CH696777A5 - Anordnung und Verfahren zur Detektion von Stoffen. - Google Patents

Description

  [0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit einem Sensor und ein Verfahren zur Detektion von Stoffen gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des ersten Verfahrensanspruchs.

[0002] Derartige Anordnungen und Verfahren werden beispielsweise eingesetzt zur Feststellung von Luftverunreinigungen, um die Lüftungsanlage eines Automobils entsprechend ansteuern zu können. Stellt der Sensor in der angesogenen Aussenluft eine erhöhte Luftverunreinigung fest, beispielsweise aufgrund eines geringen Abstandes zum vorderen Automobil, wird die Lüftung mittels eines Steuersignals auf Umluftbetrieb geschaltet, sodass keine weiteren Geruchs- bzw. Schadstoffe in das Automobilinnere gelangen können.

[0003] Als Sensor wird z.B. ein Halbleiter mit einer beheizten Wirkschicht aus Metalloxid verwendet, dessen elektrischer Widerstand sich beim Einwirken der zu detektierenden Gase verändert.

   Fig. 1 zeigt typische Kennlinien für solche Halbleiter-Sensoren, wobei die horizontale Achse 4 der Gaskonzentration C und die vertikale Achse 5 dem Widerstand R entspricht. Bei der Einwirkung eines reduzierend wirkenden Gases (z.B. CO, CxHy, CxHyOH) wird die Wirkschicht des Sensors niederohmiger (strichpunktierte Kurve 6), bei der Einwirkung eines oxidierend wirkenden Gases (z.B. NOx, O3) wird sie hochohmiger (gestrichelte Kurve 7).

   Die horizontale Linie 8 gibt den Wert für den Widerstand bei Normalluft an.

[0004] Eine zuverlässige Detektion der Stoffe wird jedoch durch verschiedene Einflussfaktoren erschwert:
 Die physikalischen Eigenschaften der Luft wie Temperatur und Feuchtigkeit variieren zeitlich und örtlich, sodass sich der elektrische Widerstand des Sensors auch bei Abwesenheit eines zu detektierenden Stoffes ändert.
 Die Grundbelastung der Luft mit Schadstoffen ist örtlich verschieden.

   So ist z.B. die Luft in der Stadt in der Regel stärker belastet als auf dem Land und dementsprechend sind auch die Pegel von auftretenden Schadstoffspitzen unterschiedlich.
 Jeder Sensor hat ein individuelles Ansprechverhalten aufgrund von Toleranzen in der Herstellung, Alterung, Betriebszeit etc.

[0005] Verschiedene Verfahren sind bekannt, diese Einflussfaktoren bei der Detektion mitzuberücksichtigen:
 Der jeweilige aktuelle Messwert für den elektrischen Widerstand wird mit dem über eine bestimmte Zeit gebildeten Mittelwert verglichen. Bei Schadstoffspitzen ist der aktuelle Messwert wesentlich grösser als der Mittelwert (siehe z.B. die Patentschriften DE-C3-3 731 745 und US-A-4 930 407.)
 Aus den Messwerten wird mittels eines elektrischen Hochpasses das Differential gebildet.

   Schadstoffspitzen führen zu einer schnellen Änderung der Schadstoffkonzentration und somit zu einem grossen Differential-Wert (siehe z.B. die Patentschrift DE-C3-3 304 324.)

[0006] Die bekannten Anordnungen und Verfahren haben gemeinsam, dass der Sensor bei einer konstanten Temperatur betrieben wird und dass stets die Änderungen des elektrischen Widerstandes ausgewertet werden. Dies hat aber den Nachteil, dass relativ aufwändige Massnahmen getroffen werden müssen, um die Temperatur konstant zu halten. Nachteilig ist auch, dass dem eigentlichen Messsignal, welches durch die Einwirkung der zu detektierenden Stoffe erzeugt wird, ein von den oben beschriebenen Einflussfaktoren herrührendes Störsignal überlagert ist und dieses durch eine geeignete nachgeschaltete Auswerteeinrichtung herausgefiltert werden muss.

   Dies kann jedoch gelegentlich zu Fehlmessungen und auch bei Verwendung von gleichartigen Sensoren zu unterschiedlichem Ansprechverhalten der Anordnung führen.

[0007] Aus der WO 93/08 467 A1 ist eine Anordnung mit zwei Gassensoren bekannt, die ein unterschiedliches Ansprechverhalten auf ein zu detektierendes Gas aufweisen. Die Gassensoren werden auf einer bestimmten Temperatur gehalten, was die oben erwähnten Nachteile mit sich bringt.

