DE3607065A1 - Fuehleinrichtung - Google Patents

Description

Anwaltsakte: 34 850

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Fühleinrichtung zum Fühlen einer Umgebungszustandsänderung, und betrifft insbesondere einen Fühler zum Fühlen des Vorhandenseins eines ganz bestimmten Gases oder Dampfes, wie Alkohol, oder eines Temperatur- oder Feuchtigkeitswerts. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Fühleinrichtung mit einem Fühlelement, bei welchem eine Änderung im elektrischen Widerstandswert zum Fühlen eines bestimmten Parametes ausgenutzt wird.

Ein Gasfühler, um das Vorhandensein eines ganz bestimmten Gases in der Umgebung zu fühlen, wenn ein vorher bestimmter Wert überschritten ist, wird in großem Umfang verwendet. Ein üblicher, herkömmlicher Gasfühler weist ein Fühlelement aus einem Metalloxid-Halbleitermaterial und eine Heizwicklung auf, welche auch als eine Elektrode dient, in welcher das Heizelement eingebettet ist. Unter der Voraussetzung, daß das Heizelement durch die Heizwicklung auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt wird, nimmt, wenn das Fühlelement an seiner Oberfläche ein ganz bestimmtes Gas in der Atmosphäre bzw. Lufthülle absorbiert, der Wert des elektrischen Widerstands des Heizelements stark ab. Folglich kann dies ausgenutzt werden, um das Vorhandensein eines ganz bestimmten Gases in der Atmosphäre oder Lufthülle anzuzeigen,wenn ein vorherbestimmter Wert überschritten ist. In der herkömmlichen Einrichtung hat der an die Heizwicklung angelegte Treiber- oder Ansteuerstrom die Form eines Impulses, wodurch der Energieverbrauch herabgesetzt wird, so daß eine Batterie als Energiequelle verwendet werden kann.

In der herkömmlichen Einrichtung wird der elektrische Widerstandswert des Fühlelements während des Zeitabschnitts fest-

gestellt, während welchem das Fühlelement erwärmt wird. In diesem Fall fließt jedoch der Ansteuerstrom, welcher der Heizwicklung zugeführt worden ist, teilweise über das Fühlelement ab, und ein derartiger Leckstrom ruft eine offensichtliche Verringerung eines an dem Fühlelement festzustellendes Ausgansgsignals hervor. Wenn beispieslweise der Widerstandswert des Fühlelements unter normalen Bedingungen annähernd 1 M Λ ausmacht, und wenn er auf 500 kil abnimmt, wenn ein ganz bestimmtes Gas gefühlt wird, würde das Anlegen eines Ansteuerstroms von 2 μΑ an das Fühlelement unter normalen Bedingungen eine Ausgangsspannung von 2 V und von 1 V erzeugen, wenn ein ganz bestimmtes bzw. spezielles Gas gefühlt wird. Aufgrund des Vorhandenseins des vorerwähnten Leckstroms entspricht dies jedoch dem Fall, bei welchem ein widerstand mit einem Widerstandswert von 500 kjfr. parallel zu dem Fühlelement geschaltet ist, so daß der Gesamtwiderstand unter Normalbedingungen annähernd 333 kΏ. und während des Feststeilens von Gas 250 k£L ist. Folglich würde sich bei demselben Ansteuerstrom von 2 μΑ die Ausgangsspannung nur von 0,67 V auf 0,5 V ändern.

Durch die Erfindung sollen die vorstehend angeführten Nachteile der herkömmlichen Einrichtungen beseitigt werden₇und es soll durch die Erfindung eine Fühleinrichtung zum Fühlen des augenblicklichen Zustands einer Umgebung geschaffen werden, wie beispielsweise ein Gasfühler, ein Temperaturfühler, ein Feuchtigkeitsfühler oder ein Alkoholfühler. Darüber hinaus soll gemäß der Erfindung eine Fühleinrichtung zum Fühlen des Vorhandenseins eines speziellen Objektes in einer Umgebung, wie beispielsweise eines ganz bestimmten, speziellen Gases oder Dampfes,geschaffen werden, wenn ein vorherbestimmter Pegel überschritten ist. Schließlich soll durch die Erfindung eine Fühleinrichtung geschaffen werden, welche im Betrieb zuverlässig ist und einen hohen Nutzeffekt aufweist.

cemäß der Erfindung ist dies bei einer Fühleinrichtung durch den Gegenstand nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen

