DE10152606C1 - Reduction of measurement errors and/or drift phenomena, in gas sensor, involves controlling potential between sensor element made of resistive metal oxide and shield grid electrode using voltage regulator - Google Patents
Reduction of measurement errors and/or drift phenomena, in gas sensor, involves controlling potential between sensor element made of resistive metal oxide and shield grid electrode using voltage regulatorInfo
- Publication number
- DE10152606C1 DE10152606C1 DE2001152606 DE10152606A DE10152606C1 DE 10152606 C1 DE10152606 C1 DE 10152606C1 DE 2001152606 DE2001152606 DE 2001152606 DE 10152606 A DE10152606 A DE 10152606A DE 10152606 C1 DE10152606 C1 DE 10152606C1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- potential
- sensor
- shield electrode
- sensor element
- voltage regulator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0006—Calibrating gas analysers
Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verringerung von Messfehlern und/oder Drifterscheinungen an einem Gassen sor, wobei der Gassensor wenigstens ein Sensorelement aus re sistivem Metalloxid und ein temperaturgeregeltes Heizelement aufweist zwischen denen eine Schirmelektrode angeordnet ist, sowie von einer Schaltungsanordnung nach der Gattung der Ne bengeordneten Ansprüche 1 und 10. Es ist schon bekannt, dass bei immer mehr Anwendungen insbesondere in der Industrie und bei Kraftfahrzeugen Gassensoren verwendet werden, die insbe sondere für die Erfassung von Gasen oder Abgasen geeignet sind. Solche Sensoren bestehen üblicherweise aus einem hoch temperaturstabilen Substrat, beispielsweise Al2O3, auf dem das Sensorelement in Form eines Metalloxids aufgebracht ist. Des weiteren ist auf dem Substrat ein Heizelement angeordnet, mit dem das Sensorelement auf eine vorgegebene hohe Tempera tur, beispielsweise 850°C, aufgeheizt wird. Zwischen den bei den Elementen wird eine Schirmelektrode angeordnet, die den Einfluss von Leckströmen verringern soll. Ebenso kann das Sensorelement aus beliebigen anderen Formen von sensitiven Elementen bestehen, deren Signal durch Leckströme negativ be einflusst werden kann. Beispielsweise Festelektrolyt- Pumpsonden oder Nernstsonden sowie Kombinationen von unter schiedlichen oder gleichartigen Sensorelementen. Auf dem Substrat können weitere Einrichtungen wie Festelektrolyt- Sauerstoffpumpen (beispielsweise ZrO2, Y-dotiert) zur Rege lung der O2-Konzentration am Sensor und zur Reduktion von O2- Querempfindlichkeiten angeordnet sein.The invention is based on a method for reducing measurement errors and / or drift phenomena in an alley, the gas sensor having at least one sensor element made of resistive metal oxide and a temperature-controlled heating element between which a shield electrode is arranged, and a circuit arrangement according to the genus Ne dependent claims 1 and 10. It is already known that gas sensors are used in more and more applications, especially in industry and in motor vehicles, which are particularly suitable for the detection of gases or exhaust gases. Such sensors usually consist of a highly temperature-stable substrate, for example Al 2 O 3 , on which the sensor element is applied in the form of a metal oxide. Furthermore, a heating element is arranged on the substrate, with which the sensor element is heated to a predetermined high temperature, for example 850 ° C. A shield electrode is arranged between the elements, which is intended to reduce the influence of leakage currents. Likewise, the sensor element can consist of any other form of sensitive elements, the signal of which can be negatively influenced by leakage currents. For example, solid electrolyte pump probes or Nernst probes as well as combinations of different or similar sensor elements. Further devices such as solid electrolyte oxygen pumps (for example ZrO 2 , Y-doped) for regulating the O 2 concentration on the sensor and for reducing O 2 cross-sensitivities can be arranged on the substrate.
Das Sensorelement ist ein kritisches Messteil, da der Messef fekt auf Interaktionen zwischen den Gasmolekülen, die über das Sensorelement strömen und dem Sensormaterial beruht. Da bei müssen kleinste elektrische Messeffekte detektiert wer den. Diese Messeffekte werden jedoch von Leckströmen, die von dem Heizelement oder der Sauerstoffpumpe verursacht werden und durch das heiße Substrat am Sensorelement ankommen, ge stört. Diese Leckströme können auch zu sogenannten Polarisa tionseffekten am Sensorelement führen, so dass zusätzlich zu den entstehenden Messfehlern das Langzeitverhalten des Gas sensors insbesondere auch von den meistens unipolar geführten Leckströmen beeinflusst wird, da das Heizelement beziehungs weise die Sauerstoffpumpe mit Hilfe eines pulsweitenmodulier ten Leistungssignals (PWM-Signal) unipolar betrieben wird.The sensor element is a critical measuring part, because the Messef effect on interactions between the gas molecules that over the sensor element flow and the sensor material is based. because The smallest electrical measurement effects have to be detected the. However, these measurement effects are caused by leakage currents the heating element or the oxygen pump and arrive at the sensor element through the hot substrate, ge disturbs. These leakage currents can also lead to so-called Polarisa tion effects on the sensor element, so that in addition the long-term behavior of the gas sensors especially from the mostly unipolar ones Leakage currents is affected because the heating element the oxygen pump using a pulse width modulator th power signal (PWM signal) is operated unipolar.
