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Gaserfassungsvorrichtung
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und Verfahren zur Gaserfassung Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Gaserfassungsvorrichtung für ein Gasgemisch, die in der Lage ist,
Gasinformation wie Arten und Konzentrationen von Gaskomponenten in einem aus mehreren
bekannten Komponenten bestehenden Gasgemisch zu liefern.
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Halbleiter-Gasmeßfühler wie z. B. Zinnoxid (SnO2), Eisenoxid (Fe203),
Zinkoxid (ZnO) können Ausgangsgrößen über Gaskonzentrationen in Form von elektrischen
Signal stärken wiedergeben, sind leicht zu handhaben und kostengünstig herstellbar,
weshalb sie bisher viel verwendet werden. Sie arbeiten nach dem Prinzip, daß eine
Änderung des Widerstands eines Halbleiter-Gasmeßfühlers durch Adsorption eines Probengases
auf dem aktiven Teil des Meßfühlers von einem Erfassungsglied in Form einer Ausgangsspannung
entnommen wird; Fig. 1 zeigt ein solches Erfassungsglied, wobei 11 ein Festwiderstand
ist, 12 ein Meßfühler auf s-Fe203-Basis zum Erfassen von Isobutan (c4H10) und 13
ein Spannungsmesser.
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Die Beziehungen zwischen der erfaßten Gaskonzentration und der erfaßten
Spannung sind gewöhnlich in einem gewissen Bereich linear, wie die typische Erfassungskurve
21 für Isobutan (C4H10) zeigt, die mit einem Meßfühler auf iFe203-Basis erhalten
wurde (vgl. Fig. 2), und sind folglich auf praktische Messungen gut anwendbar.
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Im einzelnen wird auf den Stand der Technik Bezug genommen, bei dem
Wasserdampfkonzentration und Alkoholdampfkonzentration gleichzeitig in einem Gasgemisch
aus Luft, Wasserdampf und Alkoholdampf getrennt erfaßt werden, wie bisher gründlich
untersucht wurde. Z. B. gibt die offengelegte JA-Patentanmeldung 80192/80 an, daß
einige Arten von Meßfühlerwerkstoffen zur gleichzeitigen, jedoch unabhängigen Erfassung
mehrerer Gaskomponenten benötigt werden und auch daß mehrere Meßfühler zum Erfassen
nur einer Gaskomponentenart benötigt werden, wenn kein Meßfühler zum Erfassen nur
einer solchen Gaskomponentenart zur Verfügung steht; d. h., beispielsweise im letzteren
Fall, wenn eine Gaskomponente a erfaßt werden soll, aber kein Meßfühler zur Erfassung
nur der Gaskomponente a zur Verfügung steht, sondern nur ein gegenüber beiden Gaskomponenten
a und b empfindlicher Meßfühler A verfügbar ist, dann kann ein Meßfühler, der nicht
gegenüber der Gaskomponente a, sondern gegenüber der Gaskomponente b empfindlich
ist, feststellen, daß keine Gaskomponente b vorhanden ist, wodurch der Meßfühler
A die Gaskomponente a erfassen kann. Die genannte Veröffentlichung gibt an, daß
Änderungen des Widerstands von Lanthan-Nickeloxid (LaNiO3) und Magnetit (Fe304)
gegenüber Gasgemischen mit bekannten Konzentrationen im voraus geeicht werden, wodurch
einzelne Konzentrationen von Wasserdampf und Alkoholdampf in einem Gasgemisch aus
Luft, Wasserdampf und Alkoholdampf mit unbekannten Konzentrationen erfaßt werden.
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Dieser bekannte Gasmeßfühler erfüllt nicht die Erfordernisse der Trennung
und quantitativen Bestimmung eines Gasgemischs, die in jüngster Zeit bei der Erfassung
von Kraftfahrzeugabgasen und aus chemischen Anlagen austretenden Gasen auftreten.
