DE4226591C1 - Gas sensor with temp. regulation circuit including resistance bridge - has control circuit for maintaining temp. of sensors in resistance bridge circuit constant, with circuit output indicating heat caused by gas - Google Patents

Gas sensor with temp. regulation circuit including resistance bridge - has control circuit for maintaining temp. of sensors in resistance bridge circuit constant, with circuit output indicating heat caused by gas

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DE4226591C1 DE19924226591 DE4226591A DE4226591C1 DE 4226591 C1 DE4226591 C1 DE 4226591C1 DE 19924226591 DE19924226591 DE 19924226591 DE 4226591 A DE4226591 A DE 4226591A DE 4226591 C1 DE4226591 C1 DE 4226591C1
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Abstract

At the surface of the resistive sensing element (24), the reactive gas produces a specific emission of heat to unbalance the bridge circuit (23-27) which maintains the operating temp. of the sensing element. A feedback operational amplifier (27) in a diagonal of the bridge produces an output which gives a measure of the heat evolved by the gas reaction. A clock-controlled potentiometer (22) is connected to the adjustable resistance (23) and clocked with a periodicity longer than the thermal time constant of the sensor. USE/ADVANTAGE - For detection of trace gases in mixt. analysis. S simple circuit, high sensitivity with very low thermal capacity and time constant.

Description

In verschiedenen Anwendungen werden Anordnungen und Ver­ fahren zum selektiven Nachweis von Gasen benötigt.In various applications, arrangements and ver drive required for the selective detection of gases.

Aus EP 02 03 561 B1 ist ein Verfahren zur selektiven Gas­ analyse mit Chemosensoren bekannt. Dabei wird ausgenutzt, daß der Signalverlauf beim Einsetzen der Reaktion an einem Chemosensor stark von der Art des Gases abhängt. Die Chemosensoren werden daher einer gepulsten Testgasströmung ausgesetzt. Es wird jeweils das Anlaufverhalten registriert und nach der Methode der Mustererkennung analysiert. In diesem Verfahren ist es erforderlich, den Testgasstrom ge­ pulst auf den Sensor aufzubringen.EP 02 03 561 B1 describes a process for selective gas known analysis with chemosensors. It takes advantage of that the waveform at the onset of the reaction on a Chemosensor strongly depends on the type of gas. The Chemosensors are therefore a pulsed test gas flow exposed. The startup behavior is registered in each case and analyzed using the pattern recognition method. In This method requires the test gas flow pulsing to apply to the sensor.

Aus DE 37 36 200 ist ein Verfahren zum Betrieb eines nach dem Kalorimeterprinzip arbeitenden Halbleitergassensors mit mehreren Sensorelementen bekannt. Die Sensorelemente werden dabei durch Zuführen einer zeitlich modulierten Heizleistung mit einer modulierten Grundtemperatur be­ trieben. Da die katalytische Reaktion von Gasen stark von der Katalysatortemperatur abhängt, weist das resultierende Signal ebenfalls eine Modulation auf, die sowohl von der Temperaturmodulation als auch von der Erwärmung in Folge der katalytischen Reaktion herrührt. Meßgrößen sind in diesem Verfahren Betrag und Phase des Grundwellenanteils und mindestens eines Oberwellenanteils des resultierenden Signals.DE 37 36 200 describes a method for operating an after the semiconductor gas sensor working according to the calorimeter principle known with several sensor elements. The sensor elements are modulated by adding a time Heating output with a modulated basic temperature drove. Since the catalytic reaction of gases varies greatly depends on the catalyst temperature, the resulting points Signal also a modulation on both the Temperature modulation as well as from the warming in a row derives from the catalytic reaction. Measured variables are in this method the amount and phase of the fundamental wave component and at least one harmonic component of the resulting Signal.

