DE69030320T2

DE69030320T2 - Nachweis von brennbaren gasen

Info

Publication number: DE69030320T2
Application number: DE69030320T
Authority: DE
Inventors: Peter Julian Iredale
Original assignee: Zellweger Analytics Ltd
Current assignee: Honeywell Analytics Ltd
Priority date: 1989-11-03
Filing date: 1990-11-05
Publication date: 1997-08-14
Anticipated expiration: 2010-11-06
Also published as: EP0500598A1; DE69030320D1; WO1991006849A1; JPH05501917A; GB8924889D0; EP0500598B1

Description

Technisches Feld

Die vorliegende Erfindung betrifft die Detektion von brennbaren Gasen.

Technischer Hintergrund

Brennbare Gase können durch eine Vorrichtung namens "Pellistor", bestehend aus einem elektrischen Widerstandsdraht in thermischem Kontakt mit einem Katalysator, der den Aufschluß des brennbaren Materials katalysiert, detektiert werden. Der Katalysator kann direkt auf dem Widerstandsdraht angeordnet sein oder er kann auf der Oberfläche einer Perle, 2. B. aus hitzebeständigem Material, angeordnet sein, durch welche der Widerstandsdraht verläuft, wobei der Teil des Drahtes, der in der Perle liegt, ublicherweise aufgewickelt ist, um dem Pellistor einen ausreichenden elektrischen Widerstand zu liefern; indem man einen elektrischen Strom durch den Draht schickt, kann der Pellistor auf eine Temperatur aufgeheizt werden, bei welcher das brennbare Gas an der Oberfläche des Katalysators zerlegt wird. Der Strom, der durch den Draht fließt, wird gemessen und bietet auffolgende Weise ein Maß flir die Menge des brennbaren Gases in der Atmosphäre: Die Zerlegung des brennbaren Gases auf der Oberfläche des Katalysators setzt Energie frei, welche den Widerstandsdraht aufheizt, das Anwachsen der Temperatur verursacht ein Anwachsen des Widerstandes des Drahtes, und deshalb verringert sich der Strom, der durch den Pellistor fließt (dabei wird ein konstanter Potentialabfall entlang des Drahtes angenommen), und dieses wird detektiert und stellt einmaß für die Menge des brennbaren Gases in der Atmosphäre zur Verfügung.
Ein Problem beim Betrieb des Pellistors ist, daß das Signal von einem gegebenen Pellistor (z. B. der Wechsel des Widerstandes des Pellistordrahtes für jedes Prozent eines Gases) von Gas zu Gas nicht konsistent ist und daß ein Prozent Methan einen anderen Ablesewert ergibt als z. B ein Prozent xylol; allgemein gesprochen nimmt die Widerstandsänderung in einem Pellistor für einen gegebenen Anteil eines brennbaren Gases ab, wenn das Molekulargewicht des Gases zunimmt. Daraus ergeben sich zwei Probleme: Erstens ist es notwendig, den Pellistor für jeden einzelnen unterschiedlichen Typ von Gas, der zu detektieren erwünscht ist, zu kalibrieren und zweitens werden, wenn zwei oder mehr brennbare Gase in der Atmosphäre, die detektiert werden sollen, vorhanden sind, ungenaue Meßwerte erzielt.
In der vorliegenden Patentschrift wird der Prozentsatz irgendeines brennbaren Gases als der Prozentsatz der Konzentration dieses Gases bezogen auf seine untere Explosionsgrenze (lower explosive limit: LEL) ausgedrückt. Folglich wird das LEL auf 100 % gesetzt, und z. B. 10 % Konzentration sind ein Zehntel der LEL-Konzentration.
Die optimale Betriebstemperatur eines Pellistors verändert sich von Gas zu Gas und Figur 1 zeigt das Ausgangssignal [gemessen als Strom (in mA), der durch den Pellistor fließt] über der normalen Betriebstemperatur des Pellistors für Methan und Hexan bei einem gegebenen Prozentsatz (40 %) ihrer unteren Explosionsgrenze (LEL). Arbeitete man bei der Temperatur T3, um Methan zu detektieren, und wäre Hexan tatsächlich anwesend, dann würde folglich das Ausgangssignal anzeigen, daß die Menge brennbaren Gases geringer ist, als sie tatsächlich ist und die sachgerechte Alarmwarnung über den Aufbau von brennbaren Gasen könnte nicht ausgelöst werden.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein System bereitzustellen, das ein akzeptables Signal für die wichtigsten brennbaren Gase (z. B. Methan, Hexan, Aceton und Xylol) erzeugt, ohne eine separate Kalibrierung für jedes Gas zu erfordern.
US 3,531,980, US 3,560,160, US 4,002,429 und GB 1,427,515 haben Methoden zur Analyse der Menge eines brennbaren Gases in einer Probe durch katalytisches Oxydieren des brennbaren Gases beschrieben. Die Patentschriften lehren auch, daß ein Widerstandsdraht, der einen Arm einer Wheatstoneschen Brücke bildet, in thermischen Kontakt mit dem Katalysator sein soll, so daß die katalytische Oxydation des brennbaren Gases ein Ansteigen der Temperatur des Widerstandsdrahtes verursacht, wobei dessen Widerstand verändert und eine Potentialdifferenz zwischen den Abgleichpunkten der Wheatstoneschen Brücke hervorgerufen wird. Die Potentialdifferenz wird über die Zeit integriert, um ein Maß für die Menge des brennbaren Gases in der Probe zur verfügung zu stellen. Ein Problem dieser Technik ist, daß sie eine genaue Probe des untersuchten Gases erfordert und die Messungen, die notwendig sind um eine genaue Probengröße sicherzustellen, sind oft komplex. Im Gegensatz dazu kann die vorliegende Erfindung ohne die Notwendigkeit benutzt werden, Proben genauer Größe zu nehmen.
US 4,627,269 beschreibt eine Methode zur Analyse einer Atmosphäre für brennbare Gase, die die Messung des Widerstandes eines Pellistors bei zwei unterschiedlichen Temperaturen in der Gegenwart der zu testenden Atmosphäre und in einer inerten Atmosphäre beinhaltet.