[0008] Aus der US 5 834 627 ist ein Sensor mit zwei Fäden bekannt, die so bestromt werden, dass sie eine konstante Temperatur aufweisen. Einer der Fäden ist mit einer katalytischen Schicht versehen. Bei einer Begasung mit dem zu detektierenden Gas erwärmt sich die Schicht, was eine Änderung in der Stromzufuhr bewirkt. Aus dem Vergleich der Stromzufuhr zu den beiden Fäden ist die Gaskonzentration bestimmbar.

   Das Vorsehen von zwei Fäden macht den Aufbau des Sensors relativ kompliziert. Nachteilig ist auch, dass u.a. aufgrund einer unterschiedlichen Alterung der beiden Fäden das vom Sensor gelieferte Signal eine Drift aufweist.

[0009] Aus der US 5 897 836 ist eine Anordnung mit einem Gassensor und einem Temperatursensor bekannt. Zur Bestimmung der Gaskonzentration muss die Wärmekapazität des Gases bekannt sein.

   Auch bei dieser Anordnung ergeben sich die oben erwähnten Nachteile des relativ komplizierten Aufbaus sowie der Drift im Signal.

[0010] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile weitgehend zu beheben und eine Anordnung sowie ein Verfahren derart zu schaffen, dass die vom Sensor erzeugten Messsignale einen reduzierten Anteil an Störsignalen aufweisen.

[0011] Eine erfindungsgemässe Anordnung und ein erfindungsgemässes Verfahren, welche bzw. welches diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 bzw. unabhängigen Verfahrensanspruch angegeben.

[0012] Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren erläutert.
<tb>Fig. 1<sep>zeigt den Widerstand R eines Halbleiter-Sensors als Funktion der Konzentration C eines oxidierend bzw. reduzierend wirkenden Gases;


  <tb>Fig. 2<sep>zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Anordnung zur Detektion von Stoffen;


  <tb>Fig. 3<sep>zeigt den Widerstand R eines Halbleiter-Sensors als Funktion der Sensortemperatur T; und


  <tb>Fig. 4<sep>zeigt eine mögliche Ausführungsform der Anordnung gemäss Fig. 2, insbesondere der Auswerteeinrichtung.

[0013] Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, umfasst die Anordnung einen Sensor 10 mit einer Wirkschicht 11 und einer Heizung 12 zum Beheizen der Wirkschicht 11, einen Heizungsregler 16 zur Regelung der Heizung 12, eine zentrale Auswerte- und Steuereinheit 17, eine Messeinheit 18 zum Erfassen des aktuellen Wertes des Wirkschichtwiderstandes R und eine Auswerteeinrichtung 19 zum Erzeugen von Schaltimpulsen.

[0014] Der Sensor 10 ist z.B. ein Halbleiter-Gassensor mit einer beheizten Wirkschicht 11 aus Metalloxid wie Zinndioxid, Wolframtrioxid, Galliumoxid, Zinkoxid etc. oder einer Mischung von solchen Metalloxiden.

   Es kann auch noch Platin und/oder Palladium als Katalysator zugesetzt sein, um chemische Reaktionen zwischen Metalloxid und den zu detektierenden Stoffen, insbesondere Gasen, zu beschleunigen. Wie Fig. 1 zeigt, ändert sich der elektrische Widerstand R der Wirkschicht 11 stark nicht-linear mit der Begasung. Die Ansprechempfindlichkeit des Sensors 10 entspricht etwa dem Konzentrationsbereich, wie er typischerweise in der durch Strassenverkehr verunreinigter Luft anzutreffen ist (für reduzierend wirkende Gase im Bereich von ca. 1 ppm bis ca. 100 ppm, für oxidierend wirkende Gase im Bereich von ca. 100 ppb bis ca. 2000 ppb).

[0015] Als Halbleiter weist die Wirkschicht 11 einen stark temperaturabhängigen Widerstand R auf. Fig. 3 zeigt R als Funktion der Sensortemperatur T bei Normalluft (keine Schadstoffe, Umgebungstemperatur 20 deg. C, relative Luftfeuchtigkeit 65%).

