NL7908932A - Halfgeleider-gassensor met geregelde verwarming. - Google Patents

Description

{ *

Halfgeleider-gassensor met geregelde verwarming.

De uitvinding heeft "betrekking op een half-geleider-gassensor met door temperatuurafhankelijke veerstand geregelde electrische verwarming.

De halfgeleider-gassensoren maken de 5 concentratiemeting en controle mogelijk van gasbestand-delen in gasmengsels, bijvoorbeeld in‘de atmosfeer.

Zij verlangen het nauwkeurig handhaven van een bepaalde verhoogde bedrijfstemperatuur, om betrouwbare metingen op te leveren. Daartoe zijn verwarmingen met een nauv-10 keurige regeling nodig.

Bij een bekende gasdetector wordt de als gassensor dienende halfgeleiderlaag door een aangrenzende verwarmer, een electrische weerstandslaag, op de verhoogde bedrijfstemperatuur gehouden. Beide elementen zijn op 15 een keramische drager aangebracht, waartegen de, de verwarming sturende, temperatuur^afhankelijke weerstand in de vorm van een thermistor aanligt. De thermistor wordt met een gestabiliseerde spanning door tussenkomst van een met een transistor uitgeruste constante stroombron 20 bediend. Bij wisselende temperatuur verandert de weerstand van de thermistor en zodoende de daarop staande spanning. Deze schakelt eter tussenkomst van een transistor en een Darlington-bekrachtiger de stroomflux door de verwarmer bij een onderste temperatuurwaarde in en bij 25 een bovenste temperatuurwaarde uit. Een cyclus van in- en uitschakeling duurt bij normale temperatuurgesteldheden ongeveer 3 s. Bezwaarlijk is, dat het zelfs bij constante milieugesteldheden optredende schommelen van de bedrijfs- 7908932 Μ 2 temperatuur bij een gevoelige ^nsor reeds het meetresultaat beïnvloeden kan. (General Monitors, Model 2200).

Een bekende gasdetector met een halfgeleider als gassensor heeft een electrische verwarmer, die 5 dicht aangrenzend aan de gassensor aangebracht is en deze tot de hoogste bedrijfstemperatuur verwarmt. De verwarmer bestaat uit een weerstand met aanzienlijke temperatuurcoëfficiënten. Deze ligt met vergelijks-weerstanden in een brugschakeling, die in serie met een 10 eerste transistor op de voedingspanning aangesloten is.

Door tussenkomst van een servolus wordt de door de brugschakeling lopende stroom met de eerste transistor in afhankelijkheid van de spanning over de brugdiagonalen zo gestuurd, dat de weerstandswaarde van de verwarmer in 15 hoofdzaak op een vaste waarde, corresponderend met een nominale bedrijfstemperatuur, gehouden wordt. De servolus bestaat uit een met een weerstand teruggekoppelde operatieversterker, waarvan de ingangen met de brug.-diagonalen en waarvan de uitgang door tussenkomst van 20 een weerstand met een tweede transistor verbonden zijn.

De tweede transistor stuurt door tussenkomst van een weerstand de eerste transistor op de beschreven wijze. Bezwaarlijk is, dat de brugschakeling door de totale verwarmingsstroom doorstroomd is, waardoor de in serie .25 met de verwarmer aangebrachte vergelijksweerstanden aan een hoge stroombelasting en daarmee eigenverwarming blootgesteld zijn. Dit leidt tot een verandering van de weerstandswaarden, die de nauwkeurigheid van de temperatuurregeling nadelig beïnvloedt. Het over de vergelijks-30 weerstanden en ook over de eerste transistor optredende vermogensverlies stelt bij draagbare apparaten een verkorting van de gebruiksduur van de ingebouwde stroombron voor, en de ontstane warmte leidt tot een ongewenste verwarming van de kast, waarin de schakeling ondergebracht 35 is. Door zijn talrijke afzonderlijke delen is de schakeling 7908932 3 duur. (Duitse Offenlegungschrift 2h 15 315)·

Het oogmerk van de uitvinding is een halfgeleider-gassensor met een geregelde verwarming, die met geringe schakelingskosten bij kleine constructiegrootte een 5 gering vermogersrerlies een nauwkeurige handhaving van de bedrijfstemperatuur mogelijk maakt.