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Fühleinrichtungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Fühleinrichtung geschaffen, welche ein Fühlelement, dessen elektrischer Widerstandswert sich in Abhängigkeit von dem Zustand seiner Umgebung ändert, und eine Heizeinrichtung zum periodischen Heizen des Fühlelements aufweist, wobei der elektrische Widerstandswert des Fühlelements während eines Zeitabschnitts festgestellt wird, während welchem das Fühlelement durch die Heizeinrichtung nicht erwärmt ist. Auf diese Weise ist gemäß der Erfindung die Fühleinrichtung so ausgeführt, daß der Speichereffekt des Fühlelements ausgenutzt wird. Mit anderen Worten, wenn ein ganz bestimmter, spezieller Zustand in der Umgebung gefühlt wird, wird das Fühlelement für einen kurzen Zeitabschnitt erwärmt, während welchem es der Umgebung ausgesetzt wird, und das Fühlelement behält den während des Fühlens erreichten Zustand für einen vorherbestimmten Zeitabschnitt bei. Entsprechend dem Grundgedanken der Erfindung wird ein Ansteuerstrom an das Fühlelement mit einer solchen zeitlichen Dosierung angelegt, bei welcher kein Ansteuer- oder Treiberstrom zum Heizen angelegt ist. Somit wird das von dem Fühlelement erhaltene Ausgansgsignal am wenigsten beeinflußt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Fühleinrichtung vorgesehen, welche ein Fühlelement, eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Fühlelements und eine Feststelleinrichtung aufweist, um den elektrischen Widerstandswert des Fühlelements festzustellen, wobei ein erster An-Steuerstrom in Form eines Impulses mit einer ersten Impulsdauer periodisch an das Heizelement während eines normalen Fühlvorgangs angelegt wird, und ein zweiter Ansteuerstrom in Form eines Impulses mit einer zweiten Impulsdauer, welche langer als die erste Impulsdauer ist, an das Heizelement angelegt wird, wenn die Feststelleinrichtung die Tatsache festgestellt hat, daß der elektrische Widerstand des Fühlelements einen vorherbestimmten Pegel überschritten hat.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig.l eine schematische Darstellung eines Gasfühlers ge mäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig.2 ein Schaltungsdiagramm, in welchem der Aufbau eines in dem Gasfühler der Fig.l vorgesehenen Zeitsteuergenerators wiedergegeben ist;

Fig.3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der prinzipiellen Arbeitsweise des in Fig.l dargestellten Gasfühlersj
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Fig.4 ein Zeitdiagramm, anhand welchem die Arbeitsweise des in Fig.l dargestsellten Gasfühlers erläutert wird;

Fig.5 eine schematische Darstellung eines Gasfühlers ge mäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig.6 und 7 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise des in Fig.5 dargestellten Gasfühlers;

Fig.8 ein Zeitdiagramm, anhand welchem die Arbeitsweise des in Fig.5 dargestellten Gasfühlers erläutert wird;
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Fig.9 eine schematische Darstellung eines Gasfühlers ge mäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfin dung;

Fig.10 und 11 schematische Darstellungen, anhand welchen die Arbeitsweise des in Fig.9 dargestellten Gasfühlers erläutert wird;

Fig.12 eine schematische Darstellung eines Gasfühlers gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig.13 ein Schaltungsdiagramm, in welchem im einzelnen

der Zeitsteuergenerator wiedergegeben ist, welcher in dem in Fig.12 dargestellten Gasfühler vorgesehen ist, und

Fig.14a bis 14g Zeitdiagramme, anhand welchen die Arbeitsweise des in Fig.12 dargestellten Gasfühlers erläutert wird.

In Fig.l ist schematisch ein Gasfühler oder -sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Der Gasfühler weist einen Fühlabschnitt S, in welchem ein Paar Leiterstreifen la und Ib in einem bestimmten Abstand voneinander in paralleler Anordnung vorgesehen sind, und ein Fühlelement 2 auf, welches vorzugsweise aus einem Metalloxid-Halbleitermaterial hergestellt ist und das sich zwischen den beiden Leiterstreifen la und Ib in Form einer Brücke erstreckt. Von den beiden Leiterstreifen la und Ib dient der Leiterstreifen la nicht nur als eine Elektrode für das Fühlelement 2, sondern auch als ein Heizelement, um das Fühlelement 2 auf eine vorherbestimmte Temperatur zu erwärmen. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Fühlelement 2 aus SnO₂ hergestellt, und ist in Form einer dünnen Schicht ausgebildet, welche sich zwischen den beiden Leiterstreifen la und Ib in Form einer Brücke erstreckt, um dadurch die Wärmekapazität auf ein Minimum herabzusetzen.