Wie z. B. aus der Erfassungskurve eines palladiumdotierten Meßfühlers auf der Basis
von Zinkoxid (ZnO) als H2-Gasmeßfühler in Fig. 3 ersichtlich ist, liefert ein solcher
Meßfühler die durch H2 (Kurve 31 in Fig. 3) sowie die durch Kohlenmonoxid (CO) (Kurve
32 in Fig. 3) und die durch Kohlenwasserstoffgas (Propangas, Kurve 33 in Fig. 3)
erzeugte Ausgangsspannung gleichzeitig, wodurch die Erfassungsgenauigkeit eines
solchen Meßfühler für H2 beträchtlich herabgesetzt wird. Dies scheint auf die Adsorption
von von H2 verschiedenen Gaskomponenten zurückzuführen zu sein, die die H2-Adsorption
verändern, und dieses Phänomen wirkt sich gewöhnlich in jedem Gasmeßfühlerwerkstoff
als ein großer Nachteil des konventionellen Halbleiter-Gasmeßfühlers aus.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Erfassungsvorrichtung
zum Erfassen von Gasgemischkonzentrationen zu schaffen, bei der die Nachteile des
Stands der Technik nicht auftreten, die genau und schnell Gasinformation wie Art
der Gaskomponenten in einem Gasgemisch bekannter Gaskomponenten, Anwesenheit bestimmter
Gaskomponenten, ihre Konzentration usw. erfassen kann und ferner aus der auf diese
Weise erhaltenen Gasinformation mit hoher Genauigkeit die Konzentrationen der Gaskomponenten
errechnet.
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Die erfindungsgemäße Gaserfassungsvorrichtung ist gekennzeichnet durch
mehrere integrierte Gasmeßfühler und eine Heizeinheit, die einer Gasgemischatmosphäre
mit bekannten Gaskomponenten aussetzbar sind, und ein Rechenglied zum Errechnen
der Ausgangsgrößen der Gasmeßfühler, wobei die
Gasmeßfühler gegenüber
den bekannten Gaskomponenten jeweils verschiedene Gasselektivitäten haben und Gasinformation
des Gasgemischs aus den Gasselektivitäten und den erfaßten Ausgangsgrößen der einzelnen
Gasmeßfühler durch das Rechenglied ermittelbar ist.
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Das Wesen der Erfindung liegt in der Ermittlung von Gasinformation
wie Konzentrationen von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, dem Konzentrationsverhältnis,
der Anwesenheit bestimmter Gaskomponenten u. ä. durch vorheriges Messen der Empfindlichkeiten
einzelner Gasmeßfühler gegenüber einzelnen Gaskomponenten unter bewußter Nutzung
der Linearität angezeigter Konzentrationswerte von Gaskomponenten gegenüber Mischungsverhältnissen
eines Gasgemischs, (wobei der angezeigte-Wert ein Wert auf der Eichkurve ist) und
von Unterschieden in Gasempfindlichkeiten von Gasmeßfühlerwerkstoffen gegenüber
Gaskomponenten (im folgenden "Gasselektivität" genannt) und unter Lösen mehrerer
simultaner linearer Gleichungen, die aufgrund der ermittelten Meßgrößen einzelner
Meßfühler und der bekannten Empfindlichkeiten der einzelnen Meßwertfühler gegenüber
den einzelnen Gaskomponenten angesetzt werden.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 ein Erfassungsglied-Schaltbild des konventionellen Gasmeßfühlers
auf der Basis von -Fe2O; Fig. 2 ein Beispiel einer Kurve , wobei die Ausgangsspannung
des Erfassungsglieds nach Fig. 1 über der Gaskonzentration aufgetragen ist; Fig.