Aus DE 37 29 286 A1 ist ein Meßgerät zur Analyse eines Gasgemisches auf mindestens ein in sehr geringer Konzentra­ tion enthaltenes Gas bekannt. Der Gasnachweis erfolgt indirekt, wobei das Gasgemisch während der Messung an einem geheizten Katalysatorelement in Umwandlungsprodukte zerlegt wird und diese Umwandlungsprodukte mittels eines Gassensors nachgewiesen werden. Der Gassensor nimmt minde­ stens eines der Umwandlungsprodukte auf. Zur quasi konti­ nuierlichen Überwachung eines Gasgemisches werden eine Folge von Meßphasen und Regenerierungsphasen zyklisch wie­ derholt. Die Meßphasen sind sehr kurz bezogen auf die An­ sprechzeit des Sensorelementes. Während der Regenierungs­ phasen wird die Katalysatortemperatur soweit vermindert und die Sensortemperatur soweit erhöht, daß das Sensor­ element mehr Umwandlungsprodukte abgibt als es aufnimmt. Es wird vorgeschlagen, während der Meßphasen die Temperatur des Sensorelementes und/oder die Temperatur des Katalysatorelementes auf verschiedene Temperaturen zu bringen und die Änderung der Meßgröße bei diesen verschie­ denen Temperaturen auszuwerten, um die Konzentration ver­ schiedener Umwandlungsprodukte analytisch voneinander zu unterscheiden.DE 37 29 286 A1 describes a measuring device for analyzing a Gas mixture to at least one in a very low concentration tion contained gas known. The gas detection takes place indirectly, the gas mixture during the measurement a heated catalyst element in conversion products  is broken down and these conversion products by means of a Gas sensor can be detected. The gas sensor takes at least at least one of the conversion products. To the quasi conti Nuclear monitoring of a gas mixture becomes one Sequence of measurement phases and regeneration phases cyclically as repeats. The measuring phases are very short in relation to the type response time of the sensor element. During the rain phases, the catalyst temperature is reduced so far and increases the sensor temperature so far that the sensor element releases more conversion products than it absorbs. It is proposed that the Temperature of the sensor element and / or the temperature of the Catalyst element to different temperatures bring and the change in the measured variable with these to evaluate those temperatures in order to ver different transformation products analytically from each other differentiate.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine weitere Vorrichtung zum selektiven Nachweis eines Gases anzugeben, die neben einer hohen Empfindlichkeit einen einfachen Aufbau aufweist.The invention is based on the problem, another To provide a device for the selective detection of a gas, which, in addition to high sensitivity, is simple Has structure.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.According to the invention, this problem is solved by a Device according to claim 1.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Regelschal­ tung vorgesehen, die die Temperatur am Sensorelement kon­ stant auf einer Betriebstemperatur hält. Beim Nachweis eines Gases, wird zur Kompensation der Reaktionswärme durch die Regelschaltung die elektrisch zugeführte Heiz­ leistung reduziert. Die Regelschaltung erzeugt dabei ein Ausgangssignal, das ein Maß für die vom Gas verursachte Wärme am Sensorelement ist. Die erfindungsgemäße Vorrich­ tung umfaßt weiterhin ein Schaltungsteil, das die Betriebs­ temperatur taktweise vorgibt, wobei die Taktdauer länger ist als die thermische Zeitkonstante des Sensorelementes und wobei die Betriebstemperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich variiert wird. Auf diese Weise ändert sich die Betriebstemperatur am Sensorelement taktweise, und es wird zu jeder aktuellen Betriebstemperatur ein Ausgangssignal erzeugt. Dadurch kann mit nur einem Sen­ sorelement, das sich permanent in Testgasatmosphäre be­ findet, eine Vielzahl von Meßdaten ermittelt werden. Die Anzahl der zu ermittelnden Meßdaten entspricht der Anzahl der Takte. In einer Auswerteeinheit werden die Ausgangs­ signale analysiert.There is a control scarf in the device according to the invention device provided that the temperature at the sensor element con keeps constantly at an operating temperature. With proof a gas, is used to compensate for the heat of reaction through the control circuit the electrically supplied heating performance reduced. The control circuit generates a Output signal that is a measure of that caused by the gas There is heat at the sensor element. The Vorrich invention tion further includes a circuit part that the operation specifies temperature in cycles, with the cycle time being longer is the thermal time constant of the sensor element  and wherein the operating temperature is within a predetermined Temperature range is varied. That way changes the operating temperature at the sensor element changes cyclically, and it will turn on at any current operating temperature Output signal generated. This means that with just one sen sensor element that is permanently in a test gas atmosphere finds a variety of measurement data can be determined. The The number of measurement data to be determined corresponds to the number the bars. The output are in an evaluation unit signals analyzed.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, ein Sensorelement zu verwenden, das als elektrischer Widerstand wirkt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, als Sensorelement einen auf einer Membran angeordneten Dünnschichtwiderstand, der mit einer Katalysatorschicht versehen ist, zu verwenden, wie er aus der DE-OS 38 39 414 als sogenannter Planarpellistor bekannt ist, da dieser eine sehr geringe Wärmekapazität und damit eine kleine thermische Zeitkonstante aufweist.It is within the scope of the invention to include a sensor element use that acts as an electrical resistor. Here it is particularly advantageous to use one as the sensor element a thin film resistor arranged with a membrane a catalyst layer is provided, such as he from DE-OS 38 39 414 as a so-called planar pellistor is known because it has a very low heat capacity and thus has a small thermal time constant.

Wirkt das Sensorelement als elektrischer Widerstand, wird es in einer elektrischen Widerstandsbrückenschaltung ver­ schaltet, die in die Rückkopplung eines Operationsver­ stärkers geschaltet ist. Die Eingänge des Operationsver­ stärkers sind dabei in die Brückendiagonale geschaltet.If the sensor element acts as an electrical resistance, ver in an electrical resistance bridge circuit switches that in the feedback of an operations ver is switched stronger. The inputs of the Operationsver starters are connected in the bridge diagonal.

Die Brückenschaltung umfaßt unter anderem einen taktge­ steuerten, regelbaren Widerstand, über den die jeweilige Betriebstemperatur vorgegeben wird. Der taktgesteuerte regelbare Widerstand wird durch ein Taktsignal angesteuert.The bridge circuit includes a clock controlled, adjustable resistance over which the respective Operating temperature is specified. The clock controlled controllable resistance is controlled by a clock signal.

Es ist besonders vorteilhaft, den taktgesteuerten, regel­ baren Widerstand aus einem taktgesteuerten Potentiometer und einem regelbaren Widerstand, die in Serie verschaltet sind, zu bilden, da in dieser Ausführungsform über den regelbaren Widerstand der Temperaturbereich vorgegeben werden kann, der taktweise durchschritten wird. It is particularly advantageous to use the clock-controlled, rule possible resistance from a clock-controlled potentiometer and an adjustable resistor that is connected in series are to form, because in this embodiment over the adjustable resistance of the temperature range can be passed through in cycles.  

