DE2433201C3 - Gasdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gasdetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Gasdetektor ist Gegenstand eines älteren Patents gemäßDE-PS23 12 413.

Ferner ist es bei Atem-Analysegeräten zur Ermittlung des Alkoholgehalts einer Atemprobe aus der FR-PS 21 96 718 bekannt, mittels eines Druckknopfschalters eine Heizspirale einzuschalten,durch welchederGasdetektor auf eine Austreibtemperatur erhitzt wird, damit der Gasdetektor durch rasche Desorption des Alkohols für eine nachfolgende Messung bereitsteht.

Aus der schwedischen Patentanmeldung 73 11 055-3 ist ebenfalls einGasdetektorbekannt.wobeiderMetalloxid-Halbleiter vor jeder Messung mittels mindestens einer Heizeinrichtung auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt wird und die Messung dann bei einer niedrigeren Temperatur durchgeführt wird. Dieser bekannte Gasdetektor ist mit einer automatischen Ein- und Ausschalteinheit in Form eines Zeitgebers mit einem ÄC-Glied ausgestattet.

Die Verwendung einer Zeitsteuerung und zugeordneter Relais zur periodischen Vornahme einer Temperaturerhöhung des Abtastelements wurde auch bereits durch dieDE-AS23 13 413vorgeschlagen.

F i g. 1 in der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Gasdetektors gemäß einer vorveröffentlichten Literaturstelle (Elektronik, 21. Jahrgang 1972, Heft 5, Seiten 155 bis 156) wie er zum Erfassen von Kohlenmonoxid in von einem Feuer abgegebenem Rauch oder zum Erfassen des Austretens eines entflammbaren Gases, wie Stadtgas, verwendet wird. Der dargestellte Gasdetektor enthält eine Wechselspannungsquelle Q, welche mit der Primärwicklung s eines Transformators TF verbunden ist Mit einer Sekundärwicklung des Transformators TF sind eic-Gasabtastelement S und ein Widerstand R in Reihe geschaltet An dem Widerstand R sind zwei Ausgangsanschlüsse vorgesehen, um eine Ausgangsspannung Vr ίο abnehmen zu können. Das Gasabtastelement 5 weist in seiner Nähe ein Heizelement //auf, dessen Enden über die Sekundärwicklung des Transformators TF geschaltet sind, um eine Parallelschaltung in bezug auf das Gasabiastelement 5 und den Widerstand R zu ergeben, is Im Betrieb wird das Gasabtastelement S durch das Heizelement H aufgeheizt und auf einer Temperatur von etwa 200⁰C gehalten, um die Gasabsorptionsgeschwindigkeit und die Gasabgabegeschwindigkeit des Gasabtastelementes i'zu vergrößern. Wenn Kohlenmonoxidgas in dem von einem Feuer abgegebenen Rauch oder ein entflammbares Gas wie Stadtgas, in Kontakt mit dem Gasabtastelement 5 kommt, nimmt der Widersiandswert des Gasabtastelements 5 ab und der in dem Widerstand R im Ausgang fließende Strom zu, wodurch die Ausgangsspannung Vr über den Ausgangsanschlüssen verändert wird, um über einen nicht gezeigten Schaltkreis und dergleichen ein Alarmsignal zu einer geeigneten, nicht gezeigten Alarmvorrichtung zu übermitteln. 3n Das Aufheizen des Gasabtastelements S auf etwa 200⁰C und das Konstanthalten der Temperatur hat den Vorteil, daß verschiedene Gase gleichzeitig erfaßt werden können, daß die Ansprechgeschwindigkeit des Abtastelements in Folge der vergrößerten Gasabsorptions- und Abgabegeschwindigkeit vergrößert ist, und daß der Gasdetektor frei von fehlerhaftem Arbeiten ist, da die absorbierten Gase nicht in dem Gasabtastelement gesammelt werden. Gleichzeitig ist jedoch die zum konstanten Aufheizen des Gasabtastelements erforderliehe elektrische Leistung beträchtlich, was insbesonde re ein Problem in wirtschaftlicher Hinsicht bildet

