DE2433179C3

DE2433179C3 - Gasdetektor zum selektiven Nachweis einer Komponente eines bestimmte Gase enthaltenden Gemischs

Info

Publication number: DE2433179C3
Application number: DE19742433179
Authority: DE
Inventors: Masanori Chiba Kawamura
Original assignee: Nohmi Bosai Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nohmi Bosai Ltd
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1974-07-10
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE2433179A1; DE2433179B2

Description

2. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausgangsspannung aus den an den beiden Gassensoren (A, A') abfallenden Teilspannungen zusammensetzt .

3. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den beide* Gassensoren (A, A") ein weiterer Widerstand (R)in Reihe geschaltet ist, an dessen Klemmen die Ausgangsspannung abgreifbar ist

4. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den beiden Gassensoren (A, A') ein weiterer Widerstand (R) in Reihe geschaltet ist, und daß die Ausgangsspannung sich aus den an einem der Gassensoren (A bzw. A') sowie dem weiteren Widerstand (R) abfallenden Teilspannungen zusammensetzt

5. Gasdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem einen der beiden in Reihe geschalteten Gassensoren (A bzw. A') ein weiterer Gassensor (A"), dessen Katalysator und Heiztemperatur in Abhängigkeit von der nachzuweisenden Komponente gewählt sind, parallel geschaltet ist

6. Gasdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gassensoren (A, A') eine Baueinheit bilden.

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasdetektor zum selektiven Nachweis einer Komponente eines bestimmte Gase enthaltenden Gemischs, mit

a) mindestens zwei HalNeiter-Gassensoren mit jeweils unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit für die bestimmten Gase, und

b) einer die Halbleiter-Gassensoren speisenden Spannungsversorgung.

Ein Gasdetektor der eingangs genannten Art ist aus der CA-PS 9 15458 bekannt In der bekannten

(ill

f.5 Anordnung wird eine Gruppe von Halbleiter-Gassensoren mit jeweils unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit verwendet, um dadurch das Ansprechverhalten des Gasdetektors infolge der Erhöhung der Anzahl unterschiedlicher Gassensoren spezifischer zu machen. Dabei wird an jeden Halbleiter-Gassensor eine elektrische Spannung angelegt, und gleichzeitig der Widerstand eines jeden Halbleiters des Gassfoisors gemessen, wobei das resultierende Ansprechen der Mehrzahl von Gassensoren auf jede einzelne Komponente die selektive Anzeige dieser Komponente liefert Die bekannte Anordnung ist verhältnismäßig aufwendig, da das bessere Ansprechverhalten des Detektors -von einer erhöhten Anzahl von Gassensoren abhängt, wobei beispielsweise vier Gassensoren verwendet werden.

Aus Elektronik, 1972, Heft 5, Seiten 155 bis 156 ist es ferner bekannt, daß die Widerstandsänderung eines Halbleiter-Gassensors bei Vorliegen eines bestimmten Gases durch eine höhere Temperatur beschleunigt wird, so daß derartige Halbleiter-Gasdetektoren mit einer Heizung versehen werden, wobei beispielsweise ein Abschnitt einer Sekundärwicklung eines Transformators die Betriebsspannung für einen mit dem Gasdetektor in Reihe geschalteten Lastwiderstand liefen, während ein zweiter Abschnitt der Sekundärwicklung die Heizspannung für den Gasdetektor ergibt

Derartige Halbleiter-Gasdetektoren sprechen auf alle reduzierenden oder brennbaren Gase und Dämpfe an, z.B. auf Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Methan, Äthan, Propan und Butan, auf Alkohol, flüchtige öle, Azetylen und Schwefeldioxid aber auch auf kohlenstoff oder rußhaltige Luft

Als Halbleitergassensor wird bei der bekannten Anordnung ein Sinterkörper aus Zinnoxid, Zinkoxid und Eisen-III-Oxidteilchen verwendet, in denen Platindrahtspiralen eingebettet sind.

