DE3607065C2 - - Google Patents
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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.
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