WO2006037283A1 - Sensorsystem und verfahren mit einem gassensitiven sensorelement und einem heizelement - Google Patents

Sensorsystem und verfahren mit einem gassensitiven sensorelement und einem heizelement Download PDF

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WO2006037283A1
WO2006037283A1 PCT/DE2004/002173 DE2004002173W WO2006037283A1 WO 2006037283 A1 WO2006037283 A1 WO 2006037283A1 DE 2004002173 W DE2004002173 W DE 2004002173W WO 2006037283 A1 WO2006037283 A1 WO 2006037283A1
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sensor
gas
housing
sensor element
temperature
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PCT/DE2004/002173
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Hanns Rump
Claus Dieter Kohl
Carsten Supply
Jessica Gerhart
Reinhard Patzer
Nico Frühinsfeld
Reiner Preuss
Hans-Werner Schockenbaum
Original Assignee
T.E.M. Technologische Entwicklungen Und Management Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0011—Sample conditioning
    • G01N33/0016—Sample conditioning by regulating a physical variable, e.g. pressure or temperature
    • 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
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/16—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by burning or catalytic oxidation of surrounding material to be tested, e.g. of gas

Definitions

  • the invention relates to a sensor system for the purpose of detecting gases and vapors, such as for detecting explosive or combustible air / gas mixtures of heating gases, such as methane or propane or butane or carbon monoxide, with a metal oxide semiconductor sensor or catalytic converter, pellistor, with gas-sensitive active layer as a gas-sensitive sensor element, which is located in a housing provided with a gas inlet opening and which sensor element is heated to a controlled, constant temperature, according to the preamble of claim 1. Also, the invention relates to a method for the purpose of detecting gases and vapors according to the preamble of claim 7.
  • the reference numeral 1.1 is the substrate carrying the sensor layers, which may be made of ceramic or silicon.
  • 1.2 is a heater with leads, which can be made as an electrical resistance, for example made of platinum or in the case of silicon sensors can also be made of polysilicon.
  • the heater 1.2 tempered an active layer 1.4 to a certain temperature, which is typically between 300-450 0 C.
  • the electrical resistance of the active layer 1.4 is tapped via a finger-like contact structure 1.3 with leads by means of an electric current.
  • the active layer 1.4 consists of metal oxide, and may have different particle sizes.
  • the gas-sensitive metal oxide substances such as tin dioxide, zinc oxide, tungsten oxide, indium oxide, gallium oxide and some other metal oxides are known.
  • the gas penetrates into the metal oxide structure and reacts with the metal oxide, which is partially reduced becomes.
  • the electrical resistance or the conductivity of the metal oxide of the active layer 1.4 increases, whereby an evaluable change in the electrical output signal is obtained.
  • gases or vapors first adsorb to the surface of the active layer and then react with the metal oxides.
  • a different response of the sensor active layer to the gas present is determined for different gases.
  • the change in the electrical resistance of the active layer as a function of the gas concentration generally follows a strongly curved curve.
  • the change quotient R s / Ro is very high.
  • the curve is increasingly flatter and virtually asymptotic. Therefore, changes in the gas concentration in the saturation case virtually no longer affect the then very low electrical resistance of the gas sensor.
  • the invention is based on the problem to be solved that the industrial use of oxidic sensors or pellistors for the purpose of concentration measurement of oxidisable gases or vapors - for example of methane (CH 4 ) - precludes their fundamental cross-sensitivity to atmospheric moisture. Because with the humidity change both the baseline, the zero value, the sensor as well as the responsiveness of the sensor to the gas offered.
  • oxidic sensors can not be used for measurement purposes or for gas detection under increased requirements or under the requirements of the standard EN / DIN 50174.
  • a sensor element 3.1 is preceded by an activated carbon layer 3.2, which stores moisture.
  • an activated carbon layer 3.2 which stores moisture.
  • the storage capacity of the activated carbon rapid changes in the humidity are averaged, but pulse-like changes in the air humidity reach the sensor element Not. If the air humidity changes very slowly, for example in the rhythm of the annual times, the problem of moisture sensitivity can not be adequately resolved by means of an activated carbon buffer and must be termed a fake solution.
  • the storage capacity of the activated carbon is unpredictably influenced by the storage of gases and vapors, which is a further disadvantage.
  • FIG. 4 The response of an oxidic sensor at a low gas concentration 4.3 and at a larger gas concentration 4.4 is shown in FIG. 4 for this purpose. From FIG. 4 it can be seen that two measurement curves, 4.1 and 4.2, are shown with different air humidities. It can be seen that moisture, namely the curve 4.2, increases the response of the sensor derge ⁇ stalt, as if the supply of gas was greater. Dry air, on the other hand, triggers a reverse reaction: The reaction of the gas sensor, namely curve 4.1, to the supply of gas is less than that of greater humidity.
  • methane is chemically reacted on the heated surface of the sensor element according to the following reaction equation:
  • FIG. 5 shows the typically very strongly curved characteristic of the electrical resistance of the active layer of a metal oxide semiconductor sensor of the prior art.
  • the representation of the sensor resistance, y-axis is shown logarithmically, because the characteristic actually runs extremely steeply.
  • the characteristic is very strongly curved, whereby it becomes very flat above a certain gas concentration and runs asymptotically as it were.
  • the alarm limit of eg 1/10 LEL (4,400ppm) is 5.1. characterized.
  • Both points are already in the very flat part of the characteristic curve, which makes the metrological evaluation difficult.
  • the effects of humidity therefore generate a relatively large measurement error.
  • the resulting from the said chemical reaction moisture leaves the Sensor housing for the most part. Water molecules accumulate on the relatively cooler housing walls, evaporate again and thus increase the humidity in the sensor housing relative to the humidity of the outside air, which further increases the measurement error.
  • the influence of humidity on individual points on the characteristic curve of the sensor with different gas offers can be further determined by series measurements. If the humidity is known, this can be used as a correction factor for the part of the sensor characteristic curve which is in use in each case due to the supply of gas. Either by a mathematical function or by simple table correction it can be achieved that the influence of the humidity on the respectively detected gas detection result is corrected. These methods are also unsuitable for practical use.
  • the invention has for its object to improve a sensor system with a oxidi ⁇ 's sensor or pellistor of the type mentioned in such a way that the sensor system is capable of compensating the falsifying influence of humidity on the measurement accuracy in its use.
  • the object is achieved by a sensor system of the type mentioned solved in that the gas located in the interior of the housing can be heated by an additional electric second heater to a temperature which is higher than 8O 0 C, but lower than the temperature of the heated sensor element lies.
  • Such a sensor system with an oxidic semiconductor sensor or pellistor inside a sensor housing provided with a gas inlet opening has the advantage that it can decisively minimize and compensate for the influence of the air humidity.
  • the decisive advantage of the invention is that the sensor element is always operated in an always constantly heated ambient air, so that thereby the falsifying influence of the air humidity on the measurement accuracy of the sensor system is compensated and the relative humidity is practically constant.
  • the common term of the gas sensitive sensor element is used for the metal oxide semiconductor sensor and the heat tone sensor, pellistor.
  • the sensor housing equipped with the gas inlet opening and having the sensor element, has an electric heater as additional heating, which electrically heats the housing, which in turn is able to heat the gas in the sensor housing to a temperature. which is higher than 8O 0 C, but is lower than the temperature of the sensor element, thereby indirectly heating the air surrounding the sensor element via the housing.
  • the sensor housing equipped with the gas inlet opening and having the sensor element, has an electric heater as additional heating, which directly heats the gas in the surroundings of the gas sensor to a temperature which is higher than 80 ° C is lower than the temperature of the sensor element.
  • the thermal energy supplied to the sensor element via the gas heated by the electric heater can be regulated with the aid of an electric regulator such that the electrical heating power required to reach a predetermined constant temperature of the sensor element can be lowered to a specific value.
  • the power consumption of the heating element of the sensor element which is fixed to a specific value is the control variable in the control circuit of the electrical device supplying the additional heating.
  • the temperature of the additional heating of the sensor housing can be regulated by means of an electronic control to a constant, predetermined value.
  • the gas inlet opening within the housing of the sensor element is an access opening with a defined passage area, wherein the effective area of the gas inlet opening is smaller than one fifth of the surface of the gas-sensitive active layer of the sensor element, so that the gas enters the sensor housing is made through the access opening according to the principle of diffusion.
