DE3939166A1 - Rapidly calibrating metal oxide sensors for oxidising gas - using effusion cells, emitting gases in controlled concn. - Google Patents

Rapidly calibrating metal oxide sensors for oxidising gas - using effusion cells, emitting gases in controlled concn.

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Abstract

Metal-oxide sensor, when heated, undergoes sensitive resistance changes in response to the presence of oxidising gases. The prolonged period needed for stabilising for the calibration of such sensors is considerably shortened by disposing near the sensor a gas effusion cell periodically induced by a control and evaluation unit emitting a defined electrical current causing emission of a defined concn. of gas, e.g. H2. The sensor element, esp. of tin oxide type, which may receive a stepped series of impulses corresp. to different concn. values, change an electrical parameter so that the control and evaluation unit pref. microprocessor controlled, can produce calibration based on two or more points. USE - Include alarm signals, esp. for fires, requiring min. power and operable for long periods. Calibration time is reduced from possible weeks to hours. The effusion cells used are readily available.

Description

Es ist bekannt, daß Metalloxid-Sensoren, die beheizt werden, empfindlich mit einer Widerstandsänderung auf die Anwesen­ heit von oxidierbaren Gasen reagieren.It is known that metal oxide sensors that are heated sensitive to the property with a change in resistance reaction of oxidizable gases.

Bekanntgeworden sind Zinndioxid-Sensoren nach dem oben ge­ nannten Prinzip, wobei bekanntgeworden ist, daß diese Sen­ soren einen stabilen Betriebszustand erst nach einigen Tagen erreichen.Tin dioxide sensors have become known after the above ge called principle, it has become known that these Sen stable operating condition after a few days to reach.

Daraus folgt, daß ein stabiler Nullpunkt beim kurzzeitigen Betrieb nicht erreicht wird.It follows from this that a stable zero point during short-term Operation is not achieved.

Die Ursache für dieses Verhalten liegt in der Tatsache be­ gründet, daß die in der Sensoroberfläche befindliche Feuch­ tigkeit sich mit der in der Luft vorhandenen Feuchtigkeit in ein Gleichgewicht bringen muß, wobei sich Wasser als OH- Gruppen an der Oberfläche des Sensors adsorbieren.The reason for this behavior lies in the fact establishes that the moisture in the sensor surface activity with the moisture in the air must balance, with water as OH Adsorb groups on the surface of the sensor.

Über eine Veröffentlichung der Fa. FIGARO (Sensors and actuators 14 (1988) 223-232) wird festgestellt, daß ein stabiles Gleichgewicht sich nach ca. 100 Betriebsstunden einstellt.A publication by FIGARO (Sensors and actuators 14 (1988) 223-232) found that a stable balance after about 100 hours of operation sets.

Häufig werden Anwendungen nachgefragt, bei denen eine der­ artig lange Stabilisierungszeit nicht zur Verfügung steht.Applications in which one of the long stabilization time is not available.

Die nachstehend beschriebene Erfindung stellt sich die Auf­ gabe, eine problemlose Anwendbarkeit auch unter Kurzzeit­ bedingungen zu garantieren.The invention described below turns on gabe, a problem-free application even under short-term guarantee conditions.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zu nutze, daß elektro­ chemische Effusionszellen, die am Markt käuflich z. B. von der Firma Simatec/CH-Herzogenbuchsee erwerbbar sind, beim Anlegen einer elektrischen Spannung z. B. Wasserstoff frei­ setzen. The invention takes advantage of the fact that electro chemical effusion cells that are commercially available e.g. B. from from Simatec / CH-Herzogenbuchsee are available from Applying an electrical voltage z. B. hydrogen free put.  

Dabei besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem Strom, der die chemische Zelle durchfließt, und der entwickelten Gasrate.There is a linear relationship between the current, which flows through the chemical cell, and the developed one Gas rate.

Veröffentlicht worden sind in Vakuumtechnik 22, 1973, Seite 106, elektrochemische Zellen, die Halogene freigeben, wobei der elektrochemische Mechanismus prinzipiell mit dem der Wasserstoffzellen vergleichbar ist.Published in vacuum technology 22, 1973, page 106, electrochemical cells that release halogens, wherein the electrochemical mechanism in principle with that of Hydrogen cells is comparable.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, eine derartige chemische Zelle mit einem Gas-Sensor in einem Gehäuse derart zu vereinigen, daß die auf Anforderung von der chemischen Zelle freigesetzten Gase unmittelbar auf den Gassensor ein­ wirken. In der bevorzugten Ausführung wird nachstehend allerdings ein Metalloxid-Sensor, vorzugsweise bestehend aus Zinndioxid, beschrieben.According to the invention, it is therefore proposed to use such chemical cell with a gas sensor in a housing like this to unite that at the request of the chemical Cell released gases directly onto the gas sensor Act. In the preferred embodiment, below however, a metal oxide sensor, preferably consisting of Tin dioxide.

