[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>)
The invention relates to an arrangement with a sensor and a method for the detection of substances according to the preamble of claim 1 and the first method claim.
Such arrangements and methods are used, for example, for detecting air pollution in order to control the ventilation system of an automobile accordingly. If the sensor detects increased air pollution in the intake air, for example due to a short distance to the front automobile, the ventilation is switched to air recirculation mode by means of a control signal so that no further odorants or pollutants can enter the interior of the vehicle.
As a sensor, e.g. a semiconductor used with a heated active layer of metal oxide whose electrical resistance changes when exposed to the gases to be detected.
Fig. 1 shows typical characteristics for such semiconductor sensors, wherein the horizontal axis 4 of the gas concentration C and the vertical axis 5 corresponds to the resistance R. When a reducing gas (e.g., CO, CxHy, CxHyOH) acts, the sensor's active layer becomes less resistive (dot-dashed curve 6), and upon exposure to an oxidizing gas (e.g., NOx, O3) becomes more highly resistive (dashed curve 7).
The horizontal line 8 indicates the value for the resistance to normal air.
However, a reliable detection of the substances is made difficult by various influencing factors:
The physical properties of the air such as temperature and humidity vary with time and location, so that the electrical resistance of the sensor changes even in the absence of a substance to be detected.
The basic pollution of the air with pollutants is locally different.
For example, e.g. As a rule, the air in the city is more heavily polluted than on land, and accordingly the levels of pollutant peaks that occur are also different.
Each sensor has an individual response due to manufacturing tolerances, aging, operating time etc.
Various methods are known to take these influencing factors into account in the detection:
The respective current measured value for the electrical resistance is compared with the mean value formed over a specific time. For pollutant spikes, the actual reading is much larger than the mean (see, for example, the patents DE-C3-3 731 745 and US-A-4 930 407.)
From the measured values, the differential is formed by means of an electrical high-pass filter.
Pollutant spikes lead to a rapid change of the pollutant concentration and thus to a large differential value (see, for example, the patent DE-C3-3304324.)
The known arrangements and methods have in common that the sensor is operated at a constant temperature and that always the changes of the electrical resistance are evaluated. However, this has the disadvantage that relatively complex measures must be taken to keep the temperature constant. Another disadvantage is that the actual measurement signal, which is generated by the action of the substances to be detected, a superimposed on the influencing factors described above interfering signal is superimposed and this must be filtered out by a suitable downstream evaluation.
However, this sometimes leads to erroneous measurements and even when using similar sensors to different response of the device.
From WO 93/08 467 A1 an arrangement with two gas sensors is known, which have a different response to a gas to be detected. The gas sensors are kept at a certain temperature, which brings the above-mentioned disadvantages.
From US 5 834 627 a sensor with two threads is known, which are energized so that they have a constant temperature. One of the threads is provided with a catalytic layer. When gassing with the gas to be detected, the layer heats up, causing a change in the power supply. From the comparison of the power supply to the two threads, the gas concentration can be determined.
The provision of two threads makes the structure of the sensor relatively complicated. Another disadvantage is that u.a. due to a different aging of the two threads, the signal supplied by the sensor has a drift.
From US 5,897,836 an arrangement with a gas sensor and a temperature sensor is known. To determine the gas concentration, the heat capacity of the gas must be known.
Even with this arrangement, the above-mentioned disadvantages of the relatively complicated structure and the drift in the signal arise.
Based on this prior art, it is an object of the invention to largely overcome these disadvantages and to provide an arrangement and a method such that the measurement signals generated by the sensor have a reduced amount of interference signals.
An inventive arrangement and a method according to the invention, which or which solves this problem, is specified in claim 1 or independent method claim.
The invention will be explained below with reference to an embodiment with reference to figures.
<Tb> FIG. 1 <sep> shows the resistance R of a semiconductor sensor as a function of the concentration C of an oxidizing or reducing gas;
<Tb> FIG. 2 <sep> schematically shows an arrangement according to the invention for the detection of substances;
<Tb> FIG. 3 <sep> shows the resistance R of a semiconductor sensor as a function of the sensor temperature T; and
<Tb> FIG. 4 shows a possible embodiment of the arrangement according to FIG. 2, in particular of the evaluation device.
As shown schematically in Fig. 2, the arrangement comprises a sensor 10 with a functional layer 11 and a heater 12 for heating the active layer 11, a heating controller 16 for controlling the heater 12, a central evaluation and control unit 17, a measuring unit 18 for detecting the current value of the active-layer resistance R and an evaluation device 19 for generating switching pulses.
