NO823195L - Fremgangsmaate og anordning for reduksjon av feilalarmer i gassvarslingsanlegg frembragt paa grunn av forstyrrende gasser - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte og .anordning for reduksjon av feilalarmer i gassvarslingsanlegg frembrakt på grunn av forstyrrende gasser, henholdsvis for bestemmelse av sammensetningen av en gassblanding, hvor det som gassfølsomt element benyttes en metalloksyd-halvleder,. som er oppvarmet til konstant temperatur.

Varsling og vern mot toksiske og eksplosive gasser hhv kjemisk damp er i dag i høy grad nødvendig i den kjemiske indus-tri, i trafikkanlegg som garasjer og tunneler og i fyringsan-legg. Det foreligger allerede metalloksyd-halvledere på mar-kedet, som kan brukes som sensorer for disse formål. I oppvarmet tilstand reagerer disse halvledere på reduserende gasser og damp i omgivelsene og på I^O med en endring av ledeevnen, hvilket utnyttes som indikasjon på den foreliggende integrale gasskonsentrasjon. Sensorene gir således ingen informasjon om hvilken gasskomponent eller hvilken kjemisk damp det dreier seg om. I fagspråket betyr dette at slike sensorer har "bredbånd"-respons når det gjelder gassfølsomhet. Men det er behov for informasjon om konsentrasjonsforløpet av en enkelt gass- eller dampkomponent. Dette praktiske krav er blitt tilfredsstilt ved at det ble fremstilt spesielle gass-sensorer for en bestemt gass (f. eks. en selektiv ^S-sensor) eller for en bestemt damp eller at en metalloksyd-halvleder blir utstyrt med forkoplede filtre, som blokkerer uønskede gasser. Det er i denne forbindelse uheldig at en slik abso-lutt selektivitet kan føre til at andre, farlige gasskompo-nehter eller dampkomponenter som foreligger i omgivelsene på samme tid, ikke blir registrert. Dette skal belyses nærmere ved hjelp av to eksempler. I en garasje installeres et gassvarslingsanlegg som selektivt reagerer på karbonmonoksyd (CO). Bensindamp, som måtte dannes på grunn av en utilsiktet ben-sinlekkasje, blir dermed ikke registrert. For at også disse farlige gassene skal bli registrert, trenger man bredbånd-metalloksyd-halvledere, som både reagerer på CO og på bensindamp. Ved dette kompromis innføres imidlertid problemet med feilalarmer igjen, slik det vil fremgå av det følgende. Metalloksyd-halvleder en reagerer med lignende følsomhet på CO

og bensindamp. Den konsentrasjon av giftig karbonmonoksyd,

som krever igangsetting av tiltak til vern av perso-ner, ligger imidlertid på va. 50 ppm, mens bensindamper blir eksplosive først ved langt høyere konsentrasjoner. En metalloksyd-halvleder som f.eks. er innstilt på en følsomhet for registrering av 50 ppm CO vil dermed simulere en alarmsitua-sjon, selv når det dreier seg om harmløse konsentrasjoner av bensindamp. Av denne grunn har man bevisst gitt avkall på registrering av bensindamp, slik at det ikke gjennomføres forholdsregler som spesielt retter seg mot slik damp.■

Det andre eksemplet dreier seg om underjordiske teleinnret-ninger, som er utsatt for eksplosjonsfare som følge av dif-fuse gassinnbrudd fra det offentlige gassledningsnett. Dess-uten er det i teleinnretningsrom anordnet akkumulatorer for nødstrømforsyning som utvikler hydrogen (t^) mens de er i drift. For igangsetting av egnede og spesifikke vernetiltak foreligger således den oppgave i slike rom å sondre mellom H2som forstyrrende gass og de eksplosjonsfårlige gasser fra gassforsyningsnettet. Også i dette tilfelle vil hydrogen ut-løse feilalarmer som man hittil bevisst har tatt med på kjø-pet, hvilket .betyr at lufteanlegg ofte er koplet inn uten grunn og har brukt en mengde elektrisk energi.

I tysk OS 2 313 413 beskrives en fremgangsmåte, for bestemmelse av gasskomponentinnholdet i en gassblanding ved hjelp av metalloksyd-halvledere. Metalloksyd-halvlederen er spesielt innrettet på CO-komponenten i en gassblanding som forekommer i bergverk. Halvlederen blir ved hjelp av en varmetråd varmet opp til en høyere temperatur. Under og etter den ukontroller-te avkjølingsfase til romtemperatur skjer Co-målingen, som blir differensiert'og integrert i en tilknyttet elektronisk bedømmelseskopling. Denne bedømmelse skjer bare i de øyeblikk det ikke gjennomføres måling. Ved denne anordning er det uheldig at den omtalte anordningen bare kan reagere på en gasskomponent og at bedømmelsen skjer atskilt fra målingen. Dette siste fører til forsinkelser av varslingen.