Wenn das Fühlelement 2 durch den Leiterstreifen la, welcher auch als Heizelement dient, auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt wird, welche zwischen 350 und 400^eC liegt, findet eine Absorption und Freigabe eines ganz bestimmten, speziellen Gases an und von dem Fühlelement 2 statt. Folglich werden, wenn ein ganz bestimmtes, spezielles zu füh-

lendes Gas in der Umgebung vorhanden ist, die Gasmoleküle an dem Fühlelement 2 absorbiert, wodurch sich dessen elektrischer Widerstandswert verringert, während, wenn das spezielle Gas nicht vorhanden ist oder verdünnt oder abgeschwächt wird, werden die Gasmoleküle von dem Fühlelement 2 freigegeben bzw. ausgelöst, wodurch dessen elektrischer Widerstandswert auf den Ursprungswert ansteigt. Derartige Änderungen in dem elektrischen Widerstand des Fühlelements 2 werden dadurch festgestellt, daß ein Nachweisstrom durch das Fühlelement 2 fließt.

Beide Enden des Leiterstreifens la, welcher auch als Heizelement dient, sind mit einer Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden, welche eine Ansteuerspannung, beispielsweise von 1,5 bis 3 V in Form eines Impulses an den als Heizelement dienenden Leiterstreifen la anlegt, so daß ein Ansteuer- und Treiberstrom durch den Leiterstreifen la fließt, wodurch Joulsche Wärme hervorgerufen wird. Ein Ende des anderen Leiterstreifens Ib ist mit einer Feststellschaltung (einem Detektor) 4 verbunden, welcher auch mit dem unteren Ende des Leiterstreifens la verbunden ist. Der Detektor 4 ist mit einer Spannungsquelle von beispielsweise 1,5 bis 3,5 V versehen. Sobald sie aktiviert ist, liefert die Feststellschaltung bzw. der Detektor 4 einen Ansteuer- oder Treiberstrom in Form eines Impulses, welcher durch das Fühlelement 2 fließt, wobei Änderungen im elektrischen Widerstandswert des Fühlelements 2 als Spannungsänderungen an dem Fühlelement 2 festgestellt werden können. Der Ansteuer- oder Treiberstrom kann statt der Impulsform auch ein kontinuierlicher Strom sein.

Gemäß der herkömmlichen Ausführung wird, während das Fühlelement 2 durch den Heizstreifen la erwärmt wird, der Feststell-Ansteuerstrom durch das Fühlelement 2 so geleitet, wie er von der Feststellschaltung bzw. dem Detektor 4 geliefert wird. In diesem Fall fließt jedoch der Ansteuerstrom, welcher von der Heizelement-Treiberschaltung 3 geliefert worden

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ist, teilweise über das Fühlelement 2 ab, so daß durch diesen Leiterstrom das Ausgangssignal verringert wird, das von der Detektorschaltung 4 festzustellen ist. Dieser Nachteil ist bei der Erfindung in angemessener Weise beseitigt. 5

Von den Erfindern ist nämlich eine ganz bestimmte Beziehung zwischen der Temperatur des Gasfühlelements 2 und der Gasabsorptions-VFreigabefunktion bezüglich des Fühlelements 2 herausgefunden worden, wie anhand von Fig.3 nachstehend im einzelnen erläutert wird. In Fig.3 ist schematisch dargestellt, wie Luftmoleküle A und Gasmoleküle G in verschiedenen Zeitabschnitten I bis VII durch Gasfühlelement 2 absorbiert und von dem Gasfühlelement 2 freigegeben werden, wenn intermittierend ein Heizelement-Ansteuerimpuls an den Heizelementstreifen la angelegt wird. Unter der Voraussetzung, daß nur Luft und kein spezielles Gas in der Umgebung vorhanden ist, wenn ein Ansteuerimpuls in dem anfänglichen Zeitabschnitt I an den Heizstreifen la angelegt wird, werden die Luftmoleküle A an der Oberfläche des Gasfühlelements 2 absorbiert. Wenn in der zweiten Zeitstufe II das Heizen beendet worden ist, fällt die Temperatur des Gasfühlelements 2 schnell ab, da es eine geringe Wärmekapazität hat, und folglich erreicht es innerhalb von 1 ms eine Gleichgewichtstemperatur. In diesem Fall bleibt, selbst wenn die Temperatur des Gasfühlelements 2 sich erniedrigt hat, der in der Anfangsstufe I geschaffene Zustand erhalten. Selbst wenn Gaselemente in die Umgebung eintreten, bleibt, da das Gasfühlelement 2 auf einer niedrigen Temperatur liegt, dessen Oberflächenbeschaffenheit unverändert (dritte Zeitstufe III).

