DE19930750A1 - Halogengasdetektor - Google Patents
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Abstract
Ein Halogengasdetektor umfaßt eine Spule aus einem oxidationsempfindlichen Metalldraht mit einer nicht-reaktiven Oxidschicht, der zu einer Doppelhelix gewickelt ist und so einen zylindrischen Zwischenraum definiert, einen leitenden Metallstift, der innerhalb des zylindrischen Raumes positioniert ist und keinen Kontakt mit der Spule hat, sowie fein zerkleinertes, an Ort und Stelle gesintertes Natriumtitanat, welches den Raum zwischen Spule und Stift füllt.
Description
Zunächst wird der technische Hintergrund der Erfindung erläutert.
Gasdetektoren zum Aufspüren von halogenierten Gasen und anderen Gasen
durch die Wirkung dieser Gase auf die elektrischen Eigenschaften von
bestimmten Materialien sind bekannt. Gasdetektoren dieses Typus umfassen
jene, die in den folgenden Patenten beschrieben wurden: Loh et al., US Patent
Nr. 3,751,968 mit dem Titel "Festkörpersensor", Loh et al., US Patent Nr.
4,045,729 mit dem Titel "Gasdetektor" sowie Lee et al., US Patent Nr. 5,104,513
mit dem Titel "Gas-Sensor". Allen diesen Patenten ist gemeinsam, daß sie eine
schraubenförmige Spule und einen innerhalb der Spule positionierten Stift haben
welche voneinander durch ein Material getrennt sind, das den elektrischen
Widerstand ändert, der bei Änderung des Stroms oder der Spannung gemessen
wird, wenn das zu detektierende Gas zugegen ist.
Die Industrie ist stetig bestrebt, diese Art von Detektor zu verbessern,
insbesondere hinsichtlich der Empfindlichkeit gegenüber Kältegasen, der
Lebenszeit, des Energieverbrauchs und der Kosten. Es ist sehr wichtig, daß der
Detektor Kältegase der Typen R-134a, R12 und R-22 detektieren muß.
Erfindungsgemäß ist es von Vorteil, einen thermisch wirksamen Gasdetektor zur
Verfügung zu stellen, welcher weniger Energie als frühere Gasdetektoren
verbraucht, und so die Lebenszeit der Batterie verlängert.
Erfindungsgemäß ist es ein weiterer Vorteil, einen Gasdetektor zur Verfügung zu
stellen, welcher bei einer höheren Spannung und somit niedrigerer
Stromentnahme aus der Batterie arbeitet.
Erfindungsgemäß ist es weiter von Vorteil, einen Gasdetektor zur Verfügung zu
stellen, der im wesentlichen frei von Silicium ist.
Erfindungsgemäß ist es schließlich ein weiterer Vorteil, einen Gasdetektor zur
Verfügung zu stellen, der leicht herzustellen ist.
Gegenstand der Erfindung ist kurz gesagt ein Halogengasdetektor aus einem
Kollektor, der einen oxidationsresistenten Edelmetalldraht mit einer nicht
reaktiven elektrisch isolierenden Oxidschicht einschließt, welcher zu einer
helicalen Spule gewickelt ist und so einen zylindrischen Zwischenraum festlegt,
sowie einen leitenden Edelmetallstift, der innerhalb des zylindrischen Raumes
positioniert ist. Fein zerkleinertes, an Ort und Stelle gesintertes Natriumtitanat,
welches wahlweise mit Titanoxid oder anderen inerten Materialien gemischt ist,
füllt den Raum zwischen der Spule und dem Stift. Ein Stromkreis mit Leitungen,
die mit einer Batterie verbunden sind, ist vorgesehen, um zu bewirken, daß ein
elektrischer Strom in der Spule fließt, um deren Temperatur zu erhöhen. Ein
weiterer Stromkreis einschließlich Leitungen ist vorgesehen, um eine Spannung
zwischen Spule und Stift anzulegen und eine Änderung des Stroms zwischen
Spule und Stift zu erfassen, welche bei Anwesenheit eines Halogengases
angezeigt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Spule mit zwei oder mehr
Lagen gewickelt. In einer Ausführungsform wird die Spule aus einem 1/1000 Zoll
(= 0,0254 mm) dicken Draht gebildet, der in Form einer Doppel-Lagen-Spule von
etwa 20 Windungen gewickelt ist, wobei 10 Windungen über die anderen 10
Windungen in der Weise gewickelt sind, daß der innere Durchmesser der Spule
wenigstens 11/1000 Zoll (= 0,2794 mm) beträgt. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform bestehen der Spulendraht und der Stift aus nicht-oxidierendem
Edelmetall. In einer Ausführungsform bestehen Spulendraht und Stift aus Platin
oder platinhaltiger Legierung. Gemäß einer anderen Ausführungsform, ist der
Edelmetalldraht mit einer nicht siliciumhaltigen Oxidschicht beschichtet, um einen
Kurzschluß entlang der Spule zu verhindern.
Weitere Merkmale und andere Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden
aus der unten stehenden detaillierten Beschreibung ersichtlich unter
Bezugnahme auf die im folgenden erläuterten Zeichnungen.
Abb. 1 zeigt eine offene Aufsicht eines Gas-Sensors gemäß dieser
Erfindung
Abb. 2 zeigt eine offene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen
Gas-Sensors.
Abb. 3a und 3b zeigen eine Darstellung eines Teilabschnitts beziehungs
weise eines Endteils einer Doppel-Lagen-Spule, welche in
den erfindungsgemäßen Gas-Sensoren verwendet wird.
Abb. 4 zeigt ein elektrisches Schema zur Erklärung der
Arbeitsweise dieser Erfindung.
Im folgenden werden die Ausführungsformen im Detail beschrieben.
Bezugnehmend auf die Abb. 1, 2 und 3a und 3b besteht ein Halogengas-Sensor
aus einem elektrisch isolierenden Basisteil (10) mit drei elektrisch leitenden
Anschlußklemmen, die am Basisteil befestigt sind. Zwei der Klemmen (11), (12)
halten die Enden der Leitungen (16), (17) der als Doppel-Lagen-Spule
ausgebildeten Spule (15) (eine Lage ist über die andere Lage gewickelt, wie in
den Abb. 3a. und 3b gezeigt). Die Spule wird gebildet aus 111000 Zoll (= 0, 0254
mm) aluminiumvorbeschichteten Draht in Form einer Doppel-Lagen-Spule von 20
Wicklungen, wobei 10 Wicklungen über die anderen 10 Wicklungen in der Weise
gewickelt werden, daß der innere Durchmesser der vorbeschichteten Drahtspule
wenigstens 11/1000 Zoll (= 0, 2794 mm) beträgt. Der Spulendraht selbst besteht
aus einem Edel- oder oxidationsresistenten Metall, wie Platin (am üblichsten),
Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium und Iridium sowie ihren Legierungen.
Der Durchmesser des Drahtes und die Länge des Drahtes (Spule und Leitungen)
werden so gewählt, daß ein Widerstand von mehr als ungefähr 10 Ohm vorliegt.
Der Spulendraht ist mit einem nicht siliciumhaltigen Metalloxid, wie
Aluminiumoxid, Titanoxid, Thoriumoxid oder stabilisiertes Zirkonoxid sowie
Mischungen aus diesen, vorbeschichtet. Das feuerfeste Oxid, vorzugsweise
Aluminiumoxid, wird in Form eines feinen Pulvers verwendet und am Draht
mittels Binder und durch Sintern festgehalten. Die Beschichtung ist 1/1000 bis
3/1000 Zoll (0, 0254 mm-0, 0762 mm) dick. Mit der Beschichtung ist der Draht
noch flexibel genug, um zu einer Doppel-Lagen-Spule geformt zu werden.
Anschlußklemme (20) ist am Basisteil befestigt und hält Stift (21), welcher sich in
den zylindrischen Zwischenraum, der durch das Innere der Spule (15) festgelegt
ist, erstreckt. Der Stift besteht aus einem Edel- oder oxidationsresistenten Metall
und kann in der gleichen Weise vorbeschichtet werden wie der Draht, der zum
Formen der Spule verwendet wird. Eine Teilabdeckung (23) ist an der Peripherie
(24) des Basisteils (10) befestigt.
Aufschlämmungen des fein zerkleinerten Natriumtitanats in einer geeigneten
Trägersubstanz werden auf die mit Aluminiumoxid vorbeschichtete Drahtspule
und dem Stift aufgebracht und getrocknet bis eine Schicht (22) den Kern der
Spule um den Stift herum füllt, und zwar soviel, bis die einzelnen
Spulenwicklungen nicht länger unterscheidbar sind. Das Natriumtitanat kann mit
einem Füllmaterial vermischt werden, welches aus nicht-siliciumhaltigen Oxiden,
vorzugsweise Titanoxid, ausgewählt wird, welche die elektrischen Eigenschaften
des Natriumtitanats in Gegenwart von Halogengasen nicht stören. Die Menge
des Füllmaterials ist nicht kritisch, solange sie nicht die sich ändernden
elektrischen Eigenschaften nachteilig beeinflußt. Vorzugsweise wenigstens 80
Gewichtsprozent des Feststoffgehaltes der Aufschlämmung bestehen aus
Natriumtitanat. Das Natriumtitanat ist typischerweise ein feines Pulver, welches
etwa 325 mesh komplett passiert. Die Aluminiumoxid-Vorbeschichtung auf dem
Draht ist porös und das Natriumtitanat scheint die Vorbeschichtung zu
durchdringen. Die beschichtete Spule und Stift werden dann erhitzt, um die
Schicht vorzusintern. Das Vorsintern erfolgt durch einen Stromfluß durch die
Spule, um die Sintertemperatur zu erreichen, und diese Temperatur wird für eine
sehr kurze Zeit - etwa eine Minute - eingehalten. Die aktive Schicht bildet keine
glasartige oder Glasmasse; die fein zerteilten Natriumtitanat Partikel haften
jedoch aneinander, wo sie sich berühren. Unmittelbar nach diesem
Vorsinterungsprozess findet weiteres Sintern und Altern bei der
Betriebstemperatur der Spule statt, wobei die Betriebsvorspannung zwischen der
Spule und dem Stift angelegt und über einen Zeitraum von etwa 3 bis 12 Stunden
aufrechterhalten wird.
In der fertiggestellten titanatbeschichteten Stift-/Spulenanordnung stellen die
Alkalimetall-Ionen der Titanatschicht die Rezeptoren für negative Ionen dar (in
diesem Fall: die Halogenidionen der halogenierten Gase/Dämpfe). Beim Heizen
unterhalb der angelegten Vorspannung bildet sich entlang der Randschichten der
Titanatschicht und der Elektroden (Stift und Spule) eine äußere an Ionen
verarmte Schicht. Wird diese an Ionen verarmte Schicht reaktiven Gasen wie
Halogenen ausgesetzt, werden Ionen dazu veranlaßt, durch die
Verarmungszone zu wandern und die Leitfähigkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
Der Sensor wird entsprechend der schematischen Darstellung der Abb. 4
betrieben. Die angelegte Vorspannung wird typischerweise so ausgerichtet, daß
der Stift negativ in bezug auf die Spule ist, während sie sonst unkritisch für die
dazwischen befindliche Titanatschicht ist. Der Strom, der zwischen der Spule und
dem Stift fließt und mittels eines mit einem Widerstand (27) parallelgeschalteten
Voltmeters (26) gemessen wird, zeigt die Anwesenheit oder das Fehlen vor
halogenhaltigen Gasen an. Der erfindungsgemäße Sensor besitzt eine gute
Empfindlichkeit gegenüber Kältegasen / -dämpfen (R-134a, R-12 und R-22) mit
einem niedrigen Rauschen / Signal (Störstrom / Signalstrom) - Verhältnis. Die
Empfindlichkeit ist noch nach 100 Stunden ständigen Gebrauchs akzeptabel.
Dies entspricht etwa einer Dauer von einem Jahr Außendienst mit
Unterbrechungen. Das niedrige Rauschen / Signal (Störstrom / Signalstrom) -
Verhältnis ist möglicherweise auf das besondere Beschichtungsmaterial und die
Kompaktheit der aufgebrachten Schicht zurückzuführen. Während des Betriebes
liegt der Energieverbrauch in der Größenordnung von 600 bis 650 Milliwatt (mW)
bei einer Betriebsspannung von 4,1 V. Daraus resultiert ein sehr niedriger
Stromfluß. Im Vergleich hierzu verbraucht ein bekannter Sensor des Standes der
Technik ungefähr 800 mW bei einer Spannung von etwa 1, 2 V, und ein anderer
mit einem starken Spulenheizung verbraucht ungefähr 6 Watt.
Nachdem die Erfindung im Detail und bezüglich ihrer Besonderheiten in Hinblick
auf die Erfordernisse der Patentgesetze definiert wurde, werden die folgenden
Patentansprüche aufgestellt.
Claims (8)
1. Halogengasdetektor umfassend
- (a) eine Spule aus einem oxidationsresistenten Metalldraht mit einer nicht reaktiven Oxidschicht, der in Form einer Helix gewickelt ist und so einen zylindrischen Zwischenraum definiert,
- (b) einen leitenden Metallstift, der innerhalb des zylindrischen Raumes positioniert ist und keinen elektrischen Kontakt mit der Spule hat,
- (c) fein zerkleinertes, an Ort und Stelle gesintertes Natriumtitanat, welches den Raum zwischen der Spule und dem Stift füllt,
- (d) Mittel, welche bewirken, daß ein elektrischer Strom in der Spule fließt und deren Temperatur erhöht,
- (e) Mittel zum Anlegen einer Spannung zwischen der Spule und dem Stift, und
- (f) Mittel, welche die Änderung des elektrischen Widerstandes zwischen der Spule und dem Stift erfassen und die Anwesenheit von Halogengas anzeigen.
2. Halogengasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Draht zu einer Mehrfach-Lagen-Spule gewickelt ist.
3. Halogengasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Draht zu einer Doppel-Lagen-Spule gewickelt ist.
4. Halogengasdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser des Spulendrahtes und seine Länge so ausgewählt ist, daß der
Widerstand wenigstens 10 Ohm beträgt.
5. Halogengasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fein
zerkleinerte Natriumtitanat mit einem nicht-siliciumhaltigen Füllmaterial
vermischt ist.
6. Halogengasdetektor umfassend
- (a) eine Spule aus einem oxidationsresistenten Metalldraht mit einer nicht reaktiven Oxidschicht, der in Form einer Helix gewickelt ist und so einen zylindrischen Raum definiert, wobei der Draht zu einer Mehrfach-Lagen-Spule gewickelt ist,
- (b) einen leitenden Metallstift, der innerhalb des zylindrischen Raumes positioniert ist und keinen elektrischen Kontakt mit der Spule hat,
- (c) fein zerkleinertes, an Ort und Stelle gesintertes Natriumtitanat, welches den Raum zwischen der Spule und dem Stift füllt,
- (d) Mittel, welche bewirken, daß ein elektrischer Strom in der Spule fließt und deren Temperatur erhöht,
- (e) Mittel zum Anlegen einer Spannung zwischen der Spule und dem Stift, und
- (f) Mittel, welche die Änderung des elektrischen Widerstandes zwischen der Spule und dem Stift erfassen und die Anwesenheit von Halogengas anzeigen.
7. Halogengasdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Draht zu einer Doppel-Lagen-Spule gewickelt ist.
8. Halogengasdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Durchmesser des Spulendrahtes und seine Länge so ausgewählt ist, daß der
Widerstand wenigstens 10 Ohm beträgt.
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