Til.belysning av det som hittil er kjent om metalloksyd-halvlederne vises til fig. 1, som gir et eksempel på en slik halvleders kjente reaksjonsmønster ved reaksjonsprofiler av to gasser.

Oppgaven for foreliggende oppfinnelse ligger i full utnyttel-se av metalloksyd-halvlederens bredbånd-følsomhet og i til- . legg i utforskning av komponentenes art, når det foreligger gass- hhv dampkomponenter som kan føre til alarm. Oppfinnelsen har videre til hensikt å .tilveiebringe en varslingsenhet som en del av et gassvarslingssystem, som individuelt kan programmeres for et bestemt gass- og damppar.

Videre treffes spesifikke vernetiltak for hver gass- og dampkomponent. Hele anlegget blir konstruert med enkle midler og lave produksjonsomkostninger og tillater enkelt vedlikehold under driftstiden.

Foreneligheten av de programmerbare varslingsenheter med allerede eksisterende gassvarslingsanlegg er sikret.

De oppgaver som oppfinnelsen går ut fra er løst ved de trekk som er angitt i krav 1, 2 og 3..

Et utførelseseksempél av oppfinnelsen skal belyses nærmere under henvisning til tegningen, hvor

fig. 1 viser reaksjonsmønsteret for en gass- hhv dampfølsom metalloksyd-halvleder;

fig. 2 viser tidsforløpet av metalloksyd-halvlederens utgangssignal ved registrering av en gass eller damp;

fig. 3 viser det elektroniske koplingsskjema for bedømmelse av metalloksyd-halvlederens utgangssignal.

I fig. 1 er den temperatur som metalloksyd-halvlederen varmesopp til angitt på abscissen. Ordinaten viser ledeevneendrin-ger i halvlederen ved de forskjellige oppvarmingstemperaturer. Som eksempel er bare de såkalte responsprofiler av to åtskil- bare gasser hhv damper A og B vist. Det skal spesielt bemer-kes at halvlederens ledeevne i gassomgivelser er meget for-skjellig ved forskjellige temperaturer. Det betyr at gasser eller damp med samme konsentrasjon produserer utgangssigna-ler med forskjellige spenningsverdier. Dette er grunnen til at en eksakt bedømmelse av gass- hhv damptype hittil ikke har vært mulig.

I fig. 1 er de to gassene A og B vist stedfortredende for et

. gasspar-. Det ovenfor nevnte eksempel med garasjen kan passe på denne figur. I de.tte tilfelle ville gassen A være karbonmonoksyd (CO) og den forstyrrende størrelse B (bensindamper). Ved hjelp av oppfinnelsen, som vil bli nærmere omtalt under henvisning til fig. 2 og 3, skal oppnås at gassalarm bare gis automatisk når komponenten A, dvs karbonmonoksyd, foreligger. Metalloksyd-halvlederen blir innstilt på temperaturen Tg, som-f.eks. kan være ca. 300°C. Innstillingen skjer ved elektrisk oppvarming. Når det så foreligger karbonmonoksyd (komponent A) eller bensindamp (komponent B) i halvlederens omgivelser, dannes en ledeevne ST av halvlederen. Dette avgis til den elektroniske kopling som er vist i fig. 3 og blir' der bedømt på en slik måte at det genereres et s k forvarsel. Den elektriske oppvarming av halvlederen blir i dette'tilfelle

styrt slik av den elektroniske kopling at temperaturen T reduseres med verdien -AT. For den ønskede komponent A fremkommer da en økning av halvlederens utgangssignal med verdien . A SA^. For den forstyrrende komponent B fremkommer en reduksjon av utgangssignalet med verdien ASB2. Slik får den elektroniske' kopling simulert en nøyaktig diskriminering mellom de to komponenter A og B, slik at den kan innlede de nødven-dige vernetiltak for eliminering av komponenten A. Denne ønskede funksjon blir gjennomført til tross for at den forstyrrende komponent B har langt større' effekt på utgangssignalet ertn den ønskede komponent A.

