DE2655271A1 - Gas concentration monitoring system for several rooms - with common frequency filter for individual oscillator circuits and semiconductor sensors - Google Patents

Gas concentration monitoring system for several rooms - with common frequency filter for individual oscillator circuits and semiconductor sensors

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Abstract

The concentration of noxious or toxic gases can be measured in several separate rooms by individual sensors with oscillatory circuits in each room, to which different basic frequencies are assigned. A semiconductor element which is sensitive to the gas concentration determines the frequency. The spacing of the basic frequencies is chosen greater (double) than the bandwidth required for the concentration measurement. Arrangement makes it unnecessary to use a processor for each sensor; it cuts out the uncertain contact resistance if selector switches are used. The system is simple and provides accurate readings with a minimum of instrumentation and cables.

Description

Verfahren zur Messung der Gaskonzentration Procedure for measuring the gas concentration

in mehreren Räumen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Gaskonzentration mehrerer mit Messfühlern ausgestattete Räume unter Verwendung eines Auswertgerätes, wo die Übertragung der Messwerte mittels Frequenzmodulation erfolgt und jedem Messfühler eine Grundfrequenz zugeordnet ist, welche am Auswertgerät mittels eine Frequenzfilters ausgefiltert und ausgewertet wird und der Messfühler aus einem Halbleiter besteht, dessen Widerstandswert sich mit und entsprechend der Gaskonzentration ändert. in several rooms The invention relates to a method for measurement the gas concentration of several rooms equipped with sensors using an evaluation device, where the transmission of the measured values by means of frequency modulation takes place and a basic frequency is assigned to each measuring sensor, which is assigned to the signal conditioning instrument is filtered out and evaluated by means of a frequency filter and the measuring sensor consists of a semiconductor whose resistance value varies with and corresponding to the Gas concentration changes.

Die Schwierigkeit bei der Überwachung mehrerer Räume auf schädliche oder giftige Gase oder solche Gase, welche bei Verbrennungsvorgängen entstehen, besteht im wesentlichen darin, dass der Messfühler zwar nicht sehr aufwendig ist, dass aber die Verbindung des Messfühlers zum Auswertgerät aufwendig ist und jedem Messfühler ein vollständiges Auswertgerät zugeordnet sein muss. Zur Vermeidung dieses Aufwandes hat man schon versucht, am Auswertgerät einen Wählschalter vorzusehen, mit dem jeder einzelne Messfühler nacheinander an das Auswertgerät angeschaltet wird. Der Nachteil dieser Methode besteht vor allem darin, dass an den Kontakten des Schalters Übergangswiderstände entstehen und vorhanden sind, welche sich mit Jeden Schaitvorgang andern können. Da aber der Messfühler als aktives Element einen Halbleiter besitzt, dessen Widerstandswert sich mit der Gaskonzentration ändert, führt ein nicht kenstanter Übergangswiderstand an den Schaltkontakten zu @nzuverlässigen Messergebnissen, wenn man nicht eine aufwendige Kompensationsschaltung vorsehen will.The difficulty in monitoring multiple rooms for harmful ones or poisonous gases or gases that are produced during combustion processes, consists essentially in the fact that the measuring probe is not very complex, but that the connection of the measuring probe to the evaluation device is complex and everyone A complete evaluation device must be assigned to the measuring sensor. To avoid this Efforts have already been made to provide a selector switch on the evaluation device, with which each individual measuring probe is connected to the signal conditioning instrument one after the other will. The main disadvantage of this method is that it affects the contacts of the switch contact resistances arise and are present, which deal with To be able to change every shifting process. But since the sensor is an active element Has a semiconductor whose resistance value changes with the gas concentration, a non-constant contact resistance at the switch contacts leads to @ nreliable Measurement results if you do not provide a complex compensation circuit want.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem einfach und trotzdem absolut zuverlässiD und genau die vom Lessfühler ermittelten Widerstandswerte zum Messgerät übertragen werden können, um dort ausgewertet zu werden. Dabei sollte mit einem Minimum an Leitungen ausgekommen werden und der Aufwand sollte möglichst klein sein.The present invention is therefore based on the object of a method to create, with the simple and yet absolutely reliable ID and exactly that of the Resistance values determined by the Lesssensor can be transferred to the measuring device, to be evaluated there. It should get by with a minimum of cables and the effort should be as small as possible.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass Jeder Nessfühler einen Schwingkreis besitzt, dessen frequenzbestimmender Widerstand vom Sensor gebildet wird und der Abstand der Grund frequenzen grösser, vorzugsweise doppelt so gross ist, wie die für die Konzentrationsriessungen notwendige Bandbreite.The solution to the problem is that every sensor has one Has resonant circuit, the frequency-determining resistance of which is formed by the sensor and the distance between the basic frequencies is greater, preferably twice as large is like the bandwidth necessary for the concentration rifts.

