DE2025770B2

DE2025770B2 - Anordnung zum Feststellen entflammbaren Gases

Info

Publication number: DE2025770B2
Application number: DE2025770A
Authority: DE
Inventors: Riichiro Hyogo Kobe Kasahara; Yuichi Higashiyodogawa Osaka Shimakawa
Original assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 1969-05-28
Filing date: 1970-05-26
Publication date: 1978-11-16
Also published as: FR2050400A1; US3609732A; DE2025770C3; DE2025770A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Feststellen entflammbaren Gases mit einem Gasdetektorelement, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist.

Bei derartigen Anordnungen ist beispielsweise ein Gasspürelement an einen Spannungsteiler angeschlossen, wobei sich die am Spannungsteiler liegende Spannung bei Auftreten von Gas ändert und ein mit seinem Steuereingang an den Abgriff des Spannungsteilers angeschlossener, in Reihe mit einer Auswertvorrichtung an einer Spannungsquelle liegender elektronischer Schalter bei Erreichen einer vorbestimmten Gaskonzentration schaltet und etwa ein Relais betätigt.

Eine bekannte Schaltungsanordnung (DE-AS

11 71 643) verwendet zwei elektrisch beheizte, gegeneinandergeschaltete Thermoelemente. Eines dieser Thermoelemente ist mit einem Material versehen, an welchem das nachzuweisende Gas unter Wärmeentwicklung katalytisch verbrennt. Infolge der nur an diesem Thermoelement auftretenden Wärmeentwicklung ist die Thermospannung dieses Elementes höher, und die Differenz beider Thermospannungen wird mit Hilfe eines in prozentualem Gehalt des Gases geeichten Voltmeters zur Anzeige gebracht und außerdem einem Spannungsteiler zugeführt, dessen Abgriff mit dem Steuereingang eines Transistorschalters verbunden ist. Übersteigt die am Spannungsteiler abgegriffene Teilspannung den Ansprechwert dieses Schalters, so wird ein Schaltvorgang ausgelöst und eine Warnlampe zum Aufleuchten gebracht. Bei anderen bekannten Warngeräten, welche ebenfalls mit gegeneinandergeschalteten oder auch in einer Brücke angeordneten Fühlementen arbeiten, werden ebenfalls Transistorverstärker oder -schalter verwendet, mit welchen ein Relais angesteuert wird (DE-Gbm 18 72 191 und 19 88 788, DE-AS

12 08 912, DE-AS 12 81 722).

Demgegenüber beschäftigt sich die Erfindung mit einer Schaltungsanordnung zum Feststellen entflammbaren Gases unter Verwendung eines Gasspürelementes mit einem Metalloxidhalbleiter, dessen Widerstand sich bei Absorption des Gases an seiner Oberfläche verändert.

In dem älteren deutschen Patent 20 07 937 der Anmelderin ist ein Metalloxid-Halbleiterelement behandelt, welches auf ein entflammbares Gas empfindlich anspricht. Dieses Element enthält zwei Spulen aus Metalldrähten, die parallel und in gegenseitigem Abstand angeordnet sind und gleichzeitig von dem Metalloxidhalbleiter umgeben werden. Das Metalloxid kann SnO₂, ZnO, Nb₂O₅, Ta₂O₅, V₂O₅, TiO₂ oder Fe₂O₃ sein und hat die Eigenschaft, daß sich sein spezifischer Widerstand bei Anwesenheit von entflammbarem Gas in deutlich unterscheidbarem Maß verändert. (Diese Halbleitermaterialien sind für Gasdetektoren im übrigen auch aus der Zeitschrift »Analytical Chemistry« vol. 38, No. 8,1966, Seiten 1069 bis 1073 bekannt) Dieses Halbleiterelement wird so verwendet, daß seine Oberflächentemperatur in einem Bereich zwischen 50° und 300°C gehalten wird, indem man durch eine oder beide Spulen einen geeigneten Strom fließen läßt, während zwischen den Spulen eine Spannung von beispielsweise 100 V anliegt: Wenn nur ein entflammbares Gas an das Element gelangt, dann steigt der über die Spulen fließende Strom stark an.

Gemäß der FR-PS 15 45 296 werden Gasspürelemente mit dünnen Filmen aus Wolfram, Molybdän, Chrom, Niob, Nickel, Eisen, Titan oder einer Mischung dieser Materialien verwendet, bei welchen es sich um Metalle relativ niedriger elektrischer Leitfähigkeit, nicht jedoch um Metalloxidhalbleiter handelt. Vielmehr weisen die im bekannten Fall verwendeten Metalle geringe Zusätze äußerst teurer Metalle wie Platin, Gold oder Palladium zur-Aktivierung des dünnen Metallfilmes auf.

