DE3688389T2

DE3688389T2 - Gasmonitorschaltungen.

Info

Publication number: DE3688389T2
Application number: DE8686308075T
Authority: DE
Inventors: Howard Buckenham; Paul Gotley; Gareth Jeremy Jones
Original assignee: Neotronics Ltd
Current assignee: Honeywell Analytics Ltd
Priority date: 1985-10-18
Filing date: 1986-10-17
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2006-10-18
Also published as: CA1277509C; ZA867880B; US4776203A; EP0220896B1; EP0220896A2; DE3688389D1; EP0220896A3; JPS62116248A; GB8525694D0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Gasmonitoren und insbesondere Verbesserungen von deren elektronischen Schaltkreisen.
Gasmonitoren sind Instrumente, die ein Gas detektieren und ein sichtbares oder hörbares Ausgangssignal liefern, welches der Menge des gemessenen Gases entspricht. Jeder Gasmonitor umfaßt einen oder mehrere austauschbare Sensoren, die ein elektronisches Signal liefern, welches zur detektierten Menge eines Gases proportional ist, wobei dieses Signal von einer Schaltung innerhalb des Gasmonitors analysiert wird, um das gewünschte Ausgangssignal auszugeben. Der Ausgang kann eine Anzeige der detektierten Menge eines spezifischen Gases in analoger oder digitaler Form sein, oder es kann ein Schreiber oder Drucker und/oder ein Alarm sein zur Ausgabe einer hörbaren und/oder sichtbaren Warnung, falls die Konzentration eines Gases auf einen unerwünschten Wert abfällt oder falls die Konzentration eines Gases über einen bestimmten festgesetzten Grenzwert ansteigt.
Gasmonitoren müssen jedoch nicht notwendigerweise einen direkten Hinweis auf die detektierte Menge eines Gases geben, sondern können das Signal von einem oder mehreren Sensoren verwenden, um einen anderen Parameter zu berechnen, der angezeigt oder gedruckt etc. werden kann.
Die austauschbaren Sensoren, die als Sensoren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind von der Sorte mit einer Abtastelektrode (oder Arbeitselektrode) zum Messen des Gases, einer Zählerelektrode und einer Referenzelektrode, welche über Anschlüsse mit der Schaltung innerhalb des Gasmonitors verbunden sind. Die Potentialdifferenz zwischen der Abtastelektrode und der Referenzelektrode muß kontrolliert werden, und bei einigen Sensoren wird dies durch Verbinden dieser beiden Elektroden mit den zwei Eingängen eines Operationsverstärkers entweder direkt oder über einen Widerstand realisiert. Beispiele solcher Anordnungen sind in der britischen Patentschriften 1 101 101 und 1 385 201 sowie in der US Patentschrift 3 776 832 zu finden.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem elektrischen Signal, das ein Maß für die an der Abtastelektrode eines Gassensors vorhandene Menge eines Gases angibt. Entsprechend der britischen Patentschrift 1 101 101 wird dieses elektrische Signal durch Messen des Spannungsgefälles über einen Widerstand erhalten, der in Reihe zu der Abtastelektrode geschaltet ist. Der Wert des Widerstands darf nicht zu hoch sein, da sonst die Reaktionszeit des Sensors unakzeptabel groß ist, und er darf nicht zu niedrig sein, da sonst die Spannungsänderung beim Messen eines Gases gering ist und folglich die Messungen schwierig zu erhalten und ungenau sind. Darüber hinaus wird das Abtastsystem bei Reduzierung des Widerstandswerts empfänglicher für Störungen. Um diese Probleme zu überwinden, wird ein Widerstandswert gewählt, der dazwischenliegt, was zu einer akzeptablen Reaktionszeit sowie Störunempfindlichkeit führt. Dabei ist die Spannungsänderung noch immer zu gering, typischerweise 10 Mikrovolt pro Millionstel eines Gases, um ein brauchbares Ausgangssignal zu liefern, beispielsweise zum Betreiben einer Anzeige, zum Auslösen eines Alarms oder zum Ausdrucken auf einem grafischen Drucker. Hierfür wird der Spannungsabfall über dem Widerstand von einem Verstärker mit einer Leistungsverstärkung von einigen hundert auf einen erforderlichen Wert verstärkt. Die vorliegende Erfindung umgeht dagegen die Notwendigkeit des Einsatzes eines Operationsverstärkers zur Unterstützung der Ausgangs Spannung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Gasmonitorschaltung konzipiert wie in den beigefügten Patentansprüchen definiert.
Um Störunempfindlichkeit zu erreichen, kann die Gasmonitorschaltung einen weiteren Widerstand umfassen, der einen geringeren spezifischen Widerstandswert als der Widerstand zwischen den Ausgangsleitungen aufweist, wobei der weitere Widerstand in Reihe zwischen der Abtastelektrode und einem der Eingänge des Operationsverstärkers geschaltet ist. Somit kann ein Widerstand zur Optimierung der Wechselwirkung zwischen Störunempfindlichkeit und einer hohen Reaktionszeit ausgewählt werden, während das Ausgangssignal des Gassensors als Spannungsabfall über dem anderen Widerstand gemessen wird. Wird der Widerstand zwischen den Ausgangsleitungen hochohmig gemacht, so wird ein hoher Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand erzeugt, welcher ausreichend groß ist, um ein direktes Ausgangssignal zu liefern; so ist es beispielsweise nicht notwendig, einen Operationsverstärker zur Unterstützung der Ausgangsspannung einzusetzen. Dies ist möglich, da die Impedanz zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers so hoch wie die Impedanz der Meßeinrichtung ist.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren 1 und 2 erläutert, wobei alle Darstellungen Gasmonitorschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