Zum Schutz des Sensorelementes gegen den Einfluss der obenge nannten Leckströme wurde beispielsweise in der Offenlegungs schrift EP 0125069 A1 vorgeschlagen, das Heizelement bezie hungsweise die Sauerstoffpumpe physikalisch von dem Sensorbe reich mit Hilfe von einer oder mehreren Schirmelektrode zu trennen. Die Schirmelektrode wird dabei an eine Spannungs quelle mit sehr niedrigem Ausgangswiderstand, beispielsweise < 10 Ω, angeschlossen, so dass die Leckströme von der Schirm elektrode eingefangen und in der Spannungsquelle abgeleitet werden. Dabei wird angestrebt, dass das Potenzial über die gesamte Fläche der Schirmelektrode konstant gehalten wird. Die Spannungsquelle wird daher nicht geregelt, sondern lie fert das konstante Potenzial für die Schirmelektrode.To protect the sensor element against the influence of the above leakage currents was mentioned for example in the disclosure Document EP 0125069 A1 proposed referring to the heating element approximately the oxygen pump physically from the sensor rich with the help of one or more shield electrodes separate. The shield electrode is connected to a voltage source with very low output resistance, for example <10 Ω, connected so that the leakage currents from the shield electrode captured and dissipated in the voltage source become. The aim is that the potential over the entire surface of the shield electrode is kept constant. The voltage source is therefore not regulated, but lie produces the constant potential for the shield electrode.
Bei einem derartigen Verfahren besteht das Problem, dass die Leitfähigkeit der verwendeten Elektrodenfläche für die Schirmelektrode, die als dünne Platinschicht hergestellt ist, relativ beschränkt ist. Die Leitfähigkeit kann nicht beliebig verbessert werden, da aus Herstellungs- und Kostengründen die Schichtdicke nicht beliebig erhöht werden kann. Dies führt zu einem erhöhten Innenwiderstand für den Stromkreis, der aus der Schirmelektrode und der Spannungsquelle gebildet wird, so dass ein Teil der Leckströme durch eine lokale Potenzialvari ation an der Schirmelektrode doch noch zum Sensorelement fließt. Dies ist möglich, weil für die Messung des Gassignals ein weiteres Sensorelement als Referenzelement benutzt wird, das ebenfalls an die Spannungsquelle mit niedrigem Ausgangs widerstand angeschlossen wird. Die Schutzwirkung der Schirm elektrode kann dadurch stark eingeschränkt werden. Im Extrem fall kann der Gassensor für manche Applikationen nicht mehr verwendet werden, da die Messfehler und auch die Langzeit drift der Messsignale zu große Werte einnehmen.The problem with such a method is that the Conductivity of the electrode surface used for the Shield electrode, which is made as a thin platinum layer, is relatively limited. The conductivity cannot be arbitrary be improved, because of manufacturing and cost reasons Layer thickness can not be increased arbitrarily. this leads to an increased internal resistance for the circuit that comes from the shield electrode and the voltage source is formed, so that part of the leakage currents through a local potential vari ation on the shield electrode to the sensor element flows. This is possible because of the measurement of the gas signal another sensor element is used as a reference element, also to the low output voltage source resistance is connected. The protective effect of the umbrella this can severely restrict the electrode. In the extreme In some cases, the gas sensor can no longer function be used because of the measurement errors and also the long term drift of the measurement signals assume values that are too large.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung von Messfeh lern und/oder Drifterscheinungen an einem Gassensor mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 hat demgegenüber den Vorteil, dass zwischen dem Sensorele ment und der Schirmelektrode ein Spannungsregler geschaltet ist, der das Potenzial zwischen dem Sensorelement und der Schirmelektrode regelt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise in allen Betriebsbedingungen das Potenzial der Schirmelektro de nachgeregelt werden, so dass der Leckstrom vom Heizelement oder der Sauerstoffpumpe nicht auf das Sensorelement gelangen kann. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass die Schirmelektrode nicht - wie bisher bekannt - an einem von einer Ansteuerelektronik fest vorgegebenen Potenzial liegt, sondern dass das tatsächliche Potenzial der Schirmelektrode gemessen und für die Auswertung des Gasmesswertes berücksich tigt wird. Durch dieses Verfahren ist eine Kompensation der Leckströme nicht erforderlich, denn die Steuerung verhindert, dass überhaupt ein Leckstrom zum Sensorelement entstehen kann.The method according to the invention for reducing measurement errors Learn and / or drift phenomena on a gas sensor with the characterizing features of the independent claims 1 and 10 has the advantage that between the sensor element ment and the shield electrode a voltage regulator switched is the the potential between the sensor element and the Shield electrode controls. This can advantageously the potential of the screen electrical in all operating conditions de readjusted so that the leakage current from the heating element or the oxygen pump do not get on the sensor element can. It is considered particularly advantageous that the shield electrode is not - as previously known - on one of control electronics has a predetermined potential, but that the actual potential of the shield electrode measured and taken into account for the evaluation of the gas measured value is done. This process compensates for the Leakage currents are not required because the control prevents that there is any leakage current to the sensor element can.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass der Spannungsregler die Potenzialdifferenz zwischen der Schirmelektrode und dem Sensorelement auf 0 Volt regelt. Wegen der fehlenden Span nungsdifferenz wird die Ausbildung eines Leckstroms vermie den. Through the measures listed in the dependent claims are advantageous further developments and improvements of the Main claim specified procedure possible. As special It is considered advantageous that the voltage regulator the potential difference between the shield electrode and the Sensor element regulates to 0 volts. Because of the missing chip difference is avoided the formation of a leakage current the.
Eine günstige Lösung wird auch darin gesehen, dass bei einer Schirmelektrode mit einem nicht signifikanten Flächenwider stand der Spannungsregler eine regelbare Spannungsquelle steuert, die mit der Schirmelektrode verbunden ist. Durch dieses Regelungsverfahren gelingt es auf einfache Weise, die nach den oben genannten Gesichtspunkten vorgegebenen Bedin gungen einzustellen.A cheap solution is also seen in the fact that with a Screen electrode with an insignificant area resistance the voltage regulator became an adjustable voltage source controls which is connected to the shield electrode. By this regulatory procedure is easy to achieve according to the conditions specified above settings.
