DE3213286C2

DE3213286C2 - Gaserfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3213286C2
Application number: DE19823213286
Authority: DE
Inventors: Hideo Yokohama Arima; Akira Yokohama Ikegami; Tokio Fujisawa Isogai; Shoichi Yokohama Iwanaga; Takanobu Noro; Nobuo Yokosuka Sato
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1982-04-08
Filing date: 1982-04-08
Publication date: 1986-01-23
Also published as: DE3213286A1

Abstract

Gaserfassungsvorrichtung und Verfahren zur Gaserfassung, wobei Gasinformation wie Konzentrationen von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, Konzentration und Anwesenheit bestimmter Gaskomponenten u.ä. erfaßt wird durch vorheriges Messen der Empfindlichkeiten (Gasselektivitäten) einzelner Gasmeßfühler gegenüber einzelnen Gaskomponenten unter Nutzung von Unterschieden von Gasempfindlichkeiten (Gasselektivitäten) von Gasmeßfühlerwerkstoffen gegenüber Gaskomponenten und der Linearität von angezeigten Konzentrationswerten von Gaskomponenten gegenüber Mischungsverhältnissen eines Gasgemischs (Leitfähigkeit von Gasmeßfühlern im Betrieb) und unter Lösen mehrerer simultaner linearer Gleichungen, die aufgrund der ermittelten Ausgangsspannungen (angenommenen Werte) der einzelnen Meßfühler und der bekannten Empfindlichkeiten der einzelnen Meßwertfühler gegenüber den einzelnen Gaskomponenten angesetzt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaserfassungsvorrichtung der im Oberbegriffdes Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art.

Halbleiter-Gasmeßfühler wie z.B. Zinnoxid (SnO₂), Eisenoxid (Fe₂O₃), Zinkoxid (ZnO) können Ausgangsso größen über Gaskonzentrationen in Form von elektrischen Signalstärken wiedergeben, sind leicht zu handhaben und kostengünstig herstellbar, weshalb sie bisher viel verwendet werden. Sie arbeiten nach dem Prinzip, daß eine Änderung des Widerstands eines Halbleiter-Gasmeßfuhlers durch Adsorption eines Probengases auf dem aktiven Teil des Meßfühlers von einem Erfassungsglied in Form einer Ausgangsspannung entnommen wird; Fig. 1 zeigt ein solches Erfassungsglied, wobei 11 ein Festwiderstand ist, 12 ein Meßfühler auf a-Fe₂O₃-Basis zum Erfassen von Isobutan (C₄H₁₀) und 13 ein Spannungsmesser.

Die Beziehungen zwischen der erfaßten Gaskonzentration und der erfaßten Spannung sind gewöhnlich in einem gewissen Bereich linear, wie die typische Erfassungskurve 21 für Isobutan (C₄H₁₀) zeigt, die mit einem Meßfühler auf <z-Fe₂O₃-Basis erhalten wurde (vgl. Fig. 2), und sind folglich auf praktische Messungen gut anwendbar.

Im einzelnen wird auf den Stand der Technik Bezug genommen, bei dem Wasserdampfkonzentration und Alkoholdampflconzentration gleichzeitig in einem Gasgemisch aus Luft, Wasserdampf und Alkoholdampf getrennt erfaßt werden, wie bisher gründlich untersucht wurde. Z. B. gibt die offengelegte JP-Patentanmeldung 80192/80 an, daß einige Arten von Meßfühlerwerkstoffen zur gleichzeitigen, jedoch unabhängigen Erfassung mehrerer Gaskomponenten benötigt werden und auch daß mehrere Meßfühler zum Erfassen nur einer Gaskomponentenart benötigt werden, wenn kein Meßfühler zum Erfassen nur einer solchen Gaskomponentenart zur Verfügung steht; d. h., beispielsweise im letzteren Fall, wenn eine Gaskomponente α erfaßt werden soll, aber kein Meßfühler zur Erfassung nur der Gaskomponente α zur Verfugung steht, sondern nur ein gegenüber beiden Gaskomponenten α und b empfindlicher Meßfühler A verfügbar ist, dann kann ein Meßfühler, der nicht gegen-

über der Gaskomponente a, sondern gegenüber der Gaskomponente b empfindlich ist, feststellen, daß keine Gaskomponente b vorhanden ist, wodurch der Meßfühler A die Gaskomponente α erfassen kann. Die genannte Veröffentlichung gibt an, daß Änderungen des Widerstands von Lcnthan-Nickeloxid (LaNiO₃) und Magnetit (Fe₃O₄) gegenüber Gasgemischen mit bekannten Konzentrationen im voraus geeicht werden, wodurch einzelne Konzentrationen von Wasserdampfund Alkoholdampf in einem Gasgemisch aus Luft, Wasserdampfund Aikoholdampf mit unbekannten Konzentrationen erfaßt werden.

