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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung mit einem
amperometrischen Sensorelement, insbesondere einer Lambdasonde,
mit einer Pumpzelle mit einer Außenpumpelektrode und einer
Innenpumpelektrode mit einer Zuleitung sowie einer Messzelle mit
einer Luftreferenzelektrode mit einer Zuleitung, wobei die Temperatur
aus dem elektrischen Widerstand der Messzelle bestimmt wird.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Temperaturmessung.
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Sensorelemente,
insbesondere Lambdasonden sind bekannt. Diese weisen einen zwischen
zwei Elektroden liegenden ionenleitenden Festelektrolyten auf. Die
beiden Elektroden sind dabei gasdurchlässig und mit einer Messspannung
beaufschlagbar. Je nach Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gas stellt
sich dabei ein Grenzstrom bzw. eine Nernstspannung ein, die von
dem Unterschied der Sauerstoffkonzentrationen an den Elektroden
abhängig sind.
Derartige Sonden werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt,
um den Sauerstoffgehalt des Abgases von Brennkraftmaschinen zu messen.
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Abgassonden
müssen
im aktiven Bereich erwärmt
werden, um die notwendige Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten
zu erreichen. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen ist oft eine Regelung der Temperatur
der Messsonde vorgesehen. Der Betrieb amperometrischer Abgassonden
erfordert die Regelung der Temperatur des Sensorelementes auf eine feste
Temperatur oberhalb von 700 °C.
Dazu ist es be kannt, in einem typischen planaren Sensoraufbau der
Messsonde eine Sondenheizung zuzuordnen. Über die Regelung der elektrischen
Heizleistung kann die Temperatur des Sensorelementes beeinflusst
werden. Die Temperaturmessung erfolgt durch die Messung des Innenwiderstandes
der Messzelle. Der Festelektrolyt der Messzelle besteht aus ionenleitendem
Zirkoniumdioxid. Es wird der Effekt ausgenutzt, dass über die
Größe des Innenwiderstandes der
Messzelle auf die Temperatur der Sauerstoffsonde geschlossen werden
kann. Hierzu ist bekannt, dass die elektrische Leitfähigkeit
des Zirkoniumdioxids mit der Temperatur exponentiell zunimmt oder aber
der ohmsche Widerstand des Materials exponentiell mit der Temperatur
abnimmt. Der ohmsche Widerstand kann daher als Maß für die Temperatur herangezogen
werden.
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Das
Messverfahren beruht auf der Einspeisung eines Wechselstromsignals
kleiner Amplitude an der Luftreferenzelektrode. Der Wechselstrom fließt über die
Messzelle zur Innenpumpelektrode ab. Die Amplitude der resultierenden
Wechselspannung an der Luftreferenzelektrode ist dann ein Maß für den ohmschen
Widerstand der Strecke Luftreferenzelektrode-Innenpumpelektrode.
Bei ausreichend hoher Frequenz oberhalb von einem Kilohertz werden
Elektrodenpolarisationen durch die Messung nicht mehr erfasst und
das Signal entspricht dann idealerweise dem ohmschen Widerstand
des Elektrolytmaterials.
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Bei
den bekannten Vorrichtungen und Verfahren tritt als Fehlergröße jedoch
der ohmsche Widerstand der metallischen Zuleitungen zur Luftreferenzelektrode
und zur Innenpumpelektrode auf. Der metallische Widerstand zeigt
eine entgegengesetzte Temperaturabhängigkeit zu der des Festelektrolyten und
nimmt näherungsweise
linear mit der Temperatur zu. Die Temperatur der Zuleitung ist nicht
konstant, sondern variiert zwischen dem Bereich des Sensorkopfes
und dem Anschlussbereich je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine
und der daraus resultierenden Temperatur des Abgasstrangs. Dabei
ist die Temperaturverteilung über
der Zuleitung nicht bekannt. Zudem ist auch die aktuelle Temperatur
im Anschlussbereich nicht bekannt, da hier aus Kostengründen kein
Temperaturfühler
vorgesehen ist.
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Demnach
macht sich vor allem bei hohen Temperaturen der Zuleitungswiderstand
bemerkbar, indem nämlich
eine zu hohe Wechselspannung an der Luftreferenzelektrode gemessen
wird. Damit ist die gemessene Temperatur geringer als die Ist-Temperatur.
