DE3877518T2

DE3877518T2 - Detektor fuer brennbare gase mit temperaturstabilisierung.

Info

Publication number: DE3877518T2
Application number: DE8888116043T
Authority: DE
Inventors: William John Alexander
Original assignee: Mine Safety Appliances Co
Current assignee: MSA Safety Inc
Priority date: 1987-11-03
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2008-09-30
Also published as: EP0314919A2; DE3877518D1; EP0314919A3; US4818977A; CA1316710C; EP0314919B1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Detektoren für verbrennbare Gase, welche katalytisch beschichtete Widerstands-Sensorelemente aufweisen.

Hintergrund der Erfindung

Traditionsgemäß verwendete Gasdetektoren, welche zum Aufspüren der Gegenwart von verbrennbaren Gasen angewandt wurden, wie man sie zum Beispiel in Kohlebergwerken oder Produktionsanlagen findet, eine mindestens ein Sensorelement umfassende Schaltkreisanordnung. Das Sensorelement bestand aus einem Draht mit einer katalytischen Beschichtung. Dieses Sensorelement wurde als einer von vier Zweigen einer Wheatstone-Brückenschaltung verwendet. Die anderen drei Zweige bestanden aus zwei Widerständen und einem Kompensatorelement. Das Kompensatorelement war, abgesehen davon, dar es keine katalytische Beschichtung trug, identisch mit dem Sensorelement.
An die Brückenschaltung wurde ein Strom oder eine Spannung angelegt um die Oberfläche der an dem Sensorelement angebrachten katalytischen Beschichtung zu erhitzen. Da die Widerstandswerte der anderen drei Zweige der Brücke bekannt waren, konnte der Widerstand in dem Sensorelement bestimmt werden, wenn der Strom oder die Spannung durch die Brücke hindurchgeleitet wurden.
Wenn das Sensorelement einem verbrennbaren Gas, wie z. B. Methan ausgesetzt wurde, fing die katalytische Beschichtung an zu brennen, wodurch sich die Temperatur des Sensorelements erhöhte. In dem Maße wie die Temperatur des Sensorelements zunahm, nahm der Widerstand des Sensorelements zu. Dementsprechend nahm der durch das Element durchgelassene Strom oder die durchgelassene Spannung ab. Durch das Vergleichen des Widerstandswerts des Sensorelements mit dem Widerstandswert des Kompensatorelements konnte das Vorhandensein eines verbrennbaren Gases aufgespürt werden. Da die Menge des vorhandenen Gases eine fast lineare Zunahme oder Abnahme des Widerstands des Sensorelements verursachte, konnte die Menge des Gases durch Eichen der Veränderungen des Widerstands genau bestimmt werden. Dies ist das grundlegende Funktionsprinzip eines katalytischen Sensors für verbrennbare Gase.
Die tatsächliche Anwendung dieser Anordnung weist jedoch Nachteile auf. Beispielsweise kann der Temperaturanstieg der katalytischen Beschichtung in der Gegenwart hoher Konzentrationen von verbrennbaren Gasen zu Temperaturen führen, die hoch genug sind, um das Sensorelement zu beschädigen. Eine Methode, wie dieses Problem abgemildert werden kann, ist die Regulierung der durch das Sensorelement durchgeführten Spannung oder des durch das Sensorelement durchgelassenen Stroms. Da Erhitzen die Spannung oder den Strom ansteigen läßt, kann ein auf dem Fachgebiet allgemein bekannter Steuer- oder Regelschaltkreis mit der Brücke verbunden werden, um einen Teil des Stroms oder der Spannung abzuziehen. Durch Reduzieren des Stroms oder der Spannung können schädliche Temperaturextreme vermindert werden. Die Einführung eines Steuer- oder Regelschaltkreises kann jedoch zu anderen Fehlern führen, welche die Sensorleistung beeinflussen. Beispielsweise hat das Regulieren der Spannung für die gesamte Brückenschaltung eine relativ geringe Auswirkung auf die Sensortemperatur. Auch das Einstellen der Brückenspannung zur Aufrechterhaltung einer stabilen Sensorspannung, eine andere übliche Praxis, ist zwar etwas wirkungsvoller, stabilisiert jedoch den Sensor nicht ausreichend, um eine Wärmeschädigung zu verhindern.
Mehrere Detektoren für verbrennbare Gase, welche Brückenschaltungen beinhalten, gehören zum Stand der Technik. Ferraro, US-Patent Nr. 4.652.831 offenbart z.B. einen katalytischen Detektor für verbrennbare Gase, welcher dadurch eine erhöhte Empfindlichkeit für Gase bietet, daß die an die Anschlüsse des Sensorelements angelegte Spannung zuvor eingestellt wird. Bei dieser Anordnung muß die Spannung je nach der Art des zu prüfenden Gases auf das gewünschte Niveau voreingestellt werden. Eine zweite Veröffentlichung, Meyer EP-Patent Nr. 018.221, sieht ein Gerät vor, welches zwei voneinander unabhänigige Brückenschaltungen umfaßt, eine für das Sensorelement und eine für das Kompensatorelement. Die Benutzung von zwei Schaltungen erfordert jedoch den doppelten Energieverbrauch im Vergleich zu einem Einzelbrückensensor. Dies kann die Tragbarkeit des Instrumentes kritisch einschränken, wenn die Schaltung batteriebetrieben ist.
Das französische Patent Nr. 1.576.576 offenbart einen katalytischen Gasdetektorschaltkreis mit einer typischen Wheatstone- Brückenanordnung. Dieser Gasdetektor umfaßt des weiteren eine Stromüberbrückungsschaltung, welche durch einen Differenzverstärker betrieben wird und parallel zu dem Gassensorelement geschaltet ist. Die Überbrückungsschaltung besteht aus einem Transistor und einem Widerstand, welche in der Emitterzuführung des Transistors plaziert sind. Das Ausgangssignal, welches an den Anschlüssen des Widerstands gemessen wird, umfaßt eine Komponente, welohe vom Basisstrom des Transistors herrührt.
Eine ähnliche Gasdetektorschaltung wird im "Soviet Inventions Illustrated, Section Chemical, Week 8607, Abstract No. 046813 offenbart.
Es ist die Aufgabe dieser Erfindung eine brennbares Gas aufspürende Schaltanordung bereitzustellen, welche die Temperatur des Sensorelements stabilisiert, um störende Signale von außen zu eliminieren und um dadurch dem Schaltkreis schnellere Reaktionszeiten, eine erhöhte Empfindlichkeit und eine genauere Analyse eines Gases zu ermöglichen, auf eine Weise, welche niedrigen Stromverbrauch erfordert und dabei nur eine Einzelbrückenschaltung verwendet.

