DE3005528A1 - GAS DETECTOR - Google Patents
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Description
GasdetektorGas detector
Die Erfindung bezieht sich auf Gasdetektoren und insbesondere auf gaseinpf indliche Widerstandselemente. The invention relates to gas detectors and, more particularly, to gas sensitive resistive elements.
Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für gasempfindliche Detektoren (insbesondere CO und H^-Detektoren), die von der überwachung gesteuerter Luftkreise, z.B, in Bergwerken oder klimatisierten Gebäuden^ bis zur Überwachung der durch Verkehr hervorgerufenen Verschmutzung oder der Feststellung von Feuer reichen. Detektoren, die auf Gaskonzentrationen zwischen 10 und 10 ppm ansprechen, sind besonders nützlich, da sie eine frühe Warnung bei Auftreten eines Fehlers in einem System oder eines schwelenden Feuers geben, bevor Anzeichen hierfür sichtbar werden.There are numerous possible uses for gas-sensitive detectors (especially CO and H ^ detectors), the air circuits controlled by the monitoring, e.g. in mines or air-conditioned buildings ^ up to Monitoring traffic-induced pollution or detecting fires is sufficient. Detectors that are on Gas concentrations between 10 and 10 ppm respond, are particularly useful as they provide an early warning of a failure in a system or a smoldering one Give fire before any sign of it is visible.
Es ist bekannt (siehe z.B. GB-PS 1 526 751 oder GB-PS 1 257 155), daß der elektrische Widerstand einiger Metalloxide abnimmt, wenn diese-einem chemischen Reduktionsgas (z.B. CO, Ή,-ι CH.) oder Dämpfen von Ethanol oder Methanol ausgesetzt werden, jedoch ist dieser Effekt für eine praktische Anwendung nur ausreichend groß, wenn das Oxid auf einer verhältnismäßig hohen Temperatur gehalten wird, z.B. zwischen 2500C und 5000C. Es ist bekannt (GB-PS 1 464 415), daß der elektrische Widerstand eines Elementes aus Zinnoxid (SnO2), dem Platinschwarz hinzugefügt worden ist, auf Kohlenmonoxid schon bei Raumtemperatur anspricht, jedoch besitzt ein solches Element bei einer praktisch geeigneten Größe einen unerwünscht hohen Widerstand in der Größenordnung von MegOhm, und es ist ziemlich empfindlich für Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Feuchtigkeit.It is known (see, for example, GB-PS 1 526 751 or GB-PS 1 257 155) that the electrical resistance of some metal oxides decreases when they - a chemical reducing gas (eg CO, Ή, -ι CH.) Or vapors of ethanol or methanol, but this effect is only sufficiently large for practical use if the oxide is kept at a relatively high temperature, for example between 250 ° C. and 500 ° C. It is known (GB-PS 1 464 415) that the electrical resistance of an element made of tin oxide (SnO 2 ) to which platinum black has been added is responsive to carbon monoxide at room temperature, but such an element has an undesirably high resistance of the order of megohms at a practical size, and it is quite sensitive to changes in ambient temperature or humidity.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes gasempfindliches Widerstandselement zu schaffen, das in einem Gasdetektor bei Raumtemperatur (vorzugsweise 200C) oder etwas darüber liegender Temperatur verwendbar ist.The invention is based on the object of creating an improved gas-sensitive resistance element which can be used in a gas detector at room temperature (preferably 20 ° C.) or a temperature slightly higher.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein gasempfindliches Widerstandselement gelöst, das einen größeren Anteil Iüdiumoxid In2^ un(^ einen kleineren Anteil Piatinschwarz enthält.This object is achieved according to the invention by a gas-sensitive resistive element 2 ^ un (^ e i contains a greater proportion Iüdiumoxid In NEN minor proportion Piatinschwarz.
Vorzugsweise enthält das Element soviel Platinschwarz, um etwa das gesamte Indiumoxid, mit dem es gemischt ist, zu katalysieren, jedoch sollte die Menge vorzugsweise nicht größer sein. Es wurde gefunden, daß das Element vorzugsweise zwischen 2% und 12-~% Platinschwarz, ausgedrückt als Prozentsatz des kombinierten Gewichtes von Iridiumoxid und Platinschwarz enthaltenPreferably the element contains as much platinum black as about all of the indium oxide with which it is mixed is to be catalyzed, but the amount should preferably not be larger. It was found that the element preferably between 2% and 12% platinum black, expressed as a percentage of the combined Contained by weight of iridium oxide and platinum black
1 ι sollte, wobei sich ein Gehalt zwischen 4~% und 6x% Platinschwarz als besonders nützlich gezeigt hat.1 ι should, with a content between 4 ~% and 6x% Platinum Black has shown to be particularly useful.