In Fig. 1 ist ein Gassensor 10 dargestellt, mit einer Abtastelektrode 12, einer Zählerelektrode 14 und einer Referenzelektrode 16, die mit den Anschlüssen 12a, 14a und 16a eines Gasmonitors verbunden sind. Die Referenzelektrode 16 ist mit dem negativen Eingang des Operationsverstärkers 18 verbunden und ebenso mit dem Source-Anschluß eines Feldeffekttransistors (FET) 20. Die Abtastelektrode 12 ist durch einen Widerstand 22 mit einer Leitung 32 verbunden, und der Drain- Anschluß des FET 20 ist entweder direkt mit der Leitung 32 verbunden (Fig. 1) oder zwischen der Abtastelektrode 12 und dem Widerstand 22 angeschlossen (Fig. 2). Ist der Gasmonitor in Betrieb, so liegt am Gate-Anschluß des FET 20 über eine Leitung 23 eine Spannung Vp an. Ist der Gasmonitor hingegen nicht in Betrieb, so liegt keine Spannung an. Liegt keine Spannung am FET an, so ist der Widerstand zwischen dem Drain- Anschluß und dem Source-Anschluß des FET gering (einige hundert Ohm), und somit sind die Abtast- und die Referenzelektrode tatsächlich miteinander kurzgeschlossen. Während des Betriebs des Gasmonitors liegt am Gate-Anschluß des FET eine Spannung Vp an, die bewirkt, daß der Widerstand zwischen dem Source-Anschluß und dem Drain-Anschluß des FET auf einen hohen Wert ansteigt, wobei der Verluststrom zwischen dem Drain-Anschluß und dem Source-Anschluß höchstens 100 Mikroampere beträgt, wobei im allgemeinen dieser Wert in der Größenordnung von einigen zehn Nanoampere liegen sollte. Dies beseitigt den Kurzschluß zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode.
Der FET 20 kann ein n-Kanal FET sein, wobei in diesem Fall die Spannung Vp gegenüber dem Drain-Anschluß negativ sein muß, oder er kann eine p-Kanal-Einrichtung sein, wobei in diesem Fall die Spannung Vp gegenüber dem Source-Anschluß positiv sein muß. Der Einsatz eines FET zum Kurzschließen der Abtast- mit der Referenzelektrode, wenn der Gasmonitor nicht angeschaltet ist, und zum automatischen Unterbrechen des Kurzschlusses, wenn der Gasmonitor in Betrieb ist, vereinfacht die Schaltung wesentlich und macht sie viel kostengünstiger.
In der Schaltung der Fig. 1 ist die Referenzelektrode 16 mit dem negativen Eingang eines Verstärkers 18 verbunden, während der Ausgang des Verstärkers direkt mit der Zählerelektrode 14 verbunden ist. Ein erster Widerstand 22 ist zwischen der Abtastelektrode 12 und einer ersten Ausgangsleitung 32 angeschlossen, und ein zweiter Widerstand 34 ist zwischen der ersten Ausgangsleitung und einer zweiten Ausgangsleitung 36 angeschlossen. Der positive Eingang des Verstärkers ist mit der ersten Leitung 32 verbunden. Der Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand 34 wird durch Ausgangsleitungen 32 und 36 durch ein Meßgerät 38 mit hoher Impedanz gemessen, welches eine Anzeige, ein Schreiber, ein Drucker oder ein Alarmauslöser sein kann.
Die Schaltung der Fig. 2 umfaßt die gleichen Komponenten, welche dieselben Funktionen erfüllen wie jene der Schaltung der Fig. 1, und aus diesem Grunde wurden in beiden Figuren die gleichen Bezugsziffern verwendet.
Ist an der Abtastelektrode Gas vorhanden, so wird zwischen der Abtast- und der Referenzelektrode und folglich zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers 18 eine Potentialdifferenz aufgebaut, die bewirkt, daß am Verstärkerausgang und folglich ebenfalls zwischen der Abtast- und der Zählerelektrode ein Strom fließt, wobei dessen Stärke proportional zu der Menge eines Gases ist, die an der Abtastelektrode vorhanden ist. Da die Impedanz zwischen den Anschlüssen eines Operationsverstärkers groß ist, und da das Meßgerät 38 gleichfalls eine hohe Impedanz aufweist, ist der durch den Widerstand 34 fließende Strom annähernd gleich jenem, der durch die Abtastzelle fließt. Wird ein Widerstand 34 mit hohem Widerstandswert verwendet, so kann ein großer Spannungsabfall zwischen den Leitungen 32 und 36 erreicht werden, welcher ausreichend ist, um einen Schreiber oder eine Anzeige 38 direkt anzusteuern, ohne einen Operationsverstärker einzusetzen. Der Widerstand 34 kann einen Widerstandswert von 0,5 bis 500 K Ohm aufweisen, vorzugsweise 1 bis 100 K Ohm. Hat der Widerstand 34 beispielsweise einen Widerstandswert von 10 K Ohm, so kann der Spannungsabfall über dem Widerstand 34 ungefähr 1 Millivolt pro Millionstel eines detektierten Gases sein. Der Widerstand 22 hat einen Widerstandswert zwischen 0 und 200 Ohm und gewährleistet die Störunempfindlichkeit der Schaltung, indem die relativen Potentiale zwischen der Abtast- und der Zählerelektrode in Abhängigkeit von der Störung verändert werden. Der geringe Widerstandswert des ersten Widerstands 22 erzeugt auch eine schnelle Reaktionszeit.