  • a method for the purpose of detecting gases and vapors such as for the detection of explosive or flammable air-gas mixtures of Schu ⁇ gases, such as methane or propane or butane or carbon monoxide, using a sensor system with a metal oxide semiconductor sensor or catalytic sensor, pellistor, with gas-sensitive active layer
  • a gas-sensitive sensor element which is located in a housing provided with a gas inlet opening and which sensor element is heated to a controlled, constant temperature, is characterized in that the gas located inside the housing by an additional electric second heater to a Temperature is heated, which is higher than 80 0 C, but lower than the temperature of the heated sensor element is selected.
  • the temperature of the heated sensor element is kept constant by concatenating two control circuits of a controller, wherein the temperature of the sensor element is kept at a constant temperature by means of a first control circuit, and by means of a second control circuit of the controller Heating temperature of the second, the heating of the surrounding gas serving heating is regulated, being used to keep the temperature of the sensor element, the second heater as a thermometer and thus the heating power of the second heater is a function of the temperature of the sensor element.
  • the gas inlet opening within the housing of the sensor element consists of one or more entry holes with defined passage areas, wherein the sum of the effective area of the entry holes is less than one fifth of the surface of the gas-sensitive active layer of the sensor element, so that the entry of the gas into the sensor housing through the access opening according to the principle of diffusion er ⁇ follows.
  • the effective area of the gas inlet opening within the sensor housing of the sensor element can have a diameter between 0.05 mm and 0.6 mm.
  • the housing consists of an outer housing and an inner, the gas-sensitive sensor element receiving housing, wherein the additional electrical second heater is located in the interior of the second housing.
  • the housing consists of an outer housing and disposed therein, the gas-sensitive sensor element receiving housing, wherein the additional electrical second heater is in direct contact with the inner housing for direct heating thereof, so that thereby the Sensor element surrounding air is heated indirectly through the housing.
  • Figure 2 shows the dependence of the sensor signal of an oxide sensor of
  • FIG. 4 shows the response of a known oxidic sensor at a lower and at a larger gas concentration
  • Figure 5 shows the typical very strongly curved characteristic of the electrical resistance of the active layer of a known metal oxide semiconductor sensor in logarithmic representation
  • Figure 6 shows an exemplary structure of a sensor system according to the invention in a simplified representation
  • FIG. 7 shows an embodiment of a sensor system according to the invention with an outer and an inner, additionally heated sensor housing,
  • FIG. 8 shows the control circuits of the sensor system according to the invention for regulating the energy of the gas sensor
  • FIG. 9 shows a further example of a sensor system according to the invention, which is similar to that of FIG.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a sensor system according to the invention consisting of two sensor housings, namely an outer sensor housing 7.1 and an inner, additionally heated sensor housing 7.3, which housings are thus nested in one another.
  • the outer sensor housing 7.1 has a relatively large hole 7.2 for the passage of the gas or the air into the interior of the outer housing 7.1.
  • the inner sensor housing 7.3 has a relatively small gas inlet opening 7.7 in relation to the relatively large hole 7.2 within the outer sensor housing.
  • On the inner sensor housing 7.3 more windings of a heating wire 7.4 are wound, which form a total of heating, with electrical supply line 7.5 and Derivation 7.6.
  • the inner sensor housing 7.3 is a heated Sensor ⁇ element 7.8, which, as known as such, from a heated support 7.9 with an electrical inlet and outlet 7.10, 7.10 ', and the sensor element 7.8 to a working temperature of for example 400 0th C heats up.
  • the sensor element 7.8 has a current-carrying active layer 7.11 with electrical supply and discharge lines 7.12, 7.12 ', wherein the electrical signal from the active layer 7.11 via the electrical lines 7.12, 7.12' is removed.
  • the outer housing 7.1 may for example consist of a thermally insulating material or have a thermal insulating layer.
  • the electrical current applied via the windings of the heating wire 7.4 and supplied via the leads 7.5, 7.6 heats the inner sensor housing 7.3 and thus indirectly the gas located inside this sensor housing 7.3 to a predetermined temperature of more than 80.degree. C., preferably of for example 200 0 C.
  • the radiation or dissipation of the temperature of the heated inner sensor housing 7.3 is reduced by this inner Sensor ⁇ housing 7.3 is installed in the second outer sensor housing 7.1.
  • the design and nature of the outer sensor housing 7.1 and the Aus ⁇ choice of materials is such that the radiation or dissipation of heat is minimized.
  • the active layer of the sensor element has a temperature of, for example, approximately 400 0 C.
  • An extremely non-linear temperature gradient extending from the sensor element to the atmosphere, assuming a temperature of about 2O 0 C.
  • Parallel to the very hot sensor surface runs a very thin boundary layer, adheres to the gas.
  • the temperature gradient is very high, especially in this boundary layer.
  • the flow velocity of the inflowing gas is distributed parabolically with respect to the active layer.
  • the gas layer adhering statically to the surface forms an access barrier for gas molecules in the atmosphere.
  • Gases and vapors have different thermal properties, namely thermal conductivity, thermal capacity and mobility of the molecules or their diffusion behavior.
  • thermal conductivity e.g. Methane molecules or VOC molecules.
  • reaction sites of the active layer are quasi occupied. This explains the typical decrease in the sensor reaction with continuous exposure to gases or vapors. Sensors are therefore typically less sensitive to continuous gassing.
  • the "thickness" of the boundary layer increases and theoretically approaches infinity when the sensor temperature becomes equal to the temperature of the surrounding gas.
  • FIG. 8 shows an example for controlling the energy of the gas sensor by at least two control circuits of the sensor system according to the invention, which two control circuits are part of the sensor system.
  • a sensor element 8.8 consisting of an electrical heating element 8.2 made of platinum or another having an evaluable temperature coefficient and a gas-sensitive active layer 8.3 which is connected via an evaluation circuit 8.7 to a central electronic control and regulating device 8.6 -
  • a microcontroller - is connected.
  • a heating controller 8.9 of a control circuit 8.10 loads the heating element 8.2 with electrical energy, preferably in the PWM method, pulse-width modulation, wherein in the pulse pauses the electrical resistance of the heating element 8.2 is determined.
  • the heating controller 8.9 controlled by the control and regulating device 8.6 establishes the pulse-pause ratio such that a predetermined resistance value of the heating element 8.2 stored in the microcontroller is constantly maintained, which resistance value of a predetermined operating temperature of the sensor element 8.8 of, for example, 400 0 C corresponds.
  • the required heating power in mW, depends on the ambient temperature at which the sensor element is operated. At very cold temperature, the power requirement is of course higher than at high temperature.
  • the sensor housing 8.1 is electrically heated by a suitable method, which is indicated by the reference numeral 8.5, which is an electrical Steuer ⁇ device 8.5 of a second control circuit 8.11 for a housing 8.4.
  • the heating power is provided by the control and regulating device 8.6. If the electric heater 8.4 for the sensor housing 8.1 is turned on and thereby heats the gas inside the sensor housing 8.1, the power requirement of the sensor element 8.8 applied to a predetermined temperature value decreases. At a given temperature of the gas in the sensor housing 8.1, a typical power consumption of the sensor element 8.8 is established.
  • the electrical control device 8.5 for the housing heater 8.4 is controlled by the microcontroller 8.6 so that the same determined by the same power consumption of the heating element 8.2 of the sensor element 8.8 is considered as the setpoint.
  • the regulator regulates the heating power for the housing heater 8.4 of the control circuit 8.11 so that the heating power required by the sensor element 8.8 reaches a predetermined value, which is always lower than the measured when not heated Sensor ⁇ housing 8.1 energy consumption. Since the predetermined temperature of the sensor element 8.8 is always constant by a very precise control over the control circuit 8.9, there is a strict relationship between the power required for maintaining this predetermined sensor temperature and the externally via the housing heater 8.4 and the heated gas inside the housing 8.1 supplied heat energy.
  • the invention achieves that the gas temperature in the interior of the sensor housing and thus the temperature gradient at the boundary layer of the gas sensor is absolutely constant, even when the outside temperatures are changing.
  • the electrical heating of the sensor housing consists of a material with evaluable temperature coefficients.
  • the controller of the heater of the sensor housing operates similarly to the controller of the heating of the gas sensor element, which has been described above.
  • the temperature of the heater 8.4 is adjusted to a constant and vor ⁇ given temperature value.
  • good heat transfer from the heater 8.4 on the sensor housing 8.1 is achieved with this method that a largely constant temperature of the sensor housing 8.1 and thus sets a largely constant temperature of the gas inside the housing 8.1.
  • the performance of the heater in or on the housing heats the gas temperature in the vicinity of the sensor housing or in the sensor housing.
  • the energy requirement of this heater decreases.