3 ein Beispiel von erfaßten Ausgangskenngrößen von Wasserstoff und anderen Gaskomponenten
unter Anwendung des konventionellen Wasserstoffmeßfühlers auf der Basis von Zinkoxid
(ZnO), der auch mit Pd dotiert ist; Fig. 4 (a) eine schematische Ansicht des wesentlichen
Teils einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei sechs Meßfühler angeordnet
sind; Fig. 4 (b) eine schematische Querschnittsansicht A-A' von Fig. 4 (a); Fig.
5-10 Kurven von erfaßten Ausgangswerten eines Gasgemischs aus sechs Gaskomponenten
unter Anwendung von sechs Meßfühlern nach der ersten Ausführungsform gemäß Fig.
4; Fig. 11-13 (a) und (b) Ansichten des Aufbaus anderer Ausführungsformen der Gaserfassungsvorrichtungen
nach der Erfindung;
Fig. 14 ein Diagramm der Additivität der Leitfähigkeit
für tatsächlich mit der erfindungsgemäßen Gaserfassungsvorrichtung gemessene Gaskonzentrationen
verschiedener CH4-H2-, CH4-C3H8-und C3H8-H2-Gasgemische.
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Vor der Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird
im folgenden zur Erleichterung des Verständnisses der technische Gedanke der Erfindung
kurz beschrieben.
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Der technische Grundgedanke ist, davon Gebrauch zu machen, daß der
Beitrag der einzelnen Gaskomponenten zum erfaßten Ausgangswert im wesentlichen in
der Additivität liegt. Dabei sei die Anzahl der Komponenten in einem Probengasgemisch
n, und die Erfassungsempfindli.chkeit eines Gasmeßfühlers i gegenüber einer bestimmten
Gaskomponente j bei einer Konzentration xj sei zij. Die durch die Meßfühler i erfaßte
und von sämtlichen Gaskomponenten erzeugte Ausgangsspannung (angenommener Wert)
Pi kann wie folgt geschrieben werden:
(i: 1, 2 ..... m) wobei Pij ein von einem einzigen Gasmeßfühler i durch eine bestimmte
Gaskomponente j erzeugter Ausgangswert ist, zij durch den Gasmeßfühlerwerkstoff
ij änderbar ist und, sobald ein bestimmter Meßfühlerwerkstoff ij ermittelt ist,
ein erfaßter Ausgangswert gegenüber einer einzelnen Gaskomponente j geeicht werden
muß, und wobei m die Anzahl der Gasmeßfühler ist.
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Es wurde festgestellt, daß eine solche Additivität zutrifft, worauf
die Gaserfassungsvorrichtung und das Verfahren zur Gaserfassung beruhen.
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Der Gedanke der auf dem konventionellen Gasmeßfühler beruhenden Erfassungskurven
ist, für den Gebrauch einen Meßfühlerwerkstoff ij zu entwickeln, der die Empfindlichkeit
zijgegenüber einer bestimmten Gaskomponente j außerordentlich erhöhen kann, während
er die Wirkung anderer Gaskomponenten richtig als Fehler anzeigt, wodurch ein annähernd
richtiger Wert erhalten wird; damit unterscheidet er sich von dem vorliegenden Gedanken,
wonach die Empfindlichkeit crcij gegenüber einer bestimmten Gaskomponente j relativ
erhöht wird, während die Wirkung der anderen Gaskomponenten als Fehler berücksichtigt
wird, der als Bestätigung eines vom betreffenden Gasmeßfühler richtig erfaßten Ausgangswerts
genutzt wird.
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Aus der obengenannten Formel ist eine Gaskonzentration xj in gleicher
Weise ableitbar wie eine Lösung aus bekannten mehreren simultanen linearen Gleichungen
ableitbar ist. D.h., eine Gruppe mit einer gleichen Anzahl n von jeweils aus verschiedenen
Werkstoffen bestehenden Gasmeßfühlern wie die Anzahl der Gaskomponenten wird einem
Gasgemisch aus n Gaskomponenten ausgesetzt, um jeweils von den einzelnen Meßfühlern
Ausgangswerte zu erhalten, und die einzelnen Gaskomponentenkonzentrationen xj werden
einzig mittels Determinantenrechnung aus diesen erfaßten Ausgangswerten erhalten.
