DE3607065C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen des Vorhandenseins eines bestimmten Gases innerhalb einer Gas­ atmosphäre unter Verwendung eines Fühlelements nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der DE-OS 26 59 321 ist bereits ein Verfahren zum Feststellen des Vorhandenseins eines bestimmten Gases innerhalb einer Gasatmosphäre bekannt. Zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens gelangt ein Impulsbreiten- Modulationssystem und eine Schaltungsanordnung für das Heizen eines Sensorelements zur Anwendung, dessen elektrische Eigenschaften sich in Abhängigkeit vom Vor­ handensein/Nichtvorhandensein eines bestimmten Gases innerhalb einer das betreffende Fühlelement umgebenden Gasatmosphäre ändern, wenn das Fühlelement auf eine vor­ bestimmte Temperatur aufgeheizt wurde.

Aus der DE-OS 25 09 999 ist ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Betreiben eines Gasaufspürers bekannt, welcher ein spezifisches Ansprechen auf Kontakt bzw. auf Adsorption von einer gegebenen Klasse von Gasen zeigt, wenn die Temperatur des Aufspürers sich in einem niedrigeren Bereich befindet und sich der Aufspürer selbst von diesen adsorbierten Gasen freispült, wenn er in einem Temperaturbereich gefahren wird, welcher höher ist als der niedrigere Bereich. Das Wesentliche dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß man den Aufspürer abwechselnd und wiederholt in dem niedrigeren Temperaturbereich fährt, um die Gase wahrzunehmen, und in einem höheren Tempera­ turbereich fährt, um den Aufspürer zu spülen.

Dieser bekannte Gasaufspürer arbeitet jedoch invers, daß heißt die Arbeitstemperatur des Gasaufspürers liegt niedriger als die sogenannte Spültemperatur, bei welcher der Gasaufspürer von irgendwelchen noch auf seiner Oberfläche vorhandenen Gasmolekülen befreit wird. Zur Durchführung eines Meßvorgangs braucht bei dem bekannten Verfahren und Vorrichtung der Gasaufspürer nicht erhitzt zu werden, sondern ein Meßvorgang kann im Prinzip jeder­ zeit durchgeführt werden sofern sichergestellt wird, daß der Gasaufspürer seine elektrischen Eigenschaften aufgrund des plötzlichen Auftretens eines bestimmten Gases geändert hat. Es ist bei dem bekannten Verfahren daher erforderlich, zur Durchführung eines nächsten Meß­ zyklusses den Gasaufspürer von den an ihm haftenden Gas­ molekülen zu befreien beispielsweise durch Aufheizen des Gasfühlers, wobei dann anschließend gewartet werden muß, bis der Gasfühler seine niedrige Arbeitstemperatur wieder erreicht hat, um überhaupt eine Messung durchführen zu können.

Aus der DE-OS 29 25 947 ist eine Schaltungsanordnung mit einem Leistungstransistor zur Beheizung eines temperatur­ empfindlichen Elements bekannt. Das temperaturempfindliche Element kann beispielsweise aus einem Transistor bestehen, der bekanntlich eine temperaturabhängige Kennlinie auf­ weist.

Bei der herkömmlichen Vorrichtung der eingangs genannten Art wird der elektrische Widerstandswert des Fühlelements während des Zeitabschnitts festgestellt, 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 Ausgangssignals hervor. Wenn beispielsweise der Widerstandswert des Fühlelements unter normalen Bedingungen annähernd 1 MΩ ausmacht, und wenn er auf 500 kΩ abnimmt, wenn ein ganz bestimmtes Gas gefühlt wird, würde das Anlegen eines Ansteuerstroms von 2 µA 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 Wider­ stand mit einem Widerstandswert von 500 kΩ parallel zu dem Fühlelement geschaltet ist, so daß der Gesamtwider­ stand unter Normalbedingungen annähernd 333 kΩ und während des Feststellens von Gas 250 kΩ ist. Folglich würde sich bei demselben Ansteuerstrom von 2 µA die Ausgangsspannung nur von 0,67 V auf 0,5 V ändern.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Feststellen des Vorhandenseins eines bestimmten Gases innerhalb einer Gasatmosphäre der angegebenen Gattung und auch eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens zu schaffen, durch welches bzw. durch die eine höhere Meßgenauigkeit erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeich­ nungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die spezifischen Merkmale der Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus dem Anspruch 3.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 4 bis 11.