  • the required heating power of the gas sensor is e.g. lowered by 50%.
  • the second regulator refers to this heat output as a reference variable and regulates the heating power of the additional heating in such a way that the power consumption of the sensor heater is kept constant at a certain value.
  • the auxiliary heater can be designed as a heated sensor housing, wherein a double housing may be present; or a second heating element is installed in the sensor housing.
  • the mandatory regulation of the two heating circuits must be present in any case in order to achieve reproducible and elevated standards sufficient detection or measurement results can.
  • Figure 9 shows a variant of the above-described embodiment.
  • a housing In a housing
  • the temperature of the not explicitly shown heater of the sensor element 9.3 is strictly controlled to a constant value by means of the first control circuit according to FIG.
  • the power consumption of the heater for the sensor element 9.3 serves as a reference variable for the control of the heating element 9.5 of the sensor housing 9.1 or the air surrounding the sensor element 9.3 by means of the second criz ⁇ circle of Figure 8, with the tendency that by the heated gas in the Inside the housing 9.1 supplied external heat energy, the heating power of the regulated to a constant operating temperature sensor element 9.3 is reduced by a certain amount.
  • the gas inlet opening within the housing of the sensor element is an access opening with a defined passage area.
  • the gas-sensitive, heated sensor element is installed in a protective housing, wherein the entry of the gas into the Sensor ⁇ housing through a very small access opening on the principle of diffusion takes place, since gases according to the first Fick 'See diffusion law always a Gleichver ⁇ distribution aim for the gas pressure.
  • oxidizable gas of the heated to temperatures of about 400 0 C preferably controlled-heated, so that on the heated surface thereof a reaction, for example, methane chemically according to the following Concepts ⁇ equation occurs gas sensor on the active layer: CH 4 + 2 (O 2 )> »CO 2 + 2 (H 2 O).
  • FIGS. 6, 7 and 9 show by way of example very small access openings 6.2, 7.7 and 9.2 within the housings 6.1, 7.3 and 9.1, wherein the effective area of these gas access openings 6.2, 7.7 and 9.2 is less than 1/5 of the surface of the gas-sensitive active layer, 7.11, of the respective sensor element 6.3, 7.8 and 9.3, so that the entry of the gas into the sensor housing 6.1 or 7.3 or 9.1 takes place through the access opening 6.2, 7.7 and 9.2 according to the principle of diffusion; the respective access opening 6.2 or 7.7 or 9.2 acts as a barrier.
  • FIG. 7 shows a construction according to the invention, wherein the outer sensor housing 7.1 has a relatively large access opening 7.2 for gas, which gas flows inside the outer housing 7.1 to an inner housing 7.3, in which the gas sensor element 7.8 is arranged.
  • the inner housing 7.3 has a relatively small gas inlet opening 7.7.
  • the effective area of the gas inlet opening 6.2 or 7.7 or 9.2 is less than one fifth of the surface of the gas-sensitive active layer, in Figure 7, the reference numeral 7.11, the sensor element 6.3 or 7.8 or 9.3, so that the entry of the gas into the inner sensor housing 7.3 through the access opening 7.7 in accordance with the principle of diffusion.
  • the concentration ratio of the gas inside / outside is a function of • Size of the inlet opening / or diffusion barrier, the area of the
  • Entry opening is typically smaller by a factor of 10-100 than the surface the heated and provided with catalytic admixtures sensor element.
  • Reactivity of the active surface of the sensor to the available oxidizable gas influenced for example by catalytic components in the sensor material or temperature of the sensor element,
  • the access opening of the gas inlet into the housing housing the gas sensor element can also consist of one or more inlet holes of defined size, wherein the sum of the area of the inlet holes is less than one fifth of the surface of the gas-sensitive active layer of the gas sensor.

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Abstract

Gassensitive Sensorelemente, welche auf halbleitenden Metalloxiden basieren, reagieren auf das Angebot oxidierbarer Gase oder Dämpfe mit einer Verminderung des elektrischen Widerstandes der metalloxidischen Wirkschicht. Wird die Feuchte der Umgebungsluft verändert, ändert sich der Wirkschichtwiderstand und die Empfindlichkeit gegenüber oxidierbaren Gasen oder Dämpfen. Die Erfindung beschreibt Methoden, um den Einfluss der Luftfeuchte zu vermindern oder aufzuheben. Ein thermisch isoliertes Sensorgehäuse mit Gaszutritt ist auf eine definierte Temperatur beheizt oder im Sensorgehäuse befindet sich ein separater Heizer mit dem Ziel, das Sensorelement in einer stets konstant erhitzten Umgebungsluft zu betreiben.

Description

SENSORSYSTEM UND VERFAHREN MIT EINEM GASSENSITIVEN SENSORELEMENT UND EINEM HEIZELEMENT
Technisches Gebiet.
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen, wie zur Detektion explosionsgefährdeter oder brennbarer Luft-Gas¬ gemischen von Heizgasen, wie Methan oder Propan oder Butan oder Kohlen- monoxid, mit einem metalloxidischen Halbleitersensor oder Wärmetönungs¬ sensor, Pellistor, mit gassensitiver Wirkschicht als gassensitives Sensorelement, welches sich in einem mit einer Gaszutrittsöffnung versehenen Gehäuse befindet und welches Sensorelement auf eine geregelte, konstante Temperatur beheizt ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Stand der Technik:
Es sind Gassensoren bekannt, in welchen beheizte Schichten aus bestimmten Metalloxiden der zu überwachenden Luft zum Zwecke der Detektion luftgetra¬ gener Gase oder Dämpfe - wie zum Beispiel Methan - ausgesetzt werden, wobei ein derartiger Gassensor des Standes der Technik in Figur 1 gezeigt ist. Dabei ist die Bezugsziffer 1.1 das die Sensorschichten tragende Substrat, welches aus Keramik oder aus Silizium gefertigt sein kann. 1.2 ist ein Heizer mit Zuleitungen, welcher als elektrischer Widerstand zum Beispiel aus Platin gefertigt sein kann oder im Falle von Silizium-Sensoren auch aus Polysilizium bestehen kann. Der Heizer 1.2 temperiert eine Wirkschicht 1.4 auf eine bestimmte Temperatur, welche typisch zwischen 300-4500C liegt. Der elektrische Widerstand der Wirkschicht 1.4 wird über eine fingerartige Kontaktstruktur 1.3 mit Zuleitungen mittels eines elektrischen Stromes abgegriffen. Die Wirkschicht 1.4 besteht aus Metalloxid, und kann unterschiedliche Korngrößen aufweisen. Als gassensitives Metalloxid sind Substanzen bekannt, wie Zinndioxid, Zinkoxid, Wolframoxid, Indiumoxid, Galliumoxid und einige andere Metalloxide. Bei Begasung mit leichten oxidierbaren Gasen wie z.B. Wasserstoff dringt das Gas in die Metalloxidstruktur ein und reagiert mit dem Metalloxid, welches teilweise reduziert wird. Im Ergebnis vermindert sich der elektrische Widerstand bzw. erhöht sich der elektrische Leitwert des Metalloxids der Wirkschicht 1.4, wodurch eine auswertbare Änderung des elektrischen Ausgangssignals erhalten wird.
Andere Gase oder Dämpfe adsorbieren zuerst an der Oberfläche der Wirkschicht und reagieren dann mit den Metalloxiden. Je nach Affinität der Gase oder Dämpfe zum als Wirkschicht eingesetzten Metalioxid und dessen Arbeitstemperatur und auch nach dessen Korngröße sowie Abstand der Kontaktelektroden zueinander wird bei unterschiedlichen Gasen ein unterschiedliches Ansprechverhalten der Sensorwirkschicht auf das anwesende Gas festgestellt.
Die Änderung des elektrischen Widerstandes der Wirkschicht als Funktion der Gaskonzentration folgt grundsätzlich einer stark gekrümmten Kurve. Bei kleinen Gaskonzentrationen ist der Änderungsquotient Rs/Ro sehr hoch. Bei größeren Gaskonzentrationen verläuft die Kurve zunehmend flacher und praktisch asymp¬ totisch. Deshalb wirken sich Änderungen der Gaskonzentration im Sättigungsfall praktisch nicht mehr auf den dann sehr niedrigen elektrischen Widerstand des Gassensors aus.