The sensor 10 is e.g. a semiconductor gas sensor with a heated active layer 11 of metal oxide such as tin dioxide, tungsten trioxide, gallium oxide, zinc oxide, etc. or a mixture of such metal oxides.
It is also possible to add platinum and / or palladium as catalyst in order to accelerate chemical reactions between metal oxide and the substances to be detected, in particular gases. As shown in FIG. 1, the electrical resistance R of the active layer 11 changes greatly non-linearly with the gassing. The responsiveness of the sensor 10 corresponds approximately to the concentration range typically encountered in road-contaminated air (for reducing gases in the range of about 1 ppm to about 100 ppm, for oxidizing gases in the range of about 100 ppb up to approx. 2000 ppb).
As a semiconductor, the active layer 11 has a strong temperature-dependent resistor R. 3 shows R as a function of the sensor temperature T for normal air (no pollutants, ambient temperature 20 ° C., relative humidity 65%).
At normal operating temperature 26 (about 350 ° C. in the example of Figure 3), a certain value 27 for resistance R is established (e.g., 10 k ohms). As shown by curve 28 in FIG. 3, R decreases as T increases, while R increases as T decreases. The resistance R changes in the temperature range of 250 deg. C up to 450 deg. C stronger than he would because of gas concentration variations, as they typically occur in road traffic.
Depending on the application, of course, a corresponding type sensor, in particular semiconductor sensor can be used. So it is e.g. conceivable to use a sensor which is suitable for the detection of air pollutants such as CO, CxHy, CxHyOH, NOx, O3 and other harmful or
Odors, vaporous substances, certain liquids and / or gases.
With the arrangement shown in Fig. 2, the sensor 10 is operated so that the electrical sensor resistance R is brought by regulating the heating temperature to a predetermined desired value or held on this. (This in contrast to the common methods, in which the temperature T of the sensor 10 is kept constant and therefore not R, but T is the controlled variable.) The electrical resistance of the active layer 11, the measuring unit 18, the evaluation and control unit 17, the heating controller 16 and the heater 12 form a (closed) control loop 30. In the control of the current value for R ("actual value") is continuously determined by the measuring unit 18 and compared in the central evaluation and control unit 17 with the predetermined setpoint.
This controls according to the control deviation (difference between actual and setpoint) to the heating controller 16, which then affects the heat output of the heater 12 so as to act on the resistance of the active layer 11.
The heating controller 16 is e.g. designed as PI controller (proportional integral controller), whereby proportional coefficient Kp and integral time (reset time) TN can be freely specified. The integration time TN is chosen such that it is greater than the time in which the changes to be detected in the substance concentration occur. Typically, TN is in the range of minutes, e.g. in the range of 5 to 10 minutes or more.
By this measure, the control circuit 30 acts so that the tracking of the sensor resistance is slow and delayed in time.
By this sluggish regulation is achieved that a rapid change in the sensor resistance, which is caused by a sudden increase in a substance concentration to be detected ("pollutant peak") is not corrected and therefore can be fed to an evaluation. On the other hand, the influencing factors, which, as mentioned in the introduction, have a disturbing effect on the resistance measurement, can be adjusted, since they change only slowly over time.
The measurement signals supplied by the sensor 10 to the evaluation device 19 therefore have a greatly reduced proportion of interference signals, which are caused by the influencing factors.
Optionally, the control circuit 30 can be designed asymmetrically in its control behavior, so that the case in which the sensor resistance tends to move to the desired value (positive control deviation), and the case in which it moves away from the nominal value in the tendency (negative control deviation), be regulated differently. An asymmetric control behavior is e.g. achieved in that the control loop 30 has different integral parts by the positive and negative control deviations are assigned different values for Kp and / or TN.
An asymmetrical control is particularly advantageous if the behavior of the sensor 10 in the high-impedance range (R greater than the setpoint) and in the low-impedance range (R less than the setpoint) is different.
Optionally, the control circuit 30 may be configured so that during the control, the heating temperature of the heater 12 does not exceed a free set value or can not fall below.
Depending on the application, different evaluation devices are used to evaluate the measurement signals supplied by the sensor 10. 4 shows a possible embodiment of the evaluation device 19 in the form of an analog circuit.