Erfindungsgemäß wird das Fühlelement mit Hilfe eines impulsförmigen Stromes zunächst auf eine bestimmte Temperatur erhitzt, wobei diese Temperatur die aktive Temperatur des Fühlelements ist. Es wird dann erst zeitlich danach eine Meßspannung an das Fühlelement angelegt, um eine Veränderung in einer bestimmten elektrischen Eigenschaft des Fühlelements zu messen, beispielsweise den elektrischen Widerstand des Fühl­ elements, der sich in Abhängigkeit vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines spezifischen Gases inner­ halb der das Fühlelement umgebenden Gasatmosphäre stark verändert.

Diese zeitliche Reihenfolge des Aufheizens und Messens wird bei jedem Meßzyklus durchgeführt.

Die Erfindung basiert auf einer ganz spezifischen Erkennt­ nis, die darin besteht, daß ein Fühlelement der hier ange­ sprochenen Gattung eine überraschende Eigenschaft besitzt, die darin besteht, daß das Fühlelement zwar erst aktiv wird, wenn ein bestimmter Temperaturwert erreicht ist, daß der dann aber erreichte Meßzustand des Fühlelements über einen relativ langen Zeitraum erhalten bleibt, selbst wenn sich das Fühlelement auf eine Temperatur abgekühlt hat, die weit unterhalb der aktiven Temperatur liegt. Mit anderen Worten haften die Gasmoleküle des bestimmten Gases, wenn diese in der Gasatmosphäre vorhanden waren, weiterhin an der Oberfläche des Fühlelements, obwohl dieses nicht mehr seine aktive Temperatur hat. Diese spezifischen Gasmoleküle lösen sich erst allmählich von der Oberfläche des Fühlelements ab, so daß nach der Aufheizperiode genügend Zeit verbleibt, um einen Meß­ zyklus mit hoher Meßgenauigkeit durchzuführen. Dabei ist wesentlich, daß sich die Beschaffenheit der das Fühlelement um­ gebenden Gasatmosphäre während des Meßzyklusses längst geändert haben kann, das heißt das nachzuweisende bestimmte Gas kann längst nicht mehr in der Gasatmosphäre vorhanden sein und trotzdem wird eine sehr genaue Messung durchge­ führt, welche den Zustand während der Aufheizphase des Fühlelements wiedergibt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs­ beispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fühlelements ge­ mäß einer Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm, in welchem der Aufbau eines in dem Fühlelement der Fig. 1 vorgesehenen Zeitsteuergenerators wiedergegeben ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der prinzipiellen Arbeitsweise des in Fig. 1 darge­ stellen Fühlelements;

Fig. 4 ein Zeitdiagramm, anhand welchem die Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Fühlelements erläutert wird;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Fühlelements ge­ mäß einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

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

Fig. 8 ein Zeitdiagramm, anhand welchem die Arbeitweise des in Fig. 5 dargestellten Fühlelements erläutert wird;

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Fühlelements ge­ mäß noch einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfin­ dung;

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

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Fühlelements ge­ mäß noch einer weiteren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfin­ dung;

Fig. 13 ein Schaltungsdiagramm, in welchem im einzelnen der Zeitsteuergenerator wiedergegeben ist, welcher in dem in Fig. 12 dargestellten Fühlelement vorgese­ hen ist, und

Fig. 14a bis 14g Zeitdiagramme, anhand welchen die Arbeits­ weise des in Fig. 12 dargestellten Fühlelements er­ läutert wird.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt. Die Vorrichtung weist einen Fühlabschnitt S, in welchem ein Paar Leiter­ streifen 1 a und 1 b in einem bestimmten Abstand voneinander in paralleler Anordnung vorgesehen sind, und ein Fühlelement 2 auf, welches vorzugsweise aus einem Metalloxid-Halbleiter­ material hergestellt ist und das sich zwischen den beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b in Form einer Brücke erstreckt. Von den beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b dient der Leiterstreifen 1 a nicht nur als eine Elektrode für das Fühlelement 2, son­ dern 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 1 a und 1b in Form einer Brücke erstreckt, um dadurch die Wärmekapazität auf ein Minimum herabzusetzen.