Es liegt im Rahmen der Erfindung, einen Mikroprozessor vorzusehen, der ein Taktsignal zur Ansteuerung des takt­ gesteuerten Potentiometers erzeugt. Das Ausgangssignal wird über einen Analog/Digital-Wandler taktgesteuert dem Mikroprozessor zugeführt. Im Mikroprozessor werden aus Datenpaaren, die jeweils die laufende Nummer des Taktes und das zugehörige Ausgangssignal umfassen, nach der Methode der Mustererkennung das nachgewiesene Gas be­ stimmt. Das Ergebnis der Messung wird z. B. an einer Anzeigeeinheit ausgegeben. Diese Ausführungsform läßt eine exakte rechnerische Auswertung der registrierten Ausgangs­ signale zu.It is within the scope of the invention to have a microprocessor provide a clock signal to control the clock controlled potentiometer. The output signal is clock-controlled via an analog / digital converter Microprocessor fed. In the microprocessor are out Data pairs, each the sequential number of the measure and the associated output signal according to which Method of pattern recognition be the detected gas Right. The result of the measurement is e.g. B. on one Display unit issued. This embodiment leaves one exact mathematical evaluation of the registered output signals too.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Taktsignal zur Ansteuerung des taktgesteuerten Potentiometers von einem Taktgenerator erzeugt. Über einen digitalen Zähler wird das Taktsignal außerdem auf einen Nummernlatch gegeben. Der Ausgang des Operationsverstärkers wird mit einer Differenzierschaltung verbunden, in der ein Steuersignal zur Ansteuerung des Nummernlatches erzeugt wird. Mit dieser Vorrichtung können viele Gase, z. B. Ethanol oder Methanol in einem Luft-Testgasgemisch nach­ gewiesen werden. In einem solchen Gemisch zeigt das Aus­ gangssignal der Regelschaltung als Funktion der Betriebs­ temperatur einen Abfall mit negativer Steigung, sobald die Testgasreaktion einsetzt. Die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform erkennt diese negative Steigung der Kenn­ linie und disabled das Nummernlatch.According to a further embodiment of the invention the clock signal for controlling the clock-controlled Potentiometers generated by a clock generator. About one digital counter, the clock signal is also set to one Number latch given. The output of the operational amplifier is connected to a differentiating circuit in which a Control signal for controlling the number latch generated becomes. With this device many gases, e.g. B. Ethanol or methanol in an air test gas mixture be directed. In such a mixture, the end shows output signal of the control circuit as a function of operation temperature a drop with a negative slope as soon as the Test gas reaction begins. The device according to this Embodiment recognizes this negative slope of the characteristic linie and disabled the number latch.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den übri­ gen Ansprüchen hervor.Further refinements of the invention can be found in the rest against claims.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele näher erläutert.In the following the invention with reference to the figures and the Exemplary embodiments explained in more detail.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Nachweis eines Gases, in der ein Taktgenerator ein Taktsignal für den takt­ gesteuerten, regelbaren Widerstand erzeugt. Fig. 1 shows an apparatus for detecting a gas in which a clock generator generates a clock signal for the clock-controlled, variable resistor.

Fig. 2 zeigt den Verlauf des Ausgangssignals als Funktion der Zeit. Fig. 2 shows the course of the output signal as a function of time.

Fig. 3 zeigt die Erzeugung eines Steuersignals für einen Nummernlatch aus dem Ausgangssignal, die in einer Differenzierschaltung erfolgt. Fig. 3 shows the generation of a control signal for a Nummernlatch from the output signal, which takes place in a differentiator circuit.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zum Nachweis eines Gases, in der ein Mikroprozessor zur Erzeugung eines Taktsi­ gnals und zur Analyse des Ausgangssignals vorgese­ hen ist. Fig. 4 shows a device for detecting a gas, in which a microprocessor for generating a clock signal and for analyzing the output signal is provided.

Ein Taktgenerator 11 ist an eine Versorgungsspannung Vcc angeschlossen (s. Fig. 1). Am Ausgang des Taktgenerators 11 steht ein Taktsignal zur Verfügung, mit dem ein taktge­ steuertes Potentiometer 12 angesteuert wird. Das taktge­ steuerte Potentiometer 12 umfaßt eine Schaltung von MOS- Transistoren, die mit jedem Taktsignal anders verschaltet und angesteuert werden. Auf diese Weise hat das Potentio­ meter in jedem Takt einen anderen Widerstand. Das taktge­ steuerte Potentiometer 12 ist z. B. ein E2-Potentiometer vom Typ X9C503S. In dem taktgesteuerten Potentiometer 12 wird der Widerstand in 100 Schritten zwischen einem mini­ malen und einem maximalen Wert variiert. Ein Anschluß VL des taktgesteuerten Potentiometers 12 ist mit Massepoten­ tial verbunden. Ein Anschluß VH ist mit einem regelbaren Widerstand 13 verbunden. Der regelbare Widerstand 13 und das taktgesteuerte Potentiometer 12 addieren sich von ihrem Widerstandswert her. Sie bilden gemeinsam einen ansteuerbaren, regelbaren Widerstand, der taktgesteuert Werte zwischen der Summe aus der Einstellung am regelbaren Widerstand und dem kleinsten Widerstand des taktgesteuer­ ten Potentiometers 12 und der Summe des eingestellten Wertes am regelbaren Widerstand 13 und dem größten Wider­ standswert des taktgesteuerten Potentiometers 12 einnimmt. A clock generator 11 is connected to a supply voltage V CC (see FIG. 1). At the output of the clock generator 11 , a clock signal is available with which a clock-controlled potentiometer 12 is controlled. The clock-controlled potentiometer 12 comprises a circuit of MOS transistors which are connected and controlled differently with each clock signal. In this way, the potentiometer has a different resistance in every cycle. The clocked controlled potentiometer 12 is, for. B. an E 2 potentiometer of the type X9C503S. In the clock-controlled potentiometer 12 , the resistance is varied in 100 steps between a minimum and a maximum value. A terminal V L of the clock-controlled potentiometer 12 is connected to ground potential. A terminal V H is connected to a variable resistor 13 . The adjustable resistor 13 and the clock-controlled potentiometer 12 add up in terms of their resistance value. Together they form a controllable, adjustable resistor, which takes clock-controlled values between the sum of the setting on the adjustable resistor and the smallest resistance of the clock-controlled potentiometer 12 and the sum of the set value on the adjustable resistor 13 and the largest resistance value of the clock-controlled potentiometer 12 .

