CN101410712B - 气体传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定气体混合中氧气浓度的气体传感器，尤其是内燃机排放的废气。该气体传感器包括泵电池，该泵电池具有暴露于混合气体中的外部泵电极和通过扩散壁垒暴露于混合气体中的内部泵电极，该传感器还包括介于外部泵电极和内部泵电极之间的固态的电解体。该气体传感器还包括暴露于参考气体中的参考电极和传感器加热装置。外部泵电极通过泵电流线、内部泵电极通过测量线、参考电极通过参考电流线、传感器加热装置通过两条加热线，分别与电路装置连接在一起。其特征在于，泵电流线和加热线是相互可导电地连接和接地的，泵电流可以经测量线供给，而能斯托电压可以分接在测量线和参考泵电流线之间，而且参考泵电流从参考电极流向外部泵电极。
Description
背景技术
本发明涉及一种气体传感器。
例如，同种类型的气体传感器见于DE102 57 284 A1。在该气体传感器中，传感器加热器计时运行，以此把各自所必需的热功率引入传感器元件，传感器加热器包括两条引线。此外，还设有用于泵电池和能斯托电池的泵电流线，测量线以及参考泵电流线。还设有用于泵电池和能斯托电池的共用测试线。
为了连接该样的宽带探针，六脚插头是必须的。额外的引线和插脚需要额外的生产耗费而导致额外的费用。此外，没有任何困难地使用标准插头是不可能的。缺点还在于，内燃机的接地和电路装置之间的电压衰减(例如通过控制仪器所产生的)根据电流负载而变化，而在连线受腐蚀的情况下可能超过大约1V而由此超过能斯托电压(Nernstspannung)。
此外在传感器元件中，通过计时加热器与传感器的能斯托电池的耦合在输出信号中会产生干扰，该干扰不是所期望的。信号线中的加热电流的耦合可以对气体传感器产生显著的干扰。
发明内容
发明优点
按本发明的用于在混合气体中确定氧气浓度的气体传感器包括泵电池，该泵电池包括暴露于混合气体中的外部泵电极、通过扩散壁垒暴露于混合空气中的内部泵电极和设置于外部泵电极及内部泵电极之间的固态电解体，该气体传感器还包括暴露于参考气体中的参考电极和传感器加热器，其中，外部泵电极通过泵电流线、内部泵电极通过测量线、参考电极通过参考泵电流线而传感器加热器通过两条加热线分别与电路布置连接到一起，其特征在于，泵电流线和加热线相互能够导电地连接并接在地上，泵电流能够经测量线供给，能斯托电压能够分接在测量线与参考泵电流线之间，而参考泵电流经参考泵电流线引向参考电极，然后又从该参考电极流到外部泵电极。根据本发明的气体传感器与此相比具有下列优点，即，因为泵电流线和加热线相互可导电地连接并接地，泵电流可以通过测量线供给，而能斯托电压可以分接在测量线和参考泵电流线之间，信号线上的干扰和由此产生于插脚上的干扰都可以消除。根据这样的接线，虽然耦合加热器上的电压衰减改变了必要的泵电压，但是测得的泵电流只流过泵电池，此外，能斯托电压没有偏移也是优点明显的。
通过以下措施可以对气体传感器进行更进一步的改进和提高。
一种优选的设计模式规定，用通过高端场效应管而计时(takten)了的电压来施加于加热器上，否则电子调节装置的接地必须位于Ubatt。
在存在接地偏移的情况下，能斯托电压可以专门通过安置于测量线和参考泵电流线之间的仪器放大器测量。
一种有利的设计模式包括传感器元件的温度测量，该温度测量是通过对能斯托电池的内阻和/或热电阻的测量实现的。
附图简述
该图纸描述的是本发明的一个设计实例而在下面的描述中详细讲述该实例。
其中，
图1显示了由现有技术可知的气体传感器的传感器元件的示意图；
图2显示了由现有技术可知的气体传感器代替电路图；而
图3显示了基于本发明的气体传感器的代替电路图。
发明实施方式
图1所示的气体传感器10包括第一电极，也称为外部泵电极11，该电极暴露于待测空气中。待测气体通过气体通道12和扩散壁垒13进入测试气体室14，其中安置有第二电极，也称为内部泵电极15。在第一电极11和第二电极15之间就形成泵电池。第一电极11与泵电流线16相连而第二电极15与测量线17相连在一起。
气体传感器10包括参考空气室18，其中安置有第三电极19，第三电极19与参考泵电流线20相连。在参考气体室18和测试空气室14之间，和在电极11，15之间一样，形成能斯托电池，在其中进行参考气体离子的传输。此外气体传感器10还包括传感器加热器22，传感器加热器22包括加热线23、24。泵电流线16、测量线17、参考泵电流线20和加热线23、24连接到控制仪器200，如图2所示。由此，连接插头是必须的，该插头具有与连线相对应数量的插脚。