I det følgende skal oppfinnelsen forklares under henvisning til det andre eksempel som ble nevnt i innledningen. I de underjordiske rom for teleanlegg, som automat-sentraler, forsterkerstasjoner hhv. kabelbrønner kan det trenge inn eksplosive gasser fra gassforsyningsnettet i omgivelsene. Disse skal fjernes. Gassene betegnes som komponent B i fig. 1. Hyd-rogengassen betegnes med komponent Ai fig. 1. Som allerede omtalt i første eksempel er metalloksyd-halvlederen også i dette tilfelle innstilt på temperaturen T . Når det foreligger en eller begge komponenter A, B, har metalloksyd-halvlederen en ledeevne ST og genererer et tilsvarende utgangssignal. I dette tilfelle vil den elektroniske kopling, som er nærmere omtalt i forbindelse med fig. 3, forårsake en økning av temperaturen T med verdien +AT. Det vil da for den ønskede gass B skje en økning av utgangssignalet med verdien A SB^. For den uønskede gass A som betraktes som forstyrrende gass fås en reduksjon av utgangssignalet med.verdien ASA^. Med denne informasjon kan den elektroniske kopling i. fig. 3 innlede det spesifike vernetiltak.

Med gass-spesifike tiltak forstås at man f.eks. for fjernelse av karbonmonoksyd (CO) kopler inn lufteanlegg og at' man for fjernelse av bensindamp i tillegg til lufting finner frem til lekkasjekilden. Deretter må det eventuelt treffes egnede tiltak for at det ikke skal lekke ut mer bensin. Ved teleanlegg er det gass-spesifikke tiltak bare rettet mot de gasser som kommer fra gassforsyningsnettet i omgivelsene.

Fig. 2a og 2b viser det tidsmessige forløp av konsentrasjons-endringen i de gasser som overvåkes og metalloksyd-halvlederens ledeevne. Fig. 2a viser forholdene for gasskomponent A. Forholdene for gasskomponent B er gjengitt i fig. 2b. På de to figurenes abscisser er tiden t innført. De to figurenes ordinater viser konsentrasjonene C av gassene hhv dampen og metalloksyd-halvlederens ledeevne S. Det forutsettes av gasskomponenten A ifølge fig. 2a skal foreligge i en konsentrasjon Cq i omgivelsesluften i de rom som skal overvåkes. Metalloksyd-halvlederen har en ledeevne SQ. Konsentrasjonen av gasskomponenten A skal nå øke. i.løpet av en viss tid. Ved oppnåelse av en terskelverdi av konsentrasjonen C-^hhv ledeevnen S-^(i tiden tp) avgir metalloksyd-halvlederen et ut gangssignal til den elektroniske kopling i fig. 3. I fig. 2a er dette punkt betegnet med F. Dersom temperaturen av metalloksyd-halvlederen raskt reduseres med verdien-AT, som allerede nevnt i forbindelse med fig. 1, øker metalloksyd-halvlederens ømfintlighet overfor gasskomponenten A, dvs dens ledeevne øker til slik at utgangssignalet til den elektroniske kopling likeledes forstørres og det om nødvendig signaliseres en alarmtilstand. I fig. 2a er konsentrasjons-økningen av den farlige gasskomponent A, som antas-forårsa-ket av en gasslekkasje, vist med stiplet strek fra.punkt F. Etter betydelig lengre tid nås konsentrasjonen C^, hvilket

ved konstant temperatur gir verdien S^, som krever forebyg-gende tiltak.

Fig. 2b viser det tidsmessige forløp av registreringen av gasskomponenten B. Denne komponent skal foreligge med konsentrasjon CQi omgivelsesluften i de rom som skal overvåkes og stiger i tidens løp til verdien C-^. Dersom konsentrasjons- . verdien G, er nådd i tidspunkt tf, har metalloksyd-halvlederen en ledeevne S^. Utgangssignalet som nå kommer til den elektroniske kopling ifølge fig. 3, bevirker at metalloksyd-halvlederens temperatur raskt reduseres med verdien -AT.

ersom det ifølge fig. 2b bare foreligger gasskomponent B i omgivelsesluften, skjer en forringelse av ledeevnen. Den stiplede linje i kurven viser økningen av halvlederens ledeevne som følge av økningen i gasskomponentens B konsentrasjon.