Das Element kann einen einkapselnden Film aus einem Fluoräthylenpolymer (z.B. FEP-TEFLON (RTM)) enthalten, der eine Dicke zwischen 0,013 und 0,25 mm besitzt, wobei eine Dicke von etwa 0,025 mm besonders geeignet ist. Derartige Filme sind im wesentlichen undurchlässig für Kohlenmonoxid, Methan und die Dämpfe von Ethanol und Methanol, so daß ein eingekapseltes Element als Wasserstoffsensor dienen kann.The element may contain an encapsulating film made from a fluoroethylene polymer (e.g. FEP-TEFLON (RTM)), which has a thickness between 0.013 and 0.25 mm, a thickness of about 0.025 mm being particularly suitable is. Such films are essentially impervious to carbon monoxide, methane, and the vapors of Ethanol and methanol so that an encapsulated element can serve as a hydrogen sensor.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung enthält ein Gasdetektor ein gasempfindliches Widerstandselement der oben beschriebenen Art und eine Schaltung, die in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, das ein Maß für den Widerstand des Elementes ist. Ein solcher Sensor kann Mittel zum Durchlassen von Strom durch das ElementAccording to a further feature of the invention, a gas detector includes a gas-sensitive resistance element of the type described above and a circuit capable of generating a signal indicative of a measure for the resistance of the element. Such a sensor may have means for passing current through the element
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sowie Mittel zur Messung des Spannungsabfalles über dem Element enthalten, und bei bestimmten praktischen Anwendungen kann es von Vorteil sein, eine Schaltung vorzusehen, die die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes des Elementes kompensiert.as well as means for measuring the voltage drop across the element, and in certain practical applications it may be advantageous to provide a circuit that shows the temperature dependence of the resistance of the element compensated.
Der Detektor kann daher in den gegenüberliegenden Armen einer Brückenschaltung zwei Widerstandselemente mit etwa demselben Widerstand bei fehlendem Reduktionsgas und etwa demselben Temperaturkoeffizienten enthalten, wobei eines der Elemente ein erfindungsgemäß ausgebildetes gasempfindliches Widerstandselement ist, das verhältnismäßig empfindlicher auf ein festgestelltes Gas als das andere Element ist, und wobei ein über der Brückenschaltung gemessenes Signal ein Maß für ein festgestelltes Gas ist» das weitgehend unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur ist.The detector can therefore have two resistance elements in the opposite arms of a bridge circuit contain approximately the same resistance in the absence of reducing gas and approximately the same temperature coefficient, wherein one of the elements is a gas-sensitive resistance element designed according to the invention, which is relatively is more sensitive to a detected gas than the other element, and having one across the bridge circuit measured signal is a measure of a detected gas »that is largely independent of changes in the ambient temperature is.
Das andere Element kann ein Thermistor sein oder statt dessen ein Element, das allein aus Indiumoxid oder einem größeren Anteil Indiumoxid und einem kleineren Anteil eines Indiumsalzes besteht. Ein solcher Sensor spricht^beispielsweise auf CO, H2, CH-, Ethanol und Methanol an. Das andere Element kann stattdessen auch einen größeren Anteil Indiumoxid und einen kleineren Anteil Platinschwarz sowie einen einkapselnden Film eines Fluoräthylenpolymers mit einer Dicke zwischen 0,013 und 0,25 mm enthalten. Da der einkapselnde Film nur Wasserstoffgas durchläßt, bildet diese Kombination von Elementen in der Brücke einen Detektor zur Feststellung von Kohlenmonoxid, Methan und eines Alkohols, nicht jedoch von Wasserstoffgas.The other element may be a thermistor or, instead, an element composed solely of indium oxide or a larger proportion of indium oxide and a smaller proportion of an indium salt. Such a sensor ^ speaks for example on CO, H2, CH-, ethanol and Methanol. The other element can instead contain a larger proportion of indium oxide and a smaller one Portion of platinum black as well as an encapsulating film of a fluoroethylene polymer with a thickness between 0.013 and 0.25 mm included. As the encapsulating film only allows hydrogen gas to pass through, this combination of elements in the bridge forms a detector for detection carbon monoxide, methane and an alcohol, but not hydrogen gas.
Es kann von Vorteil sein, einen Detektor zu schaffen, der in der Lage ist, eine Anzahl unterschiedlicher Gase und Dämpfe zu unterscheiden. Demzufolge istIt may be advantageous to provide a detector that is able to detect a number of different Differentiate between gases and vapors. Hence is
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ein selektiver Gasdetektor vorgesehen, der folgende Merkmale enthält: Ein erstes eingekapseltes gasempfindliches Widerstandselement der erfindungsgemäßen Art, ein zweites gasempfindliches Widerstandselement mit einem größeren Anteil an Zinnoxid, einem kleineren Anteil an Platinschwarz und einem einkapselnden Film aus Fluoräthylenpolymer mit einer Dicke zwischen 0,013 und O725 ItUIi7 eine jedem Element zugeordnete Schaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignales, wenn der Widerstand des zugehörigen Elements unter einen vorgegebenen Pegel fällt/ und Ausgangsmittel zum Empfang der Ausgangssignale und zur Erzeugung einer ersten Anzeige, wenn Ausgangssignale von beiden Elementen empfangen werden, und einer zweiten Anzeige, wenn ein Ausgangssignal nur von dem zweiten Element empfangen wird.A selective gas detector is provided which contains the following features: a first encapsulated gas-sensitive resistance element of the type according to the invention, a second gas-sensitive resistance element with a larger proportion of tin oxide, a smaller proportion of platinum black and an encapsulating film of fluoroethylene polymer with a thickness between 0.013 and O 7 25 ItUIi 7 a circuit associated with each element for generating an output signal when the resistance of the associated element falls below a predetermined level / and output means for receiving the output signals and for generating a first indication when output signals are received from both elements, and a second indication, when an output signal is received only from the second element.
