DE3905993A1

DE3905993A1 - Apparat und verfahren zum zwecke der detektierung oxidierbarer und/oder reduzierbarer gase

Info

Publication number: DE3905993A1
Application number: DE19893905993
Authority: DE
Inventors: Hanns Rump
Original assignee: Rump Elektronik Tech
Current assignee: Rump Elektronik Tech
Priority date: 1989-02-25
Filing date: 1989-02-25
Publication date: 1990-08-30

Description

1. Stand der Technik

Es ist bekannt, daß oxidierbare und reduzierbare Gase eine Leit wertänderung an der Oberfläche von Metalloxiden bewirken, weil die Substanzen mit dem am Metalloxyd gebundenen Luftsauerstoff reagieren. Um die Reaktionsfreudigkeit zu erhöhen und um den Pro zeß reversibel zu machen, wird bei einschlägigen Sensoren der Metalloxyd-Leiter beheizt.

Mit unterschiedlichen Dotierungen wird bekanntlich erreicht, daß die Sensivität verschiedenen Substanzen gegenüber unterschied lich wird. Weiter ist bekannt, daß die Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Substanzen auch eine Frage der Oberflächentemperatur des Sensorelementes ist.

Aus diesem Grunde ist z. B. in der Patentanmeldung P 38 27 426.4 vorgeschlagen worden, die Temperatur periodisch zu ändern und aus der temperaturabhängigen Verteilung der Ausgangssignalamplituden auf die einwirkende Substanz zu schließen. Wenn eine bestimmte Substanz detektiert werden soll, liegt es nahe, den Sensor auf denjenigen Temperaturpunkt einzustellen, der der höchsten Em pfindlichkeit der Substanz gegenüber entspricht.

Wenn durch geeignete Schaltungsmaßnahmen, wie nachstehend vorge schlagen, dieser Temperaturpunkt exakt eingehalten wird, kann mit dieser Methode die Querempfindlichkeit anderen Substanzen gegen über gemindert werden.

Nachteilig ist, daß bei relativ niedrigen Arbeitstemperaturen, wie sie für manchen Substanzen typisch sind, insbesondere die Regeneration nach Einwirken der Substanzen teilweise unzulässig lang ist.

2. Erfindungsgemäße Lösung

Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die Oberflächentempera tur zu modulieren.

Dabei wird periodisch die Sensortemperatur auf ein relativ hohes Niveau gebracht, das den Sensor jedoch nicht zerstört. In dieser Zeitspanne wird die Sensoroberfläche durch Reaktion mit dem Luft sauerstoff oxidiert. Nach Ablauf dieser Zeitspanne wird die Sen sortemperatur gezielt auf ein Niveau gebracht, die der höchsten Sensitivität gegenüber einer bestimmten Substanz entspricht.

Es ist schaltungstechnisch also erforderlich, diese Temperatur, die man auch als optimale Reaktionstemperatur bezeichnen könnte, einstellbar zu gestalten.

Unmittelbar nach dem Sprung auf das Reaktionstemperatur-Niveau kann der Ausgangswert des Sensors noch nicht für Meßzwecke heran gezogen werden, weil erst ein Gleichgewichtszustand an der Ober fläche erreicht werden muß. Nach Erreichen des Gleichgewichtszu standes kann stabil und reproduzierbar gemessen werden.

Die Dauer der Vorbereitungsphase T 1 und der Meßphase T 2 hängen vom jeweiligen Sensortyp ab und von den Bedingungen, unter denen der Sensor eingesetzt wird.

Die erfindungsgemäße Lösung wird daher wie folgt beschrieben:

Das Sensorelement besteht in der Regel aus einer Heizung (11), die wärmeleitend mit dem Metalloxyd-Widerstand (12) verbunden ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ebenfalls ein tempera turabhängiges Widerstandselement (10) wärmeleitend mit dem Heiz element (11) zu verbinden. Da die Leitfähigkeit des Metalloxyd- Widerstandes (12) sich unter dem Einfluß von oxidierbaren oder reduzierbaren Gasen ändert, liegt es nahe, den Metalloxyd-Wider stand (12) in einem Spannungsteiler oder einer Brückenschaltung so anzuordnen, daß sich ergebnismäßig eine Spannung (5) ergibt, die abhängig vom Meßgas ist. Heizelement, Metalloxyd-Widerstand und temperaturabhängiger Widerstand können in einem Gehäuse zu sammengefaßt werden. Sie werden im folgenden Sensor genannt.

Die nach einer der vorherbeschriebenen Methoden ermittelte meß gasabhängige Spannung (5), im folgenden Sensorspannung genannt, wird einer geeigneten Auswerteelektronik (13) zugeführt, die ein Ausgangssignal (14) veranlaßt.

Die für den Betrieb des Heizelementes (11) erforderliche Energie wird von einem Regelbaustein (6) zur Verfügung gestellt. Im ein fachsten Fall ist die Heizleistung allein eine Funktion der Heiz spannung oder des Heizstroms, ohne daß es zu einem echten Regel kreis durch Temperaturvergleich kommt. In diesem Fall kann über den Eingang (7) ein Referenzwert zugeführt werden, der auf die Heizleistung/Heizspannung Einfluß hat. Wird der Sensor unter wechselnden Umgebungstemperaturen betrieben, ist es sinnvoll, die echte Sensortemperatur zu erfassen und als Ist-Größe im Regler (6) zu verarbeiten.

Um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können, wird vorgeschlagen, den Referenzwert umschaltbar oder steuerbar zu gestalten derart, daß er einen Wert 8, 9, 9 a usw. annehmen kann.

Die Umschaltung erfolgt entweder von Hand und einmalig oder auto matisch und zeitgesteuert durch einen Zeittaktgeber (15).