Zusammenfassung der Erfindung

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine neue und verbesserte katalytische Gasdetektoranordnung vorgesehen, welche die Nachteile von anderen Schaltkreisen des Stands der Technik überwindet. Insbesondere sieht die Erfindung eine Brükkenschaltung vor, bei welcher einer der vier Zweige der Brücke ein Sensorelement ist und einer der anderen Zweige ein Kompensatorelement ist. Ein Strom oder eine Spannung wird an den Schaltkreis angelegt und die einzelnen Widerstände des Kompensatorelements und des Sensorelements werden bestimmt. Die Elemente werden dann einem brennbaren Gas ausgesetzt und der neue Widerstand des Sensorelements wird mit dem Widerstand des Kompensatorelements verglichen. Die Differenz der Widerstandswerte wird dann mittels eines Differentialverstärkers verstärkt und an eine Stromüberbrückungsschaltung gegeben, welche einen Transistor in Reihe geschaltet mit einem Widerstand umfaßt, wobei der Widerstand zwischen einem Kollektor-Anschluß des Transistors und einem Verbindungspunkt zwischen dem einen Zweig, der das Sensorelement umfaßt, und einem anderen Zweig, der das Kompensatorelement umfaßt, plaziert ist. Wenn das Differenzsignal durch den Transistor empfangen wird, wird der Transistor angesteuert und zieht etwas von dem elektrischen Strom von dem Sensorelement ab. Dies bringt die gesamte Brückenschaltung wieder ins Gleichgewicht zurück und schützt das Sensorelement vor Überhitzung. Obwohl Strom von dem Sensorelement abgezogen wird, ist das Sensorelement immer noch fähig den Widerstand mit Änderungen in der Temperatur des Sensors die durch das dem Gasfluß Ausgesetztsein entstehen, zu ändern. Ein Signal, welches die Konzentration des brennbaren Gases in der Probe anzeigt, wird dann durch Messen des Stroms, der von dem Transistor abgezogen wird, ermittelt.
Diese Merkmale und andere Ziele der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit der begleitenden Zeichnung hervorgehen.

