DE3939166A1 - Apparat und verfahren zur selbsttaetigen kalibrierung von gassensoren unter verwendung von elektrochemischen effusionszellen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß Metalloxid-Sensoren, die beheizt werden, empfindlich mit einer Widerstandsänderung auf die Anwesen­ heit von oxidierbaren Gasen reagieren.

Bekanntgeworden sind Zinndioxid-Sensoren nach dem oben ge­ nannten Prinzip, wobei bekanntgeworden ist, daß diese Sen­ soren einen stabilen Betriebszustand erst nach einigen Tagen erreichen.

Daraus folgt, daß ein stabiler Nullpunkt beim kurzzeitigen Betrieb nicht erreicht wird.

Die Ursache für dieses Verhalten liegt in der Tatsache be­ gründet, daß die in der Sensoroberfläche befindliche Feuch­ tigkeit sich mit der in der Luft vorhandenen Feuchtigkeit in ein Gleichgewicht bringen muß, wobei sich Wasser als OH- Gruppen an der Oberfläche des Sensors adsorbieren.

Über eine Veröffentlichung der Fa. FIGARO (Sensors and actuators 14 (1988) 223-232) wird festgestellt, daß ein stabiles Gleichgewicht sich nach ca. 100 Betriebsstunden einstellt.

Häufig werden Anwendungen nachgefragt, bei denen eine der­ artig lange Stabilisierungszeit nicht zur Verfügung steht.

Die nachstehend beschriebene Erfindung stellt sich die Auf­ gabe, eine problemlose Anwendbarkeit auch unter Kurzzeit­ bedingungen zu garantieren.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zu nutze, daß elektro­ chemische Effusionszellen, die am Markt käuflich z. B. von der Firma Simatec/CH-Herzogenbuchsee erwerbbar sind, beim Anlegen einer elektrischen Spannung z. B. Wasserstoff frei­ setzen.

Dabei besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem Strom, der die chemische Zelle durchfließt, und der entwickelten Gasrate.

Veröffentlicht worden sind in Vakuumtechnik 22, 1973, Seite 106, elektrochemische Zellen, die Halogene freigeben, wobei der elektrochemische Mechanismus prinzipiell mit dem der Wasserstoffzellen vergleichbar ist.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, eine derartige chemische Zelle mit einem Gas-Sensor in einem Gehäuse derart zu vereinigen, daß die auf Anforderung von der chemischen Zelle freigesetzten Gase unmittelbar auf den Gassensor ein­ wirken. In der bevorzugten Ausführung wird nachstehend allerdings ein Metalloxid-Sensor, vorzugsweise bestehend aus Zinndioxid, beschrieben.

Aus Fig. 1 geht der prinzipielle Aufbau hervor:

Die elektrochemische Zelle (1) ist in unmittelbarer Nachbar­ schaft zum Gas-Sensor (2) angeordnet. Die Signale des Gas- Sensors werden von einer Steuer- und Regeleinheit, die vor­ zugsweise mikroprozessorgesteuert ist (3) verarbeitet.

Periodisch in frei definierbaren Abständen erzeugt die Aus­ werte- und Steuereinheit (3) einen elektrischen Strom, der die elektrochemische Zelle (1) dazu veranlaßt, ein spezi­ fisches Gas in definierter Menge abzugeben. In der bevor­ zugten Ausführung wäre das Wasserstoff.

Die Fig. 2 zeigt die prinzipielle Abfolge:

Unmittelbar nach dem Einschalten driftet der Sensor mehrere Tage lang. Die Basislinie (4) zeigt entsprechend einen Gra­ dienten.

Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, eine vergleichs­ weise kurze Zeit nach dem Einschalten, z. B. im Abstand weniger Minuten, über die elektrochemische Zelle eine defi­ nierte Konzentration von z. B. Wasserstoff freizusetzen.

Erfindungsgemäß soll in kurzer Abfolge die Konzentration stufenartig verschiedene Pegel annehmen (5, 6, 7).

Aus diesen Stufen kann ein Gradient berechnet werden, der es einerseits gestattet, die Null-Linie zu berechnen, ande­ rerseits die Sensitivität zu bestimmen erlaubt. In einer ge­ wissen Zeit danach (8), die z. B. 5 Minuten betragen kann, kann unter Zugrundelegung der so ermittelten Sensordaten der Sensor zur Gasdetektion eingesetzt werden, wobei vorteil­ hafterweise durch diese Maßnahme auch der Einfluß der rela­ tiven Luftfeuchtigkeit und anderer interferierender Gase berücksichtigt.