Außerdem wird der Rechenvorgang von einem Mikrocomputer, der die Empfindlichkeit
sij als Konstante im voraus gespeichert hat, durchgeführt; dadurch ist die Gaskonzentration
durch Realzeitverarbeitung ableitbar.
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Somit besteht der technische Grundgedanke darin, bewußt eine Gasempfindlichkeit
gegenüber einer Mehrzahl von Gaskomponenten eines Gasmeßfühlerwerkstoffs zu verwenden,
was im Gegensatz zum konventionellen Gedanken nach dem Stand der Technik steht und
damit in dieser Hinsicht einmalig ist.
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Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung eine Ausführungsform
der Gaserfassungsvorrichtung im einzelnen beschrieben.
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Fig. 4 (a) ist eine schematische Ansicht eines Gasmeßfühlerteils,
der der wesentliche Teil der Gaserfassungsvorrichtung ist. Der Gaßmeßfühlerteil
hat sechs Meßfühler 401, 402, 403, 404, 405 und 406, die in Matrixkonfiguration
angeordnet sind. Die einzelnen Meßfühler werden hergestellt durch Bilden von sechs
Grundelektroden 412 aus leitfähiger Goldpaste (z. B. die Paste Nr. 8760 von DuPont)
an vorbestimmten Stellen nach dem bekannten Dickschichtdruckverfahren, Bilden von
Verbindungsleitern 413 zu den Grundelektroden 412, anschließendes Bilden von gasempfindlichen
Teilen durch Verwendung von sechs Arten von Gasmeßfühlerpasten unterschiedlicher
Empfindlichkeit gegenüber den jeweiligen Grundelektroden 412, wobei diese gasempfindlichen
Teile mit einer vorbestimmten Dicke (ca. 10/um) nach dem gleichen Dickschichtdruckverfahren
wie die Grundelektroden 412 hergestellt werden, anschließendes Bilden von oberen
Elektroden 415 vorbestimmter Form und Größe auf den Gasmeßfühlern mittels eines
Druckverfahrens und Brennen aller Meßfühler bei einer Brenntemperatur von 900 OC
für 10 min.
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Auf diese Weise ist eine Meßfühleranordnung zur Analyse einer Mehrzahl
von Gaskomponenten in Sandwich-Bauweise für die einzelnen Meßfühler und mit vorbestimmten
Verdrahtungen erhältlich.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden sechs Arten von
Meßfühlerpasten verwendet. D. h., es wird ein Werkstoff auf CoO-Basis für den Meßfühler
401, ein Werkstoff auf WO3+PT-Basis für den Meßfühler 402, ein Werkstoff auf VO2+AG-Basis
für den Meßfühler 403, ein Werkstoff auf ZnO+Pd-Basis für den Meßfühler 404, ein
Werkstoff auf Fe304-Basis für den Meßfühler 405 und ein Werkstoff auf SnO2-Basis
für den Meßfühler 406 verwendet, wobei den einzelnen Werkstoffen 10 Gew.-% hochschmelzendes
Kristallglas und ein organisches Bindemittel beigemischt werden und durch gründliches
Kneten die Meßfühlerpasten hergestellt werden.
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Signale (Ausgangsspannungen) des Gasmeßfühlerteils der oben beschriebenen
Anordnung werden durch Kombinationen von oberen Elektroden 415 und Grundelektroden
412 entnommen.
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Z. B. ist das Signal des Meßfühlers 402 erhältlich, indem die Ausgangsklemme
der Grundelektrode 416 in der ersten Zeilengruppe und die Ausgangsklemme der oberen
Elektrode 4152 in der zweiten Reihengruppe angesteuert werden.