Wenn danach wieder die Ansteuerspannung angelegt wird und folglich das Heizelement la aktiviert wird, Wärme zu erzeugen, wird das Gasheizelement 2 wieder erwärmt, so daß die Luftmoleküle A, welche an der Oberfläche des Gasfühlelements 2 absorbiert worden sind, an die Umgebung freigegeben werden und gleichzeitig Gasmoleküle G an diesen freigemachten Bereichen an dem Gasfühlelement 2 absorbiert werden, wie in der vierten Zeitstufe IV dargestellt ist.

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Da in diesem Fall das Gasfühlelement die Form einer dünnen Schicht hat, findet ein solcher Absorptions- und Freigabevorgang augenblicklich statt. Wenn dann der Heizstreifen la deaktiviert wird, fällt die Temperatur des Gasfühlelements schnell ab, so daß die in dem vierten Zeitabschnitt IV geschaffene Oberflächenbeschaffenheit in dem fünften Zeitabschnitt V erhalten bleibt. Diese Beschaffenheit bleibt erhalten, selbst wenn sich die Umgebung ändert, wie in dem sechsten Zeitabschnitt VI angezeigt ist. Wenn dann der Heizstreifen la noch einmal aktiviert wird, wie in dem siebten Zeitabschnitt VII angezeigt ist, werden die Gasmoleküle G von dem Gasfühlelement 2 freigegeben, und stattdessen werden die Luftelemente A an dem Gasfühlelement 2 absorbiert.

wie vorstehend beschrieben, bleiben die Moleküle, die an der Oberfläche des Gasfühlelements absorbiert worden sind, während es aufgeheizt ist, absorbiert, wenn das Gasfühlelement 2 abgekühlt wird, solange bis das Gasfühlelement 2 wieder erwärmt wird. Selbst wenn in diesem Fall das zwischen den Impulsen liegende Intervall T₂, während welchem das Gasfühlelement 2 auf einer niedrigeren Temperatur verbleibt, verhältnismäßig lang ist, z.B. in der Größenordnung von 100 min liegt, wird der absorbierte Zustand wenig beeinflußt. Wenn das Gasfühlelement 2 aus einem Metalloxid-Halbleitermaterial wie SnO₂ hergestellt ist, und in Form einer dünnen Schicht mit einer geringen Wärmekapazität ausgebildet ist, ist das Absorptions- und Freigabeverhalten bezüglich der Aktivierung und Deaktivierung des Heizstreifens la ausgezeichnet, so daß die Betriebsbedingungen bequem eingestellt werden können, indem die Impulseinschaltdauer T-, in einem Bereich zwischen 1 ms und 1 s und die Impulsausschaltdauer T₂ in einem Bereich zwischen 0,1 s und 100 min eingestellt wird.

Basierend auf der vorstehend wiedergegebenen Feststellung, wird, wie in Fig.4 dargestellt, gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung nach Beendigung einer Einspeisung des Ansteuerimpulses an der Heizelement-Ansteuerschaltung

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der Fühlansteuerimpuls an das Gasfühlelement 2 angelegt, welches die gasabsorbierte Beschaffenheit beibehält, um so ein Fühl- oder Feststellsignal zu erhalten. Bei dieser Ausführung werden ein Signal r, welches den Leckstrom infolge des Heizelement-Ansteuerimpulses darstellt, und ein gewünschtes Signal t erhalten, welches die gasabsorbierte Beschaffenheit an der Oberfläche des Gasfühlelements 2 in dem Fühlsignal darstellt.

In der in Fig.l dargestellten Ausführungsform ist ein Zeitsteuergenerator 5 vorgesehen, welcher den Zeitpunkt in der Einspeisung der Heizelement- und der Feststell-Ansteuerimpulse von der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 bzw. der Feststellschaltung 4 steuert. Wie in Fig.2 dargestellt, weist der Zeitsteuergenerator 5 eine Impulse erzeugende Schaltung P auf, in welcher Inverter 5a, Widerstände 5b, Dioden 5c und ein Kondensator 5d so, wie in Fig.2 dargestellt, geschaltet sind; die Impulse erzeugende Schaltung P ist über einen Inverter 5a mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden, während die Schaltung P über zwei in Reihe geschaltete Monomulit-Vibratoren 5e mit der Festsstellschaltung bzw. dem Detektor 4 verbunden ist. Bei dieser Ausführung erzeugt die Schaltung P ein ersters impulsförmiges Signal mit einem kleinen Tastverhältnis, das an die Heizelement-Ansteuerschaltung 3 anzulegen ist, welche ihrerseits ein zweites impulsförmiges Signal erzeugt, das über einen gewünschten Zeitabschnitt durch die in Reihe geschalteten Monomulti-Vibratoren 5e zeitlich verschoben wird, um an die Feststellschaltung 4 angelegt zu werden.

