DE19522347C1

DE19522347C1 - Verfahren und Anordnung zur Stabilisierung der Temperatur eines Heizelementes für einen Gassensor

Info

Publication number: DE19522347C1
Application number: DE1995122347
Authority: DE
Inventors: Eric Dipl Ing Chemisky; Maximilian Dr Rer Na Fleischer; Hans Prof Meixner; Thomas Dipl Ing Scherg
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1995-06-20
Filing date: 1995-06-20
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2015-06-21

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Stabilisierung der Temperatur eines Heizelements für einen Gassensor

Widerstandsabhängige Gassensoren auf der Basis eines halblei tenden Metalloxids, wie zum Beispiel Ga₂O₃ oder AlVO₄ zeigen bei hohen Temperaturen (typischer Weise größer als 500°C) eine deutliche Querempfindlichkeit bezüglich der Sensortempe ratur. Um eine möglichst genaue Messung durchführen zu kön nen, gilt es die Betriebstemperatur des Gassensors so kon stant wie möglich zu halten. Deshalb wird der Gassensor in der Regel mit Hilfe eines, sich auf dem Gassensor befinden den, geregelten resistiven Heizelementes betrieben.

Aus dem Stand der Technik DE 43 18 327 A1 ist ein Gassensor bekannt, dessen Betriebstemperatur unabhängig von äußeren Einflüssen beizubehalten ist. Ziel ist die Schaffung eines Gassensors, indem sich während des Aufheizens und des Be triebs keine die Sensorfunktion beeinträchtigenden mechani schen Spannungen aufbauen.

Aus dem Stand der Technik (vgl. Geraberger Gassensor - GGS) ist eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung gemäß Fig. 1 bekannt. Hierbei wird davon ausgegangen, daß der Widerstand RH des Heizelementes lediglich von der Temperatur abhängt. Somit ist der Widerstand RH des Heizelementes ein Maß für die Temperatur. Um den Widerstand RH des Heizelementes möglichst konstant halten zu können, wird das Heizelement in eine Wi derstandsbrücke eingesetzt. Zum Abgleich der Brücke ist ein einstellbarer Widerstand Ra vorhanden. Mit diesem erfolgt die Einstellung des Arbeitspunktes, also der Solltemperatur, im folgenden auch als Betriebstemperatur des Gassensors bezeich net. Die Widerstände Rb und Rc der Widerstandsbrücke stellen Festwiderstände dar. Ein Fehlerverstärker F und ein Regler R mit einem nachgeschalteten Leistungsteil LT halten das Gleichgewicht der Widerstandsbrücke.

Probleme ergeben sich bei einer derartigen Anordnung aufgrund des Alterungseffekts des Widerstands RH des Heizelementes. Eine alterungsbedingte Drift des Heizwiderstands RH führt dazu, daß bei derselben Temperatur der Heizwiderstand RH langsam steigt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung bleibt diese Drift jedoch unberücksichtigt. Da die Regelung den Heizwiderstand RH auf einem konstanten Wert hält, führt dies zu einer Betriebstemperaturdrift, was wiederum eine Verfäl schung des Gassensormeßsignals zur Folge hat. Zur Verdeutli chung des Problems wird anhand der Fig. 3 exemplarisch der Widerstandsverlauf abhängig von der Zeit t gezeigt. Zeigt der Widerstand RH des Heizelementes innerhalb eines Monats von 26,88 um auf ca. 26,96 Ohm an (bei 550°C Betriebstemperatur), nimmt die Temperatur um ca. 10°C ab. Dieser Temperaturrück gang hat am Gassensor eine Sensorwiderstandserhöhung um den Faktor 1,3 zur Folge. Die Funktion des Gassensorwiderstands ist expondentiell abhängig von der absoluten Betriebstempera tur.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Ver fahren zur Stabilisierung der Temperatur anzugeben, welches eine mögliche Drift des Heizwiderstandes berücksichtigt, um die Temperatur so konstant wie möglich zu halten.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1, 2 bzw. 3 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So ist es besonders von Vorteil, den Kalibriervorgang bei konstanten Umgebungsbedingungen, wie Luftströmung und Außen temperatur durchzuführen, um die Betriebstemperatur so exakt wie möglich einstellen zu können.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Heizungsregelung mit Widerstandsbrücke, wie sie aus dein Stand der Technik bekannt ist.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau der Heizungsregelung.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der alterungsbedingten Drift des Heizwiderstands.