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Insgesamt werden die Signale durch Abtasten der einzelnen Elektroden
in den Zeilengruppen und in den Reihengruppen, wie oben beschrieben, erhalten.
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Fig. 4 (b) ist eine schematische Querschnittsansicht A-A' von Fig.
4 (a).
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Fig. 5-10 zeigen den Verlauf von erfaßten Augangsspannungen von Meßfühlern
401-406 des Meßfühlerteils als dem wesentlichen Teil einer Gaserfassungsvorrichtung
für ein Gasgemisch aus Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid,
Kohlenwasserstoff und Wasserdampf.
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In Fig. 5 zeigt die Kurve 51 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers
auf CoO-Basis für Sauerstoff (02), die Kurve 55 den für Wasserdampf (H20) und die
Kurve 56 den für Kohlenwasserstoff.
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In Fig. 6 zeigt die Kurve 62 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers
auf W03+Pt-Basis für Wasserstoff (H2), die Kurve 63 den für Stickstoffdioxid (NO2)
und die Kurve 64 den für Kohlenmonoxid (CO).
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In Fig. 7 zeigt die Kurve 72 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers
auf V02+Ag-Basis für H2, die Kurve 73 den für No2, die Kurve 74 den für CO und die
Kurve 76 den für Kohlenwasserstoff.
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In Fig. 8 zeigt die Kurve 82 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers
auf ZnO+Pd-Basis für H2, die Kurve 84 den für CO und die Kurve 86 den für Kohlenwasserstoff.
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In Fig. 9 zeigt die Kurve 92 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers
auf SnO2-Basis für H2, die Kurve 94 den für CO und die Kurve 96 den für Kohlenwasserstoff.
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In Fig. 10 zeigt die Kurve 105 den Verlauf des Ausgangssignals des
Gasmeßfühlers auf Fe304-Basis für H2O (Gas).
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Die einzelnen Gasmeßfühler werden für die Erfassung eingesetzt unter
Erwärmung der Gasmeßfühlerwerkstoffe, und die in Tabelle 1 gezeigten Erwärmungstemperaturbereiche
werden als optimal für die einzelnen Meßfühlerwerkstoffe angesehen.
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Ein plattenförmiges Heizelement mit guter Temperaturverteilung wird
als Heizeinheit verwendet.
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Tabelle 1 Optimale Erwärmungstemperatur einzelner Meßfühl erwerkstoffe
Gasmeßfühler auf CoO-Basis 400-500 OC Gasmeßfühler auf WO3+Pt-Basis 250-400 OC Gasmeßfühler
auf VO2+Ag-Basis 300-400 OC Gasmeßfühler auf ZnO+Pd-Basis 350-450 OC Gasmeßfühler
auf Fe304-Basis 350-450 OC Gasmeßfühler auf SnO2-Basis 350-450 OC Somit wird im
folgenden Beispiel eine integrierte Gaserfassungsvorrichtung verwendet, und die
gemeinsame Erwärmungstemperatur ist 400 OC. Z. B. ist das plattenförmige Heizelement
auf der gleichen Seite des Substrats wie die Gasmeßfühler vorgesehen, wobei dazwischen
eine elektrische Isolierschicht angeordnet ist, um eine gute Temperaturverteilung
und einen guten Heizwirkungsgrad bei der integrierten Anordnung zu erzielen. Das
plattenförmige Heizelement kann auch auf der entgegengesetzten Seite des Substrats
vorgesehen sein.
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Aus Tabelle 2 ist die Empfindlichkeit als charakteristischer Wert
eines Meßfühlers ersichtlich, der die Gasselektivität eines Meßfühlers für diese
Gaskomponenten zeigt.