Über den regelbaren Widerstand 13 wird der Widerstandsbe­ reich eingestellt.About the adjustable resistor 13 , the resistance area is set rich.

Die Vorrichtung umfaßt eine Widerstandsbrückenschaltung mit dem taktgesteuerten Potentiometer 12, dem regelbaren Widerstand 13, einem Sensorelement 14, einem ersten Wi­ derstand 15 und einem zweiten Widerstand 16. Das Sensor­ element 14 wirkt als elektrischer Widerstand. An der Oberfläche des Sensorelementes 14 reagiert nachzuweisendes Gas unter Abgabe einer für das Gas spezifischen Wärme. Das Sensorelement 14 ist z. B. ein Planarpellistor, d. h. ein Dünnfilmwiderstand an dessen Oberfläche eine Katalysator­ schicht angeordnet ist.The device comprises a resistance bridge circuit with the clock-controlled potentiometer 12 , the adjustable resistor 13 , a sensor element 14 , a first resistor 15 and a second resistor 16th The sensor element 14 acts as an electrical resistor. Gas to be detected reacts on the surface of the sensor element 14 , releasing a heat specific to the gas. The sensor element 14 is, for. B. a planar pellistor, ie a thin film resistor on the surface of which a catalyst layer is arranged.

Ein erster Zweig der Widerstandsbrückenschaltung wird durch die Serienschaltung des ersten Widerstands 15 und des Sensorelementes 14 gebildet. Ein zweiter Zweig der Widerstandsbrückenschaltung wird durch den zweiten Wider­ stand 16 und den aus dem taktgesteuerten Potentiometer und dem regelbaren Widerstand zusammengesetzten ansteuerbaren regelbaren Widerstand 12, 13 gebildet.A first branch of the resistance bridge circuit is formed by the series connection of the first resistor 15 and the sensor element 14 . A second branch of the resistance bridge circuit is formed by the second opponent 16 and the controllable adjustable resistor 12 , 13 composed of the clock-controlled potentiometer and the adjustable resistor.

In die Brückendiagonale der Widerstandsbrückenschaltung sind die Eingänge eines Operationsverstärkers 17 ver­ schaltet.In the bridge diagonal of the resistance bridge circuit, the inputs of an operational amplifier 17 are switched ver.

Der erste Widerstand 15 und der zweite Widerstand 16 sind über einen Verbindungspunkt 18 einseitig mit einem dritten Widerstand 19 verbunden. Der dritte Widerstand 19 ist mit der Spannungsversorgung Vcc verbunden. Die Spannungsver­ sorgung Vcc liefert eine Spannung von z. B. 5V.The first resistor 15 and the second resistor 16 are connected on one side to a third resistor 19 via a connection point 18 . The third resistor 19 is connected to the voltage supply V CC . The Spannungsver supply V cc supplies a voltage of z. B. 5V.

Das Sensorelement 14 ist einseitig mit Erdpotential ver­ bunden. Der Ausgang VL des taktgesteuerten Potentiometers 12 ist mit Erdpotential verbunden. Mit dem taktgesteuerten Potentiometer 12 ist der regelbare Widerstand 13 in Serie verschaltet. Der regelbare Widerstand 13 ist einseitig mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers verschaltet. Das Sensorelement 14 ist einseitig mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 ver­ schaltet. Der Ausgang des Operationsverstärkers 17 ist mit dem Verbindungspunkt 18 verbunden.The sensor element 14 is connected on one side with earth potential. The output V L of the clock-controlled potentiometer 12 is connected to earth potential. The adjustable resistor 13 is connected in series with the clock-controlled potentiometer 12 . The adjustable resistor 13 is connected on one side to the non-inverting input of the operational amplifier. The sensor element 14 is switched on one side with the inverting input of the operational amplifier 17 . The output of the operational amplifier 17 is connected to the connection point 18 .

