DE4001959A1

DE4001959A1 - Measuring sums of gas partials for safety monitoring - applying sensor system using metal oxide semiconductors allowing specific weighting of signal

Info

Publication number: DE4001959A1
Application number: DE19904001959
Authority: DE
Inventors: Hanns Rump; Wolf-Dieter Bargmann
Original assignee: Rump Elektronik Tech
Current assignee: Rump Elektronik Tech
Priority date: 1990-01-24
Filing date: 1990-01-24
Publication date: 1991-07-25

Abstract

Homogeneous semiconductor or other sensitive gas sensors are used. Two or more sensor arrays are applied, each with one or more sensor elements, at two or more different heights. A measure for evaluation of the partial sums is provided by the concn. differences of the gases at the arrays on the basis of different specific weightings. The latter is achieved by various doping or working temps. of the sensor elements for different reactions to the gases. Gas entrance openings (2) can be stacked vertically in a housing (1). Separate gas-sealed housings (3,4) are placed behind the openings and contain the sensor (6) arrays (5). A central electronic unit (7) controls the arrays with an electrical sensor resistance and processes the measurement values. USE/ADVANTAGE - Allows contaminated ground, e.g buried rubbish dump, sewage, to be economically continuously monitored, differentiating between levels of safe gas emission and sudden outbreaks of potentially dangerous gas.

Description

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Messung von gas förmigen Stoffen mittels homogener Halbleiter wie z. B. Me talloxide. Bei diesem speziellem Verfahren werden die Gas- Partialsummen erfaßt und spezifisch in der Art gewichtet, daß die Partialsummenbildungen beispielsweise ein Maß für die Gefährdung von Personen durch toxische Gase, für Geruchsbe lästung oder Maß für Gefährdungen anderer Art wie z. B. Brandgefahr sind.The application describes a method for measuring gas shaped substances by means of homogeneous semiconductors such. B. Me talloxides. With this special process, the gas Partial sums recorded and weighted specifically in such a way that the partial sum formation, for example, is a measure of the Danger to people from toxic gases, for odor nuisance or measure of other types of hazards such. B. Are at risk of fire.

Die kontinuierliche Erfassung von Gefährdungspotentialen, die ihren Ursprung in der Konzentration bestimmter Gase in der Umgebungsluft haben, ist bis heute problematisch, in vielen Fällen mit unvertretbar hohem Aufwand verbunden und in eini gen anderen Fällen überhaupt nicht möglich. So werden z. B. bei der Sanierung kontaminierter Böden kontinuierliche Mes sungen der entweichenden Gase notwendig. Auch die kontinuier liche Überwachung von Giftmülldeponien bzgl. sich bildender Giftgase wird zunehmend zu einem Problem. Fehlerhafte Be triebszustände bei Kläranlagen können zu erheblichen Geruchs belästigungen führen. In all diesen Fällen ist bisher eine kontinuierliche Überwachung nicht möglich, weil mit einschlä gigen analytischen Methoden wie Gas-Chromatograf oder IR- Spektroskopie nur diskontinuierlich gearbeitet werden kann bzw. wirtschaftlich nicht vertretbare Kosten entstehen.The continuous detection of hazard potentials their origin in the concentration of certain gases in the Having ambient air is problematic to this day, in many Cases associated with unacceptably high expenditure and in one not possible at all in other cases. So z. B. Continuous measurement during the remediation of contaminated soils solutions of the escaping gases necessary. Even the continuous monitoring of toxic waste landfills with regard to the formation Poisonous gases are becoming a problem. Incorrect loading Operating conditions in sewage treatment plants can lead to significant odors cause annoyance. In all of these cases, there is one continuous monitoring not possible because with incl analytical methods such as gas chromatograph or IR Spectroscopy can only be worked discontinuously or economically unjustifiable costs arise.

Andere bekannte analytische Detektoren wie elektrochemische Zellen, die selektiv arbeiten oder auf dem Markt befindliche SnO2-Sensoren, die ein reines Summensignal erzeugen, können ohne weitere Vorrichtungen keine situations- oder anwendungs abhängige Aussagen erzeugen. Other known analytical detectors such as electrochemical Cells that work selectively or are on the market SnO2 sensors that can generate a pure sum signal no situation or application without additional devices generate dependent statements.