Offenlegung der Erfindung

Anstatt eine feste Spannung an den Pellistor anzulegen, um den Pellistor (in Abwesenheit eines brennbaren Gases) bei einer festen Temperatur zu halten, variiert die vorliegende Erfindung bewußt die Temperatur des Pellistors in einem Bereich und verarbeitet das sich verändernde Signal, das über den Bereich empfangen wurde, um einen genaueren Meßwert der vorhandenen Mengen an reaktiven Gasen zur verfügung zu stellen. In einer Ausführungsform haben wir gefunden, daß durch die Wahl passender Temperaturbereiche ein Ausgangssignal generiert werden kann, das annähernd das gleiche für zwei oder mehr brennbare Gase ist. Dies ist in Figur 2 dargestellt, die der Graph des Signals von einem Pellistor (der Strom, der durch den Pellistor fließt) über der Temperatur T für drei Gase (z. B. Methan, Hexan und Xylol) ist. Die Bereiche unter den drei Kurven im Temperaturbereich T1 bis T2 sind ungefähr gleich. Wenn die Temperatur des Pellistors folglich von T1 nach T2 (oder umgekehrt) verändert und das resultierende Ausgangssignal integriert wird, ist das integrierte Signal ein Maß für den Prozentsatz des LEL jeden Gases (oder des Gasgemisches) unabhängig von der Natur des Gases.
Es ist offensichtlich, daß die Bereiche unter den Graphen nicht exakt identisch sind, aber sie werden es für eine akzeptable Näherung sein.
Die Variation der Temperatur kann durch die periodische Anwendung von Pulsen elektrischen Potentials auf den Pellistor erreicht werden; es ist z. B. von GB 2,185,577 bekannt, den Pellistor unter Gebrauch von elektrischen Strom gepulster Wellenform aufzuheizen, so daß die Temperatur des Pellistors durch den Wechsel der Frequenz oder der Pulsdauer der Wellenform verändert werden kann. Jedoch ist in diesen bekannten Fällen die Frequenz des Stroms so hoch, daß die Temperatur des Pellistors konstant bleibt und sich während eines Zyklus nicht signifikant ändert. Bei der vorliegenden Erfindung muß sich die Temperatur des Pellistors signifikant während des Ablaufes eines Pulses ändern.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Wechsel im Widerstand eines Pellistors über den Temperaturbereich analysiert werden, um Meßwerte der Menge eines jeden von zwei oder mehr brennbaren Gasen in einer Atmosphäre zur Verfügung zu stellen.
Dadurch wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht werden.
Bei der vorliegenden Er.f indung kann der Widerstand des Widerstandsdrahtes gemessen werden, indem man den Draht/Katalysator in einen Arm einer Wneatstoneschen Brücke einbaut und die Spannung zwischen den Abgleichpunkten der Brücke mißt. Wie offensichtlich ist, ist es nicht notwendig, den Widerstand des Drahtes und anderer Parameter, die bezüglich des Widerstandes variieren, direkt zu messen, z. B. kann statt dessen der Strom, der durch den Draht fließt, oder die Spannung über die Wheatstonesche Brücke gemessen werden.
Weiter unten in der Beschreibung wird die Kombination Widerstandsdraht und Katalysator der Einfachheit halber als "Pellistor" bezeichnet.
Die Potentialdifferenz über den Pellistor wird vorzugsweise zyklisch angelegt, und im Ablauf eines jeden Zyklus wird sich die Temperatur des Pellistors von einer ersten Temperatur T1 zu einer zweiten Temperatur T2 ändern (für eine feste Menge brennbaren Gases in der Atmosphäre).
Obwohl es theoretisch möglich ist, daß die Temperatur T2 höher ist als die Temperatur T1, ist vorzugsweise die Temperatur T1 größer als die Temperatur T2 und es in jedem Zyklus dem Pellistor erlaubt, von der Temperatur T1 auf die Temperatur T2 abzukühlen; wenn die Temperatur T2 höher als die Temperatur T1 wäre, würde der Pellistor, während er sich von Temperatur T2 abkühlt, ein Signal liefern und dies könnte zu Ungenauigkeiten führen.