Um die Potenzialdifferenz zwischen dem Sensorelement und der Schirmelektrode auf 0 Volt regeln zu können, wird vorzugswei se die Spannungsquelle für die Schirmelektrode auf einen Wert geregelt, der ungleich dem Potenzial des Sensorelementes ist. Dadurch können Widerstände und Spannungsabfälle auf den Zu leitungen wirkungsvoll kompensiert und das Potential dann un abhängig von den fließenden Leckströmen nachgeregelt werden.To the potential difference between the sensor element and the Being able to regulate the shield electrode to 0 volts is preferred se the voltage source for the shield electrode to a value regulated, which is not equal to the potential of the sensor element. This can cause resistances and voltage drops on the contacts cables effectively compensated and the potential then un readjusted depending on the flowing leakage currents.
Um Einflüsse auf den Zuleitungen zum Sensorelement zu vermei den, wird vorteilhaft ein zweiter Anschluss an der Schirm elektrode vorgesehen, an dem das Potenzial der Schirmelektro de abgegriffen wird. Dieser Abgriff erfolgt vorzugsweise hochohmig, so dass über diesen Abgriff keine weiteren nachteilige Einflüsse auf den Zuleitungen zum Sensorelement auftreten können.To avoid influences on the leads to the sensor element a second connection on the shield is advantageous electrode provided on which the potential of the screen electrical de is tapped. This tap is preferably made high-impedance, so that no more than this tap adverse influences on the leads to the sensor element may occur.
Alternativ wird bei einer Schirmelektrode mit einem signifi kanten Flächenwiderstand eine günstige Lösung zur Verhinde rung von Leckströmen auch darin gesehen, dass der Spannungs regler einen Sensorgenerator steuert, der mit dem Sensorele ment verbunden ist. Der Sensorgenerator ist als steuerbare Spannungsquelle ausgebildet, die das Potenzial des Sensorele mentes bezüglich des Massepunktes des Heizelementes steuert. Der Spannungsregler bestimmt die Messgröße (Spannung) zwi schen zwei Messpunkten und legt in Abhängigkeit vom Messwert an zwei Stellpunkten eine Spannung an mit dem Ziel, dass an den beiden Messpunkten eine vorgegeben Sollspannung erreicht wird. Beim Erfindungsgegenstand bildet der Massepunkt des Heizelementes den einen Stellpunkt. Als die beiden Messpunkte werden der Anschluss der Schirmelektrode und einer der beiden Sensoranschlüsse verwendet. Dadurch kann das Potenzial des Sensorelementes auf das Potenzial der Schirmelektrode nachge regelt werden. Die Schirmelektrode liefert also das Referenz potenzial. Wegen der fehlenden Potenzialdifferenz können sich dann keine Leckströme ausbilden.Alternatively, with a shield electrode with a signifi edge resistance is a cheap solution to prevent Leakage currents also seen in that the voltage controller controls a sensor generator that works with the sensor element ment is connected. The sensor generator is as controllable Voltage source trained, the potential of the Sensorele controls with respect to the mass point of the heating element. The voltage regulator determines the measured variable (voltage) between two measuring points and sets depending on the measured value a voltage is applied at two control points with the aim that at a predetermined target voltage is reached at the two measuring points becomes. In the subject of the invention, the mass point of the Heating element the one setpoint. As the two measuring points become the connection of the shield electrode and one of the two Sensor connections used. This can unlock the potential of Sensor element nachge to the potential of the shield electrode be regulated. The shield electrode therefore provides the reference potential. Because of the lack of potential difference then form no leakage currents.
Eine weitere vorteilhafte Schutzmaßnahme gegen die Bildung von Leckströmen wird auch darin gesehen, die Schirmelektrode großflächiger auszubilden als das Sensorelement. Insbesondere durch überstehende Ränder der Schirmelektrode können sich hier sehr viel schwerer Leckströme bilden als bei einer klei neren Schirmelektrode.Another advantageous protective measure against education leakage currents are also seen in the shield electrode training larger than the sensor element. In particular by protruding edges of the shield electrode form much heavier leakage currents here than with a small one neren shield electrode.
Eine einfache Lösung für einen Spannungsregler wird in einer Zwei-Punkt, P-, I- PI- PID-, Fuzzy-Regelung oder in einer Re gelung mit einem digitalen Algorithmus angesehen, da derarti ge Regler zuverlässig arbeiten und kostengünstig herstellbar sind.A simple solution for a voltage regulator is in one Two-point, P, I, PI, PID, fuzzy control or in one re viewed with a digital algorithm, because such ge controllers work reliably and are inexpensive to manufacture are.
Ein besonderer Vorteil wird bei der erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung auch darin gesehen, dass das Messgerät den ak tuellen Widerstand des Sensorelementes ohne Beeinflussung durch den Regelvorgang des Sensorpotenzials misst. Dadurch wird die Messgenauigkeit vorteilhaft verbessert, da der Ein fluss der Potenzialregelung des Sensorelementes vermieden wird.A particular advantage is the scarf according to the invention device arrangement also seen in the fact that the measuring device ac actual resistance of the sensor element without interference through the control process of the sensor potential. Thereby the measurement accuracy is advantageously improved because the one flow of potential control of the sensor element avoided becomes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für einen Gassensor beziehungsweise eine Schaltungsanordnung an zugeben, bei dem Messfehler und/oder eine Langzeitdrift der Messwerte reduziert werden. Diese Aufgabe wird mit den Merk malen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 gelöst.The invention has for its object a method for a gas sensor or a circuit arrangement admit the measurement error and / or a long-term drift of Measured values can be reduced. This task is done with the Merk paint the independent claims 1 and 10 solved.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung nä her erläutert. Two embodiments of the invention are in the drawing shown and are nä in the following description explained here.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Gassensor, bei dem nach idealisierten Vorstellungen eine vollständige Kompensation eines Leckstromes an der Schirmelektrode durch geführt wird. Fig. 1 shows a schematic representation of a gas sensor in which, according to idealized ideas, a complete compensation of a leakage current is carried out on the shield electrode.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen bekannten Gassensor, bei dem eine nur teilweise Kompensation des Leck stromes an der Schirmelektrode erzielt wird. Fig. 2 shows a schematic representation of a known gas sensor, in which only a partial compensation of the leakage current is achieved on the shield electrode.
Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verbesserter Leckstromkompensation beziehungsweise -ver hinderung. Fig. 3 shows a first embodiment of the invention with improved leakage current compensation or prevention.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Leck stromkompensation und Fig. 4 shows a second embodiment for a leakage current compensation and
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Regelungsein richtung. Fig. 5 shows an embodiment for a Regelungsein direction.
Um die Problematik der Kompensation beziehungsweise der Ver meidung von Leckströmen zu erläutern, wird zunächst bei der schematischen Darstellung der Fig. 1 ein Gassensor darge stellt, bei dem die Kompensation des Leckstromes mit einer perfekten Schirmelektrode erzielt werden könnte. Das per se bekannte Sensorelement 2 ist zusammen mit einem Heizelement 1 und einer dazwischen angeordneten Schirmelektrode 3 auf einem Trägersubstrat aufgebracht. Das Sensorelement 2 ist bei rea ler Ausgestaltung aus mehreren Teilsegmenten aufgebaut, bei spielsweise kann ein Teilsegment als Referenzelement ausge bildet sein. Natürlich können neben dem Heizelement 1 auch weitere Elemente wie eine Sauerstoffpumpe vorgesehen werden.In order to explain the problem of compensation or the avoidance of leakage currents, a gas sensor is first shown in the schematic representation of FIG. 1, in which the compensation of the leakage current could be achieved with a perfect shield electrode. The sensor element 2 known per se is applied to a carrier substrate together with a heating element 1 and a shielding electrode 3 arranged between them. The sensor element 2 is constructed in a real embodiment from a plurality of sub-segments, for example a sub-segment can be formed as a reference element. Of course, other elements such as an oxygen pump can also be provided in addition to the heating element 1 .
Das Sensorelement 2 wird von einem Sensorgenerator 12 mit dem Sensorpotenzial Um und dem Innenwiderstand Ri gespeist. Des weiteren weist das Sensorelement 2 zwei Sensoranschlüsse 4, 5 auf, über die an einem Messgerät 6 der Messwert - bei der De tektion eines Gases insbesondere die Änderung eines Wider standes des Sensorelementes 2 - erfasst und/oder auch ausge wertet wird. Mit dieser Anordnung des Messgerätes 6 wird vor teilhaft erreicht, dass der Sensorwiderstand unabhängig vom Regelvorgang des Sensorpotenzials gemessen wird.The sensor element 2 is fed by a sensor generator 12 with the sensor potential Um and the internal resistance Ri. Furthermore, the sensor element 2 has two sensor connections 4 , 5 , via which the measured value on a measuring device 6 - when a gas is detected, in particular the change in a resistance of the sensor element 2 - is detected and / or evaluated. With this arrangement of the measuring device 6 it is achieved before that the sensor resistance is measured independently of the control process of the sensor potential.
Ein Heizungsregler 9 versorgt in einem zusätzlichen Strom kreis das Heizelement 1 beziehungsweise die Sauerstoffpumpe. Der Heizungsregler 9 ist beispielsweise mit einer Stromquelle und entsprechenden Regeleinrichtungen ausgebildet und kann mit einem PWM-Signal (pulsweitenmoduliertes Signal) auf eine vorgegebene Temperatur so geregelt werden, dass das Sensor element 2 auf eine konstante Temperatur von circa 850°C ge heizt wird.A heating controller 9 supplies the heating element 1 or the oxygen pump in an additional circuit. The heating controller 9 is designed, for example, with a current source and corresponding control devices and can be controlled with a PWM signal (pulse width modulated signal) to a predetermined temperature in such a way that the sensor element 2 is heated to a constant temperature of approximately 850 ° C.
Des weiteren ist eine Spannungsquelle 10 vorgesehen, mit der die Schirmelektrode 3 ebenfalls auf das feste Potenzial Um eingestellt wird. Durch diese beiden Potenziale Um der Span nungsquelle 10 und des Sensorgenerators 12 bildet sich zwi schen dem Sensorelement 2 und der Schirmelektrode 3 kein Spannungspotenzial aus, so dass die Potenzialdifferenz a 0 Volt beträgt. Es wird angenommen, dass in diesem Fall eine ideale Schirmelektrode 3 verwendet wird. Das bedeutet, dass die Schirmelektrode 3 keinen Innenwiderstand besitzt und dass ihre Abmessungen eine komplette Abdeckung des Sensorelementes 2 erlauben. Des weiteren wird angenommen, dass die ange schlossene Elektronik in der Lage ist, das Potenzial b der Schirmelektrode 3 auf einen konstanten Wert, nämlich auf den Wert Um, zu halten. In diesem Fall können keine Leckströme Ileck von der Schirmelektrode 3 zum Sensorelement 2 fließen, da die Potenzialdifferenz a 0 Volt beträgt. Um dieses zu er reichen, soll das Mittelpotenzial des Sensorelementes 2 und das Schirmpotenzial den gleichen Wert, in diesem Fall b = Um besitzen. Der Doppelpfeil zwischen dem Heizelement 1 und der Schirmelektrode 3 soll die Bildung des Leckstromes Ileck an deuten, der von der Spannungsquelle 10 absorbiert wird. Furthermore, a voltage source 10 is provided, with which the shield electrode 3 is also set to the fixed potential Um. Due to these two potentials around the voltage source 10 and the sensor generator 12 , no voltage potential is formed between the sensor element 2 and the shield electrode 3 , so that the potential difference a is 0 volts. It is assumed that an ideal shield electrode 3 is used in this case. This means that the shield electrode 3 has no internal resistance and that its dimensions allow the sensor element 2 to be completely covered. Furthermore, it is assumed that the connected electronics are able to keep the potential b of the shield electrode 3 at a constant value, namely at the value Um. In this case, no leakage currents Ileck can flow from the shield electrode 3 to the sensor element 2 , since the potential difference a is 0 volts. In order to achieve this, the mean potential of the sensor element 2 and the screen potential should have the same value, in this case b = Um. The double arrow between the heating element 1 and the shield electrode 3 is intended to indicate the formation of the leakage current Ileck, which is absorbed by the voltage source 10 .