Vorteilhaft liegen die Heizungen aller Messfühler in Reihe und werden mit konstantem Strom gespeist.Advantageously, the heaters of all sensors are and are in series fed with constant current.

Zweckmässig wird die Speisespannung fiir den Schwingkreis von: Heizkreis abgezweigt.The supply voltage for the oscillating circuit of: heating circuit branched off.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass man soviele e -iessfühler oder Hessköpfe in Reihe hintereinander an ein dreiadriges Kabel anschliessen kann, als man Stufen im Frequenz filter des Auswertgerätes zur Verfügung hat, sodass keine grosse Verkabelung notwendig ist, um eine grössere Anzahl Räume mit Messfühlern als zustatten und damit die Gaskonzentration zu überwachen. Dies ist z.B. in chemischen Labors äusserst wichtig, wo relativ viele, aber kleine Räume überwacht werden müssen. Neben dem in jedem Raum anzuordnenden Messfühler ist aber kein grösserer Aufwand nötig als bei der tiberwachung eines einzigen Raumes, eil eben ein n Frequenzfilter ein üblicher Baustein ist und die Auswertung in bekannter Weise über einen Gleichrichter und ein Messgerät, wie z.B. Voltmeter, angezeigt wird.The advantage of this procedure is that there are so many e-ess sensors or Hess heads can be connected in series to a three-core cable, when you have steps in the frequency filter of the signal conditioning instrument available, so no large cabling is necessary to accommodate a large number of rooms with sensors as allowed and thus to monitor the gas concentration. This is e.g. in chemical Laboratories are extremely important where a relatively large number of but small rooms have to be monitored. In addition to the measuring sensor to be arranged in each room, there is no major effort than when monitoring a single room, a frequency filter is required is a common module and the evaluation in a known manner via a rectifier and a measuring device such as a voltmeter is displayed.

In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wonach in der Schalt- und Messelektronik 11 mi.t denbekannten Anschlüssen für die Netzspannung ein Baustein 12 angeordnet ist, welcher über die Leitungen 13 und 14 einen konstanten Heizstrom in die esfühler 151 bis 15n für die Erwärmung der Heizwiderstände 16 schickt. Die Heizwiderstände 16 aller Messfühler 151 bis 15n liegen dabei im Heizkreis 13,14 in Peihe, wodurch alle Halbleitersensoren 17 der Messfühler auf gleicher Arbeitstemperatur, vorzugsweise ca 240°C, gebracht und gehalten werden. Durch den konstanten IIeizstrom wird die Arbeitstemperatur sehr genau eingehalten. Eine Kompensation der unterunterschiedlichen Umgebungstemperaturen an den Messfühlern kann in bekannter Weise, z.B. auch nach der Erfindung der Deutschen Patentanmeldung P 26 46 927.2 durchgeführt werden.In the drawing is an exemplary embodiment of the invention shown, according to which in the switching and measuring electronics 11 with the known connections a module 12 is arranged for the mains voltage, which via the lines 13 and 14 a constant heating current into the sensors 151 to 15n for heating the heating resistors 16 sends. The heating resistors 16 of all sensors 151 to 15n are in series in the heating circuit 13, 14, whereby all semiconductor sensors 17 the sensor is brought to the same working temperature, preferably approx. 240 ° C, and being held. Due to the constant heating current, the working temperature becomes very high strictly adhered to. A compensation for the underdifferent Ambient temperatures on the measuring sensors can be done in a known manner, e.g. also according to the invention of the Germans Patent application P 26 46 927.2 can be carried out.