Der Erfindung liegt das zu lösende Problem zugrunde, dass der industriellen Ver¬ wendung oxidischer Sensoren oder Pellistoren zum Zwecke der Konzentra¬ tionsmessung oxidierbarer Gase oder Dämpfe - zum Beispiel von Methan (CH4) - deren grundsätzliche Querempfindlichkeit gegenüber Luftfeuchte entgegensteht. Denn mit der Luftfeuchte ändern sich sowohl die Grundlinie, der Null-Wert, des Sensors wie auch die Ansprechempfindlichkeit des Sensors gegenüber dem angebotenen Gas.
Wenn die Luftfeuchte nach den Vorgaben der Norm DIN/EN 50174 verändert wird, zeigt sich bei allen oxidischen Sensoren, welche mit z.B. 4.400ppm Methan begast werden, die folgend in der Abbildung der Figur 2 dargestellte Reaktion:
• die Sensorreaktion bei Normalbedingungen 200C, 55% rel. Feuchte, gemäß der Kurve 2.2 • die Sensorreaktion gemäß der Kurve 2.3, bei der von den durch die Norm EN/DIN 50174 vorgegebenen Testbedingungen 4O0C, 70% relative Feuchte (= absolute Feuchte von ca. 50g/m3) ausgegangen wird, welche eine deutlich höhere Reaktion auf Gas zeigt als die Kurve 2.2 • die Sensorreaktion gemäß der Kurve 2.1 bei den Testbedingungen 15°C bei 30% rel. Feuchte (= absolute Feuchte von ca. 4g/m3 ), welche eine deutlich geringere Reaktion auf Gas zeigt als die Kurve 2.2.
Die Norm EN/DIN 50174 fordert nun von Sensorsystemen Mindestgenauigkeiten des Schaltpunktes, nämlich:
• Alarmauslösung zwischen 3 und 20 % UEG (d.h. für Methan: 1320 - 8800 ppm)
• Toleranz der Alarmauslösung um Alarmschwelle: ±2,5 % UEG (für Methan: ±1100 ppm) • Alarmauslösung innerhalb der Toleranz gefordert für den Betrieb in absoluten Luftfeuchten von 0,7 bis 50 g/m3 (entspr. -100C bei 30% rel.
• Feuchte bis +40°C bei 75% rel. Feuchte)
Der Feuchteeinfluss auf das Detektionsergebnis oxidischer Sensoren ist jedoch nicht akzeptabel hoch:
• Trockene Luft: Messwert ca. -50% vom Mittelwert
• Feuchte Luft: Messwert ca. +30% vom Mittelwert
Ohne Verringerung des Einflusses der Luftfeuchte sind oxidische Sensoren für Messzwecke oder für Gasdetektion unter erhöhten Ansprüchen bzw. unter den Anforderungen der Norm EN/DIN 50174 nicht einsetzbar.
Zur Verringerung des Einflusses der Luftfeuchte sind Sensorsysteme bekannt, bei denen nach der Abbildung der Figur 3 einem Sensorelement 3.1 eine Aktivkohle- Lage 3.2 vorgeschaltet ist, die Feuchte einspeichert. Entsprechend der Speicher¬ kapazität der Aktivkohle werden schnelle Änderungen der Feuchte gemittelt, jedoch erreichen impulsartige Änderungen der Luftfeuchte das Sensorelement nicht. Ändern sich die Luftfeuchten sehr langsam, etwa im Rhythmus der Jah¬ reszeiten, kann durch einen Aktivkohlepuffer das Problem der Feuchteempfind¬ lichkeit ebensowenig ausreichend gelöst werden und muss als Scheinlösung bezeichnet werden. Außerdem ist die Speicherfähigkeit der Aktivkohle in nicht voraussehbarer Weise durch das Einspeichern von Gasen und Dämpfen beein- flusst, was ein weiterer Nachteil ist.
In der Abbildung der Figur 4 ist hierzu das Ansprechverhalten eines oxidischen Sensors bei einer geringen Gaskonzentration 4.3 und bei einer größeren Gas- konzentration 4.4 dargestellt. Aus Figur 4 ist erkenntlich, dass zwei Messkurven, 4.1 und 4.2, mit unterschiedlichen Luftfeuchten dargestellt sind. Es ist erkennbar, dass Feuchte, nämlich die Kurve 4.2, das Ansprechverhalten des Sensors derge¬ stalt erhöht, als wäre das Gasangebot größer. Trockene Luft löst hingegen eine umgekehrte Reaktion aus: Die Reaktion des Gassensors, nämlich die Kurve 4.1 , auf das Gasangebot ist geringer als das bei größerer Feuchte.
Auf der beheizten Oberfläche des Sensorelements wird zum Beispiel Methan nach folgender Reaktionsgleichung chemisch umgesetzt:
CH4+ 2(O2) >» CO2 + 2(H2O).
Die Abbildung der Figur 5 zeigt hierzu die typisch sehr stark gekrümmte Kennlinie des elektrischen Widerstand der Wirkschicht eines metalloxidischen Halbleiter¬ sensors des Standes der Technik. Aus Gründen der besseren Lesbarkeit ist die Darstellung des Sensorwiderstandes, y-Achse, logarithmisch abgebildet, weil die Kennlinie tatsächlich außerordentlich steil verläuft. Die Kennlinie ist sehr stark gekrümmt, wobei sie ab einer bestimmten Gaskonzentration sehr flach wird und quasi asymptotisch verläuft. Die untere Explosionsgrenze von Methan (UEG = 44.000ppm) ist mit 5.2 gekennzeichnet. Die Alarmgrenze von z.B. 1/10 UEG (4.400ppm) ist mit 5.1. gekennzeichnet. Beide Punkte liegen bereits im sehr flachen Teil der Kennlinie, was die messtechnische Auswertung erschwert. Die Einflüsse der Luftfeuchte erzeugen deshalb einen relativ großen Messfehler. Die sich aus der genannten chemischen Reaktion ergebene Feuchte verlässt das Sensorgehäuse zum großen Teil. Wassermoleküle lagern sich an den relativ kühleren Gehäusewänden an, verdampfen wieder und erhöhen insofern die Feuchte im Sensorgehäuse relativ zur Feuchte der Außenluft, was den Mess¬ fehler weiter vergrößert.
Der Einfluss der Feuchte auf einzelne Punkte auf der Kennlinie des Sensors bei verschiedenen Gasangeboten kann des Weiteren durch Reihenmessungen bestimmt werden. Wenn die Luftfeuchte bekannt ist, kann diese als Korrektur¬ faktor für den Teil der Sensorkennlinie herangezogen werden, welcher durch Gasangebot jeweils in Nutzung ist. Entweder durch eine mathematische Funktion oder durch einfache Tabellenkorrektur kann erreicht werden, dass der Einfluss der Feuchte auf das jeweils detektierte Gasdetektionsergebnis korrigiert wird. Diese Verfahren sind für den praktischen Einsatz ebenfalls ungeeignet.
Technische Aufgabe:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorsystem mit einem oxidi¬ schen Sensor oder Pellistor der eingangs genannten Gattung dergestalt zu verbessern, dass das Sensorsystem bei seinem Einsatz den verfälschenden Einfluss der Luftfeuchte auf die Messgenauigkeit zu kompensieren imstande ist.
Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile:
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Sensorsystem der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, dass das im Inneren des Gehäuses befindliche Gas durch eine zusätzliche elektrische zweite Heizung auf eine Temperatur erhitzbar ist, welche höher als 8O0C ist, aber niedriger als die Temperatur des beheizten Sensorelements liegt.
Ein derartiges Sensorsystem mit einem oxidischen Halbleitersensor oder Pellistor innerhalb eines mit einer Gaszutrittsöffnung versehenen Sensorgehäuses weist den Vorteil auf, dass dasselbe den Einfluss der Luftfeuchte entscheidend minimiert und zu kompensieren imstande ist. Die Temperaturdifferenz zwischen dem im Inneren des Gehäuses befindlichen Gas und dem gassensitiven Sensor- element beträgt wenigstens 500C, °C=GradCelsius, vorzugsweise 1000C, insbe¬ sondere 200°C bis 300°C bei der Zugrundelegung der Heiztemperatur von 350- 45O0C des Sensorelements. Der entscheidende Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Sensorelement immer in einer stets konstant erhitzten Umge- bungsluft betrieben wird, so dass dadurch der verfälschende Einfluss der Luft¬ feuchte auf die Messgenauigkeit des Sensorsystems kompensiert wird und die relative Luftfeuchtigkeit praktisch konstant ist.
In dieser Beschreibung wird für den metalloxidischen Halbleitersensor sowie den Wärmetönungssensor, Pellistor, der gemeinsame Begriff des gassensitiven Sensorelements verwendet.