In der Praxis sind die oben beschriebenen Verhältnisse leider bisher nicht erreicht worden. Fig. 2 zeigt die gleiche An ordnung eines realen Gassensors, der ähnlich aufgebaut ist, wie er zuvor zu Fig. 1 beschrieben wurde. Im Unterschied zu Fig. 1 deckt die Schirmelektrode 3 jedoch nicht vollständig die ganze Fläche des Sensorelementes 2 ab. Dadurch können die Leckströme direkt vom störenden Heizelement 1 beziehungsweise der Sauerstoffpumpe zum Sensorelement 2 fließen. Dieses ist durch die Pfeilspitzen am rechten Rand des Sensorelementes 2 angedeutet. Des weiteren ist die Platinschicht der Schirm elektrode 3 nicht homogen ausgebildet, so dass sie eine be stimmte Porosität aufweist. Dadurch entstehen Löcher in der Oberfläche der Schirmelektrode 3, durch die ebenfalls die Leckströme in das Sensorelement 2 gelangen können.In practice, the conditions described above have unfortunately not yet been achieved. Fig. 2 shows the same arrangement of a real gas sensor, which is constructed similarly to that described above for Fig. 1. In contrast to FIG. 1, however, the shield electrode 3 does not completely cover the entire surface of the sensor element 2 . As a result, the leakage currents can flow directly from the disruptive heating element 1 or the oxygen pump to the sensor element 2 . This is indicated by the arrowheads on the right edge of the sensor element 2 . Furthermore, the platinum layer of the shield electrode 3 is not homogeneous, so that it has a certain porosity. This creates holes in the surface of the shield electrode 3 , through which the leakage currents can also reach the sensor element 2 .
Ein weiteres Problem einer realen Schirmelektrode besteht darin, dass die Schirmelektrode 3 einen gewissen Innenwider stand aufweist, der in dem Innenwiderstand Ri2 symbolisch zu sammengefasst ist. Ein weiteres Problem besteht auch darin, dass sich durch die Anwesenheit des gesamten Leckstroms in der Anschlussleitung der Schirmelektrode 3 das Potenzial an der Fläche der Schirmelektrode selbst ändert. Dies führt e benfalls zu einer Potenzialdifferenz a zwischen dem Sensor element 2 und der Schirmelektrode 3, durch die indirekte Leckströme entstehen können.Another problem with a real shield electrode is that the shield electrode 3 has a certain internal resistance, which is symbolically summarized in the internal resistance Ri2. Another problem is also that the potential on the surface of the shield electrode itself changes due to the presence of the entire leakage current in the connection line of the shield electrode 3 . This also leads to a potential difference a between the sensor element 2 and the shield electrode 3 , through which indirect leakage currents can arise.
Insbesondere für Polarisationsströme sehr empfindliche Senso ren, wie dies beispielsweise bei resistiven Metalloxid- Gassensoren der Fall ist, können diese Probleme zu hohen Sig nalverfälschungen führen. Der Messfehler, der von dem Messge rät 6 erfasst wird, ist nicht unbedingt so relevant, viel mehr kommt eine Langzeitdrift der Messsignale zum Tragen, die erst nach mehreren Minuten oder Stunden in Erscheinung tritt.Particularly sensitive to polarization currents, as is the case with resistive metal oxide gas sensors, for example, these problems can lead to high signal falsifications. The measurement error that is detected by the measuring device 6 is not necessarily so relevant, rather a long-term drift of the measurement signals comes into play, which only appears after several minutes or hours.
Um die obengenannten Nachteile zu vermeiden, wird erfindungs gemäß in Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, das insbesondere bei Schirmelektroden mit einem kleinen, nicht signifikanten Innenwiderstand Anwendung finden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 ist eine Spannungsregelung vorgesehen, mit der das Potenzial Us der Schirmelektrode 3 nicht konstant gehalten wird, sondern auf einen Wert geregelt wird, der von dem augenblicklichen Sen sorpotenzial Um des Sensorelementes 2 abhängt. Dadurch kann sich zwischen dem Sensorelement 2 und der Schirmelektrode 3 kein Leckstrom ausbilden, was durch die dargestellten Strom pfeile veranschaulicht werden soll. Dieses Ausführungsbei spiel lässt sich auch immer dann einsetzen, wenn die Leck stromprobleme auf den Zuleitungswiderstand (Innenwiderstand Ri2) zur Elektrode selbst zurückzuführen sind.In order to avoid the above-mentioned disadvantages, a first exemplary embodiment is shown according to the invention in FIG. 3, which can be used in particular with shield electrodes with a small, insignificant internal resistance. In this embodiment according to FIG. 3, a voltage control is provided with which the potential Us of the shield electrode 3 is not kept constant, but is regulated to a value that depends on the current sensor potential Um of the sensor element 2 . As a result, no leakage current can form between the sensor element 2 and the shield electrode 3 , which is to be illustrated by the current arrows shown. This exemplary embodiment can also be used whenever the leakage current problems are due to the lead resistance (internal resistance Ri2) to the electrode itself.