   Bei normaler Betriebstemperatur 26 (im Beispiel gemäss Fig. 3 etwa 350 deg. C) stellt sich ein bestimmter Wert 27 für den Widerstand R ein (z.B. 10 kOhm). Wie die Kurve 28 in Fig. 3 zeigt, sinkt R bei einer Erhöhung von T, währenddessen R bei einer Verringerung von T ansteigt. Der Widerstand R ändert sich dabei im Temperaturbereich von 250 deg. C bis 450 deg. C stärker, als er dies aufgrund von Gaskonzentrationsschwankungen täte, wie sie typischerweise im Strassenverkehr auftreten.

[0016] Je nach Anwendung kann natürlich ein entsprechend gearteter Sensor, insbesondere Halbleiter-Sensor, eingesetzt werden. So ist es z.B. denkbar einen Sensor zu verwenden, der geeignet ist zur Detektion von luftverunreinigenden Stoffen wie CO, CxHy, CxHyOH, NOx, O3 und anderen Schad- bzw.

   Geruchsstoffen, dampfförmigen Substanzen, bestimmten Flüssigkeiten und/oder Gasen.

[0017] Mit der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird der Sensor 10 so betrieben, dass der elektrische Sensorwiderstand R durch Regelung der Heizungstemperatur auf einen vorgegebenen Sollwert gebracht bzw. auf diesem gehalten wird. (Dies im Gegensatz zu den gängigen Verfahren, bei welchen die Temperatur T des Sensors 10 konstant gehalten wird und demnach nicht R, sondern T die Regelgrösse ist.) Der elektrische Widerstand der Wirkschicht 11, die Messeinheit 18, die Auswerte- und Steuereinheit 17, der Heizungsregler 16 sowie die Heizung 12 bilden einen (geschlossenen) Regelkreis 30. Bei der Regelung wird der aktuelle Wert für R ("Istwert") laufend von der Messeinheit 18 ermittelt und in der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 17 mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen.

   Diese steuert entsprechend der Regelabweichung (Differenz zwischen Ist- und Sollwert) den Heizungsregler 16 an, welcher dann die Heizleistung der Heizung 12 beeinflusst, um so auf den Widerstand der Wirkschicht 11 einzuwirken.

[0018] Der Heizungsregler 16 ist z.B. als PI-Regler (Proportionalintegralregler) ausgebildet, wobei Proportionalbeiwert Kp und Integrierzeit (Nachstellzeit) TN frei vorgegeben werden können. Die Integrierzeit TN ist so gewählt, dass sie grösser als die Zeit ist, in welcher die zu detektierenden Änderungen in der Stoffkonzentration auftreten. Typischerweise liegt TN im Bereich von Minuten, z.B. im Bereich von 5 bis 10 min oder mehr.

   Durch diese Massnahme wirkt der Regelkreis 30 so, dass die Nachführung des Sensorwiderstandes nur langsam und zeitlich verzögert erfolgt.

[0019] Durch diese träge Regelung wird erreicht, dass eine schnelle Änderung im Sensorwiderstand, welcher durch einen plötzlichen Anstieg einer zu detektierenden Stoffkonzentration ("Schadstoffspitze") bewirkt wird, nicht ausgeregelt wird und demnach einer Auswertung zugeführt werden kann. Hingegen sind die Einflussfaktoren, welche, wie in der Einleitung erwähnt, störend auf die Widerstandsmessung wirken, ausregelbar, da sie sich zeitlich nur langsam ändern.

   Die vom Sensor 10 an die Auswerteeinrichtung 19 gelieferten Messsignale weisen daher einen stark reduzierten Anteil an Störsignalen auf, welche durch die Einflussfaktoren verursacht werden.

[0020] Optional kann der Regelkreis 30 in seinem Regelverhalten unsymmetrisch ausgestaltet sein, sodass der Fall, bei welchem sich der Sensorwiderstand in der Tendenz auf den Sollwert zubewegt (positive Regelabweichung), und der Fall, bei welchem er sich in der Tendenz vom Sollwert wegbewegt (negative Regelabweichung), unterschiedlich geregelt werden. Ein unsymmetrisches Regelverhalten wird z.B. dadurch erreicht, dass der Regelkreis 30 unterschiedliche Integralteile aufweist, indem den positiven und negativen Regelabweichungen unterschiedliche Werte für Kp und/oder TN zugeordnet sind.

   Eine unsymmetrische Regelung ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Verhalten des Sensors 10 im hochohmigen Bereich (R grösser als der Sollwert) und im niederohmigen Bereich (R kleiner als der Sollwert) unterschiedlich ist.

[0021] Optional kann der Regelkreis 30 so ausgestaltet sein, dass während der Regelung die Heiztemperatur der Heizung 12 einen frei festgelegten Wert nicht überschreiten bzw. nicht unterschreiten kann.

