennlinien wie in den
Fig.
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2 bzw. 3 gezeigt haben, in die Schaltung eingefügt sind. Im einzelnen
wird unter der Annahme, daß der Gesamtwiderstandswert des ersten und zweiten Gasabtastelements
A und A' des in einer Atmosphäre reiner Luft angeordneten Gasdetektors 10 100 ist,
der Widerstandswert des Widerstands R etwa 10 sein. Der Gesamtwiderstandswert der
in einer Atmosphäre von jedes beliebige der Gase, welche von den Gasabtastelementen
A und A' erfaßt werden können, enthaltender Luft angeordneten ersten und zweiten
GasabtastelementenA und A' wird in der Größenordnung von 1 sein. Daher kann, wie
aus den
Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, jedes der Gasabtastelemente
A und A' kaum das Vorhandensein von Wasserstoffgas , Methangas, Propangas und Isobutangas
erfassen und zeigt einen hohen Widerstand bei einer Temperatur unter 1000C, wodurch,
wie in Fig. 5 gezeigt, fast keine Ausgangsspannung über dem Widerstand R auftritt.
In einem Tempera-0 0 turbereich von i000 C von 150 C erfassen sowohl das erste als
auch das zweite Gasabtastelement A bzw. A' allein Wasserstoffgas und verringern
ihre Widerstandswerte, wobei sich eine Ausgangsspannung über dem Widerstand R wie
aus der Kurve H in Fig. 5 zu erkennen 0 ergibt Über 150 C erfassen die Gasabtastelemente
A und A' Wasserstoffgas, Propangas und Isobutangas, was zu der entsprechenden Ausgangs
spannung über dem Widerstand R führt. Da Methangas die Empfindlichkeit des zweiten
Gasabtastelements A' über dem gesamten möglichen Temperaturbereich nicht merklich
beeinflußt, ergibt dieses nur eine sehr kleine, vernachlässigbare Ausgangsspannung
über dem Widerstand R, wie es durch die Kurve M in Fig. 5 dargestellt ist.
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So können mit dem in Fig. 4 dargestellten Gasdetektor 10, bei welchem
ein erstes und ein zweites Gasabtastelement A und A' mit jeweils verschiedenen Eigenschaften
in Reihe und zusammen mit dem Widerstand R im Ausgang über die Eingangs anschlüsse
1 und 2 geschaltet sind,selbst solche Gase, die sowohl von dem ersten als auch von
dem zweiten Gasabtastelement A bzw. A' erfaßt werden , Ausgangs spannungen über
den Ausgangs anschlüssen 3 und 4 ergeben. Alternativ kann, wenn zu viele Arten von
Gaskomponenten, die von den beiden Gasabtastelementen A und A' zum Unterscheiden
eines bestimmten Gases abgetastet werden, in der zu überwachenden Atmosphäre enthalten
sind, jede gewünschte Anzahl von erforderlichen Gasabtastelementen mit weiteren
unterschiedlichen Empfindlichkeiten oder Eigenschaften gegenüber Gasen zusätzlich
in Reihe mit den ersten und zweiten Gasabtastelementen A und A' geschaltet werden,
wodurch die Selektivität des Gasdetektors für Gase erhöht wird.
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Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasdetektors
20, bei welcher eine Brückenschaltung bestehend aus zwei Widerständen R und R' und
einem ersten und einem zweiten Gasabtastelement A und A' aufgebaut ist, welche durch
eine geeignete Heizeinrichtung h auf etwa 1300 C aufgeheizt werden. Die Gasabtastelemente
A und A' sind die gleichen im Aufbau wie die in der in Fig. 4 gezeigten Schaltung
und sind so geschaltet, daß sie zwei benachbarte Zweige der Brücke bilden. Durch
die-Verwendung des Gasdetektors 20 diesen Aufbaus kann Wasserstoffgas, welches beide
Gasabtastelemente A und A' beeinflußt1 nicht erfaßt werden, weil die Widerstandsänderungen
der beiden Gasabtastelemente A und A' einander kompensieren, während Propangas oder
Methangas in der Form einer über den Ausgangsanschlüssen 3 und 4 auftretenden Ausgangsspannung
erfaßt werden kann, weil der Gleichgewichtszustand der Brückenschaltung gestört
wird. Die Unterscheidung zwischen Propangas und Methangas kann leicht durch Bestimmen
der Polarität der Ausgangs spannung folgen.
