DE2641165A1 - Verunreinigungssensor fuer fluessige medien, insbesondere luft - Google Patents

Verunreinigungssensor fuer fluessige medien, insbesondere luft

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DE2641165A1
DE2641165A1 DE19762641165 DE2641165A DE2641165A1 DE 2641165 A1 DE2641165 A1 DE 2641165A1 DE 19762641165 DE19762641165 DE 19762641165 DE 2641165 A DE2641165 A DE 2641165A DE 2641165 A1 DE2641165 A1 DE 2641165A1
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Description

DIPI..-IjN G. HANS W- GROENING
PATENTANWALT *? fi /. 1
CRS Industries, Inc. 5405 West Crenshaw Tampa, Florida
U.S,A,
Verunreinigungssensor für flüssige Medien, insbesondere Luft
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verunreinigungssensor für flüssige Medien, insbesondere Luft.
In den vergangenen Jahren wurden die Kenntnisse über den schädlichen Einfluß der Luftverunreinigung auf das tierische Leben erheblich erweitert. Hochentwickelte Systeme für das Entfernen von Verunreinigungen aus der Atmosphäre sind entwickelt worden. Solche Systeme umfassen bekannte Vorrichtungen und Systeme zum Messen der Menge solcher Verunreinigungen .
Allgemein gesprochen handelt es sich bei der Verschmutzung
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SIEBERTSTH.4 · 8000 MÜNCHEN 86 · POB S60S40 · KABEL: RHEINPATENT · TEL·. (089) 4710 79 · TEMX 5-22059
von Luft in weitem Umfang um kleine Feststoffpartikel. Diese Partikel liegen gewöhnlich in dem Submikrobereich und sind in der Atmosphäre suspendiert. Um mit dem höchsten Wirkungsgrad oder in der Nähe desselben viele solcher Systeme zum Entfernen der Verschmutzung betreiben zu können, ist es notwendig, die Konzentration der Verunreinigung in der Atmosphäre zu kennen. Bei bekannten Verfahren zum Messen der Konzentration der Verunreinigung wurden hauptsächlich Fühlelemente oder Umformer benutzt, deren Widerstand sich in einem gewissen Verhältnis zu den vorhandenen Verunreinigungen ändert. Gewöhnlich ist der Umformer ein Arm einer Brücke. Dieses Verfahren zum Messen von Verunreinigungen ist insofern verwickelt, als der Brückenstromkreis eine .ständige Abgleichung durch geschultes Personal erfordert.
Andere Einrichtungen zum Messen von Verunreinigungen sind mit Rechenverstärkern in einer Gegenkopplungsanordnung ausgestattet. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der verhältnismäßig einfachen Betriebsweise. Indessen ist der Ausgang dieser Einrichtungen eine nicht lineare Funktion der Konzentration. Die nicht lineare Anzeige der Konzentration ist nachteilig und schwierig in Verbindung mit einem Detektorsystem für Verunreinigungen zu handhaben.
Im Betrieb kann das Signal von dem
Ortungssystem benutzt werden um die Vorrichtung zur Verminderung der Verunreinigung zu steuern. Hierbei bringt ein nicht lineares Signal für die Steuerung des die Verunreinigung vermindernden Systems Probleme mit sich. Falls darüber hinaus der Ausgang lediglich angezeigt oder registriert werden soll, erfordert ein nicht lineares Signal Maßstabänderungen und eine dauernde überwachung, um zu gewährleisten, daß ein ablesbarer Maßstab verwendet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer verhältnismäßig einfachen, billigen und ohne Schwierigkeiten zu betreibenden Abfühlvorrichtung, welche die Konzentration der Verunreinigungen als eine lineare Funktion anzeigt.
Die Erfindung ist zur Lösung dieser Aufgabe gekennzeichnet durch mehrere Umformer, mehrere Signalwandler, die elektrisch mit den Umformern verbunden sind, durch eine Bezugsspannungszuführung, die in elektrischer Verbindung mit einem bestimmten Teil eines der Umformer steht, durch eine elektrische Energiequelle zur Stromversorgung der Umformer, mehrerer Signalwandler und der Bezugsspannungszuführung.