图2描述的就是这样的气体传感器的备用电路图的示意图以及电路布置200的详细结构，该电路布置200例如是控制仪器的一部份。
借助于参考泵电流线20，具有电流源240的参考泵电流通过电阻241引向第三电极19。并且参考泵电流源240与差分放大器220的反向输入端连接在一起，其输出端通过工作电阻223提供泵电流Ip。泵电流Ip与在放大器222中放大过的传感器信号一致。泵电流Ip通过泵电流线16与外泵电极11连接在一起。在位于外电极11与内电极12之间的电阻Rip上，电压会下降，其中该电阻是通过传感器元件产生的，而该电压降通过测量线17分接且引向放大器220的正向输入端。测量线17与虚拟地210和参考电压源232连接在一起。参考电压源232与差分放大器220的正向输入端连接在一起。
具有热电阻150的加热器通过两条线23、24与电池电压Ubatt以及低端场效应管连接在一起，而低端场效应管又与电路布置200的公共接地端251连接。泵电流Ip的一部分通过匹配线18和平行于测量电阻223的电阻224传输，该匹配电阻在进行传感器信号的校正的时候是可变的。宽带传感器的这种连线方式需要六条连线。
为了减少连线的数量，在基于本发明的图3中所示的气体传感器专门把外部泵电极与加热线23’可导电地连接在一起。该加热线23’又接到电气装置的公用接地端251上，例如控制仪器200的接地。第二条加热线24’通过高端场效应管与传感器加热器的加热电阻连接在一起，其中该高端场效应管是通过脉冲发生器270的计时来控制的。在该气体传感器中，泵电流经测量线17’供给以及在该处测量。为了测量位于内泵电极15和第三电极19之间的能斯托电压，测量线17’与差分放大器220的正向输入端连接在一起。参考泵电流经参考泵电流线20’以原本已知的方法供给，其中该参考泵电流使用电流源240。因为泵电池必须被输送负的泵电流，由此泵电流转换器设计成双极性的。
能斯托电压通过位于第二电极与第三电极之间仪器放大器分接，其中第二电极也就是内部泵电极。在这种情况下，参考电压源232与差分放大器220的反向输入端连接在一起。
不仅在图2所示的基于背景技术的气体传感器中，而且图3所示的基于本发明的气体传感器中，气体传感器的内部电阻的测量都可以通过电路装置230在电容231上进行。根据能斯托电池的内电阻的测量可以完成气体传感器的温度测量。另外，通过热电阻的测量确定温度的方法也是可能的。作为泵汲参考的泵电流通过参考泵电流线20’引向第三电极19且流过外部泵电极11。因此外部泵电极中的氧气被泵汲出来，而其中不含有泵电流信号的偏移，该偏移是内部泵电极15的泵汲的结果。也就是说参考泵电流信号不带有偏移。
和基于背景技术并与上述图2相联系的气体传感器相比，上述的与图3相关的气体传感器包括下列的优点，即，与六条连线相比这里只需要5条。虽然计时加热线的电压降改变了所需的泵电压，但测得的泵电流只进一步流过泵电池。
Claims (4)
1.一种用于在混合气体中确定氧气浓度的气体传感器，所述气体传感器包括泵电池，该泵电池包括暴露于混合气体中的外部泵电极(11)、通过扩散壁垒(13)暴露于混合空气中的内部泵电极(15)和设置于外部泵电极(11)及内部泵电极(15)之间的固态电解体，该气体传感器还包括暴露于参考气体中的参考电极(19)和传感器加热器(22)，其中，外部泵电极(15)通过泵电流线(16；16’)、内部泵电极(15)通过测量线(17；17’)、参考电极(19)通过参考泵电流线(20；20’)而传感器加热器(22)通过两条加热线(23，24；23’，24’)分别与电路布置(200)连接到一起，其特征在于，泵电流线(16’)和加热线(23’)相互能够导电地连接并接在地(251)上，泵电流能够经测量线(17’)供给，能斯托电压能够分接在测量线(17’)与参考泵电流线(20’)之间，而参考泵电流经参考泵电流线(20’)引向参考电极(19)，然后又从该参考电极(19)流到外部泵电极(11)。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述传感器加热器(22)能够由通过高端场效应管(200)计时的电压供电。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，能斯托电压能够通过位于所述测量线(17’)和所述参考泵电流线(20’)之间安置的仪器放大器测量。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述混合气体是内燃机释放的废气。
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