Ferner ist in der US-PS 30 51 895 die Ausbildung eines (Mytalloxidhalbleiters in Blockform für Gasspürelemente beschriebyn. Bei einem rohrförmig ausgebildeten Gasäpürelement ist es gemäß der GB-PS 9 74 924 bekannt, einer an der Innenfläche des Gasspürelementes angeordneten Zylinderelektrode auf der Außenseite des Gasspürelementes eine Heizspirale als Gegenelektrode gegenüberzustellen, welche somit die Doppelfunktion des Heizers und einer Hauptelektrode übernimmt. Das rohrförmige Gasspürelement selbst besteht aus Porzellan und wird durch die Heizspirale auf Rotglut erhitzt, so daß das Porzellan Halbleitereigenschaften annimmt und seinen Widerstand bei Berührung mit Wasserstoffgas, für dessen Feststellung dieser Detektor bestimmt ist, verändert.

Aus der US-PS 33 99 398 ist ein Gaswarngerät bekannt, das als Gasspürelemente zwei in einer Brückenschaltung angeordnete, von der zu untersuchenden Atmosphäre umspülte Drähte verwendet, deren einer als aktives und deren anderer als Bezugselement dienen. Diese Brückenschaltung ist so ausgebildet, daß sie in der Lage ist, zwischen zwei unterschiedlichen Konzentrationen zu unterscheiden, so daß bei einer ersten Konzentration eine durch ein intermittierendes Signal angezeigte Vorwarnung gegeben wird und bei Überschreiten einer höheren Konzentration ein Alarm ausgelöst wird. Hierzu wird jedoch eine recht aufwendige Schaltung mit einem Magnetverstärker und eine Reihe von Transistoren benötigt.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe einer einfachen Gasspürschaltung, welche

zwischen zwei unterschiedlichen Konzentrationswerten unterscheiden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Erfindung verwendet hierzu eine Schaltung mit zwei, entsprechend verschiedenen Gaslconzentrationen, unterschiedlich ansprechenden Relais, deren erstes bei einer bestimmten Gaskonzentration eine Vorwarnung gibt, während das zweite bei einer höheren Konzentration einen Alarm auslöst Dieses unterschiedliche Ansprechverbalten wird mit Hilfe eines Spannungsteilers bestimmt, der in Reihe mit dem eisten Relais geschaltet ist und an dessen Abgriff ein Triggersignal für einen in Reihe mit dem zweiten Relais liegenden Thyristor abgenommen wird. Bei dem erfindungsgemä-Qen Gerät läßt sich bei einfachstem Aufbau die zum Ansprechen des Relais erforderliche Konzentration des entflammbaren Gases in der Luft frei wählen und einstellen, auch lassen sich unterschiedliche Toleranzen der Bauelemente ausgleichen, ferner laß·, sich das Gasspürelement stabiler und mit höherer Empfindlichkeit betreiben.

Das Gasdetektorelement selbst ist mit zwei spulenförmigen Elektroden ausgebildet, und wenn der Heizstrom nicht nur einer der Spulen zugeführt wird, dann wird der Halbleiter an beiden Enden aufgeheizt, so daß kein ungenügend erwärmter Teil des Halbleiterkörpers für das Feststellen von Gas unaktiv bleibt, sondern die Gasspürempfindlichkeit des Elementes als Ganzes gesehen voll ausgenutzt wird, die Gasspürempfindlichkeit höher und auch stabiler wird. Durch die Unterscheidung zwischen zwei verschiedenen Gaskonzentrationen kann beispielsweise bei Erreichen eines ersten Gaskonzentrationswertes ein Lüfter eingeschaltet werden und bei Erreichen eines höheren Gaskonzentrationswertes ein Alarm gegeben werden.