Der selektive Gasdetektor kann ferner ein drittes gasempfindliches Widerstandselement, das aus einer Mischung aus Indium oder Zinnoxid und einem kleineren Anteil Platinschwarz besteht, und eine weitere Schaltung enthalten, die in der Lage ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn der Widerstand des dritten Elementes unter einen vorgegebenen Pegel fällt, wobei die Ausgangsmittel so ausgebildet sind, daß sie von den drei Schaltungen Ausgangssignale empfangen und eine erste Anzeige liefern, wenn ein Signal von allen drei Elementen empfangen wird, die eine zweite Anzeige liefern, wenn ein Signal nur von dem zweiten und dritten Element empfangen wird, und die eine dritte Anzeige liefern, wenn ein Signal nur vom dritten Element empfangen wird.The selective gas detector can also include a third gas-sensitive resistance element, which consists of a Mixture of indium or tin oxide and a smaller amount of platinum black, and another circuit included that is able to provide an output signal when the resistance of the third element falls below a predetermined level, the output means are arranged to receive output signals from the three circuits and a first indication deliver when a signal is received from all three elements providing a second indication when a signal is only received by the second and third elements, and which provide a third indication when a signal is received is only received by the third element.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines gasempfindlichen Widerstandselementes durch folgende Schritte gekennzeichnet: Mahlen einer Mischung aus einem größeren Anteil Indiumoxid oder einem Indiumsalz, das zu demAccording to a further aspect of the invention is a method for producing a gas-sensitive resistance element characterized by the following steps: Milling a mixture of a major proportion of indium oxide or an indium salt to add to the
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größeren Anteil Indiumoxid zerlegbar ist, und einem kleineren Anteil Platinschwarz oder einer Platinverbindung, die zu dem kleineren Anteil Platinschwarz zerlegbar ist, Brennen dieses Materials, wodurch ein Indiumsalz oder eine Platinverbindung zerlegt und die Mischung gesintert wird.a larger proportion of indium oxide is decomposable, and a smaller proportion of platinum black or a platinum compound, which can be broken down into the smaller proportion of platinum black, burning this material, producing an indium salt or decompose a platinum compound and sinter the mixture.
Vorzugsweise liegt der kleinere Anteil im Bereich zwischen 2% und 12% Platinschwarz, ausgedrückt als Prozentsatz der kombinierten Gewichte von Indiumoxid und Platinschwarz/ und vorzugsweise zwischen 4-~% und 6-^*.Preferably the minor portion is in the range between 2% and 12% platinum black, expressed as a percentage of the combined weights of indium oxide and platinum black / and preferably between 4% and 6%.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In the drawing:
Fig. 1a und Tb zwei alternative Formen einesFigures 1a and Tb show two alternative forms of one
erfindungsgemäßen gasempfindlichen Widerstandselementes,gas-sensitive resistance element according to the invention,
Fig. 2 eine typische Änderung desFig. 2 shows a typical change in the
Widerstandes des Elementes, wenn dieses einem chemischen Reduktionsgas ausgesetzt wird,Resistance of the element when exposed to a chemical reducing gas,
Fig. 3a, 3bFigures 3a, 3b
und 3c drei verschiedene Gasdetekto-and 3c three different gas detection
xen, die das erfindungsgemäße gasempfindliche Widerstandselement enthalten, undxen, which the gas-sensitive resistance element according to the invention included, and
Fig. 4 einen Gasdetektor,, der dasFig. 4 shows a gas detector, the
erfindungsgemäße gasempfind-. iiche Widerstandselement ent-Tiält und in "der Lage ist, eine Anzahl unterschiedlicher Reduktionsgase zu unterscheiden.gas sensitive according to the invention. iiche resistance element contains and is able to use a number of different reducing gases to distinguish.
