EP1165187A1 - Sensorvorrichtung und verfahren zur detektion von in luft enthaltenen gasen oder dämpfen - Google Patents

Sensorvorrichtung und verfahren zur detektion von in luft enthaltenen gasen oder dämpfen

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EP1165187A1
EP1165187A1 EP00925124A EP00925124A EP1165187A1 EP 1165187 A1 EP1165187 A1 EP 1165187A1 EP 00925124 A EP00925124 A EP 00925124A EP 00925124 A EP00925124 A EP 00925124A EP 1165187 A1 EP1165187 A1 EP 1165187A1
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EP
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sensor
gas
change
temperature
sensor signal
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Withdrawn
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EP00925124A
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Hanns Rump
Olaf Kiesewetter
Rainer Klein
Carsten Supply
Heinz-Walter Schockenbaum
Wolfgang Voss
Jessica Gerhart
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Tem! Technische Entwicklung und Management GmbH
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    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/12—Alarms for ensuring the safety of persons responsive to undesired emission of substances, e.g. pollution alarms
    • G08B21/14—Toxic gas alarms
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62B—DEVICES, APPARATUS OR METHODS FOR LIFE-SAVING
    • A62B9/00—Component parts for respiratory or breathing apparatus
    • A62B9/006—Indicators or warning devices, e.g. of low pressure, contamination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
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    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
    • G01N27/123—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature
    • G01N27/124—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature varying the temperature, e.g. in a cyclic manner

Definitions

  • a sensor device for detecting gases or vapors contained in air by means of a sensor element which has a gas-sensitive layer and can be electrically heated by means of a heating structure, characterized in that the sensor element is arranged in a housing which the sensor element of Shields air movements taking place outside the housing, the housing having a diffusion layer, through which a passage of gas and steam from the outside into the interior of the housing and vice versa is possible by diffusion.
  • FIG. 2 shows the chronological sequence of a number of heating pulses 21 and currentless time intervals 22 to explain the system of temperature control. If the temperature corresponds to the target, there is a certain relationship between the number of heating pulses 21 and the currentless time intervals 22 (FIG. 2 above) . If the sensor element 11 e.g. is too cold, the number of heating pulses 21 is increased, and the de-energized time intervals 22 are relatively shortened (Fig. 2 below).
  • the connecting wires 44 of the sensor element 11 are preferably gas-tight e.g. passed through the housing base 45. This is preferably done by melting the connecting wires 44 into a glass layer 49 covering the housing bottom 45.
  • Formation of the current sensor signal is used, this means that e.g. 10 ppm (parts per million) of a certain gas depending on

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit einem Sensorelement zur Detektion von Gasen und Dämpfen in Luft, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensorsystems. Das Sensorelement ist bevorzugt ein beheizter Metalloxid-Sensor mit Heizstruktur und gassensitiver Schicht, deren Temperatur mittels der Heizstruktur und einer Regeleinrichtung konstant gehalten werden kann. Das Sensorelement ist zum Schutz vor Luftströmungen in einem vorzugsweise wärmedämmenden Gehäuse angeordnet, in welches Gas durch eine gasdurchlässige Diffusionsschicht hindurcheintreten kann. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Widerstand der Heizstruktur, der ein Maß für die Temperatur der gassensitiven Schicht ist, als Temperatur-Referenz für die Regelung genutzt. Die Temperatur des Sensorelements wird gezielt beeinflusst, indem der Regelgrösse 'Sensortemperatur' weitere Störgrössen hinzugefügt werden. Die Auswertung erfolgt durch Vergleich des jeweils aktuellen Sensorsignals mit einem Referenzwert, der aus dem gewichteten Durchschnittssignal der Sensorwerte gebildet wird und der sich an die jeweilige Situation adaptiert.

Description

Sensorvorrichtung und Verfahren zur Detektion von in Luft enthaltenen Gasen oder Dämpfen
Technisches Gebiet: Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von in Luft enthaltenen Gasen oder Dämpfen mittels eines elektrisch beheizbaren Sensorelementes, z.B. zur Detektion von Gasen und Dämpfen in der Atemluftführung einer Gasmaske.
Stand der Technik
Für den Aufbau von Gas-Sensorsystemen und insbesondere für die sensortechnische Überwachung von Atemschutzmasken sind u.a. folgende Druckschriften bekannt: DE 3 613 512; EP 0 447 619; EP 0 535 385; GB 2 266 467; DE 4 132 680; EP 0 410 071; EP 0 343 521; WO 9612523. Die dem Stand der Technik entnehmbare Lehre benutzt unterschiedliche Sensor-Technologien:
1. Elektrochemische Zellen: Nachteilig beim Einsatz elektrochemischer Gasdetektionszellen ist, dass diese Zellen mehr oder weniger selektiv auf einige Gase reagieren. Die Anwendung dieser Zellen setzt daher voraus, dass im Wesentlichen nur ein Gas detektiert werden muss, welches zudem bekannt sein muss. In der Praxis wird als nachteilig bewertet, dass bei verschiedenen potentiellen gefährlichen Gasen (z.B. in der chemischen Industrie) diese Methode auf Grund dieser Beschränkung fragwürdig ist. Im übrigen ist die Lebensdauer elektrochemischer Zellen begrenzt. Die Zellen sind sehr teuer.
2. Farbumschlagsreaktionen, wie sie aus den im Handel befindlichen Prüfröhrchen bekannt sind. Ein Nachteil dieser Sensorik ist ihre starke Selektivität. Dies setzt voraus, dass man die zu überwachenden Gase kennt. Ein weiterer Nachteil ist, dass die zur Farbumschlagsdetektion verwendeten chemischen Reaktionen häufig nicht reversibel sind, es handelt sich also um Einwegsensoren, die vor jedem Einsatz speziell ausgewählt werden müssen und anschliessend nicht wieder verwendet werden können.
3. Metall-Oxid-Sensoren nach dem Taguchi-Prinzip: Der Vorteil dieser Sensoren ist, dass sie auf alle gas- und dampfförmigen Substanzen in der Luft
ORIGINAL UNTERLAGEN reagieren, welche oxidierbar oder reduzierbar sind. Je nach Zusammensetzung der gassensitiven Schicht wird durch oxidierbare Substanzen z.B. der elektrische Widerstand verringert. Reduzierbare Substanzen erhöhen in diesem Fall den elektrischen Widerstand. Der Nachteil ist, dass die Sensoren beheizt werden müssen, was Energie verbraucht und dem Betrieb des Sensorsystems mit Batterien enge Grenzen setzt. Ein weiterer Nachteil ist die erhebliche Drift des Sensorwertes in Normalluft, z.B. wenn sich die Lufttemperatur und/oder die Luftfeuchte ändern.
Jeder Taguchisensor weist als gassensitive Schicht einen elektrischen Halbleiter auf. Alle Halbleiter ändern z.B. ihren Widerstand u.a. mit der Temperatur. Zusätzlich ändern sich mit der Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit des Sensorelementes in Bezug auf die Zielgase, so dass sich die Kennlinien gegenüber den verschiedenen Gasen bei unterschiedlichen Temperaturen erheblich voneinander unterscheiden können. Aus diesen Gründen ist es notwendig, die Temperatur der gassensitiven Halbleiterschicht in engen Grenzen stabil zu halten
Selbst wenn die Temperatur der Heizstruktur völlig konstant gehalten werden könnte, wäre damit trotzdem keine unter allen Umständen konstante Temperatur der gassensitiven Schicht erreichbar, weil der Temperaturgradient zwischen dieser und der umgebenden Luft sehr groß ist und durch die vom Sensorelement durch Strahlung und konvektiv abgegebenen Wärme beeinflußt wird. Die vom Sensorelement an die Umgebung abgegebene Wärmeenergie ist zum einen eine Funktion des Temperaturgradienten, andererseits eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit der Luft relativ zum Sensorelement.
Daher wird man trotz aufwendiger elektronischer Regelungen in der Praxis immer erhebliche Schwankungen des Sensorwiderstandes in Normalluft feststellen, was in der Vergangenheit den Einsatz von Halbleitersensoren erheblich eingeschränkt hat, da der Grundwiderstand der gassensitiven Schicht mit der Temperatur massiv schwankt. Es ist bekannt, Sensorsignale derart auszuwerten, daß die aktuellen Signale des Sensors mit einem über eine bestimmte Zeit gebildeten Mittelwert vorausgegangener Sensorsignale verglichen werden. D.h., es wird die Differenz zwischen aktuellem Signal und Mittelwert ausgewertet. Beispielsweise kann ein Schaltsignal ausgelöst werden, wenn der Betrag dieser Differenz einen bestimmten Wert übersteigt.
Treten plötzlich Ereignisse auf, auf die der Sensor anspricht, lassen sich diese mit dieser Methode sehr gut detektieren. Langsame und/oder nur kleine Änderungen des Sensorwiderstandes führen dagegen zu keinen Auswertungen bzw. Schaltsignalen.