Dieser bekannte GasmeUfühler erfüllt nicht die Erfordernisse der Trennung und quantitativen Bestimmung eines Gasgemischs, die in jüngster Zeit bei der Erfassung von Kraftfahrzeugabgasen und aus chemischen Anlagen austretenden Gasen auftreten. Wie z.B. aus der Erfassungskurve eines palladiumdotierten Meßfühlers auf der Basis von Zinkoxid (ZnO) als H₂-Gasmeßfühler in Fig. 3 ersichtlich ist, liefert ein solcher Meßfühler die durch H₂ (Kurve 31 in Fig. 3) sowie die durch Kohlenmonoxid (CO) (Kurve 32 in Fig. 3) und die durch Kohlenwasserstoffgas (Propangas, Kurve 33 in Fig. 3) erzeugte Ausgangsspannung gleichzeitig, wodurch die Erfassungsgenauigkeit eines solchen Meßfühlers für H₂ beträchtlich herabgesetzt wird. Dies scheint auf die Adsorption von von H₂ verschiedenen Gaskomponenten zurückzuführen zu sein, die die H₂-Adsorption verändern, und dieses Phänomen wirkt sich gewöhnlich in jedem Gasmeßfühlerwerkstoffals ein großer Nachteil des konventionellen Halbleiter-Gasmeßfühlers aus.

Es ist weiter eine Gaserfassungseinrichtung der eingangs vorausgesetzten Art aus der JP-A 2 56-150 340 bekannt, mit der die Konzentrationen an NO und an NO + NO₂ unter Verwendung eines nur auf NO₂ ansprechenden Halbleiter-Gasmeßfühlers und eines auf NO₂ + NO ansprechenden Halbleiter-Gasmeßfühlers ermittelt werden.

Nach der JP-A 2 56-151 348 werden die beiden Halbleiter-Gasmeßfühler einer Gaserfassun^i-äinrichtung zur Erfassung der NO- und (NO₂ + NO)-Konzentrat:onen durch eine Heizeinheit auf etwa 30O⁰C eier darüber erhitzt.

Aus »Technisches Messen tm«, 1979, Heft 11, S. 405-414 ist es schließlich bekannt, einen ZnO-Gasmeßfühler zum Erfassen der Äthanol-Konzentration in Wasser auf 40O⁰C zu erhitzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gaserfassungs vorrichtung der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, die es ermöglicht, Konzentrationen von mehr als zwei Komponenten eines Gasgemisches genau und schnell zu ermitteln.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das Wesen der Erfindung beruht auf der Ermittlung von Gasinformation wie Konzentrationen von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, dem Konzentrationsverhältnis, der Anwesenheit bestimmter Gaskomponenten u. ä. durch vorheriges Messen der Empfindlichkeiten einzelner Gasmeßfühler gegenüber einzelnen Gaskomponenten unter bewußter Nutzung der Linearität angezeigter Konzentrationswerte von Gaskomponenten gegenüber Mischungsverhältnissen eines Gasgemischs (wobei der angezeigte Wert ein Wert auf der Eichkurve ist) und von Unterschieden in Gasempfindlichkeiten von Gasmeßfühlerwerkstoffen gegenüber Gaskomponenten (im folgenden »Gasseiektivität« genannt) und unter Lösen mehrerer simultaner linearer Gleichungen, die aufgrund der ermittelten Meßgrößen einzelner Meßfühler und der bekannten Empfindlichkeiten der einzelnen Meßfühler gegenüber den einzelnen Gaskomponenten angesetzt werden, so daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine beliebige Anzahl von Meßkomponenten mit Hilfe der entsprechenden Anzahl von Gasmeßruhlern mit gegenüber den einzelnen Meßkomponenten linearem Leitfähigkeits-Konzentrations-Verlauf erfaßt werden kann.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Erfassungsglied-Schaltbild des konventionellen Gasmeßfühlers auf der Basis von ar-Fe₂Oj;

F i g. 2 ein Beispiel einer Kurve, wobei die Ausgangsspannung des Erfassungsglieds nach F i g. 1 über der Gaskonzentration aufgetragen ist;

Fig. 3 ein Beispiel von erfaßten Ausgangskenngrößen von Wasserstoff und anderen Gaskomponenten unter Anwendung des konventionellen Wasserstoffmeßfühlers auf der Basis von Zinkoxid (ZnO), der auch mit Pd dotiert ist;