Das Gasabtastelement kann auch ein bestimmtes Gas abtasten oder erfassen, wenn es auf eine relativ niedrige Temperatur aufgeheizt wird, dabei hängt seine Empfindlichkeit von dem in dem Gasabtastelement enthalte nen Katalysator ab. Wenn beispielsweise das Gasabtastelement S einer vorbestimmten Zusammensetzung in eine Atmosphäre gebracht wird, welche Methangas, Kohlenmonoxidgas, Wasserstoffgas und Propangas mit jeweils einer festen Konzentration enthält und mit Hilfe des Heizelements H aufgeheizt wird, so daß seine Temperatur allmählich zunimmt, werden die Ausgangsspannungen Vr in bezug auf die jeweiligen Gase einen Verlauf haben, wie es durch die Kurven m, c, h und ρ in Fig.2 dargestellt ist. Aus diesen Kurven ist zu erkennen, daß, wenn selektiv nur Kohlenmonoxidgas erfaßt werden soll, das Gasabtastelement nur auf eine Temperatur von etwa 40⁰C erwärmt werden muß.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Gasdetektor zu schaffen, welcher einen nur geringen elektrischen Leistungsbedarf und einen hohen Wirkungsgrad hat, und der selektiv den Gehalt einer bestimmten Gaskomponentesehrgenauzu bestimmen erlaubt.

Diese Aufgabe wirdmiteinemGasdetektorgemäßdem Patentansprucherreicht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild eines bekannten Gasdetektors,

Fig.2 eine graphische Darstellung, welche die Ausgangsspannungskurven für verschiedene Gase im Zusammenhang mit dem in F i g. 1 dargestellten Gasdetektor zeigt,

F i g. 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäß ausgebildeten Gasdcektors,

Fig.4a bis 4f Betriebskurvenbilder zur Erläuterung des Betriebs des Gasdetektors nach F i g. 3,

F i g. 5 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsoeispiels und

F i g. 6a bis 6f Betriebskurvenbilder zur Erläuterung des Betriebs des Gasdetektors nach F i g. 5.

Der in Fig.3 gezeigte Gasdetektor enthält einen astabilen Multivibrator AM, welcher über zwei Leiter L\ und Li mit einer Gleichspannungsquelle £ verbunden ist Der Leiter U weist einen Schalter SW zwischen dem Multivibrator AMund der Gleichspannungsquelle £auf. Der astabile Multivibrator AM besteht aus vier Widerständen R\, Ri, R3 und FU, zwei Kondensatoren Ci und Ci und zwei Transistoren Tr\ und Tn und ist derart eingestellt, daß der Transistor Tn während einer Zeit t₂ leitend und während einer Zeit ti nichtleitend ist, während der Transistor Tn während der Zeit f₂ nichtleitend und während der Zeit f« leitend ist Ein Heizelement H in zwischen den Leiter L₂ und den Multivibrator AMüber einen Transistor Tn geschaltet dessen Basis mit einem der Ausgangsanschlüsse des Multivibrators AM, dessen Kollektor mit dem Leiter L\ und dessen Emitter mit dem Heizelement H verbunden ist. Zwischen dem Kollektor und dem Emitter ist ein Widerstand Rs vorgesehen. Der andere Ausgangsanschluß des astabilen Multivibrators AM ist mit der Basis eines Transistors Tr* vorzugsweise über eine Zenerdiode Z verbunden. Ein Kondensator C3 ist zwischen einen Punkt zwischen dem Multivibrator und der Zenerdiode Z und den Leiter L₂ geschaltet um zusammen mit der Zenerdiode Z eine Zeitverzögerungsschaltung zu bilden. Der Kollektor des Transistors Tu ist mit einem Ende eines Halbleiter-Gasabtastelements S aus einem Metalloxyd verbunden, während das andere Ende des Gasabtastelements S über einen Widerstand Rt im Ausgang mit dem Leiter L₂ verbunden ist. Das Gasabtastelement 5 und das Heizelement H bilden ein Gasdetektorelement D.

Die Arbeitsweise des in F i g. 3 dargestellten Gasdetektors wird im folgenden im Zusammenhang mit den Fig.4a bis 4f beschrieben. Wenn der Schalter SlV geschlossen ist, wird der Transistor Th des astabilen Multivibrators AM wiederholt während einer Zeitdauer if ausgeschaltet und während einer längeren Zeitdauer h eingeschaltet wie es in Fig.4a dargestellt ist, während der Transistor Tn wiederholt während der Zeitdauer t\ eingeschaltet und während der längeren Zeitdauer ti ausgeschaltet wird, wie es in Fig.4d dargestellt ist.