Aus Fig. 1 geht der prinzipielle Aufbau hervor:The basic structure is shown in FIG. 1:

Die elektrochemische Zelle (1) ist in unmittelbarer Nachbar­ schaft zum Gas-Sensor (2) angeordnet. Die Signale des Gas- Sensors werden von einer Steuer- und Regeleinheit, die vor­ zugsweise mikroprozessorgesteuert ist (3) verarbeitet.The electrochemical cell ( 1 ) is arranged in the immediate vicinity of the gas sensor ( 2 ). The signals from the gas sensor are processed by a control unit, which is preferably microprocessor-controlled ( 3 ).

Periodisch in frei definierbaren Abständen erzeugt die Aus­ werte- und Steuereinheit (3) einen elektrischen Strom, der die elektrochemische Zelle (1) dazu veranlaßt, ein spezi­ fisches Gas in definierter Menge abzugeben. In der bevor­ zugten Ausführung wäre das Wasserstoff.Periodically at freely definable intervals, the evaluation and control unit ( 3 ) generates an electric current which causes the electrochemical cell ( 1 ) to release a specific amount of gas. In the preferred embodiment that would be hydrogen.

Die Fig. 2 zeigt die prinzipielle Abfolge: Figs. 2 shows the basic sequence:

Unmittelbar nach dem Einschalten driftet der Sensor mehrere Tage lang. Die Basislinie (4) zeigt entsprechend einen Gra­ dienten.Immediately after switching on, the sensor drifts for several days. The baseline ( 4 ) accordingly shows a gradient.

Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, eine vergleichs­ weise kurze Zeit nach dem Einschalten, z. B. im Abstand weniger Minuten, über die elektrochemische Zelle eine defi­ nierte Konzentration von z. B. Wasserstoff freizusetzen. According to the invention, a comparison is now proposed short time after switching on, e.g. B. at a distance less minutes, via the electrochemical cell a defi nated concentration of z. B. release hydrogen.  

Erfindungsgemäß soll in kurzer Abfolge die Konzentration stufenartig verschiedene Pegel annehmen (5, 6, 7).According to the invention, the concentration should assume different levels in steps in a short sequence ( 5, 6, 7 ).

Aus diesen Stufen kann ein Gradient berechnet werden, der es einerseits gestattet, die Null-Linie zu berechnen, ande­ rerseits die Sensitivität zu bestimmen erlaubt. In einer ge­ wissen Zeit danach (8), die z. B. 5 Minuten betragen kann, kann unter Zugrundelegung der so ermittelten Sensordaten der Sensor zur Gasdetektion eingesetzt werden, wobei vorteil­ hafterweise durch diese Maßnahme auch der Einfluß der rela­ tiven Luftfeuchtigkeit und anderer interferierender Gase berücksichtigt.A gradient can be calculated from these levels, which on the one hand allows the zero line to be calculated and on the other hand allows the sensitivity to be determined. In a ge time afterwards ( 8 ), the z. B. 5 minutes, the sensor for gas detection can be used on the basis of the sensor data thus determined, advantageously also taking into account the influence of rela tive humidity and other interfering gases by this measure.

Die Erfindung löst damit vorteilhaft das Problem der auto­ matischen Kalibrierung, insbesondere weil elektrochemische Effusionszellen vergleichsweise preiswert am Markt erhält­ lich sind.The invention thus advantageously solves the problem of auto matic calibration, especially because of electrochemical Effusion cells relatively cheap on the market are.

Vorteilhaft wirkt sich die Lehre der Erfindung insbesondere beim Einsatz von Multi-Sensor-Systemen aus, wie sie z. B. in der Europäischen Patentanmeldung 8 91 14 409.9 beschrieben worden ist. Gerade bei solchen Anwendungen kommt es auf die Reproduzierbarkeit der Kennlinien im entscheidenden Maße an. Durch die von der hier vorliegenden Erfindung beschriebenen Maßnahmen kann erreicht werden, daß rechnerisch stets stabile Voraussetzungen für die Meßphase (8) vorliegen. Es ist selbstverständlich möglich, auf die Integration in das Sensorgehäuse zu verzichten und in einer weiteren Ausgestal­ tung der Erfindung mit Hilfe der Lehre der Erfindung einen kalibrierfähigen Gas-Generator auszugestalten, der es ge­ stattet, vorhandene Sensorsysteme zu kalibrieren oder zu prüfen.The teaching of the invention is particularly advantageous when using multi-sensor systems, such as those used for. B. has been described in European Patent Application 8 91 14 409.9. In such applications in particular, the reproducibility of the characteristic curves is crucial. The measures described by the present invention can be used to ensure that the conditions for the measurement phase ( 8 ) are always stable in terms of calculation. It is of course possible to dispense with the integration into the sensor housing and in a further embodiment of the invention with the help of the teaching of the invention to design a calibratable gas generator which enables ge to calibrate or test existing sensor systems.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Anwendung innerhalb von Feueralarmsystemen, die häufig unter Einsatz von Zinndioxid-Sensoren dergestalt arbeiten, daß die Schwelgase bzw. Verbrennungsgase eine Widerstandsänderung verursachen, die elektrisch ausgewertet wird. In a special embodiment of the invention, a Use within fire alarm systems, often under Use of tin dioxide sensors work in such a way that the Smoldering gases or combustion gases a change in resistance cause that is evaluated electrically.  