Fig. 4 (a) eine schematische Ansicht des wesentlichen Teils einer ersten Ausführungsform der Erfindung, so wobei sechs Meßfühler angeordnet sind;

F i g. 4 Ib) eine schemctische Querschnittsansicht A -A' von F i g. 4 (a);

Fig. 5-10 Kurven von erfaßten Ausgangswerten eines Gasgemischs aus sechs Gaskomponenten unter Anwendung von sechs Meßfühlern nach der ersten Ausfülffuiigsiorm gemäß Fig. 4;

Fig. 11-13 (a) und (b) Ansichten des Aufbaus anderer Ausführungsformen der Gaserfassungsvorrichtuns nach der Erfindung;

Fig. 14 ein Diagramm der Additivität der Leitfähigkeit für tatsächlich mit der erfindungsgemäßen Gaserfassungsvorrichtung gemessene Gaskonzentrationen verschiedener CH₄-H₂-, CH₄-C₃H₈- und C₃H₈-H₂-GaS-gemische.

Vor der Beschreibung der Ausführungsformen wird im folgenden zur Erleichterung des Verständnisses der teehniche Gedanke der Erfindung kurz beschrieben.

Der technische Grundgedanke ist, davon Gebrauch zu machen, daß der Beitrag der einzelnen Gaskorcpoiienten zum erfaßten Ausgangswert im wesentlichen in der Additivität liegt. Dabei sei die Anzahl der Komponenten in einem Probengasgemisch n, und die Erfassungsempfindlichkeit eines Gasmeßfühlers / gegenüber einer bestimmten Gaskomponentey bei einer Konzentration xjsei aij. Die durch die Mf ßfuhler /erfaßte und von sämtlichen Gaskomponenten erzeugte Ausgangsspannung (angenommener Wert) Pi kann wie folgt geschrieben wer-

Pi "Σι Ή

J-i

- Σ aljxj

J-i

id wobei PH ein von einem einzigen Gasmeßfühler / durch eine bestimmte Gaskomponente y erzeugter Ausgangsweit ist, «(/durch den Gasmeßfühlerwerkstoff {/änderbar ist und, sobald ein bestimmter MeßfühlerwerkstofTy ermittelt ist, ein erfaßter Ausgangswert gegenüber einer einzelnen Gaskomponentey geeicht werden muß, und wobei m die Anzahl der Gasmeßfühler ist.

Es wurde festgestellt, daß eine solche Additivität zutrifft, worauf die Gaserfassungsvorrichtung und das Vcris fahren zur Gaserfassung beruhen.

Der Gedanke der auf dem konventionellen Gasmeßfühler beruhenden Erfassungskurven ist, für den Gebrauch einen Meßfühlerwerkstoff /7 zu entwickeln, der die Empfindlichkeit aij gegenüber einer bestimmten Gaskomponente/ außerordentlich erhöhen kann, während er die Wirkung anderer Gaskomponenten richtig als Fehler anzeigt, wodurch ein annähernd richtiger Wert erhalten wird; damit unterscheidet er sich von dem vorliegenden Gedanken, wonach die Empfindlichkeit aij gegenüber einer bestimmten Gaskomponentey relativ erhöht wird, während die Wirkung der anderen Gaskomponenten als Fehler berücksichtigt wird, der als Bestätigung eines vom betreffenden Gasmeßfühler richtig erfaßten Ausgangswerts genutzt wird.

Aus der obengenannten Formel ist eine Gaskonzentration xj in gleicher Weise ableitbar wie eine Lösung aus bekannten mehreren simultanen linearen Gleichungen ableitbar ist. D.h., eine Gruppe mit einer gleichen Anzahl η von jeweils aus verschiedenen Werkstoffen bestehenden Gasmeßfünlern wie die Anzahl der Gaskomponenten wird einem Gasgemisch aus π Gaskomponenten ausgesetzt, um jeweils von den einzelnen Meßfühlern Ausgangswerte zu erhalten, und die einzelnen Gaskomponeptenkonzentrationen xj werden einzig mittels Determinantenrechnung aus diesen erfaßten Ausgangswerten erhalten. Außerdem wird der Rechenvorgang von einem Mikrocomputer, der die Empfindlichkeit aij als Konstante im voraus gespeichert hat, durchgeführt; dadurch ist die Gaskonzentration durch Realzeitverarbeitung ableitbar.

Somit besteht der technische Grundgedanke darin, bewußt eine Gasempfmdlichkeit gegenüber einer Mehrzahl von Gaskomponenten eines Gasmeßfühlerwerkstoffs zu verwenden, was im Gegensatz zum konventionellen Gedanken nach dem Stand der Technik steht und damit in dieser Hinsicht einmalig ist.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung eine Ausführungsform der Gaserfassungsvorrichtung im einzelnen beschrieben.