Langsame Änderungen des aktuellen Sensorsignals, die entweder durch ein Driftverhalten des Sensors selbst oder aber durch eine Änderung der Konzentration einer Dampf- oder Gasbeimengung in der Umgebungsluft verursacht sein können, werden ignoriert.
Hingegen wird beim Auftreten von plötzlichen Konzentrationserhöhungen oxidierbarer Gase in der Umgebungsluft zuverlässig ein Schaltsignal generiert.
In vielen Fällen ist es aber sehr wichtig, daß auch ein langsamer Anstieg von Gaskonzentrationen sicher detektiert wird. Dies ist z.B. wichtig bei der Überwachung von Atemschutzmasken, weil z.B. bei der Sättigung des Filters dieser typisch nicht plötzlich seine Funktion verliert, sondern die Abscheideleistung des Filters meistens schleichend schlechter wird. Auch könnte sich die Konzentration toxischer Gase sehr langsam erhöhen, was auf jeden Fall detektiert werden muß. Die oben erläuterte Methode der Signalauswertung kann aus den erwähnten Gründen hierfür nicht ohne weiteres angewandt werden.
Der derzeitige Stand der Technik gibt keine brauchbare Lehre an, wie trotz der offenkundigen Stabilitäts-Nachteile der Taguchi-Sensoren diese in Applikationen genutzt werden können, in welchen Sicherheit gegenüber Fehlalarm und die gleichzeitige Fähigkeit zur Detektion auch kleiner Konzentrationen und/oder kleiner Konzentrationsänderungen gefordert wird.
Technische Aufgabe: Der Erfindung liegt deshalb Aufgabe zugrunde, eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von in Luft, insbesondere in der Atemluft, enthaltenen Gasen oder Dämpfen mit hoher Sicherheit gegen Fehlalarm bereitzustellen, wobei auch kleine Konzentrationen und/oder kleine Konzentrationsänderungen detektierbar sind.
Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensorvorrichtung zur Detektion von in Luft enthaltenen Gasen oder Dämpfen mittels eines Sensorelementes, das eine gassensitive Schicht aufweist und mittels einer Heizstruktur elektrisch beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement in einem Gehäuse angeordnet ist, welches das Sensorelement von außerhalb des Gehäuses stattfindenden Luftbewegungen abschirmt, wobei das Gehäuse eine Diffusionsschicht aufweist, durch welche per Diffusion ein Durchgang von Gas und Dampf von außen in das Innere des Gehäuses und umgekehrt möglich ist.
Verfahren zum Betreiben eines Sensorelementes zur Detektion von in Luft enthaltenen Gasen oder Dämpfen, das eine gassensitive Schicht aufweist und mittels einer Heizstruktur elektrisch beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sensorelementes geregelt wird und der Temperatursollwert in Abhängigkeit von der Größe oder dem zeitlichen Verhalten des Sensorsignals mittels einer Störgrößenaufschaltung zumindest zeitweise verändert wird.
Anwendungen sind u.a. der Schutz von Menschen, die Atemschutz- Ausrüstungen (z.B. Atemschutz-Masken) benutzen. Eine weitere Anwendung besteht in der Überwachung von Klima- und Lüftungsanlagen in Bezug auf die (unerwünschte ) Anwesenheit von Gasen und Dämpfen. Weiter kann mit erfindungsgemäßen Gasdetektoren die Lüftung von Fahrzeugen derart gesteuert werden, daß die Lüftung unterbrochen wird, wenn außerhalb des Fahrzeuges Gaskonzentrationen detektiert wird. Weiter kann mit erfindungsgemäßen Gasdetektoren die Lüftung von Räumen oder Gebäuden bedarfsgerecht derart erfolgen, daß die Lüftungsrate an die Konzentration z.B. organischer Luftinhaltsstoffe (Gase, Dämpfe) gekoppelt ist. Weiter kann mit den erfindungsgemäßen Gasdetektoren die Überwachung der Luft in Hinblick auf zündfähige bzw. explosionsgefährdete Gas-Luftgemische erfolgen.
Der in dieser Erfindung angegebene Sensor der Sensorvorrichtung ist ein Taguchi-Sensor, der - wie jeder Taguchisensor - als gassensitive Schicht einen elektrischen Halbleiter aufweist.
Aus diesem Grunde ist es notwendig, die Temperatur der gassensitiven Halbleiterschicht in engen Grenzen stabil zu halten. Zu diesem Zweck sind bereits Temperatur-Regelungen von Sensoren bekannt, wobei einige nutzen die Tatsache ausnutzen, dass die Sensoren Heizungsstrukturen aus Platin oder einem anderen Material mit ausgeprägtem Temperatur-Koeffizienten aufweisen. Dem Fachmann sind Methoden bekannt, wie derartige Heizer so angesteuert werden können, dass der Widerstand des Heizers als IST- Referenz eingesetzt wird.
Das Sensorelement weist ein Sensorsubstrat, eine gassensitive Schicht und eine zwischen diesen angeordnete Heizstruktur auf. Die Heizstruktur wird elektrisch über einen Aussenwiderstand angesteuert, welcher so dimensioniert ist, dass der Stromfluss das Sensorelement keinesfalls auf die Soll-Temperatur aufheizen wird. Vielmehr wird periodisch von einem zentralen Steuer- und Regelgerät, vorteilhaft als Mikrocontroller ausgebildet, über eine Steuerleitung ein Impuls auf einen Schaltbaustein gegeben, welcher einen energiereichen Schaltimpuls an die Heizstruktur abgibt. Außenwiderstand und Heizstruktur bilden einen Spannungsteiler.
Nach Abschalten dieses Impulses wird diejenige Spannung über einen ersten A/D-Wandler gemessen, die am Spannungsteiler zwischen Heizstruktur und Außenwiderstand abgegriffen wird. Ist die Spannung zu hoch, wird bei den nächsten Perioden der Heizimpuls oder die Anzahl der Heizimpulse verkürzt. Sollte die Spannung hingegen zu klein sein, wird bei den nächsten Perioden der Heizimpuls oder die Anzahl der Heizimpulse verlängert.
Die Impedanz der gassensitiven Schicht des Sensorelementes wird mit dem zentralen Steuer- und Regelgerät, geeigneter Software und einem zweiten A/D-Wandler, der an die gassensitive Schicht angeschlossen ist, gemessen und steht damit als Signal zur Auswertung zur Verfügung. Im einfachsten Fall wird hierbei lediglich der ohmsche Widerstand gemessen.
Selbst wenn die Temperatur der Heizstruktur völlig konstant wäre, kann damit trotzdem keine unter allen Umständen konstante Temperatur der gassensitiven Schicht erreicht werden, weil der Temperaturgradient zwischen dieser und der umgebenden Luft sehr groß ist und durch die vom Sensorelement durch Strahlung und konvektiv abgegebenen Wärme beeinflußt wird. Die vom Sensorelement an die Umgebung abgegebene Wärmeenergie ist zum einen eine Funktion des Temperaturgradienten, andererseits eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit der Luft relativ zum Sensorelement.
Daher wird man trotz aufwendiger elektronischer Regelungen in der Praxis immer erhebliche Schwankungen des Sensorwiderstandes in Normalluft feststellen, was in der Vergangenheit den Einsatz von Halbleitersensoren erheblich eingeschränkt hat, da der Grundwiderstand der gassensitiven Schicht mit der Temperatur massiv schwankt.
Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung weist daher ein Sensorelement auf, das in einem Gehäuse angeordnet ist, welches lufttechnisch verschlossen ist und Luftbewegungen außerhalb das Gehäuses keinen Zutritt zum beheizten Sensorelement gestattet. Das Gehäuse ist bevorzugt so ausgebildet, daß sein Innenraum thermisch gegen die Umgebung isoliert ist.
In dem Gehäuse bildet sich nach einiger Zeit ein thermisches Gleichgewicht zwischen der Heizstruktur, dem Sensorsubstrat als Wärmespeicher und der gassensitiven Schicht aus, weil auch die Luft in deren Umgebung auf ein höheres Niveau aufgeheizt und der Temperaturgradient zwischen Luft und Sensorelement damit verkleinert wird. Die durch den Temperaturgradienten zwischen Luft und Sensorelement verursachten unerwünschten Schwankungen des Sensorwiderstandes werden auf diese Weise erfindungsgemäß wesentlich reduziert.