Dit oogmerk is volgens de uitvinding gerealiseerd doordat de verwarming door middel van een oscillator met de sturende elementen ïïTC(negatieve temperatuurscoëffi-10 ciënt)-weerstand in warmtecontact met de verwarmer en een condensator bediend wordt. Zodoende wordt door een door de temperatuur gestuurde oscillator de verwarmer of aan- of afgeschakeld. Een verlaging van de verwarmingsstroom op tussenwaarden vinden in de schakeling niet plaats, 15 zodat ook een daarmee samenhangend vermogenverlies niet optreedt. Bij draagbare apparaten met ingebouwde stroombronnen wordt door het vermijden van verliezen de gebruikstijd daarvan verlengd. De trilling van de inrichting gebeurt met hogere frequentie, waarbij de verhouding van 20 verwarmingsduur tot verwarmingspauze door de temperatuur van de NTC-weerstand bepaald wordt. Dit levert een prac-tisch continue en zodoende nauwkeurige regeling op. Bij inwerking van sterkere storingen van buiten af wordt het trillingsbereik van de inrichting kortstondig over-25 schreden en dan door ononderbroken aan- resp. afschakelen van de verwarmer een versnelde terugkeer tot de bedrijfstemperatuur bewerkstelligd. Het geringe aantal schakel-elementen en het geringe warmteverlies daarvan veroorloven een ruimtebesparende opbouw met onderbrenging van de regel-30 schakeling in de sensorkast bij korte leidinglengten.

Een doelmatige verdere uitvoering van de uitvinding is verkregen doordat de oscillator in zijn schakeling een operatieversterker heeft, waardoor door de hoge versterking door middel van de operatieversterker een zeer betrouw-35 bare oscillator gevormd en zodoende een nauwkeurige regeling 7908932 ft

It van de verwarming verkregen wordt.

Een uitvoeringsvoorbeeld van de uitvinding is in de tekeningen voorgesteld en wordt in het volgende beschreven.

5 Fig. 1 toont de halfgeleider-gasaensor met de geregelde verwarming in de sensorkast, fig. 2 toont het schakelschema van de geregelde verwarming, fig. 3 is een diagram van het spanningsverloop 10 over de tijd in de punten A en B van het schakelschema.

In fig. 1 wordt in de sensorkast 1 het onderste blad 2 met de electronische constructiedelen van de regelschakeling opgehouden. Hieraan wordt door tussenkomst van de toevoerleiding 3 uit de stroomvoorzienings- en 15 aanwijsinrichting 12 de voedingspanning toegevoerd. Het bovenste blad 1 draagt de van de weerstandslaag 5 voorziene verwarmer 6, waartegen de HTC-weerstand 7 in warmtege-leidende verbinding, maar electrisch geïsoleerd aanligt.

De verwarmer 6 en HTC-weerstand 7 zijn door tussenkomst 20 van leidingen met de constructiedelen op het onderste blad 2 verbonden. Het te verwarmen object, de halfgeleider-gassensor 8, ligt warmtegeleidend tegen de verwarmer 6 aan. De met de halfgeleider-gassensor 8 verbonden meetleiding 9 is in samenhang met de toevoerleiding 3 door de opening 25 10 in de bodem 11 van de sensorkast 1 naar buiten gevoerd en op de stroomvoorzienings- en aanwijsinrichting 12 aangesloten. De sensorkast 1 is met het van gaten voorziene deksel 13 gesloten, door de gaten waarvan het te controleren gas uit de omgeving bij de halfgeleider-gassensor 8 30 geraken kan.

Zoals in fig. 2 wordt gezien, wordt de positieve voedingspanning ü van 10 V door tussenkomst van de δ beveiligingsweerstand 1¼ (800 Ω ) aan een brug van Wheatstone toegevoerd, die uit de potentiometer 15» 35 de weerstand 16 (12 kft ), de NTC-weerstand 7 en de weer- 7908932

Jk 5 stand 17 (12 kQ } bestaat. De Zenerdiode 18 waarborgt een constante werkspanning van 5*6 V voor de brug van Wiesb^one · De omkerende ingang (-) van de operatiever-sterker 19 is met het verbindingspunt van de potentio-5 meter 15 met de weerstand 16 verbonden, en de niet-om-kerende ingang (+) met het verbindingspunt van NTC-weer-stand 7 met de weerstand 17. De uitgang van de operatie-versterker 19 is met de basis van de transistor 20 verbonden, en de emitter daarvan door tussenkomst van de 10 verwarmer 6 met de voedingspanning ü en door tussenkomst s van de condensator 21 (0,15yF) met de niet-omkerende ingang (+) van de operatieversterker 19·

De werking van de geregelde verwarming is als volgt: De potentiometer 15 is overeenkomstig de gewenste nominale 15 temperatuur van de verwarmer 6 van 150°C, resulterend uit de bedrijfstemperatuur van halfgeleider-gassensor 8, op ongeveer 170Ω ingesteld. Bij inbedrijfname zijn de verwarmer 6 en NTC-weerstand 7 koud, en is de weerstand van de NTC-weerstand 7 hoog en bedraagt ongeveer 12 kfl.