Wenn nun ein ganz bestimmtes, spezielles Gas in der Umgebung vorhanden ist, wird, wenn der Heizelement-Ansteuerimpuls an die Ansteuerschaltung 3 angelegt wird, das Gasfühlelement 2 auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt, wodurch die Gasmoleküle an der Oberfläche des Gasfühlelements 2 absorbiert werden, wodurch der elektrische Widerstandswert des Gasfühlelements 2 erniedrigt wird. In diesem Fall wird das

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Ausgangssignal r, welches der Leckstromkomponente des durch das Gasfühlelement 2 fließenden Heizelement-Ansteuerstroms entspricht, von der Detektorschaltung 4 festgestellt. Da jedoch zu diesem Zeitpunkt kein Fühlansteuerimpuls angelegt ist, ist dieses Ausgangssignal r erheblich kleiner als ein vorherbestimmter Pegel, so daß kein Alarmsignal erzeugt wird.

Nach dem Ende des Heizelement-Ansteuerimpulses liefert der Zeitsteuergenerator 5 ein Zeitsignal an die Detektorschaltung 4 zu einem Zeitpunkt, das von dem Zeitpunkt zur Aktivierung der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 zeitlich verschoben ist, und entsprechend diesem Zeitsignal erhalt das Gasfühlelement 2 den von der Detektorschaltung 4 gelieferten Ansteuerimpuls. In diesem Fall bleibt die Oberflächenbeschaffenheit des Gasfühlelements 2 dieselbe wie zu der Zeit, während welcher der Heizelement-Ansteuerimpuls angelegt ist, so daß die Gasmoleküle an der Oberfläche des Gasfühlelements 2 absorbiert bleiben. Im Ergebnis wird dann, da der elektrisehe Widerstand des Gasfühlelements 2 infolge der Absorption von Gasmolekülen niedriger geworden ist, am Ausgang ein hohes Spannungssignal t, erhalten, das wiederum ein Alarmsignal erzeugt, welches anzeigt, daß das ganz bestimmte, spezielle Gas in der Umgebung über einem vorherbestimmten Pegel vorhanden ist.

Nunmehr wird angenommen, daß das spezielle Gas aus der Umgebung des Gasfühlelements 2 sich verflüchtigt hat. Die Oberfläche des Gasfühlelements 2 hält jedoch die Gasmoleküle zurück, bis der nächste Heizelement-Ansteuerimpuls angelegt wird. Wenn dieser Ansteuerimpuls angelegt ist, wird das Gasfühlelement 2 unmittelbar auf die vorherbestimmte Temperatur erwärmt, so daß die Gasmoleküle von der Oberfläche des Gasfühlelements 2 freigesetzt werden, und gleichzeitig Luftmoleküle an deren Stelle absorbiert werden; hierdurch steigt dann der elektrische Widerstandswert des Gasfühlelements 2 auf seinen ursprünglichen Wert vor der Absorption von Gasmo-

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lekülen an. In diesem Fall liegt auch infolge von Leckstrom ein Ausgangssignal r an; dies hat jedoch keinen Einfluß auf die Arbeitsweise der Erfindung, wie vorstehend bereits ausgeführt ist. Zu einem entsprechenden Zeitpunkt, welcher nach dem Ende des Heizelement-Ansteuerimpulses zeitlich verschoben ist, wird der Detektor-Ansteuerimpuls angelegt, so daß ein Feststellsignal t₂ erhalten wird. Da in diesem Fall das Gasfühlelement 2 einen großen elektrischen Widerstandswert hat, liegt der Pegel des Ausgangssignals t₂ auf einem niedrigeren Pegel, so daß kein Alarmsignal erzeugt wird.

Wie oben beschrieben, wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung das Heizelement intermittierend aktiviert, und es wird die elektische Eigenschaft des Gasfühlelements 2 während des Zeitabschnitts festgestellt, in welchem das Heizelement deaktiviert ist, so daß ein Ausgangssignal mit einem großen Rauschabstand erhalten wird und es durch den Leckstrom aufgrund des Heizelement-Ansteuerimpulses am wenigsten beeinflußt wird.