Bei hohen Leckströmen, beispielsweise in dem Fall, wenn das Substrat teilweise leitend ist, wie das bei ZrO2 und einer dünnen Al2O3-Schicht von 50 µm bei 850°C der Fall ist, kann das tatsächliche Potenzial der Schirmelektrode 3 mit Hilfe eines Schirmanschlusses 11 der Schirmelektrode 3 gemessen werden. Wie nachfolgend näher erläutert wird, kann das Poten zial des Schirmanschlusses 11 dann unabhängig von den flie ßenden Leckströmen nachgeregelt werden.In the case of high leakage currents, for example in the case where the substrate is partially conductive, as is the case with ZrO 2 and a thin Al 2 O 3 layer of 50 μm at 850 ° C., the actual potential of the shielding electrode 3 can be reduced of a shield connection 11 of the shield electrode 3 can be measured. As will be explained in more detail below, the potential of the shield connection 11 can then be readjusted independently of the flowing leakage currents.
Im folgenden wird der Aufbau und die Wirkungsweise dieser An ordnung näher erläutert. Ausgehend von der Schaltungsanord nung der Fig. 2 wird im Fall der Fig. 3 ein Spannungsregler 8 so geschaltet, dass seine beiden Eingänge mit einer An schlussklemme 4 des Sensorelementes 2 beziehungsweise mit dem Schirmanschluss 11 verbunden werden. Diese beiden Eingänge greifen somit das jeweilige Potenzial der beiden Einheiten 3, 2 ab. Der Ausgang des Spannungsreglers 8 ist mit einem Re geleingang der Spannungsquelle 10 verbunden. In diesem Fall ist die Spannungsquelle 10 regelbar ausgebildet und kann eine Ausgangsspannung Uc liefern, die ungleich dem Sensorpotenzial Um ist. Die Spannung Uc wird dabei vorzugsweise so geregelt, dass die Potenzialdifferenz zwischen der Schirmelektrode 3 und dem Sensorelement 0 Volt wird, so dass der Leckstrom I leck ebenfalls 0 ist. The structure and operation of this order is explained in more detail below. Based on the circuit arrangement of FIG. 2, in the case of FIG. 3, a voltage regulator 8 is switched so that its two inputs are connected to a terminal 4 of the sensor element 2 or to the shield connection 11 . These two inputs thus tap the respective potential of the two units 3 , 2 . The output of the voltage regulator 8 is connected to a re gel input of the voltage source 10 . In this case, the voltage source 10 is designed to be controllable and can supply an output voltage Uc that is not equal to the sensor potential Um. The voltage Uc is preferably regulated such that the potential difference between the shield electrode 3 and the sensor element becomes 0 volts, so that the leakage current I leak is also 0.
Wie oben erwähnt, ist dieser Lösungsvorschlag im wesentlichen nur in solchen Fällen anwendbar, bei dem der Flächenwider stand der Schirmelektrode 3 relativ klein, das heißt nicht signifikant ist. Bei Schirmelektroden 3 mit einem signifikan ten Flächenwiderstand liefert die in Fig. 4 beschriebene al ternative Lösung bessere Ergebnisse. Hier wird die Schirm elektrode 3 nicht von einer regelbaren Spannungsquelle, wie in Fig. 3 beschrieben wurde, gesteuert. Vielmehr regelt ge mäß Fig. 4 der Spannungsregler 8 einen steuerbaren Sensorge nerator 12, der über den Sensoranschluss 4 das Sensorelement 2 auflädt. Der Sensorgenerator 12 liefert das Sensorpotenzial Um, das über den Widerstand 13 an einem Sensor-Messanschluss 14 als Messspannung Umess abgreifbar ist. Des weiteren ist der Spannungsregler 8 mit seinem zweiten (-) Eingang mit ei nem Schirmanschluss 11 der Schirmelektrode 3 verbunden. Auf diese Weise wird das Schirmpotenzial Us zwischen der Schirm elektrode 3 und dem Sensorelement 2 erfasst und kann entspre chend auf 0 Volt nachgeregelt werden.As mentioned above, this proposed solution is essentially only applicable in those cases in which the surface resistance of the shield electrode 3 was relatively small, that is to say is not significant. In the case of shield electrodes 3 with a significant surface resistance, the alternative solution described in FIG. 4 provides better results. Here, the shield electrode 3 is not controlled by a controllable voltage source, as described in FIG. 3. Rather, according to FIG. 4, the voltage regulator 8 controls a controllable sensor generator 12 which charges the sensor element 2 via the sensor connection 4 . The sensor generator 12 supplies the sensor potential Um, which can be tapped via the resistor 13 at a sensor measuring connection 14 as the measuring voltage Umess. Furthermore, the voltage regulator 8 is connected with its second (-) input to a shield connection 11 of the shield electrode 3 . In this way, the screen potential Us between the screen electrode 3 and the sensor element 2 is detected and can be readjusted accordingly to 0 volts.
Dieser Schaltungsanordnung liegt die Überlegung zu Grunde, dass sich das Potenzial Us der Schirmelektrode 3 im wesentli chen durch die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Leistungselementen (Heizelement 1 beziehungsweise Sauerstoff pumpe) und der Schirmelektrode 3 einstellt. Dieses Potenzial wird von dem Spannungsregler 8 eingelesen und gilt dann als Potenzialdifferenz des Gassensors. Dadurch wird das Fließen von sekundären Leckströmen, also den Leckströmen zwischen dem Sensorelement 2 und der Schirmelektrode 3 verhindert. Die di rekten primären Leckströme, also Leckströme zwischen dem Heizelement 1 und der Schirmelektrode 3, wie sie in Fig. 4 durch die kleinen Pfeile symbolisch gekennzeichnet sind, wer den jedoch nicht verhindert.This circuit arrangement is based on the consideration that the potential Us of the shield electrode 3 is essentially set by the electrical connecting lines between the power elements (heating element 1 or oxygen pump) and the shield electrode 3 . This potential is read in by the voltage regulator 8 and then applies as the potential difference of the gas sensor. This prevents the flow of secondary leakage currents, that is to say the leakage currents, between the sensor element 2 and the shield electrode 3 . The direct primary leakage currents, that is, leakage currents between the heating element 1 and the shielding electrode 3 , as symbolized in FIG. 4 by the small arrows, but who does not prevent the.