Hierdurch wird erreicht, daß Geruch oder andere Erscheinungen hervorrufende Verunreinigungen in der Atmosp hare festgestellt und ihre Konzentration gemessen werden können, wobei das Ausgangssignal oder die Anzeige der Teilchenkonzentration als eine lineare Funktion erscheint. Erreicht wird dies durch die Benutzung der Umformer, deren Widerstand sich im Verhältnis zur Quadratwurzel der Konzentration des Geruchs oder der festzustellenden Verunreinigung ändert. Hierfür ist kennzeichnend die Beziehung
R=AC ~1/2
die auch in folgender Form ausgedrückt werden kann:
(Gleichung 1)
wobei R der Widerstand in Ohm des Halbleiter-Umformers, C die Geruchskonzentration in Teilchen pro Million (ppm) ,
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und AQ eine Konstante in Ohm ist. Es ist erwünscht, ein lineares Ausgangssignal zu erhalten, d.h., das Signal sollte direkt proportional zur Konzentration sein. Die Gleichung für den Ausgang sollte wie folgt sein:
V0 = K0C
(Gleichung 2),
wobei K eine Konstante für eine bestimmte Verunreinigung oder für einen bestimmten Geruch ist und C für die Konzentration steht.
Um ein Ausgangssignal in der Form der Gleichung 2 zu erhalten, werden zwei Umformer mit zwei Signalwandlern verwendet. Bezeichnenderweise werden als Signalwandler Rechenverstärker verwendet. Das lineare Ausgangssignal wird in folgender Weise erhalten. Die Übertragungsfunktion für einen eine negative Gegenkopplung umformenden Rechenverstärker ist;
Vo1 = ~Vin Rf
Rs
(Gleichung 3),
wobei V 1 die Ausgangsspannung ist, V. die Eingangsspannung, R4- der Gegenkopplungswiderstand und R der Eingangswiderstand des Rechenverstärkers ist. Durch Schaltung zweier solcher Rechenverstärker in Serie stellt sich der Ausgang dar als;
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V o2 - Vo1 Rf
Vin Rf2
Rs2
Indessen ist R der Widerstand des Halbleiterumformers
(Gleichung 1), daher ist:
Vo2 = Vin
bzw. V2 = KqC (Gleichung 4)
Die Ausgangsspannung des Geruchsdetektors ist jetzt in der gewünschten linearen Form, wobei K eine Konstante ist, die verändert werden kann, um den gewünschten Bereich der Ausgangsspannung zu erhalten.
Der Geruchsfühler oder Detektor umfaßt Energiezuführungen für die Umformer, Signalwandler und eine Bezugsspannungszuführung. Die Umformer sind der Atmosphäre, dem Geruch oder der Konzentration der Verunreinigung, die den Gferuch hervorruft, ausgesetzt, die festgestellt werden soll." Die Umformer sind mit den Eingängen der Signalumwandler elektrisch verbunden. Die Bezugsspannung oder V. , ist der Eingang zu dem ersten Umformer, und der Ausgang des ersten Umformers und Signalwandlers ist der Eingang zu dem zweiten Umformer, Der Ausgang des zweiten Signalum-
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Wandlers ist durch die obige Gleichung 4 ausgedrückt.
Die Erfindung und ihre Ziele werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Die Zeichnung ist ein Blockdiagramm eines linearen Geruchssensors gemäß der Erfindung.
Der lineare Geruchssensor ist in dem Blockdiagramm allgemein mit 10 bezeichnet. Die Erfindung wird zwar beispielsweise anhand eines Geruchssensors beschrieben, es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung zur Feststellung und Anzeige unterschiedlichster Arten von Verunreinigungen eingesetzt werden kann, die sich in der Atmosphäre befinden können.
Der lineare Geruchssensor 10 besteht aus einer Energiezuführung 11, die elektrischen Strom liefert. Die Energiezuführung 11 ist elektrisch an einen ersten und zweiten Umformer 16 und 22, einen ersten und zweiten Signalwandler 18 und 24 sowie an einen ersten und zweiten Widerstand 14 und 27 angeschlossen, wie weiter unten im einzelnen erläutert wird.
Die Energiezuführung 11 besteht weiterhin aus einer ersten und zweiten Spannungszuführung 12 bzw. 28, einer Bezugsspannungszuführung 30 und einer Vorspannungszuführung Der erste Widerstand 14 steht mit einer Seite der ersten Spannungszuführung 12 elektrisch in Verbindung. Der erste Umformer 16 ist elektrisch an den ersten Widerstand 14 und an die andere Seite der ersten Spannungszuführung 12 angeschlossen und vervollständigt den Stromkreis.