In Fig.5 ist schematisch ein Gasdetektor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die in Fig.5 wiedergegebene Ausführungsform entspricht in vieler Hinsicht der in Fig.l dargestellten Ausführungsform, so daß die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Unterschied zu der in Fig.l dargestellten Ausführungsform weist die in Fig.5 wiedergegebene Ausführungsform zwei Schalter 7a und 7b auf, die jeweils zwischen die entsprechenden Enden der beiden Leiterstreifen la und Ib geschaltet sind. Jeder der Schalter 7a und 7b ist vorzugsweise ein elektronischer Schalter oder ein Reedschalter, welcher eine hohe Ansprechcharakteristik hat. Die Schalter 7a und 7b sind normalerweise offen. Die beiden Enden des Leiterstreifens la sind mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden, und die beiden Schalter 7a und 7b sind normalerweise mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden. Die Detektorschaltung 4 ist zwischen die beiden Leiterstreifen la

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- 15 und Ib geschaltet.

Wenn folglich in dieser Ausführungsform das Gasfühlelement auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt ist, werden die Schalter 7a und 7b geschlossen, wodurch dann, wie in Fig.6 dargestellt, die beiden Leiterstreifen la und Ib parallel geschaltet sind. Unter dieser Voraussetzung wird dann die Heizelement-Ansteuerschaltung 3 aktiviert, so daß dann ein Ansteuerimpuls von beispielsweise 1,5 bis 3V durch die beiden Leiterstreifen la und Ib fließt, wodurch die beiden Leiterstreifen erwärmt werden, so daß das Gasfühlelement 2 wirksam sowie gleichförmig auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt wird. Wenn der elektrische Widerstandswert des Gasfühlelements 2 festzustellen ist, werden die Schalter 7a und 7b geöffnet, wie in Fig.7 dargestellt ist, und die Detektorschaltung 4 liefert einen Ansteuerimpuls von beispielsweise 1,5 bis 3 V, welcher das Gasfühlelement 2 passiert, wodurch Änderungen im elektrischen Widerstandswert des Gasfühlelements 2 als Spannungsänderungen an dem Gasfühlelement 2 festgestellt werden können. Die Arbeitsweise des in Fig.5 dargestellten Gassensors wird anhand des in Fig.8 dargestellten Zeitdiagramms im einzelnen noch erläutert.

in Fig.9 ist schematisch ein Gassensor gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Da die in Fig.9 wiedergegebene Ausführungsform in vieler Hinsicht der in Fig.5 dargestellten Ausführungsform entspricht, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Diese Ausführungsform ist so ausgelegt, daß die beiden Leiterstreifen la und Ib in Reihe geschaltet sind, wenn sie als Heizstreifen verwendet werden. Folglich ist auch nur ein Schalter 7a vorgesehen, welcher zwischen die unteren Enden der beiden Leiterstreifen la und Ib geschaltet ist; die oberen Enden der beiden Leiterstreifen la und Ib sind mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden. Ähnlich wie in der vorherigen Ausführungsform ist die Detektorschaltung 4

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zwischen die beiden Leiterstreifen la und Ib geschaltet. Um in der dargestellten Ausführungsform zu verhindern, daß ein unerwünschter Strom hineinfließt, ist eine Diode 8 zwischen das obere Ende des Leiterstreifens la und die Heizelement-Ansteuerschaltung 3 geschaltet, während eine andere Diode 9 zwischen das untere Ende des Leiterstreifens la und die Detektorschaltung 4 geschaltet ist.

Wenn bei dieser Ausführung das Gasfühlelement 2 aufzuheizen ist, wird der Schalter 7a geschlossen, wodurch die in Fig.10 dargestellte Anordnung erreicht ist, wobei dann die beiden Leiterstreifen la und Ib, welche in Reihe geschaltet sind, Joul'sche Wärme erzeugen, um das Gasfühlelement 2 von beiden Seiten wirksam sowie gleichförmig zu erwärmen. Während der Fühlphase ist der Schalter 7a geöffent, wodurch die in Fig.11 wiedergegebene Anordnung geschaffen ist, und der Ansteuerimpuls an das Gasfühlelement 2 angelegt ist, um dessen elektrischen Widerstand oder die anliegende Spannung festzustellen.

Anhand von Fig.12 wird noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Selbstverständlich ist auch die in Fig.12 dargestellte Ausführungsform in vieler Hinsicht der in Fig.l dargestellten Ausführungsform ähnlich, so daß gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In dieser Ausführungsform sind zusätzliche Elemente dargestellt, nämlich ein UND-Glied 10 und eine Alarmeinheit 11. Das heißt, ein Eingangsanschluß des UND-Glieds 10 ist mit einem Ausgangsanschluß der Detektorschaltung 4 verbunden, sein anderer Eingangsanschluß ist mit dem Zeitsteuergenerator 5 verbunden, und sein Ausgangsanschluß ist mit der Alarmeinheit 11 verbunden. Der Zeitsteuergenerator 5 dieser Ausführungsform unterscheidet sich jedoch im Aufbau von dem Generator der in Fig.l dargestellten Ausführungsform und er ist daher im eizelnen in Fig.13 dargestellt. Wie in Fig.13 dargestellt, weist der Zeitsteuergenerator 5 der in Fig.13 dargestellten Ausführungsform eine Impulse erzeugende