Damit man erkennen kann, ob das Relais eingeschaltet oder nicht eingeschaltet ist, kann ferner eine Gasentladungsröhre, wie eine Neonglimmlainpe, parallel zum Relais geschaltet werden. Diese Lampe leuchtet nicht, wenn der die Relaisspule durchfließende Strom klein ist; steigt der Strom jedoch an, so leuchtet sie wegen des damit ebenfalls ansteigenden Spannungsabfalls an der Relaisspule, so daß der Schaltzustand des Relais sichtbar angezeigt wird.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des Hauptteils des Gasspürolementes, wobei der Halbleiterkörper zur Veranschaulichung des inneren Aufbaues durchsichtig gezeichnet ist,

Fig.2 einen Längsschnitt durch das in Fig. 1 dargestellte Gasspurelement,

F i g. 3 eine teilweise aufgebrochene Darstellung des eingebauten Elementes,

F i g. 4 ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Schaltgerätes, bei welchem beiden Spulen des Elementes Heizstrom zugeführt wird,

Fig.5 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform, bei welcher 2 Relais bei unterschiedlichen Gaskonzentrationen ansprechen und

Fig.6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der jedem der Relais eine Neonglimmlampe zur Anzeige des Betriebszustandes parallel geschaltet ist.

Das bei der Erfindung verwendete Gasspürelement ist in den F i g. 1 und 2 dargestellt. Es enthält zwei Spulen 1 und 2. die aus einem auch bei hoher Temperatur nicht oxidierenden Metalldraht wie Platin, Palladium oder einer Platin-Iridium-Lcgierung bestehen. Diese Spulen sind in nutenartigen Vertiefungen 4 und 5 auf gegenüberliegenden Flächen eines Blockes 3

'· angeordnet der aus hitzebeständigem, elektrisch isolierendem, anorganischem Oxyd wie AI2O3, SiO₂ oder BeO besteht und mit Hilfe eines hochsdunelzenden anorganischen Klebmittels 6 und 7 aus ineinander gelösten Glasmaterialien wie Na2O und einem oder mehreren

iü der Materialien K₂O, CaF₂, AI₂O₃, Ba₂O₃ und SiO₂ besteht, wobei die Spulen mit einem Teil jeweils an der Oberfläche der Ausnehmungen 4 und 5 des Blockes 3 befestigt sind und parallel zueinander gehalten sind. Die Spulen 1 und 2 sind jeweils nur teilweise in dem

i"> Klebstoff 6 oder 7 eingebettet, während ihr restlicher Teil frei liegt Der Block 3 mit den Spulen 1 und 2 ist dann einheitlich mit einem Metalloxid-Halbleitermaterial 8 umgeben, welches bei hoher Temperatur empfindlich für ein entflammbares Gas ist und diese

:<> Einheit ist zu einem blockartigen Äußeren geformt. Von zwei Endflächen des Halbleitermaterialblockes ragen die linear verlaufenden Enden der Spulen 1 und 2 als Zuführungsdrähte 9,10, Il und 12 fön.

Als Metalloxid-Halbleitermaterial empfiehlt sich . beispielsweise SnO₂, ZnO, Nb₂O₅, Ta₂O₅, V₂O₅, TiO₂ und Fe₂O^ Wenn diese Materialien in einem auf 50° bis 30O⁰C erhitzten Zustand in Berührung mit einem entflammbaren Gas kommen, dann nimmt dieses Gas Sauerstoffionen von dem Halbleitermaterial fort und

i" oxidiert das Halbleitermaterial, so daß das Gleichgewicht zwischen den Kationen und Anionen innerhalb des Halbleitermaterials gestört wird und sich sein Widerstand in hohem Ausmaß verändert.
Das vorstehend beschriebene Element wird in

1· folgender Weise hergestellt. Zunächst werden die Leiterabschnitte 9, 10, 11 und 12 der Spulen 1 und 2 zwischen den Trägerstäben 13, 14, 15 und 16 befestigt welche auf einem Sockel aus gut isolierendem Material wie Plastik oder dergleichen aufgerichtet sind. Dadurch

in werden die Spulen 1 und 2 parallel zueinander und mit einem bestimmten gegenseitigen Abstand gespannt. Dann wird der Isolierblock 3, in dessen Ausnehmungen 4 und 5 ein hochschmelzender Klebstoff 6 und 7 eingebracht ist, zwischen die Spulen 1 und 2 eingefügt,

■'"· und die Spulen werden mit den Ausnehmungen 4 und 5 ausgerichtet. Dann läßt man einen Strom zwischen Trägerstäben 13, 14 bzw. 15 und 16 fließen, so daß die Spulen 1 und 2 aufgeheizt werden und der Klebstoff schmilzt, wodurch die Spulen 1 und 2 in den