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Ein Ausführungsbeispiel für das Widerstandselement gemäß der vorliegenden Erfindung wird beispielsweise hergestellt, indem in Aceton eine Mischung aus 85,5% In2C^, 4,5% Platinschwarz und zur Unterstützung der Sinterung 10% Ton (z.B. Kieselgur) gemahlen wird. Wenn das Aceton verdampft ist, wird das gewonnene Pulver mit Wasser zu einer Paste gemischt, die dann zu einem Block, zu einer Stange oder einer Scheibe geformt und anschließend gebrannt wird, um das Material zu sintern. Vorzugsweise sollte die Mischung zwischen 2 und 12-*% Platinschwarz enthalten (ausgedrückt als Prozentsatz der kombinierten Gewichte von Platinschwarz und Indiumoxid, jedoch hat sich gezeigt, daß insbesondere ein Gehalt an Platinschwarz zwischen 4^ und 6"2% geeignet ist. Die Mischung kann auch Zusammensetzungen von Indium (z.B. Indiumsulfat) oder Zusammensetzungen von Platin (z.B. Platinsulfat) enthalten, die beim Brennen in Indiumoxid oder Platin zerlegt werden.An exemplary embodiment of the resistor element according to the present invention is produced, for example, by grinding a mixture of 85.5% In 2 C ^, 4.5% platinum black and 10% clay (eg kieselguhr) to aid sintering in acetone. When the acetone has evaporated, the powder obtained is mixed with water to form a paste, which is then shaped into a block, rod or disk and then fired to sinter the material. Preferably, the mixture should contain between 2 and 12% platinum black (expressed as a percentage of the combined weights of platinum black and indium oxide, but a platinum black content of between 4 and 6 "2% has been found to be particularly suitable. The mixture can also contain compositions of indium (e.g. indium sulfate) or compositions of platinum (e.g. platinum sulfate), which are broken down into indium oxide or platinum during firing.
Es hat sich gezeigt^, daß der Widerstand eines auf diese Weise hergestellten Elementes bei Raumtemperatur (vorzugsweise 200C) sich mit der Konzentration eines chemischen Reduktionsgases (z-B. CO, -H2, CH4-, Ethanol oder Methanol) ändert, wenn es diesem ausgesetzt wird.It has been shown that the resistance of an element produced in this way at room temperature (preferably 20 ° C.) changes with the concentration of a chemical reducing gas (e.g. CO, -H 2 , CH 4 -, ethanol or methanol) when it is exposed to this.
In Fig. 1a ist ein scheibenförmiges Element dargestellt, das als typisches Beispiel einen Durchmesser von etwa 1 cm und eine Dicke zwischen 0,4 mm und 0,5 mm besitzt. Auf' die gegenüberliegenden Oberflächen 1 der Scheibe werden Aluminium- oder Silberkontakte 2 aufgedampft und daran Zuleitungen 3 angebracht. Statt dessen könnten Kontakte auch durch Aufstreichen einer Silberpaste auf die Oberfläche des Oxids angebracht werden.In Fig. 1a, a disk-shaped element is shown, as a typical example, a diameter of about 1 cm and a thickness between 0.4 mm and 0.5 mm. On 'the opposite surfaces 1 of the Disc, aluminum or silver contacts 2 are vapor-deposited and leads 3 are attached to them. Instead of this Contacts could also be made by spreading a silver paste can be applied to the surface of the oxide.
Bei einer anderes Ausführungsform wird die aus Indiumoxid, Platinschwarz, Ton und Wasser bestehende Paste auf ein Aluminiumoxid- oder Quarzsubstrat aufge-In another embodiment, the from Paste consisting of indium oxide, platinum black, clay and water on an aluminum oxide or quartz substrate.
bracht und dann gebrannt. Fig. 1b zeigt ein rohrförraiges Substrat 4, das mit der Paste 1 beschichtet ist. Elektroden 2 und Zuleitungen 3 werden in der zuvor beschriebenen Weise angebracht. Um die Empfindlichkeit des Elementes zu verbessern, ist es von Vorteil, die dem Reduktionsgas ausgesetzte Oberfläche so groß wie möglich zu machen.brought and then burned. Fig. 1b shows a tubular Substrate 4, which is coated with the paste 1. Electrodes 2 and leads 3 are in the manner described above appropriate. In order to improve the sensitivity of the element, it is advantageous to reduce the exposure to the reducing gas Make surface as large as possible.
Ein in der beschriebenen Weise gebildetes Element kann auch mit einem Film aus einem Fluoräthylenpolymer (z.B. FEB-TEFLON (RTM)) beschichtet werden, das eine nahezu undurchdringliche Barriere für Kohlenmonoxid bildet, während Wasserstoffgas verhältnismäßig ungehindert durchgelassen wird. Ein derartiges beschichtetes Element ist ferner undurchlässig für Wasserdampf, Älkoholdampf oder CH. und bildet so einen selektiven Wasserstoffgassensor, der verhältnismäßig unempfindlich für Änderungen der Feuchtigkeit ist. Der einkapselnde Film sollte vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,013 mm und 0,25 mm besitzen, wobei sich eine Dicke von etwa 0,025 mm als besonders geeignet herausgestellt hat.An element formed in the manner described can also be coated with a film of a fluoroethylene polymer (e.g. FEB-TEFLON (RTM)), which forms an almost impenetrable barrier for carbon monoxide, while hydrogen gas is allowed to pass relatively unimpeded. One such coated element is also impermeable to water vapor, alcohol vapor or CH. and thus forms a selective hydrogen gas sensor, which is relatively insensitive to changes in humidity. The encapsulating film should preferably have a thickness between 0.013 mm and 0.25 mm, a thickness of about 0.025 mm being particularly suitable has turned out.