Es ist wichtig, daß der Temperaturwechsel zwischen Temperatur T1 und T2 graduell sein soll, womit wir meinen, daß der übergang von Temperatur T1 zu T2 nicht instantan sein darf und ausreichend lang sein soll, um dem Pellistor zu erlauben, Signale bei Temperaturen zwischen T1 und T2 zur Verfügung zu stellen, aber der Ausdruck "graduell" beabsichtigt nicht zu fordern, daß die Temperatur sich notwendigerweise glatt zwischen den Temperaturen T1 und T2 ändert. Um eine maximale Genauigkeit zur Verfügung zu stellen, ist es für die Frequenz der Zyklen wünschenswert, daß sie so hoch wie möglich ist, und deshalb sollte die übergangszeit zwischen den Temperaturen T1 und T2 nicht übermäßig sein. Wir haben herausgefunden, daß eine übergangszeit von 1-20 ms, z. B. 2-10 ms und insbesondere ungefähr 4 ms, ausreichend ist, um genaue Meßwerte zur Verfügung zu stellen.
Es wird berücksichtigt werden, daß die Temperaturen T1 und T2 des Pellistors normalerweise nicht bekannt sein werden, aber stattdessen wird das an den Pellistor angelegte Potential variiert werden (normalerweise empirisch), um Temperaturen T1 und T2 zu liefern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird in weiteren Details mit Hilfe der folgenden Zeichnungen erklärt werden, wobei:
Figur 1 der Graph der Veränderung im Ausgangssignal einer einen Pellistor enthaltenden Wheatstoneschenbrücke nach dem Stand der Technik (gemessen als der Strom, der durch den Pellistor fließt) über der Betriebstemperatur des Pellistors für Methan und Hexan bei einer festen Konzentration (gemessen als Prozent des LEL) ist;
Figur 2 das gleiche wie Figur 1 ist, aber bezüglich Methan, Hexan und Xylol;
Figur 3 eine Pellistorkontrollschaltung zur Benutzung in der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 4 (a) die Spannungspulse, die von der Schaltung nach Figur 3 dem Pellistor zur Verfügung gestellt werden, und (b) die daraus folgende Variation in der Betriebstemperatur des Pellistors in Abwesenheit eines brennbaren Gases zeigt;
Figur 5 der Graph eines Ausgangssignals (in mA) der Schaltung aus Figur 3 über der Konzentration von Methan (gemessen als Prozent LEL) ist;
Figur 6 eine zweite Pellistorkontrollschaltung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Figur 7 ein Graph ist, der das von der Schaltung nach Figur 6 empfangene Signal über dem Strom, der durch die Schaltung fließt, für eine Atmosphäre zeigt, die 40 % LEL Methan und 40 % LEL Penthan enthält;
Figuren 8 und 9 Graphen sind, die das Signal von Figur 7 in das Signal für Methan (Figur 8) und das Signal für Penthan (Figur 9) aufgelöst zeigen.
Die Graphen der Figuren 1 und 2 sind bereits weiter oben diskutiert worden, aber zwei weitere Punkte sollen zu diesen Figuren gemacht werden:
(1) Es ist möglich, einen Pellistor zu betreiben, um zwei Gase zu detektieren, so daß das Ausgangssignal in Prozent LEL für jedes Gas identisch ist, wobei die Temperatur des Pellistors bei Tx, dargestellt in Figur 1, gehalten wird. Das Problem dieses Ansatzes ist, daß eine kleine Variation in der Betriebstemperatur (z. B. Ty) schwerwiegende Effekte bezüglich des von den zwei Gasen ausgelösten Signals hat. Die Integration des Signals zwischen den Temperaturen T1 und T2 (sieht Figur 2) liefert einen weitaus kleineren Fehler für geringfügige Variationen der Temperatur. In diesem Zusammenhang soll daran erinnert werden, daß Pellistoren oft durch Batterien in portablen Detektionseinheiten mit Spannung versorgt werden und daß sie deshalb anfällig gegenüber leichten Variationen der Betriebsspannung sind, die Fehler in der Betriebstemperatur des Pellistors hervorrufen.