Durch den Widerstandswert von dem taktgesteuerten Poten­ tiometer 12 und dem regelbaren Widerstand 13 wird die Be­ triebstemperatur des Sensorelementes 14 und damit der Ar­ beitspunkt vorgegeben. Bei Reaktion eines Gases am Sensor­ element 14 erhitzt sich dieses und sein Widerstand nimmt zu. Dadurch wird die Widerstandsbrückenschaltung ver­ stimmt. Am invertierenden Eingang und am nichtin­ vertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 liegen unterschiedliche Signale an. Der Ausgang des Operations­ verstärkers 17 liegt über den Verbindungspunkt 18 an der Widerstandsbrückenschaltung an. Dadurch wird die Spannung an der Widerstandsbrückenschaltung verringert, bis die Widerstandsbrücke wieder abgeglichen ist. Da dieses mit einer Zeitkonstante von weniger als einer ms erfolgt, wird durch diese Schaltung ein isothermer Betrieb des Sensor­ elementes 14 erreicht. Das Ausgangssignal des Operations­ verstärkers 17 ist ein Maß für die an Sensorelement 14 er­ zeugte Wärme.By the resistance value of the clock-controlled potentiometer 12 and the adjustable resistor 13 , the operating temperature of the sensor element 14 and thus the working point is predetermined. When a gas reacts on sensor element 14, it heats up and its resistance increases. As a result, the resistor bridge circuit is tuned ver. Different signals are present at the inverting input and at the non-inverting input of the operational amplifier 17 . The output of the operational amplifier 17 is connected to the resistor bridge circuit via the connection point 18 . This reduces the voltage across the resistor bridge circuit until the resistor bridge is balanced again. Since this takes place with a time constant of less than one ms, this circuit achieves isothermal operation of the sensor element 14 . The output signal of the operational amplifier 17 is a measure of the heat generated at sensor element 14 .

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 17 wird über einen Verstärker 110 auf einen Differentiator 111 gegeben. Der Ausgang des Differentiators 111 ist über ein Tiefpaß 112 mit dem Eingang eines Verstärkers 113 verbunden. Der Verstärker 113 ist mit einem Komparator 114 verbunden. Der Ausgang des Komparators 114 ist mit dem Eingang eines RS- Flip-Flops 115 verbunden.The output signal of the operational amplifier 17 is fed to a differentiator 111 via an amplifier 110 . The output of the differentiator 111 is connected to the input of an amplifier 113 via a low pass 112 . The amplifier 113 is connected to a comparator 114 . The output of the comparator 114 is connected to the input of an RS flip-flop 115 .

Das Taktsignal des Taktgenerators wird einem digitalen Zähler 116 zugeführt. Es handelt sich z. B. um einen 8-Bit-Zähler. Die Ausgänge des digitalen Zählers 116 sind mit den Eingängen eines Nummernlatches 117 verbunden. Das Nummernlatch 117 wird vom Ausgang des RS-Flip-Flops 115 angesteuert. In dem Nummernlatch läuft die Nummer des Temperaturschrittes hoch, bis das RS-Flip-Flop 115 ein Steuersignal erzeugt, das das Nummernlatch disabled. Dann wird die Nummer des Temperaturschrittes auf eine Anzeige­ einheit 118 gegeben. Die Anzeigeeinheit 118 umfaßt z. B. LED′s.The clock signal of the clock generator is fed to a digital counter 116 . It is e.g. B. an 8-bit counter. The outputs of the digital counter 116 are connected to the inputs of a number latch 117. The number latch 117 is driven by the output of the RS flip-flop 115 . The number of the temperature step runs up in the number latch until the RS flip-flop 115 generates a control signal which disables the number latch. Then the number of the temperature step is given to a display unit 118 . The display unit 118 comprises e.g. B. LEDs.

In Fig. 2 ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals Uout bei Beaufschlagung des Sensorelementes 14 mit unter­ schiedlichen Gasen dargestellt. Die mit 1 bezeichnete Kurve wurde bei Beaufschlagung des Sensorelementes mit Luft aufgenommen. Die mit 2 bezeichnete Kurve wurde bei Beaufschlagung des Sensorelementes mit einem Gemisch aus Luft und Blue Bols aufgenommen. Die mit 3 bezeichnete Kurve wurde für ein Gemisch aus Luft und Ethanol aufge­ nommen. Die mit 4 bezeichnete Kurve wurde für ein Gemisch aus Luft und Methanol aufgenommen.In FIG. 2, the time characteristic is the output signal U out upon exposure of the sensor element 14 illustrated difference union gases. The curve labeled 1 was recorded when air was applied to the sensor element. The curve marked 2 was recorded when the sensor element was exposed to a mixture of air and blue bolts. The curve labeled 3 was taken up for a mixture of air and ethanol. The curve labeled 4 was recorded for a mixture of air and methanol.

Die Zeitachse t entspricht einer Temperaturachse T, da mit fortschreitender Zeit der Widerstand des taktgesteuerten Potentiometers 12 so verändert wird, daß jeweils eine größere Betriebstemperatur vorgegeben wird.The time axis t corresponds to a temperature axis T, since as the time progresses, the resistance of the clock-controlled potentiometer 12 is changed such that a higher operating temperature is specified in each case.

Die Kurven 2, 3 und 4 verlaufen zunächst, d. h. bei ge­ ringeren Temperaturen, entlang der Kurve 1 für Luft. Nach Erreichen eines Maximums zeigen die Kurven 2, 3 und 4 je­ weils eine mehr oder weniger steil abfallende Flanke. Das Maximum tritt bei derjenigen Temperatur auf, bei der die Reaktion des Gases an der Oberfläche des Sensorelementes einsetzt. Diese Temperatur TE ist stark vom nachge­ wiesenen Gas abhängig. Daher kann über die Ermittlung der Temperatur, bei der die Reaktion jeweils einsetzt, das Gas bestimmt werden. Die Temperaturen, bei denen die Re­ aktion einsetzt, sind in Fig. 2 mit TE (4), TE (2) und TE (3) bezeichnet. Das Maximum der Kurven wird in der an­ hand von Fig. 1 erläuterten Vorrichtung durch eine Differenzierschaltung, die den Differenziator 111, den Tiefpaß 112, den Verstärker 113, den Komperator 114 und das RS-Flip-Flop 115 umfaßt, über den Wendepunkt der Kurve erfaßt.Curves 2 , 3 and 4 initially run, ie at lower temperatures, along curve 1 for air. After reaching a maximum, curves 2 , 3 and 4 each show a more or less steeply falling edge. The maximum occurs at the temperature at which the reaction of the gas begins on the surface of the sensor element. This temperature T E is strongly dependent on the gas detected. Therefore, the gas can be determined by determining the temperature at which the reaction starts. The temperatures at which the reaction starts are indicated in FIG. 2 by T E (4), T E (2) and T E (3). The maximum of the curves is in the device explained with reference to FIG. 1 by a differentiating circuit, which comprises the differentiator 111 , the low-pass filter 112 , the amplifier 113 , the comparator 114 and the RS flip-flop 115 , via the turning point of the curve detected.