Wenn das Fühlelement 2 durch den Leiterstreifen 1 a, welcher auch als Heizelement dient, auf eine vorherbestimmte Tempe­ ratur erwärmt wird, welche zwischen 350 und 400°C liegt, findet eine Absorption und Freigabe eines ganz bestimmten, speziellen Gases an und von dem Fühlelement 2 statt. Folg­ lich 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 elektri­ scher Widerstandswert verringert, während, wenn das speziel­ le Gas nicht vorhanden ist oder verdünnt oder abgeschwächt wird, die Gasmoleküle von dem Fühlelement 2 freigege­ ben bzw. ausgelöst werden, wodurch dessen elektrischer Widerstands­ wert auf den Ursprungswert ansteigt. Derartige Änderungen in dem elektrischen Widerstand des Fühlelements 2 werden da­ durch festgestellt, daß ein Nachweisstrom durch das Fühlele­ ment 2 fließt.

Beide Enden des Leiterstreifens 1 a, welcher auch als Heiz­ element 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 Heizele­ ment dienenden Leiterstreifen 1 a anlegt, so daß ein Ansteu­ er- und Treiberstrom durch den Leiterstreifen 1 a fließt, wo­ durch Joulsche Wärme hervorgerufen wird. Ein Ende des ande­ ren Leiterstreifens 1 b ist mit einer Detektorschaltung 4 verbunden, welche auch mit dem unteren Ende des Leiterstreifens 1 a verbunden ist. Die Detektorschaltung 4 ist mit einer Spannungsquelle von beispielsweise 1,5 bis 3,5 V versehen. Sobald sie aktiviert ist, liefert die Detektor­ schaltung 4 einen Ansteuer- oder Treiber­ strom in Form eines Impulses, welcher durch das Fühlelement 2 fließt, wobei Änderungen im elektrischen Widerstandswert des Fühlelements 2 als Spannungsänderungen an dem Fühlele­ ment 2 festgestellt werden können. Der Ansteuer- oder Trei­ berstrom kann statt der Impulsform auch ein kontinuierlicher Strom sein.

Gemäß der herkömmlichen Ausführung wird, während das Fühl­ element 2 durch den Heizstreifen 1 a erwärmt wird, der Fest­ stell-Ansteuerstrom durch das Fühlelement 2 so geleitet, wie er von der Detektorschaltung 4 geliefert wird. In diesem Fall fließt jedoch der Ansteuerstrom, wel­ cher von der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 geliefert wird, teilweise über das Fühlelement 2 ab, so daß durch die­ sen Leiterstrom das Ausgangssignal verringert wird, das von der Detektorschaltung 4 festgestellt wird. Dieser Nachteil ist bei der Erfindung in angemessener Weise beseitigt.

Von den Erfindern ist nämlich eine ganz bestimmte Beziehung zwischen der Temperatur des Fühlelements 2 und der Gasab­ sorptions-/Freigabefunktion bezüglich des Fühlelements 2 herausgefunden worden, wie anhand von Fig. 3 nachstehend im einzelnen erläutert wird. In Fig. 3 ist schematisch darge­ stellt, wie Luftmoleküle A und Gasmoleküle G in verschiede­ nen Zeitabschnitten I bis VII durch das Fühlelement 2 absor­ biert und von dem Fühlelement 2 freigegeben werden, wenn intermittierend ein Heizelement-Ansteuerimpuls an den Heiz­ elementstreifen 1 a angelegt wird. Unter der Voraussetzung, daß nur Luft und kein spezielles Gas in der Umgebung vorhan­ den ist, wenn ein Ansteuerimpuls in dem anfänglichen Zeitab­ schnitt I an den Heizstreifen 1 a angelegt wird, werden die Luftmoleküle A an der Oberfläche des Fühlelements 2 ab­ sorbiert. Wenn in der zweiten Zeitstufe II das Heizen been­ det worden ist, fällt die Temperatur des Fühlelements 2 schnell ab, da es eine geringe Wärmekapazität hat, und folg­ lich erreicht es innerhalb von 1 ms eine Gleichgewichtstem­ peratur. In diesem Fall bleibt, selbst wenn die Temperatur des Fühlelements 2 sich erniedrigt hat, der in der An­ fangsstufe I geschaffene Zustand erhalten. Selbst wenn Gas­ elemente in die Umgebung eintreten, bleibt, da das Fühl­ element 2 auf einer niedrigen Temperatur liegt, dessen Ober­ flächenbeschaffenheit unverändert (dritte Zeitstufe III). Wenn danach wieder die Ansteuerspannung angelegt wird und folglich das Heizelement 1 a aktiviert wird, Wärme zu erzeu­ gen, wird das Fühlelement 2 wieder erwärmt, so daß die Luftmoleküle A, welche an der Oberfläche des Fühlelements 2 absorbiert worden sind, an die Umgebung freigegeben werden und gleichzeitig Gasmoleküle G an diesen freigemachten Be­ reichen an dem Fühlelement 2 absorbiert werden, wie in der vierten Zeitstufe IV dargestellt ist.