Die Erfindung löst damit vorteilhaft das Problem der auto­ matischen Kalibrierung, insbesondere weil elektrochemische Effusionszellen vergleichsweise preiswert am Markt erhält­ lich sind.

Vorteilhaft wirkt sich die Lehre der Erfindung insbesondere beim Einsatz von Multi-Sensor-Systemen aus, wie sie z. B. in der Europäischen Patentanmeldung 8 91 14 409.9 beschrieben worden ist. Gerade bei solchen Anwendungen kommt es auf die Reproduzierbarkeit der Kennlinien im entscheidenden Maße an. Durch die von der hier vorliegenden Erfindung beschriebenen Maßnahmen kann erreicht werden, daß rechnerisch stets stabile Voraussetzungen für die Meßphase (8) vorliegen. Es ist selbstverständlich möglich, auf die Integration in das Sensorgehäuse zu verzichten und in einer weiteren Ausgestal­ tung der Erfindung mit Hilfe der Lehre der Erfindung einen kalibrierfähigen Gas-Generator auszugestalten, der es ge­ stattet, vorhandene Sensorsysteme zu kalibrieren oder zu prüfen.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Anwendung innerhalb von Feueralarmsystemen, die häufig unter Einsatz von Zinndioxid-Sensoren dergestalt arbeiten, daß die Schwelgase bzw. Verbrennungsgase eine Widerstandsänderung verursachen, die elektrisch ausgewertet wird.

Es hat sich gezeigt, daß aufgrund der sehr hohen Diffusions­ geschwindigkeit zuerst Wasserstoffgase den Sensor erreichen, noch bevor andere Gase den Sensor erreichen. Insofern ist es sinnvoll, eine Funktionskontrolle des Sensors mit Hilfe von nach der Lehre der Erfindung erzeugtem Wasserstoffgas durch­ zuführen.

Damit ist es möglich, jederzeit eine Gerätschaft so zu kon­ struieren, daß ein selbsttätiger Funktionstest möglich ist. Die nach diesem Prinzip erstellbaren Feueralarm-Sensoren erhalten damit eine erhebliche Qualitätssteigerung.

Ferner wird darauf hingewiesen, daß es wasserstoffempfind­ liche Gas-Sensoren nach dem MOS-FET-Prinzip gibt. Die prak­ tische Anwendbarkeit dieser Sensoren ist unter anderem des­ wegen bisher nur sehr eingeschränkt gegeben, weil die Null­ punkte und Arbeitspunkte erheblich driften. Vorteilhaft an diesen neuen Sensoren ist allerdings die Tatsache, daß kaum ein Eigenenergieverbrauch stattfindet. Da die elektroche­ mischen Zellen ebenfalls nur über einen sehr geringen Ener­ giebedarf verfügen, ist es nach der Lehre der Erfindung mög­ lich, handliche und tragbare und batteriebetriebene Geräte mit langer Lebensdauer zu konstruieren, die verschiedensten Anwendungszwecken, z. B. portable Feueralarmgeräte etc., zugeordnet werden können.

Claims (2)

1. Apparat und Verfahren zur Sensierung gasförmiger Substanzen unter Anwendung von gassensitiven Schichten, z. B. Zinndioxid oder MOS-FET oder Wärmetönungspelistoren oder elektroche­ mischen Zellen, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrochemische Effusions­ zelle räumlich dem gasempfindlichen Sensorelement so zuge­ ordnet wird, daß von der elektrochemischen Effusionszelle abgegebene Gase auf den Gassensor einwirken, wobei durch eine Steuer- und Auswerteeinheit (3) die elektrochemische Zelle in zeitlichen Abständen mit einem definierten Strom beauf­ schlag wird, der die elektrochemische Zelle zur Abgabe von Gas in definierter Konzentration veranlaßt, wodurch das Sensorelement (2) seine elektrischen Parameter verändert und damit der Auswerte- und Steuereinheit (3) die Möglichkeit gibt, eine Kalibrierung des Sensorelementes (2) vorzuneh­ men.

2. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrochemische Zelle nicht einen Impuls mit einer definierten Konzentration abgibt, sondern eine Stufung von Impulsen unterschiedlicher Konzen­ tration, um eine Zwei- oder Mehrpunktkalibrierung durch die elektrische Auswerte- und Steuereinheit (3) vornehmen zu können.