(2) Die Wahl der Temperaturen T1 und T2 in den Graphen der Figuren 1 und 2 ist offensichtlich wichtig. Sie können für irgendeine Kombination von brennbaren Gasen, die detektiert werden sollen, optimiert werden, aber ihr präziser Wert wird normalerweise empirisch gesetzt werden. Die Differenz zwischen den Temperaturen T1 und T2 ist vorzugsweise zwischen 30º und 70º C, z. B. 40º bis 60º C und vorzugsweise um 50º C (obwohl die exakte Differenz natürlich von den Verläufen der Graphen Signal über Temperatur der erwünschten Gase abhängen wird). Wenn die Variation der Temperatur übermäßig groß ist, könnte der Pellistordraht schmelzen, oder der Katalysatordraht kann beschädigt werden, und wenn Sie zu niedrig ist wird der Pellistor im Endeffekt bei einer konstanten Temperatur betrieben, die nicht die Vorteile der vorliegenden Erfindung hervorruft.
Bezüglich der Figuren 3 und 4 zeigt die erstere eine Schaltung, um die erwünschten Temperaturveränderungen zur Verfügung zu stellen; der Pellistor 10 ist in eine Brückenschaltung eingebaut, die mit einer Versorgungsschiene 12 bei 4,4 V und der Erde verbunden ist. Ein Pulsgenerator 14 in Standardbauweise, der einen Feldeffekttransistor enthält, stellt der Brücke eine gepulste Spannung (dargestellt in Figur 4a) zur Verfügung; die Kontrolle der Pulse kann durch einen Mikroprozessor vorgenommen werden. Neben dem Pellistor enthält die Brücke einen Thermistor 16, der in der Nähe des Pellistors positioniert ist, und zwei feste Widerstände 18 und 20, um eine Temperaturkompensation zu leisten. Anstelle des Termistors 16 kann auch ein zweiter Pellistor benutzt werden, aber der zweite Pellistor sollte keinen Katalysator haben oder der Katalysator sollte vergiftet sein. Ein Kondensator 22 ist im Nebenschluß zu der Brücke gelegt, um die Signale von dem Pellistor 10 zu integrieren, und das Potential am Kondensator 22, gemessen durch ein digitales Voltmeter 24 hohen Widerstandes und geringer Impedanz, liefert ein Meßsignal der Größe des brennbaren Gases in der getesten Atmosphäre, wie es im Detail weiter unten erklärt wird. Alternativ kann der Kondensator 22 weggelassen werden, wenn das Voltmeter eine passende interne Kapazität hat. Als eine Alternative kann der Strom, der durch den Pellistor fließt, integriert und gemessen werden.
Die gepulste Spannung, die dem Pellistor 10 vom Pulsgenerator 14 geliefert wird, ist in Figur 4a abgebildet, und die Variation der Temperatur des Pellistors ist in Figur 4b dargestellt. Es ist überflüssig zu sagen, daß die exakte Temperatur des Pellistors mit ansteigenden Mengen der brennbaren Gase in der wahrgenommenen Atmosphäre ansteigen wird, aber das Temperaturdiagramm in Figur 4b gibt eine qualitative Idee der Varition der Temperatur des Pellistors im Zyklus. Die Differenz zwischen den Spannungen am Anfang und am Ende jeder Spitze (V1 und V2) kann im Aufbau von Figur 3 ca. 10-12 mV (von 212 mV zu 200 mV) sein, woraus eine Veränderung der Temperatur von ca. 375º C (T1) auf 325º C (T2) resultiert.
Das Signal, das vom Pellistor produziert wird, wird in einen Anschluß des Kondensators 22 ein gespeist, während der andere Anschluß vom Thermistor 16 mit Strom versorgt wird, das Potential zwischen den Anschlüssen wird durch ein digitales Voltmeter 24 gemessen und gibt ein Maß für die Menge anwesenden brennbaren Gases.
Wenn das brennbare Gas in der Atmosphäre um den Pellistor anwesen ist, wird es auf der Oberfläche des Pellistors zersetzt, wodurch die Temperatur des Pellsitors ansteigt, wobei der Widerstand des Pellistors ansteigt; deshalb wächst der Spannungsabfall über den Pellistor, und folglich wird das Potential abnehmen, das dem Kondensator 22 vom Pellistor zu Verfügung gestellt wird; die Größe des Spannungsrückganges wird von der Menge des brennbaren Gases in der getesteten Atmosphäre abhängen.
Die Frequenz der Pulse, die durch den Pulsgenerator 14 geliefert werden, kann variiert werden, aber wir haben herausgefunden, daß eine Pulsdauer von 4 mS mit einem Intervall zwischen dem Ende eines Pulses und dem Beginn des nächsten Pulses von 12,2 mS sich als befriedigend herausgestellt hat.