Da das Fühlelement die Form einer dünnen Schicht hat, findet ein solcher Absorptions- und Freigabe­ vorgang augenblicklich statt. Wenn dann der Heizstreifen 1 a deaktiviert wird, fällt die Temperatur des Fühlelements 2 schnell ab, so daß die in dem vierten Zeitabschnitt IV ge­ schaffene Oberflächenbeschaffenheit in dem fünften Zeitab­ schnitt V erhalten bleibt. Diese Beschaffenheit bleibt er­ halten, selbst wenn sich die Umgebung ändert, wie in dem sechsten Zeitabschnitt VI angezeigt ist. Wenn dann der Heiz­ streifen 1 a noch einmal aktiviert wird, wie in dem siebten Zeitabschnitt VII angezeigt ist, werden die Gasmoleküle G von dem Fühlelement 2 freigegeben, und stattdessen wer­ den die Luftelemente A an dem Fühlelement 2 absorbiert.

Wie vorstehend beschrieben, bleiben die Moleküle, die an der Oberfläche des Fühlelements absorbiert worden sind, wäh­ rend es aufgeheizt ist, absorbiert, wenn das Fühlelement 2 abgekühlt wird, solange bis das Fühlelement 2 wieder erwärmt wird. Selbst wenn in diesem Fall das zwischen den Impulsen liegende Intervall T ₂, während welchem das Fühl­ element 2 auf einer niedrigeren Temperatur verbleibt, ver­ hältnismäßig lang ist, z. B. in der Größenordnung von 100 min liegt, wird der absorbierte Zustand wenig beeinflußt. Wenn das Fühlelement 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 1 a ausgezeichnet, so daß die Betriebsbedingungen bequem eingestellt werden können, indem die Impulseinschaltdauer T ₁ in einem Bereich zwischen 1 ms und 1 s und die Impulsausschaltdauer T ₂ in einem Be­ reich zwischen 0,1 s und 100 min eingestellt wird.

Basierend auf der vorstehend wiedergegebenen Feststellung, wird, wie in Fig. 4 dargestellt, gemäß der dargestellten Aus­ führungsform nach Beendigung einer Einspeisung des Ansteuerimpulses durch die Heizelement-Ansteuerschaltung 3 der Fühlansteuerimpuls an das Fühlelement 2 angelegt, welches die gasabsorbierte Beschaffenheit beibehält, um so ein Fühl- oder Feststellsignal zu erhalten. Bei dieser Aus­ führung werden ein Signal r, welches den Leckstrom infolge des Heizelement-Ansteuerimpulses darstellt, und ein ge­ wünschtes Signal t erhalten, welches die gasabsorbierte Be­ schaffenheit an der Oberfläche des Fühlelements 2 in dem Fühlsignal darstellt.