Es ist bekannt, daß in zunehmenden Maße versucht wird, mit homogenen Halbleitersensoren selektive Aussagen zu erreichen. Diese Ansätze sind z. B. beschrieben in den Patentanmeldungen P 37 36 200 und P 37 36 199. Diese Zielrichtungen sind aber nicht tauglich für Situationen, in denen mehrere Gase gleich zeitig erfaßt und bewertet werden müssen. Für die Lösung dieser Aufgabenstellung wird ein neuartiger Ansatz gewählt, bei dem davon ausgegangen wird, daß für den jeweiligen kon kreten Einsatzfall (kontaminierte Böden, Deponie etc.), die zu erfassende und zu bewertende Partialsumme bekannt ist. So kommen beispielsweise auf nicht entsorgten Standorten von ehemaligen Kokereien gesundheitsschädliche Stoffgruppen vor wie aromatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzol) und poli zyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (z. B. Benzpyren) oder Phenole. Die zu berücksichtigenden Gase können analy tisch im Labor einmalig selektiv bestimmt werden zur Fest legung der zu berücksichtigenden Gas-Partialsumme.It is known that attempts are increasingly being made with homogeneous semiconductor sensors to achieve selective statements. These approaches are e.g. B. described in the patent applications P 37 36 200 and P 37 36 199. However, these objectives are not suitable for situations in which several gases are the same must be recorded and evaluated at an early stage. For the solution a new approach is chosen for this task, where it is assumed that for the respective con crete application (contaminated soil, landfill, etc.), the partial sum to be recorded and evaluated is known. So come from, for example, locations that have not been disposed of former coking plants before harmful substance groups such as aromatic hydrocarbons (e.g. benzene) and poli cyclic aromatic hydrocarbons (e.g. benzpyrene) or phenols. The gases to be taken into account can be analyzed be selected selectively in the laboratory for the festival determination of the gas partial sum to be taken into account.

Die auf der Basis der analytischen Untersuchung festgelegten Partialsumme ist dann kontinuierlich zu überwachen. Gleich zeitig sind Signale von Gasen zu unterdrücken, die nicht zu Beeinträchtigungen führen. Auf diese Weise können beispiels weise während eines Auskofferungsprozesses kontaminierter Böden mögliche gesundheitliche Schäden durch plötzliche Konzentrationserhöhungen ausgeschlossen werden.Those determined on the basis of the analytical examination The partial sum is then to be continuously monitored. Soon Signals of gases must be suppressed at an early stage Lead to impairments. In this way, for example wise contaminated during an excavation process Soils possible health damage from sudden Increases in concentration can be excluded.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabenstellung dadurch gelöst, daß zwei oder mehr gasempfindliche Sensor-Elemente oder zwei oder mehr gasempfindliche Sensorsysteme eingesetzt werden. Diese Sensor-Elemente oder Sensorsysteme werden an zwei oder mehr verschiedenen Orten plaziert, zwischen denen eine Höhen differenz besteht. Da die Gase aufgrund ihres unterschied lichen spezifischen Gewichtes bei verschiedenen Höhen unter schiedliche Konzentrationen aufweisen und bei neuem Entstehen auch unterschiedliche vertikale Ausbreitungsgeschwindigkeiten aufweisen, entstehen unterschiedliche Leitfähigkeitsänderun gen an Sensor-Elementen. According to the invention, this task is solved by that two or more gas sensitive sensor elements or two or more gas sensitive sensor systems are used. These sensor elements or sensor systems are connected to two or placed more different places, between which a height there is a difference. Because the gases differed because of their specific weight at different heights have different concentrations and when new ones arise also different vertical propagation speeds different conductivity changes occur on sensor elements.

Als Sensor-Element wird ein Metalloxid-Halbleiter wie z. B. SnO₂ eingesetzt, die bereits in unterschiedlichen Ausführun gen auf dem Markt angeboten werden. Prinzipiell reagieren diese Sensoren mit einer Änderung des elektrischen Wider standes der Metalloxidschicht auf die Summe der angebotenen Gase. Abhängig aber von z. B. Herstellverfahren, Dotierung und Arbeitstemperatur ändert sich der Widerstand spezifisch abhängig von einer Gasart.As a sensor element, a metal oxide semiconductor such. B. SnO₂ used, which are already in different versions be offered on the market. Respond in principle these sensors with a change in electrical resistance level of the metal oxide layer on the sum of the offered Gases. Depending on e.g. B. Manufacturing process, doping and working temperature, the resistance changes specifically depending on a type of gas.

Abhängig von der zu erfassenden Gaspartialsumme können unter schiedliche Zahlen von verschiedenen Sensoren auf einer Höhe H1 eingesetzt werden. Die gleiche oder eine davon abweichende Anordnung von Sensoren wird auf der Höhe H2 eingesetzt. Über eine mikroprozessor gesteuerte Auswertung werden die unter schiedlichen Werte der Partialsummen erfaßt und bewertet.Depending on the gas partial sum to be recorded, different numbers of different sensors can be used at a height H 1 . The same or a different arrangement of sensors is used at height H 2 . The different values of the partial sums are recorded and evaluated via a microprocessor-controlled evaluation.

Mittels eines Vergleichs können bei Überschreiten eines vor gegebenen "Gefährdungspotentials" Aktionen ausgelöst werden wie z. B. Unterbrechung der Baggerarbeiten bei kontaminierten Böden.A comparison can be made if a value is exceeded given "hazard potential" actions are triggered such as B. Interruption of dredging work on contaminated Floors.

Wenn bei der Zusammenstellung des Gefährdungspotentials der Quereinfluß eines bestimmten Gases, das nicht in das Gefähr dungspotential mit einbezogen ist, von der Gaspartialsummen bildung nicht ausgeschlossen werden kann, ist es als Zusatz maßnahme ohne weiteres möglich, vor dem Gaseingang eine selektive Membran anzubringen, die dieses Gas ausschließt.If, when compiling the hazard potential, the Cross influence of a certain gas that is not in danger potential is included, from the gas partial sums education cannot be ruled out, it is an addition measure easily possible, one in front of the gas inlet selective membrane to exclude this gas.

In Fig. 1 ist eine mögliche Ausführungsform des Gas-Partial summensensors beschrieben. In einem Gehäuse (1) befinden sich vertikal auf unterschiedlicher Höhe Gaseintrittsöffnungen (2). In Fig. 1, a possible embodiment of the gas partial sum sensor is described. In a housing ( 1 ) there are gas inlet openings ( 2 ) vertically at different heights.

Hinter der Gaseintrittsöffnung (2) sind die gasdicht abge schlossenen auf der vertikalen Höhe H1 befindlichen Gehäuse (3) und auf der Höhe H2 befindlichen Gehäuse (4) plaziert.Behind the gas inlet opening ( 2 ) are the gas-tight closed at the vertical height H 1 housing ( 3 ) and at the height H 2 housing ( 4 ) are placed.

In diesen Gehäusen befinden sich jeweils ein Sensor-Array, (5) mit einem oder mehreren Sensoren (6). Eine zentrale Elek tronik (7) steuert die Sensor-Arrays (5) mit dem elektrischen Sensor-Widerstand und verarbeitet die Meßwerte. Die zentrale Elektronik (7) umfaßt eine Heizungssteuerung für die Sensoren und die direkte Ansteuerung der Sensoren. A/DWandler, Mikro prozessoren und ROMs für die Bewertung der Partialsumme sind ebenfalls in der Zentralelektronik (7) enthalten. Die zen trale Elektronik wird über die Leitung (8) mit Energie ver sorgt und gibt über eine digitale Schnittstelle (9) ihre Ergebnisse aus.Each of these housings contains a sensor array ( 5 ) with one or more sensors ( 6 ). A central electronics ( 7 ) controls the sensor arrays ( 5 ) with the electrical sensor resistance and processes the measured values. The central electronics ( 7 ) comprise a heating control for the sensors and the direct control of the sensors. A / D converters, microprocessors and ROMs for evaluating the partial sum are also included in the central electronics ( 7 ). The central electronics is supplied with energy via the line ( 8 ) and outputs its results via a digital interface ( 9 ).

In Fig. 2 ist dargestellt, daß die gasdichten Gehäuse (3 u. 4) ohne weiteres auch getrennt aufgebaut werden können, so daß mit großen Höhendifferenzen gearbeitet werden kann. Die zentrale Elektronik läßt sich davon völlig unabhängig an einem getrennten Ort aufbauen.In Fig. 2 it is shown that the gas-tight housing ( 3 and 4 ) can also be easily constructed separately, so that large differences in height can be used. The central electronics can be set up completely independently at a separate location.

In Fig. 3 ist gesondert herausgehoben, daß vor den Gasein trittsöffnungen 2 eine Membran (10) angebracht sein kann, die z. B. für eine bestimmte Gasart undurchlässig ist. Es kann auch zusätzlich eine Gas-Verzögerungsstrecke (11) eingebaut werden, um den zeitlichen Unterschied der Gaskonzentrations änderungen zwischen der Höhe H1 und H2 zu verstärken.In Fig. 3 is highlighted separately that in front of the Gasein outlet openings 2, a membrane ( 10 ) can be attached, the z. B. is impermeable to a certain type of gas. A gas delay line ( 11 ) can also be installed in order to reinforce the time difference of the gas concentration changes between the levels H 1 and H 2 .

Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß kostengünstig direkt kontinuierliche Gaspartialsummenmessungen möglich werden. Innerhalb der Sensor-Arrays können gebräuchliche Halbleitersensoren eingesetzt werden. Der Umweg über eine selektive Messung, die bei Halbleitersensoren nur mit auf wändiger Mustererkennung möglich ist und eine anschließende Addition aller Komponenten erfordert, kann vermieden werden.The advantage of this arrangement is that it is inexpensive direct continuous gas partial sum measurements possible will. Common within the sensor arrays Semiconductor sensors are used. The detour via selective measurement, which only applies to semiconductor sensors continuous pattern recognition is possible and a subsequent Addition of all components required can be avoided.

Claims

1. A method for measuring gas partial sums using homogeneous semiconductors or other sensitive gas sensors, characterized in that two or more sensor arrays, each consisting of one or more sensor elements, are arranged in two or more different heights and that due to different specific weights, the resulting differences in concentration of the gases on the sensor arrays are a measure of the evaluation of the partial sum.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the temporal difference in concentration changes a measure at different heights when evaluating the Is partial gas sum.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that in addition a membrane in front of the gas sensitive Sen is attached to elements that are impermeable to the Gases is that with the desired partial gas sum not should be taken into account.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that to reinforce the temporal differences of Kon changes in the concentration of gas delay sections before gas sensitive sensors can be switched.