DE4317879B4 - Apparatus for detecting inorganic-organic compounds, anesthetic gases, pesticides, insecticides and halogenated hydrocarbons in gas streams by means of semiconductor gas sensors - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zum Nachweis von anorganisch-organischen Verbindungen, Narkosegasen, Pestiziden, Herbiziden, Insektiziden und halogenisierten Kohlenwasserstoffen in Gasströmen mittels Halbleiter-Gassensoren, mit mindestens einem als Phthalocyanin-Sensor (6) ausgebildeten Halbleiter-Gassensor, mindestens einem weiteren Halbleiter-Gassensor (5), mindestens einem in einem Gasstrom stromauf des mindestens einen Phthalocyanin-Sensors (6) und des mindestens einem weiteren Halbleiter-Gassensors (5) angeordneten elektrisch aktivierbaren Katalysator (4), und einer zentralen Steuer- und Regeleinheit (9), mittels der die Temperatur des zumindest einen elektrisch aktivierbaren Katalysators (4) periodisch veränderbar ist, die Signale des zumindest einen Phthalocyanin-Sensors (6) und des zumindest einen weiteren Halbleiter-Gassensors (5) auswertbar sind, und bei Detektion des Zielgases die ermittelte Konzentration in einer Anzeigeeinheit (10) anzeigbar und/oder über einen Alarmgeber (11) ein akustischer Alarm auslösbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine weitere Halbleiter-Gassensor als Metalloxidsensor (5) ausgebildet ist, dass der zumindest eine Phthalocyanin-Sensor (6), der zumindest eine Metalloxidsensor (5) und der zumindest eine elektrisch aktivierbare Katalysator (4) in einer Kammer (7) angeordnet...contraption for the detection of inorganic-organic compounds, anesthetic gases, Pesticides, herbicides, insecticides and halogenated hydrocarbons in gas streams by means of semiconductor gas sensors, with at least one as a phthalocyanine sensor (6) formed semiconductor gas sensor, at least one other Semiconductor gas sensor (5), at least one upstream in a gas stream the at least one phthalocyanine sensor (6) and the at least one another semiconductor gas sensor (5) arranged electrically activatable catalyst (4), and a central control unit (9), by means of which the temperature of the at least one electrically activatable catalyst (4) periodically variable is the signals of the at least one phthalocyanine sensor (6) and the at least one further semiconductor gas sensor (5) evaluable and, upon detection of the target gas, the determined concentration displayable in a display unit (10) and / or via an alarm transmitter (11) audible alarm can be triggered is, characterized in that the at least one further semiconductor gas sensor as Metal oxide sensor (5) is formed, that the at least one phthalocyanine sensor (6), the at least one metal oxide sensor (5) and the at least one electrically activatable catalyst (4) arranged in a chamber (7) ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Nachweis von anorganisch-organischen Verbindungen, Narkosegasen, Pestiziden, Herbiziden, Insektiziden und halogenisierten Kohlenwasserstoffen in Gasströmen mittels Halbleiter-Gassensoren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The This invention relates to an apparatus for detecting inorganic-organic compounds, Anesthetic gases, pesticides, herbicides, insecticides and halogenated Hydrocarbons in gas streams by means of semiconductor gas sensors according to the preamble of the claim 1.
Es ist bekannt, Gase dieser Art mit Hilfe von Flamm-Photometern, Infrarot-Absorptionanalyse oder mit Gaschromatographen oder Massenspektrometern zu messen. Die Kosten dieser Gerätschaften sind sehr hoch und verbieten sich aus wirtschaftlichen Gründen für den massenhaften Einsatz. Preiswertere Detektoren, die einfach zu bedienen sind und zuverlässig und langzeitstabil das Problem der Detektion oben erwähnter Zielgase löst, werden dagegen kaum angeboten.It is known gases of this kind with the help of flame photometers, infrared absorption analysis or with gas chromatographs or mass spectrometers. The costs these devices are very high and forbid for economic reasons for the masses Commitment. Inexpensive detectors that are easy to use and reliable and Long-term stable the problem of detection of target gases mentioned above triggers, will hardly offered.