Die Analyse des Ausgangssignals wird im folgenden anhand von Fig. 3 erläutert. Im Teil a der Fig. 3 ist nochmals schematisch der Verlauf des Ausgangssignals in Abhängig­ keit der Zeit dargestellt. Als durchgezogene Kurve ist da­ bei das Ausgangssignal für Luft und als gestrichelte Kurve das Ausgangssignal für ein zu messendes Gas/Luft-Gemisch dargestellt. Im Teil b der Fig. 3 ist als Funktion der Zeit die zeitliche Ableitung des Ausgangssignals d Uout/dt dargestellt. Die Ableitung zeigt im Maximum der Kurve einen Nulldurchgang. Im Teil c der Fig. 3 ist das Signal x1 am Ausgang des Komparators dargestellt. Differentiator, Tiefpaß, Verstärker und Komparator haben aus dem analogen Ausgangssignal Uout ein Signal mit logischen Pegeln er­ zeugt. Im Teil d der Fig. 3 ist das Ausgangssignal x2 des RS-Flip-Flops 115 dargestellt. Solange das Ausgangssignal x2 einen hohen Pegel entsprechend einer logischen 1 hat, läuft der Zähler im Nummernlatch 117 hoch. Sobald das Signal x2 auf 0 abfällt, wird der Nummernlatch 117 ge­ stoppt und die erreichte Nummer an der Anzeigeeinheit 118 ausgegeben. Auf diese Weise steht die Nummer des Temperaturschrittes, bei dem die Gasreaktion am Sensor­ element einsetzt, zur Verfügung.The analysis of the output signal is explained below with reference to FIG. 3. In part a of FIG. 3, the course of the output signal in dependence on the time is shown again schematically. The solid curve shows the output signal for air and the dashed curve shows the output signal for a gas / air mixture to be measured. Part b of FIG. 3 shows the time derivative of the output signal d U out / dt as a function of time. The derivative shows a zero crossing at the maximum of the curve. In part c of Fig. 3, the signal x 1 is shown at the output of the comparator. Differentiator, low pass, amplifier and comparator have a signal with logic levels from the analog output signal U out . Part d of FIG. 3 shows the output signal x 2 of the RS flip-flop 115 . As long as the output signal x 2 has a high level corresponding to a logic 1, the counter in the number latch 117 runs up. As soon as the signal x 2 drops to 0, the number latch 117 is stopped and the number reached is output on the display unit 118 . In this way, the number of the temperature step at which the gas reaction on the sensor element starts is available.

Anhand von Fig. 4 wird eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Ein Mikroprozes­ sor 21 erzeugt ein Taktsignal, mit dem ein taktgesteuertes Potentiometer 22 angesteuert wird. Das taktgesteuerte Potentiometer 22 entspricht dem taktgesteuerten Potentio­ meter 12 aus Fig. 1.A further embodiment of the device according to the invention is explained with reference to FIG. 4. A microprocessor 21 generates a clock signal with which a clock-controlled potentiometer 22 is driven. The clock-controlled potentiometer 22 corresponds to the clock-controlled potentiometer 12 from FIG. 1.

Es ist eine Widerstandsbrückenschaltung vorgesehen, die aus dem taktgesteuerten Potentiometer 22, einem regelbaren Widerstand 23, einem Sensorelement 24, einem ersten Wider­ stand 25 und einem zweiten Widerstand 26 aufgebaut ist. Es ist ein Operationsverstärker 27 vorgesehen, der in die Brückendiagonale der Widerstandsbrückenschaltung ver­ schaltet ist. Die Widerstandsbrückenschaltung ist analog der anhand von Fig. 1 erläuterten aufgebaut. Der erste Widerstand 25 und der zweite Widerstand 26 sind über einen Verbindungspunkt 28 mit einem dritten Widerstand 29 ver­ bunden, der einseitig mit einer Versorgungsspannung Vcc verbunden ist. Die Wirkungsweise des taktgesteuerten Potentiometers 22 und des regelbaren Widerstandes 23 ist dieselbe, wie anhand von Fig. 1 erläutert.A resistance bridge circuit is provided, which was made up of the clock-controlled potentiometer 22 , an adjustable resistor 23 , a sensor element 24 , a first counter 25 and a second resistor 26 . An operational amplifier 27 is provided, which is switched into the bridge diagonal of the resistance bridge circuit. The resistance bridge circuit is constructed analogously to that explained with reference to FIG. 1. The first resistor 25 and second resistor 26 are 29 ver connected via a junction point 28 with a third resistor is connected on one side to a supply voltage V cc. The mode of operation of the clock-controlled potentiometer 22 and the adjustable resistor 23 is the same as explained with reference to FIG. 1.