Das Gehäuse weist erfindungsgemäß eine semipermeable Diffusionsschicht auf, welche für Luftströmungen praktisch undurchlässig ist, jedoch von diffundierenden Luft- und Gasteilchen durchdrungen werden kann. Erfindungsgemäß diffundieren somit aufgrund der unterschiedlichen Partialdrücke innerhalb und außerhalb des Gehäuses Gase durch die Diffusionsschicht in das Gehäuse hinein oder aus ihm hinaus, wobei jedoch eine Luftzirkulation durch die Diffusionsschicht hindurch praktisch unterbunden ist. Aufgrund von Luftbewegungen durch die semipermeable Diffusionsschicht hindurch induzierte Wärmeströme sind daher ausgeschlossen oder zumindestens sehr stark eingeschränkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensor- Vorrichtung ist das Gehäuse einschließlich der Diffusionsschicht wärmedämmend und/oder thermisch isolierend ausgebildet.
Hierdurch wird in Kombination mit einer sehr exakten Heizungs-Regelung erreicht, daß sich in einem sehr weiten Temperaturbereich keinerlei Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf den Sensorwiderstand in Normalluft mehr zeigen.
Ein weiterer Vorteil ist, daß sich der Energiebedarf des Sensorelementes durch die erfindungsgemäße wärmedämmende und/oder thermisch isolierte Ausbildung des Gehäuses und der Diffusionsschicht erheblich verringern läßt, was beim Betrieb mit Batterien sehr wichtig und vorteilhaft ist.
Wie oben bei der Erläuterung des Standes der Technik bereits erwähnt, ist es bekannt, die Differenz zwischen aktuellem Signal und Mittelwert auszuwerten. Treten plötzlich Ereignisse auf, auf die der Sensor anspricht, lassen sich diese mit dieser Methode sehr gut detektieren. Langsame und/oder nur kleine Änderungen des Sensorwiderstandes führen dagegen zu keinen Auswertungen bzw. Schaltsignalen. Das aktuelle Sensorsignal wird über eine bestimmte Zeit gemittelt und mit einem konstanten Wert addiert, so daß sich ein im Mittel geringfügig oberhalb des Sensorsignals liegendes gemitteltes Signal ergibt, das als Referenzsignal 52 herangezogen wird. Treten Ereignisse auf, die den Wert des aktuellen Sensorsignals auf Werte oberhalb des Referenzsignals verändern, wird ein Schaltsignal ausgelöst. Langsame Änderungen des aktuellen Sensorsignals werden ignoriert. Hingegen wird beim Auftreten von plötzlichen Konzentrationserhöhungen oxidierbarer Gase in der Umgebungsluft zuverlässig ein Schaltsignal generiert.
In vielen Fällen ist es aber sehr wichtig, daß auch ein langsamer Anstieg von Gaskonzentrationen sicher detektiert wird, z.B. wenn sich die Konzentration toxischer Gase sehr langsam erhöht, was auf jeden Fall detektiert werden muß. Das erläuterte Verfahren kann daher nicht ohne weiteres angewandt werden.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer erfindungs- gemäßen Sensorvorrichtung wird die Heizleistung durch eine zusätzliche Größe (zur Temperatur) beeinflußt. Regelungstechnisch gesehen wird dadurch eine Störgrößen-Aufschaltung vorgenommen.
Dieser erfindungsgemäßen Idee liegt die Beobachtung zugrunde, daß Änderungen der elektrischen Parameter der gassensitiven Sicht des Sensorelementes (Widerstand, Kapazität, Induktivität) sowohl vom Angebot oxidierbarer oder reduzierbarer Gase stammen als auch das Ergebnis von Schwankungen der Luftfeuchte oder der Temperatur sein können.
Im Nachfolgenden sei der Einfachheit halber nur die Detektion oxidierbarer Gase beschrieben. Reduzierbare Gase verhalten sich prinzipiell invers, erhöhen also z.B. den Sensorwiderstand, wogegen oxidierbare Gase diesen verkleinern. Die Erfindung sinngemäß, wenn auch invers, auch für reduzierbare Gase anwendbar. Im folgenden wird ein erfindungsgemäßes Verfahren erläutert. Zu Beginn gibt der Sensor in Normalluft bei einer bestimmten Heizleistung ein aktuelles Sensorsignal ab. Anschließend wird der Sensor mit einem Gasimpuls von bestimmter Zeitdauer beaufschlagt.
Bei unbeeinflußter Heizleistung kommt das aktuelle Sensorsignal nach Ende des Gasimpulses erst nach längerer Zeit auf den Ausgangswert zurück. Eine Heizleistung mit Störgrößen-Aufschaltung führt hingegen zu einem durch die Heizleistung beeinflußten aktuellen Sensorsignal, welches schneller auf den Ausgangswert zurückkommt. Wird die Heizleistung immer dann z.B. proportional im Sinne einer Temperaturerhöhung nachgeführt, wenn das aktuelle Sensorsignal eine Änderung durchläuft, kommt das aktuelle Sensorsignal signifikant schneller auf den Ausgangswert zurück.
Wesentlich ist, daß im Falle einer tatsächlich am Sensor anstehenden Gaskonzentration die Reaktionen der gassensitiven Schicht mit dem Gas auf jeden Fall stattfinden. Die Temperaturempfindlichkeit des Sensorsignals wird durch die Einwirkung des Gases verringert. Die durch die Temperaturnachführung bewirkte Änderung des Sensorsignals ist daher während des Gasimpulses geringer als vor oder nach dem Gasimpuls. Mit anderen Worten: das Sensorsignal reagiert während des Gasimpulses nur relativ schwach auf eine Änderung der Heizleistung und damit auf die Störgrößenaufschaltung. Die gasinduzierte Verminderung des aktuellen Sensorsignals nimmt daher bei Nachführung der Heizleistung annähernd den gleichen Verlauf wie bei einer ansonsten identischen Versuchsanordnung ohne Temperaturnachführung.
Wird die Reaktion des aktuellen Sensorsignals jedoch von z.B. einer Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur verursacht, so ändert sich die Temperaturempfindlichkeit des Sensorsignals nicht oder nur wenig. Eine Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur haben daher bei unbeeinflußter Heizleistung erheblichen und anhaltenden Einfluß auf das aktuelle Sensorsignal.
Wenn jedoch bereits bei Beginn einer solchen Einwirkung die Heizleistung nachgeführt wurde, ist die durch die Temperaturnachführung bewirkte Beeinflussung des Sensorsignals deutlich größer als im Falle eines Gasipmulses. Sinnvoll ist auch die Überwachung der unteren Explosionsgrenzen zum Schutz vor Unfällen nach Gas-Leckagen. Mit anderen Worten: das Sensorsignal reagiert stark auf eine Änderung der Heizleistung und damit auf die Störgrößenaufschaltung. Daher ist die aufgrund einer Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur verursachte Veränderung des Sensorwertes nicht nur viel geringer, sondern auch zeitlich deutlich kürzer als im Fall einer unbeeinflußten Heizleistung.
Erfindungsgemäß ist daher die Heizungsregelung des Sensors so ausgelegt, daß die Führungsgröße des Heizungsreglers die Temperatur ist, und daß eine Störgröße auf die Regelung aufgeschaltet wird, die sich aus der Abweichung des aktuellen Sensorsignals von einem Normalwert bei Normalluft ableitet.
Sowohl die Signalverarbeitung als auch die Heizungsregelung können vorteilhaft durch einen einzigen Singlecircuit-Controller (μC) gesteuert werden.
Das vorteilhafte Ergebnis einer Kombination aus a. einer Anordnung des Sensorelementes in einem vorzugsweise thermisch isolierten bzw. wärmedämmenden Gehäuse mit thermisch isolierender bzw. wärmedämmender Diffusionsschicht, durch die ein Gaszutritt zum
Sensorelement ohne Luftbewegung durch Diffusion erfolgen kann, b. einem diffusionsbedingten Gaszutritt zum Sensor ohne Luftbewegung, c. einer Heizung des Sensorelementes durch Regelung der Temperatur, wobei dem Regelkreis als Störgröße die relative Abweichung des aktuellen
Sensorwiderstandes vom Widerstand des Sensorelementes unter
Normalbedingungen aufgeschaltet wird, besteht darin, daß das Sensorsignal schnell und fast ausschließlich dem faktischen Gehalt an oxidierbaren Luftinhaltsstoffen folgt und weitaus weniger Drifterscheinungen als bisher bekannt aufweist.
Wird eine Auswertung vorgenommen, die den aktuellen Sensorwert mit einem über die Zeit ermittelten Durchschnittswert vergleicht, kann dann von deutlich geringeren Schwankungen des Sensorsignals unter Normalbedingungen ausgegangen werden, insbesondere dann, wenn das System nach einiger Zeit stabil geworden ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist daher die Zeitspanne, über die der Mittelwert der aktuellen Sensorsignale gebildet wird, um als Vergleichswert zum aktuellen Sensorwert zu dienen, nicht konstant, sondern nimmt im Laufe der Betriebszeit des Systems immer weiter zu.