Es wird somit patentgemäß vorgeschlagen, das Sensorgehäuse des Gassensors thermisch sehr gut zu isolieren und das im Sensorgehäuse enthaltene Gas durch einen geeigneten Heizer auf eine Temperatur, die geringer als die Temperatur des Sensorelements, jedoch größer 800C sein muss, zu beheizen.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems weist das mit der Gaszutrittsöffnung ausgestattete und das Sensorelement enthaltende Sensor¬ gehäuse als zusätzliche Heizung einen elektrischen Heizer auf, welcher das Gehäuse elektrisch erhitzt, welches seinerseits das im Sensorgehäuse befindli¬ che Gas auf eine Temperatur zu erhitzen imstande ist, welche höher als 8O0C ist, aber niedriger als die Temperatur des Sensorelements liegt, so dass dadurch die das Sensorelement umgebende Luft indirekt über das Gehäuse erhitzt wird.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems weist das mit der Gaszutrittsöffnung ausgestattete und das Sensorelement enthaltende Sensor¬ gehäuse als zusätzliche Heizung einen elektrischen Heizer auf, welcher direkt das in der Umgebung des Gassensors befindliche Gas auf eine Temperatur zu erhitzen imstande ist, welche höher als 800C ist, aber niedriger als die Tempe- ratur des Sensorelements liegt. In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems ist die dem Sensorelement über das vom elektrischen Heizer erhitzte Gas zugeführte ther¬ mische Energie mit Hilfe eines elektrischen Reglers so regelbar, dass die zum Erreichen einer vorbestimmten konstanten Temperatur des Sensorelements benötigte elektrische Heizleistung auf einen bestimmten Wert absenkbar ist.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems ist bei der Regelung des zusätzlichen Heizers die auf einen bestimmten Wert festgelegte Leistungsaufnahme der Heizung des Sensorelements Führungsgröße im Regel- kreis der die zusätzliche Heizung versorgenden elektrischen Einrichtung. Dabei kann für spezifische Anwendungen in weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung die Temperatur der zusätzlichen Heizung des Sensorgehäuses durch eine elek¬ tronische Regelung auf einen konstanten, vorbestimmten Wert geregelt werden.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems ist die Gas¬ zutrittsöffnung innerhalb des Gehäuses des Sensorelements eine Zutrittsöffnung mit definierter Durchtrittsfläche, wobei die effektive Fläche der Gaszutrittsöffnung kleiner als ein Fünftel der Oberfläche der gassensitiven Wirkschicht des Sensor¬ elements ist, so dass der Eintritt des Gases in das Sensorgehäuse durch die Zutrittsöffnung nach dem Prinzip der Diffusion erfolgt.
Ein Verfahren zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen, wie zur Detektion explosionsgefährdeter oder brennbarer Luft-Gasgemischen von Heiz¬ gasen, wie Methan oder Propan oder Butan oder Kohlenmonoxid, unter Verwendung eines Sensorsystems mit einem metalloxidischen Halbleitersensor oder Wärmetönungssensor, Pellistor, mit gassensitiver Wirkschicht als gassen¬ sitives Sensorelement, welches sich in einem mit einer Gaszutrittsöffnung verse¬ henen Gehäuse befindet und welches Sensorelement auf eine geregelte, konstante Temperatur beheizt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das im Inneren des Gehäuses befindliche Gas durch eine zusätzliche elektrische zweite Heizung auf eine Temperatur erhitzt wird, welche höher als 800C, aber niedriger als die Temperatur des beheizten Sensorelements gewählt wird. In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Konstanthaltung der Tem¬ peratur des beheizten Sensorelements durch eine Verkettung von zwei Regel¬ kreisen eines Reglers, wobei mittels eines ersten Regelkreises die Temperatur des Sensorelements auf eine konstante Temperatur gehalten wird, und mittels eines zweiten Regelkreises des Reglers die Heiztemperatur der zweiten, der Erhitzung des umgebenden Gases dienende Heizung geregelt wird, wobei zur Konstanthaltung der Temperatur des Sensorelements der zweite Heizer als Thermometer eingesetzt wird und damit die Heizleistung des zweiten Heizers eine Funktion der Temperatur des Sensorelements ist.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems besteht die Gaszutrittsöffnung innerhalb des Gehäuses des Sensorelements aus einem oder mehreren Eintrittslöchern mit definierten Durchtrittsflächen, wobei die Summe der effektiven Fläche der Eintrittslöcher kleiner als ein Fünftel der Oberfläche der gas- sensitiven Wirkschicht des Sensorelements ist, so dass der Eintritt des Gases in das Sensorgehäuse durch die Zutrittsöffnung nach dem Prinzip der Diffusion er¬ folgt. In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems kann die effektive Fläche der Gaszutrittsöffnung innerhalb des Sensorgehäuses des Sen¬ sorelements einen Durchmesser zwischen 0,05mm bis 0,6mm aufweisen.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems besteht das Gehäuse aus einem äußeren Gehäuse und einem darin angeordneten inneren, das gassensitive Sensorelement aufnehmende Gehäuse, wobei die zusätzliche elektrische zweite Heizung sich im Inneren des zweiten Gehäuses befindet.
In weiterer erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Sensorsystems besteht das Gehäuse aus einem äußeren Gehäuse und einem darin angeordneten inneren, das gassensitive Sensorelement aufnehmende Gehäuse, wobei die zusätzliche elektrische zweite Heizung sich in unmittelbaren Kontakt mit dem inneren Gehäuse zur direkten Aufheizung desselben befindet, so dass dadurch die das Sensorelement umgebende Luft indirekt über das Gehäuse erhitzt wird. Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen:
Figur 1 einen Gassensor des Standes der Technik
Figur 2 die Abhängigkeit des Sensorsignals eines oxidischen Sensors des
Standes der Technik von der absoluten Luftfeuchte Figur 3 ein weiteres Gas-Sensorsystem des Standes der Technik mit einer
Aktivkohle-Lage zur Verringerung des Feuchteeinflusses Figur 4 das Ansprechverhalten eines bekannten oxidischen Sensors bei einer geringeren und bei einer größeren Gaskonzentration
Figur 5 die typisch sehr stark gekrümmte Kennlinie des elektrischen Widerstand der Wirkschicht eines bekannten metalloxidischen Halbleitersensors in logarithmischer Darstellung Figur 6 einen beispielhaften Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensorsystems in vereinfachter Darstellung
Figur 7 eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem äußeren und einem inneren, zusätzlich geheizten Sensorgehäuse,
Figur 8 die Regelkreise des erfindungsgemäßen Sensorsystems zur Regelung der Energie des Gassensors und Figur 9 ein weiteres erfindungsgemäßes Beispiel eines Sensorsystems, welches demjenigen der Figur 7 ähnlich ist.
Wege zur Ausführung der Erfindung:
Die Figur 7 zeigt eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems bestehend aus zwei Sensorgehäusen, nämlich einem äußeren Sensorgehäuse 7.1 und einem inneren, zusätzlich geheizten Sensorgehäuse 7.3, welche Gehäuse somit ineinander geschachtelt sind. Das äußere Sensorgehäuse 7.1 weist ein relativ großes Loch 7.2 für den Durchtritt des Gases bzw. der Luft in das Innere des äußeren Gehäuses 7.1 auf. Das innere Sensorgehäuse 7.3 weist für den Durchtritt des Gases bzw. der Luft in das Innere des inneren Sensorge¬ häuses 7.3 eine nur relativ kleine Gaszutrittsöffnung 7.7 im Verhältnis zum relativ großen Loch 7.2 innerhalb des äußeren Sensorgehäuses auf. Auf das innere Sensorgehäuse 7.3 sind mehrere Wicklungen eines Heizdrahtes 7.4 aufgewickelt, welche insgesamt eine Heizung ausbilden, mit elektrischer Zuleitung 7.5 und Ableitung 7.6. Im inneren Sensorgehäuse 7.3 befindet sich ein beheiztes Sensor¬ element 7.8, das, wie als solches bekannt, aus einem beheizten Träger 7.9 mit einer elektrischen Zu- und Ableitung 7.10, 7.10', besteht und das Sensorelement 7.8 auf eine Arbeitstemperatur von zum Beispiel 4000C aufheizt. Das Sensor- element 7.8 weist eine stromdurchflossene Wirkschicht 7.11 mit elektrischen Zu- und Ableitungen 7.12, 7.12' auf, wobei das elektrische Signal aus der Wirkschicht 7.11 über die elektrischen Leitungen 7.12, 7.12' abgenommen wird. Das äußere Gehäuse 7.1 kann zum Beispiel aus einem thermisch isolierenden Material bestehen oder eine thermische Isolierschicht aufweisen.