Hohe Konzentrationen der Zielgase können mit Wärmetönungssensoren (Pellistoren) nachgewiesen werden. Die Ansprechempfindlichkeit beginnt etwa bei einer Konzentration von 500 ppm des Zielgases in der Luft.Height Concentrations of the target gases can with Catalytic bead sensors (Pellistors) are detected. The responsiveness begins approximately at a concentration of 500 ppm of the target gas in the air.
HKWs dürfen nicht in Konzentrationen z.B. > 150 ppm in die Atmosphäre abgegeben werden. Dieser Konzentrationsbereich ist mit Pellistoren nicht zuverlässig überwachbar.district heating power station allowed to not in concentrations e.g. > 150 ppm into the atmosphere be delivered. This concentration range is with pellistors not reliably monitored.
Bei den meisten chlorierten organischen Verbindungen wird eine Empfindlichkeit von deutlich < 1 ppm gefordert.at Most chlorinated organic compounds will have a sensitivity of significantly <1 ppm required.
Dazu kommt, dass Pellistoren grundsätzlich alle oxidierbaren Gase detektieren und insofern keinerlei Sicherheit gegenüber Fehlalarm bei zufällig anwesenden oxidierbaren Gasen, wie Alkohol, Kohlenmonoxid usw., besteht.To comes that pellistors basically all detect oxidizable gases and thus no security across from False alarm at random present oxidizable gases, such as alcohol, carbon monoxide, etc. exists.
Bekannt ist auch, die Zielgase mit Hilfe von Metalloxid-Sensoren (z.B. SnO2) Zinndioxid-Sensoren nachzuweisen. Problematisch ist hier durch eine Luftfeuchte und Lufttemperatur verursachte Nullpunkt-Drift, die das Detektieren kleiner Konzentrationen unmöglich macht.It is also known to detect the target gases with the help of metal oxide sensors (eg SnO 2 ) Zinndioxid sensors. The problem here is caused by a humidity and air temperature caused zero-point drift, which makes the detection of small concentrations impossible.
Ebenfalls ist die Breitbandigkeit des Sensors gegenüber jeglicher Art oxidierbarer Gase sehr nachteilig. Zuletzt kann insbesondere bei manchen Einsätzen nicht ausgeschlossen werden, dass die Messung bei gleichzeitig hoher Konzentration von Stickoxiden erfolgen muss.Also the broadbandness of the sensor is more oxidizable in any way Gases very disadvantageous. Last, especially for some missions not be ruled out that the measurement at the same time high concentration must be made of nitrogen oxides.
Es ist bekannt, dass die gleichzeitige Anwesenheit oxidierbarer und reduzierbarer Gase das Messergebnis erheblich verfälschen kann, so dass in solchen Situationen Metalloxid-Sensoren im allgemeinen nicht anwendbar sind.It It is known that the simultaneous presence of oxidizable and reducible gases can significantly falsify the measurement result, so in such situations metal oxide sensors generally not applicable are.
Halogenisierte Kohlenwasserstoffe lassen sich zerlegen, wenn diese Gase über einen erhitzten Edelmetalldraht oder -fläche, z.B. aus Platin, geführt werden. Das Molekül wird dabei zerlegt in ein Kohlenwasserstoff-Fragment und in ein Radikal des Halogens. Es ist weiter bekannt, dass die Lebensdauer des Platindrahtes erheblich verlängert werden kann, wenn dieser mit einer Oxydschicht unedler Metalle überzogen ist.halogenated Hydrocarbons can be decomposed if these gases over a heated noble metal wire or surface, e.g. made of platinum. The molecule is decomposed into a hydrocarbon fragment and a Radical of the halogen. It is further known that the life of the Platinum wire considerably extended when coated with an oxide layer of base metals is.
Weiter ist bekannt, dass mit einem Kupfer-Phthalocyanin-Sensorelement die Anwesenheit von Radikalen außerordentlich empfindlich detektiert werden kann, wobei Phthalocyanin-Gassensoren je nach Präparationstechnik keinerlei Querempfindlichkeit gegenüber oxidierbaren Gasen oder Luftfeuchte aufweisen.Further It is known that with a copper phthalocyanine sensor element, the presence of radicals extraordinarily sensitive, wherein phthalocyanine gas sensors depending on preparation technique no cross-sensitivity to oxidizable gases or Have humidity.