Um ein Übertreten der Leckströme auf das Sensorelement 2 zu verhindern, muss die Schirmelektrode 3 großflächiger ausge bildet sein als das Sensorelement 2. In order to prevent leakage currents from being transferred to sensor element 2 , shield electrode 3 must be formed over a larger area than sensor element 2 .
Um sicherzustellen, dass keine Leckströme zum Sensorelement 2 gelangen können, wird gemäß Fig. 4 das Potenzial Umess des Sensorelementes 2 auf das Potential Us der Schirmelektrode 3 geregelt. Dabei hat die Höhe des Potenzials Us der Schirm elektrode 3 keinen Einfluss auf den Regelvorgang.To ensure that no leakage currents can reach the sensor element 2 , the potential Umess of the sensor element 2 is regulated to the potential Us of the shield electrode 3 according to FIG. 4. The height of the potential Us of the shield electrode 3 has no influence on the control process.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Stromlaufplan für den Spannungsregler 8. Im linken Teil der Schaltungsanordnung ist der Gassensor (Sensorelement 2) schematisch als veränder licher Widerstand mit seinen Sensoranschlüssen 4, 5 darge stellt, der beispielsweise als HC-Sensor ausgebildet sein kann. Derartige Sensoren werden beispielsweise in Industrie anlagen für Gas-, Rauch- oder Abgasmessungen und auch bei Kraftfahrzeugen verwendet. Fig. 5 shows an embodiment of an inventive circuit arrangement with an electrical circuit diagram for the voltage regulator 8. In the left part of the circuit arrangement, the gas sensor (sensor element 2 ) is shown schematically as a variable resistance with its sensor connections 4 , 5 , which can be designed, for example, as an HC sensor. Such sensors are used for example in industrial plants for gas, smoke or exhaust gas measurements and also in motor vehicles.
Das Sensorelement 2 wird mit einer konstanten Messspannung Umess beaufschlagt und mit einem Ohmmeter der durch das Sen sorelement 2 fließende Strom gemessen, wie in Fig. 4 in der Übersicht dargestellt ist. Der Einfluss des Schirmpotenzials Us auf den Wert des Messsignals Umess wird erheblich verrin gert, da er im wesentlichen von der Gleichtaktunterdrückung (CMRR, common mode rejection ratio) des verwendeten Operati onsverstärkers und von seiner Offsetspannung abhängig ist.The sensor element 2 is supplied with a constant measuring voltage Umeas and measured with an ohmmeter sorelement by Sen 2 current flowing as shown in Fig. 4 is shown in the overview. The influence of the screen potential Us on the value of the measurement signal Umess is considerably reduced, since it essentially depends on the common mode rejection ratio (CMRR) of the operational amplifier used and on its offset voltage.
Bezüglich des Schaltungsaufbaus ist ein erster Operationsver stärker 60 vorgesehen, der mit seinem Ausgang für den gesam ten Messzweig eine künstliche Masse bildet, an die die kalte Elektrode (Sensoranschluss 5) des Sensorelementes 2 ange schlossen ist. Der erste Operationsverstärker 60 ist mit ei nem Eingang an dem Schirmanschluss 11 der Schirmelektrode 3 Fig. 4) angeschlossen, sein zweiter Anschluss ist über zwei Widerstände 56 mit dem Anschluss 14 des Sensorelementes 2 verbunden (Fig. 4). Der Operationsverstärker 60 liefert so mit in Form einer gepufferten Spannung das Potential Us von der Schirmelektrode 3. With regard to the circuit structure, a first operational amplifier 60 is provided, which forms an artificial mass with its output for the entire measuring branch, to which the cold electrode (sensor connection 5 ) of the sensor element 2 is connected. The first operational amplifier 60 is connected with an input to the shield connection 11 of the shield electrode 3 ( FIG. 4), its second connection is connected to the connection 14 of the sensor element 2 via two resistors 56 ( FIG. 4). The operational amplifier 60 thus supplies the potential Us from the shield electrode 3 in the form of a buffered voltage.
Der "heiße" Sensoranschluss 4 des Sensorelementes 2 ist auf einen Operationsverstärker 51 geführt, der mit seinem Gegen kopplungswiderstand 53 als Ohmmeter mit konstanter Messspan nung Umess geschaltet. An seinem Ausgang ist die Spannung (U mess)(1 + Rmess/Rsensor) abgreifbar. Die Messspannung Umess entspricht der Steuerspannung am Sensorelement 2, wobei über einen dritten Operationsverstärker 58, der mit den Widerstän den 56, 57 als Addierer geschaltet ist, die Schirmspannung Us an den beiden Sensoranschlüssen 4, 5 aufaddiert wird.The "hot" sensor connection 4 of the sensor element 2 is guided to an operational amplifier 51 , which is connected with its counter coupling resistor 53 as an ohmmeter with a constant measuring voltage Umess. The voltage (U mess) (1 + Rmess / Rsensor) can be tapped at its output. The measuring voltage Umess corresponds to the control voltage at the sensor element 2 , with the screen voltage Us being added to the two sensor connections 4 , 5 via a third operational amplifier 58 , which is connected to the resistors 56 , 57 as an adder.
Ein vierter Operationsverstärker 54, an dessen beiden Eingän ge jeweils zwei als Spannungsteiler gegen Masse geschalteten Widerständen 52 angeordnet sind, dient als Differenzierer und liefert das gassensitive Signal Umess (Rmess/Rsensor) an einen Ausgang 61, wo es für die weitere Verwertung zur Verfügung steht. Des weiteren ist ein Widerstand 52 als Gegenkopplungs widerstand geschaltet.A fourth operational amplifier 54 , at the two inputs of which two resistors 52 connected as a voltage divider to ground are arranged, serves as a differentiator and supplies the gas-sensitive signal Umess (Rmess / Rsensor) to an output 61 , where it is available for further use , Furthermore, a resistor 52 is connected as a negative feedback resistor.