In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist ein Zeit­ steuergenerator 5 vorgesehen, welcher den Zeitpunkt in der Einspeisung der Heizelement- und der Meß-Ansteuerim­ pulse von der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 bzw. der Detektor­ schaltung 4 steuert. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist der Zeitsteuergenerator 5 eine Impulse erzeugende Schaltung P auf, in welcher Inverter 5 a, Widerstände 5 b, Dioden 5 c und ein Kondensator 5 d so, wie in Fig. 2 dargestellt, geschaltet sind; die Impulse erzeugende Schaltung P ist über einen In­ verter 5 a mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden, während die Schaltung P über zwei in Reihe geschaltete Mono­ multi-Vibratoren 5 e mit der Detektorschaltung 4 verbunden ist. Bei dieser Ausführung erzeugt die Schaltung P ein erstes impulsförmiges Signal mit einem kleinen Tastverhältnis, das an die Heizelement-Ansteuer­ schaltung 3 anzulegen ist, welche ihrerseits ein zweites im­ pulsförmiges Signal erzeugt, das über einen gewünschten Zeitabschnitt durch die in Reihe geschalteten Monomulti-Vi­ bratoren 5 e zeitlich verschoben wird, um an die Detektor­ schaltung 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 Fühlelement 2 auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt, wodurch die Gasmoleküle an der Oberfläche des Fühlelements 2 absor­ biert werden, wodurch der elektrische Widerstandswert des Fühlelements 2 erniedrigt wird. In diesem Fall wird das Ausgangssignal r, welches der Leckstromkomponente des durch das Fühlelement 2 fließenden Heizelement-Ansteuerstroms entspricht, von der Detektorschaltung 4 festgestellt. Da je­ doch 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 Detektorschal­ tung 4 zu einem Zeitpunkt, der von dem Zeitpunkt zur Akti­ vierung der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 zeitlich ver­ schoben ist, und entsprechend diesem Zeitsignal erhält das Fühlelement 2 den von der Detektorschaltung 4 geliefer­ ten Ansteuerimpuls. In diesem Fall bleibt die Oberflächenbe­ schaffenheit des Fühlelements 2 dieselbe wie zu der Zeit, während welcher der Heizelement-Ansteuerimpuls angelegt ist, so daß die Gasmoleküle an der Oberfläche des Fühlelements 2 absorbiert bleiben. Im Ergebnis wird dann, da der elektri­ sche Widerstand des Fühlelements 2 infolge der Absorption von Gasmolekülen niedriger geworden ist, am Ausgang ein ho­ hes Spannungssignal t ₁ erhalten, das wiederum ein Alarmsi­ gnal erzeugt, welches anzeigt, daß das ganz bestimmte, spe­ zielle Gas in der Umgebung über einem vorherbestimmten Pegel vorhanden ist.

Nunmehr wird angenommen, daß das spezielle Gas aus der Umge­ bung des Fühlelements 2 sich verflüchtigt hat. Die Ober­ fläche des Fühlelements 2 hält jedoch die Gasmoleküle zu­ rück, bis der nächste Heizelement-Ansteuerimpuls angelegt wird. Wenn dieser Ansteuerimpuls angelegt ist, wird das Fühlelement 2 unmittelbar auf die vorherbestimmte Temperatur erwärmt, so daß die Gasmoleküle von der Oberfläche des Fühlelements 2 freigesetzt werden, und gleichzeitig Luftmo­ leküle an deren Stelle absorbiert werden; hierdurch steigt dann der elektrische Widerstandswert des Fühlelements 2 auf seinen ursprünglichen Wert vor der Absorption von Gasmo­ lekülen an. In diesem Fall liegt auch infolge von Leckstrom ein Ausgangssignal r an; dies hat jedoch keinen Einfluß auf die Arbeitsweise der Schaltung, wie vorstehend bereits aus­ geführt ist. Zu einem entsprechenden Zeitpunkt, welcher nach dem Ende des Heizelement-Ansteuerimpulses zeitlich verscho­ ben ist, wird der Detektor-Ansteuerimpuls angelegt, so daß ein Feststellsignal t ₂ erhalten wird. Da in diesem Fall das Fühlelement 2 einen großen elektrischen Widerstandswert hat, liegt der Pegel des Ausgangssignals t ₂ auf einem nied­ rigeren Pegel, so daß kein Alarmsignal erzeugt wird.

Wie oben beschrieben, wird bei dieser Ausführungsform das Heizelement intermittierend aktiviert, und es wird die elektrische Eigenschaft des Fühlelements 2 wäh­ rend des Zeitabschnitts festgestellt, in welchem das Heiz­ element deaktiviert ist, so daß ein Ausgangssignal mit einem großen Rauschabstand erhalten wird und es durch den Leck­ strom aufgrund des Heizelement-Ansteuerimpulses am wenig­ sten beeinflußt wird.