Die Schaltung von Figur 6 ist im wesentlichen die gleiche wie die von Figur 3 mit der Ausnahme, daß der Kondensator 22 entfernt worden ist, daß ein Amperemeter 26 angeschlossen worden ist, um die Spannung, die der Brücke zur Verfügung gestellt wird, zu messen, und daß der Ausgang von Voltmeter 24 mit einem Mikroprozessor 30 verbunden ist, der mit einer Ausgabevorrichtung 32 verbunden ist, die ein Graphikplotter, ein Bildschirm oder ein Drucker sein kann. Der Mikroprozessor 30 kann natürlich die bei 14 angewandten Spannungspulse kontrollieren, und dies ist in Figur 6 dargestellt. Die anderen Elemente der Schaltung von Figur 6 sind die gleichen wie bei der Schaltung von Figur 3 und in beiden Schaltungen sind dieselben Referenznummern benutzt worden, um dieselben Elemente zu bezeichnen.
Es wird berücksichtigt werden, daß die Spannungsdifferenz am Voltmeter 24 ein ungefähres Maß des Widerstandes des Pellistors 10 liefert und daß der Strom, der durch die Brücke fließt, (gemessen durch das Amperemeter 26) die Betriebstemperatur des Pellistors 10 bestimmen wird.
Die Vorrichtung von Figur 6 muß auf Null gesetzt werden, bevor sie zufriedenstellend funktionieren kann. Dies kann dadurch geschehen, daß der Pellistor einer Atmosphäre ausgesetzt wird, die kein brennbares Gas enthält; Potentialpulse der in Figur 4(a) dargestellten Form werden durch das Bauelement 14 unter der Kontrolle des Mikroprozessors 30 an der Brücke angelegt. Die Spannungen zwischen den Abgleichpunkten der Brücke (gemessen durch Voltmeter 24) während des Ablaufs eines jeden Pulses (gemessen durch das Amperemeter 26) werden im Mikroprozessor 30 als "Nullspannungen" gespeichert. Der Pellistor 10 wird dann einer Testatmosphäre ausgesetzt, die brennbares Gas enthält, und die Spannung zwischen den Abgleichpunkten der Brücke (gemessen durch das Voltmeter 24) während des Ablaufs eines jeden Pulses werden an den Mikroprozessor 30 weitergeleitet. Die Nullspannungen werden dann von den Testspannungen abgezogen (bei einer übereinstimmenden Anzahl der Pulse), um Spannungswerte (im weiteren "Signalspannungen" genannt) zu liefern, die auf die Anwesenheit des brennbaren Testgases in der Atmosphäre zurückzuführen sind. Die Nullspannungen müssen nur gelegentlich aufgenommen werden, z. B. wenn die Vorrichtung das erste Mal eingeschaltet wird.
Wenn nur ein brennbares Gas in der Atmosphäre ist, kann die Menge dieses Gases entweder dadurch gefunden werden, daß eine der Signalspannungen, die in irgendeinem Puls gefunden wird, z. B. die größte gefundene Signalspannung, durch einen Signalwert geteilt wird, der 100 % LEL dieses Gases repräsentiert, oder dadurch daß die Signalspannung über den Ablauf von Teilen oder über den gesamten Spannungszyklus integriert und die integrierte Signalspannung durch einen Signalwert geteilt wird, der 100 % LEL des Gases repräsentiert. In jedem Fall wird das Ergebnis als Prozentsatz des Gases verglichen mit dem LEL des Gases ausgedrückt.
Wenn es zwei oder mehr brennbare Gase in der Atmosphäre gibt, können die Mengen eines jeden dadurch gefunden werden, daß der Graph der Signalspannungen über dem Ablauf des Spannungszyklus in Graphen für jedes einzelne brennbare Gas aufgelöst wird und daß die Übung, die im letzten Absatz beschrieben wurde, auf die einzelnen aufgelösten Graphen angewandt wird. Die Auflösung des Signal-Spannungs-Graphs in Graphen für jedes Gas kann unter Verwendung kommerziell erhältlicher Computersoftware durchgeführt werden. Es ist natürlich nicht notwendig, daß die Graphen gezeichnet werden müssen, aber es ist hier zweckmäßig, an tatsächliche Graphen zu denken, um das Verständnis dieser Vorgänge zu unterstützen. Ein Beispiel der Auflösung eines Signal-Spannungs- Graphen zeigt Beispiel 3 weiter unten.