Wie aus der obigen Formel ersichtlich ist, ist das Signal li near von der Leitfähigkeit des Sensorelementes 2 abhängig, nicht aber von der Schirmspannung Us. Zu beachten ist jedoch, dass die Versorgungsspannung aller Operationsverstärker grö ßer oder gleich sein muss als die verwendeten Spannungen für das Heizelement 1 oder die Sauerstoffpumpe, da das Potenzial der Schirmelektrode 3a priori nicht bekannt ist.As can be seen from the above formula, the signal near depends on the conductivity of the sensor element 2 , but not on the screen voltage Us. However, it should be noted that the supply voltage of all operational amplifiers must be greater than or equal to the voltages used for the heating element 1 or the oxygen pump, since the potential of the shield electrode 3 is not known a priori.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2001152606 DE10152606C1 (en) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | Reduction of measurement errors and/or drift phenomena, in gas sensor, involves controlling potential between sensor element made of resistive metal oxide and shield grid electrode using voltage regulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE2001152606 DE10152606C1 (en) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | Reduction of measurement errors and/or drift phenomena, in gas sensor, involves controlling potential between sensor element made of resistive metal oxide and shield grid electrode using voltage regulator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE10152606C1 true DE10152606C1 (en) | 2003-04-17 |
Family
ID=7703643
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE2001152606 Expired - Fee Related DE10152606C1 (en) | 2001-10-25 | 2001-10-25 | Reduction of measurement errors and/or drift phenomena, in gas sensor, involves controlling potential between sensor element made of resistive metal oxide and shield grid electrode using voltage regulator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE10152606C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014214432A1 (en) * | 2014-07-23 | 2016-01-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Sensor arrangement, measuring method and computer program product |
| CN105938116A (en) * | 2016-06-20 | 2016-09-14 | 吉林大学 | Gas sensor array concentration detection method based on fuzzy division and model integration |
| DE102019202242A1 (en) * | 2019-02-19 | 2020-08-20 | Inficon Gmbh | Gas detector with an ionizer |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0125069A1 (en) * | 1983-04-26 | 1984-11-14 | Ngk Insulators, Ltd. | Electrochemical element and device including the element |
-
2001
- 2001-10-25 DE DE2001152606 patent/DE10152606C1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0125069A1 (en) * | 1983-04-26 | 1984-11-14 | Ngk Insulators, Ltd. | Electrochemical element and device including the element |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014214432A1 (en) * | 2014-07-23 | 2016-01-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Sensor arrangement, measuring method and computer program product |
| CN105938116A (en) * | 2016-06-20 | 2016-09-14 | 吉林大学 | Gas sensor array concentration detection method based on fuzzy division and model integration |
| CN105938116B (en) * | 2016-06-20 | 2019-09-10 | 吉林大学 | Gas sensor array concentration detection method based on fuzzy division and model integrated |
| DE102019202242A1 (en) * | 2019-02-19 | 2020-08-20 | Inficon Gmbh | Gas detector with an ionizer |
| US11754525B2 (en) | 2019-02-19 | 2023-09-12 | Inficon Gmbh | Gas detector with an ionizing device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE112006003442T5 (en) | Sensing circuits | |
| DE102009050221A1 (en) | Device and method for the diagnosis of an exhaust gas sensor | |
| DE2900382A1 (en) | VOLTAGE METER PRESSURE TRANSDUCER DEVICE | |
| DE19962654B4 (en) | Air-fuel ratio detection device and method | |
| DE102008000347A1 (en) | Gas sensor control device | |
| WO2016165997A1 (en) | Method for operating a sensor for sensing at least one property of a measurement gas in a measurement gas space | |
| DE102009050224B4 (en) | Device and method for controlling an exhaust gas sensor | |
| DE3033730C2 (en) | Device for detecting chemical substances | |
| EP2583091B1 (en) | Method for operating a gas probe | |
| DE2946775A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR THE DETERMINATION OF THE OXYGEN CONTENT IN GASES, WHICH IS NOT INFLUENCED BY TEMPERATURE VARIATIONS | |
| DE102019002274A1 (en) | GAS SENSOR AND METHOD FOR CONTROLLING A GAS SENSOR | |
| DE10152606C1 (en) | Reduction of measurement errors and/or drift phenomena, in gas sensor, involves controlling potential between sensor element made of resistive metal oxide and shield grid electrode using voltage regulator | |
| DE10324292B4 (en) | Measuring element for a flow sensor, in particular an air mass sensor for internal combustion engines | |
| EP1290433A1 (en) | Method and device for operating a linear lambda probe | |
| DE69736091T2 (en) | Gas sensor and gas concentration monitoring device | |
| EP1352255B1 (en) | Device for determining the internal resistance of a linear oxygen probe | |
| EP1543319B1 (en) | Circuit arrangement for operating a linear exhaust-gas probe | |
| DE102010031299A1 (en) | Device for determining a property of a gas in a measuring gas space | |
| WO2006067054A1 (en) | Method and device for regulating a gas sensing probe | |
| DE3330043C2 (en) | Charge amplifier circuit | |
| DE102004018871B4 (en) | Method and apparatus for operating an exhaust gas analysis sensor cell | |
| EP3818366B1 (en) | Method for operating a sensor for detecting at least a portion of a measurement gas component having bound oxygen in a measurement gas | |
| EP0945722A2 (en) | Semiconductor gas sensor | |
| DE10322012A1 (en) | Flow sensor with improved operating behavior | |
| DE2700543A1 (en) | GAS FLOW CONVERTER AND COMBUSTION ENGINE CONTROL SYSTEM WITH A GAS FLOW CONVERTER OF THIS TYPE |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| 8304 | Grant after examination procedure | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |