DE4412447A1 - Explosive gas warning semiconductor sensor for detection of esp. methane - Google Patents
Explosive gas warning semiconductor sensor for detection of esp. methaneInfo
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Abstract
Description
Es besteht der Wunsch, zum Schutz vor Explosionen immer dann Alarm auszulösen, wenn die Konzentration von z. B. Methan in der Luft einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Insbesondere für Anwendungen in der Umgebung von Erdgas-Feuerungen soll dann ein Alarm ausgelöst werden, wenn die Konzentration größer als 0,2% ist.There is always a desire to protect against explosions Trigger alarm when the concentration of z. B. methane in the Air exceeds a certain limit. Especially for Applications in the vicinity of natural gas furnaces should then be Alarm will be triggered if the concentration is greater than 0.2% is.
Bekannt ist, daß Halbleitersensoren, wie z. B. Pellistoren (Wärmetönungs-Sensoren) oder auch Zinndioxid-Sensoren, Methan in den nachgefragten Größenordnungen sicher detektieren.It is known that semiconductor sensors, such as. B. pellistors (Heat tone sensors) or tin dioxide sensors, methane in reliably detect the orders of magnitude requested.
Nachteilig bei diesen Sensoren ist die durchgängige Empfindlichkeit gegenüber allen oxidierbaren Gasen. Es wird gefordert, daß die Sensoren nicht bei Dämpfen von Alkoholen, Lösungsmitteln, etc. ansprechen. Daher können bis heute o. g. Sensoren in der nachgefragten Anwendung nicht ohne weiteres eingesetzt werden.The disadvantage of these sensors is that they are universal Sensitivity to all oxidizable gases. It will required that the sensors are not exposed to alcohol vapors, Address solvents, etc. Therefore, the above-mentioned Sensors in the requested application are not easy be used.
Die vorliegende Erfindung beschreibt eine technische Lösung, bei der Standardsensorelemente eingesetzt werden können, und die trotzdem die bisher vorliegenden Nachteile beseitigen wie folgt:The present invention describes a technical solution in the standard sensor elements can be used, and the nonetheless eliminate the disadvantages presently as follows:
- - nichtempfindlich gegenüber Lösungsmitteln und Alkoholdämpfen- not sensitive to solvents and alcohol vapors
- - keine Zerstörung der Sensorelemente bei Anwesenheit von silikonhaltigen Aerosolen- no destruction of the sensor elements in the presence of aerosols containing silicone
- - selbsttätige Überwachung der Sensorfunktion- Automatic monitoring of the sensor function
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Sensoren nicht unmittelbar der zur überprüfenden Luft auszusetzen, sondern (siehe Fig. 1) den Sensor in einem Gehäuse anzubringen, welches über eine oder mehrere Öffnungen verfügt. Allerdings kann der Gaszufuhrzutritt nicht direkt erfolgen. Vielmehr sind die Öffnungen durch einen gasdurchlässigen Filter verschlossen, der mind. aus einer Lage Aktivkohle besteht.According to the invention, it is proposed not to expose the sensors directly to the air to be checked, but (see FIG. 1) to mount the sensor in a housing which has one or more openings. However, the gas supply cannot be accessed directly. Rather, the openings are closed by a gas-permeable filter that consists of at least one layer of activated carbon.
Bevorzugt wird allerdings eine Ausführung mit mehreren Filterschichten, wobei die unmittelbar außenliegende Schicht die Funktionen eines Staub-Schmutz- und Aerosolfilters hat. Das Gehäuse wird so ausgeformt, daß eine möglichst große Außenfläche entsteht, welche die vom geheizten Sensorelement erzeugte Wärme ab führen kann.However, an embodiment with several is preferred Filter layers, the immediately outer layer the Functions of a dust-dirt and aerosol filter. The Housing is shaped so that the largest possible outer surface arises, which is the heat generated by the heated sensor element can lead from.
Die Erfindung macht sich folgende Beobachtung zunutze:The invention makes use of the following observation:
Der Transport von Gasen in das Sensorgehäuse hinein erfolgt ausschließlich nach dem Diffusionsprinzip, wobei die Gase jeweils einen ausgeglichenen Gasdruck anstreben. Gases are transported into the sensor housing exclusively according to the diffusion principle, with the gases in each case strive for a balanced gas pressure.
Ein Gastransport durch den Filter hindurch erfolgt also nur dann, wenn ein Gasdruckunterschied vor und nach dem Filter besteht. Die Diffusionseigenschaften von Gasen sind sehr unterschiedlich. Das relativ kleine Methan-Molekül durchdringt Aktivkohleschichten ohne weiteres. Die durchweg erheblich größeren Alkohol- und Lösungsmittelmoleküle sowie Aerosole werden dagegen zuverlässig vom Aktivkohlefilter absorbiert.Gas is only transported through the filter if there is a gas pressure difference before and after the filter. The Diffusion properties of gases are very different. The relatively small methane molecule penetrates activated carbon layers just like that. The consistently much larger alcohol and In contrast, solvent molecules and aerosols become reliable absorbed by the activated carbon filter.
Dieser Effekt ist um so ausgeprägter, weil kein Zwangstransport von Luft durch den Filter erfolgt, vielmehr erfolgt der Gastransport ausschließlich durch Diffusion aufgrund der Gasdruck-Differenzen. Erfindungsgemäß wird dadurch erreicht, daß ausschließlich kleinere Moleküle, in der vorliegenden Anwendung also Methan, auf das Sensorelement einwirken.This effect is all the more pronounced because there is no forced transport of air through the filter, rather, the Gas transport exclusively through diffusion due to the Gas pressure differences. According to the invention it is achieved that only smaller molecules, in the present application so methane, act on the sensor element.
Neben der zwingend notwendigen Aktivkohle-Schicht wird erfindungsgemäß eine weitere Schicht vorgeschlagen, die verhindern soll, daß sich Stäube, Fettreste und Aerosole auf der Aktivkohle ab setzen und insofern die Wirksamkeit und Lebensdauer dieser Filterschicht vermindern. Bevorzugt wird ein Filtermaterial mit insbesondere günstigen mechanischen Filtereigenschaften. Bewährt hat sich fließartiges, langfasriges Material mit elektrostatischen Eigenschaften.In addition to the mandatory activated carbon layer proposed another layer according to the invention, the should prevent dusts, fat residues and aerosols on the Put activated carbon off and in this respect its effectiveness and service life reduce this filter layer. A is preferred Filter material with particularly cheap mechanical Filter properties. Flow-like, long-fiber has proven itself Material with electrostatic properties.
Die Erfindung beschreibt weiter eine besondere Form der Signalauswertung, wobei die Überwachung der Funktionsfähigkeit besonders im Fordergrund steht. The invention further describes a special form of Signal evaluation, monitoring the functionality is particularly in the claim.
Ziel ist es, ein Versagen des Sensorelementes zu bemerken und in diesem Fall automatisch einen Voralarm bzw. eine Serviceanforderung auszulösen.The aim is to notice a failure of the sensor element and in In this case, a pre-alarm or a Trigger service request.
Dabei macht sich die Erfindung die Beobachtung zunutze, daß im bevorzugten Anwendungsfall das Sensorelement in aller Regel sehr selten mit dem Zielgas Methan provoziert wird. In Reaktion mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft wird die auf ca. 350 Grad Celsius erhitzte Oberfläche aus Zinndioxid (SnO₂) einen bestimmten Widerstand annehmen, der vom Sensorelement über einen längeren Zeitraum eingehalten werden wird.The invention makes use of the observation that in preferred application, the sensor element is usually very is rarely provoked with the target gas methane. In response to the oxygen in the ambient air is around 350 degrees Celsius heated surface made of tin dioxide (SnO₂) assume certain resistance that from the sensor element over a longer period will be observed.
Erfindungsgemäß wird gefordert, daß dieser Wert innerhalb eines bestimmten Toleranzbandes eingehalten wird. Wird das Toleranzband verlassen, ist das wahrscheinlich die Ursache von fehlerbegründeten Veränderungen der Anordnung und Anlaß, eine Serviceanforderung auszulösen.According to the invention it is required that this value within a certain tolerance band is observed. Will the tolerance band leave, that's probably the cause of error-based changes in arrangement and reason, a Trigger service request.
Wenn z. B. die Heizung des Sensors ausfällt, wird die SnO₂- Schicht, die elektrisch ein n-leitender Halbleiter ist, hochohmiger werden. Versagt die Heizungsregelung und betreibt den Sensor mit Übertemperatur, wird der Sensorwiderstand niederohmiger.If e.g. B. the heating of the sensor fails, the SnO₂- Layer that is electrically an n-type semiconductor become more resistive. The heating control fails and operates the Sensor with overtemperature, the sensor resistance low impedance.
Um diese Reaktionen zu provozieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in regelmäßigen Abständen die Temperatur des Sensorelementes zu verändern. Fig. 2 zeigt die Ausführung des Gedankens: In order to provoke these reactions, it is proposed according to the invention to change the temperature of the sensor element at regular intervals. Fig. 2 shows the implementation of the idea:
Die normale Sensorleistung (2) ist 100%. Dieser Leistung ist ein bestimmter Widerstand (1) der Zinndioxidschicht zugeordnet, die diese bei Beaufschlagung mit normaler Luft annimmt. Zum Beispiel 1× in 24 h wird die Leistung der Heizung auf z. B. 110% (4) erhöht. Dabei wird der Sensorwiderstand sinken (3). Anschließend wird die Sensorleistung auf z. B. 90% vermindert (5) was eine Erhöhung des Sensorwiderstandes (6) zur Folge hat. Das Programm der Auswerteeinheit ist so ausgelegt, daß diese Veränderung beobachtet wird und bei Ausbleiben der Reaktion eine Serviceanforderung erfolgt. Dieser Test wird in frei bestimmbaren Abständen wiederholt (9, 10, 11, 13, 14, 12).The normal sensor performance ( 2 ) is 100%. A certain resistance ( 1 ) of the tin dioxide layer is assigned to this power, which layer assumes this when exposed to normal air. For example, 1 × in 24 h, the heating output is reduced to B. 110% (4) increased. The sensor resistance will decrease (3). Then the sensor performance is reduced to z. B. 90% reduced (5) which results in an increase in sensor resistance ( 6 ). The program of the evaluation unit is designed so that this change is observed and a service request is made if there is no reaction. This test is repeated at freely definable intervals (9, 10, 11, 13, 14, 12).
Dazu ist eine elektrische Steuereinheit nach Fig. 5 erforderlich: Das Sensorelement (1) wird von einem elektrischen Heizungsregler (2) beheizt. Der Sensorwiderstand befindet sich in einem elektrischen Spannungsteiler und erzeugt das gaskonzentrationsabhängige elektrische Signal (3), welches einem Mikroprozessor zugeführt wird. Der Mikroprozessor steuert über eine Befehlsleitung (6) den Heizungsregler im Sinne der vorstehend beschriebenen Veränderungen der Heizleistung. Über einen Alarmausgang (5) und einen Ausgang zur Serviceanforderung (6) ist das Gerät mit der Außenwelt verbunden. An electrical control unit according to FIG. 5 is required for this: The sensor element ( 1 ) is heated by an electrical heating controller ( 2 ). The sensor resistor is located in an electrical voltage divider and generates the gas concentration-dependent electrical signal ( 3 ), which is fed to a microprocessor. The microprocessor controls the heating controller via a command line ( 6 ) in the sense of the changes in heating power described above. The device is connected to the outside world via an alarm output ( 5 ) and an output for service request ( 6 ).
Es gibt weitere erfindungsgemäße Strategien zur selbsttätigen Fehlererkennung. Der Mikroprozessor verfügt über einen nichtflüchtigen Speicher und bildet einen Durchschnittswert des Sensorsignals in der ersten Betriebszeit, z. B. über die ersten 48 h des Betriebes. Die Signalhöhe wird nichtflüchtig gespeichert.There are other self-employed strategies according to the invention Error detection. The microprocessor has one non-volatile memory and averages the Sensor signal in the first operating time, e.g. B. over the first 48 h of operation. The signal level is stored non-volatile.