Das Sensorelement 24 wirkt als Widerstand und ist z. B. ebenfalls ein Planarpellistor. Der Ausgang des Operations­ verstärkers 27, an dem das Ausgangssignal anliegt, ist über einen Verstärker 210 mit dem Eingang eines Analog/ Digital-Wandlers 211 verbunden. Der Analog/Digital-Wandler 211 wird von dem Taktsignal des Mikroprozessors 21 ange­ steuert. Taktgesteuert wird das Ausgangssignal der Wider­ standsbrückenschaltung aus dem Analog/Digital-Wandler 211 in den Mikroprozessor eingelesen. Es wird dabei jeweils die Nummer des Temperaturschrittes und die Höhe des Aus­ gangssignals registriert. Diese Daten werden im Mikro­ prozessor 21 unter Verwendung von Koeffizienten, die in einem Speicher 212 gespeichert sind, nach der Methode der Mustererkennung analysiert. Das Ergebnis der Datenanalyse wird an einer Anzeigeeinheit 213 ausgegeben. In dieser Ausführungsform wird der zeitliche Verlauf des Ausgangs­ signals mit im Speicher 212 gespeicherten Eichmessungs­ ergebnissen verglichen. Daher können hiermit empfindliche­ re Messung durchgeführt werden.The sensor element 24 acts as a resistor and is, for. B. also a planar pellistor. The output of the operational amplifier 27 , to which the output signal is present, is connected via an amplifier 210 to the input of an analog / digital converter 211 . The analog / digital converter 211 is controlled by the clock signal of the microprocessor 21 . Clock-controlled, the output signal of the resistance bridge circuit from the analog / digital converter 211 is read into the microprocessor. The number of the temperature step and the level of the output signal are registered. This data is analyzed in the microprocessor 21 using coefficients, which are stored in a memory 212 , according to the pattern recognition method. The result of the data analysis is output on a display unit 213 . In this embodiment, the time course of the output signal is compared with calibration measurement results stored in the memory 212 . Therefore sensitive re measurements can be carried out.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Nachweis eines Gases,
  • - bei der ein Sensorelement (14, 24) vorgesehen ist, an dessen Oberfläche das Gas unter Abgabe einer für das gasspezifischen Wärme reagiert,
  • - bei der eine Regelschaltung vorgesehen ist, durch die die Temperatur am Sensorelement konstant auf einer Be­ triebstemperatur gehalten wird und die ein Ausgangs­ signal erzeugt, das ein Maß für die vom Gas verursachte Wärme am Sensorelement ist,
  • - bei der ein Schaltungsteil vorgesehen ist, das die Be­ triebstemperatur taktweise vorgibt, wobei die Taktdauer länger ist als die thermische Zeitkonstante des Sensor­ elementes und die Betriebstemperatur in einem vorgege­ benen Temperaturbereich variiert wird,
  • - bei der eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, in der das Ausgangssignal analysiert wird.
1. device for detecting a gas,
  • - in which a sensor element ( 14, 24 ) is provided, on the surface of which the gas reacts, releasing a gas-specific heat,
  • a control circuit is provided by which the temperature at the sensor element is kept constant at an operating temperature and which generates an output signal which is a measure of the heat caused by the gas at the sensor element,
  • in which a circuit part is provided which specifies the operating temperature in cycles, the cycle duration being longer than the thermal time constant of the sensor element and the operating temperature being varied in a predetermined temperature range,
  • - In which an evaluation unit is provided in which the output signal is analyzed.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
  • - bei der das Sensorelement (14, 24) als elektrischer Widerstand wirkt,
  • - bei der das Sensorelement (14, 24) in einer elektrischen Widerstandsbrückenschaltung (12, 22, 13, 23, 14, 24, 15, 25, 16, 26) verschaltet ist, die in die Rückkopplung eines Operationsverstärkers (17, 27) geschaltet ist,
  • - bei der die Eingänge des Operationsverstärkers (17, 27) in die Brückendiagonale geschaltet sind.
2. Device according to claim 1,
  • - in which the sensor element ( 14 , 24 ) acts as an electrical resistance,
  • - In which the sensor element ( 14 , 24 ) is connected in an electrical resistance bridge circuit ( 12 , 22 , 13 , 23 , 14 , 24 , 15 , 25 , 16 , 26 ), which is connected to the feedback of an operational amplifier ( 17 , 27 ) is
  • - In which the inputs of the operational amplifier ( 17 , 27 ) are connected in the bridge diagonal.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
  • - bei der ein erster Zweig der Widerstandsbrückenschaltung durch eine Serienschaltung des Sensorelementes (14, 24) und eines ersten Widerstandes (15, 25) und ein zweiter Zweig der Widerstandsbrückenschaltung durch eine Serien­ schaltung eines zweiten Widerstands (16, 26) und eines taktgesteuerten, regelbaren Widerstands (12, 13, 22, 23) gebildet wird,
  • - bei der der erste Widerstand (15, 25) und der zweite Widerstand (16, 26) über einen Verbindungspunkt (18, 28) einseitig mit einem dritten Widerstand (19, 29) ver­ bunden sind, der mit einer Spannungsversorgung (Vcc) in Serie geschaltet ist,
  • - bei der das Sensorelement (14, 24) und der taktge­ steuerte, regelbare Widerstand (12, 13, 22, 23) ein­ seitig mit Erdpotential verbunden sind,
  • - bei der der invertierende Eingang des Operationsver­ stärkers (17, 27) mit dem Sensorelement (14, 24) und der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers (17, 27) mit dem taktgesteuerten, regelbaren Widerstand (12, 13, 22, 23) verbunden sind,