Fig. 4 zeigt einen Vergleich der Drift des Gassensorwiderstands mit und ohne Kompensation der Drift des Heizwiderstands.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Heizleistungsbedarfs des Gassensors.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Aufbau der Heizungsregelung wird das Prinzip zu Nutze gemacht, daß bei konstanten Umgebungsbedingungen, wie konstante Luftströmung und definierte Umgebungstemperatur die Sensortemperatur T ausschließlich von der zur Verfügung gestellten elektrischen Heizleistung P(T) und den mechanischen Eigenschaften bezüglich Wärmeabfuhr) des Gassensors abhängt. Die Drift des Heizwiderstands RH, wie sie in Fig. 3 veranschaulicht ist, spielt dabei keine Rolle. Dadurch wird die gewünschte Betriebstemperatur T reproduzierbar erreicht.

Die erfindungsgemäße Regelung arbeitet wie folgt:
Zu Beginn wird die den Heizwiderstand RH umgebende Temperatur Ta gemessen. Da, wie bereits erwähnt, die elektrische Heizleistung P(t) nur von der gewünschten Betriebstemperatur und der Wärmeabfuhr abhängt, kann die für die gewünschte Betriebstemperatur T notwendige Heizleistung P(T) nach der Formel:

P(T) = δ · (T - T_a) + ε (I)

berechnet werden, wobei:
T = Betriebstemperatur oder auch Solltemperatur,
Ta = Umgebungstemperatur zu Beginn,
δ = Maß für die Wärmeabfuhr des Gassensors,
ε = Maß für die Wärmeabfuhr des Gassensors.

Die Werte für δ und ε lassen sich beispielsweise aus einem Diagramm, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, ermitteln. Zwei Kennlinien sind exemplarisch für zwei verschiedene Gassensoren GS1 und GS2 aufgetragen. Auf der Ordinate und der Abszisse des Diagramms sind die Temperatur T in °C bzw. die Heizleistung P in Volt aufgetragen. Eine Linearisierung der Kennlinie führt zu den Werten δ und ε.

Es ist anzumerken, daß die Gleichung (I) nur für einen bestimmten Temperaturbereich gilt, weil die Gleichung (I) linearisiert ist.

Das Heizelement wird mit der berechneten Heizleistung betrie ben, um die Betriebstemperatur zu erreichen.

Vorteilhafterweise erfolgt der Betrieb mit der berechneten Heizleistung unter Abwesenheit von Luftströmungen, um die Betriebstemperatur T möglichst exakt zu erreichen.

Anschließend wird der aktuelle Heizwiderstand RH gemessen und gespeichert. Nun wird von Leistungsregelung zu Heizwiderstandsregelung umgestellt. Der Heizwiderstand RH kann für die Dauer des Gasmeßvorganges als nur von der Temperatur abhängig angesehen werden. Der Heizwiderstand RH kann wie folgt berechnet werden:

RH(T) = R_Ta · (1 + α · (T - T_a) + β · (T - T_a)²) (II)

wobei
R_Ta = Heizwiderstand bei der Umgebungstemperatur T_a
α = Temperaturkoeffizient,
β = Temperaturkoeffizient.

Sobald das System auf Heizwiderstandsregelung umgestellt ist, spielten Veränderungen in den Umgebungsbedingungen wie Luftströmung und Außentemperatur keine Rolle mehr.

Eine mögliche Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stabilisierung der Temperatur ist in Fig. 2 gezeigt. Der Heizwiderstand RH, welcher das elektrische Ersatzschaltbild der Sensorheizung darstellt, bildet mit den Widerständen Ra, Rb, Rc eine Widerstandsmeßbrücke. Die Abweichung des Heizwiderstands RH vom über den Widerstand Ra eingestellten Sollwert, wird am Fehlerverstärker F detektiert. Neben diesem Fehlersignal liegt am Fehlerverstärker F weiterhin das von einer Recheneinheit RE berechnete Driftkorrektursignal an. Der Fehlerverstärker F liefert ein Regelsignal RS, welches, sofern der Schalter S den Fehlerverstärker F mit dem Leistungsteil LT verbindet, was dem Regelvorgang entspricht, an der Widerstandsbrücke anliegt.

Verbindet der Schalter S den Leistungsregeler LR mit dem Leistungsteil LT, was dem Kalibriervorgang entspricht, so wird die Widerstandsmeßbrücke mit der von der Recheneinheit RE berechneten Heizleistung betrieben. Zur Berechnung der Heizleistung benötigt die Recheneinheit RE die Außentemperatur Ta und den Strom der durch den Heizwiderstand RK fließt, oder die Spannung die am Heizwiderstand RH abfällt. Der von der Recheneinheit RE berechnete Wert der Heizleistung wird an den Leistungsregler LR als Sollwert gegeben. Weiterhin erfolgt über die Recheneinheit RE die Steuerung des Schalters S.

Als Recheneinheit RE eignet sich beispielsweise ein Mikroprozessor.

Um den Unterschied gegenüber der bekannten Ausführungsform gemäß Fig. 1 darzustellen, ist in Fig. 4 der Verlauf des geglätteten Gassensorwiderstands GSWkg gemäß konventioneller Anordnung den Verlauf des geglätteten Gassensorwiderstands GSWkg gemäß konventioneller Anordnung den Verlauf des geglätteten Gassensorwiderstandes GSWag gemäß der erfindungsgemäßen Regelung, welche eine adaptive Anpassung des Sollwiderstands Swa aufweist, aufgetragen. Der geglättete Gasensorwiderstand GSWag steigt im Lauf der Zeit t erheblich weniger an, als der geglättete Gaswiderstand GSWkg bei konventioneller Temperaturregelung. Die dennoch vorhandene Drift des geglätteten Gassensorwiderstandes GSWag ist auf Veränderungen im Sensormaterial des Gassensors zurückzuführen. Der tatsächlich meßbare Gassensorwiderstand bei der erfindungsgemäßen Regelung entspricht dem Verlauf der Kurve GSWa. Gegenüber dem konventionellen Sollwiderstand SWk der Anordnung gemäß Fig. 1 wird der Sollwiderstand Swa der erfindungsgemäßen Regelung an die Drift des Heizwiderstandes RH angepaßt. Auf der linken Koordinate ist der Sollwiderstand in Kiloohm für den konventionellen Sollwiderstand Swk und den adaptiven Sollwiderstand Swa angegeben. Auf der rechten Ordinate ist der Gassensorwiderstand in Kiloohm für den konventionellen geglätteten Gaswiderstand GSWkg, den ungeglätteten Gaswiderstand und den geglätteten Gaswiderstand GSWa, GSWa der erfindungsgemäßen Regelung angegeben. Auf der Abszisse ist die Zeit in Stunden eingetragen.

Claims

1. Verfahren zur Stabilisierung der Temperatur eines Heizele ments für einen Gassensor,

1.1 bei dem die Umgebungstemperatur Ta gemessen wird,
1.2 bei dem die elektrische Leistung berechnet wird, die nötig ist,um das Heizelement auf eine Solltemperatur zu bringen,
1.3 bei dem das Heizelement mit der berechneten elektrischen Leistung betrieben wird,
1.4 bei dem der Widerstand RH des Heizelementes gemessen wird,
1.5 bei dem vom Betrieb mit der berechneten elektrischen Heizleistung umgestellt wird auf den Betrieb mit konstantem Widerstand RH,
1.6 bei dem aus der zeitlichen Drift des Widerstands RH bestimmt wird, in welchem zeitlichen Abstand die Schritte 1.1 bis 1.4 wiederholt werden.

2. Verfahren zur Stabilisierung der Temperatur eines Heizele ments für einen Gassensor,

1.1 bei dem die Umgebungstemperatur Ta gemessen wird,
1.2 bei dem die elektrische Leistung berechnet wird, die nötig ist,um das Heizelement auf eine Solltemperatur zu bringen,
1.3 bei dem das Heizelement mit der berechneten elektrischen Leistung betrieben wird,
1.4 bei dem der Widerstand RH des Heizelementes gemessen wird,
1.5 bei dem vom Betrieb mit der berechneten elektrischen Heizleistung umgestellt wird auf den Betrieb mit konstantem Widerstand RH,
1.6 bei dem vor einer Gasmessung mit dem Gassensor die Schritte 1.1 bis 1.4 durchgeführt werden.

3. Anordnung zur Stabilisierung der Temperatur eines Heizele ments für einen Gassensor,

- bei der eine den Widerstand RH des Heizelements aufweisende Widerstandsmeßbrücke vorgesehen ist,
- bei der ein Fehlerverstärker (F) vorgesehen ist, welcher eingangsseitig mit der Widerstandsmeßbrücke verbunden ist,
- bei der ein Mittel zum Schalten (S) vorgesehen ist, welches wahlweise den Fehlerverstärker (F) oder einen Leistungsregler (LR) mit einem Leistungsteil (LT) verbindet,
- bei der zur Berechnung der Heizleistung eine Recheneinheit (RE) vorgesehen ist, welche mit dem Leistungsregler (LR) verbunden ist, welche zur Messung des Widerstands RH mit dem Heizelement verbunden ist, und welche mit dem Fehlerverstärker (F) verbunden ist, um diesem ein Driftkorrektursignal zur Verfügung zu stellen.