■>" Ausnehmungen des Blockes 3 festgelegt werden. Anschließend werden die Spulen 1 und 2 und der Block 3 als Ganzes mit einem nicht gesinterten, gasempfindlichen Oxid umkleidet. Nun läßt man wiederum einen Strom durch die Spulen fließen, so daß das Oxid erhitzt

v> wird und dabei sintert und auf diese Weise das Element festgestellt wird. Da im späteren Gebrauch der Heizstrom des Elementes wesentlich niedriger als bei dieser Herstellung ist, schmilzt der Klebstoff und das Oxid im späteren Be'rieb nicht und wird nicht flüssig.

i>» Fig. 3 zeigt ein Montagegehäuse für das Spürelement. Durch einen Plastiksockel 17 ragen die Trägerstäbe 13, 14, 15 und 16, deren untere Teile als Kontaktstifte dienen. Ein Zylinder 18 aus Maschendraht ist an seinem oberen Ende mit einer Kappe 19 aus einer

'■>'· Metallplatte abgeschlossen. Der Sockel 17 hat an seinem oberen Abschnitt 20 einen kleineren und an seinem unteren Abschnitt 21 einen größeren Durchmesser. Der Maschenzvlinder 18 umgibt den kleineren Teil

21 und ruht auf dem Grund einer Nut 23, welche am Übergang zwischen dem Maschenzylinder und dem Sockel ausgebildet ist. Beide Teile sind mit Hilfe eines organischen Klebstoffes miteinander verbunden.

F i g. 4 zeigt eine Schaltung des erfindungsgemäßen Gerätes, wobei das Gasspürelement mit 31 und die beiden Spulen 32 und 33 bezeichnet sind. Ein Transformator 34 ist mit einer Primärwicklung 35 an ein Wechselstromnetz von beispielsweise 220 V Spannung angeschlossen, die Sekundärwicklungen 36 und 37 geben eine Spannung von 1,5 V ab, eine weitere Sekundärwicklung 38 liefert eine Spannung von 100 V. Die Sekundärwicklungen 36 und 37 liefern Strom an die Spulen 32 und 33 zum Aufheizen des Elementes 31. Die Sekundärwicklung 38 ist an die Reihenschaltung des Elementes 31 und einen Spannungsteilerwiderstand 39 und außerdem an eine weitere, parallel dazu liegende Reihenschaltung aus einem Relais 40 und einem Thyristor 41 angeschlossen. Die erstgenannte Reihenschaltung verläuft durch einen Halbleiterabschnitt 42, welcher zwischen den Spulen 32 und 33 des Elementes 31 liegt. Die Steuerelektrode 43 des Thyristors 41 liegt am Schleifer 44 des Spannungs-Teilerwiderstandes 39. Das Relais 40 hat Kontakte 45, die beim Erregen des Relais geöffnet oder geschlossen werden. Vorzugsweise schaltet man einen Kondensator 46 parallel zum Relais 40, so daß die Welligkeit des Erregerstroms verringert wird.

Die Schaltung nach F i g. 4 arbeitet so, daß bei einer sehr geringen Konzentration von entflammbarem Gas in der Luft der elektrische Widerstand des Teils 42 des Halbleiterelementes 31 hoch ist und die am Schleifer 44 des Widerstands 39 auftretende Spannung gering ist, so daß der Thyristor 41 nicht gezündet wird und dementsprechend das Relais 40 nicht erregt wird. Steigt jedoch die Konzentration des entflammbaren Gases in der Luft, so sinkt der elektrische Widerstand des Elementes 31 allmählich, und wenn die Konzentration einen bestimmten Schwellwert erreicht, dann tritt am Schleifer 44 eine Spannung auf, welche zum Zünden des Thyristors 41 ausreicht, so daß nach dem Zünden des Thyristors ein Erregerstrom durch das Relais 40 fließt Mit Hilfe des öffnens oder Schließens des Kontakts 45 des Relais 40 läßt sich nun ein angeschlossenes Gerät schalten. Die Schwellwertkonzentration, bei welcher der Thyristor 41 gezündet wird und das Relais 40 erregt, kann durch Verstellen des Schleifers 44 des Widerstands 39 auf irgendeinen gewünschten Wert eingestellt werden. Sinkt die Konzentration des brennbaren Gases unter den Schwellwert, dann kehrt der Thyristor 4t wieder in seinen Sperrzustand zurück, und das Relais 40 fällt ab.