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Grundschaltung b auf, in welcher Inverter 5a, Widerstände 5b, Dioden 5c und ein Kondensator 5d so wie in Fig.13 dargestellt, geschaltet sind; der Ausgang der Schaltung b ist über ein ODER-Glied 5i mit der Heizelement-Ansteuerschaltung ' 3 verbunden. Der Zeitsteuergenerator 5 weist auch einen ersten Monomulti-Vibrator 5f auf, welcher zwischen die Detektorschaltung 4 und einen Eingangsanschluß des ODER-Glieds 5i geschaltet ist. In dem Zeitsteuergenerator 5 sind auch zwei in Reihe geschaltete zweite und dritte Monomulti-Vibratoren 5g und 5h zwischen der Detektorschaltung 4 und dem UND-Glied 10 vorgesehen.

Die Arbeitsweise des in Fig.12 und 13 dargestellten Gassensors wird nunmehr im einzelnen anhand des in Fig.14a bis 14g wiedergegebenen Zeitdiagramms beschrieben. Hierbei stellen die in den Fig.14a bis 14g dargestellten Signale diejenigen Signale dar, welche an den in Fig.13 angegebenen Schaltungspunkten anliegen, welche durch mit Kreisen umgebenen Zahlen näher bezeichnet sind.

Während des Normalbetriebs, bei welchem kein spezielles, festzustellendes Gas in der Umgebung des Gasfühlelements 2 vorhanden ist, wird, um den Energieverbrauch auf ein Minimum herabzusetzen, wird entsprechend einem periodischen Grundsignal, das in Fig.14a dargestellt und am Ausgang der Schaltung b erhalten worden ist, was durch die mit einem Kreis umgebene Zahl 1 angezeigt ist, der Heizelementstreifen la in einem regelmäßigen Intervall angesteuert oder intermittierend aktiviert, wie in Fig.l4d angezeigt ist. Wenn unter der vorstehend beschriebenen Voraussetzung ein spezielles, festzustellendes Gas in die Umgebung des Gasfühlelements 2 strömt, werden, wenn das Gasfühlelement 2 auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 350 und 450*C erhitzt ist, die Gasmoleküle an der Oberfläche des Gasfühlelements absorbiert, so daß der elektrische Widerstandswert des Gasfühlelements 2 niedriger wird. Folglich erscheint dann dieses Fühlsignal A in dem in Fig.14b dargestellten Signal,

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durch welches wiederum der erste Monomulti-Vibrator 5f aktiviert wird, wodurch ein in Fig.14c dargestelltes Dauerzustand-Anschaltsignal B an den anderen Eingangsanschluß des ODER-Glieds 5i angelegt wird. Folglich liefert das ODER-Glied 5i ein entsprechendes Bereitschaftzustands-Ansteuersignal C an die Heizelement-Ansteuerschaltung 3, so daß der Heizelementstreifen la in einem Dauerzustand aktiviert wird. Das Fühlsignal A wird nicht nur an den ersten Monomulti-Vibrator 5f, sondern auch an den zweiten Monomulti-Vibrator 5g angelegt. Nach einem Zeitabschnitt t, welcher lang genug ist, um ein zweites stabiles Fühlsignal A¹ zu erhalten, wird durch den zweiten Monomulit-Vibrator 5g der dritte Monomulti-Vibrator 5h aktiviert, so daß der dritte Monomulti-Vibrator 5h zu diesem Zeitpunkt ein Ausgangssignal D an den einen Eingangsanschluß des UND-Glieds 10 abgibt. Das UND-Glied 10 erhält auch das andere Eingangssignal von der Detektorschaltung 4 und gibt ein in Fig.14g dargestelltes Alarmsignal E an die Alarmeinheit 11 nur dann ab, wenn der UND-Bedingung zwischen den beiden Eingangssignalen genügt ist.

Im Rahmen der Erfindung sind noch verschiedene Modifikationen möglich. Beispielsweise kann die Erfindung dazu verwendet werden, um verschiedene Sachen, wie beispielsweise Dampf oder Pulver und Zustandsparameter, wie die Temperatur oder die Feuchtigkeit zu fühlen.