Der über die Wicklungen des Heizdrahtes 7.4 beaufschlagte und über die Zuleitungen 7.5, 7.6 zugeführte elektrische Strom erhitzt das innere Sensor¬ gehäuse 7.3 und damit indirekt das im Inneren dieses Sensorgehäuses 7.3 befindliche Gas auf eine vorgegebene Temperatur von mehr als 80°C, bevorzugt von z.B. 2000C. Die Abstrahlung bzw. Abführung der Temperatur des erhitzten inneren Sensorgehäuses 7.3 wird vermindert, indem dieses innere Sensor¬ gehäuse 7.3 in das zweite äußere Sensorgehäuse 7.1 eingebaut ist. Die Auslegung und Beschaffenheit des äußeren Sensorgehäuses 7.1 und die Aus¬ wahl der Materialien ist derart, dass die Abstrahlung bzw. Abführung von Wärme minimiert ist.
Zum Verständnis der Erfindung ist auszuführen, dass im Sensorgehäuse bzw. im inneren Sensorgehäuse 7.3 oxidierbares Gas auf der Wirkschicht 7.11 , welche einen gewissen Anteil katalytisch wirksamer Substanzen, wie z.B. Palladium, aufweist, des auf Temperaturen von ca. 4000C beheizten gassensitiven Sensor¬ elements 7.8 reagiert. Damit wird der elektrische Widerstand des Sensorelements 7.4 verändert. Auf der Oberfläche des Sensorelements wird Methan chemisch nach folgender Reaktionsgleichung umgesetzt: CH4+ 2(02) >» CO2 + 2(H2O).
Die physikalisch-technischen Zusammenhänge sind wie folgt:
Die Wirkschicht des Sensorelements hat eine Temperatur von zum Beispiel cirka 4000C. Ein extrem nichtlinearer Temperaturgradient verläuft vom Sensorelement zur Atmosphäre, mit angenommener Temperatur von cirka 2O0C. Parallel zu der sehr heißen Sensoroberfläche verläuft eine sehr dünne Grenzschicht, an der Gas anhaftet. Der Temperaturgradient ist gerade in dieser Grenzschicht sehr hoch. Die Fließgeschwindigkeit des anströmenden Gases ist gegenüber der Wirkschicht parabolisch verteilt. Die statisch auf der Oberfläche anhaftende Gasschicht bildet eine Zutrittsbehinderung für in der Atmosphäre befindliche Gasmoleküle.
Gase und Dämpfe haben unterschiedliche thermische Eigenschaften, nämlich thermische Leitfähigkeit, thermische Kapazität sowie Beweglichkeit der Moleküle bzw. deren Diffusionsverhalten. In der Grenzschicht verhalten sich Wassermole¬ küle anders als z.B. Methan-Moleküle oder VOC-Moleküle. Bei permanenter Begasung, auch mit Wasserdampfmolekülen, werden Reaktionsstellen der Wirk¬ schicht quasi besetzt. Daraus erklärt sich das typische Absinken der Sensor¬ reaktion bei dauerhafter Beaufschlagung mit Gasen oder Dämpfen. Sensoren werden deshalb typisch unempfindlicher bei Dauerbegasung.
Wenn durch Aufheizen des im Sensorgehäuses befindlichen Gases das Tempe¬ raturgefälle zwischen Sensoroberfläche und Gas hingegen kleiner wird, wird die "Dicke" der Grenzschicht größer und geht theoretisch gegen unendlich, wenn die Sensortemperatur gleich der Temperatur des umgebenen Gases wird.
Die Beheizung des Sensorgehäuses erhöht somit die Temperatur des Gases im Sensorgehäuse mit Auswirkungen auf den oben genannten Gradienten und damit auf die Reaktion der Grenzschicht. Bereits bei Anhebung der Gastemperatur im Inneren des Sensorgehäuses auf cirka 1200C werden erhebliche Einflüsse auf den Einfluss der Luftfeuchte auf das Messergebnis beobachtet: der Feuchte- einfluss auf das Messergebnis wird kleiner. Bei einem bestimmten Verhältnis von Sensortemperatur und Gastemperatur im Inneren des Sensorgehäuses ist der Einfluss der Luftfeuchte auf den gasabhängigen elektrischen Widerstand der Wirkschicht praktisch aufgehoben. Es ist für die sichere Funktion eines derartigen Sensorsystems von größter Bedeutung, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem auf einen hochkons¬ tanten Temperaturwert elektronisch geregelten Sensorelement und dessen Um¬ gebungsluft im Inneren des Sensorgehäuses einen einmal gewählten Wert, von zum Beispiel 2000C, konstant beibehält. In der Figur 8 ist hierzu ein Beispiel zur Regelung der Energie des Gassensors durch wenigstens zwei Regelkreise des erfindungsgemäßen Sensorsystems gezeigt, welche beiden Regelkreise Teil des Sensorsystems sind.
In einem Sensorgehäuse 8.1 befindet sich ein Sensorelement 8.8, bestehend aus einem aus Platin oder einem anderen mit einem auswertbaren Temperaturkoeffi¬ zienten aufgebauten elektrischen Heizelement 8.2 und einer gasempfindlichen Wirkschicht 8.3, welche über eine Auswerteschaltung 8.7 an eine zentrale elek¬ tronische Steuer- und Regeleinrichtung 8.6 - bevorzugt ein Mikrocontroller - angeschlossen ist. Ein Heizungsregler 8.9 eines Regelkreises 8.10 beaufschlagt das Heizelement 8.2 mit elektrischer Energie, bevorzugt im PWM-Verfahren, Puls-Weite-Modulation, wobei in den Pulspausen der elektrische Widerstand des Heizelements 8.2 bestimmt wird.
Der von der Steuer- und Regeleinrichtung 8.6 kontrollierte Heizungsregler 8.9 richtet das Impuls-Pause-Verhältnis so ein, dass ein vorgegebener, im Mikro¬ Controller abgelegter Widerstandswert des Heizelements 8.2 konstant eingehalten wird, welcher Widerstandswert einer vorgegebenen Arbeitstemperatur des Sensorelements 8.8 von zum Beispiel 4000C entspricht. Die benötigte Heiz- leistung, in mW, ist davon abhängig, in welcher Umgebungstemperatur das Sensorelement betrieben wird. Bei sehr kalter Temperatur ist der Leistungsbedarf natürlich höher als bei hoher Temperatur.
Das Sensorgehäuse 8.1 ist elektrisch mittels einer geeigneten Methode beheizt, was durch die Bezugsziffer 8.5 angedeutet ist, welche ein elektrisches Steuer¬ gerät 8.5 eines zweiten Regelkreises 8.11 für eine Gehäuseheizung 8.4 darstellt. Die Heizleistung wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 8.6 bereit gestellt. Wird die elektrische Heizung 8.4 für das Sensorgehäuse 8.1 eingeschaltet und wird dadurch das Gas im Innern des Sensorgehäuses 8.1 erwärmt, vermindert sich der Leistungsbedarf des auf einen vorgegebenen Temperaturwert eingere¬ gelten Sensorelements 8.8. Bei einer vorgegebenen Temperatur des Gases im Sensorgehäuse 8.1 stellt sich eine typische Leistungsaufnahme des Sensor¬ elementes 8.8 ein.
Das elektrische Steuergerät 8.5 für die Gehäuseheizung 8.4 wird vom Mikrocon- troller 8.6 so geregelt, dass die von demselben ermittelte Leistungsaufnahme des Heizelements 8.2 des Sensorelements 8.8 als Sollwert betrachtet wird. Der Regler regelt die Heizleistung für die Gehäuseheizung 8.4 des Regelkreises 8.11 so, dass die vom Sensorelement 8.8 benötigte Heizleistung einen vorgegebenen Wert erreicht, welcher stets niedriger ist als die bei nicht beheiztem Sensor¬ gehäuse 8.1 gemessene Energieaufnahme. Da die vorgegebene Temperatur des Sensorelements 8.8 durch eine sehr präzise Regelung über den Regelkreis 8.9 immer konstant ist, besteht ein strenger Zusammenhang zwischen der für die Aufrechterhaltung dieser vorgegebenen Sensortemperatur benötigten Leistung und der extern über die Gehäuseheizung 8.4 und des erhitzten Gases im Inneren des Gehäuses 8.1 zugeführten Wärmeenergie.
Vorteilhaft erreicht die Erfindung, dass auch bei wechselnden Außentempera¬ turen die Gastemperatur im Inneren des Sensorgehäuses und damit der Tem¬ peraturgradient an der Grenzschicht des Gassensors absolut konstant ist.