[0022] Je nach Anwendung werden unterschiedliche Auswerteeinrichtungen eingesetzt, um die vom Sensor 10 gelieferten Messsignale auszuwerten. Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Auswerteeinrichtung 19 in Form einer analogen Schaltung.

[0023] Die Regel- und Steuereinrichtung 31 umfasst die Messeinheit 18, den Heizungsregler 16 und die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 17.

   Der Ausgang der Regel- und Steuereinrichtung 31 ist mit der Anode 12 der Heizung 12 verbunden.

[0024] Die Anode 36 der Wirkschicht 11 ist via einen ersten Widerstand 37 an ein Potential angeschlossen sowie mit dem Eingang der Regel- und Steuereinrichtung 31 bzw. dem invertierenden Eingang 41 eines ersten Komparators 40 verbunden. Der invertierende Eingang 41 und der nicht-invertierende Eingang 42 des ersten Komparators 40 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang 52 bzw. invertierenden Eingang 51 eines zweiten Komparators 50 verbunden. Der Ausgang 43 des ersten Komparators 40 ist via einen zweiten Widerstand 44 mit seinem nicht-invertierenden Eingang 42 rückgekoppelt, der mit einem einstellbaren Widerstand 47 verbunden ist, an welchem eine Spannung angelegt ist.

   Der Ausgang 43 des zweiten Komparators 50 ist mit seinem nicht-invertierenden Eingang 52 via einen dritten Widerstand 54 rückgekoppelt. Die beiden Widerstände 44 und 54 sind so ausgelegt, dass am Ausgang 43, 53 des ersten bzw. zweiten Komparators 43 bzw. 53 ein Steuersignal erzeugt wird, wenn die Spannung an der Anode 36 einen frei festgelegten oberen Schwellenwert überschreitet bzw. einen frei festgelegten unteren Schwellenwert unterschreitet.

   Der obere sowie der untere Schwellenwert können verschieden gewählt sein, um z.B. besser dem Umstand Rechnung tragen zu können, dass der Sensor 10 im hochohmigen Bereich empfindlicher als im niederohmigen Bereich sein kann.

[0025] Die Funktionsweise der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ist wie folgt:

[0026] Zum Festlegen des Sollwertes für den elektrischen Widerstand der Wirkschicht 11, wird der einstellbare Widerstand 47 so eingestellt, dass sich an der Anode 36 der Wirkschicht 11 die gewünschte Spannung einstellt (z.B. U/2 im Fall, dass am ersten Widerstand 37 ein Potential U angelegt ist und sein Wert gleich dem Sollwert entspricht). Mittels des Heiz-Regelkreises 30 wird der Sensorwiderstand auf den vorgegebenen Sollwert geregelt.

   Dazu wird an der Anode 36 jeweils die aktuelle Spannung gemessen, deren Kehrwert proportional zum jeweiligen Istwert des Sensorwiderstandes ist, und die Heizung 12 mittels der Regel- und Steuereinrichtung 31 so geregelt, dass die Spannung an der Anode 36 und somit der Sensorwiderstand in der Tendenz konstant gehalten wird. Wie oben beschrieben wird für den Regelkreis 30 eine grosse Integrationszeit TN gewählt, sodass kurzzeitige Spannungsänderungen nicht ausgeregelt werden. Tritt z.B. impulsartig eine Konzentrationserhöhung eines reduzierend wirkenden Gases auf, so nimmt der Sensorwiderstand kurzzeitig ab, wodurch sich die Spannung an der Anode 36 erhöht. Liegt diese Spannung über dem Schwellenwert des ersten Komparators 40, wird an dessen Ausgang 43 ein Schaltsignal erzeugt.

   In entsprechender Weise wird ein Schaltsignal am Ausgang 53 des zweiten Komparators 50 erzeugt, wenn dessen Schwellenwert bei einer Absenkung der Spannung an der Anode 36 unterschritten wird aufgrund einer impulsartigen Konzentrationserhöhung eines oxidierend wirkenden Gases. Die vom Komparator 40 bzw. 50 erzeugten Schaltsignale können z.B. zur Steuerung einer Lüftungsanlage verwendet werden.

[0027] Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle einer analogen Schaltung gemäss Fig. 4 auch eine digitale Schaltung zu verwenden.

   Dazu wird das vom Sensor 10 gelieferte analoge Spannungssignal mittels eines A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt und mit einer geeigneten logischen Schaltung oder auch einem Mikrocomputer ausgewertet.