Der Widerstand des Elementes kann kontinuierlich überwacht werden, indem Strom hindurchgeschickt und der Spannungsabfall über ihm gemessen wird. Fig. 2 zeigt Beispiele für einige typische Ergebnisse, die bei der Überwachung des Widerstandes eines Elementes erzielt werden. Diese Ergebnisse wurden durch Einführen einer Gasmenge (CO-Gas im Falle der Kurve 2, und H3-GaS im Falle der Kurven 1 und 3) in ein das Element umgebendes Gehäuse erzielt.The resistance of the element can be continuously monitored by passing current through it and measuring the voltage drop across it. Figure 2 shows examples of some typical results obtained in monitoring the resistance of an element. These results were obtained by introducing an amount of gas (CO gas in the case of curve 2, and H 3 gas in the case of curves 1 and 3) into a case surrounding the element.
Der Widerstand des Elementes wurde vom Augenblick des Gaseintritts in das Gehäuse an überwacht. Zunächst betrug die Konzentration von Gas in der Luft etwa 1%, und es wurde beobachtet, daß der Widerstand des Elementes stetig fiel. Bei Abnahme der GaskonzentrationThe resistance of the element was monitored from the moment the gas entered the housing. First the concentration of gas in the air was about 1%, and it was observed that the resistance of the element steadily fell. When the gas concentration decreases
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aufgrund seiner Diffusion von der Nähe des Elementes fort, wurde jedoch beobachtet, daß der Widerstand anstieg, obwohl der minimale Widerstand erst nach einer Verzögerung aufgrund der endlichen Ansprechzeit des Elementes erreicht wurde. Obwohl die Anfangskonzentration von Gas in Luft bei den Beispielen etwa 1 % betrug, spricht das Element auch auf Konzentrationen von bereitsdue to its diffusion away from the vicinity of the element, however, it was observed that the resistance increased, although the minimum resistance only occurs after a delay due to the finite response time of the element was achieved. Although the initial concentration of gas in air in the examples was about 1%, the element also speaks of concentrations of already
10 ppm an. Ein typisches erfindungsgemäßes Element besitzt einen Widerstand von etwa 1K Ohm, während beispielsweise ein Element aus Zinnoxid, SnO9 von gleicher Form10 ppm. A typical element according to the invention has a resistance of about 1K ohm, while an element made of tin oxide, SnO 9 , for example, has the same shape
und Größe einen Widerstand von mehr als 10 Ohm besitzt. Die Kurve 1 in Fig. 2 wurde durch Überwachung des Widerstandes eines in einen Fluoräthylenpolymer (FEP-TEFLON (RTM)) eingekapselten Elementes aus Indiumoxid und Platinschwarz gewonnen, und obwohl die Empfindlichkeit für Wasserstoffgas vermindert ist, gibt es keine meßbare Änderung des Widerstandes bei Beaufschlagung mit Kohlenmonoxidgas.' and size has a resistance greater than 10 ohms. Curve 1 in Fig. 2 was obtained by monitoring the resistance of a fluoroethylene polymer (FEP-TEFLON (RTM)) encapsulated element made from indium oxide and platinum black, and although the sensitivity for hydrogen gas is reduced, there is no measurable change in resistance when exposed to carbon monoxide gas.
Obwohl die Temperaturabhängigkeit des erfindungsgemäßen Elementes beträchtlich verringert ist,(auf etwa die Hälfte eines Elementes aus SnO- und Platinschwarz), kann es erwünscht sein, eine Kompensation bei einer Änderung seines Widerstandes aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur vorzusehen und Beispiele solcher Schaltungen sind in Fig. 3 dargestellt.Although the temperature dependence of the element according to the invention is considerably reduced (to about half of an element made of SnO and platinum black), it may be desirable to compensate for a change its resistance due to a change in ambient temperature and examples of such circuits are shown in FIG. 3.