Claims

1. Eine Gasmonitorschaltung mit Anschlüssen (12a, 14a, 16a) zur elektrischen Verbindung mit einer Abtast-, Zähler- und einer Referenzelektrode (12, 14, 16) eines Gassensors (10), wobei die Gasmonitorschaltung umfaßt:

a) einen Operationsverstärker (18) mit einem ersten Eingang, der mit dem Anschluß der Referenzelektrode verbunden ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Anschluß der Abtastelektrode verbunden ist und einem Ausgang, der mit dem Anschluß der Zählerelektrode verbunden ist;

b) ein Meßgerät (38) zur Messung der Menge eines Gases, die an der Abtastelektrode abgetastet wird; und

c) eine erste Ausgangsleitung (32), die mit dem Anschluß der Abtastelektrode verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, daß

d) ein Widerstand (34) zwischen der ersten Ausgangsleitung (32) und einer zweiten Ausgangsleitung (36) angeschlossen ist, wobei der zweite Eingang des Operationsverstärkers mit einem Punkt zwischen dem Widerstand (34) und dem Anschluß der Abtastelektrode verbunden ist; und

e) der Spannungsabfall über dem Widerstand (34) durch das Meßgerät über die Ausgangsleitungen gemessen wird.

2. Eine Gasmonitorschaltung mit Anschlüssen (12a, 14a, 16a) zur elektrischen Verbindung mit der Abtast-, Zähler- und der Referenzelektrode (12, 14, 16) eines Gassensors (10), wobei die Gasmonitorschaltung umfaßt:

a) ein Meßgerät, das ein Maß für die Menge eines Gases liefert, die an dem Anschluß der Abtastelektrode abgetastet wird; dadurch gekennzeichnet, daß

b) die Gasmonitorschaltung einen Operationsverstärker (18) umfaßt mit einem ersten Eingang, der mit dem Anschluß der Referenzelektrode verbunden ist, einem zweiten Eingang, der mit dem Anschluß der Abtastelektrode verbunden ist und einem Ausgang, der mit dem zweiten Eingang verbunden ist;

c) eine erste Ausgangsleitung (32) mit dem Anschluß der Zählerelektrode verbunden ist;

d) ein Widerstand (34) mit der ersten Ausgangsleitung verbunden ist;

e) eine zweite Ausgangsleitung mit dem Widerstand (34) verbunden ist; und

f) der Spannungsabfall über den Widerstand (34) durch das Meßgerat über die Ausgangsleitungen gemessen ist.

3. Eine Gasmonitorschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die einen weiteren Widerstand (22) umfaßt, dessen Widerstandswert geringer ist als der des Widerstands (34), der zwischen den Ausgangsleitungen (32, 36) angeschlossen ist, wobei dieser weitere Widerstand (22) zwischen den Anschluß der Abtastelektrode (12a) und den zweiten Eingang des Operationsverstärkers (18) geschaltet ist.

4. Eine Gasmonitorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Gassensor (10) umfaßt.