Aus
der
Aus
der
Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs und vorstehend geschilderten Gattung zu schaffen, mittels der auch bei unterschiedlichsten Grundbelastungen der zu überwachenden Gasströme und damit der bei der Überwachung eingesetzten Sensoren aussagekräftige und zuverlässige Auswertungen hinsichtlich der Zielgase möglich sind.outgoing from the above-described prior art is the invention the task is based, a device of the beginning and above to create described genre, by means of the most diverse Basic load of the monitored gas flows and therefore the one in the monitoring sensors used meaningful and reliable Evaluations regarding the target gases are possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Erfindungsgemäß lässt sich unabhängig von einer etwaigen Grundbelastung der Sensoren der Vorrichtung mit verschiedensten Gasen diejenige Zeitspanne, die zwischen dem Zeitpunkt, in dem der zumindest eine elektrisch aktivierbare Katalysator in Betrieb gesetzt wird, und dem Zeitpunkt vergeht, in dem das Signal des zumindest einen der Metalloxid- oder Phthalocyanin-Sensoren um einen vorgebbaren Betrag verändert ist, erfassen und als Maß für die Konzentration des Zielgases verwenden. Wesentlich für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit dieser Messungen ist auch, dass die Quantität des an den Sensoren der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorbeigeführten Gasstroms erfassbar ist, was im Falle der Erfindung dadurch gewährleistet ist, dass der Gasstrom durch die Kammer gesaugt wird, in der in der für den Messvorgang vorgegebenen Anordnung der zumindest eine Phthalocyanin-Sensor, der zumindest eine Metalloxid-Sensor und der zumindest eine elektrisch aktivierbare Katalysator angeordnet sind.These The object is achieved by the specified in the characterizing part of claim 1 features solved. According to the invention can be independently from a possible base load of the sensors of the device different gases that period of time that elapses between the time in which the at least one electrically activatable catalyst in Operation is set, and the time passes in which the signal at least one of the metal oxide or phthalocyanine sensors changed by a predefinable amount is, capture and as a measure of concentration of the target gas. Essential for the accuracy and reliability Of these measurements is also that the quantity of the at the sensors of the device according to the invention passing out Gas flow can be detected, which ensures in the case of the invention thereby is that the gas flow is sucked through the chamber, in the the for the measurement predetermined arrangement of at least one phthalocyanine sensor, the at least one metal oxide sensor and the at least one electrically activatable catalyst are arranged.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7.advantageous Further developments of the invention will become apparent from the dependent claims 2 to 7th
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.The The invention will be described below with reference to embodiments closer to the drawing explained.
Wird ein Mischgas, z.B. aus Kohlenmonoxid oder einem anderen oxidierbaren Gas, und z.B. Stickoxid oder einem anderen reduzierbaren Gas angeboten, kommt es zwar zu einer signifikanten Veränderung der Reaktion des Sensors, die allerdings sehr stark von den Mischungsverhältnissen des angebotenen Gasgemisches abhängt und von der Reaktivität der angebotenen Gastypen. In jedem Fall sind die Ergebnisse für messtechnische Zwecke unbrauchbar.Becomes a mixed gas, e.g. from carbon monoxide or another oxidizable Gas, and e.g. Nitric oxide or another reducible gas, Although there is a significant change in the response of the sensor, However, the very strong of the mixing ratios of the offered gas mixture depends and from the reactivity the offered types of gas. In any case, the results are for metrological Purposes unusable.
Bietet
man Zinndioxid-Sensoren halogenierte Kohlenwasserstoffe an, kommt
es zu einem komplexen Reaktionsablauf:
Da Zinndioxid-Sensoren
in der Regel einen Reaktionsbeschleuniger in Form von z.B. Palladium
beinhalten und diese Sensoren in der Regel bei einer Temperatur
zwischen 300 und 400 Grad C betreiben werden, kommt es zu einer
Dissoziation des Moleküls
in ein Kohlenwasserstoff-Fragment und in ein Radikal. Das Kohlenwasserstoff-Fragment
wird anschließend
an der Oberfläche
des Zinndioxid-Sensors aufoxidiert, wobei sich der elektrische Leitwert des
Zinndioxid erhöht.Providing tin dioxide sensors with halogenated hydrocarbons results in a complex reaction sequence:
Since tin dioxide sensors usually contain a reaction accelerator in the form of, for example, palladium and these sensors are usually operated at a temperature between 300 and 400 degrees C, there is a dissociation of the molecule into a hydrocarbon fragment and into a radical. The hydrocarbon fragment is subsequently oxidized on the surface of the tin dioxide sensor, whereby the electrical conductance of the tin dioxide increases.