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Tabelle 2
| Meßfühler Empfindlichkeit (V/ppm) |
| Nr. |
| O2 H2 NO2 CO H2O Kohlen- |
| wasser- |
| (Dampf) |
| stoff |
| 401 7,7x10-4 o o o 1,8x10-4 1,1x10-4 |
| 402 o 1,6x10-3 8,3x10-4 2,3x10-4 o o |
| 403 1,4x10-3 o o o o o |
| 404 o 1,7x10-3 o 1,4x10-3 o 0,2x10-3 |
| 405 o 0,6x10-3 o 1,3x10-3 o 1,6x10-3 |
| 406 o o o o 1,5x10-3 o |
Im folgenden ist die Analyse einer Probengasmischung mit sechs
Arten von Gaskomponenten (n = 6) durch eine Gaserfassungsvorrichtung beispielsweise
beschrieben.
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Von den einzelnen Meßfühlern im Meßfühlerteil der Gaserfassungsvorrichtung
erfaßte, gleichzeitig von Gaskomponenten eines Probengasgemischs, d. h. Sauerstoff,
Wasserstoff, Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid, Wasserdampf und Kohlenwasserstoff,
erzeugte Spannungen werden unter Anwendung eines Erfassungsglieds mit Signalverarbeitung
(in der Figur nicht gezeigt) errechnet und haben folgende Werte, wobei jeweils die
Meßfühlernummer und die erfaßte Spannung angegeben sind: 401: 3,79 V, 402: 2,63
V, 403: 5,60 V 404: 3,40 V, 405: 3,;30 V, 406: 4,50 V Im folgenden werden Spannungswerte
als angenommener Wert verwendet.
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Wenn die Konzentrationen der jeweiligen Gaskomponenten mit XO2, XH2,
XNO2 Xcot XH2O bzw. XCmHn in ppm bezeichnet sind, so sind die folgenden sechs simultanen
linearen Gleichungen unter Anwendung von Spannungswerten als angenommenen Werten
und der Konstanten nach Tabelle 2 ableitbar.
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Durch Lösen der obigen simultanen Gleichungen durch Rechenglieder
(nicht in Fig. 4 gezeigt) werden die folgenden Werte als Konzentrationen der einzelnen
Gaskomponenten erhalten:
einheit: ppm) Fig. 11 (a) ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform,
wobei die Oberflächenausbildung eines Meßfühlerteils der Gaserfassungsvorrichtung
gezeigt ist. Fig.
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11 (b) ist eine schematische Querschnittsansicht A-A' von Fig. 11
(a). Wie aus Fig. 11 (a) und (b) ersichtlich ist, sind bei der zweiten Ausführungsform
sechs Meßfühler 1101, 1102, 1103, 1104, 1105 und 1106 in Matrixkonfiguration angeordnet,
und die Meßfühlerpberfläche ist platten- bzw. bahnförmig und ist einem Probengas
ausgesetzt. Die einzelnen Elektroden sind in Zeilengruppen oder Reihengruppen miteinander
verbunden, wie bei der ersten Ausführungsform gezeigt, und die Schnittstellen der
Verbinder zwischen den Elektroden sind durch einen über kreuzungswerkstoff elektrisch
isoliert.
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Die Vorrichtung nach der zweiten Ausführungsform wird im wesentlichen
nach dem gleichen Verfahren wie die erste Ausführungsform hergestellt. Zuerst werden
Elektroden 1112 und Verbinder 1113 zwischen den Elektroden auf einem wärmebeständigen
isolierenden Substrat 1111 unter Anwendung von Goldleiterpaste (z. B. Nr. 8760 von
DuPont) nach dem bekannten Dickschichtdruckverfahren gebildet. Dann werden die Gasmeßfühlerschichten
1114 aus verschiedenen Arten von Meßfühlerpasten, wie bei der ersten Ausführungsform
beschrieben, für die einzelnen Meßfühler gebildet. An den Schnittstellen der Leiter
zwischen den Elektroden werden isolierende
Überkreuzungsschichten
1115 aus einer Kristallglaspaste (z. B. Nr. 9429 von DuPont) durch Drucken auf den
ersten Leitern gebildet, und dann werden zweite Leiter auf die Isolierschichten
aufgedruckt. Daraufhin wird das ganze Substrat bei der vorbestimmten Temperatur
gebrannt, um die Gaserfassungsvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform zu erhalten.