Beispiel 1

Die Schaltung aus Figur 3 wird benutzt, um die Menge von Methan in einer Atmosphäre zu messen. Die vom Pulsgenerator produzierten Pulse haben die Form, wie sie in Figur 4a dargestellt ist, mit einer Pulsfrequenz von 16,2 mS und einer Pulsdauer von 4 mS mit einem mittleren Strom von 47,7 mA. Die Ergebnisse sind in Figur 5 dargestellt, die ein Diagramm des Stroms (in mA), der durch den Pellistor fließt über der Konzentration von Methan (in % des LEL) ist. Figur 5 zeigt, daß die Messung der Konzentration über einen Temperaturbereich und die Integration der daraus resultierenden Pellistorausgabe, um ein Ausgangssignal zu liefern, eine nahezu lineare Korrelation zwischen dem Ausgangssignal und den Prozent Methan zur Verfügung stellt.

Beispiel 2

Das Experiment aus Beispiel 1 wurde sowohl für Hexan als auch für Methan wiederholt. Die Resultate waren die folgenden:
Das theoretische Hexan/Methan-Signalverhältnis, das in der Tabelle oben dargestellt ist, ist das Verhältnis der Signale, das man normalerweise für die zwei Gase erwarten würde, wenn man den Typ eines Pellistors nach der Schaltung von Figur 3 bei der optimalen Temperatur für jedes Gas benutzt. Folglich kann man erkennen, daß bei einer Vorgehensweise gemäß der vorliegenden Erfindung das Signal von Methan praktisch identisch ist dem Signal von Hexan, und dies erlaubt, daß derselbe Detektor ohne weitere Kalibrierung benutzt werden kann, um sowohl Hexan als auch Methan als auch Mischungen von beiden zu messen.
Ein Vorteil der Anordnung der vorliegenden Erfindung für die Benutzungmit Gasen hohen Molekulargewichts, 2. B. Xylol, ist, daß sie eine Vergiftung des Pellistors verhindert. Gase hohen Molekulargewichts werden normalerweise bei relativ geringen Temperaturen detektiert, und ihr Abbau kann eine Ablagerung auf der Katalysatoroberfläche des Pellistors verursachen. Weil die Anordnung der vorliegenden Erfindung über einen weiten Temperaturbereich operiert, der eine relativ hohe Temperatur einschließt, setzen sich die Ablagerungen nicht auf dem Pellistor ab oder, wenn sie sich absetzen, werden sie bei den zum Teil vorhandenen hohen Temperaturen zumindest teilweise verbrannt.

Beispiel 3

Der Pellistor 10 in der Schaltung von Figur 6 wird einer Atmosphäre ausgesetzt, die kein brennbares Gas enthält; Potentialpulse der Form von Figur 4(a) werden durch Bauelement 14 unter der Kontrolle des Mikroprozessors 30 an der Brücke angelegt. Die Spannung über die Brücke (gemessen durch das Voltmeter 24), die im Ablauf eines jeden Pulses angewendet werden, werden im Mikroprozessor 30 als "Nullspannungen" gespeichert. Der Pellistor 10 wird dann einer Testatmosphäre ausgesetzt, die Methan und Penthan jeweils in einer Menge von 40 % ihres jeweiligen LEL enthält, und die Spannungspulse (wie in Figur 4(a) dargestellt) werden an der Brücke angelegt. Die Spannungen zwischen den Abgleichpunkten der Brücke (gemessen durch das Voltmeter 24) während des Ablaufs eines jeden Pulses werden dem Mikroprozessor 30 zugeführt. Die Nullspannungen werden dann von den Testspannungen abgezogen, um Signalspannungen zu liefern, das heißt Spannungsänderungen, die auf der Anwesenheit von Methan und Penthan in der Atmosphäre beruhen.
Die Signalspannungen über dem Ablauf eines Pulses für die obige Testatmosphäre über dem Strom (gemessen vom Amperemeter 26) sind in Figur 7 eingezeichnet.
Wie man feststellt, hat der in Figur 7 dargestellte Graph eine komplexe Struktur. Es ist möglich, den Graphen von Figur 7 in zwei Komponentenkurven, dargestellt in Figuren 8 und 9, aufzulösen, indem man kommerziell erhältliche Computersoftware benutzt; grundsätzlich wird das erreicht, indem man die Anzahl der Spitzen (oder Wendepunkte) im Graph zählt und annimmt, daß der Graph sich aus einer korrespondierenden Anzahl Gausscher Kurven zusammensetzt. Dies ist bezüglich des Graphen in Figur 7 gemacht worden, um einen Graphen (Figur 8) für Methan zu liefern; der Graph für Penthan (Figur 9) kann dann durch Abziehen des Graphen von Figur 8 von dem von Figur 7 abgeleitet werden. Die Menge eines jeden Gases kann dann entweder durch Integration der aufgelösten Graphen (z. B. der Graphen von Figur 8 und Figur 9) und durch Teilen der resultierenden integrierten Werte durch den entsprechenden integrierten Wert für 100 % LEL des jeweiligen Gases oder durch Messung der maximalen Signalspannung und durch ein Teilen dieser durch das entsprechende maximale Signal bei 100 % LEL des jeweiligen Gases berechnet werden, um Meßwerte zu liefern, die als Prozentsätze von LEL ausgedrückt sind.
Die obigen Berechnungen können durch den Mikroprozessor 30 ausgeführt werden, ohne die in Figur 7 bis 9 dargestellten Graphen zu zeichnen.