Im Messfühler ist ein Schwingkreis 18 angeordnet, welcher von der Heizleitung 13,14 mit Strom versorgt wird und dessen frequenzh@-stimriender Widerstand von dem sich mit der Gaskonzentration ändernden Widerstandswert des Sensors 17 gebildet wird. Es kann jede bekannte Schaltung eines Schwingkreises verwendet werden, bei der die Frequenz- sich in Abhängigkeit von e einem Widerstarjd steuern lässt. Die vom Schwingkreis erzeugte Wechselspannung wird über einen Trennkondensator 19 und die Leitung 20 zur Schaltelektronik 11 und dort in ein Frequenzfilter 21 geführt. Jeder Filterstufe des Frequenz filters 21 ist ein Auswert- und Anzeigegerät 221 bis 2211 zugeordnet, denen ausserdem noch weitere an sich bekannte Relais zur Schaltung von Alarmeinrichtungen etc. nachgeschaltet sein können.Alle Messfühler 151 bis 15n sind parallel an die Leitung 20 angeschlossen.A resonant circuit 18 is arranged in the sensor, which is controlled by the Heating line 13,14 is supplied with power and its frequency-stimulating resistance formed by the resistance value of the sensor 17, which changes with the gas concentration will. Any known circuit of an oscillating circuit can be used which the frequency can be controlled depending on a resistance. the AC voltage generated by the resonant circuit is via an isolating capacitor 19 and the line 20 to the switching electronics 11 and passed there into a frequency filter 21. Each filter stage of the frequency filter 21 is an evaluation and display device 221 assigned to 2211, which also have other relays known per se for switching alarm devices etc. can be connected downstream. All measuring sensors 151 to 15n are connected in parallel to line 20.

Die Funktion sei anhand einer Anlage mit drei Messfühlern 151, 152 und 153 beschrieben. Dazu werden in der. Messfühler 151 ein Schwingkreis 18 eingebaut, welcher eine Grundfrequenz von ca. 1 kHz produziert, in den Messfühler 152 ein Schwingkreis 18 für eine Grundfrequenz von ca. 2 kttz und in den Messfühler 153 ein Schwingkreis 18 für eine Grundfrequenz von ca. 3 kHz. Der Abstand von 1 kllz zwischen zwei benachbarten Schwingkreises bzw. deren Grundfrequenzen ist etwa dreimal so gross wie die aufgrund der höchsten zu erwartenden Gaskonzentration zu erwartenden Frequenzänderung.The function is based on a system with three measuring sensors 151, 152 and 153. To do this, the. Measuring sensor 151 an oscillating circuit 18 built in, which produces a fundamental frequency of approx. 1 kHz, an oscillating circuit in the measuring sensor 152 18 for a basic frequency of approx. 2 kttz and in the measuring sensor 153 an oscillating circuit 18 for a basic frequency of approx. 3 kHz. The distance of 1 square between two adjacent ones The oscillating circuit or its basic frequencies is about three times as large as the due the highest expected gas concentration expected frequency change.

Das Frequenzfilter 21 hat drei Stufen und jeder Stufe ist ein Auswert- und Anzeigegerät 221, 222 und 223 in Form eines mit einem Gleichrichter bestückten Voltmeters zugeordnet. Wird nun beispielsweise am Messfuhler 152 eine erhöhte Gaskonzentration festgestellt, so ändert sich der Widerstandswert des Widerstandes 16, wodurch der Schwingkreis 18 verstimmt wird und nunmehr eine Wechselspannung von z.B. 2,02 kllz über die Leitung 20 an das Frequenzfilter 21 gibt, wo alle Frequenzen zwischen 1,9 und 2,9 kHz ausgefiltert und an das Mess- und Anzeigegerät 222 gegeben werden. Da dieses Gerät, wie auch alle anderen Geräte 22, so geeicht ist, dass es Null anzeigt, wenn die Frequenz aus dem Filter 21 bei 2,00 kHz liegt, zeigt es nun bei einer Frequenz von 2,02 kHz beispiesweise einen Gehalt von 1,25 Vol-% Methan an. Da dieser Wert noch unter der Toleranzgrenze liegt, passiert noch nichts.The frequency filter 21 has three stages and each stage is an evaluation and display devices 221, 222 and 223 in the form of one equipped with a rectifier Associated with voltmeter. If, for example, there is now an increased gas concentration at the measuring sensor 152 detected, the resistance value of the resistor 16 changes, whereby the Resonant circuit 18 is detuned and now an alternating voltage of e.g. 2.02 kllz via the line 20 to the frequency filter 21, where all frequencies between 1.9 and 2.9 kHz are filtered out and sent to the measuring and display device 222. There this Device, like all other devices 22, is calibrated so that it indicates zero when the frequency from the filter 21 is at 2.00 kHz, it indicates now at a frequency of 2.02 kHz, for example, a methane content of 1.25% by volume at. Since this value is still below the tolerance limit, nothing happens yet.

Steigt aber der angezeigte Wert über eine vorher eingestellte Höchstgrenze an, so wird über ein dem Gerät 222 nachgeschaltete# Relais ein Alarmgerät ausgelöst, sodass die Ursache für die Erhöhung der Gaskonzentration ermittelt und angestellt werden kann.However, if the displayed value rises above a previously set maximum limit on, an alarm device is triggered via a # relay connected downstream of device 222, so that the cause of the increase in gas concentration is determined and employed can be.