In Fig. 5 ist schematisch eine Vorrichtung gemäß einer weite­ ren Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt. Die in Fig. 5 wiedergegebene Ausführungsform entspricht in vieler Hinsicht der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, so daß die glei­ chen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausfüh­ rungsform weist die in Fig. 5 wiedergegebene Ausführungsform zwei Schalter 7 a und 7 b auf, die jeweils zwischen die ent­ sprechenden Enden der beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b ge­ schaltet sind. Jeder der Schalter 7 a und 7 b ist vorzugsweise ein elektronischer Schalter oder ein Reedschalter, welcher eine hohe Ansprechcharakteristik hat. Die Schalter 7 a und 7 b sind normalerweise offen. Die beiden Enden des Leiterstrei­ fens 1 a sind mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbun­ den, und die beiden Schalter 7 a und 7 b sind normalerweise mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden. Die De­ tektorschaltung 4 ist zwischen die beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b geschaltet.

Wenn folglich in dieser Ausführungsform das Fühlelement 2 auf eine vorherbestimmte Temperatur erwärmt ist, werden die Schalter 7 a und 7 b geschlossen, wodurch dann, wie in Fig. 6 dargestellt, die beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b parallel geschaltet sind. Unter dieser Voraussetzung wird dann die Heizelement-Ansteuerschaltung 3 aktiviert, so daß dann ein Ansteuerimpuls entsprechend beispielsweise 1,5 bis 3 V durch die bei­ den Leiterstreifen 1 a und 1 b fließt, wodurch die beiden Lei­ terstreifen erwärmt werden, so daß das Fühlelement 2 wirksam sowie gleichförmig auf eine vorherbestimmte Tempera­ tur erwärmt wird. Wenn der elektrische Widerstandswert des Fühlelements 2 festzustellen ist, werden die Schalter 7 a und 7 b geöffnet, wie in Fig. 7 dargestellt ist, und die De­ tektorschaltung 4 liefert einen Ansteuerimpuls von bei­ spielsweise 1,5 bis 3 V, welcher das Fühlelement 2 pas­ siert, wodurch Änderungen im elektrischen Widerstandswert des Fühlelements 2 als Spannungsänderungen an dem Fühlelement 2 festgestellt werden können. Die Arbeitsweise der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung wird anhand des in Fig. 8 dargestellten Zeitdiagramms im einzelnen noch erläu­ tert.

In Fig. 9 ist schematisch eine Vorrichtung gemäß noch einer wei­ teren Ausführungsform mit Merkmalen nach 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 Lei­ terstreifen 1 a und 1 b in Reihe geschaltet sind, wenn sie als Heizstreifen verwendet werden. Folglich ist auch nur ein Schalter 7 a vorgesehen, welcher zwischen die unteren Enden der beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b geschaltet ist; die obe­ ren Enden der beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b sind mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden. Ähnlich wie in der vorherigen Ausführungsform ist die Detektorschaltung 4 zwischen die beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b geschaltet. Um in der dargestellten Ausführungsform zu verhindern, daß ein unerwünschter Strom fließt, ist eine Diode 8 zwischen das obere Ende des Leiterstreifens 1 a und die Heizelement- Ansteuerschaltung 3 geschaltet, während eine andere Diode 9 zwischen das untere Ende des Leiterstreifens 1 a und die De­ tektorschaltung 4 geschaltet ist.

Wenn bei dieser Ausführung das Fühlelement 2 aufzuheizen ist, wird der Schalter 7 a geschlossen, wodurch die in Fig. 10 dargestellte Anordnung erreicht ist, wobei dann die beiden Leiterstreifen 1 a und 1 b, welche in Reihe geschaltet sind, Joul'sche Wärme erzeugen, um das Fühlelement 2 von beiden Seiten wirksam sowie gleichförmig zu erwärmen. Während der Fühlphase ist der Schalter 7 a geöffnet, wodurch die in Fig. 11 wiedergegebene Anordnung geschaffen ist, und der An­ steuerimpuls an das Fühlelement 2 angelegt ist, um dessen elektrischen Widerstand oder die anliegende Spannung festzu­ stellen.