Der erste Vergleichswert wird aus dem Mittelwert über einen relativ kurzen Zeitraum gewonnen, weil das System unmittelbar nach dem Einschalten zwangsläufig hohen eigendynamischen Schwankungen unterliegt. Nach der Einschaltphase wird diese Zeitspanne erhöht und diese erreicht schließlich im eingeschwungenen Zustand eine wesentlich längere Integrationszeit. Da der Mittelwert prinzipiell genau mit dem aktuellen Sensorsignal zusammenfallen kann, wird vom errechneten Durchschnittswert ein bestimmter Betrag abgezogen, um den sogenannten Referenzwert zu bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der in Abzug zu bringende Betrag in der Anfangsphase sehr groß, so daß der Referenzwert einen großen Abstand zum Sensorwert hat. Dies ist wichtig, um zu verhindern, daß im nicht-eingeschwungenen Zustand Signale ausgelöst werden, obwohl keine signifikante Gaskonzentrationsänderung auftritt. Im weiteren zeitlichen Verlauf wird der Betrag sukzessive verkleinert, so daß im eingeschwungenen Zustand sich der Referenzwert immer mehr dem Sensorwert annähert.
Es können weitere Verfeinerungen eingeführt werden. In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Referenzwert nach heftigen gasinduzierten Sensorreaktionen wieder auf einen größeren Abstand zum Sensorwert gebracht, weil erfahrungsgemäß heftige Reaktionen des Sensors zu zeitweilig instabilen Sensorverhältnissen führen.
In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Berechnung des Durchschnittswertes wieder über kürzere Zeiträume vorgenommenen, wenn eine gasinduzierte starke Sensorsignaländerung eingetreten ist. In einer weiteren Ausführungsvariante wird die Berechnung des Durchschnittswertes für denjenigen Zeitraum ausgesetzt, in dem eine gasinduzierte Sensorsignaländerung auftritt.
Trotz der geschilderten Maßnahmen könnte der tatsächliche Gaspegel derartig langsam ansteigen, daß der Mittelwert diesem Anstieg im wesentlichen folgt. In diesem Fall könnten sich langsam erhebliche Gaskonzentrationen ausbilden, ohne daß die vorstehend beschriebene Auslösebedingung erfüllt wäre, gemäß der das aktuelle Sensorsignal einen kleineren Wert annimmt als der rechnerisch ermittelte Referenzwert.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird daher für den Referenzwert zusätzlich ein Minimalwert festgelegt, wobei der tatsächliche Referenzwert niemals kleiner werden kann als dieser festgelegte Minimalwert. Der Minimalwert ist so gewählt, daß durch sensorbedingte Schwankungen diese Grenze nicht erreicht wird, andererseits die Gaskonzentration, die diesem Sensorsignal zugeordnet werden können, noch keine dauerhaften Schäden auf den Menschen haben, bzw. im Falle einer z.B. Überwachung von Explosionsgrenzen (z.B. Methan-Luft-Gemisch) sich in weitem Sicherheits- abstand zur Explosionsgrenze befindet.
Kommt es (z.B. bei der Anbringung des Sensors an geeigneter Stelle in oder an Atemschutzmasken zum Zwecke der Filter- oder Dichtheitsüberwachung), zu sprunghaften Änderungen der Feuchte oder Temperatur, wird bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Auswirkung dieser Einflüsse auf den Sensorwiderstand absolut kleiner und nur vorübergehend sein.
Trotzdem kann es zu einer irrtümlichen Signalauslösung kommen, die dann ein unerwünschter Fehlalarm wäre. In einer weiteren Ausführungsvariante wird daher eine zeitlich versetzte Auswertung vorgenommen, die im folgenden erläutert wird.
Unter dem Sensor-Normpegel liegt ein Referenzwert. Wenn ein Gasimpuls das aktuelle Sensorsignal um einen bestimmten Betrag verringert, wird der Referenzwert unterschritten und damit das Schaltkriterium erfüllt. Damit wird eine Art „stiller Voralarm", jedoch erfindungsgemäß noch nicht das Schaltsignal ausgelöst. Erst, wenn das Schaltkriterium für eine gewisse Zeitspanne erfüllt bleibt, wird ein Schaltsignal ausgelöst, das während der restlichen Zeitspanne, in der das aktuelle Sensorsignal niedriger bleibt als der Referenzwert, aufrecht erhalten bleibt
Kommt es dagegen zu einem sehr kurzfristigen und daher praktisch zu vernachlässigenden Gasimpuls oder kommt es zu einem gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zu kompensierenden Feuchteimpuls, der etwa eine Reaktion des aktuellen Sensorsignals auslöst, wird erfindungsgemäß kein Schaltsignal ausgelöst.
In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Zeitdauer des Voralarms nicht fest definiert, sondern eine Funktion der Schnelle der Sensorsignal-Änderung oder als Funktion des absoluten Änderungsbetrages über die Zeit. Wenn also innerhalb einer festgelegten Zeitspanne eine sehr große Sensorsignaländerung eingetreten ist, kann die Zeitspanne des Voralarms verkürzt werden. Dies ist vorteilhaft, um bei tatsächlich plötzlich auftretenden großen Gaskonzentrationen die Zeit bis zur Alarmauslösung so kurz wie möglich halten zu können.
Ein ähnliches Ergebnis kann erreicht werden, wenn das Sensorsignal über zwei unterschiedliche Zeitdauern, z.B. sowohl über einen Zeitraum von 20 s als auch über einen Zeitraum von 300 s, gemittelt wird. Von dem über die längere Zeitdauer gebildeten Mittelwert wird, wie vorerwähnt, ein bestimmter Betrag von z.B. 2% des Normalwertes o.a. abgezogen. Die so ermittelten Werte werden miteinander verglichen.
Wenn der über die kürzere Zeitdauer gebildete Mittelwert kleiner wird als der sich durch Mittelung über die längere Zeitdauer und Abzug eines bestimmten Betrages (z.B. 2 %) ergebende Wert, wird ein Schaltsignal ausgelöst.
Häufig ist es aber nicht sinnvoll, zur Bildung eines Referenzwertes lediglich einen konstanten Betrag vom Mittelwert abzuziehen, da die Sensorkennlinie (Sensorsignal in Abhängigkeit von der Gaskonzentration) in der Regel nichtlinear ist.
Für den Fall, dass der ohmsche Widerstand der gassensitiven Schicht zur Bildung des aktuellen Sensorsignals verwendet wird, bedeutet dies, dass z.B. 10 ppm (parts per million) eines bestimmten Gases abhängig vom Grundwiderstand der gassensitiven Schicht unterschiedliche Widerstandsänderungen bewirken. So ist z.B. bei niedrigem Grundwiderstand die durch 10 ppm eines Gases bedingte relative Widerstandsänderung wesentlich kleiner als bei hohem Grundwiderstand. Diese Tatsache kann berücksichtigt werden, indem erfindungsgemäß die Sensorkennlinien verschiedener Zielgase in der Berechnung des Referenzwertes auf Grundlage des ermittelten Mittelwertes berücksichtigt werden.
Besonders kritisch ist der Einsatz des beschriebenen Sensorsystems, wenn das System in Betrieb genommen wird, während bereits eine erhebliche Gasbelastung vorliegt. Da das System nämlich keine Absolutkonzentrationen messen kann, sondern lediglich Änderungen (bezogen auf den Referenzwert) innerhalb des Beobachtungszeitraumes erfassen kann, würde das System keinen Hinweis (Schaltsignal, Alarm) auf die tatsächlich vorliegende Gasbelastung liefern.
Erfindungsgemäß wird diese Problemstellung dadurch gelöst, dass gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Temperatur der gassensitiven Schicht kurzzeitig erhöht wird. Die Temperaturerhöhung bewirkt zum einen eine Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts innerhalb der gassensitiven Schicht, die sich in einer Veränderung des Sensorsignals zeigt, zum anderen wird der Sensor kurzzeitig auf einer anderen (temperaturabhängigen) Kennlinie betrieben. Die Erfassung und Auswertung der Sensorsignale vor, während und nach der kurzzeitigen Temperaturerhöhung ermöglicht Rückschlüsse auf eine eventuell vorliegende Gasbelastung. Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Sensorelementes mit einer typischen bekannten Schaltung, welche in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge einer Anzahl von Heizimpulsen und stromlosen Zeitintervallen zur Temperaturregelung,
Fig. 3 eine detaillierte Darstellung des Sensorelementes (links) sowie einen typischen Verlauf der Temperatur in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Sensorelementes (rechts),
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Anordnung eines Sensorelementes in einem Gehäuse,
Fig. 5 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf von Sensorsignal und Heiz- leistungbei eines dem Stand der Technik entsprechenden Verfahrens zum Betreiben eines Sensorelementes,
Fig. 6 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf von Sensorsignal und Heiz- leistungbei einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Sensorelementes, und
Fig. 7 ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf von Sensorsignal und Heiz- leistungbei einer anderen Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Sensorelementes.