The control and regulating device 31 includes the measuring unit 18, the heating controller 16 and the central evaluation and control unit 17th
The output of the control and regulation device 31 is connected to the anode 12 of the heater 12.
The anode 36 of the active layer 11 is connected via a first resistor 37 to a potential and connected to the input of the control and regulating device 31 and the inverting input 41 of a first comparator 40. The inverting input 41 and the non-inverting input 42 of the first comparator 40 are connected to the non-inverting input 52 and inverting input 51 of a second comparator 50, respectively. The output 43 of the first comparator 40 is fed back via a second resistor 44 to its non-inverting input 42, which is connected to an adjustable resistor 47 to which a voltage is applied.
The output 43 of the second comparator 50 is fed back with its non-inverting input 52 via a third resistor 54. The two resistors 44 and 54 are designed so that at the output 43, 53 of the first and second comparator 43 and 53, a control signal is generated when the voltage across the anode 36 exceeds a freely defined upper threshold or a freely defined lower Threshold falls below.
The upper and lower thresholds may be chosen differently, e.g. better account for the fact that the sensor 10 may be more sensitive in the high-impedance range than in the low-impedance range.
The operation of the arrangement shown in Fig. 4 is as follows:
To set the target value for the electrical resistance of the active layer 11, the adjustable resistor 47 is set so that the desired voltage is set at the anode 36 of the active layer 11 (eg U / 2 in the case that the first resistor 37 a Potential U is applied and its value is equal to the setpoint). By means of the heating control loop 30, the sensor resistance is regulated to the predetermined desired value.
For this purpose, the actual voltage is measured at the anode 36, the reciprocal is proportional to the respective actual value of the sensor resistance, and the heater 12 is controlled by the control and regulating device 31 so that the voltage at the anode 36 and thus the sensor resistance in the tendency is kept constant. As described above, a large integration time TN is selected for the control loop 30, so that short-term voltage changes are not compensated. For example, pulse-like an increase in concentration of a reducing gas, the sensor resistance decreases for a short time, thereby increasing the voltage at the anode 36. If this voltage is above the threshold value of the first comparator 40, a switching signal is generated at its output 43.
In a corresponding manner, a switching signal is generated at the output 53 of the second comparator 50 when its threshold value is undershot when the voltage at the anode 36 is lowered due to a pulse-like increase in the concentration of an oxidizing gas. The switching signals generated by the comparator 40 or 50 may be e.g. used to control a ventilation system.
Of course, it is also possible to use a digital circuit instead of an analog circuit according to FIG. 4.
For this purpose, the analog voltage signal supplied by the sensor 10 is converted by means of an A / D converter into a digital signal and evaluated with a suitable logic circuit or a microcomputer.
In addition to the advantages already mentioned, regulation of the sensor resistance to a desired value by means of the controlled sensor heating is also advantageous for the following reason:
The maximum sensitivity of the semiconductor sensor is for an oxidizing gas at temperatures that are lower than the normal temperature. For a reducing gas, on the other hand, the sensitivity becomes maximum at temperatures that are more than the normal temperature. If e.g. the sensor 10 gassed with carbon monoxide CO, the sensor resistance decreases, so that due to the regulation, the sensor temperature is also lowered.
As a result of this negative feedback, the sensor 10 becomes less sensitive to carbon monoxide. As can be seen from FIG. 1, a semiconductor sensor typically has a strongly curved, exponentially extending characteristic curve 6 or 7. The just-mentioned negative feedback causes the characteristic curve 6 or 7 to be linearized. Thus, equal changes in the gas concentrations produce approximately equal amounts of change in electrical resistance, regardless of which base load of pollutants is currently acting on the sensor 10.
The methods and arrangements described herein are variously applicable.
You can u.a. be used for the detection of substances in the air, especially of pollutants and / or odors, and / or for the control of air conditioning and / or ventilation systems, such as those found in motor vehicles, buildings, rooms, etc.
It is also possible to use a plurality of sensors 10 which are coupled to one another in order, for example, to
To be able to compare measurement signals from several locations.
Numerous modifications will become apparent to those skilled in the art from the foregoing description without departing from the scope of the invention, which is defined by the claims.
Glossary:
[0032]
C:: concentration of a substance to be detected
Kp:: Proportional coefficient of the PI controller
R:: electrical resistance of the sensor
T:: temperature of the sensor
TN:: Integrating time of the control loop
ppb:: parts per billion (billionth, 10 <-9>)
ppm:: parts per million (millionth, 10 <-6>)