DE3934619A1 - Katalytisch arbeitende detektorschaltung fuer brennbare gase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine katalytisch arbeitende Detektorschaltung für brennbare Gase.

Speziell befaßt sich die Erfindung mit Detektoren für brennbare Gase, welche Sensor-Widerstandselemente mit katalytischer Beschichtung aufweisen.

Detektoren für brennbare Gase werden traditionell verwendet, um das Vorhandensein brennbarer Gase zu detektieren, wie sie in Kohlenminen oder Fabriken auftreten. Die Detektorschaltungen umfassen dabei eine Schaltungsanordnung mit mindestens einem Sensorelement. Dieses Sensorelement war bisher ein Draht mit einer katalytischen, auf das zu detektierende Gas ansprechenden Beschichtung. Das Sensorelement wurde als einer der vier Zweige einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verwendet. Die anderen drei Zweige bestanden aus zwei Widerständen und einem Kompensationselement. Das Kompensationselement war dabei, abgesehen von der Tatsache, daß es keine katalytische Beschichtung aufwies, mit dem Sensorelement identisch.

An die Brückenschaltung wurde ein Strom oder eine Spannung angelegt, um die Oberfläche der katalytischen Beschichtung des Sensorelements zu erhitzen. Da die Widerstandswerte der drei anderen Zweige der Brücke bekannt waren, konnte der Widerstand des Sensorelements bestimmt werden, während an der Brückenschaltung ein Strom oder eine Spannung anlag.

Wenn das Sensorelement brennbaren Gasen ausgesetzt war, beispielsweise Methan, erfolgte an der katalytischen Beschichtung eine Verbrennung dieses Gases, wodurch die Temperatur des Sensorelementes erhöht wurde. Wenn die Temperatur des Sensorelementes zunahm, erhöhte sich sein Widerstand. Demzufolge nahm der Strom durch das Sensorelement ab. Durch Vergleichen der Widerstandswerte des Sensorelements und des Kompensationselements konnte das Vorhandensein eines brennbaren Gases detektiert werden. Da eine Änderung in der Gaskonzentration eine Änderung des Widerstandswerts des Sensorelements bewirkte, konnte die Quantität des Gases durch Eichung der Widerstandsänderung genau bestimmt werden. Dies ist das Grundprinzip der Arbeitsweise eines katalytisch arbeitenden Sensors für brennbare Gase.

Katalytische Sensorelemente können beispielsweise aus einem Draht bestehen, der eine Palladiumperlenbeschichtung besitzt (ein derartiges Sensorelement wird gelegentlich als "Pelement" bezeichnet) oder aus einem Drahtfilament, welches mit Platin beschichtet ist. Sensorelemente des vorstehend erwähnten Typs sind beispielsweise in der US-PS 30 92 799 beschrieben. Die katalytische Beschichtung eines sogenannten Pelements sorgt für eine große Anzahl von aktiven Stellen, welche die Verbrennung eines brennbaren Gases fördern.

Im Verlauf einer gewissen Zeit zeigt sich bei Sensorelementen, speziell bei einem sogenannten Pelement, eine Tendenz zu einer verringerten Empfindlichkeit. Diese verringerte Empfindlichkeit tritt besonders häufig bei Instrumenten ein, die intermitierend verwendet werden. Der intermitierende Einsatz von Instrumenten bewirkt, daß das Sensorelement erwärmt wird, wenn das Instrument eingeschaltet wird, und anschließend abkühlt, wenn das Instrument ausgeschaltet wird. Wenn jedoch in dem Sensorelement, insbesondere in einem Pelement, nicht ständig eine hohe Temperatur aufrechterhalten wird, dann zeigt es sich, daß gewisse Bestandteile eines zu überwachenden Gasgemisches nicht vollständig verbrennen. Diese Bestandteile, die man auch als Inhibitoren bezeichnet, haben die Tendenz, die aktiven Stellen an der Sensoroberfläche bzw. der Oberfläche des Pelements zu verstopfen oder zu "vergiften". Wenn aktive Stellen vergiftet werden, dann wird ein geringerer Teil des zu detektierenden Gases an der Sensoroberfäche verbrannt, was eine Verringerung der Oberflächentemperatur und eine verringerte Empfindlichkeit zur Folge hat.

Die Verunreinigungen bzw. Inhibitoren an den aktiven Stellen können dadurch verbrannt werden, daß man für ein kurzes Zeitintervall einen hohen Strom durch das Sensorelement bzw. das Pelement fließen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasdetektor für brennbare Gase anzugeben, der eine Schaltung umfaßt, die es ermöglicht, für ein vorgegebenes Zeitintervall einen hohen Strom durch das katalytisch arbeitende Sensorelement zu schicken, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Instrumentes, das heißt der Gasdetektorschaltung aufrecht zu erhalten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit einer katalytisch arbeitenden Gasdetektorschaltung gelöst, die durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gekennzeichnet ist.

Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß eine neue und verbesserte katalytisch arbeitende Gasdetektorschaltung für brennbare Gase angegeben wird, welche die Nachteile vorbekannter Gasdetektorschaltungen vermeidet und sich speziell für tragbare Gasdetektoren eignet.

Speziell wird gemäß der Erfindung eine Brückenschaltung vorgesehen, bei der einer der vier Zweige ein Sensorelement ist, während ein weiterer Zweig ein Kompensationselement ist. Ein Strom oder eine Spannung wird an die Schaltung angelegt, und die individuellen Widerstandswerte des Kompensationselements und des Sensorelements werden bestimmt. Die Elemente werden dann einem brennbaren Gas ausgesetzt und der neue Widerstandswert des Sensorelements wird mit dem Widerstandswert des Kompensationselements verglichen. Die Widerstandsdifferenz zwischen den Widerstandswerten des Sensorelements und des Kompensationselements wird dann geeicht bzw. an einem geeichten Anzeigegerät angezeigt, um die Konzentration eines zu detektierenden Gases in einer Gasprobe anzuzeigen.

Um zu vermeiden, daß sich an der Oberfläche des Sensorelements Verschmutzungen bzw. den Katalysator vergiftende Substanzen ansammeln, wird die Detektorschaltung mit einem elektronisch und zeitlich gesteuerten Schalter ergänzt, um für ein vorgegebenes Zeitintervall einen hohen Strom durch das Sensorelement fließen zu lassen.

Eine von einem Zeitgeber gesteuerte, den Strom beeinflussende Schaltung liefert dabei einen Strom, der etwa um ein Drittel höher ist, als der Strom, der jeweils beim Einschalten des Instruments eingeschaltet wird. Der hohe Strom fließt durch das Sensorelement und bewirkt ein Ansteigen der Oberflächentemperatur desselben. Diese erhöhte Temperatur bewirkt, daß Verunreinigungen an den aktiven Stellen des Sensorelements abgebrannt werden. Nach dem vorgegebenen Zeitintervall wird der Strom dann auf den vorgegebenen Betriebsstrom für das Gerät bzw. die Gasdetektorschaltung abgesenkt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert, deren einzige Figur ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer Gasdetektorschaltung gemäß der Erfindung mit einem stabilisierenden Netzwerk für einen katalytischen Sensor zeigt.

Im einzelnen zeigt die Zeichnung ein Schaltbild 100 eines Detektors für brennbare Gase. Eine Spannungsversorgung 101 liefert entweder eine konstante Spannung oder einen konstanten Strom - nachstehend wird einfach von "Strom" gesprochen - von etwa 0,4 A an einem Ein/Aus-Schalter 102. Wenn dieser Schalter 102 geschlossen wird, aktiviert der Strom einen Festkörper-Zeitgeber 103. Der Zeitgeber 103 schließt einen Schalter 111, der im Detektor- bzw. Sensorzweig 105 einer Wheatstoneschen Brückenschaltung 109 liegt. Der Zeitgeber 103 steuert außerdem eine den Strom beeinflussende Schaltung 104, welche den Strom auf etwa 0,6 A verstärkt. Dieser verstärkte Strom wird über den Schalter 111 an ein Sensorelement 105 angelegt, das einen Zweig der Wheatstoneschen Brückenschaltung 109 bildet. Die drei anderen Zweige der Brückenschaltung bestehen aus einem Kompensationselement 106 bzw. aus jeweils einem Widerstand 107, 108 von jeweils etwa 1000 Ohm. Die Brückenschaltung kann entweder im Konstantspannungsbetrieb oder im Konstantstrombetrieb oder im Betrieb mit konstanter Temperatur oder im Betrieb mit konstantem Widerstand arbeiten. Das Kompensationselement 106 ist mit dem Sensorelement 105 identisch, mit der Ausnahme, daß es keine katalytische Beschichtung trägt. Die Widerstandsänderung in der Brückenschaltung 109 bewirkt eine Stromänderung, die zur Folge hat, daß über einen Differenzverstärker 110 ein Differenzsignal als Ausgangssignal für eine Anzeigeeinheit (nicht gezeigt) geliefert wird. Das Ausgangssignal wird so geeicht, daß es die Menge des geprüften Gases anhand eines Vergleichs der Widerstandswerte des Kompensationselements 106 einerseits und des Sensorelements 105 andererseits anzeigt.