Wenn der Sensorwiderstand (Fig. 4) hochohmiger wird und einen Toleranzwert (2) überschreitet (3), wird eine Serviceanforderung dann ausgelöst, wenn dieser Zustand über einen bestimmten Zeitraum hin beibehalten wird. Wenn der Sensorwiderstand (Fig. 3) einen längeren Zeitraum niederohmiger als der Toleranzwert (7) wird, erfolgt ebenfalls eine Serviceanforderung. Geringe Abweichungen vom Normalwert (1), in Fig. 3 beginnend zum Zeitpunkt (2) werden toleriert, wenn der Differentialquotient kleiner als ein vorgegebener Wert ist (3). Wird der Differentialwert größer als ein vorgegebener Wert (6), erfolgt unmittelbar eine Alarmauslösung, weil dieser Sprung nur durch eine sehr hohe Konzentration des Zielgases ausgelöst sein kann. Unabhängig von der Bewertung des Differentialquotienten als alarmauslösendes Kriterium wird ein Alarm dann ausgelöst, wenn das Sensorsignal (4) einen bestimmten Widerstandswert (4) unterschreitet.If the sensor resistance ( FIG. 4) becomes high-resistance and exceeds a tolerance value ( 2 ) (3), a service request is triggered if this state is maintained over a certain period of time. If the sensor resistance ( Fig. 3) becomes low-resistance for a longer period than the tolerance value ( 7 ), a service request is also made. Slight deviations from the normal value ( 1 ), beginning in FIG. 3 at the time ( 2 ), are tolerated if the differential quotient is less than a predetermined value (3). If the differential value is greater than a predetermined value ( 6 ), an alarm is triggered immediately because this jump can only be triggered by a very high concentration of the target gas. Independent of the evaluation of the differential quotient as an alarm triggering criterion, an alarm is triggered when the sensor signal ( 4 ) falls below a certain resistance value ( 4 ).
Dem erfindungsgemäßen Gassensor ist ein Gehäuse eingebaut, das Merkmale nach Fig. 1 aufweist: A housing is installed in the gas sensor according to the invention, which has features according to FIG. 1:
Das Gehäuse (1) ist so ausgeformt bzw. hat einen derartigen Wärmewiderstand nach außen, daß die vom Sensor erzeugte Wärme an die Umgebung abgestrahlt wird. Damit wird erreicht, daß die Luft im Innenraum sich nicht zu sehr erwärmt, um die Eigenschaften des Aktivkohlefilters (8) nicht ungünstig zu beeinflussen. Das gleiche Ziel wird mit der Montagelage verfolgt: Erfindungsgem. wird das Sensorelement niemals unmittelbar unter der Gaseintrittsöffnung (7) des Gehäuses angeordnet, um übermäßige Erhitzung der A-Kohle zu vermeiden. Der A-Kohleschicht (8) ist ein mechanisches Luftfilter (9) vorgelagert, um Stäube und Aerosole von der A-Kohle fernzuhalten.The housing ( 1 ) is shaped or has such a thermal resistance to the outside that the heat generated by the sensor is radiated to the environment. This ensures that the air in the interior does not heat up too much so as not to adversely affect the properties of the activated carbon filter ( 8 ). The same goal is pursued with the assembly position: the sensor element is never placed directly under the gas inlet opening ( 7 ) of the housing in order to avoid excessive heating of the activated carbon. The A-carbon layer ( 8 ) is preceded by a mechanical air filter ( 9 ) in order to keep dust and aerosols away from the A-carbon.
Das Sensorelement (2) ist auf eine gedruckte Schaltung (3) aufgebaut, die die Auswerteelektronik trägt und die mit (4) im Gehäuse befestigt ist. Eine Kabeldurchführung (6) bringt gasdicht das elektrische Verbindungskabel (5) nach außen. Das Gehäuse wird bevorzugt aus Aluminium aufgebaut, wobei zur Vergrößerung der Oberflächen die Innen- und Außenwände verrippt sind. Mit einer derartigen Maßnahme kann trotz guter thermischer Abstrahlung das Gehäuse relativ klein gehalten werden.The sensor element ( 2 ) is built on a printed circuit ( 3 ) which carries the evaluation electronics and which is fastened with (4) in the housing. A grommet (6) brings the gas-tight electrical connection cable (5) to the outside. The housing is preferably made of aluminum, the inner and outer walls being ribbed to enlarge the surfaces. With such a measure, the housing can be kept relatively small despite good thermal radiation.
Claims (4)
- - der Differentialquotient, der sich aus Sensorwiderstand und Zeit bildet, einen bestimmten Wert überschreitet, oder
- - der Sensorwiderstand einen bestimmten Mindestwert unterschreitet.
- - the differential quotient, which is formed from sensor resistance and time, exceeds a certain value, or
- - The sensor resistance falls below a certain minimum value.
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