Aus der US-PS 25 83 930 ist schließlich die Verwendung von Gassensoren bekannt, die aus Widerstandselementen bestehen, zu denen zur Erzielung eines unterschiedlichen Ansprechverhaltens / verschiedene Mengen Katalysator zugegeben wurden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasdetektor der eingangs genannten Art zum selektiven Nachweis einer Komponente eines Giasgemisches zu schaffen, der bei verbesserter Zuverlässigkeit einen sehr einfachen Aufbau aufweist

Diese Aufgabe wird beim Gasdetektor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

c) die Halbleiter-Gassensoren jeweils einen die Ansprechempfindlichkeit beeinflussenden Katalysator aufweisen,

d) den Halbleiter-Gassensoren Heizeinrichtungen zugeordnet sind,

e) die beiden Halbleiter-Gassensoren in Serie an die Spannungsversorgung gelegt sind, und

f) die Temperatur sowie die jeweilige Menge des Katalysators der Halbleiter-Gassensoren in Abhängigkeit von der jeweils nachzuweisenden Komponente so gewählt sind, daß sich eine nur für diese Komponente charakteristische Ausgangsspannung ergibt

Als Folge der erfindungsgemäßen Ausbildung kann bereits mittels lediglich zweier hintereinandergeschalteter Gasdetektoren eine sehr genaue und zuverlässige Anzeige einer Gaskomponente erreicht werden.

Weiterbildungen bzw. zweckmäßige Ausführungslfor-

men des erfindu'.igsgemiiÜen Gasdcteklors ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines bekannten Gasdetektors unter Verwendung eines einzigen Halbleiter-Gassensors,

F i g. 2 die Ausgangsspannungskennlinie des in F i g. 1 gezeigten Gasdetektors für verschiedene Gase, to

Fig.3 die Ausgangsspannungskennlinien eines anderen Gasäetektors unter Verwendung einer anderen Art von Halbleiter-Gassensoren,

Fig.4 ein Schaltbild eines hier beschriebenen Gasdetektors, i>

Fig. 5 eine Kurvendarstellung, welche die Ausgangsspannungs-Temperaturkennliniea für verschiedene Gase des in F i g. 4 gezeigten Gasdetektors zeigt,

Fig.6 bis 8 Schaltbilder weiterer modifizierter Ausführungsformen von Gasdetektoren, und

Fig.9 eine Schnittansicht, weiche einen ersten und einen zweiten Gassensor in einem einheitlichen Aufbau ausgebildet zeigt

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet

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-Gassensors A zwischen den Eingangsanschlüssen 1 und 2 und zwei mit den Enden 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 Ausgangsspannung verbunden.

Der Halbleiter-Gassensor A besteht aus einem von verschiedenen Arten bekannter reduzierend wirkender η-Typ Oxidhaibleitermaterialien, wie z. B. η-Typ Zinnoxid, welches eine kleine Menge eines geeigneten Katalysators enthält Die Kennlinie des Gassensors für die Abhängigkeit des elektrischen Widerstands von dem Gas, dem der Gassensor ausgesetzt wird, kann leicht dadurch einen gewünschten Verlauf erhalten, daß lediglich die Menge des dem Halbleitermaterial zugefügten Katalysators geändert wird. Der Gassensor weist eine geeignete Heizeinrichtung h zum Aufheizen des Gassensors auf eine erhöhte Temperatur zu dessen Aktivierung auf.

Der in F i g. 1 dargestellte Gasdetektor zeigt eine Spannungstemperaturkennlinie über den Ausgangsanschlüssen 3 und 4, wie sie in den verschiedenen Kurven in F i g. 2 dargestellt ist In der Kurvendarstellung ist die Ausgangsspannung des Gasdetektors über der Temperatur in Grad Celsius aufgetragen. Die Kurven P, H, M und / zeigen die Ausgangsspannungen über den AusgangsanschlQssen 3 und 4, wenn der Gasdetektor in eine Atmosphäre aus Luft gebracht wird, weiche eine Konzentration von 1000 ppm an Propangas, Wasser- co stoffgas, Methangas bzw. Isobutangas enthält, und wenn eine Spannung von 100 V an die Eingangsanschlüsse 1 und 2 angelegt und ein Widerstandswert von 4 ki2 für den Widerstand R gewählt ist

Wenn statt des ersten Gassensors A ein anderer ₍,₅ verschiedener zweiter Gassensor A', welcher eine andere Menge des oben beschriebenen Katalysators enthält, in der gleichen Gasdetektorschaltung wie in F i g. 1 dargestellt verwendet wird, zeigt der Gasdetektor mit dem zweiten Gassensor A'Ausgangsspannungstemperaturkennlinien für Propangas, Wasserstoffgas, Methangas und Isobutangas wie in Fig.3 gezeigt, welche von den in Fig.2 gezeigten Kennlinien recht verschieden sind. Die Kennlinienkurven P, H, M und / sind unter den gleichen Bedingungen wie die in F i g. 2 dargestellten erhalten, jedoch für den zweiten Gassensor.4'.