Ende der Beschreibung

Claims (10)

SCHWABE · SANDMAIR ;· MARX PATENTANWÄLTE ο η η η ρ ο r STUNTZSTRASSE 16 80C0 MÜNCHEN 8C Anwaltsakte: 34 850 Ricoh Company, Ltd. / Ricoh Seiki Co., Ltd. Tokyo / Japan Fühleinrichtung Patentansprüche

1. Fühleinrichtung _; gekennzeichnet durch ein Fühlelement (2), dessen Eigenschaft sich in Abhängigkeit von einem Zustand einer umgebenden Atmosphäre ändert; eine Heizeinrichtung (la) zum Heizen des Fühlelements (2) auf eine vorherbestimmte Temperatur; eine Fühleinrichtung (4) zum Feststellen der Eigenschaft des Fühlelements (2), und eine Steuereinrichtung (5) zum Steuern der Aktivierung der Heizeinrichtung (3) und der Fühleinrichtung, so daß die Fühleinrichtung (4) in einem Zeitabschnitt aktiviert wird, in welchem die Heizeinrichtung nicht aktiviert ist.

2. Fühleinrichtung _/ gekennzeichnet durch ein Paar erster und zweiter Leiterstreifen (la, Ib); ein Fühlelement (2), dessen Eigenschaft sich in Abhängigkeit von einem Zustand einer Umgebungsatmosphäre ändert, wobei sich das Fühlelement (2) zwischen den beiden Leiterstreifen (la, Ib) erstreckt; eine Schalteinrichtung (7a, 7b), welche zwisehen die beiden Leiterstreifen (la, Ib) geschaltet ist; eine Einrichtung (3) zum Anlegen eines Heizansteuerstroms an das Paar aus ersten und zweiten Leiterstreifen (la, Ib); eine Fühleinrichtung (4) zum Feststellen der Eigenschaft des Fühlelements (2), und eine Steuereinrichtung (5) zum Steuern der Aktivierung der Schalteinrichtung (7a, 7b), der den Heizansteuerstrom liefernden Einrichtung (3) und der Fühl-

W tO89) 98 82 72 - 74 Te'ekopierer (089) 98 30 49 Bankkonten Bayer Veremsbank München 453100 (BLZ 700 202 70)

Telex 52456C Swan α KaIIe Infotec 6350 Gr I! + II! Hypo-Bank München 4410122850 (BLZ 70020011) Swift Code: HYPO DE MM

Deutscne Bank München 3743440 (BLZ 70070010)

einrichtung (4), so daß die Fühleinrichtung (4) in einem Zeitabschnitt aktiviert wird, in welchem die Heizeinrichtung nicht aktiviert ist, und daß die Schalteinrichtung (7a, 7b) geschlossen wird, um die beiden Leiterstreifen (la, Ib) zu verbinden, wenn die den Heizansteuerstrom liefernde Einrichtung (3) aktiviert ist.

3. Fühleinrichtung, gekennzeichnet durch ein Fühlelement (2), dessen Eigenschaft sich in Abhängigkeit von einem Zustand einer Umgebungsatmosphäre ändert; eine Heizeinrichtung (la) zum Heizen des Fühlelements (2) auf eine vorherbestimmte Temperatur, wobei die Heizeinrichtung einen ersten Heizmode, bei welchem ein Heizen periodisch durchgeführt wird, und einen zweiten Heizmode hat, bei welchem ein Heizen kontinuierlich durchgeführt wird; eine Fühleinrichtung (4) zum Feststellen der Eigenschaft des Fühlelements (2), wobei die Fühleinrichtung (4) ein Vorbereitungssignal anlegt, wenn die Eigenschaft einen vorherbestimmten Zustand erreicht hat, und eine Steuer einrichtung (5) zum Steuern des Betriebsmodes der Heizeinrichtung, so daß die Heizeinrichtung normalerweise in dem ersten Betriebsmode arbeitet, und sich die Heizeinrichtung von dem ersten auf den zweiten Heizmode entsprechend dem von der Fühleinrichtung (4) zugeführten Vorbereitungssignal ändert.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche I₁ 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebungsatmosphäre ein ganz bestimmtes, spezielles Gas vorhanden ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (2) ein Metalloxid-Halbleitermaterial aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Metalloxid-Halbleitermaterial SnO₂ ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlelement (2) in Form einer dünnen Schicht ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung einen ersten Leiterstreifen (la) aufweist, und daß die Fühleinrichtung einen zweiten Leiterstreifen (Ib) aufweist, der parallel zu dem ersten Leiterstreifen (la) verläuft, und daß das in Form einer dünnen Schicht ausgebildete Fühlelement (2) als Brücke zwischen den beiden Leiterstreifen (la, Ib) vorgesehen ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß das Paar aus ersten und zweiten Leiterstreifen (la, Ib) parallel geschaltet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Paar aus ersten und zweiten Leiterstreifen (la, Ib) in Reihe geschaltete ist.