Figur 1 zeigt schematisch ein Sensorelement 11 mit einer typischen bekannten Schaltung, welche in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eingesetzt wird. Das Sensorelement 11 weist ein Sensorsubstrat 31, eine gassensitive Schicht 33 und eine zwischen diesen angeordnete Heizstruktur 32 auf (Fig. 3).
Die Heizstruktur 32 wird elektrisch über einen Aussenwiderstand 12 (Fig. 1) angesteuert, welcher so dimensioniert ist, dass der Stromfluss das Sensorelement 11 keinesfalls auf die Soll-Temperatur aufheizen wird. Vielmehr wird periodisch von einem zentralen Steuer- und Regelgerät 13, vorteilhaft als MikroController (μC) ausgebildet, über eine Steuerleitung 14 ein Impuls auf einen Schaltbaustein 15 gegeben, welcher einen energiereichen Schaltimpuls an die Heizstruktur 32 abgibt. Außenwiderstand 12 und Heizstruktur 32 bilden einen Spannungsteiler.
Nach Abschalten dieses Impulses wird diejenige Spannung über einen ersten A D-Wandler 16 gemessen, die am Spannungsteiler zwischen Heizstruktur 32 und Außenwiderstand 12 abgegriffen wird.
Ist die Spannung zu hoch (Heizstruktur 32 ist zu hochohmig, also ist die Sensortemperatur zu hoch), wird bei den nächsten Perioden der Heizimpuls oder die Anzahl der Heizimpulse verkürzt. Sollte die Spannung hingegen zu klein sein (Heizstruktur 32 ist zu niederohmig, also ist die Sensortemperatur zu niedrig), wird bei den nächsten Perioden der Heizimpuls oder die Anzahl der Heizimpulse verlängert.
Die Impedanz der gassensitiven Schicht 33 des Sensorelementes 11 wird mit dem zentralen Steuer- und Regelgerät 13, geeigneter Software und einem zweiten A/D-Wandler 18, der an die gassensitive Schicht 33 angeschlossen ist, gemessen und steht damit als Signal zur Auswertung zur Verfügung. Im einfachsten Fall wird hierbei lediglich der ohmsche Widerstand gemessen.
Figur 2 zeigt zur Erläuterung der Systematik der Temperaturregelung die zeitliche Abfolge einer Anzahl von Heizimpulsen 21 und stromlosen Zeitintervallen 22. Wenn die Temperatur dem Soll entspricht, besteht ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Anzahl der Heizimpulse 21 und den stromlosen Zeitintervallen 22 (Fig. 2 oben). Wenn das Sensorelement 11 z.B. zu kalt ist, wird die Anzahl der Heizimpulse 21 vergrößert, und die stromlosen Zeitintervalle 22 werden relativ verkürzt (Fig. 2 unten).
Figur 3 zeigt eine detaillierte Darstellung des Sensorelementes 11 (links) sowie einen typischen Verlauf der Temperatur in einer Richtung ()in Fig. 3 x- Richtung bezeichnet) senkrecht zur Ebene des Sensorelementes 11 (rechts) und macht die grundsätzliche Schwierigkeit der Temperaturregelung deutlich. Die Heizstruktur 32 befindet sich zwischen der gassensitiven Schicht 33 und einem Sensorsubstrat 31. Selbst wenn die Temperatur der Heizstruktur 32 völlig konstant wäre, kann damit trotzdem keine unter allen Umständen konstante Temperatur der gassensitiven Schicht 33 erreicht werden, weil der Temperaturgradient zwischen dieser und der umgebenden Luft sehr groß ist und durch die vom Sensorelement 11 durch Strahlung und konvektiv abgegebenen Wärme beeinflußt wird.
Wenn die Temperatur der Heizstruktur 32 auf z.B. 350°C eingeregelt ist, kann die Temperatur der Umgebungsluft in der Praxis zwischen -40° C und + 80°C schwanken. Aufgrund des Temperaturgradienten zwischen Umgebung und Sensorelement 11 ist an der Oberfläche der gassensitiven Schicht 33 eine vom Heizer abweichende Temperatur feststellbar, welche typisch kleiner als der Sollwert ist.
Die vom Sensorelement 11 an die Umgebung abgegebene Wärmeenergie ist zum einen eine Funktion des Temperaturgradienten, andererseits eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit der Luft relativ zum Sensorelement 11.
Selbst bei nur geringsten Luftbewegungen in der Nähe des Sensorelementes 11 ändern sich die Temperaturgradienten zwischen
der auf konstanter Temperatur gehaltenen Heizstruktur 32, der gassensitiven Schicht 33 und der - Temperatur der Umgebungsluft.
Daher wird man trotz aufwendiger elektronischer Regelungen in der Praxis immer erhebliche Schwankungen des Sensorwiderstandes in Normalluft feststellen, was in der Vergangenheit den Einsatz von Halbleitersensoren erheblich eingeschränkt hat, da der Grundwiderstand der gassensitiven Schicht 33 mit der Temperatur massiv schwankt.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung. Ein Sensorelement 11 ist in einem Gehäuse 40 angeordnet, welches lufttechnisch verschlossen ist und Luftbewegungen außerhalb das Gehäuses 40 keinen Zutritt zum beheizten Sensorelement 11 gestattet. Das Gehäuse 40 ist bevorzugt so ausgebildet, daß sein Innenraum thermisch gegen die Umgebung isoliert ist. In dem Gehäuse 40 bildet sich nach einiger Zeit ein thermisches Gleichgewicht zwischen der Heizstruktur 32, dem Sensorsubstrat 31 als Wärmespeicher und der gassensitiven Schicht 33 aus, weil auch die Luft in deren Umgebung auf ein höheres Niveau aufgeheizt und der Temperaturgradient zwischen Luft und Sensorelement 11 damit verkleinert wird. Die durch den Temperaturgradienten zwischen Luft und Sensorelement 11 verursachten unerwünschten Schwankungen des Sensorwiderstandes werden auf diese Weise erfindungsgemäß wesentlich reduziert.
Das Gehäuse 40 weist erfindungsgemäß eine semipermeable Diffusionsschicht 47 auf, welche für Luftströmungen praktisch undurchlässig ist, jedoch von diffundierenden Luft- und Gasteilchen durchdrungen werden kann. Die Diffusionsschicht 47 besteht z.B. aus feinstkapilarem Kunststoff (Teflon, gereckte Folien etc.) oder z.B. aus einem Sinterkörper der aus Metall, Kunststoff, Glas oder Keramik. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die Diffusionsschicht die Deckfläche des Gehäuses 40.
Erfindungsgemäß diffundieren somit aufgrund der unterschiedlichen Partialdrücke innerhalb und außerhalb des Gehäuses 40 Gase durch die Diffusionsschicht 47 in das Gehäuse 40 hinein oder aus ihm hinaus, wobei jedoch eine Luftzirkulation durch die diffusionsschicht 47 hindurch praktisch unterbunden ist.
Aufgrund von Luftbewegungen durch die semipermeable Diffusionsschicht 47 hindurch induzierte Wärmeströme sind ausgeschlossen oder zumindestens sehr stark eingeschränkt.
Die Anschlußdrähte 44 des Sensorelementes 11 sind vorzugsweise gasdicht z.B. durch den Gehäuseboden 45 geführt. Bevorzugt erfolgt dies, indem die Anschlußdrähte 44 in eine den Gehäuseboden 45 bedeckende Glasschicht 49 eingeschmolzen sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung sind der Gehäusemantel 48, der Gehäuseboden 45 sowie die Diffusionsschicht 47 und damit das Gehäuse 40 wärmedämmend und/oder thermisch isolierend ausgebildet.
Hierdurch wird in Kombination mit einer sehr exakten Heizungs-Regelung erreicht, daß sich in einem sehr weiten Temperaturbereich keinerlei Auswirkungen der Umgebungstemperatur auf den Sensorwiderstand in Normalluft mehr zeigen.
Ein weiterer Vorteil ist, daß sich der Energiebedarf des Sensorelementes 11 durch die erfindungsgemäße wärmedämmende und/oder thermisch isolierte Ausbildung des Gehäuses 40 und der Diffusionsschicht 47 erheblich verringern läßt, was beim Betrieb mit Batterien sehr wichtig und vorteilhaft ist.
Wie oben bei der Erläuterung des Standes der Technik bereits erwähnt, ist es bekannt, die Differenz zwischen aktuellem Signal und Mittelwert auszuwerten. Treten plötzlich Ereignisse auf, auf die der Sensor anspricht, lassen sich diese mit dieser Methode sehr gut detektieren. Langsame und/oder nur kleine Änderungen des Sensorwiderstandes führen dagegen zu keinen Auswertungen bzw. Schaltsignalen.
Figur 5 verdeutlicht dieses bekannte Verfahren. Das aktuelle Sensorsignal 51 wird über eine bestimmte Zeit gemittelt und mit einem konstanten Wert addiert, so daß sich ein im Mittel geringfügig oberhalb des Sensorsignals liegendes gemitteltes Signal ergibt, das als Referenzsignal 52 herangezogen wird. Treten Ereignisse 53, 54 auf, die den Wert des aktuellen Sensorsignals auf Werte oberhalb des Referenzsignals 52 verändern, wird ein Schaltsignal ausgelöst.
Langsame Änderungen des aktuellen Sensorsignals werden ignoriert. Hingegen wird beim Auftreten von plötzlichen Konzentrationserhöhungen oxidierbarer Gase in der Umgebungsluft zuverlässig ein Schaltsignal generiert. In vielen Fällen ist es aber sehr wichtig, daß auch ein langsamer Anstieg von Gaskonzentrationen sicher detektiert wird, z.B. wenn sich die Konzentration toxischer Gase sehr langsam erhöht, was auf jeden Fall detektiert werden muß. Das unter Bezug auf Fig. 5 erläuterte Verfahren kann daher nicht ohne weiteres angewandt werden.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung wird die Heizleistung durch eine zusätzliche Größe (zur Temperatur) beeinflußt. Regelungstechnisch gesehen wird dadurch eine Störgrößen- Aufschaltung vorgenommen.
Dieser erfindungsgemäßen Idee liegt die Beobachtung zugrunde, daß Änderungen der elektrischen Parameter der gassensitiven Sicht 33 des Sensorelementes 11 (Widerstand, Kapazität, Induktivität) sowohl vom Angebot oxidierbarer oder reduzierbarer Gase stammen als auch das Ergebnis von Schwankungen der Luftfeuchte oder der Temperatur sein können.
Im Nachfolgenden sei der Einfachheit halber nur die Detektion oxidierbarer Gase beschrieben. Reduzierbare Gase verhalten sich prinzipiell invers, erhöhen also z.B. den Sensorwiderstand, wogegen oxidierbare Gase diesen verkleinern. Die Erfindung sinngemäß, wenn auch invers, auch für reduzierbare Gase anwendbar.
Figur 6 dient zur Erläuterung des Wirkungszusammenhanges. Zu Beginn gibt der Sensor in Normalluft bei einer Heizleistung von 6b ein aktuelles Sensorsignal ab, in Fig. 6 gekennzeichnet durch 6a. Anschließend wird der Sensor mit einem Gasimpuls, dessen Zeitdauer in Fig. 6 unten gekennzeichnet ist, beaufschlagt.
Der Kurvenabschnitt 68 in Fig. 6 zeigt den Verlauf des aktuellen Sensorsignals bei unbeeinflußter Heizleistung. Bei unbeeinflußter Heizleistung kommt das aktuelle Sensorsignal nach Ende des Gasimpulses erst nach längerer Zeit auf den Ausgangswert zurück. Der auf des Ende des Gasipmulses folgende Abschnitt der Kurve 68 zeigt diese Reaktion des aktuellen Sensorsignals auf den Gasimpuls bei konstanter Heizleistung, die in Fig. 6 durch die Linie 62 dargestellt ist
Eine Heizleistung mit Störgrößen-Aufschaltung, in Fig. 6 dargestellt durch die Kurve 63, führt hingegen zu einem durch die Heizleistung beeinflußten aktuellen Sensorsignal, das in Fig. 6 dem Kurvenabschnitt 64 folgt.
Wird die Heizleistung immer dann z.B. proportional im Sinne einer Temperaturerhöhung nachgeführt (Kurve 63), wenn das aktuelle Sensorsignal eine Änderung durchläuft, kommt das aktuelle Sensorsignal signifikant schneller auf den Ausgangswert zurück. Der auf des Ende des Gasimpulses folgende Abschnitt der Kurve 64 zeigt diese Reaktion des aktuellen Sensorsignals auf den Gasimpuls bei nachgeführter Heizleistung, die in Kurve 63 dargestellt ist
Wesentlich ist, daß im Falle einer tatsächlich am Sensor anstehenden Gaskonzentration die Reaktionen der gassensitiven Schicht 33 mit dem Gas auf jeden Fall stattfinden. Die Temperaturempfindlichkeit des Sensorsignals wird durch die Einwirkung des Gases verringert. Die durch die Temperaturnachführung bewirkte Änderung des Sensorsignals ist daher während des Gasimpulses geringer als vor oder nach dem Gasimpuls. Mit anderen Worten: das Sensorsignal reagiert während des Gasimpulses nur relativ schwach auf eine Änderung der Heizleistung und damit auf die Störgrößenaufschaltung. Die gasinduzierte Verminderung des aktuellen Sensorsignals nimmt daher bei Nachführung der Heizleistung annähernd den gleichen Verlauf wie bei einer ansonsten identischen Versuchsanordnung ohne Temperaturnachführung. D.h., die nach Beginn des Gasimpulses jeweils abfallenden Äste der Kurven 64 und 68 in Fig. 6 verlaufen annähernd deckungsgleich.
Wird die Reaktion des aktuellen Sensorsignals jedoch von z.B. einer Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur verursacht, so ändert sich die Temperaturempfindlichkeit des Sensorsignals nicht oder nur wenig. Eine Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur haben daher bei unbeeinflußter Heizleistung erheblichen und anhaltenden Einfluß auf das aktuelle Sensorsignal (Kurvenabschnitt 65 in Fig. 6).
Wenn jedoch bereits bei Beginn einer solchen Einwirkung die Heizleistung nachgeführt wurde, ist die durch die Temperaturnachführung bewirkte Beeinflussung des Sensorsignals deutlich größer als im Falle eines Gasipmulses. Mit anderen Worten: das Sensorsignal reagiert stark auf eine Änderung der Heizleistung und damit auf die Störgrößenaufschaltung. Daher ist die aufgrund einer Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur verursachte Veränderung des Sensorwertes nicht nur viel geringer, sondern auch zeitlich deutlich kürzer (Kurvenabschnitt 66 in Fig. 6) als im Fall einer unbeeinflußten Heizleistung (Kurvenabschnitt 65 in Fig 6), und bereits die abfallenden Äste der Kurven 65 und 66 in Fig. 6 verlaufen nicht deckungsgleich.
Durch eine erfindungsgemäßes Verfahren kann somit anhand des zeitlichen Verhaltens des Sensorsignals zwischen einem Gasimpuls und einem Feuchteimpuls unterschieden werden. Die Reaktion des Sensorsignals auf den Feuchteimpuls wird erfindungsgemäß zu einem erheblichen Teil durch die Heizungsnachführung kompensiert.
Erfindungsgemäß ist daher die Heizungsregelung des Sensors so ausgelegt, daß die Führungsgröße des Heizungsreglers die Temperatur ist, und daß eine Störgröße auf die Regelung aufgeschaltet wird, die sich aus der Abweichung des aktuellen Sensorsignals von einem Normalwert bei Normalluft ableitet.
Wie unter Bezug auf Fig. 1 und 2 erläutert wurde, können sowohl die
Signalverarbeitung als auch die Heizungsregelung vorteilhaft durch einen einzigen Singlecircuit-Controller (μC) gesteuert werden.
Das vorteilhafte Ergebnis einer Kombination aus a. einer Anordnung des Sensorelementes 11 in einem thermisch isolierten bzw. wärmedämmenden Gehäuse 40 mit thermisch isolierender bzw. wärmedämmender Diffusionsschicht 47, durch die ein Gaszutritt zum Sensorelement 11 ohne Luftbewegung durch Diffusion erfolgen kann, b. einem diffusionsbedingten Gaszutritt zum Sensor ohne Luftbewegung, c. einer Heizung des Sensorelementes 11 durch Regelung der Temperatur, wobei dem Regelkreis als Störgröße die relative Abweichung des aktuellen Sensorwiderstandes vom Widerstand des Sensorelementes 11 unter Normalbedingungen aufgeschaltet wird, besteht darin, daß das Sensorsignal schnell und fast ausschließlich dem faktischen Gehalt an oxidierbaren Luftinhaltsstoffen folgt und weitaus weniger Drifterscheinungen als bisher bekannt aufweist.
Wird eine Auswertung vorgenommen, die den aktuellen Sensorwert mit einem über die Zeit ermittelten Durchschnittswert vergleicht, kann dann von deutlich geringeren Schwankungen des Sensorsignals unter Normalbedingungen ausgegangen werden, insbesondere dann, wenn das System nach einiger Zeit stabil geworden ist.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher die Zeitspanne, über die der Mittelwert der aktuellen Sensorsignale gebildet wird, um als Vergleichswert zum aktuellen Sensorwert zu dienen, nicht konstant, sondern nimmt im Laufe der Betriebszeit des Systems immer weiter ZU.