20 Zodoende ligt over de niet-omkerende ingang (+) van de operatieversterker 19 met ongeveer 2,8 V een aanzienlijk geringere spanning dan over&omkerende ingang (-) met ongeveer 5*5 V. Het lineaire bereik van de zonder tegen-koppeling met maximale versterking werkende operatie-25 versterker 19 strekt zich slechts over een spanningsverschil van 0,1 mV over zijn ingangen uit. Met het optredende spanningsverschil is de operatieversterker 19 vol uitgestuurd, waarbij de uitgang daarvan het onderste spanningsniveau aanneemt. Daardoor wordt de transistor 20 doorge-30 stuurd. De verwarmer 6 wordt doorstroomd en de verwarmer 6 en zodoende de NTC-weerstand 7 worden verwarmd. Als gevolg van de verwarming verminderen de weerstand van de NTC-weerstand 7 en zodoende het spanningsverschil over de ingangen van de operatieversterker 19. Het spannings-35 niveau over de uitgang van de operatieversterker 19 blijft 7908932 * 6 echter eerst onveranderd, daar de operatieversterker 19 ook door het kleiner geworden spanningsverschil over zijn ingangen vol uitgestuurd is. De verwarming wordt met vol vermogen voortgezet.

5 Eerst wanneer "bij benadering van de nominale temperatuur het spanningsverschil over de ingangen met zowat 0,1 mV in het lineaire bereik van de operatieversterker 19 komt, treedt over zijn uitgang een stijging van het spanningsniveau op. Hierdoor komt op de in het volgende 10 beschreven wijze een oscillerende stroomflux door de verwarmer 6 tot stand. De aansturing van de transistor 20 met een hoger spanningsniveau verhoogt zijn weerstand, en de spanning over zijn emitter neemt toe. Deze positieve spanningstoename wordt door tussenkomst van de condensa-15 tor 21 op de niet-omkerende ingang (+) van de operatieversterker 19 teruggekoppeld, daarin weer versterkt en opnieuw over de transistor 20 werkzaam. Van hier wordt het signaal opnieuw naar de operatieversterker 19 teruggekoppeld, versterkt enz. Het resultaat is een plotsklaps 20 snel doorlopen van het lineaire bereik van de operatieversterker 19· Zijn uitgang neemt het bovenste spanningsniveau aan. In het diagram van fig. 3 bevindt deze ver-warmingssprong zich tussen de punten 22 en 23. De transistor 20 sluit nu de stroomflux door de verwarmer 6 af en 25 de verwarmingspauze treedt in.

Nu vindt de ontlading van de condensator 21 plaats.

Dit gebeurt eerst in hoofdzaak door tussenkomst van de

Zenerdiode 18 en de geringe warmteweerstand van de NTC- weerstand 7» tot de spanning van het meetpunt A gelijk is 30 aan de spanning van de Zenerdiode 18 (punt 2b in fig. 3).

de , .

Het proces verloopt snel met/tijdconstante T1 * °21 * R7 warm

De verdere ontlading gebeurt alleen nog door tussenkomst van de weerstand 17 met zijn ten opzichte van de warmteweerstand van de NTC-weerstand hogere weer- 7908932 7 standswaarde en duurt als gevolg van de zodoende grotere tijdconstante

T2 = C21 ‘ R1T

langer (tussen de punten 2b en 25 in fig. 3). Geraakt 5 door de ontlading van de condensator 21 het spanningsverschil over de ingangen van de operatieversterker 19 weer in zijn lineaire bereik, dan vindt het in het voorgaande beschreven plotsklaps doorlopen van het lineaire bereik in omgekeerde zin (tussen de punten 25 en 26 van 10 fig. 3) plaats, waarbij de condensator 21 plotsklaps geheel ontladen wordt. De uitgang van de operatieversterker 19 neemt weer zijn hoogste spanningsniveau aan, en door tussenkomst van de doorgestuurde transistor 20 treedt de stroomflux door de verwarmer 6 op, en treedt de ver-15 warmingsduur in.