Es hat sich gezeigt, daß aufgrund der sehr hohen Diffusions­ geschwindigkeit zuerst Wasserstoffgase den Sensor erreichen, noch bevor andere Gase den Sensor erreichen. Insofern ist es sinnvoll, eine Funktionskontrolle des Sensors mit Hilfe von nach der Lehre der Erfindung erzeugtem Wasserstoffgas durch­ zuführen.It has been shown that due to the very high diffusion speed, hydrogen gases first reach the sensor, even before other gases reach the sensor. So it is sensible, a function check of the sensor with the help of generated by the teaching of the invention hydrogen gas respectively.

Damit ist es möglich, jederzeit eine Gerätschaft so zu kon­ struieren, daß ein selbsttätiger Funktionstest möglich ist. Die nach diesem Prinzip erstellbaren Feueralarm-Sensoren erhalten damit eine erhebliche Qualitätssteigerung.This makes it possible to con device at any time structure that an automatic function test is possible. The fire alarm sensors that can be created according to this principle get a significant increase in quality.

Ferner wird darauf hingewiesen, daß es wasserstoffempfind­ liche Gas-Sensoren nach dem MOS-FET-Prinzip gibt. Die prak­ tische Anwendbarkeit dieser Sensoren ist unter anderem des­ wegen bisher nur sehr eingeschränkt gegeben, weil die Null­ punkte und Arbeitspunkte erheblich driften. Vorteilhaft an diesen neuen Sensoren ist allerdings die Tatsache, daß kaum ein Eigenenergieverbrauch stattfindet. Da die elektroche­ mischen Zellen ebenfalls nur über einen sehr geringen Ener­ giebedarf verfügen, ist es nach der Lehre der Erfindung mög­ lich, handliche und tragbare und batteriebetriebene Geräte mit langer Lebensdauer zu konstruieren, die verschiedensten Anwendungszwecken, z. B. portable Feueralarmgeräte etc., zugeordnet werden können.It is also noted that it is sensitive to hydrogen gas sensors based on the MOS-FET principle. The practical Among other things, the applicability of these sensors is given so far because of zero, because the zero points and working points drift considerably. Advantageous these new sensors, however, is the fact that hardly own energy consumption takes place. Because the electroche mix cells also only with a very low energy dispose of it, it is possible according to the teaching of the invention Handy, handy and portable and battery-operated devices to construct with a long service life, the most diverse Applications, e.g. B. portable fire alarm devices etc., can be assigned.

Claims (2)

1. Apparat und Verfahren zur Sensierung gasförmiger Substanzen unter Anwendung von gassensitiven Schichten, z. B. Zinndioxid oder MOS-FET oder Wärmetönungspelistoren oder elektroche­ mischen Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrochemische Effusions­ zelle räumlich dem gasempfindlichen Sensorelement so zuge­ ordnet wird, daß von der elektrochemischen Effusionszelle abgegebene Gase auf den Gassensor einwirken, wobei durch eine Steuer- und Auswerteeinheit (3) die elektrochemische Zelle in zeitlichen Abständen mit einem definierten Strom beauf­ schlag wird, der die elektrochemische Zelle zur Abgabe von Gas in definierter Konzentration veranlaßt, wodurch das Sensorelement (2) seine elektrischen Parameter verändert und damit der Auswerte- und Steuereinheit (3) die Möglichkeit gibt, eine Kalibrierung des Sensorelementes (2) vorzuneh­ men.1. Apparatus and method for sensing gaseous substances using gas sensitive layers, for. B. tin dioxide or MOS-FET or heat-toning pelistors or electrochemical mixing cells, characterized in that an electrochemical effusion cell is spatially assigned to the gas-sensitive sensor element so that gases emitted by the electrochemical effusion cell act on the gas sensor, with a control and evaluation unit ( 3 ) the electrochemical cell is subjected to a defined current at time intervals, which causes the electrochemical cell to emit gas in a defined concentration, whereby the sensor element ( 2 ) changes its electrical parameters and thus the evaluation and control unit ( 3 ) gives the opportunity to calibrate the sensor element ( 2 ). 2. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Zelle nicht einen Impuls mit einer definierten Konzentration abgibt, sondern eine Stufung von Impulsen unterschiedlicher Konzen­ tration, um eine Zwei- oder Mehrpunktkalibrierung durch die elektrische Auswerte- und Steuereinheit (3) vornehmen zu können.2. Apparatus and method according to claim 1, characterized in that the electrochemical cell does not emit a pulse with a defined concentration, but a gradation of pulses of different concen tration to a two or multi-point calibration by the electrical evaluation and control unit ( 3 ) to be able to make.
DE19893939166 1989-11-27 1989-11-27 Rapidly calibrating metal oxide sensors for oxidising gas - using effusion cells, emitting gases in controlled concn. Withdrawn DE3939166A1 (en)

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