Der erste Vergleichswert wird aus dem Mittelwert über einen relativ kurzen Zeitraum gewonnen, weil das System unmittelbar nach dem Einschalten zwangsläufig hohen eigendynamischen Schwankungen unterliegt. Nach der Einschaltphase wird diese Zeitspanne erhöht und diese erreicht schließlich im eingeschwungenen Zustand eine wesentlich längere Integrationszeit. Da der Mittelwert prinzipiell genau mit dem aktuellen Sensorsignal zusammenfallen kann, wird vom errechneten Durchschnittswert ein bestimmter Betrag abgezogen, um den sogenannten Referenzwert zu bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist der in Abzug zu bringende Betrag in der Anfangsphase sehr groß, so daß der Referenzwert einen großen Abstand zum Sensorwert hat. Dies ist wichtig, um zu verhindern, daß im nicht-eingeschwungenen Zustand Signale ausgelöst werden, obwohl keine signifikante Gaskonzentrationsänderung auftritt. Im weiteren zeitlichen Verlauf wird der Betrag sukzessive verkleinert, so daß im eingeschwungenen Zustand sich der Referenzwert immer mehr dem Sensorwert annähert.
Es können weitere Verfeinerungen eingeführt werden. In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Referenzwert nach heftigen gasinduzierten Sensorreaktionen wieder auf einen größeren Abstand zum Sensorwert gebracht, weil erfahrungsgemäß heftige Reaktionen des Sensors zu zeitweilig instabilen Sensorverhältnissen führen.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird die Berechnung des Durchschnittswertes wieder über kürzere Zeiträume vorgenommenen, wenn eine gasinduzierte starke Sensorsignaländerung eingetreten ist. In einer weiteren Ausführungsform wird die Berechnung des Durchschnittswertes für denjenigen Zeitraum ausgesetzt, in dem eine gasinduzierte Sensorsignaländerung auftritt.
Trotz der geschilderten Maßnahmen könnte der tatsächliche Gaspegel derartig langsam ansteigen, daß der Mittelwert diesem Anstieg im wesentlichen folgt. In diesem Fall könnten sich langsam erhebliche Gaskonzentrationen ausbilden, ohne daß die vorstehend beschriebene Auslösebedingung erfüllt wäre, gemäß der das aktuelle Sensorsignal einen kleineren Wert annimmt als der rechnerisch ermittelte Referenzwert.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird daher für den Referenzwert zusätzlich ein Minimalwert festgelegt, wobei der tatsächliche Referenzwert niemals kleiner werden kann als dieser festgelegte Minimalwert. Der Minimalwert ist so gewählt, daß durch sensorbedingte Schwankungen diese Grenze nicht erreicht wird, andererseits die Gaskonzentration, die diesem Sensorsignal zugeordnet werden können, noch keine dauerhaften Schäden auf den Menschen haben, bzw. im Falle einer z.B. Überwachung von Explosionsgrenzen (z.B. Methan-Luft-Gemisch) sich in weitem Sicherheitsabstand zur Explosionsgrenze befindet. Kommt es (z.B. bei der Anbringung des Sensors an geeigneter Stelle in oder an Atemschutzmasken zum Zwecke der Filter- oder Dichtheitsüberwachung), zu sprunghaften Änderungen der Feuchte oder Temperatur, wird bei Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahrens die Auswirkung dieser Einflüsse auf den Sensorwiderstand absolut kleiner und nur vorübergehend sein.
Trotzdem kann es zu einer irrtümlichen Signalauslösung kommen, die dann ein unerwünschter Fehlalarm wäre.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird daher eine zeitlich versetzte Auswertung vorgenommen, die unter Bezug auf Figur 7 erläutert wird.
Unter dem Sensor-Normpegel 71 liegt ein Referenzwert 77. Wenn ein Gasimpuls das aktuelle Sensorsignal um einen bestimmten Betrag verringert (mit 72 gekennzeichneter Kurvenabschnitt), wird der Referenzwert unterschritten und damit das Schaltkriterium erfüllt. Damit wird eine Art „stiller Voralarm", jedoch erfindungsgemäß noch nicht das Schaltsignal ausgelöst. Erst, wenn das Schaltkriterium für eine gewisse Zeitspanne, in Fig. 7 gekennzeichnet durch die Zeitdauer 73, erfüllt bleibt, wird ein Schaltsignal ausgelöst, das während der restlichen Zeitspanne (in Fig. 7 gekennzeichnet durch die Zeitdauer 74), in der das aktuelle Sensorsignal niedriger bleibt als der Referenzwert, aufrecht erhalten bleibt
Kommt es dagegen zu einem sehr kurzfristigen und daher praktisch zu vernachlässigenden Gasimpuls oder kommt es zu einem erfindungsgemäß zu kompensierenden Feuchteimpuls, der etwa eine Reaktion des aktuellen Sensorsignals auslöst, wie sie in Fig. 7 mit 75 gekennzeichnet ist, wird erfindungsgemäß kein Schaltsignal ausgelöst.
In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Zeitdauer 73 von Fig. 7 des Voralarms nicht fest definiert, sondern eine Funktion der Schnelle der Sensorsignal-Änderung oder eine Funktion des absoluten Änderungsbetrages über die Zeit. Wenn also innerhalb einer festgelegten Zeitspanne eine sehr große Sensorsignaländerung eingetreten ist, kann die Zeitspanne des Voralarms verkürzt werden. Dies ist vorteilhaft, um bei tatsächlich plötzlich auftretenden großen Gaskonzentrationen die Zeit bis zur Alarmauslösung so kurz wie möglich halten zu können.
Ein ähnliches Ergebnis kann erreicht werden, wenn das Sensorsignal über zwei unterschiedliche Zeitdauern, z.B. sowohl über einen Zeitraum von 20 s als auch über einen Zeitraum von 300 s, gemittelt wird. Von dem über die längere Zeitdauer gebildeten Mittelwert wird, wie vorerwähnt, ein bestimmter Betrag von z.B. 2% des Normalwertes o.a. abgezogen. Die so ermittelten Werte werden miteinander verglichen.
Wenn der über die kürzere Zeitdauer gebildete Mittelwert kleiner wird als der sich durch Mittelung über die längere Zeitdauer und Abzug eines bestimmten Betrages (z.B. 2 %) ergebende Wert, wird ein Schaltsignal ausgelöst.
Mathematisch läßt sich dies z.B. für den Fall, daß die längere Zeitdauer lOmal so lang ist wie die kürzere, durch Bildung folgender Differenz ausdrücken:
S, + S2 + s3 + ... + sr st + s2 + s3 + ... + s (l(Tn)
0,98" = Y n 10*n
Das Schaltkriterium ist erreicht, wenn der Wert Y negativ wird.
Häufig ist es aber nicht sinnvoll, zur Bildung eines Referenzwertes lediglich einen konstanten Betrag vom Mittelwert abzuziehen, da die Sensorkennlinie (Sensorsignal in Abhängigkeit von der Gaskonzentration) in der Regel nichtlinear ist.
Für den Fall, dass der ohmsche Widerstand der gassensitiven Schicht 33 zur
Bildung des aktuellen Sensorsignals verwendet wird, bedeutet dies, dass z.B. 10 ppm (parts per million) eines bestimmten Gases abhängig vom
Grundwiderstand der gassensitiven Schicht unterschiedliche Widerstands- änderungen bewirken. So ist z.B. bei niedrigem Grundwiderstand die durch 10 ppm eines Gases bedingte relative Widerstandsänderung wesentlich kleiner als bei hohem Grundwiderstand. Diese Tatsache kann berücksichtigt werden, indem erfindungsgemäß die Sensorkennlinien verschiedener Zielgase in der Berechnung des Referenzwertes auf Grundlage des ermittelten Mittelwertes berücksichtigt werden.
Besonders kritisch ist der Einsatz des beschriebenen Sensorsystems, wenn das System in Betrieb genommen wird, während bereits eine erhebliche Gasbelastung vorliegt. Da das System nämlich keine Absolutkonzentrationen messen kann, sondern lediglich Änderungen (bezogen auf den Referenzwert) innerhalb des Beobachtungszeitraumes erfassen kann, würde das System keinen Hinweis (Schaltsignal, Alarm) auf die tatsächlich vorliegende Gasbelastung liefern.
Erfindungsgemäß wird diese Problemstellung dadurch gelöst, dass die Temperatur der gassensitiven Schicht kurzzeitig erhöht wird. Die Temperaturerhöhung bewirkt zum einen eine Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts innerhalb der gassensitiven Schicht, die sich in einer Veränderung des Sensorsignals zeigt, zum anderen wird der Sensor kurzzeitig auf einer anderen (temperaturabhängigen) Kennlinie betrieben. Die Erfassung und Auswertung der Sensorsignale vor, während und nach der kurzzeitigen Temperaturerhöhung ermöglicht Rückschlüsse auf eine eventuell vorliegende Gasbelastung.