Wie in den F i g. 4b und 4c gezeigt, ist der mit dem Ausgang des Multivibrators 4M verbundene Transistor 7Ir₃ während der Zeitdauer ti, während der der Transistor Τη nichtleitend ist, in seinem eingeschalteten Zustand, und die über dem Heizelement H des Gasdetektorelements D angelegte Spannung V/, steigt daher auf eine Spannung V_h 1 an, welche etwa gleich der Quellenspannung ist, wodurch das Gasabtastelement S auf eine erhöhte Temperatur von etwa 100°C bis 200°C, vorzugsweise 200⁰C aufgeheizt wird, welche geeignet ist für die Abgabe von Kohlenmonoxidgas, das seinerseits während einer Zeitdauer geringer Temperatur, welche im folgenden näher beschrieben wird, von dem Gasabtastelement S aufgenommen worden ist

Während der Zeitdauer f₂, während der der Transistor Tr₁ leitend ist befindet sich der Transistor Tr₃ in seinem ausgeschalteten Zustand, und es fließt daher ein k'einer Strom durch den Widerstand Rs, um eine niedrige Spannung Va 2 über dem Heizelement H aufzubauen, wodurch das Gasabtastelement 5 auf eine relativ niedrige Temperatur von etwa JO⁰C bis 40° C, vorzugsweise 40°C aufgeheizt wird, weiche geeignet ist zum Absorbieren von in der Atmosphäre enthaltenem Kohlenmonoxidgas in dem Gasabtastelement S. Es ist nun zu bemerken, daß die genannten Temperaturbereiche lediglich zur Darstellung des Gasdetektors zum

Erfassen von Kohlenmonoxidgas dienen, und daß

verschiedene Temperaturbereiche abhängig von den verwendeten Gasabtastelementen und der Art des zu erfassenden Gases gewählt werden können.

Der zwischen den Leiter L\ und das Gasdetektorele-

ment D geschaltete Transistor Tr* schaltet ab, wenn der Transistor Tn einschaltet und schaltet ein, wenn der Transistor Tn abschaltet und zwar mit einer Zeitverzögerung f_x infolge der aus der Zenerdiode Z und dem Kondensator C₃ bestehenden Zeitverzögerungsschal tung. Die Zeitverzögerung t_x entspricht einer Restwär mezeit Unter Restwärmezeit wird die Zeitdauer verstanden, während der sich das Gasabtastelement infolge der verbleibenden Wärme oder Restwärme auf einer relativ hohen Temperatur befindet So ist, wie in F i g. 4e gezeigt der Transistor Tn in seinem ausgeschalteten Zustand während einer Zeitdauer ty, welche eine Summe der Zeitdauern ti und t_x ist und er ist während einer Zeitdauer U in seinem eingeschalteten Zustand. Daher wird, wie in Fig.4f gezeigt die Ausgangsspan nung Vr über dem Widerstand Re im Ausgang als eine

Spannung Vf während der Zeitdauer u, aufgebaut, und

während der Zeitdauer h wird keine Ausgangsspannung

Vr aufgebaut. Es ist zu bemerken, daß das Gasabtastelement 5 nur

dann aufgeheizt wird, wenn die Ausgangsspannung Vr über dem Widerstand Ri 0 ist Mit anderen Worten kann der Detektor den Widerstandswert des Gasabtastelements 5 anzeigende Spannungen nur dann vorsehen, wenn das Gasabtastelement 5 auf die niedrigere

Temperatur aufgeheizt ist.

Wenn daher die zu überwachende Atmosphäre keine Gaskomponenten oder nur eine kleine Menge an Gaskomponenten geringer als ein vorbestimmter Wert enthält werden der Absorptionsvorgang des Gasabtast-

J₀ elements 5 während der Zeitdauer ti geringer Temperatur und der Abgabevorgang des Gasabtastelements S während der Zeitdauer ti hoher Temperatur lediglich wiederholt, wobei keine genügend hohe Ausgangsspannung erzeugt wird, um die Alarmvorrichtung zu betätigen. Wenn die Atmosphäre eine einen vorbestimmten Wert übersteigende Menge an Gaskomponenten enthält, absorbiert das Gasabtastelement S die Gaskomponente während der Zeitdauer f₂ geringer Temperatur, wodurch sich der Widerstand des Gasab-

_wl tastelements S auf einen Wert geringer als ein vorbestimmter Wert verringert. Dann nimmt die Ausgangsspannung Vr, wie durch die Kurve Tin F i g. 4f dargestellt, zu, wodurch die nicht dargestellte Alarmvorrich'iing über einen nicht dargestellten Schaltkreis usw.

betätigt wird. Während der Zeitdauer ti hoher Temperatur gibt das Gasabtastelement 5die absorbierte und in dem Gasabtastelement S während der Zeitdauer f₂ niedriger Temperatur angesammelte Gas-

komponente schnell ab.