Fig. 4 (a) ist eine schematische Ansicht eines Gasmeßfühlerteil?, der der wesentliche Teil der Gaserfassungsvornchtung ist. Der Gasmetsfühieneii hai sechs Meßfühler 4Θ1,4Ö2,403,404,4G3 und 4G6, die in Matrixkcnfiguration angeordnet sind. Die einzelnen Meßfühler werden hergestellt durch Bilden von sechs Grundelektroden 412 aus leitfähiger Goldpaste (z. B. die Paste Nr. 8760 von DuPont) an vorbestimmten Stellen nach dem bekannten Dickschichtdruckverfahren, Bilden von Verbindungsleitern 413 zu den Grundelektroden 412, anschlie ßendes Bilden von gasempfindlichen Teilen durch Verwendung von sechs Arten von Gasmeßfühlerpasten unterschiedlicher Empfindlichkeit gegenüber den jeweiligen Grundelektroden 412, wobei diese gasempfindlichen Teile mit einer vorbestimmten Dicke (ca. 10 μΐη) nach dem gleichen Dickschichtdruckverfahren wie die Grundelektroden 412 hergestellt werden, anschließendes Bilden von oberen Elektroden 415 vorbestimmter Form und Größe auf den Gasmeßfühlern mittels eines Druckverfahrens und Brennen aller Meßfühler bei einer Brenntemperatur von 900° C für 10 min. Auf diese Weise ist eine Meßfühleranordnung zur Analyse einer Mehrzahl von Gaskomponenten in Sandwich-Bauweise für die einzelnen Meßfühler und mit vorbestimmten Verdrahtungen erhältlich.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden sechs Arten von Meßfühlerpasten verwendet. D. h., es wird ein Werkstoff auf CoO-Basis für den Meßfühler 401, ein Werkstoff auf WO₃ +PT-Basis für den MeßfDHer 402, ein Werkstoff auf VO₂ + AG-Basis für den Meßfühler 403, ein Werkstoff auf ZnO + Pd-Basis für den Meßfühler 404, ein Werkstoff auf Fe₃O₄-BaSiS für den Meßfühler 405 und ein Werkstoff auf SnO₂-Basis für den Meßfühler 406 verwendet, wobei den einzelnen Werkstoffen 10 Gew.-% hochschmelzendes Kristallglas und ein organisches Bindemittel beigemischt werden und durch gründliches Kneten die Meßfühlerpasten hergestellt werden.

Signale (Ausgangsspannungen) des Gasmeßfühlerteils der oben beschriebenen Anordnung werden durch Kombination von oberen Elektroden 415 und Grundelektroden 412 entnommen. Z.B. ist das Signal des Meßfühlers 402 erhältlich, indem die Ausgangsklemme der Grundelektrode 416 in der ersten Zeilengruppe und die Ausgangsklemme der oberen Elektrode 4152 in der zweiten Reihengruppe angesteuert werden. Insgesamt werden die Signale durch Abtasten der einzelnen Elektroden in den Zeilengruppen und in den Reihengruppen, wie oben beschrieben, erhalten.

Fig. 4 (b) ist eine schematische Querschnittsansicht A-A' von Fig. 4 (a).

Fig. 5-10 zeigen den Verlauf von erfaßten Ausgangsspannungen von Meßfühlern 401-406 des Meßfühlerteils als dem wesentlichen Teil einer Gaserfassungsvorrichtung für ein Gasgemisch aus Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff und Wasserdampf.

In F i g. 5 zeigt die Kurve 51 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers auf CoO-Basis für Sauerstoff (O₂), die Kurve 55 den für Wasserdampf (H₂O) und die Kurve 56 den für Kohlenwasserstoff. In Fi g. 6 zeigt die Kurve 62 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers auf WO₃ + Pt-Basis für

Wasserstoff (H₂), die Kurve 63 den für Stickstoffdioxid (NO₂) und die Kurve 64 den für Kohlenmonoxid (CO).

In Fig. 7 zeigt die Kurve 72 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers auf VO₂ +Ag-Basis für H₂, die Kurve 73 den für NO₂, die Kurve 74 den für CO und die Kurve 76 den für Kohlenwasserstoff.

In Fig. 8 zeigt die Kurve 82 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers auf ZnO + Pd-Basis für H₂, die Kurve 84 den für CO und die Kurve 86 den für Kohlenwasserstoff.

In Fig. 9 zeigt die Kurve 92 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers auf SnO₂-Basis für H₂, die Kurve 94 den für CO und die Kurve 96 den für Kohlenwasserstoff.

ir. Fig. 10 zeigt die Kurve 105 den Verlauf des Ausgangssignals des Gasmeßfühlers auf Fe₃O₄-Basis für H₂O (Gas).