Liste der Bezugszeichen:
11 Sensorelement
12 Außenwiderstand
13 zentrales Steuer- und Regelgerät 14 Steuerleitung
15 Schaltbaustein
16, 18 erster, zweiter A/D-Wandler
21 Heizimpulse
22 stromloses Zeitintervall 31 Sensorsubstrat
32 Heizstruktur
33 sensitive Schicht 40 Gehäuse
44 Anschlußdrähte 45 Gehäuseboden
47 Diffusionsschicht
48 Gehäusemantel
49 Glasschicht
51 aktuelles Sensorsignal 52 Referenzsignal
53, 54 Ereignisse
60a anfängliches Sensorsignal
60b anfängliche Heizleistung
62 konstante Heizleistung 63 Heizleistung mit Störgrößen-Aufschaltung
64 Sensorsignal bei Gasimpuls und nachgeführter Heizung
65 Sensorsignal bei Feuchteimuls und nicht nachgeführter Heizung
66 Sensorsignal bei Feuchteimuls und nachgeführter Heizung
67 Sensorsignal bei konstanter Heizleistung 68 Sensorsignal bei Gasimpuls und nicht nachgeführter Heizung
71 Sensor-Normpegel
72 Reaktion des Sensorsignals auf Gasimpuls
73 Zeitdauer des "stillen Voralarms"
74 Zeitdauer des Schaltsignals 75 Reaktion des Sensorsignals auf Feuchteimpuls Gewerbliche Anwendbarkeit:
Die Erfindung ist z.B. gewerblich anwendbar zur Überwachung von Atemschutz-Ausrüstungen (z.B. Atemschutz-Masken), zur Überwachung explosionsgefährdeter Gas-Luftgemische, zur Ermittlung der Qualität von Luft zum Zwecke der situationsadaptierten Beeinflussung von Lüftungen jeder Art und zur Überwachung der Atemluft in geschlossenen Räumen und im Freien.

Claims

Patentansprüche:
1. Sensorvorrichtung zur Detektion von in Luft enthaltenen Gasen oder Dämpfen mittels eines Sensorelementes, das eine gassensitive Schicht aufweist und mittels einer Heizstruktur elektrisch beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) in einem Gehäuse (40) angeordnet ist, welches das Sensorelement (11) von außerhalb des Gehäuses (40) stattfindenden Luftbewegungen abschirmt, wobei das Gehäuse (40) eine Diffusionsschicht (47) aufweist, durch welche per Diffusion ein Durchgang von Gas und Dampf von außen in das Innere des Gehäuses (40) und umgekehrt möglich ist.
2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (40) und die Diffusionsschicht (47) wärmedämmend oder thermisch isolierend ausgebildet sind.
3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschicht (47) aus einem Sintermaterial mit glasartiger oder metallischer Struktur besteht.
4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsschicht aus einer gasdurchlässigen Kunststofffolie besteht.
5. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) ein Metalloxidsensor ist.
6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolie aus Teflon (PTFE) besteht.
7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (11) zu seiner elektrischen Beheizung eine
Heizstruktur (32) aufweist.
8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizstruktur (32) eine strukturierte Platinschicht ist.
9. Verfahren zum Betreiben eines Sensorelementes zur Detektion von in Luft enthaltenen Gasen oder Dämpfen, das eine gassensitive Schicht aufweist und mittels einer Heizstruktur elektrisch beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Sensorelementes (11) geregelt wird und der Temperatursollwert in Abhängigkeit von der Größe oder dem zeitlichen Verhalten des Sensorsignals mittels einer Störgrößenaufschaltung zumindest zeitweise verändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal mit einem aus zeitlich zurückliegenden Sensorsignalen gleitend oder adaptiv gebildeten Referenzwert verglichen wird, wobei die Differenz zwischen Sensorsignal und Referenzwert und/oder das zeitliche Verhalten dieser Differenz zur Auslösung eines Schaltsignals herangezogen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einem Temperaturkoeffizienten behaftete elektrische Widerstand der Heizstruktur (32) als Regelgröße für die Temperatur des Sensorelementes (11) verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der gassensitiven Schicht (33) nicht konstant gehalten wird, sondern in Abhängigkeit vom zeitlichen Verhalten des Sensorsignals eine die Temperatur der gassensitiven Schicht (33) erhöhende Störgrößenaufschaltung so erfolgt, daß anhand des zeitlichen Verhaltens des Sensorsignals solche Störeinflüsse, die durch Änderungen der physikalischen Umgebungsbedingungen verursacht sind, von solchen Einflüssen, die durch eine Änderung der Gaszusammensetzung oder Gaskonzentration verursacht sind, unterscheidbar sind.
13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Störgrößenaufschaltung die Heizleistung durch das Sensorsignal kurzzeitig so beeinflußt wird, daß eine Änderung des Sensorsignals, die durch eine Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur verursacht wird, schneller und/oder in einem stärkeren Ausmaß kompensiert wird als eine Änderung des Sensorsignals, die durch eine Änderung der Gaskonzentration verursacht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Änderung des Sensorsignals, die durch eine Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur verursacht wird, von einer Änderung des Sensorsignals, die durch eine Änderung der Gaskonzentration verursacht wird, anhand des jeweils unterschiedlichen zeitlichen Verhaltens des Sensorsignals unterscheidbar ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterscheidung zwischen Änderung des Sensorsignals, die durch eine Änderung der Luftfeuchte oder einer Änderung der Lufttemperatur verursacht wird, und einer Änderung des Sensorsignals, die durch eine Änderung der Gaskonzentration verursacht wird, mittels geeigneter Software automatisch erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus zeitlich zurückliegenden Sensorsignalen ein Mittelwert gebildet und aus diesem ein zur Auslösung eines Schaltsignals heranziehbarer Referenzwert für das jeweils aktuelle Sensorsignal gebildet wird, wobei für den Zeitraum der Störgrößenaufschaltung die Mittelwertbildung ausgesetzt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Referenzwertes die Kennlinie des Sensorelementes berücksichtigt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion oxidierbarer Luftinhaltsstoffe für den Zeitraum, in dem der aktuelle Sensorwert kleiner als der aus dem Mittelwert gebildete Referenzwert ist, die Mittelwertbildung aussetzt und der alte Referenzwert beibehalten wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion reduzierbarer Luftinhaltsstoffe für den Zeitraum, in dem der aktuelle Sensorwert größer als der aus dem Mittelwert gebildete Referenzwert ist, die Mittelwertbildung aussetzt und der alte Referenzwert beibehalten wird.
20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Bildung des Mittelwertes berücksichtigte Mittelungszeitraum varaiabel ist.
21. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Referenzwertes durch Berücksichtigung zeitlich vorausgegangener Sensorsignale erfolgt, wobei die Länge des hierbei berücksichtigten Zeitraumes varaiabel ist.
22. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung des Referenzwertes durch Berücksichtigung zeitlich vorausgegangener Referenzwerte erfolgt, wobei die Länge des hierbei berücksichtigten Zeitraumes variabel ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des berücksichtigten Zeitraumes vom zeitlichen Verhalten des Sensorsignals abhängt.
24. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorsignal zugleich über zwei unterschiedliche Zeiträume gemittelt wird, wobei von dem über den längeren Zeitraum gebildeten Mittelwert ein bestimmter Betrag oder abgezogen wird und ein Schaltsignal ausgelöst wird, wenn der über den kürzeren Zeitraum gebildete Mittelwert kleiner wird als der sich durch Mittelung über den längeren Zeitraum und Abzug des bestimmten Betrages ergebende Wert.
25. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Heizstruktur periodisch vorübergehend erhöht wird •und die Sensorsignale vor, während und nach jeder Temperaturerhöhung zur qualitativen Ermittlung einer Anwesenheit zusätzlicher oxidierbarer bzw. reduzierbarer Luftinhaltsstoffe verglichen werden.
26. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Impedanz der gassentiven Schicht (33) zur Bildung eines Sensorsignals benutzt wird.
27. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des elektrischen Widerstandes der gassentiven Schicht (33) zur Bildung eines Sensorsignals benutzt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß für den Referenzwert zusätzlich eine untere Schranke festgelegt ist, die der Referenzwert niemals unterschreiten kann und die durch sensorbedingte Schwankungen nicht erreicht wird, wobei die Gaskonzentration, die diesem Sensorsignal zugeordnet werden kann, keine dauerhaften Schäden auf den Menschen hat bzw. sich im Falle einer z.B. Überwachung von Explosionsgrenzen in weitem Sicherheitsabstand zur Explosionsgrenze befindet.
EP00925124A 1999-03-17 2000-03-17 Sensorvorrichtung und verfahren zur detektion von in luft enthaltenen gasen oder dämpfen Withdrawn EP1165187A1 (de)

Applications Claiming Priority (5)

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