Anhand von Fig. 12 wird noch eine weitere Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung beschrieben. Selbstverständlich ist auch die in Fig. 12 dargestellte Ausführungsform in vieler Hinsicht der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ähnlich, so daß gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In dieser Ausführungsform sind zusätzliche Elemente darge­ stellt, 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 Zeitsteuergene­ rator 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. 1 dargestellten Ausführungsform und er ist daher im einzelnen in Fig. 13 dargestellt. Wie in Fig. 13 dargestellt, weist der Zeitsteuergenerator 5 der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform eine Impulse erzeugende Grundschaltung b auf, in welcher Inverter 5 a, Widerstände 5 b, Dioden 5 c und ein Kondensator 5 d so wie in Fig. 13 dar­ gestellt, geschaltet sind; der Ausgang der Schaltung b ist über ein ODER-Glied 51 mit der Heizelement-Ansteuerschaltung 3 verbunden. Der Zeitsteuergenerator 5 weist auch einen er­ sten Monomulti-Vibrator 5 f auf, welcher zwischen die Detek­ torschaltung 4 und einen Eingangsanschluß eines ODER-Glieds 51 geschaltet ist. In dem Zeitsteuergenerator 5 sind auch zwei in Reihe geschaltete zweite und dritte Monomulti-Vibratoren 5 g und 5 h zwischen der Detektorschaltung 4 und dem UND-Glied 10 vorgesehen.

Die Arbeitsweise der in Fig. 12 und 13 dargestellten Vorrichtung 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 Schaltungs­ punkten anliegen, welche durch mit Kreisen umgebenen Zahlen näher bezeichnet sind.

Während des Normalbetriebs, bei welchem kein spezielles, festzustellendes Gas in der Umgebung des Fühlelements 2 vorhanden ist, wird, um den Energieverbrauch auf ein Mini­ mum 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 1 a in einem regelmäßigen Intervall angesteuert oder inter­ mittierend aktiviert, wie in Fig. 14d angezeigt ist. Wenn un­ ter der vorstehend beschriebenen Voraussetzung ein speziel­ les, festzustellendes Gas in die Umgebung des Fühlele­ ments 2 strömt, werden, wenn das Fühlelement 2 auf eine Temperatur in einem Bereich zwischen 350 und 450°C erhitzt ist, die Gasmoleküle an der Oberfläche des Fühlelements 2 absorbiert, so daß der elektrische Widerstandswert des Fühlelements 2 niedriger wird. Folglich erscheint dann die­ ses Fühlsignal A in dem in Fig. 14b dargestellten Signal, durch welches wiederum der erste Monomulti-Vibrator 5 f akti­ viert wird, wodurch ein in Fig. 14c dargestelltes Dauerzu­ stand-Anschaltsignal B an den anderen Eingangsanschluß des ODER-Glieds 5 i angelegt wird. Folglich liefert das ODER- Glied 5 i ein entsprechendes Bereitschaftzustands-Ansteuer­ signal C an die Heizelement-Ansteuerschaltung 3, so daß der Heizelementstreifen1 a in einem Dauerzustand aktiviert wird. Das Fühlsignal A wird nicht nur an den ersten Monomulti-Vi­ brator 5 f, sondern auch an den zweiten Monomulti-Vibrator 5 g angelegt. Nach einem Zeitabschnitt t, welcher lang genug ist, um ein zweites stabiles Fühlsignal A′ zu erhalten, wird durch den zweiten Monomulti-Vibrator 5 g der dritte Monomul­ ti-Vibrator 5 h aktiviert, so daß der dritte Monomulti-Vibra­ tor 5 h 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 Detektorschal­ tung 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 Modifika­ tionen möglich. Beispielsweise kann die Erfindung dazu ver­ wendet werden, um verschiedene Sachen, wie beispielsweise Dampf oder Pulver und Zustandsparameter, wie die Temperatur oder die Feuchtigkeit zu fühlen.