In einer Variante der Erfindung besteht die elektrische Heizung des Sensor¬ gehäuses aus einem Material mit auswertbarem Temperaturkoefizienten. Der Regler der Heizung des Sensorgehäuses arbeitet ähnlich wie der Regler der Heizung des Gassensorelementes, welche vorstehend beschrieben wurde.
Im Ergebnis wird die Temperatur des Heizers 8.4 auf einen konstanten und vor¬ gegebenen Temperaturwert eingeregelt. Bei gutem Wärmeübergang vom Heizer 8.4 auf das Sensorgehäuse 8.1 wird mit dieser Methode erreicht, dass sich eine weitgehend konstante Temperatur des Sensorgehäuses 8.1 und damit eine weit¬ gehend konstante Temperatur des Gases im Inneren des Gehäuses 8.1 einstellt.
Es existiert somit eine sehr strenge Abhängigkeit einer verkoppelten Reglerkette, bei der mittels eines ersten Regelkreises 8.10 die Temperatur des Sensor¬ elements auf einer hochkonstanten Temperatur gehalten wird, wobei der Heizer 8.4 des zweiten Regelkreises 8.11 gleichzeitig als Thermometer eingesetzt wird. In regelungstechnischer Hinsicht ist somit die Heizleistung eine Funktion der Temperatur des Sensorelements 8.8.
Die Leistung des im oder am Gehäuse befindlichen Heizers erhitzt die Gastemperatur in der Umgebung des Sensorgehäuses oder im Sensorgehäuse. Bei auf konstanter Temperatur des Gassensors geregelter Sensorheizung mittels eines zweiten Regelkreises sinkt der Energiebedarf dieser Heizung. Bei einer empirisch ermittelten optimalen Gastemperatur von zum Beispiel 200GradC ist die benötigte Heizleistung des Gassensors z.B. um 50% gesenkt. Der zweite Regler bezieht sich auf diese Heizleistung als Führungsgröße und regelt die Heizleistung der Zusatzheizung derart, dass in der Tendenz die Leistungsauf¬ nahme des Sensorheizers auf einem bestimmten Wert konstant gehalten wird.
Dabei kann der Zusatzheizer als beheiztes Sensorgehäuse ausgeführt werden, wobei auch ein Doppelgehäuse vorhanden sein kann; oder es wird ein zweites Heizelement in das Sensorgehäuse eingebaut. Die aus zwingenden Gründen gebotene Regelung der beiden Heizkreise muss in jedem Fall vorhanden sein, um reproduzierbare und erhöhten Ansprüchen genügende Detektions- bzw. Messergebnisse erzielen zu können.
Figur 9 zeigt eine Variante der vorbeschriebenen Ausführung. In einem Gehäuse
9.1 , das eine Gaszutrittsöffnung 9.2 aufweist, befindet sich ein beheiztes gassen- sitives Sensorelement 9.3 mit elektrischen Zuleitungen 9.4. Ebenso befindet sich innerhalb des Gehäuses 9.1 ein zweites Heizelement 9.5 mit elektrischen Zulei- tungen 9.6. Ähnlich wie in Figur 7 beschrieben, heizt das zusätzliche Heizelement 9.5 die Luft in der unmittelbaren Umgebung des Sensorelements 9.3 auf.
Die Temperatur des nicht explizit dargestellten Heizers des Sensorelementes 9.3 ist streng auf einen konstanten Wert mittels des ersten Regelkreises gemäß Figur 8 geregelt. Die Leistungsaufnahme der Heizung für das Sensorelement 9.3 dient als Führungsgröße für die Regelung des Heizelements 9.5 des Sensorgehäuses 9.1 bzw. der das Sensorelement 9.3 umgebenden Luft mittels des zweiten Regel¬ kreises gemäß Figur 8, mit der Tendenz, dass durch die durch das erhitzte Gas im Inneren des Gehäuses 9.1 zugeführte externe Wärmeenergie die Heizleistung des auf eine konstante Arbeitstemperatur geregelten Sensorelements 9.3 um einen bestimmten Betrag vermindert wird. Es gilt dabei die Regelungs-Systematik der beiden miteinander verkoppelten Regelkreise, wie diese in Figur 8 dargestellt.
Eine weitere entscheidende Verringerung des Einflusses der Feuchte auf die Kennlinie des Sensorelements bei verschiedenen Gasangeboten unterschiedli¬ cher Feuchte kann dadurch erreicht werden, indem die Gaszutrittsöffnung innerhalb des Gehäuses des Sensorelements eine Zutrittsöffnung mit definierter Durchtrittsfläche ist. Dazu ist das gassensitive, beheizte Sensorelement in ein schützendes Gehäuse eingebaut, wobei der Eintritt des Gases in das Sensor¬ gehäuse durch eine sehr kleine Zutrittsöffnung nach dem Prinzip der Diffusion erfolgt, da Gase nach dem 1. Fick' sehen Diffusionsgesetz stets eine Gleichver¬ teilung des Gasdruckes anstreben.
Wie vorbeschrieben trifft im Sensorgehäuse oxidierbares Gas auf die Wirkschicht des auf Temperaturen von ca. 4000C beheizten, erfindungsgemäß bevorzugt geregelt-beheizten, Gassensors, so dass auf der beheizten Oberfläche desselben eine Umsetzung zum Beispiel von Methan chemisch nach folgender Reaktions¬ gleichung erfolgt: CH4+2(O2) >» CO2 + 2(H2O).
Da die Zuströmung von CH4 von außen durch die Diffusions-Barriere, die zum Beispiel wenigstens ein sehr kleines Loch im Sensorgehäuse mit einem Durch- messer zwischen z.B. 0,05mm - 0,6mm sein kann, begrenzt ist, und weil perma¬ nent die einströmenden oxidierbaren Gase auf der Oberfläche des Gassensors in einem chemischen Oxidationsprozess umgesetzt werden, ist die Gaskonzen¬ tration im Sensorgehäuse immer um einen konstanten Faktor kleiner als die Gaskonzentration außerhalb des Sensorgehäuses. Auch durch diese Maßnahme wird die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Sensorelements von der Feuchte entscheidend herabgesetzt.
Die Figuren 6, 7 und 9 zeigen beispielhaft innerhalb der Gehäuse 6.1 bzw. 7.3 bzw. 9.1 sehr kleine Zutrittsöffnungen 6.2, 7.7 und 9.2, wobei die effektive Fläche dieser Gaszutrittsöffnungen 6.2, 7.7 und 9.2 kleiner als 1/5 der Oberfläche der gassensitiven Wirkschicht, 7.11, des jeweiligen Sensorelements 6.3, 7.8 und 9.3 ist, so dass der Eintritt des Gases in das Sensorgehäuse 6.1 bzw. 7.3 bzw. 9.1 durch die Zutrittsöffnung 6.2, 7.7 und 9.2 nach dem Prinzip der Diffusion erfolgt; die jeweilige Zutrittsöffnung 6.2 bzw. 7.7 bzw. 9.2 wirkt als Barriere.
In der Figur 7 ist ein erfindungsgemäßer Aufbau gezeigt, wobei das äußere Sen¬ sorgehäuse 7.1 eine relativ große Zutrittsöffnung 7.2 für Gas hat, welches Gas innerhalb des äußeren Gehäuses 7.1 an ein inneres Gehäuse 7.3 strömt, in welchem der Gassensorelement 7.8 angeordnet ist. Das innere Gehäuse 7.3 besitzt eine relativ kleine Gaszutrittsöffnung 7.7. Hinsichtlich der übrigen Gestal¬ tung der Gehäuse 7.1 und 7.3 sowie des Gassensorelements 7.8 wird auf die Beschreibung der Figur 7 verwiesen. Wesentlich ist, dass die effektive Fläche der Gaszutrittsöffnung 6.2 bzw. 7.7 bzw. 9.2 kleiner als ein Fünftel der Oberfläche der gassensitiven Wirkschicht, in Figur 7 die Bezugsziffer 7.11 , des Sensorelements 6.3 bzw. 7.8 bzw. 9.3 ist, so dass der Eintritt des Gases in das innere Sensor¬ gehäuse 7.3 durch die Zutrittsöffnung 7.7 nach dem Prinzip der Diffusion erfolgt.
Das Konzentrationsverhältnis des Gases Innen /Außen ist eine Funktion aus • Größe der Eintrittsöffnung / bzw. Diffusionsbarriere, wobei die Fläche der
Eintrittsöffnung typisch um den Faktor 10-100 kleiner ist als die Oberfläche des beheizten und mit katalytischen Beimengungen versehenen Sensor- Elementes.