In Fig. 3a enthält die Brückenschaltung B in gegenüberliegenden Armen Widerstandselemente 1 und 2, die bei NichtVorhandensein eines Reduktionsgases den gleichen Widerstandswert besitzen. Weitere Widerstände 3 und 4 von jeweils etwa 10 K Ohm befinden sich in den übrigen Armen der Brücke, und in einem der Arme kann ferner ein veränderbarer Widerstand 5 zur Feineinstellung des Brückengleichgewichts oder zur Verschiebung des Gleichgewichts um einen bekannten Betrag vorgesehen werden, um einenIn Fig. 3a, the bridge circuit B contains in opposite arms resistance elements 1 and 2, the have the same resistance value in the absence of a reducing gas. Further resistors 3 and 4 of each about 10 K ohms are in the remaining arms of the bridge, and one of the arms can also have a variable Resistance 5 for fine adjustment of the bridge balance or for shifting the balance by a known amount to be provided to a
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Schwellwertpegel zu erzeugen. Bei einer Ausführungsform bestehen beide Elemente 1 und 2 aus Indiumoxid, und eines der Elemente enthält ferner zwischen 4-~ und 6-^ Gew.% Platinschwarz und ist dadurch für ein Reduktionsgas (beispielsweise H-, CO, CH. oder einen Alkoholdampf) bei Raumtemperatur (vorzugsweise 200C) empfindlich. Da beide Elemente gleich empfindlich auf Änderungen von Temperatur und/oder Feuchtigkeit reagieren, heben sich diese Wirkungen durch die Brückenschaltung weitgehend auf und tragen nicht zu deren Ausgangssignal bei. Das Ausgangssignal rührt nahezu vollständig vom Ansprechen des mit Platin dotierten Elementes auf ein Reduktionsgas her und wird einem Mikroleistungsoperationsverstärker 6 zugeführt.Generate threshold level. In one embodiment, both elements 1 and 2 consist of indium oxide, and one of the elements also contains between 4-6% by weight of platinum black and is thereby for a reducing gas (e.g. H-, CO, CH. Or an alcohol vapor) Room temperature (preferably 20 0 C) sensitive. Since both elements react equally sensitively to changes in temperature and / or humidity, these effects are largely canceled out by the bridge circuit and do not contribute to its output signal. The output signal stems almost entirely from the response of the platinum-doped element to a reducing gas and is fed to a micro-power operational amplifier 6.
Bei einer anderen Ausführungsform enthalten beide Elemente 1 und 2 Indiumoxid und einen kleineren Anteil Platinschwarzy wobei eines der Elemente in einen Film aus einem Fluoräthylenpolymer (FEP-TEFLON (RTM)) mit einer Dicke von etwa 0,025 mm eingekapselt ist. Da nur das eingekapselte Element im wesentlichen für CO-Gas (und evtl. vorhandenen Alkoholdampf) unempfindlich ist, erzeugt die Brückenschaltung nur dann ein Ausgangssignal, wenn CO (und/oder Alkohol) von dem nicht eingekapselten Element festgestellt wird, und damit dient diese Anordnung als ein selektiver Kohlenmonoxid-(und Alkohol-) Sensor.In another embodiment, both elements 1 and 2 contain indium oxide and a minor proportion Platinum black being one of the elements made into a film a fluoroethylene polymer (FEP-TEFLON (RTM)) with a Thickness of about 0.025 mm is encapsulated. Since only the encapsulated element is essentially responsible for CO gas (and possibly existing alcohol vapor) is insensitive, the bridge circuit only generates an output signal, when CO (and / or alcohol) is detected from the unencapsulated element, and so this arrangement serves as a selective carbon monoxide (and alcohol) sensor.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht das Element 1 aus einem erfindungsgemäßen gasempfindlichen Widerstandselement aus Indiumoxid und einem kleinen Anteil Platinschwarz, während das Element 2 im gegenüberliegenden Arm der Brücke ein Thermistor ist, der etwa denselben Temperaturkoeffizienten wie das Element 1 besitzt^ Der Temperaturkoeffizient ist als die Änderung des Widerstandselementes für eine Einheits-In a further embodiment, the element 1 consists of a gas-sensitive one according to the invention Resistance element made of indium oxide and a small amount of platinum black, while element 2 in the opposite arm of the bridge is a thermistor, which has about the same temperature coefficient as the Element 1 has ^ The temperature coefficient is as the change of the resistance element for a unit
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änderung der Temperatur (in 0C) definiert und beträgt für ein typisches gasempfindliches Element etwa -2%/°C. Wenn sich der Widerstand des Elementes 1 aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur ändert/ wird diese Änderung nahezu durch eine entsprechende Änderung in dem Widerstand des Thermistors im gegenüberliegenden Arm der Brücke aufgehoben. Jede Änderung in der Gaskonzentration wird jedoch nur durch das gasempfindliche Element 1 festgestellt, und das sich daraus ergebende Ungleichgewicht der Brücke wird durch den Verstärker 6 wie zuvor gemessen.change in temperature (in 0 C) and is around -2% / ° C for a typical gas-sensitive element. If the resistance of the element 1 changes due to a change in the ambient temperature / this change is almost canceled out by a corresponding change in the resistance of the thermistor in the opposite arm of the bridge. However, any change in the gas concentration is only detected by the gas sensitive element 1, and the resulting imbalance of the bridge is measured by the amplifier 6 as before.
In jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele kann ferner eine Alarmschaltung vorgesehen werden, die ausgelöst wird, wenn die Brückenschaltung von einem Gleichgewichtszustand abweicht, der größer als ein vorgegebenes Maß ist. Die in dem Block 10 dargestellte Schaltung erzeugt einen solchen Alarm und enthält eine Zenerdiode 7. Wenn der Eingang zur Schaltung 10 vom Verstärker 6 die Durchbruchsspannung der Zenerdiode überschreitet, wird die Alarmvorrichtung 8 ausgelöst. Der Pegel, bei dem der Alarm ausgelöst wird, kann durch Einstellung des veränderbaren Widerstandes 6 und durch eine entsprechende Wahl der Diode 7 gesteuert werden. In each of the exemplary embodiments described above, an alarm circuit can also be provided, which is triggered when the bridge circuit deviates from an equilibrium state that is greater than is a predetermined dimension. The one shown in block 10 Circuit generates such an alarm and contains a zener diode 7. When the input to the circuit 10 from the amplifier 6 exceeds the breakdown voltage of the Zener diode, the alarm device 8 is triggered. The level at which the alarm is triggered can be adjusted by setting the variable resistance 6 and can be controlled by an appropriate choice of the diode 7.
Wenn man weiß, daß sich die Umgebungstemperatur (und/oder die- Feuchtigkeit) langsamer ändern als die Konzentration von Gas, können diese Effekte weitgehend durch entsprechende Hochpaßfilterung beseitigt werden. Fig. 3b zeigt eine Anordnung, um eine solche Filterung zu erzielen, in der ein erfindungsgemäßes gasempfindliches Element S vorhanden ist und die Komponenten 101 und 102 des Hochpa-ssfilters 100 so gewählt sind, daß sie eine Zeitkonstante von vorzugsweise mehr als 200 Sekunden besitzen, die ausreicht, um erwartete Änderungen desKnowing that the ambient temperature (and / or humidity) changes more slowly than that Concentration of gas, these effects can be largely eliminated by appropriate high-pass filtering. Fig. 3b shows an arrangement to achieve such a filtering, in which a gas-sensitive according to the invention Element S is present and components 101 and 102 of the high-pass filter 100 are chosen so that they are a Have a time constant of preferably more than 200 seconds, which is sufficient to anticipate changes in the
Ö30Ü3S/0768Ö30Ü3S / 0768
Widerstandes aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur und/oder Feuchtigkeit zu beseitigen. Der Ausgang des Verstärkers 103 kann ebenfalls einer Alarmschaltung zugeführt werden/ die ähnlich ausgebildet ist wie die Schaltung 10 in Fig. 3a.Eliminate resistance due to changes in ambient temperature and / or humidity. Of the The output of the amplifier 103 can also be fed to an alarm circuit / which is designed in a similar manner like circuit 10 in Fig. 3a.
Die Schaltung in Fig. 3c zeigt ein digitales Verfahren zur Kompensation, bei der ein Schalter S1 wiederholt für eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne (vorzugsweise für etwa 10 ms in jeder Sekunde) geschlossen wird, so daß der Signalpegel bei A, der ein Maß für den Widerstand des gasempfindlichen Widerstandselementes S ist, periodisch an eine Kapazität C1 abgegeben wird und an der Seite "1" einer Kapazität C2 erscheint. Der Pegel an C2 driftet langsam aufwärts oder abwärts, wenn sich die Temperatur und/oder die Feuchtigkeit ändert, aber da ein Schalter S2 vorzugsweise alle dreißig Minuten geschlossen wird, wird der Pegel auf Erde bezogen, so daß die Gesamtdrift klein ist. Die Signale, die C2 passieren, werden mit einer Bezugsspannung ~Vf verglichen, um nach Verstärkung ein Alarmsignal zu erzeugen.The circuit in Fig. 3c shows a digital method for compensation in which a switch S1 repeatedly closed for a relatively short period of time (preferably for about 10 ms every second) so that the signal level at A, which is a measure of the resistance of the gas-sensitive resistance element S is, is periodically delivered to a capacitor C1 and appears on the "1" side of a capacitor C2. The level on C2 slowly drifts up or down as the temperature and / or humidity changes, but there is one Switch S2 is preferably closed every thirty minutes, the level is referenced to earth, so that the total drift is small. The signals that pass through C2 are compared to a reference voltage ~ Vf for amplification generate an alarm signal.
Es kann erwünscht sein, einen Gasdetektor einsetzen zu können, der in der Lage ist, zwischen jedem einer Zahl von Gasen zu unterscheiden.It may be desirable to be able to use a gas detector that is able to detect between each differentiate between a number of gases.