Die einzelnen Gasmeßfühler werden für die Erfassung eingesetzt unter Erwärmung der Gasmeßfühlerwerkstoffe, und die in Tabelle 1 gezeigten Erwärmungstemperaturbereiche werden als optimal für die einzelnen Meßfuhlerwerkstoffe angesehen. Ein plattenförmiges Heizelement mit guter Temperaturverteilung wird als Heizeinheit verwendet.

Tabelle 1

Optimale Erwärmungstemperatur einzelner Meßfuhlerwerkstoffe

Gasmeßfühler auf CoO-Basis 400-500° C

Gasmeßfühler auf WO₃ + Pt-Basis 250-400°C

Gasmeßfühler auf VO₂ + Ag-Basis 300-400°C

Gasmeßfühler auf ZnO+ Pd-Basis 350-450°C

Gasmeßfühler auf Fe₃O₄-Basis 350-450°C

Gasmeßfühler auf SnO₂-Basis 350-450°C

Somit wird im folgenden Beispiel eine integrierte Gaserfassungsvorrichtung verwendet, und die gemeinsame Erwärmungstemperatur ist 400° C. Z. B. ist das plattenförmige Heizelement auf der gleichen Seite des Substrats wie die Gasmeßfühler vorgesehen, wobei dazwischen eine elektrische Isolierschicht angeordnet ist, um eine gute Temperaturverteilung und einen guten Heizwirkungsgrad bei der integrierten Anordnung zu erzielen. Das plattenförmige Heizelement kann auch auf der entgegengesetzten Seite des Substrats vorgesehen sein.

Aus Tabelle 2 ist die Empfindlichkeit als charakteristischer Wert eines Meßfühlers ersichtlich, der die Gasseiektivität eines Meßfühlers für diese Gaskomponenten zeigt.

Tabelle 2

Meßfühler Empfindlichkeit (V/ppm)

^Nr· O₂ H₂ NO₂ CO H₂O Kohlen-

(Dampf) wasserstoff

401 7,7 X 10"⁴ OOO i,8 X 10"⁴ 1,1 X 10"⁴ 4:

402 O 1,6 x 10~³ 8,3 X 10~⁴ 2,3 x 10"⁴ O O

403 1,4 X 10~³ OOOOO

404 O 1,7 x 10"³ O 1,4 x 10"³ O 0,2 x 10"³

405 O O,6xlO'³ O 1,3XlO"³ O 1,6 x IO"³

406 O O O O 1,5 x ΙΟ"³ Ο

Im folgenden ist die Analyse einer Probengasmischung mit sechs Arten von Gaskomponenten (n = 6) durch eine Gaserfassungsvorrichtung beispielsweise beschrieben.

Von den einzelnen Meßfühlern im Meßfühlerteil der Gaserfassungsvorrichtung erfaßte, gleichzeitig von Gaskomponenten eines Probengasgemischs, d.h. Sauerstoff, Wasserstoff, Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid, Wasserdampf und Kohlenwasserstoff, erzeugte Spannungen werden unter Anwendung eines Erfassungsglieds mit Signalverarbeitung (in der Figur nicht gezeigt) errechnet und haben folgende Werte, wobei jeweils die Meßfühlernummer und die erfaßte Spannung angegeben sind:

401: 3,79 V, 402: 2,63 V, 403: 5,60 V,
404: 3,40 V, 405: 3,30 V, 406: 4,50 V.

Im folgenden werden Spannungswerte als angenommener Wert verwendet

Wenn die Konzentrationen der jeweiligen Gaskomponenten mit X₀₂, X_H2, Xno₂, Xco. Xh₂O bzw. X_0n _H„ in ppm bezeichnet sind, so sind die folgenden sechs simultanen linearen Gleichungen unter Anwendung von Spannungswerten als angenommenen Werten und der Konstanten nach Tabelle 2 ableitbar.