Claims (11)

1. Verfahren zum Festellen des Vorhandenseins eines bestimmten Gases innerhalb einer Gasatmosphäre unter Verwendung eines Fühlelements, dessen elektrische Eigen­ schaften sich in Abhängigkeit vom Vorhandensein/Nichtvor­ handensein des bestimmten Gases ändern, wenn das Fühl­ element auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühl­ element (2) mit Hilfe eines impulsförmigen Stromes zunächst auf die bestimmte Temperatur erhitzt wird und daß zeitlich danach eine Meßspannung an das Fühlelement (2) angelegt wird, um die Veränderung in den elektrischen Eigenschaften des Fühlelements (2) zu messen, wobei diese zeitliche Reihenfolge bei jedem Meßzyklus durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßspannung aus einer impulsförmigen Meß­ spannung (t ₁, t ₂) besteht.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Fühlelement (2) und einer Heizelement-Ansteuerschaltung (3), um das Fühlelement (2) durch Stromimpulse auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen, und mit einer Detektorschaltung (4), um die Veränderung der elektrischen Eigenschaften des Fühl­ elements bei Vorhandensein eines bestimmten Gases innerhalb einer das Fühlelement umgebenden Gasatmosphäre zu messen, gekennzeichnet durch einen Zeitsteuergenerator (5), welcher die Heizelement- Ansteuerschaltung (3) und die Detektorschaltung (4) so ansteuert, daß bei jedem Meßzyklus zunächst die Heizelement- Ansteuerschaltung (3) zum Erzeugen eines Heizimpulses für das Fühlelement (2) erregt wird und nach Beendigung des Heizimpulses die Detektorschaltung (4) zur Abgabe eines Meßimpulses an das Fühlelement (2) aktiviert wird, um anhand des Meßimpulses eine veränderte elektrische Eigen­ schaft des Fühlelements (2) zu messen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Paar erster und zweiter Leiterstreifen (1 a, 1 b), wobei sich das Fühl­ element (2) zwischen den beiden Leiterstreifen (1 a, 1 b) erstreckt; eine Schalteinrichtung (7 a, 7 b), welche zwischen die beiden Leiterstreifen (1 a, 1 b) geschaltet ist, wobei die Heizelement-Ansteuerschaltung (3) zum Anlegen eines Heizansteuerstroms an das Paar aus ersten und zweiten Leiterstreifen (1 a, 1 b) angeschlossen ist, und wobei der Zeitsteuergenerator (5) zum Steuern der Aktivierung der Schalteinrichtung (7 a, 7 b), der den Heizstrom liefernden Heizelement-Ansteuerschaltung (3) und der Detektorschaltung (4) ausgebildet ist, so daß die Detektorschaltung (4) in einem Zeitabschnitt aktiviert wird, in welchem die Heizeinrichtung nicht aktiviert ist, und daß die Schalteinrichtung (7 a, 7 b) geschlossen wird, um die beiden Leiterstreifen (1 a, 1 b) zu verbinden, wenn die den Heizstrom liefernde Heizelement-Ansteuerschaltung (3) aktiviert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrich­ tung einen ersten Heizmode aufweist, bei welchem ein Heizen periodisch durchgeführt wird, und einen zweiten Heiz­ mode hat, bei welchem ein Heizen kontinuierlich durchgeführt wird, und daß der Zeitsteuergenerator (5) den Betriebs­ mode der Heizeinrichtung steuert, so daß die Heizein­ richtung normalerweise in dem ersten Betriebsmode arbei­ tet, und sich die Heizeinrichtung von dem ersten auf den zweiten Heizmode entsprechend einem von der Detektor­ schaltung (4) zugeführten Vorbereitungssignal ändert.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühl­ element (2) ein Metalloxid-Halbleitermaterial aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall­ oxid-Halbleitermaterial SnO₂ ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühl­ element (2) in Form einer dünnen Schicht ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizein­ richtung einen ersten Leiterstreifen (1 a) aufweist, daß die Detektorschaltung einen zweiten Leiterstreifen (1 b) aufweist, der parallel zu dem ersten Leiterstreifen (1 a) verläuft, und daß das in Form einer dünnen Schicht ausge­ bildete Fühlelement (2) als Brücke zwischen den beiden Leiterstreifen (1 a,1 b) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar aus ersten und zweiten Leiterstreifen (1 a, 1 b) parallel ge­ schaltet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Paar aus ersten und zweitem Leiterstreifen (1 a, 1 b) in Reihe geschaltet ist.