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Erfaßte Ausgangswerte der einzelnen Meßfühler 1101-1106 der zweiten
Ausführungsform für die jeweiligen Gaskomponenten eines Probengasgemischs sind sehr
schnell erhältlich. D. h., Konzentrationen der jeweiligen Gaskomponenten sind quantitativ
ebenso schnell bestimmbar wie die bei der ersten Ausführungsform.
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Fig. 12 (a) zeigt eine dritte Ausführungsform der Gaserfassungsvorrichtung
mit sechs Meßfühlern in der gleichen Sandwich-Bauweise wie bei der ersten Ausführungsform,
mit der -Ausnahme, daß lediglich Verbinderverdrahtungen zur Entnahme der erfaßten
Ausgangswerte von denen der ersten Ausführungsform verschieden sind. Fig. 12 (b)
ist eine schematische Querschnittsansicht A-A' der dritten Ausführungsform gemäß
Fig. 12 (a).
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Fig. 13 (a) zeigt eine vierte Ausführungsform der Gaserfassungs- vorrichtung,
wobei die Oberflächenstruktur des Meßfühlerteils mit vier Meßfühlern in der gleichen
Plattenform wie bei der zweiten Ausführungsform zur Erfassung von vier Gaskomponenten
dargestellt ist, und Fig. 13 (b) ist eine schematische Querschnittsansicht A-A'
von Fig. 13 (a).
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Diese Gaserfassungsvorrichtung wird wie folgt hergestellt:
Goldelektroden
1312 und Verbinder 1313 zwischen den Elektroden werden auf einem Glassubstrat 1311
durch Maskierungs-Aufdampfen gebildet, woraufhin auf den Elektroden Gasmeßfühlerschichten
1314 für die einzelnen Meßfühler durch Zerstäuben gebildet werden. Werkstoffe für
die einzelnen Meßfühlerschichten 1314 sind CoO für den Meßfühler 1301, ZnO+Pd für
den Meßfühler 1302, Fe304 für den Meßfühler 1303 und SnO2 für den Meßfühler 1304.
Bei der Herstellung der Elektroden werden durch Zerstäuben auf den ersten Leitern
1313 zwischen den Elektroden an den Kreuzungspunkten zwischen Leitern und Elektroden
Isolierschichten 1315 aus einer SiO2-Schicht gebildet. Dann werden darauf durch
Maskierungsaufdampfen die zweiten Elektroden und Verbinder zwischen den zweiten
Elektroden gebildet. Daraufhin wird an der Vorrichtung eine integrierte Schaltung
vorgesehen, um die erfaßten Spannungen in Form von Signalen zu verstärken.
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Bei den Verdrahtungen nach der zweiten, dritten und vierten Ausführungsform
können Spannungen von den einzelnen Meßfühlern durch aufeinanderfolgendes Ansteuern
gemeinsamer Busse in der Zeilen- und Reihengruppe erfaßt werden. Der Beitrag der
einzelnen Gaskomponenten zu den erfaßten Spannungen kann nach dem gleichen Verfahren
wie bei der ersten Ausführungsform errechnet werden.
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Zur Errechung der Spannungen in Form von Signalen kann ein Mikroprozessor
vorgesehen sein (nicht gezeigt), um die Konzentration der einzelnen Gaskomponenten
in der Endstufe in Real zeit zu erhalten.
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Fig. 14 zeigt die Additivität als Grundlage des technischen Gedankens
in bezug auf die einfachsten binären Gasgemische, d. h. CH4-H2, CH4-C3H8 und H2-C3H8,
wobei die aus der erfaßten Spannung (angenommener Wert) abgeleitete Leitfähigkeit
als Anzeigewert der Gaskonzentration verwendet wird.