I fig. 3 ses den elektroniske kopling for bedømmelse av ut-gang.ssignalené fra metalloksyd-halvlederen. Halvlederen 1

har dimensjoner i størrelsesorden 5 x 5 mm og bringes påønsket temperatur ved hjelp av elektrisk oppvarming. Spenningen Oj 1-1.0 V for varmetråden .2 genereres av oppvarmingsspennings-generatoren 3. Denne generator innstiller de ønskede spenningsverdier. Metalloksyd-halvlederens 1 temperatur. innstilles som omtalt i forbindelse med figurene 1 og 2. Metalloksyd-halvlederen antas å være anordnet i et rom som ikke er vist i fi-guren. Det antas at konsentrasjonen av den ene gass, f.eks. komponent A, øker. Metalloksyd-halvlederen 1 endrer sin lede-

evne S på tilsvarende måte, som vist i fig. 1 og 2a. Spen-ningskilden 5 påtrykker metalloksyd-halvlederen en konstant spenning, og halvlederens spenningssignaler blir tilsvarende forsterket i analogverdi-forsterkeren 4. De forsterkede spenningssignaler går via ledning 41 til FET 11 og tilslagskop-' lingene 7, 8, 9, 10 for første, andre, tredje og fjerde toppverdi av ledeevnen hhv konsentrasjonen av gass eller damp.

De samme signaler går via ledning 43 til grenseverdibryteren 12, som dog bare genererer et utgangssignal, dersom ledeevne-grenseverdien er nådd etter temperaturreduksjon hhv temperaturøkning. I komparatoren 6 blir spenningssignalet som gir informasjon om halvlederens 1 momentane ledeevne sammenlig-net med nominelle verdier som er lagret der og som er fast-lagt ifølge fig. 1. Så lenge konsentrasjonen av gassen eller dampen som består av flere komponenter ikke har nådd verdien. ved temperatur Tg av halvlederen 1, genererer komparatoren 6 ikke noe utgangssignal. I dette tilfelle er ledeevne-verdien S^ifølge fig. 2a og 2b ikke nådd.

Til forklaring av den elektroniske kopling ifølge fig. 3 antas nå at verdiene C-^og.S-^er nådd. Komparatoren 6 avgir da et utgangssignal på ledning 61, som kopler FET 71 for kopling 7 for første toppverdi i ledende tilstand. Samme utgangssignal kommer til strømkretsen 14, som via ledning 14 0 påvirker varmespenningsgeneratoren 3 slik at metalloksyd-halvlederens 1 temperatur stiger eller synker på ønsket måte (verdi). Koplingen 7 påvirker analogverdi-sammenligningskretsen 13, slik at det via ledning 130 går et signal til strømkretsen 14, slik at varmespenningsgeneratoren 3 påvirkes slik via ledning 140 at varmespenningen forandres i ønsket retning (fortegn). I foreliggende utførelseseksempel er analogverdi-sammenligningskretsen 13 programmert for hydrogen U*-^), karbonmonoksyd (CO) og metan (CH^). Det kan selvsagt programmeres, for andre gasser og/eller damper. Nå skjer en temperaturendring i ønsket retning (fortegn) med verdien AT. Dette er omtalt i forbindelse med fig. 1, 2a og 2b. Endringene i metalloksyd-halvlederens 1 ledeevne som følge av temperaturendringene slår ut i endringer av utgangssignalet. Vi forutsetter nå at det ble gjennomført en reduksjon av temperaturen med verdien

-AT, slik at spenningssignalet øker med verdien ASA^(fig. 1). Denne spenningsøkning går til. komparatoren 6 og via ledning 41 til koplingen 8 for den andre toppverdi, samt via ledning 43 til grenseverdibryteren 12, som nå kopler frem FET 81 for

koplingen 8. Kopling 8 vil nå til analogverdisammenlignings-kretsen 13 avgi signalet for andre toppverdi, som registrerer gasskomponenten A (fig. 1). Dersom det kreves spesifikke vernetiltak for denne gasskomponent A, er dette programmert. Analogverdi-sammenligningskretsen 13 vil. i dette tilfelle styre FET 11 i ledende tilstand via ledning 131. Vernetilta-kene kan nå innledes ved hjelp av anordningen 15. Disse vernetiltak kan omfatte akustisk eller optisk alarmorganisa-sjon, lufting, slokkeapparater e.l. Etter at metalloksyd-halvlederens ledeevne har avtatt som følge av forringet konsentrasjon av gasskomponent A, blir metalloksyd-halvlederens 1 temperatur via reset-ledningene innstilt på den opprinne-lige verdi T (fig. 1).