Kurze Beschreibung der Zeichung

Die Zeichung ist ein schematisches Schaltbild eines Gasdetektors mit einer Temperaturstabilisierungs-Vorrichtung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Mit Bezug auf die Zeichnung wird ein Schaltdiagramm 100 eines Gassensors für brennbare Gase gezeigt. Eine Steuer- oder Regelvorrichtung 101 stellt entweder konstanten Strom oder konstante Spannung für eine elektrische Brückenschaltung bereit, welche ein Sensorelement 102, ein Kompensatorelement 103 und zwei Widerstände 104 und 105 umfaßt. Der Schaltkreis kann entweder ein Schaltkreis vom linearen Typ oder vom schaltenden Typ sein, und die Steuer- oder Regelvorrichtung 101 kann ein Spannungsregulator oder ein Stromregulator sein. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet einen schaltenden Spannungsregulator in Form eines integrierten Schaltkreises (IC). Die Steuer- oder Regelvorrichtung 101 wird verwendet, um den Über-Alles-Wert/die Leistung im Sensorschaltkreis 100 unabhängig zu kontrollieren. Der Schaltkreis 100 sollte mit z.B. 3 Volt oder 0,140 Amp betrieben werden. Das Sensorelement 102 ist eine verkapselte Helix, welche eine Keramikperle bildet, die ihrerseits mit einem Edelmetallkatalysator imprägniert ist, z.B. Paladium oder Platin. Das Kompensatorelement 103 ist identisch mit dem Sensorelement, abgesehen davon, daß es keine katalytische Beschichtung trägt.
Die Größen der zwei Widerstände 104 und 105 sind willkürlich. Sie könnten angefangen von einem 0hm, was energieverschwendend ist, bis 10 Megohm reichen, was schwierig unter Kontrolle zu halten ist. Da das Verhältnis dieser Widerstände eine bekannte Konstante ist, kann der relative Widerstand des Sensorelements 102 und des Kompensatorelements bestimmt werden. Vorzugsweise sollten die Widerstände 104 und 105 gleich sein, um für gleiche Stromversorgung in den Elementen 102 und 103 zu sorgen. Da nur das Verhältnis der Widerstände wichtig ist, ist der Schaltkreis gut dazu geeignet, um mit Hybrid oder IC-Technologie gebaut zu werden, so daß, auch wenn die Widerstandswerte in dieser Art Schaltkreis schwierig zu kontrollieren sein können, das Verhältnis der Widerstände genau kontrolliert werden kann.
Wenn der Schaltkreis betrieben ward und das Sensorelement 102 einem brennbaren Gasmuster ausgesetzt wird, bringt die katalytische Beschichtung des Sensorelements das brennbare Gas zum Brennen und erhöht somit die Temperatur des Sensorelements 102. In dem Maße wie die Temperatur zunimmt, nimmt der in dem Sensorelement zu beobachtende Widerstand 102 zu. Der Spannungsabfall über das Sensorelement 102 nimmt proportional zu gemäß der Gleichung V=IR, wobei V die Spannung ist, I der Strom und R der Widerstand. Wenn der Strom konstant gehalten wird, nimmt die Spannung linear zu, wenn der Widerstand zunimmt.
Der Widerstand des Kompensatorelements 103 wird von natürlichen Phänomenen, wie z.B. Feuchtigkeit oder Hitze beeinflußt, wie auch der Widerstand des Sensorelemente 102, aber da das Kompensatorelement 103 nicht innerhalb einer katalytischen Beschichtung verkapselt ist, wird seine Temperatur nicht durch die Gegenwart eines brennbaren Gases beeinflußt. Somit wird der Widerstandswechsel im Sensorelement 102 im Vergleich zum Widerstand im Kompensatorelement 103 allein durch das Verbrennen des brennbaren Gases auf der katalytischen Beschichtung des Sensorelements 102 verursacht, wenn es brennbarem Gas ausgesetzt wird. Die Widerstandsänderung im Sensorelement 102 wiederum erzeugt eine Erhöhung des Spannungsabfalls über dem Sensorelement 102. Die Zunahme der Spannung aufgrund der Gegenwart eines brennbaren Gases wird durch einen Differenzverstärker 106 bestimmt. Der Differenzverstärker 106 kann z.B ein einzelner IC-Operationsverstärker mit Leistungsmerkmalen von z.B. einem Verstärkungsfaktor von 10.000 oder mehr sein, einem Eingangsbereich von mehreren Volt und einem Eingangs-0ffset von weniger als 10 Millivolt. Aufgrund der Art dieses Schaltkreisentwurfs ist die Leistung des Verstärkers nicht kritisch für den Schaltkreis, und viele im Handel erhältliche Geräte sind angemessen.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 106 ist mit einem Überbrükkungselement 107 verbunden. Das Überbrückungselement 107 kann z.B. ein Transistor mit Leistungsmerkmalen von z.B. einer breakdown Spannung von mehreren Volt, einem Stromfluß von 1 Ampere und einem Verstärkungsfaktor von 20 oder mehr sein. Wenn kein brennbares Gas in der Probe vorhanden ist, gibt es keine Änderung im Spannungsabfall über das Sensorelement 102, und daher wird durch den Differenzverstärker 106 kein Signal erzeugt. In dieser Betriebsart ist der Transistor 107 abgeschaltet. Wenn ein brennbares Gas vorliegt und der Differenzverstärker 106 ein Signal erzeugt, welches an der Basis des Transistors 107 liegt, wird der Transistor angeschaltet, um etwas elektrischen Strom von dem Sensorelement 102 abzuziehen, um die gesamte Brückenschaltung wieder ins Gleichgewicht zu bringen.
Dies stabilisiert die Temperatur des Sensorelements 102, wodurch das Sensorelement 102 vor Überhitzung geschützt wird, wenn es hohen Konzentrationen von brennbarem Gas ausgesetzt wird. Gleichzeitig, folgt das Sensorelement weiterhin seiner normalen Tendenz, den Widerstand mit Veränderung in der Temperatur des Sensorelements 102 zu ändern, wenn es brennbaren Gasen ausgesetzt wird.
Die Konzentration an brennbarem Gas kann berechnet werden durch Messen des Stroms, der dem Transistor 107 entstammt, mittels einem geeichten Amperemeter (nicht dargestellt) oder durch Messen der Spannung über einen festgelegten Widerstand 108 in Serie mit dem Überbrückungselement. Die Eichung kann durchgeführt werden durch Messen des Stroms oder der Spannung mit dem Detektor in einer Atmosphäre frei von brennbarem Gas. Dieser beliebige Strom, welcher gleich Null sein kann, entspricht dem Wert Null oder keinem vorliegenden Gas. Der Detektor wird dann einem Gas von bekannter Konzentration ausgesetzt. Der sich ergebende Strom oder die sich ergebende Spannung entspricht dieser bekannten Konzentration. Andere Gaskonzentrationen können durch Intrapolieren oder Extrapolieren von diesen Werten erhalten werden.
Die Erfindung ist in ihrer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden. Es ist leicht ersichtlich, daß es zahlreiche Abänderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung gibt, die durch die obengenannten Lehren ermöglicht werden, wobei diese immer noch im Bereich der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