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Die Nutzung der Leitfähigkeit als Anzeigewert der Gaskonzentration
ist ein Ergebnis durchgeführter Untersuchungen, bei denen gefunden wurde, daß im
Fall der Leitfähigkeit auch die Additivität der Gaskonzentration als Anzeigewert
erhalten bleiben kann. Dagegen kann z. B. im Fall des spezifischen Widerstands eine
solche einfache Additivität als Anzeigewert nicht erhalten bleiben. Das ist eine
sehr wichtige Feststellung.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde Aluminiumoxidsubstrat
(A1203) als wärmebeständiges Isoliersubstrat 411, 1111, 1211 und 1311 verwendet.
Ähnliche Ergebnisse sind mit Isoliersubstratwerkstoffen gemäß der folgenden Tabelle
3 erhältlich.
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Tabelle 3 Weitere Isoliersubstratwerkstoffe Forsterit: 2MgO SiO2
Steatit: MgO SiO2 Mullit: 3A1203-2SiO2 Siliziumkarbid: SiC Zirkonerde: Zur02 Spinell:
MgO Al203 Beryllerde: BeO
Bei der oben beschriebenen Gaserfassungsvorrichtung
ist ein Gasmeßfühlerteil so aufgebaut, daß mehrere Meßfühler aus Gasmeßfühlerwerkstoffen
unterschiedlicher Gasselektivität gegenüber bestimmten Gaskomponenten eines Gasgemischs
auf einem Isoliersubstrat vorgesehen sind. Die Gasselektivität gegenüber bestimmten
Gaskomponenten eines Gasgemischs ist nicht nur erhältlich, indem, wie oben beschrieben,
verschiedene Meßfühlerwerkstoffe verwendet werden, sondern auch durch Änderung der
Verfahren und Bedingungen zur Herstellung von Meßfühlern bei Verwendung der gleichen
Komponenten bestimmter Meßfühlerwerkstoffe oder durch Integration der einzelnen
Meßfühler anstatt auf einem Isoliersubstrat in ein und derselben Software, so daß
Gasinformation wie die Anwesenheit bestimmter Gaskomponenten eines Gasgemischs,
Konzentrationen der einzelnen Gaskomponenten usw. erhalten wird. Diese Abwandlungen
sind für den Fachmann selbstverständlich.
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Die auf diese Weise erhaltene Gas information ist wie folgt verwertbar:
(1) Konzentrationen der einzelnen Gaskomponenten oder nur gewünschte Gaskomponenten
sind als Ausgangsgrößen in einer Anzeigevorrichtung wie einem Meßgerät oder als
graphische Darstellung oder Zahlenwerte erhältlich.
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(2) Z. B. ist das CO/CO2-Verhältnis als Ausgangswert ererhältlich.
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(3) Die Anwesenheit bestimmter Gaskomponenten kann als Ausgangssignal
angezeigt werden. In diesem Fall wird die Anwesenheit einfach durch einen Summer
angezeigt.
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Wie oben beschrieben, kann die Gaserfassungsvorrichtung zur Analyse
mehrerer Gaskomponenten die einzelnen Gaskomponenten eines Probengasgemischs mit
großer Genauigkeit schnell trennen und quantitativ bestimmen.
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Ferner können eine Heizeinheit sowie eine Signalverarbeitungsschaltung
auf dem gleichen Substrat durch Druckverfahren (Dickschichtverfahren) vorgesehen
werden, wodurch es möglich ist, einen einfachen und kostengünstigen Analysator als
Meßfühlereinrichtung zur Analyse mehrerer Gaskomponenten durch Realzeit-Signalverarbeitung
zu schaffen. Die Gaserfassungsvorrichtung bringt einen außergewöhnlichen Erfolg
auf dem betreffenden Gebiet der Technik.
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