Wenn die aus der Zenerdiode Z und dem Kondensator C3 bestehende Zeitverzögerungsschaltung in der Gasdetektorschaltung nicht vorgesehen ist, schaltet der Transistor Tn sofort ein, sobald der Transistor 7h des Multivibrators AM abschaltet. Dies kann dazu führen, daß der Widerstand R*, eine Ausgangsspannung Vs' abgibt, welche größer als die Ausgangsspannung Vs während der Restwärmezeitdauer entsprechend der Zeitverzögerung t_x ist, wie es gestrichelt in Fig.4f angedeutet ist, weil das Gasabtastelement 5 infolge des Aufheizens während der Zeitdauer f_t hoher Temperatur immer noch eine hohe Temperatur haben kann. Diese höhere Ausgangsspannung Vs' infolge der Restwärme des Gasabtastelements ist unerwünscht, weil sie zu einer 1 irrtümlichen Betätigung der Alarmvorrichtung führen kann.

F i g. 5 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform des Gasdetektors. Der Gasdetektor besteht aus einer Reihenschaltung des Gasabtastelements Sund des Widerstands R₆ im Ausgang. Die Reihenschaltung ist direkt mit den Leitern L\ und Li verbunden, um eine Parallelschaltung in bezug auf die Gleichspannungsquelle E zu bilden. Der Transistor Tn ist mit seinem Kollektor auf einen Punkt zwischen dem Gasabtastelement 5 und dem Widerstand Rt und mit seinem Emitter auf den Leiter Li geschaltet. Die Basis des Transistors Tn ist mit dem Emitter des Transistors Tn über einen Widerstand R₇ verbunden. Es ist zu erkennen, daß die aus der Zenerdiode Z und dem Kondensator G bestehende Verzögerungsschaltung aus der Schaltung weggelassen ist. Im übrigen ist die Schaltung ebenso wie die in F i g. 3 dargestellte Schaltung aufgebaut

Aus dem Schaltbild ist leicht zu verstehen, daß die Transistoren Tr\, Tr₂, 7Tr₃ und das Heizelement //gleich im Betrieb sind und wie in den F i g. 6a bis 6d dargestellt arbeiten. Ferner schaltet der Transistor Tn ein, wenn der Transistor Tr₂ einschaltet, und schaltet aus, wenn der Transistor Tr₂ ausschaltet, wie es in F i g. 6e dargestellt ist Da keine Zeitverzögerungsschaltung vorhanden ist, schaltet der Transistor Tn sofort aus, sobald der Transistor Tr-i ausschaltet, was dazu führt, daß sich die Ausgangsspannung Vr über dem Widerstand Re im Ausgang wie in F i g. 6f gezeigt ändert

Unter diesen Umständen ergibt der Gasdetektor eine Ausgangsspannung Vr, dargestellt durch die Kurve Tm Fig.6f, welche genügend hoch ist, um die außen angeschlossene Alarmvorrichtung nur dann zu betätigen, wenn die Atmosphäre eine Menge einer Gaskomponente enthält, weiche den vorbestimmten Wert übersteigt aus dem gleichen Grund wie oben beschrieben. Es ist zu bemerken, daß jede Zeitverzögerur.gsschaltung leicht in die Schaltung eingefügt werden kann, wann immer der Wusch oder Bedarf hierfür besteht.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Gasdetektor zur ständigen Überwachung der Umgebungsluft auf das Auftreten einer bestimmten Gaskomponente mit

   a) einem Sensorelement in Form eines Metalloxid-Halbleiterkörpers, dessen Widerstand von der Konzentration der Gaskomponente in der Umgebungsluft abhängig ist,

   b) einer Heizeinrichtung zur periodisch abwechselnden Beaufschlagung des Metalloxid-Halbleiterkörpers mit einer niedrigen, eine Absorption der Gaskomponente begünstigenden Heizleistung und einer höheren, eine Desorption der Gaskomponentefördernden Heizleistung,

   c) einer Meß- und Alarmschaltung zur Überwachung des Widerstandswer+s des Metalloxid-Halbleiterkörpers jeweils während dessen Beaufschlagung mit der niedrigen Heizleistung, dadurchgekennzeichnet, daß

   e) die Heizeinrichtung (AM, Tr 3, R 5, H) einen die Umschaltung zwischen den beiden Heizleistungen bewirkenden transistorisierten astabilen Multivibrator^/! Afjumfaßt

   0 zur Aktivierung der Meß- und Alarmschaltung ein vom Multivibrator fAA/Jgesteuerter Transistorschalter^?? 4)vorgesehenistund

   g) eine dem Transistorschalter (Tr 4) vorgeordnete Verzögerungsschaltung zur Verzögerung der Aktivierung der Meß- und Alarmschaltung gegenüber der Einschaltung der niedrigen Heizleistung um eine der Abkühldauer des Metalloxid- Halbleiterkörpers (φentsprechende Zeit vorge sehen ist