1. Katalytischer Gasdetektor-Schaltkreis (100) umfassend:

eine Brückenschaltung mit vier Zweigen (102, 103, 104, 105) und mit Ein- und Ausgängen, wobei die Eingänge mit einer Leistungsquelle (101) verbunden sind, welche entweder einen konstanten Strom oder konstante Spannung liefern kann, und wobei die Ausgänge mit einem Differenz-Verstärker (106) verbunden sind;

wobei der erste Zweig ein auf Gase ansprechendes Widerstandselement (102) mit einer katalytischen Beschichtung ist, welche mit verbrennbaren Kohlenwasserstoffgasen reagiert;

wobei der zweite Zweig ein kompensierendes Element (103) ist;

wobei der dritte und vierte Zweig Widerstände (104, 105) sind;

wobei das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (106) mit einer Stromüberbrückungsschaltung verbunden ist, welche parallel zu dem Widerstandselement (102) geschaltet ist und auf das Ausgangssignal des Differenzverstärkers anspricht und Strom durchläßt;

wobei die Überbrückungsschaltung einen Transistor (107) und einen Widerstand (108) in Reihe geschaltet umfaßt, so daß der Widerstand zwischen einem Kollektoranschluß des Transistors (107) und dem Kontaktpunkt zwischen dem ersten Zweig (102) und dem zweiten Zweig (103) geschaltet ist und wobei der Schaltkreis (100) ferner eine Vorrichtung zum Messen des durch die Stromüberbrückungsschaltung durchgelassenen Stromes umfaßt.

2. Katalytischer Gasdetektor-Schaltkreis nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (106) ein 0perationsverstärker in Form eines integrierten Schaltkreises ist.