Claims

1. Ein Verfahren zur Messung der Menge eines oder mehrerer brennbarer Gase in einer Atmosphäre, wobei das Verfahren beinhaltet:

(1) Kontaktieren der Atmosphäre mit einem Katalysator für das Katalysieren der Reaktion des besagten Gases,

(2) dem Anlegen einer Potentialdifferenz über einen Widerstandsdraht, der in thermischem Kontakt mit dem Katalysator ist, so daß der Katalysator auf eine Temperatur aufgeheizt wird, bei welcher die brennbaren Gase verbrannt werden, und

(3) dem Variieren der Potentialdifferenz, die über den Widerstandsdraht angelegt ist, mit der Zeit, wobei die Betriebstemperatur des Katalysators korrespondierend variiert wird,

(4) dem Messen des elektrischen Widerstands des Widerstandsdrahtes oder eines Parameters, der damit variiert, infolge der Anwesenheit des brennbaren Gases in der Atmosphäre über einen Bereich solcher Potentialdifferenzwerte,

(5) dem Ableiten eines Maßes für die Menge des brennbaren Gases in der Atmosphäre aus der Änderung des elektrischen Widerstands oder eines damit variierenden Parameters über den genannten Bereich von Potentialdifferenzwerten,

(6) dem Halten des Katalysators in Kontakt mit der Atmosphäre, die überwacht wird, während der Zeit, während der die besagten Widerstandsänderungen gemessen werden.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der elektrische Widerstand - oder der damit variierende Parameter - des Widerstandsdrahtes über den besagten Bereich der Potentialdifferenzwerte integriert wird, um das besagte Maß für die Menge des brennbaren Gases in der Atmosphäre zur Verfügung zu stellen.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Atmosphäre zwei oder mehr brennbare Gase enthält und wobei der besagte Bereich von Potentialdifferenzwerten, über den der elektrische Widerstand oder der damit variierende Parameter integriert wird, so gewählt ist, daß der integrierte Widerstand pro Einheitsmenge eines jeden brennbaren Gases ungefähr der gleiche ist, wie der integrierte Widerstand pro Einheitsmenge der oder eines jeden der anderen brennbaren Gase.

4. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31 wobei die Potentialdifferenz, die über den Widerstandsdraht angelegt ist, zyklisch variiert wird und wobei vorzugsweise jeder Zyklus alle 1 bis 50 Millisekunden wiederholt wird, vorzugsweise alle 5 bis 30 Millisekunden und weiter bevorzugt alle 10 bis 20 Millisekunden.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine Potentialdifferenz über den Widerstandsdraht nur für einen Teil eines jeden Zyklus aufrechterhalten wird.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei eine Potentialdifferenz über den Widerstandsdraht für 1 bis 20 Millisekunden, bevorzugt für 2 bis 10 Millisekunden und am stärksten bevorzugt für ca. 4 Millisekunden in jedem Zyklus angelegt wird.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 1 zur Messung der Mengen von zwei oder mehr brennbaren Gasen in einer Atmosphäre, enthaltend das Analysieren der Veränderung des elektrischen Widerstands - oder des damit variierenden Parameters - des Widerstandsdrahtes oder über den besagten Bereich solcher Potentialdifferenzwerte und das Ableiten der Widerstandsveränderung oder der Veränderung des besagten anderen Parameters infolge eines jeden brennbaren Gases daraus und der Berechnung der Menge eines jeden Gases in der Atmosphäre aus den Widerstandsänderungen.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Berechnung der Mengen eines jeden Gases in der Atmosphäre umfaßt:

(1) Nehmen der maximalen Widerstandsänderung oder Änderungen in den besagten anderen Parametern, die in dem besagten Bereich der Potentialdifferenzwerte für jedes Gas auftreten, und Teilen der genannten maximalen Widerstandsänderung durch einen vorbestimmten Wert für jedes betrachtete Gas, wobei die resultierenden Werte die Mengen der Gase in der Atmosphäre ergeben, oder

(2) Integrieren der Widerstandsänderungen oder Änderung in dem besagten anderen Parameter, die sich durch jedes Gas ergeben, und Teilen der besagten integrierten Widerstandsänderungen durch einen vorbestimmten Wert für jedes betrachtete Gas, wobei die resultierenden Werte die Mengen der Gase in der Atmosphäre sind.