[0028] Nebst den bereits erwähnten Vorteilen ist eine Regelung des Sensorwiderstandes auf einen Sollwert auf dem Wege der geregelten Sensorheizung auch aus folgendem Grund vorteilhaft:
Die maximale Empfindlichkeit des Halbleiter-Sensors liegt für ein oxidierend wirkendes Gas bei Temperaturen, die eher unter der Normaltemperatur liegen. Für ein reduzierend wirkendes Gas hingegen wird die Empfindlichkeit bei Temperaturen maximal, die eher über der Normaltemperatur liegen. Wird z.B. der Sensor 10 mit Kohlenmonoxid CO begast, sinkt der Sensorwiderstand, sodass aufgrund der Regelung die Sensortemperatur ebenfalls gesenkt wird.

   Durch diese Gegenkopplung wird der Sensor 10 gegenüber Kohlenmonoxid unempfindlicher. Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, hat ein Halbleiter-Sensor typischerweise eine stark gekrümmte, exponentiell verlaufende Kennlinie 6 bzw. 7. Die eben erwähnte Gegenkopplung führt dazu, dass die Kennlinie 6 bzw. 7 tendenziell linearisiert wird. Damit erzeugen gleiche Änderungen in den Gaskonzentrationen in etwa gleiche Änderungsbeträge des elektrischen Widerstandes, unabhängig davon, welche Grundbelastung an Schadstoffen aktuell auf den Sensor 10 einwirkt.

[0029] Die hier beschriebenen Verfahren und Anordnungen sind mannigfaltig anwendbar.

   Sie können u.a. zur Detektion von Stoffen in der Luft, insbesondere von Schad- und/oder Geruchsstoffen, und/oder zur Steuerung von Klima- und/oder Lüftungsanlagen verwendet werden, wie sie in Kraftfahrzeugen, Gebäuden, Räumen etc. vorzufinden sind.

[0030] Es können auch mehrere Sensoren 10 eingesetzt werden, die miteinander gekoppelt sind, um z.B.

   Messsignale von mehreren Orten miteinander vergleichen zu können.

[0031] Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.

Glossar:

[0032] 
C: : Konzentration eines zu detektierenden Stoffes
Kp: : Proportionalbeiwert des PI-Reglers
R: : elektrischer Widerstand des Sensors
T: : Temperatur des Sensors
TN: : Integrierzeit des Regelkreises
ppb: : parts per billion (Milliardstel, 10<-9>)
ppm: : parts per million (Millionstel, 10<-6>)

Claims (10)

1. Anordnung zur Detektion von Stoffen, mit mindestens einem Sensor (10) mit einer Wirkschicht (11), deren elektrischer Widerstand durch Einwirken eines zu detektierenden Stoffes veränderbar ist, gekennzeichnet durch einen Regelkreis (30) zum Regeln des elektrischen Widerstandes (11) auf einen vorgegebenen Sollwert, wobei der Regelkreis (30) eine steuerbare Heizung (12) zum Beheizen der Wirkschicht (11) umfasst.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (30) eine frei festgelegte Integrierzeit (TN) aufweist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch eine mit dem Sensor (10) verbundene Auswerteeinrichtung (19) zur Erzeugung von Steuersignalen.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein halbleitender Gassensor (10) ist und vorzugsweise die Wirkschicht (11) aus Metalloxid ist.

5. Verfahren zur Detektion von Stoffen mittels mindestens eines Sensors (10) mit einer Wirkschicht (11), deren elektrischer Widerstand durch Einwirken eines zu detektierenden Stoffes veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird, wobei die Wirkschicht (11) mittels einer steuerbaren Heizung (12) beheizt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung langsamer erfolgt als die zu detektierenden Änderungen in der Stoffkonzentration.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung unsymmetrisch ist, sodass positive und negative Abweichungen des Istwertes vom Sollwert unterschiedlich ausgeregelt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuersignal erzeugt wird, wenn der Wert des elektrischen Widerstandes einen oberen Schwellenwert überschreitet und/oder einen unteren Schwellenwert unterschreitet.

9. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Steuerung einer Klima- und/oder Lüftungsanlage, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, und/oder zur Detektion von Stoffen in der Luft, insbesondere von Schad- und/oder Geruchsstoffen.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 8 zur Steuerung einer Klima- und/oder Lüftungsanlage, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, und/oder zur Detektion von Stoffen in der Luft, insbesondere von Schad- und/oder Geruchsstoffen.