7,7 X ΙΟ"⁴ · X₀₂ + O ■ Xh₂ + O · Χ_Νθ2 + O - Xc₀ + 1,8 x 10"⁴ · X_h-₂o + 1,1 x W* " Xc-H. = 3,79 (1) O - Xq₂ + 1,6 x ΙΟ"³ · Xh₂ + 8,3 X 10"⁴ ■ X_nQ₂ + 2,3 X 10"⁴ · Xc₀ + O ■ X„_2O + O · Xc_-11. - 2,63 (2)

OXhjo + OX^h^S.OO (3)

O · Xo₂ + 1,7 X 1

O · Xo₂ + 0,6 X 10'³ · Xh₂ + O · X_NO2 + 1,3 X IO"³ · Xco + O · Xn₂O + 1,6 X 10"³ · X_0n,,,, = 3,30 (5) O · Xo₂ + 1,7 X 10"³ ■ Xh₂ + O · X_NOl + 1,4 Χ 10"³ · Xc₀ + O · X_H,₀ + 0,2 Χ 10"³ ■ X_0nH_n = 3,40 (4)

c ν in"³ .γ j- η . γ = 4 sn cfk\

,J Λ IW "H₂O ~ W ΛΟλιΗλ *t_tJl/ \y)

Durch Lösen der obigen simultanen Gleichungen durch Rechenglieder (nicht in Fig. 4 gezeigt) werden die

.§> ίο folgenden Werte als Konzentrationen der einzelnen Gaskomponenten erhalten:

X₀₂: 4,0 X 10\ Xh₂: 1,0 X 10\ X_NOj: 1,0 x 10², Xc₀: 1,0 X 10³, X_H20: 3,0 X 10³ und V Xc_nHn. 1,5 x 10³ (Einheit: ppm).

Ii

; 15 Fig. 11 (a) ist eine schematische Ansicht einer zweiten Ausfiihrungsform, wobei die Oberflächenausbildung

\i eines Meßfühlerteils der Gaserfassungsvorrichtung gezeigt ist Fig. 11 (b) ist eine schematische Querschnitts-

y ansicht A -A' von Fig. 11 (a). Wie aus Fig. 11 (a) und (b) ersichtlich ist, sind bei der zweiten Ausführungsform

'?■ sechs Meßfühler 1101,1102,1103,1104,1105 und 1106 in Matrixkonfiguration angeordnet, und die Meßfuhler-

jjjj oberfläche ist platten- bzw. bahnförmig und isi einem Probengas ausgesetzt. Die einzelnen Elektroden sind in

I; 20 Zeilengruppen oder Reihengruppen miteinander verbunden, wie bei der ersten Ausführungsform gezeigt, und

die Schnittstellen der Verbinder zwischen den Elektroden sind durch einen Überkreuzungswerkstoff elektrisch isoliert

Die Vorrichtung nach der zweiten Ausfiihrungsform wird im wesentlichen nach dem gleichen Verfahren wie die erste Ausführungsform hergestellt. Zuerst werden Elektroden 1112 und Verbinder 1113 zwischen den Elektroden auf einem wärmebeständigen isolierenden Substrat 1111 unter Anwendung von Goldleiterpaste (z. B. Nr. 8760 von DuPont) nach dem bekannten Dickschichtdruckverfahren gebildet. Dann werden die Gasmeßfühlerschichten 1114 aus verschiedenen Arten von Meßfühlerpasten, wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben, für die einzelnen Meßfühler gebildet. An den Schnittstellen der Leiter zwischen den Elektroden werden isolierende Überkreuzungsschichten 1115 aus einer Kristallglaspaste (ζ. B. Nr. 9429 von DuPont) durch Drukken auf den ersten Leitern gebildet, und dann werden zweite Leiter auf die Isolierschichten aufgedruckt. Darauf hin wird das ganze Substrat bei der vorbestimmten Temperatur gebrannt, um die Gaserfassungsvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform zu erhalten.

Erfaßte Ausgangswerte der einzelnen Meßfühler 1101-1106 der zweiten Ausführungsform für die jeweiligen Gaskomponenten eines Probengasgemischs sind sehr schnell erhältlich. D.h., Konzentrationen der jeweiligen Gaskomponenten sind quatitativ ebenso schnell bestimmbar wie die bei der ersten Ausführungsform.

Fig. 12 (a) zeigt eine dritte Ausführungsform der Gaserfassungsvorrichtung mit sechs Meßfühlern in dergleichen Sandwich-Bauweise wie bei der ersten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß lediglich Verbinderverdrahtungen zur Entnahme der erfaßten Ausgangswerte von denen der ersten Ausfuhrungsform verschieden sind. Fig. 12(b) ist eine schematische Querschnittsansicht A-A' der dritten Ausfiihrungsform gemäß Fig. 12 (a).