, Aus diesen in den Fig.2 und 3 dargestellten Kennlinienkurven ist leicht zu erkennen, daß mit jedem der ersten und zweiten Gassensoren 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 unmöglich, gefährliche Gase wie entflammbare Gase oder ein giftiges Gas durch die Benutzung des bekannten Gasdetektors unter Verwendung eines einzigen Halbleiter-Gassensors zu erfe-sen. 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.

F i g. 4 zeigt einen Gasdetektor, der dadurch gebildet worden ist, daß einfach ein zweiter Halbleiter-Gassensor A', welcher die in Fig.3 gezeigten Eigenschaften hat, zwischen den ersten Gassensor A und einen hiermit in Reihe geschalteten Widerstand R mit 10 IcQ eingefügt worden ist Im übrigen ist die Schaltung die gleiche wie die in F i g. 1 gezeigte.

In einem Temperaturbereich von 100⁰C bis 150⁰C erfassen sowohl der erste als auch der zweite Gassensor A bzw. A' allein Wasserstoffgas und verringern ihre Widerstandswerte, wobei sich eine Ausgangsspannung über dem Widerstand R wie aus der Kurve H in F i g. 5 zu erkennen ergibt Ober 15O⁰C erfassen die Gassensoren A und /4'Wasserstoff gas, Propangas und Isobutangas, was zu der entsprechenden Ausgangsspannung über dem Widerstand R führt Da Methangas die Empfindlichkeit des zweiten Gassensors A' Ober dem gesamten möglichen Temperaturbereich nicht merklich beeinflußt, ergibt dieses nur eine sehr kleine, vemachlässigbare Ausgangsspannung über dem Widerstand R, wie es durch die Kurve Aiin F i g. 5 dargestellt ist

So können mit dem in F i g. 4 dargestellten Gasdetektor 10, bei welchem ein erster und ein zweiter Gassensor A und A' mit jeweils verschiedenen Eigenschaften in Reihe und zusammen mit dem Widerstand R im Ausgang über die Eingangsanschlüsse 1 und 2 geschaltet sind, selbst solche Gase, die sowohl von dem ersten als auch von. dem zweiten Gassensor A bzw. A' erfaßt werden, Ausgangsspannungen über den Ausgangsanschlüssen 3 und 4 ergeben. Alternativ kanu, wenn zu viele Arten von Gaskomponenten, die von den beiden Gassensoren A und A' zum Unterscheiden eines bestimmten Gases abgetastet werden, in der zu überwachenden /.Biosphäre enthalten sind, jede gewünschte Anzahl von erforderlichen Gassensoren mit weiteren unterschiedlichen Empfindlichkeiten oder Eigenschaften gegenüber Gasen zusätzlich in Reihe mit den ersten und zweiten Gassensoren A und A' geschaltet werden, wodurch die Selektivität des Gasdetektors für Gase erhöht wird.

Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nur ein einziges Paar von Ausgangsanschlüssen 3 und 4 zum Abgriff der erforderlichen Spannungswerte für das

Erfassen des Gases verwendet wird, ist zu bemerken, daß mehr als ein Paar von Ausgangsanschlüssen verwendet werden kann, um die Gase zu erfassen und zu identifizieren. Zum Beispiel kann wie in Fig.6 dargestellt ein Gasdetektor SO zwei Ausgangsanschlüs- s se 5 und 6 Qber dem ersten Gassensor A aufweisen. Die weiteren Merkmale des Gasdetektors 50 sind gleich denen des in Fig.4 gezeigten Gasdetektors 10. Mit dieser Schaltungsanordnung ergeben sich, wenn die Gassensoren A und A' auf etwa 13O⁰C aufgeheizt werden, und wenn der Widerstand R einen Widerstandswert von 10 kil hat, die in der folgenden Tabelle dargestellten Ausgangsspannungen Vr und V_A über den Ausgangsanschlüssen 3 und 4 bzw. 5 und 6 für reine Luft Ai bzw. für eine Konzentration von 1000 ppm an Wasserstoffgas H, Propangas P, Isobutangas / und Methangas M.