In einer komplexen chemischen Reaktion adsorbieren und reagieren die Halogenradikale mit der Sensoroberfläche. Die chemischen Abläufe, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht von ausschlaggebender Bedeutung sind, sind derzeit noch nicht völlig aufgeklärt. Beobachtungen zeigen jedoch, dass es auf Dauer zu einem Schwund reaktionsfähiger Sensormasse kommt und bei Dauerbetrieb unter Gasangebot der Sensor in seiner Lebensdauer deutlich eingeschränkt wird.In adsorb and react to a complex chemical reaction Halogen radicals with the sensor surface. The chemical processes in the The scope of the present invention is not critical are, are currently not completely elucidated. Observations, however, show that it is a permanent loss responsive Sensor mass comes and in continuous operation under gas supply of the sensor is significantly limited in its lifetime.
Phthalocyanin-Sensoren arbeiten dagegen nach einem völlig anderen Prinzip. Insbesondere kommt es nicht zu chemischen Reaktionen auf der Oberfläche. Vielmehr werden Moleküle von der Oberfläche absorbiert und beeinflussen den elektrischen Leitwert des Phthalocyanins. Nach einiger Zeit desorbieren die eingefangenen Moleküle, wobei die Desorptionszeit im wesentlichen eine Funktion der Oberflächentemperatur ist.Phthalocyanine sensors work against it after a completely other principle. In particular, there are no chemical reactions on the surface. Rather, molecules from the surface absorbed and affect the electrical conductivity of the phthalocyanine. After some time the trapped molecules desorb, whereby the desorption time is essentially a function of the surface temperature is.
In der bevorzugten Lösung wird Kupfer-Phthalocyanin eingesetzt, welches als Dünnschicht auf einen planaren Silizium-Träger aufgebracht worden ist.In the preferred solution is used copper phthalocyanine, which is used as a thin film applied to a planar silicon substrate has been.
Phthalocyanin-Sensoren reagieren insbesondere auf Gase, wie Ozon, Stickoxyde, Schwefeldioxyde und eingeschränkt auch auf halogenierte Kohlenwasserstoffe. So können z.B. sowohl Kältemittel als auch die Zielgase in Konzentrationen von > 20 bis 50 ppm detektiert werden.Phthalocyanine sensors react in particular to gases such as ozone, nitrogen oxides, sulfur dioxide and restricted also on halogenated hydrocarbons. Thus, e.g. both refrigerants as well as the target gases are detected in concentrations of> 20 to 50 ppm.
Es ist bekannt, dass die Empfindlichkeit von Phthalocyanin-Sensoren gegenüber diesen Zielgasen um den Faktor 1000 und mehr gesteigert werden kann, wenn man das Molekül durch einen vorstehend bereits beschriebenen erhitzten Platin-Wendel zerlegt, dessen Oberfläche zur Verlängerung der Lebensdauer mit einem Metalloxid beschichtet sein kann.It It is known that the sensitivity of phthalocyanine sensors to these Target gases can be increased by a factor of 1000 or more, if one the molecule by a heated platinum helix already described above disassembled, its surface for extension the lifetime may be coated with a metal oxide.
(
Der Verlauf dieser Kurvenform ist sehr stark abhängig von der Zusammensetzung des angebotenen HKWs und dessen innerer Struktur, also dem Verhältnis von Kohlenwasserstoffen und Halogenen.Of the Course of this waveform is very much dependent on the composition of the offered HKWs and its internal structure, thus the relationship of Hydrocarbons and halogens.
Bei
Einsatz des Crackers zeigt der Verlauf der Kurve
Beim
Angebot von typischen Zielgasen zeigt
Aus
dem Gesagten ist zu schließen:
Bei
Angebot von Zielgasen im Gasgemisch oder allein verhalten sich unter
Einsatz eines Crackers sowohl Zinndioxid-Sensoren als auch Phthalocyanin-Sensoren
nach einem typischen Muster.From what has been said:
By providing target gases in the gas mixture or alone, using a cracker, both tin dioxide sensors and phthalocyanine sensors behave according to a typical pattern.