Fig. 13 (a) zeigt eine vierte Ausführungsform der Gaserfassungsvorrichtung, wobei die Oberflächenstruktur des Meßfühlerteils mi) vier Meßfühlern in der gleichen Plattenform wie bei der zweiten Ausführungsform zur Erfassung von vier Gaskomponenten dargestellt ist, und Fig. 13 (b) ist eine schematische Querschnittsansicht A-A' von Fig. 13 (a). Diese Gaserfassungsvorrichtung wird wie folgt dargestellt:

Goldelektroden 1312 und Verbinder 1313 zwischen den Elektroden werden auf einem Glassubstrat 1311 durch Maskierungs-Aufdampfen gebildet, woraufhin auf den Elektroden Gasmeßfühlerschichten 1314 für die einzelnen Meßfühler durch Zerstäuben gebildet werden. Werkstoffe für die einzelnen Meßfiihlerschichten 1314 sind CoO für den Meßfühler 1301, ZnO + Pd für den Meßfühler 1302, Fe₃O₄ für den Meßfühler 1303 und SnO₂ für den Meßfühler 1304. Bei der Herstellung der Elektroden werden durch Zerstäuben auf den ersten Leitern 1313 zwisehen den Elektroden an den Kreuzungspunkten zwischen Leitern und Elektroden Isolierschichten 1315 aus einer SiO₂- Schicht gebildet Dann werden darauf durch Maskierungsaufdampfen die zweiten Elektroden und Verbinder zwischen den zweiten Elektroden gebildet Daraufhin wird an der Vorrichtung eine integrierte Schaltung vorgesehen, um die erfaßten Spannungen in Form von Signalen zu verstärken.

Bei den Verdrahtungen nach der zweiten, dritten und vierten Ausfuhrungsform können Spannungen von den einzelnen Meßfühlern durch aufeinanderfolgendes Ansteuern gemeinsamer Busse in der Zeilen- und Reihengruppe erfaßt werden. Der Beitrag der einzelnen Gaskomponenten zu den erfaßten Spannungen kann nach dem gleichen Verfahren wie bei der ersten Ausfuhrungsform errechnet werden.

Zur Errechnung der Spannungen in Form von Signalen kann ein Mikroprozessor vorgesehen sein (nicht gezeigt), um die Konzentration der einzelnen Gaskomponenten in der Endstufe in Realzeit zu erhalten. Fig. 14 zeigt die Additivität als Grundlage des technischen Gedankens in bezug auf die einfachsten binären Gasgemische, d. h. CH₄-H₂, CH₄-C₃H₈ und H₂-C₃H₈, wobei die aus der erfaßten Spannung (angenommener Wert) abgeleitete Leitfähigkeit als Anzeigewert der Gaskonzentration verwendet wird. Die Nutzung der Leitfähigkeit als Anzeigewert der Gaskonzentration ist ein Ergebnis durchgeführter Untersuchungen, bei denen gefunden wurde, daß im Fall der Leitfähigkeit auch die Additivität der Gaskonzentration als Anzeigewert erhalten bleiben kann. Dagegen kann z. B. im Fall des spezifischen Widerstands eine solche einfache Additivität als Anzeigewert nicht erhalten bleiben. Das *nt eine sehr wichtige Feststellung.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde Aluminiumoxidsubstrat (Al₂O₃) als wärmebeständiges Isoliersubstrat 411,1111,1211 und 1311 verwendet Ähnliche Ergebnisse sind mit Isoliersubstratwerkstoffen gemäß der folgenden Tabelle 3 erhältlich.

Tabelle 3	2MgO · SiO₂
	MgO · SiO₂
Weitere IsoliersubstratwerkstofTe	3Al₂O, · 2SiO₂
Forsterit:	SiC
Steatit:	ZrO,
Mulüt:	MgO · Al₂O₃
Siliziumkarbid:	BeO
Zirkonerde:
Spinell:
Beryllerde:

10

Bei der oben beschriebenen Gaserfassungsvomchtung ist ein Gasmeßfühlerteil so aufgebaut, daß mehrere Meßfühler aus Gasmeßfuhlerwerkstoffen unterschiedlicher Gasselektivität gegenüber bestimmten Gaskomponenten eine.s Gasgemischs auf einem Isoliersubstrat vorgesehen sind. Die Gasselcktivität gegenüber bestimmten Gaskomponenten eines Gasgemischs ist nicht nur erhältlich, indem, wie oben beschrieben, verschiedene is Meßfuhlerwerkstoffe verwendet werden, sondern auch durch Änderung der Verfahren und Bedingungen zur Herstellung von Meßfühlern bei Verwendung der gleichen Komponenten bestimmter Meßfühlerwerkstoffe oder durch Integration der einzelnen Meßfühler anstatt auf einem Isoliersubstrat in ein und derselben Software, so uäo GäSinforüiüiiOn WiC die Anwesenheit ucStiilitüicr GäSküiTipOiicnicn cificS GäSgcfnisCiH, ΚοΓιΖδΓΐίΓαίίΰ- nen der einzelnen Gaskomponenten usw. erhalten wird. Diese Abwandlungen sind für den Fachmann selbstver- ständlich. Die auf diese Weise erhaltene Gasinformation ist wie folgt verwertbar:

(1) Konzentrationen der einzelnen Gaskomponenten oder nur gewünschte Gaskomponenten sind als Ausgangsgrößen in einer Anzeigevorrichtung wie einem Meßgerät oder als graphische Darstellung oder Zah- lenwerte erhältlich.