In bevorzugter Weise können die ersten und zweiten Umformer 16 und 22 aus Umformern mit der Bezeichnung T.G.S. ft 109 der Figaro Engineering Ine, bestehen« Es kann je-
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doch irgendein geeigneter Umformer in dem linearen Geruchssensor 10 verwendet werden.
Der erste und zweite Umformer 16 und 22 haben jeweils vier Leitungen, nämlich zwei für eine Heizspule und zwei für das Element zur Feststellung von Feststoffteilchen. Wie oben beschrieben, steht die erste Spannungszuführung 12 mit der Heizspule 17 des ersten Umformers 16 über den ersten Widerstand 14 elektrisch in Verbindung.
Eine Seite des Detektorelements 19 des ersten Umformers 16 ist der Stromeingang zu dem ersten Signalwandler 18. Die andere Seite des Detektorelements 19 des ersten Umformers 16 ist an den Ausgang des ersten Signalwandlers 18 elektrisch angeschlossen. Ein erster Gegenkopplungswiders tand 20 ist zwischen den Eingang und den Ausgang des ersten Signalwandlers 18 geschaltet. Der Ausgang des ersten Signalwandlers 18 ist mit einer Seite der Heizspule 21 des zweiten Umformers 22 verbunden. Mit der gleichen Seite der Heizspule 21 ist auch die zweite Spannungszuführung 28 über den zweiten Widerstand 27 verbunden. Die andere Seite des Ausgangs der zweiten Spannungszuführung 2 8 ist an die andere Seite der Heizspule
21 des zweiten Umformers 22 angeschlossen. Eine Seite des Detektorelements 25 des zweiten Umformers 22 ist mit dem Eingang des zweiten Signalwandlers 24 verbunden. Die andere Seite des Detektorelements 25 des zweiten Umformers
22 ist an den Ausgang des' zweiten Signalwandlers 24 angeschlossen. Ein zweiter Gegenkopplungswider stand 26 ist .zwischen derr Eingang und den Ausgang des zweiten Signalwandlers 24 geschaltet. Der Ausgang von dem zweiten Signalwandler 24 stellt das Signal dar, das der Konzentration der Verunreinigung in der den ersten und zweiten Umformer 16 und 22 umgebenden Atmosphäre direkt proportional ist.
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Die Bezugsspannungszuführung 30 ist an eine Seite der Heizspule 17 des ersten Umformers 16 angeschlossen.
In bevorzugter Ausführung kann die Bezugsspannungszuführung 30 aus einem Motorola MC1723CL Spannungsregler bestehen. Es ist jedoch anzunehmen, daß irgendeine geeignete Vorrichtung für die Zufuhr einer Bezugsspannung zu dem ersten Umformer 16 ausreicht.
Die Vorspannungszuführung 32 gibt eine Gleichspannung ab und ist elektrisch sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Signalwandler 18 und 24 verbunden. Diese Vorspannungszuführung 32 versorgt ferner die Bezugsspannungszuführung 30 mit Strom.
In bevorzugter Ausführungsform ist die Energiezuführung an ein 120-Volt, 60 Hertz Leitungsnetz angeschlossen. Die erste und zweite Spannungszuführung 12 und 28 sind der 6,3 Volt-Mittelabgriff von einem Heiztransformator. Die Vorspannungszuführung 32 besteht aus einem 12,6 Volt-Mittelabgriff von einem Heiztransformator mit 1N5552 Dioden oder Dioden äquivalenter Bauart, die mit den Ausgängen in Verbindung stehen. Die B+ und B- der Vorspannungszuführung arbeiten derart, daß der erste und zweite Signalwandler 18 und 24 und die Bezugsspannungszuführung 30 vorgespannt werden. Natürlich gibt es viele Möglichkeiten, die Energiezuführung 11 anzuordnen. Die bevorzugte Ausführungsform ist nur eine dieser Arten, wobei beliebige Verfahren zur Zufuhr der erforderlichen Energie zu dem ersten oder zweiten Umformer 16 und 22 sowie zu dem ersten und zweiten Signalwandler 18 und 24 in den Rahmen der Erfindung fallen.
Der erste und zweite Signalwandler 18 und 24 bestehen bevorzugt aus dem Rechenverstärker MC1741CP1 Motorola. Im Rahmen der Erfindung können jedoch beliebige Signal-
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wandler, z.B. Digitalfilter od. dgl. verwendet werden, um das lineare Ausgangssignal zu erzielen.