Während die
Kurve
Daraus
ist zu schließen,
dass bei gleichzeitiger Beobachtung eines Phthalocyanin-Sensors
und eines Metalloxid-Sensors (SnO2) die
Anwesenheit von Zielgasen einwandfrei in Konzentrationen ab ca. 25
ppb zu detektieren ist. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen,
das zu überwachende
Gasgemisch einer Apparatur nach
Durch
eine Pumpe
Beide
Sensoren sind geheizt, wobei die Regelung der Oberflächentemperatur
der einzelnen Sensoren durch eine zentrale Re gel- und Messeinrichtung
Im
Sensorgehäuse
ist vor den Sensoren ein beheizter Drahtwendel
Der
Drahtwendel kann gemäß
Der
Heizer bekommt seine Energie aus einem Schaltverstärker
Das
angesaugte Gas verlässt
die Anordnung über
den Auslass
Bei
der Auswertung macht sich die Erfindung die Beobachtung zunutze,
dass unmittelbar nach Einschaltung des Crackers und bei Vorhandensein des
Zielgases sich unmittelbar eine Veränderung an den Sensorwerten
zeigt. Es wird daher eine Detektionsmethode nach
Vor Aktivieren
des Katalysators befindet sich der Sensorwert
Before activating the catalyst, the sensor value is located
Ist
ein Zielgas vorhanden und wird zum Zeitpunkt
Die
Zeitspanne
Vorteilhaft wird durch die Erfindung erreicht, dass die Provokation des Sensorelements mit durchaus chemisch aggressiven Radikalen minimiert wird.Advantageous is achieved by the invention that the provocation of the sensor element is minimized with quite chemically aggressive radicals.
Die meisten Halbleitersensoren absorbieren und desorbieren die relevanten Zielgase. Wird im vorliegenden Fall der Katalysator wieder ausgeschaltet, wird der Sensor die vorher adsorbierten Moleküle wieder desorbieren und entsprechend wieder hochohmig werden.The Most semiconductor sensors absorb and desorb the relevant ones Target gases. If in the present case the catalyst is switched off again, the sensor will desorb the previously adsorbed molecules again and accordingly become high impedance again.
Prinzipiell kann dies erfolgen, indem die vorstehend vorgeschlagene Methode eingesetzt wird und ein fest eingestellter Pegelsprung bei gaskonzentrationsabhängiger, variabler Zeit ausgewertet wird. Die andere Methode wäre, hier die Veränderung des Sensor-Widerstandes in einer festen Zeit (Delta R/Delta t) auszuwerten.in principle This can be done by the method proposed above is used and a fixed level jump in gas concentration-dependent, variable time is evaluated. The other method would be here the change of the Sensor resistance in a fixed time (delta R / delta t) to evaluate.
Erfindungsgemäß werden beide Methoden als prinzipiell gleichwertig in dieser Erfindung vorgeschlagen.According to the invention both methods are considered to be in principle equivalent in this invention proposed.
Die
meisten Kennlinien von Sensorelementen sind nicht linear sondern
stark gekrümmt.
Ist durch eine wie immer geartete gleichzeitig vorhandene Gaskonzentration
der Sensor im stark gekrümmten
Bereich seiner Kennlinie, wird bei der Anwesenheit des Zielgases
der durch den Katalysator verursachte Pegelsprung einen geringeren
Wert aufweisen (siehe
Die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit ist daher so einzurichten, dass die Abhängigkeit des Pegelsprungs vom aktuellen statischen Sensorwert rechnerisch kompensiert wird.The central control and evaluation unit should therefore be set up that dependence of the level jump from the current static sensor value is compensated.
Die
periodische Aktivierung des Katalysators
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1993
- 1993-05-28 DE DE4317879A patent/DE4317879B4/en not_active Expired - Fee Related
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Title |
---|
BOUFENAR, R. et.al.: Anaesthetic gas monitoring and control using coated piezoelectric crystals. In: Analytica Chimica Acta, 264, 1992, S.31-42 * |
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