  • - bei der der Ausgang des Operationsverstärkers (17, 27) mit dem Verbindungspunkt (18, 28) und dem Eingang der Auswerteeinheit verbunden ist,
  • - bei der die Betriebstemperatur taktweise durch Ein­ stellung des Widerstandswertes am taktgesteuerten, regel­ baren Widerstand (12, 13, 22, 23) vorgegeben wird.
3. Device according to claim 2,
  • - In which a first branch of the resistance bridge circuit by a series circuit of the sensor element ( 14 , 24 ) and a first resistor ( 15 , 25 ) and a second branch of the resistance bridge circuit by a series circuit of a second resistor ( 16 , 26 ) and a clock-controlled, adjustable Resistor ( 12 , 13 , 22 , 23 ) is formed,
  • - In which the first resistor ( 15 , 25 ) and the second resistor ( 16 , 26 ) via a connection point ( 18 , 28 ) on one side with a third resistor ( 19 , 29 ) connected to a voltage supply (V cc ) is connected in series,
  • - in which the sensor element ( 14 , 24 ) and the clock-controlled, controllable resistor ( 12 , 13 , 22 , 23 ) are connected on one side to earth potential,
  • - In which the inverting input of the operational amplifier ( 17 , 27 ) with the sensor element ( 14 , 24 ) and the non-inverting input of the operational amplifier ( 17 , 27 ) with the clock-controlled, adjustable resistor ( 12 , 13 , 22 , 23 ) are connected ,
  • - in which the output of the operational amplifier ( 17 , 27 ) is connected to the connection point ( 18 , 28 ) and the input of the evaluation unit,
  • - At which the operating temperature is cyclically specified by setting the resistance value on the clock-controlled, controllable resistor ( 12 , 13 , 22 , 23 ).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der taktgesteuerte, regelbare Widerstand aus einem taktgesteuerten Potentiometer (12, 22) und einem regel­ baren Widerstand (13, 23), die in Serie verschaltet sind, gebildet ist.4. The device according to claim 3, wherein the clock-controlled, adjustable resistor from a clock-controlled potentiometer ( 12 , 22 ) and a regulatable resistor ( 13 , 23 ), which are connected in series, is formed. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
  • - bei der von einem Mikroprozessor (21) ein Taktsignal zur Ansteuerung des taktgesteuerten Potentiometers (22) er­ zeugt wird,
  • - bei der der Ausgang des Operationsverstärkers (27) mit einem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers (211) ver­ bunden ist, der von dem Taktsignal angesteuert wird,
  • - bei dem der Ausgang des Analog/Digital-Wandlers (211) mit einem Eingang des Mikroprozessors (21) verbunden ist,
  • - bei dem in dem Mikroprozessor (21) taktweise das Aus­ gangssignal und die laufende Nummer des Taktes re­ gistriert werden,
  • - bei dem in dem Mikroprozessor (21) die Ausgangssignale nach der Methode der Mustererkennung analysiert werden,
  • - bei dem der Mikroprozessor (21) eine Anzeigeeinheit (213) ansteuert.
5. The device according to claim 4,
  • - In which a clock signal for controlling the clock-controlled potentiometer ( 22 ) is generated by a microprocessor ( 21 ),
  • - In which the output of the operational amplifier ( 27 ) is connected to an input of an analog / digital converter ( 211 ), which is driven by the clock signal,
  • - in which the output of the analog / digital converter ( 211 ) is connected to an input of the microprocessor ( 21 ),
  • - In which the microprocessor ( 21 ) registers the output signal and the consecutive number of the clock,
  • - in which the output signals are analyzed in the microprocessor ( 21 ) using the pattern recognition method,
  • - In which the microprocessor ( 21 ) controls a display unit ( 213 ).
6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
  • - bei der von einem Taktgenerator (11) ein Taktsignal zur Ansteuerung des taktgesteuerten Potentiometers (12) er­ zeugt wird,
  • - bei der das Taktsignal über einen digitalen Zähler (116) auf einen Nummernlatch (117) gegeben wird,
  • - bei der der Ausgang des Operationsverstärkers (17) mit einer Differenzierschaltung (111, 112, 113, 114, 115) verbunden ist, in der ein Steuersignal zur Ansteuerung des Nummernlatch (117) erzeugt wird.
6. The device according to claim 4,
  • - In which a clock signal for controlling the clock-controlled potentiometer ( 12 ) is generated by a clock generator ( 11 ),
  • - in which the clock signal is given to a number latch ( 117 ) via a digital counter ( 116 ),
  • - In which the output of the operational amplifier ( 17 ) is connected to a differentiating circuit ( 111 , 112 , 113 , 114 , 115 ) in which a control signal for controlling the number latch ( 117 ) is generated.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Differenzierschaltung einen Differentiator (111) einen Tiefpaß (112), einen Verstärker (113), einen Komparator (114) und einen RS-Flip-Flop (115) umfaßt.7. The apparatus of claim 6, wherein the differentiating circuit comprises a differentiator ( 111 ) a low pass ( 112 ), an amplifier ( 113 ), a comparator ( 114 ) and an RS flip-flop ( 115 ). 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der als Sensorelement (14, 24) ein mit einer Kata­ lysatorschicht versehener Dünnschichtwiderstand verwendet wird.8. Device according to one of claims 2 to 7, in which a thin film resistor provided with a catalyst layer is used as the sensor element ( 14 , 24 ).
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