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Fig. 7 zeigt einen weiteren , gemäß der Erfindung aufgebauten Gasdetektor
30. Der Gasdetektor 30 ist dem in Fig. 6 gezeigten Gasdetektor 20 ähnlich, mit der
Ausnahme, daß die Gasabtastelemente A und A' so geschaltet sind, daß sie in zwei
gegenüberliegenden Zweigen der Brückenschaltung liegen, und daß die Widerstände
R und R' in den entsprechend verbleibenden Zweigen liegen. Mit dieser Anordnung
ergibt ein Gas wie Wasserstoffgas, welches von sowohl dem ersten als auch dem zweiten
Gasabtastelement A bzw. A' erfaßt wird, eine Ausgangsspannung über den Ausgangsanschlüssen
3 und 4 , wodurch der Gasdetektor 30 ein solches Gas erfassen kann.
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Fig. 8 zeigt ein Schaltbild eines weiteren modifizierten Gasdetektors
40 als Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gasdetektor 40 enthält das erste Gasabtastelement
A in Reihe mit einer Diode D parallel zu dem zweiten, in Reihe mit einer Diode D'
geschalteten Gasabtastelement A'. Die Diode D' ist in bezug auf die Diode D
umgekehrt
gepolt. Eine nicht gezeigte Wechselspannungsquelle von 100 V ist mit den Eingangsanschlüssen
1 und 2 verbunden.
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Im übrigen entspricht die Schaltung der in Fig. 4 gezeigten Schaltung.
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Fig. 9 zeigt die Wellenformen H, M und I der über den Ausgangsanschlüssen
3 und 4 des in Fig. 8 dargestellten Gasdetektors 40 auftretenden Ausgangsspannungen
, wenn die Atmosphäre 1000 ppm Wasserstoffgas, Methangas bzw. Isobutangas enthält.
Von den Wellenformen ist zu erkennen, daß die Kurve H für Wasserstoffgas im wesentlichen
eine Vollwelle ist, wie sie gewöhnlich bei einer normalen Wechselspannung auftritt,
die Kurve M im wesentlichen eine positive Halbwelle darstellt, und die Kurve I im
wesentlichen eine negative Halbwelle ist. So können durch Bestimmen der Eigenschaft
oder der Form der Ausgangsspannungswellenform über den Ausgangsanschlüssen 3 und
4 die in der Atmosphäre erfaßten Gaskomponenten leicht identifiziert werden.
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Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung nur
ein einziges Paar von Ausgangsanschlüssen 3 und 4 zum Vorsehen der erforderlichen
Spannungswerte für das Erfassen des Gases verwendet werden, ist zu bemerken, daß
mehr als zwei Paar von Ausgangsanschlüssen verwendet werden können, um die Gase
zu erfassen und zu identifizieren. Zum Beispiel kann wie in Fig. 10 dargestellt
ein Gasdetektor 50 zwei Ausgangsanschlüsse 5 und 6 über dem ersten Gasabtastelement
A aufweisen. Die weiteren Merkmale des Gasdetektors 50 sind gleich denen des in
Fig. 4 gezeigten Gasdetektors 10 . Mit dieser Schaltungsanordnung ergeben sich,
0 wenn die Gasabtastelemente A und A' auf etwa 130 C aufgeheizt werden, und wenn
der Widerstand R einen Widerstandswert von 10kit hat, die in der folgenden Tabelle
dargestellten Ausgangsspannungen VR und VA über den Ausgangs anschlüssen 3 und 4
bzw. 5 und 6 für reine Luft Ai für 1000 ppm Gaskomponenten Wasserstoffgas H, Propangas
P, Isobutangas I und Methangas M.
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A. H P I M VA 48V 16V 86V 76V 4V VR 6V 48V 8V 6V 4V Wie aus der obigen
Tabelle klar zu erkennen ist, ist die Ausgangsspannung VAfür Wasserstoffgas H kleiner
als die für gereinigte Luft Ai , während die Ausgangsspannung VR für Wasserstoffgas
H größer ist als die von gereinigter Luft Ai. Für Propangas P und Isobutangas I
ist allein die Ausgangs spannung VA wesentlich und es wird nur eine kleine Ausgangs
spannung VR über den Ausgangsanschlüssen 2 und 4 entwickelt. Für Methangas M wird
fast keine Ausgangsspannung VA oder VR entwickelt. Unter Verwendung der obigen Zusammenhänge
in den Ausgangs spannungen VR und VA läßt sich daher eine individuelle Erfassung
von Wasserstoff, einer Zusammensetzung von Propan und Isobutan und von Methan erzielen.