(2) Z. B. ist das CO/CO₂-Verhältnis als Ausgangswert erhältlich.

(3) Die Anwesenheit bestimmter Gaskomponenten kann als Ausgangssignal angezeigt werden. In diesem Fall wird die Anwesenheit einfach durch einen Summer angezeigt.

30

Wie oben beschrieben, kann die Gaserfassungsvomchtung zur Analyse mehrerer Gaskomponenten die einzelnen Gaskomponenten eines Probengasgemischs mit großer Genauigkeit schnell trennen und quantitativ bestimmen.

Ferner können eine Heizeinheit sowie eine Signalverarbeitungsschaltung auf dem gleichen Substrat durch Druckverfahren (Dickschichtverfahren) vorgesehen werden, wodurch es möglich ist, einen einfachen und kostengünstigen Analysator als Meßfühlereinrichtung zur Analyse mehrerer Gaskomponenten durch Realzeit-Signalverarbeitung zu schaffen. Die Gaserfassungsvorrichtung bringt einen außergewöhnlichen Erfolg auf dem betreffenden Gebiet der Technik.

Hier ' Blatt Zeichnungen

45 50 55

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Claims

Patentansprüche:

1. Gaserfassungsvorrichtung, bestehend aus einem Substrat mit einer Mehrzahl von Gasmeßfühlern aus unterschiedlichen Materialien, deren Zahl gleich der Zahl der verschiedenen zu erfassenden Gase ist und deren elektrische Leitfähigkeit sich in Abhängigkeit von den Konzentrationen der zu erfassenden Gase unterschiedlich ändert, und einem Rechenglied zum Errechnen von Einzelkonzentrationen der Gase aus den Leitfähigkeits-Ausgangsgrößen der Gasmeßfühler, dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine Heizeinheit aufweist und

daß jeder der Gasmeßfühler (z. B, 401 bis 406) eine elektrische Leitfähigkeit entwickelt, die durch e jie von den übrigen Gasmeßfühlern abweichende, bekannte lineare Gleichung der Konzentrationen der zu erfassenden Gase dargestellt wird.

2. Gaserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmeßfühler (z.B. 401—406) auf einem elektrisch isolierten Substrat integriert sind.

3. Gaserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit ein IS plattenförmiges Heizelement ist

4. Gaserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit auf der den Gasmeßfuhlern entgegengesetzten Substratseite angeordnet ist.

5. Gaserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit auf der

gleichen Substratseite wie die Gasmeßfuhler unter Zwischenschaltung einer elektrischen Isolierschicht angeordnet ist

6. GaserfassungsvorrichtuDg nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmeßfuhler (z.B. 401-406) von der Heizeinheit auf eine Temperatur zwischen 400⁰C und 450⁰C aufheizbar sind.

7. Gaserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmeßfühler in Matrixkonfiguration angeordnet und verschaltet sind und daß die Verschaltung der Ausgänge der matrix-

artig angeordneten Gasmeßfühler so ausgelegt sind, daß jeweils ein Ausgang von zu einer Zeilengruppe der Matrixkonfiguration gehörenden Gasmeßfuhlern mit einer Sammelschiene verbunden ist und der andere, zu einer Reihengruppe der Gasmeßfuhler gehörende Ausgang geöffnet snd dadurch einzeln abtastbar ist.

8. Gaserfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmeßfuhler in Matrixkonfiguration angeordnet und verschaltet sind und daß die Verschaltung der Ausgänge der matrix-

artig angeordneten Gasmeßfuhler so ausgelegt ist, daß jeweils ein Ausgang von zu einer Zeilengruppe der Matrixkonfiguration gehörenden Gasmeßfuhlern mit einer Sammelschiene verbunden ist und jeder der anderen Ausgänge von zu einer Reihengruppe der Matrixkonfiguration gehörenden Gasmeßfühlem mit einer weiteren Sammelschiene verbunden ist

9. Gaserfassungsvorrijchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen der Gaskompone.ten einzeln abrufbar sind.

10. Gaserfassungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein akustischer Signalgeber für die Anwesenheit einer bestimmten Gaskomponente vorgesehen ist.

11. Gaserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von mehreren bestimmten Gaskomponenten abrufbar ist.

12. Gaserfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem

Rechenglied eine Anzeigevorrichtung nachgeschaltet ist.