48V	16V	86V	76V	4V
6V	48V	8V	6V	4V

Wie aus der obigen Tabelle klar zu erkennen ist ist die Ausgangsspannung V_A für Wasserstoff gas //kleiner als die für gereinigte Luft Ai, während die Ausgangsspannung Vr für Wasserstoffgas H größer ist als die von gereinigter Luft Ai. FOr Propangas P und Isobutangas / ist allein die Ausgangsspannung Va wesentlich und es wird nur eine kleine Ausgangsspannung Vr Ober den Ausgangsanschlüssen 2 und 4 entwickelt Für Methangas M wird fast keine Ausgangsspanniing V_A oder Vr entwickelt Unter Verwendung der obigen Zusammenhänge in den Ausgangsspannungen Vr und V_A läßt sich daher eine individuelle Erfassung von Wasserstoff einer Zusammensetzung von Propan und Isobutan und von Methan erzielen.

Der in Fig.7 dargestellte Gasdetektor 60, bei welchem der Widerstand R und die Ausgangsanschlüsse 3 und 4 gegenüber der in F i g. 6.gezeigten Schaltungsanordnung weggelassen sind, ka.in Gase dadurch erfassen, daß die über den Gassensoren A und A' entwickelten Spannungen überwacht werden. Im einzelnen ist wenn die Ausgangsspannung über dem ersten Gassensor A etwa gleich der Quellenspannung ist das in der Atmosphäre enthaltene Gas ein solches, welches von dem ersten Gassensor A nicht erfaßt und von dem zweiten Gassensor A' erfaßt werden kann. Wenn jeder der ersten und zweiten Gassensoren A und Λ'eine gegenüber der Quellenspannung gleich aufgeteilte Ausgangsspannung entwickelt, kann bestimmt werden, daß das in der Atmosphäre enthaltene Gas ein solches ist welches weder vom ersten noch vom zweiten Gassensor A bzw. A'erfaßt werden kann und welches von einem anderen Gassensor erfaßt werden kann.

Weiter kann ein Gasdetektor 70, wie er in Fig.8 dargestellt ist, wo einer der Gassensoren A oder Λ'des in Fig.4 gezeigten Gasdetektors 10 durch mehrere parallel geschaltete Gassensoren A, A"mit verschiedenen Empfindlichkeiten für verschiedene Gaskomponenten ersetzt ist dazu verwendet werden, Gaskomponencen in der Atmosphäre zu erfassen. Wenn die Spannung über der erwähnten Parallelschaltung genügend hoch ist, ist die in der Atmosphäre enthaltene Gsskoniponente eine solche, welche von keinem der parallel geschalteten Gassensoren erfaßt wenden 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 Gassensoren erfaßt.werden kann.

Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit Gasdete^oren beschrieben worden ist deren Gassensoren im Aufbau getrennt sind, ist zu bemerken, daß diese Gassensoren auch integral oder einstückig aufgebaut sein können, wodurch der Gasdetektor kompakt einfach und leicht zu handhaben wird. F i g. 9 zeigt ein solches Beispiel, aus dem zu erkennen ist daß der erste und zweite Gassensor A bzw. A' integral zueinander aufgebaut sind. Die integral aufgebauten Gassensoren 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 Gassensoren A und Λ'verbunden.

Wenn die parallel geschalteten Gassensoren A und A' in einem einheitlichen Aufbau ausgebildet werden sollen, wird einer der Leitungsdrähte an der Grenze zwischen den Gassensoren A und A' eingebettet um eine Verbindung zu beiden Gassensoren A und A'zu ergeben, während der andere der Leitungsdrähte an seinem Ende aufgeteilt und mit den entsprechenden Gassensoren A und A 'verbunden ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche: -

1. Gasdetektor zum selektiven Nachweis einer Komponente eines bestimmte Gase enthaltenden Gemisches, mit

a) mindestens zwei Halbleiter-Gassensoren mit jeweils unterschiedlicher Ansprechempfindlichkeit für die bestimmten Gase,

b) einer die Halbleiter-Gassensoren speisenden . Spannungsversorgung,

dadurch gekennzeichnet, daß

c) die Halbleiter-Gassensoren (A, A') jeweils einen die Ansprechempfindlichkeit beeinflussenden ^IS Katalysator aufweisen,

d) den Halbleiter-Gassensoren (A, A') Heizeinrichtungen ^zugeordnet sind,

e) die beiden Halbleiter-Gassensoren (A, A') in Serie aft die Spannungsversorgung (1,2) gelegt ^ffl sind, und

f) die Temperatur sowie die jeweilige Menge des Katalysators der Halbleiter-Gassensoren (A, A') in Abhängigkeit von der jeweils nachzuweisenden Komponente so gewählt sind, daß sich ^2S eine nur für diese Komponente charakteristische Ausgangsspannung ergibt