Im letzteren Fall gilt folgender Zusammenhang:

In Luft oxidiert die Oberfläche des Metalloxyd-Sensors z. B. zu reinem Zinn-Dioxyd (SnO2). In Verbindung mit dem Luftsauerstoff stellt sich nach kurzer Zeit ein stabiles Gleichgewicht ein. Un ter Anwesenheit von oxidierbaren Gasen, z. B. CO (Kohlenmonoxyd) wird an der Oberfläche des Sensorwiderstands Zinn-Dioxyd zu Zinn reduziert, wobei Sauerstoff-Atome das Kohlenmonoxyd aufoxidieren. Diese Reaktion verläuft bei einer typischen Temperatur am effek tivsten, so daß bei einer bestimmten, ermittelbaren Temperatur die spezifisch höchste Empfindlichkeit einem bestimmten Stoff gegenüber auftritt.

Bei einigen Stoffen ist diese Temperatur relativ niedrig, z. B. 250°C. Ist eine Reaktion, wie vorstehend beschrieben, eingetreten und z. B. Zinn-Dioxyd zu Zinn reduziert worden, benötigt nach Verschwinden der oxidierbaren Substanz, im Beispiel Kohlenmono xyd, das Sensorelement eine äußerst lange Zeit, um mit dem Luft sauerstoff zu reagieren um z. B. Zinn-Dioxyd zu bilden. Das Er holungsverhalten des Sensors wird bei niedrigen Sensortemperatu ren äußerst träge, so daß die Meßergebnisse lange Zeit nicht ver wertbar sind. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Heiztempe ratur periodisch zu verändern. Bei Beginn jeder Messung und an schließend periodisch wird der Sensor mit einer Temperatur T 1 betrieben, bei der eine optimale Reaktion mit dem Luftsauerstoff stattfindet. Es wird ein definierter Ausgangszustand durch Oxida tion der Sensoroberfläche erzielt. Nach Ablauf dieser Vorberei tungsphase T 1 1 wird die Heiztemperatur umgeschaltet auf eine niedrigere Temperatur T 2, die der optimalen Reaktionstemperatur der gesuchten Substanz gegenüber entspricht. In dieser Zeit kann der Meßwert (14) gewonnen und verarbeitet werden.

Nach Ablauf dieser Phase, im nachfolgenden Meßphase genannt, wird auf eine höhere Regenerationstemperatur T 3 (Ausheizphase) ge schaltet, die gleich oder höher als T 1 sein kann.

Ergebnismäßig wird erreicht, daß in der Meßphase der Sensor vor teilhaft in einem Temperaturbereich betrieben wird, in dem er gegenüber ganz spezifischen Gasen besonders empfindlich ist. Die Regeneration des Sensors wird beschleunigt durch den periodischen Betrieb mit Temperaturen, bei denen die Regeneration bzw. Oxida tion der Sensoroberfläche besonders schnell abläuft.

Vorteilhaft wird daher eine eingestellte spezifische Empfindlich keit schnell erreicht, ohne daß sich der Sensor besonders träge erholen muß.

In Fällen, in denen permanente Einsatzbereitschaft und schnelle Reaktion zwingend erforderlich sind, wird erfindungsgemäß vorge schlagen, zwei Sensoren antiparallel zu betreiben, so daß stets ein Meßsignal (5) verfügbar ist.

Legende Fig. 1

T 1 Vorbereitungsphase
T 2 Meßphase
T 3 Ausheizphase

Legende Fig. 2

4 Sensorelement
5 Sensor-Spannung
6 Heizungsregler
7 Ref.-Umschalter
8 Referenzheizwert zu T 1
9 Referenzheizwert zu T 2
9 a Referenzheizwert zu T 3
10 Integr. Temperaturfühler
11 Heizung im Sensorelement
12 Sensorwiderstand
13 Auswerteeinrichtung
14 Meßausgang
15 Taktgeber

Claims

1. Apparat und Verfahren zur Detektion von oxidierbaren und redu zierbaren Gasen unter Verwendung beheizter Metalloxyd-Sensorele mente, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächentemperatur des Sensor elementes frei wählbar und umschaltbar eingestellt wird, wobei in einer frei wählbaren Zeit (1) die Temperatur der Sensor-Ober fläche relativ höher sein kann, als in der ebenfalls frei ein stellbaren Meß-Zeit (2) und anschließend in einer Regenerations phase bzw. Ausheizphase (3) die Temperatur frei einstellbar ist. Die Umstellung der Temperaturen kann entweder manuell oder zeit gesteuert automatisch durch ein Steuerwerk (15) erfolgen.

2. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wärmeleitend mit dem Sensor-Wider stand (12) verbunden ein temperaturabhängiger Widerstand auf dem Sensorelement (4) angeordnet ist, wobei die Widerstandsänderung des temperaturabhängigen Widerstandes (10) ausgenutzt wird, um in einer Regelschaltung (6) die Temperatur des Sensorelementes (4) entsprechend einem Referenzwert (7) konstant zu halten.

3. Apparat und Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzwert (7) stetig oder in Stufen auf weitere Werte umgeschaltet werden kann.

4. Apparat und Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung der Referenzwerte manuell oder automatisch durch ein zeitgesteuertes Schaltwerk (15) erfolgen kann.

5. Apparat und Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltwerk ein Mikroprozessor sein kann.

6. Apparat und Verfahren nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Sensoren so betrieben werden, daß mindestens ein Sensor stets oder überwiegend in einem aufgabenstellungsgemäßen Zustand zur Ermittlung von Meßwerten sich befindet. Die Umschaltung und die Steuerung erfolgt zentral durch das Steuerwerk (15), das als Mikroprozessor ausgebildet sein kann.