De overgang tot een vernieuwde afsluiting van de stroomflux wordt door de oplading van de condensator 21 bepaald, die door tussenkomst van de beveiligingsweerstand 1¾ en de warmteweerstand van de NTC-weerstand 7 met de tijd-20 constante Tlaad C21 * ^R1U + R7 varm^ plaatsvindt (tussen de punten 26 en 22 van fig. 3). Geraakt daarbij het spanningsverschil over de ingangen van det operatieversterker 19 in zijn lineaire bereik (bij 25 het punt 22), dan begint het beschreven, met hogere frequentie (in^orde van grootte van 1 kHz) verlopende trillingsproces van voren af aan.

De regeling wordt bij het trillingsproces op zodanige wijze werkzaam, dat de lengte van de verwarmings-30 duur en verwarmingspauze zomede hun verhouding van de temperatuur van de HTC-weerstand ^ afhangen. Bij een geringere temperatuur dan de nominale temperatuur is R^, groter. Daardoor wordt de verwarmingsduur, bepaald door Tiaad » in geringe mate verlengd, omdat de verhoging 35 van R gesommeerd met R^ in \aad OPS88·'*'·

Voor de deelstappen van ae verwarmingspauze werkt 7908932 8 <* de vergroting van E^ verschillend uit. De eerste deelstap, de ontlading van de condensator 21 op de spanning van de Zenerdiode 18, verlengt zich overeenkomstig aan de weerstandsverhoging volgens , 5 Voor de tweede deelstap, de verdere ontlading van de condensator 21 op de door de spanningsdeler uit NTC-weerstand 7 en weerstand 17 ter plaatse van het verbindingspunt van deze constructiedelen gegeven spanning, daalt deze spanning door de vergroting van E^. Het 10 grotere spanningsonderscheid bewerkstelligt een snellere ontlading van de condensator 21, zodat het spanningsverschil over de ingangen van de operatieversterker 19 eerder in zijn lineaire bereik geraakt met het beschreven plotsklaps doorlopen van het lineaire bereik der 15 beëindiging van de verwarmingspauze optreedt. Daar de tweede deelstap met de grote tijdconstante T2 = C21 ! R17 plaats vindt, werkt tijdelijk de verkorting van de tweede deelstap in hoofdzaak sterker uit dan de verlenging van de eerste deelstap. Over het geheel komt 20 het dus tot een verkorting van de verwarmingspauze.

Een geringere temperatuur dan de nominale temperatuur wordt zodoende door een geringe verlenging van de ver-warmingsduur en een duidelijke verkorting van de verwarmingspauze tegengewerkt. Treedt een temperatuur boven 25 de nominale temperatuur op, omdat de sensorkast 1 voorbijgaand door een instraling van buiten af getroffen wordt, dan verlopen de processen in omgekeerde zin.

Een hogere temperatuur dan de nominale temperatuur wordt dan door een geringe verkorting van de verwarmingsduur 30 en een sterke verlenging van de verwarmingspauze tegengewerkt .

Zijn de van buiten inwerkende storingen zo groot, dat door de veranderde weerstandswaarde van de NTC-weer- stand 7 het spanningsverschil over de ingangen van de 35 operatieversterker 19 niet meer in zijn lineaire bereik 7908932 <λ 9 geraakt, dan wordt door langdurig, ononderbroken aan-resp. afschakelen van de verwarmer 6, in dezelfde zin als voor de inbedrijfname beschreven is, de storing tegen-eewerkt, tot bij benadering bij de nominale temperatuur ^ de beschreven trillingsprocessen weexfinzetten.

79 ° 8 9 3 2

Claims (3)

1, Halfgeleider-gassensor met door temperatuur-afhankelijke veerstand geregelde electrische verwarming, gekenmerkt doordat de verwarming door middel van een oscillator met de sturende elementen NTC-weerstand (7) 5 in warmtecontact met de verwarmer (6) en een condensator (21) bediend wordt.

2. Halfgeleider-gassensor volgens conclusie 1, gekenmerkt doordat de oscillator in zijn schakeling een operatieversterker (19) heeft. 10

3. Inrichting, in hoofdzaak zoals voorgesteld in de beschrijving en/of tekeningen. 7908932