Bei der Ausführungsform nach Fig.5 hat der Transformator 34 nur eine Niederspannungssekundärwicklung 37, und der Halbleiterteil 42 wird nur von der Spule 33 beheizt. Ein Relais 51 ist in Reihe mit dem Halbleiterteil 42 des Elementes 31 und dem Spannungsteilerwiderstand 39 geschaltet. Die Betriebsweise gleicht insofern der Schaltung nach F i g. 4, als das Relais

■Ί 40 erregt wird, wenn die Konzentration des brennbaren Gases in der Luft einen bestimmten Schwellwert erreicht, und als dieser Schwellwert durch Einstellen des Schleifers 44 des Widerstandes 39 verändert werden kann. Jedoch ist ein zusätzliches Relais 51 in Reihe mit

m dem Halbleiterteil 42 geschaltet, und die Schaltung ist so ausgelegt, daß bei Ansteigen der Konzentration des brennbaren Gases in der Luft der das Relais 51 durchfließende Strom ansteigt und bei Erreichen eines bestimmten Schwellwertes der Konzentration der

!■) Strom genügend groß wird, um das Relais 51 anziehen zu lassen, welches darauf hin seinen Kontakt 52 öffnet oder schließt. Die Schwellwertkonzentration für das Ansprechen des Relais 51 läßt sich unabhängig von den Verhältnissen für das Relais 40 durch den Gesamtwider-

_·■■> stand des Spannungsteilers bestimmen. Um diesen Gesamtwiderstand des Spannungsteilers unabhängig von der Wahl des Spannungsteilerverhältnisses (für das Relais 40) zu bestimmen, ist parallel zum Widerstand 39 ein Einstellwiderstand 53 geschaltet.

_>■< Bei der Schaltung nach Fig.5 sprechen die beiden Relais bei unterschiedlichen Konzentrationsschwellwerten an. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für Anordnungen, bei denen durch das bei der niedrigen Gaskonzentration ansprechende Relais ein

. Ventilator in dem betreffenden Raum eingeschaltet wird und bei einer höheren Gaskonzentration trotz des Arbeitens des Ventilators ein Alarmgerät oder ein Schließmechanismus für ein Ventil des betreffenden Gases durch das zweite Relais in Tätigkeit gesetzt wird. Ein weiteres Ausführungsbiel der Erfindung ist in F i g. 6 dargestellt Hier sind parallel zu den Relais 40 und 51 Glimmlampen 54 bzw. 56 mit einem Stabilisierungswiderstand 55 bzw. 57 geschaltet. Vorzugsweise ist ein Ende der Zündschaltung für die Glimmlampe 56 mit

·■'· einem Schleifer eines gesonderten Spannungsteilerwiderstandes 58 verbunden, der parallel zum Spannungsteiler 39 geschaltet ist

Wenn die Glimmlampe 54 beim Zünden des Thyristors 41 aufleuchtet, zeigt sie den Betrieb des ■ Relais 41 an. Die Glimmlampe 56 leuchtet auf, wenn der elektrische Widerstand des Halbleiterteils 42 des Elementes 31 unter einem bestimmten Schwell wert sinkt, jedoch kann dieser Schwellwert mit Hilfe des Abgriffs des Spannungsteilerwiderstandes 58 eingestellt

<■■ werden. Durch eine entsprechende Einstellung des Abgriffs kann die Glimmlampe 56 zum Aufleuchten gebracht werden, wenn das Relais 51 in Betrieb ist, so daß dieser Betrieb durch die Glimmlampe 56 angezeigt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Feststellen entflammbaren Gases mit einem Gasdetektorelement, welches aus einem Metalloxidhalbleiterblock mit zwei eingebet- > teten Elektroden besteht, einem ersten Relais zum Einschalten eines ersten Alarmgebers und mit einer Spannungsquelle, deren einer Anschluß mit einer Elektrode des Gasdetektorelementes und dessen Anschluß über das erste Relais zur Bildung eines κι ersten geschlossenen Stromkreises mit der anderen Elektrode des Gasdetektorelementes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem ersten geschlossenen Stromkreis ein Spannungsteiler (39) eingefügt ist und daß ein zweites Relais (40) zur Betätigung eines zweiten Alarmgebers in Reihe mit einem Thyristor (41) zur Bildung eines zweiten geschlossenen Stromkreises ebenfalls an eine Spannungsquelle (38) angeschlossen ist, und daß die Steuerelektrode (43) des Thyristors (41) mit 2« dem Abgriff (44) des Spannungsteilers (39) verbunden ist, welcher derart eingestellt ist, daß das zweite Relais (40) später als das erste Relais (51) anspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum ersten und/oder zweiten 2> Relais (51, 40) Anzeigelampen (56, 54) zur Anzeige des Relaiszustandes geschaltet sind.