Werden gleichzeitig an zwei Messfühlern erhöhte Gaskonzentrationen festgestellt, so werden die Schwingkreise dieser beiden Messfühler verstimmt und die beiden nunmehr vom Schwingkreis 18 gelieferten Frequenzen werden über die Leitung 20 gemeinsani dem Frequenz filter 21 zugeführt, wo sie getrennt und den zugehörigen Mess- und Anzeigegeräten 22 zugeführt werden und dort die entsprechende Anzeige veranlassen.There are increased gas concentrations at two measuring sensors at the same time detected, the oscillating circuits of these two sensors are detuned and the two frequencies now supplied by the resonant circuit 18 are over the line 20 common to the frequency filter 21, where they are separated and the associated Measuring and display devices 22 are supplied and there the corresponding display cause.

Es ist ohne weiteres möglich, auch grössere Anzahlen von Messfühlern einzusetzen, wobei der Abstand der Grundfrequenzen letzten Endes nur von der Auflösung des Frequenzfilters abhängt. Selbstverständlich lann auch die Anordnung des Auswert- bzw. Messgerätes im Verhältnis zum Anzeigegerät frei gewählt werden. Man kann sogar ohne Anzeigegerät auskommen, wenn man beim Messgerät einen einstellbaren Grenzwert versieht, bei dessen Überschreitung der Alarm ausgelöst wird.It is easily possible to use larger numbers of measuring sensors to be used, whereby the distance between the fundamental frequencies ultimately only depends on the resolution the frequency filter depends. Of course, the arrangement of the evaluation or measuring device can be freely selected in relation to the display device. You can even get by without a display device if you have an adjustable limit value on the measuring device provides, above which the alarm is triggered.

Der Schwingkreis kann in bekannter Weise auf einer Leiterplatte fertig montiert seih oder auch als IC oder Modul aufgebaut werden, damit möglichst wenig Platz im Messfühler vorgesehen werden muss.The resonant circuit can be finished in a known manner on a printed circuit board be mounted or built as an IC or module, so as little as possible Space must be provided in the sensor.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (1)

A n s p r ü c h e 1.) Verfahren zur Messung der Gaskonzentration mehrerer mit Messfühlern ausgestattete Räume unter Verwendung eines Auswertgerätes, wo die Übertragung der Messwerte mittels Frequenzmodulation erfolgt und jedem Messfühler eine Grundfrequenz zugeordnet ist, welche am Auswertgerät mittels eines Frequenz filters ausgefiltert und ausgewertet wird und der Messfühler aus einem Halbleiter besteht, dessen Widerstandswert sich mit und entsprechend der Gaskonzentration mindert, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Messfühler (151 bis 15n) einen Schwingkreis (18) besitzt, dessen frequenzbestimmender Widerstand vom Sensor (17) gebildet wird und der Abstand der Grundfrequenzen grösser, vorzugsweise doppelt so gross ist, wie die fur die Konzentrationsmessung notwendige Bandbreite0 2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungen (16) aller Messfühler (151 bis bis n in Reihe liegen und mit konstantem Strom gespeist werden. A n p r ü c h e 1.) Procedure for measuring the gas concentration several rooms equipped with measuring sensors using an evaluation device, where the transmission of the measured values takes place by means of frequency modulation and each measuring sensor a basic frequency is assigned, which on the evaluation device by means of a frequency filter is filtered out and evaluated and the sensor is made of a semiconductor exists whose resistance value decreases with and according to the gas concentration, characterized in that each measuring sensor (151 to 15n) has an oscillating circuit (18) has, the frequency-determining resistance of which is formed by the sensor (17) and the distance between the fundamental frequencies is greater, preferably twice as large, as the bandwidth necessary for the concentration measurement0 2.) Method according to claim 1, characterized in that the heaters (16) of all measuring sensors (151 to to n are in series and fed with constant current. .) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisespannung für den Schwingkreis (18) vom Hiezkreis (13,14) abgezweigt wird. .) Method according to claim 1 or 2, characterized in that the supply voltage for the oscillating circuit (18) is branched off from the heating circuit (13, 14). 4.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Auswertgeräten (221 bis 22n) an sich bekannte Alarmgeräte über Relais etc. nachgeordnet sind. 4.) Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the evaluation devices (221 to 22n) known alarm devices via relays etc. are subordinate.
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