9. Eine Vorrichtung zur Messung der Menge eines oder mehrerer brennbarer Gase in einer Atmosphäre, enthaltend:

(1) einen Katalysator für das Katalysieren der Reaktion des besagten brennbaren Gases,

(2) einen elektrischen Widerstandsdraht in thermischem Kontakt mit dem Katalysator,

(3) Mittel zum Anlegen einer Potentialdifferenz über den Widerstandsdraht, um den Draht auf eine Temperatur zu heizen, bei welcher das brennbare Gas verbrennen wird, und um das angelegte Potential mit der Zeit über einen Bereich von Potentialdifferenzwerten zu variieren, wodurch auch die Betriebstemperatur des Katalysators variiert wird,

(4) Mittel zum Messen des elektrischen Widerstandes des Widerstandsdrahtes oder eines damit variierenden Parameters infolge der Anwesenheit des brennbaren Gases über einen Bereich solcher Potentialdifferenzwerte,

(5) Mittel zur Berechnung der Menge brennbaren Gases in der Atmosphäre aus der besagten elektrischen Widerstandsänderung oder Änderung in dem besagten anderen Parameter über den besagten Potentialdifferenzbereich, wobei die Anordnung so ist, daß der Katalysator in Kontakt mit der Atmosphäre gehalten wird, die überwacht wird, während der Zeit, während welcher die besagten Widerstandsänderungen gemessen werden.

10. Eine Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die besagten Berechnungsmittel den elektrischen Widerstand oder den besagten anderenparameter über den besagten Bereich von Potentialdifferenzwerten integrieren.

11. Eine Vorrichtung nach Anspruch 10 zur Messung der Menge von zwei oder mehr brennbaren Gasen in einer Atmosphäre, wobei der Bereich der Potentialdifferenzwerte, über den der elektrische Widerstand des Widerstandsdrahtes oder eines damit veränderlichen Parameters integriert wird, so ist, daß der integrierte Widerstand pro Einheitsmenge eines jeden brennbaren Gases ungefähr der gleiche ist wie der integrierte Widerstand pro Einheitsmenge der oder eines jeden der anderen brennbaren Gase.

12. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das besagte Mittel zum Anlegen einer Potentialdifferenz das Potential zyklisch variiert, wobei bevorzugt jeder Zyklus alle 1 bis 50 Millisekunden wiederholt wird, weiter bevorzugt alle 5 bis 30 Millisekunden und am stärksten bevorzugt alle 10 bis 20 Millisekunden.

13. Eine Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das besagte Mittel zum Anlegen der Potentialdifferenz eine Potentialdifferenz über den Widerstandsdraht nur für einen Teil eines jeden Zyklus aufrechterhält.

14. Eine Vorrichtung nach dem Anspruch 12 oder 13, wobei das besagte Mittel zum Anlegen einer Potentialdifferenz über den Widerstandsdraht die besagte Potentialdifferenz für 1 bis 20 Millisekunden, 2 bis 10 Millisekunden und bevorzugt für ungefähr 4 Millisekunden in jedem Zyklus anlegt.

15. Eine Vorrichtung nach Anspruch 9 für die Messung der Mengen von zwei oder mehr brennbaren Gasen in einer Atmosphäre, wobei das Berechnungsmittel die Veränderung im elektrischen Widerstand des Widerstandsdrahtes oder dem damit variierenden Parameter über den Bereich von Potentialdifferenzwerten analysiert und die Widerstandsänderung oder die Änderung im besagten anderen Parameter infolge eines jeden brennbaren Gases daraus ableitet und aus solchen Widerstandsänderungen die Mengen eines jeden Gases in der Atmosphäre berechnet.

16. Eine Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das Berechnungsmittel (1) die maximale Widerstandsänderung oder Änderung des besagten anderen Parameters, die für jedes Gas über den besagten Bereich von Potentialdifferenzwerten detektiert wurde, durch einen vorbestimmten Wert für jedes betrachtete Gas teilt, wobei die resultierenden Werte die Menge der verschiedenen brennbaren Gase in der Atmosphäre ergeben, oder

(2) die Widerstandsänderung oder Änderung in dem besagten anderen Parameter, die jedem brennbaren Gas zuzuschreiben ist, über den besagten Bereich von Potentialdifferenzwerten integriert und den besagten integrierten Widerstand oder besagten anderen Parameter durch einen vorbestimmten Wert für jedes betrachtete Gas teilt, wobei die resultierenden Werte die Mengen der unterschiedlichen brennbaren Gase in der Atmosphäre sind.