Dies wird bei einem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß ein erstes Element aus einer in einen Film aus FEP-TEFLON (RTM) eingekapselte Mischung aus Indiumoxid und einem kleinen Anteil von Platinschwarz gebildet und dann zusammen mit einem zweiten, in gleicher Weise eingekapselten Element aus Zinnoxid und einem kleinen Anteil Platinschwarz verwendet wird. Während das eingekapselte Zinnoxidelement sowohl auf Wasserstoffgas als auf Kohlenmonoxidgas anspricht, spricht das eingekapselte Indiumoxidelement nur auf Wasserstoffgas an, so daß einThis is achieved in one embodiment achieves that a first element consists of a mixture encapsulated in a film of FEP-TEFLON (RTM) Indium oxide and a small proportion of platinum black and then formed together with a second, in the same way Way encapsulated element made of tin oxide and a small amount of platinum black is used. While the encapsulated The tin oxide element responds to both hydrogen gas and carbon monoxide gas, the encapsulated speaks Indium oxide element only on hydrogen gas, so that a
$30035/076$$ 30035 / $ 076
Ausgang von beiden Elementen das Vorhandensein von Wasserstoffgas anzeigt/ während ein Ausgang von nur dem zweiten Element das Vorhandensein von Kohlenmonoxidgas signalisiert.Output from both elements indicates the presence of hydrogen gas / while output from only signals the presence of carbon monoxide gas to the second element.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel· wird ein drittes, nicht eingekapseltes Element aus Indiumoxid (oder alternativ Zinnoxid) und einem kleineren Anteil aus Platinschwarz vorgesehen, und die Anordnung kann dann so verwendet werden, daß man mehrere Gase unterscheiden kann. Da das dritte Element auf H~-Gas, CO-Gas und Alkoholdampf anspricht, ist Wasserstoffgas festgestellt worden, wenn alle drei Elemente ein Ausgangssignal erzeugen, während Kohlenmonoxidgas festgestellt worden ist, wenn ein Ausgangssignal nur von dem zweiten und dritten Element erzeugt wird, und wenn nur das dritte Eiement ein Ausgangssignal erzeugt, ist Alkoholdampf festgestellt worden, wobei Alkoholdampf nicht in der Lage ist/ den FEP-TEFLON (RTM)-FiIm zu durchdringen, der das erste und zweite Element einkapselt. Alle Elemente können jeweils in einer Brückenschaltung der zuvor für einen einzelnen Detektor beschriebenen Art angeordnet werden, und jede Brückenschaltung kann Mittel zum Setzen eines Schwellwertpegels enthalten, so daß ein Ausgang nur erzeugt wird, wenn die gemessene Gaskonzentration einen vorgegebenen Pegel überschreitet. Der Ausgang jedes Elementes oder jeder das Element enthaltenden Brückenschaltung wird einer logischen Schaltung zugeführt, die in Figur 4 dargestellt ist, und die in der Lage ist, mögliche Kombinationen von erzeugten Signalen zu unterscheiden. Die links in Fig. 4 dargestellten Ziffern 1 bis 3 entsprechen den jeweiligen Eingängen vom ersten, zweiten und dritten Element und die in der Figur verwendeten Symbole sind die für logische Schaltungen üblichen Normsymbole. Die Schaltung ist so ausgebildet, daß sie ein bestimmtes Gas mittels eine geeigneten LED anzeigt,In another embodiment, a third, unencapsulated element is made from indium oxide (or alternatively tin oxide) and a smaller proportion of platinum black provided, and the arrangement can then be used in such a way that one can differentiate between several gases. Since the third element is on H ~ gas, CO gas and alcohol vapor responds, hydrogen gas has been detected when all three elements provide an output generate while carbon monoxide gas has been detected when an output only from the second and third element is generated, and if only the third element is generating an output, it is alcohol vapor been found, whereby alcohol vapor is not able / to penetrate the FEP-TEFLON (RTM) -FiIm, which encapsulates the first and second elements. All elements can each be in a bridge circuit as previously for a single detector of the type described, and each bridge circuit can have means for setting of a threshold level so that an output is only generated when the measured gas concentration exceeds a predetermined level. The output of each element or each containing the element Bridge circuit is fed to a logic circuit, which is shown in Figure 4, and which is able to to distinguish possible combinations of generated signals. The digits 1 shown on the left in FIG through 3 correspond to the respective inputs of the first, second and third elements and those used in the figure Symbols are the standard symbols used for logic circuits. The circuit is designed so that it indicates a specific gas by means of a suitable LED,
83QQ35/07S883QQ35 / 07S8
30O5S2S30O5S2S
die nur erregt wird, wenn die genaue Kombination von Elementen ein Ausgangssignal erzeugt.which is only excited when the exact combination of elements produces an output signal.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein gasempfindliches Widerstandselement geschaffen, das bei Raumtemperatur arbeitet und darüberhinaus verhältnismäßig niederohmig ist.The present invention makes a gas sensitive Resistance element created that works at room temperature and, moreover, relatively is low resistance.
-Al--Al-
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| EP0102067A3 (en) * | 1982-08-27 | 1985-04-24 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Co gas detecting device and circuit for driving the same |
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