Solange der Zeitgeber 103 die den Strom beeinflussende Schaltung 104 im eingeschalteten Zustand hält, fließt über das Sensorelement 105 ein Strom, der etwa 1/3 höher ist als der normale Betriebsstrom für die Brücke. Der erhöhte Strom heizt das Sensorelement 105 so stark auf, daß Verunreinigungen an der Oberfläche des Detektorelements 105 verbrannt werden. Der Zeitgeber ist dabei auf ein vorgegebenes Zeitintervall eingestellt, welches ausreicht, um derartige Verunreinigungen zu verbrennen. Nach Ablauf des mit Hilfe des Zeitgebers 103 vorgegebenen Zeitintervalls öffnet der Zeitgeber 103 den Schalter 111 in dem das Sensorelement 105 enthaltenden Brückenzweig der Wheatstoneschen Brückenschaltung 109, während er gleichzeitig die als Verstärkerschaltung arbeitende Schaltung 104 abschaltet. Hierdurch wird der Strom für das Detektorelement 105 auf den normalen Betriebsstrom abgesenkt. Zu diesem Zeitpunkt sind störende Verunreinigungen des Sensorelements 105 durch den erhöhten Strom verbrannt, so daß folglich die ursprüngliche Empfindlichkeit des Sensorelements 105 wiederhergestellt ist.

Der Zeitgeber 103 wird jedesmal eingeschaltet, wenn die erfindungsgemäße Detektorschaltung bzw. das Meßgerät eingeschaltet wird. Wenn das am Zeitgeber 103 eingestellte Zeitintervall dann verstrichen ist und die Verstärkerschaltung 104 abgeschaltet wird, steht die Meßschaltung zum Erfassen der Anwesenheit eines brennbaren Gases, wie z.B. eines gasförmigen Kohlenwasserstoffes, bereit. Wenn das Sensorelement 105 dem brennbaren Gas ausgesetzt wird, fördert die katalytische Beschichtung des Sensorelements 105 die Verbrennung. Während die Temperatur des Sensorelementes 105 zunimmt, ergibt sich eine Widerstandsabweichung zwischen dem Sensorelement 105 und dem Kompensationselement 106. Diese Widerstandsdifferenz wird von dem Differenzverstärker 110 gemessen, welcher ein Ausgangssignal an eine geeichte Anzeigeeinheit (nicht gezeigt) liefert. Dabei ist die Anzeigeeinheit derart geeicht, daß sie die Konzentration des zu detektierenden Gases als Funktion der Höhe der eingetretenen Widerstandsdifferenz anzeigt.

Während die Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels erläutert wurde, versteht es sich, daß dem Fachmann zahlreiche Möglichkeiten für Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müßte.

Claims (6)

1. Katalytisch arbeitende Gasdetektorschaltung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
es ist eine Brückenschaltung (109) mit vier Zweigen (105 bis 108) vorgesehen, die Ein- und Ausgangsanschlüsse besitzt, und deren Eingangsanschlüsse mit einer Speisespannungsquelle (101) verbunden sind und deren Ausgangsanschlüsse mit Meßeinrichtungen (110) zum Messen eines Ungleichgewichts in der Brückenschaltung (109) verbunden sind;
ein erster Brückenzweig enthält ein katalytisch arbeitendes Gas-Sensorelement (105), welches auf brennbare Gase reagiert;
ein zweiter Brückenzweig enthält ein Kompensationselement (106);
ein dritter und ein vierter Brückenzweig enthält jeweils einen Widerstand (107, 108);
es ist eine, den Strom beeinflussende Schaltung (104) vorgesehen, mit deren Hilfe der Strom für die Brückenschaltung (109) zeitweilig für ein vorgegebenes Zeitintervall gegenüber einem normalen Betriebsstrom erhöhbar ist, wobei das Zeitintervall ausreichend ist, um die normale Betriebstemperatur des katalytisch arbeitenden Gas-Sensorelements (105) zu überschreiten und störende Verunreinigungen des katalytisch arbeitenden Gas-Sensorelements (105) abzubrennen, wobei die den Strom beeinflussende Schaltung (104) zwischen die Brückenschaltung (109) und die Speisespannungsquelle (101) geschaltet ist; und
es ist ein Zeitgeber (103) vorgesehen, mit dessen Hilfe die den Strom beeinflussende Schaltung (104) für das vorgegebene Zeitintervall aktivierbar ist.

2. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strom beeinflussende Schaltung (104) ein Stromverstärker ist.

3. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitgeber (103) als integrierte Festkörperschaltung ausgebildet ist.

4. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (105) eine katalytische Beschichtung aufweist.

5. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch arbeitende Sensorelement (105) ein zu einer Spule gewickeltes Platinfilament umfaßt, welches in eine Perle aus katalytisch wirksamen Material eingebettet ist.

6. Detektorschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der den Strom beeinflussenden Schaltung (104) ein um etwa ein Drittel über dem normalen Betriebsstrom liegender Strom erzeugbar ist.