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Der in Fig. 11 dargestellte Gasdetektor 60, bei welchem der Widerstand
R und die Ausgangsanschlüsse 3 und 4 gegenüber der in Fig.
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10 gezeigten Schaltungsanordnung weggelassen sind, kann Gase dadurch
erfassen, daß die über den Gasabtastelementen A und A' entwickelten Spannungen überwacht
werden. Im einzelnen ist, wenn die Ausgangs spannung über dem ersten Gasabtastelement
A etwa gleich der Quellenspannung ist, das in der Atmosphäre enthaltene Gas ein
solches, welches von dem ersten Gasabtastelement A nicht erfaßt und von dem zweiten
Gasabtastelement A' erfaßt werden kann. Wenn jedes der ersten und zweiten Gasabtastelemente
A und A' eine gegenüber der Quellenspannung gleich aufgeteilte Ausgangs spannung
entwickelt, kann bestimmt werden, daß das in der Atmosphäre enthaltene Gas ein solches
ist, welches weder vom ersten noch vom zweiten Gasabtastelement A bzw. A' erfaßt
werden kann und welches von einem anderen Gasabtastelement erfaßt werden kann.
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Weiter kann ein Gasdetektor 70, wie er in Fig. 12 dargestellt ist,
wo eines der Gasabtastelemente A oder A' des in Fig. 4 gezeigten Gasdetektors 10
durch mehrere parallel geschaltete Gasabtastelemente
mit verschiedenen
Empfindlichkeiten für verschiedene Gaskomponenten ersetzt ist, dazu verwendet werden,
Gaskomponenten in der Atmosphäre zu erfassen. Wenn die Spannung über der erwähnten
Parallelschaltung genügend hoch ist, ist die in der Atmosphäre enthaltene Gaskomponente
eine solche, welche von keinem der parallel geschalteten Gasabtastelemente erfaßt
werden kann. Wenn die Ausgangsspannung über der Parallelschaltung im wesentlichen
0 ist, ist das in der Atmosphäre enthaltene Gas ein solches, welches von einem der
beiden, die Parallelschaltung bildenden Gasabtastelementen erfaßt werden kann.
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Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit Gasdetektoren beschrieben
worden ist, deren Gasabtastelemente im Aufbau getrennt sind, ist zu bemerken, daß
diese Gasabtastelemente auch integral oder einstückig aufgebaut sein können, wodurch
der Gasdetektor kompakt, einfach und leicht zu handhaben wird. Fig. 13 zeigt ein
solches Beispiel, aus dem zu erkennen ist, daß das erste und zweite Gasabtastelement
A bzw. A' integral zueinander aufgebaut sind. Die integral aufgebauten Gasabtastelemente
A und A' werden von einem hohlen rohrförmigen Porzellanteil 7 getragen, durch welches
ein Heizelement h eingeführt ist. Leitungsdrähte 8 und 8' sind mit den Gasabtastelementen
A und A' verbunden.
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Wenn die parallel geschalteten Gasabtastelemente A und A' in einem
einheitlichen Aufbau ausgebildet werden sollen, wird einer der Leitungsdrähte an
der Grenze zwischen den Gasabtastelementen A und A' eingebettet, um eine Verbindung
zu beiden Gasabtastelementen A und A' zu ergeben, während der andere der Leitungsdrähte
an seinem Ende aufgeteilt und mit den entsprechenden Gasabtastelementen A und A'
verbunden ist.
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Weiter können, wie aus der in Fig. 8 gezeigten Schaltungsanordnung
klar zu erkennen ist,die ersten und zweiten, verschiedene Eigenschaften für mehr
als eine Gaskomponente zeigenden Gasabtastelemente A und A' dadurch vorgesehen werden,
daß die Gasabtastelemente
der gleichen Art auf verschiedene Temperaturen
aufgeheizt werden, statt die in dem Gasabtastelement enthaltene Menge von Katalysator
zu ändern.
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Kurz umrissen umfaßt die Erfindung einen Gasdetektor mit mehreren
Halbleiter-Gasabtastelementen, von denen jedes eine andere Empfindlichkeit für wenigstens
eine Gaskomponente zeigt. Die Gasabtastelemente sind elektrisch in einer elektrischen
Schaltung zusammengefaßt, um eine Ausgangsgröße zu ergeben, welche das Vorhandensein
eines bestimmten Gases in der Atmosphäre anzeigt.