Hvis derimot bare gasskomponent, B (fig.. 1) er av betydning, . forandres analogverdi-sammenligningskretsen 13 i koplingen ifølge fig. 3 slik at strømkretsen 14 via ledning 130 bringes til å øke oppvarmingsspenningen slik at metalloksyd-halvlederens 1 temperatur stiger med verdien +AT. Grenseverdibryteren 12 og koplingen 8 må ikke forandres for dette formål. Den elektroniske kopling ifølge fig. 3 virker på samme måte som ved den ovenfor .omtalte reduksjon av temperaturen med verdien -AT.

Dersom det nå er komponent B som skal registreres og konsentrasjonen av den tett nærliggende gasskomponent A skulle sti-ge til verdien S av ledeevnen (fig. 1), da vil koplingen 7 for første toppverdi (fig. 3), som allerede omtalt, avgi et signal til analogverdi-sammenligningskretsen 13. Denne vil via strømkrets 14 forårsake en temperatursenkning, som via ledning 41 gir signalet for andre toppverdiASA^og signalet for reduksjonen ASB2til koplingen 8. Analogverdi-sammenligningskretsen 13 er nå. informert om at gasskomponent B ikke foreligger og vil dermed ikke kople inn alarmen og vernetiltak.

I den elektroniske kopling som er vist i fig. 3 er det med stiplede streker antydet ytterligere koplinger 9 og 10,. som er anordnet for tredje og fjerde osv toppverdi av metalloksyd-halvlederen 1. Koplingene settes i drift av en grenseverdibryter 12, som er programmert for de forskjellige toppverdier.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for reduksjon av feilalarmer i gassvarslingsanlegg frembrakt på grunn av forstyrrende gasser, hvor det som gassfølsomt element benyttes en metalloksyd-halvleder som drives ved konstant temperatur, karakterisert ved at det gassfølsomme elementets (1) temperatur raskt endres ved et utgangssignal som fremkalles av en ukjent gass- eller dampsammensetning, som følge av endringen av det gassfølsbmme elementets (1) ledeevne, og at fortegnet og verdien av den derav følgende ekstra endring av utgangssignalet føres til en elektronisk kopling for diskrimering .av den forstyrrende gass.-

2. Fremgangsmåte for bestemmelse av sammensetningen av en gassblanding ved hjelp av et gassfølsomt element som er utformet som metalloksyd-halvleder og er varmet opp til en konstant temperatur, karakterisert ved at det gassfølsomme elementets (1) temperatur raskt endres i positiv eller negativ retning når det foreligger et utgangssignal fra det gassfø lsomme element (1) og at den derved fremkalte signalendring i verdi og fortegn overlagres utgangssignalet og ledes til en elektronisk kopling.

3. Anordning for gjennomføring av fremgangsmåten som angitt i kravl, karakterisert ved at en komparator (6), som mottar utgangssignalet fra det gassfølsomme element (1) som er utformet som metalloksyd-halvleder, kopler inn en krets (7) for første toppverdi og at en analogverdi-sammenligningskr ets (13). gjennomfører den programmerbare endring av halvlederens (1) temperatur for diskriminering av den forstyrren.de gass.

4. Anordning for .gjennomføring av fremgangsmåten som angitt i krav 2, karakterisert ved at en komparator (6) når en første toppverdi foreligger, kopler inn en koplingskrets (7), som bringer analogverdi-sammenligningskretsen (13) til å endre halvlederens (1) temperatur i positiv eller negativ retning med verdien AT, hvor. signalendringen blir tilført analogverdi-sammenligningskretsen (13) via en grenseverdibryter (12) for analysering av gassens hhv dam-pens komponenter.

5. Anordning for gjennomføring av fremgangsmåten som angitt i krav 2, karakterisert vedat analogverdi-sammenligningskretsen (13) via en strømkrets (14) styrer oppvarmingen (3) av metalloksyd-halvlederen (1) slik at temperaturen er kontinuerlig foranderlig over halvlederens totale fø lsomhetsområde.

6. Anordning for gjennomføring av fremgangsmåten som angitt i krav 1 eller 2., karakterisert ved at' en grenseverdibryter (12), som mottar andre og etterføl-gende utgangssignal fra det gassfølsomme element (1) som er utformet som metalloksyd-halvleder, forbereder den koplingskrets (8,9,10) som er tilordnet utgangssignalet for andre og etterfølgende toppverdi av metalloksyd-halvlederens elektriske ledeevne, hvor samme utgangssignal via ledning (41) bare innstiller den forberedende koplingskrets (8, 9, 10).