Im Betrieb wird der lineare Geruchssensor so angeordnet, daß der erste und zweite Umformer 16 und 22 sich in der Atmosphäre befinden, deren Geruchskonzentration oder deren Konzentration an anderen Arten von Verunreinigungen festgestellt werden sollen. Die Energiezuführung 11 dient zur Versorgung des Stromkreises mit elektrischer Energie. Die Heizspulen 17 und 21 des ersten und zweiten Umformers 16 und 22 werden aktiviert, und die Detektorelemente 19 und 25 des ersten und zweiten Umformers 16 bzw. 22 nehmen den Strom auf, der durch die ionisierten Feststoffteilchen hervorgerufen wird. Dadurch wird eine Spannung in Abhängigkeit von der Konzentration des Geruchs oder der Verunreinigung erzeugt. Der erste und zweite Signalwandler 18 und 24 arbeiten linear und verstärken den Signalausgang vom ersten und zweiten Umformer 16 bzw. 22. Wie oben beschrieben, ist der Signalausgang des zweiten Signalwandlers 24 eine lineare Funktion der Konzentration.
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Claims (8)

  1. Patentansprüche
    . Verunreinigungssensor für flüssige Medien, insbesondere für Luft, gekennzeichnet durch mehrere Umformer, durch mehrere Signalwandler, die elektrisch mit mehreren Umformern verbunden sind, durch eine Bezugsspannungszuführung (30), die elektrisch mit einem bestimmten Teil eines der Umformer verbunden ist, durch eine elektrische Energiequelle (11) zur Stromversorgung der Umformer, der Signalwandler und der Bezugsspannungszuführung,
  2. 2. Verunreinigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Umformer (16,22) vorgesehen sind.
  3. 3. Verunreinigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zwei Signalwandler (18,24) aufweist.
  4. 4. Verunreinigungssensor nach Anspruch 1f dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiequelle (11) eine äußere Energiequelle aufweist, die mit den Umformern (16,22), den Signalwandlern (18,24) und der Bezugsspannungszuführung elektrisch verbunden ist.
    7O98U/O0VI
  5. 5. Verunreinigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Energiequelle (11) außerdem eine innere Stromquelle umfaßt, die in elektrischer Verbindung mit den Umformern (16,22) Signalwandlern (18,24) und der Bezugsspannungszuführung (32) steht.
  6. 6. Verunreinigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwandler (18,24) Rechenverstärker umfassen.
  7. 7. Verunreinigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwandler (18,24) Digitalfilter umfassen.
  8. 8. Verunreinigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen ersten und zweiten Umformer (16,22), die jeweils eine erste und zweite Heizspule (17,21) sowie einen ersten und zweiten Detektor (19,25) aufweisen, wobei der erste Widerstand (14) mit der ersten Heizspule (17) verbunden ist, und daß die Spannungszuführung (12) mit dem ersten Widerstand (14) und mit der ersten Heizspule (17) verbunden ist, daß der erste Rechenverstärker mit dem ersten Detektor (19) verbunden ist, ein erster Gegenkopplungswiderstand (20) mit dem ersten Detektor (19) und mit dem Ausgang des ersten Rechenverstärkers verbunden ist, daß der zweite Widerstand (27) mit der zweiten Heizspule (21) des zweiteiümformers (22) verbunden ist, daß die zweite Spannungszuführung (28) mit dem zweiten Widerstand (27) und mit der zweiten Heizspule (21) verbunden ist, daß der Ausgang des ersten Rechenverstärkers mit der zweiten Heizspule (21) verbunden ist, daß der zweite Rechenverstärker mit dem zweiten Detektor (25) verbunden ist, daß ein zweiter Gegenkopplungswiderstand (26) mit dem zweiten Detektor (25) sowie mit dem Ausgang des zweiten
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    Rechenverstärkers verbunden ist, und daß die Vorspannungszuführung (32) den ersten und den zweiten Rechenverstarker mit elektrischem Strom versorgt.
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DE19762641165 1975-09-11 1976-09-13 Verunreinigungssensor fuer fluessige medien, insbesondere luft Pending DE2641165A1 (de)

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US05/612,458 US4019367A (en) 1975-09-11 1975-09-11 Linearized odor transducer

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