• Volumen des Sensorgehäuses
• Oberfläche der der Luft bzw. dem Gas ausgesetzten Wirkschicht des Sensorelements
• Reaktivität der aktiven Oberfläche des Sensors zum angebotenen oxidier- baren Gas, beeinflusst etwa durch katalytische Anteile im Sensormaterial oder Temperatur des Sensor-Elementes,
• und andere Faktoren mehr.
Diese Tatsache ist bei der Detektion relativ hoher Methankonzentrationen von großer Bedeutung aufgrund der besonderen Kennlinie eines Gassensors, wie sie vorstehend betreffend die Abbildung 5 beschrieben ist.
Die Zutrittsöffnung des Gaszutritts in das das Gassensorelement beherbergende Gehäuse kann auch aus einem oder aus mehreren Eintrittslöchern definierter Größe bestehen, wobei die Summe der Fläche der Eintrittslöcher kleiner als ein Fünftel der Oberfläche der gassensitiven Wirkschicht des Gassensors ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit:
Der patentgemäße Gegenstand ist in der Technik der Gasdetektion zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen, wie zur Detektion explosionsgefährdeter oder brennbarer Luft-Gasgemischen von Heizgasen, gewerblich anwendbar.

Claims

Patentansprüche:
1. Sensorsystem zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen, wie zur Detektion explosionsgefährdeter oder brennbarer Luft-Gasgemischen von Heiz- gasen, wie Methan oder Propan oder Butan oder Kohlenmonoxid, mit einem metalloxidischen Halbleitersensor oder Wärmetönungssensor, Pellistor, mit gas¬ sensitiver Wirkschicht als gassensitives Sensorelement, welches sich in einem mit einer Gaszutrittsöffnung versehenen Gehäuse befindet und welches Sensor¬ element auf eine geregelte, konstante Temperatur beheizt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das im Inneren des Gehäuses (6.1 ,7.3,8.2,9.1) befindliche Gas durch eine zusätzliche elektrische zweite Heizung (7.4,8.4,9.5) auf eine Temperatur erhitzbar ist, welche höher als 8O0C ist, aber niedriger als die Temperatur des beheizten Sensorelements (6.3,7.8,8.8,9.3) liegt.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Gaszutrittsöffnung (6.2,7.7,9.2) ausgestattete und das Sensor¬ element (6.3,7.8,9.3) enthaltende Sensorgehäuse (6.1 ,7.3,9.1) als zusätzliche Heizung einen elektrischen Heizer (7.4,9.5) aufweist, welcher das Gehäuse elektrisch erhitzt, welches das im Sensorgehäuse befindliche Gas auf eine Temperatur zu erhitzen imstande ist, welche höher als 800C ist, aber niedriger als die Temperatur des beheizten Sensorelements (6.3,7.8,9.3) liegt.
3. Sensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Gaszutrittsöffnung (6.2,7.7,9.2) ausgestattete und das Sensor- element (6.3,7.8,9.3) enthaltende Sensorgehäuse (6.1 ,7.3,9.1) als zusätzliche Heizung einen elektrischen Heizer (7.4,9.5) aufweist, welcher direkt das in der Umgebung des Gassensors befindliche Gas auf eine Temperatur zu erhitzen imstande ist, welche höher als 8O0C ist, aber niedriger als die Temperatur des beheizten Sensorelements (6.3,7.8,9.3) liegt. 4. Sensorsystem nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Sensorelement (6.3,7.8,9.3) über das vom elektrischen Heizer (7.
4,9.5) erhitzte Gas zugeführte thermische Energie mit Hilfe eines elektrischen Reglers (8.5,8.6,8.7) so regelbar ist, dass die zum Erreichen einer vorbestimmten konstanten Temperatur des Sensorelements benötigte elektrische Heizleistung auf einen bestimmten Wert absenkbar ist.
5. Sensorsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung des zusätzlichen Heizers (7.4,9.5) die auf einen bestimmten Wert festgelegte Leistungsaufnahme der Heizung (7.9) des Sensor¬ elements (6.3,7.8,9.3) Führungsgröße im Regelkreis der die zusätzliche Heizung (7.4,9.5) versorgenden elektrischen Einrichtung ist.
6. Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der zusätzlichen Heizung der zusätzlichen Heizer (7.4,9.5) des Sensorgehäuses (7.3,9.1) durch eine elektronische Regelung auf einen konstanten, vorbestimmten Wert regelbar ist.
7. Verfahren zum Zwecke der Detektion von Gasen und Dämpfen, wie zur Detektion explosionsgefährdeter oder brennbarer Luft-Gasgemischen von Heiz¬ gasen, wie Methan oder Propan oder Butan oder Kohlenmonoxid, unter Ver¬ wendung eines Sensorsystems mit einem metalloxidischen Halbleitersensor oder Wärmetönungssensor, Pellistor, mit gassensitiver Wirkschicht als gassensitives Sensorelement, welches sich in einem mit einer Gaszutrittsöffnung versehenen Gehäuse befindet und welches Sensorelement auf eine geregelte, konstante Temperatur beheizt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das im Inneren des Gehäuses befindliche Gas durch eine zusätzliche elek¬ trische zweite Heizung auf eine Temperatur erhitzt wird, welche höher als 800C, aber niedriger als die Temperatur des beheizten Sensorelements gewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Konstanthaltung der Temperatur des beheizten Sensorelements durch eine Verkettung von zwei Regelkreisen eines Reglers erfolgt, wobei mittels eines ersten Regelkreises die Temperatur des Sensorelements auf eine konstante Temperatur gehalten wird, wobei mittels eines zweiten Regelkreises des Reglers die Heiztemperatur der zweiten, der Erhitzung des umgebenden Gases dienende Heizung geregelt wird, wobei der zweite Heizer als Thermometer für die Temperatur des Sensorelements eingesetzt wird und damit die Heizleistung des zweiten Heizers eine Funktion der Temperatur des Sensorelements ist.
9. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszutrittsöffnung (7.2, 8.2, 7.1, 11.2) innerhalb des Gehäuses (7.1, 8.1, 7.2, 11.3) des Sensorelements (7.3, 8.5, 7,4, 11.4) eine Zutrittsöffnung (5.2) mit definierter Durchtrittsfläche ist, wobei die effektive Fläche der Gaszutrittsöffnung (7.2, 8.2, 7.1, 11.2) kleiner als 1/5 der Oberfläche der gassensitiven Wirkschicht des Sensorelements (7.3, 8.5, 7,4, 11.4) ist, so dass der Eintritt des Gases in das Sensorgehäuse (5.1) durch die Zutrittsöffnung (5.2) nach dem Prinzip der Diffusion erfolgt.
10. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszutrittsöffnung (7.2, 8.2, 7.1, 11.2) innerhalb des Gehäuses (7.1 , 8.1, 7.2, 11.3) des Sensorelements (7.3, 8.5, 7,4, 11.4) aus einem oder aus mehreren Eintrittslöchern mit definierten Durchtrittsflächen besteht, wobei die Summe der effektiven Fläche der Eintrittslöcher kleiner als 1/5 der Oberfläche der gassen- sitiven Wirkschicht des Sensorelements ist, so dass der Eintritt des Gases in das Sensorgehäuse (5.1) durch die Zutrittsöffnung (5.2) nach dem Prinzip der Diffusion erfolgt.
11. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 8 oder 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Fläche der Gaszutrittsöffnung innerhalb des Sensorgehäuses des Sensorelements einen Durchmesser zwischen 0,05mm bis 0,6mm aufweist.
12. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine thermische Isolation aufweist.
13. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem äußeren Gehäuse und einem darin angeordneten inneren, das gassensitive Sensorelement aufneh¬ mende Gehäuse besteht, wobei die zusätzliche elektrische zweite Heizung sich im Inneren des zweiten Gehäuses befindet.
14. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem äußeren Gehäuse und einem darin angeordneten inneren, das gassensitive Sensorelement aufneh¬ mende Gehäuse besteht, wobei die zusätzliche elektrische zweite Heizung sich in unmittelbaren Kontakt mit dem inneren Gehäuse zur direkten Aufheizung desselben befindet.
15. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das äußeren Gehäuse eine thermische Isolation aufweist.
16. Sensorsystem nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszutrittsöffnung mit einer definierten Durchtrittsfläche in Bezug auf die Oberfläche der gassensitiven Wirkschicht sich im inneren, das gassensitive Sensorelement aufnehmende Gehäuse befindet.
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