Dieser Fehler kann mit dem Messverfahren nach dem Stand der Technik
nicht kompensiert werden.
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Für den Betrieb
von amperometrischen Sensorelementen ist es notwendig, die Temperatur
des Sensorelementes und insbesondere des aktiven Bereichs am Kopf
des Sensors und an den Sensorelementen möglichst genau zu regeln. Dazu
muss der Einfluss des Zuleitungswiderstandes in Abhängigkeit von
der Schafttemperatur kompensiert werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Kompensation des Zuleitungswiderstandes
bereitzustellen, um eine höhere
Genauigkeit der Temperaturmessung als mit dem Verfahren nach dem Stand
der Technik zu erreichen.
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Es
ist weiterhin Aufgabe der Erfindung auch eine Vorrichtung zur Kompensation
des Zuleitungswiderstandes bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Temperaturmessung an einem amperometrischen Sensorelement
der einleitend beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
genannten Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Eine
Temperaturmessung an einem amperometrischen Sensorelement, insbesondere
einer Lambdasonde mit einer Pumpzelle, die eine Außenpumpelektrode
und eine Innenpumpelektrode mit einer Zuleitung aufweist, mit einer
Messzelle, die eine Luftreferenzelektrode mit einer Zuleitung aufweist, wird
dadurch in ihrer Genauigkeit verbessert, indem eine Vergleichsmessung
an einer zweiten Zuleitung zur äußeren Pumpelektrode
vorgenommen wird. Diese zweite Zuleitung hat vorzugsweise die gleiche
Geometrie wie die Zuleitung der Außenpumpelektrode und ist demselben
Temperaturgradienten unterworfen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
zur Korrektur die Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation
an der Außenpumpelektrode
verwendet wird. Durch eine Spannungsmessung an der Zuleitung zur
Temperaturmessung und Kompensation kann bei bekannter Strombelastung
der Zuleitung der Außenpumpelektrode
der Widerstand dieser Zuleitung bestimmt werden. Da die Zuleitungen
der Außenpumpelektrode,
der Luftreferenzelektrode und der Innenpumpelektrode einem ähnlichen
Temperaturverlauf unterliegen, kann der Widerstandwert der Zuleitung der Außenpumpelektrode
benutzt werden, um die Widerstände
der Zuleitungen der Luftreferenzelektrode und der Innenpumpelektrode
zu kompensieren.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass
zur Korrektur die Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation
an der Innenpumpelektrode verwendet wird. Da auch die Zuleitung
der Innenpumpelektrode einem ähnlichen
Temperaturverlauf wie die Zuleitung der Außenpumpelektrode unterliegt,
kann auch der Widerstandswert der Zuleitung der Innenpumpelektrode benutzt
werden, um die Widerstände
der Zuleitungen der Luftreferenzelektrode und der Außenpumpelektrode
zu kompensieren.
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Vorteilhaft
bei beiden Verfahren ist, dass kein Temperatursensor im Bereich
der Sensoranschlüsse vorgesehen
werden muss und dass kein Modell für den Temperaturverlauf längs der
Zuleitungen erforderlich ist.
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In
einer besonderen Ausführungsform
wird ein vorhandener Potentiostat während der Messung des Innenwiderstandes
der Messzelle abgeschaltet. Dadurch ist die Amplitude der an der
Luftreferenzelektrode resultierenden Wechselspannung proportional
dem Innenwiderstand der Messzelle.
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Vorteilhafter
Weise wird zur Bestimmung der Amplitude der Wechselspannung der
Luftreferenzelektrode ein Synchronisationsgleichrichter verwendet.
Mittels eines Skalierungsfaktors, der durch die Ausführung des
Synchronisationsgleichrichters vorgegeben ist, kann diese Amplitude
als Maß für die Sensortemperatur
benutzt werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
wird zusätzlich
an der Außenpumpelektrode
ein Konstantstrom eingespeist. Wird nun an der Zuleitung zur Temperaturmessung
und Kompensation die Spannung gemessen, so kann man unter der Annahme, dass
die Zuleitungen zur Außenpumpelektrode,
Luftreferenzelektrode und Innenpumpelektrode einem ähnlichen
Temperaturgradienten unterliegen und dass daher ihre Widerstände das
gleiche Temperaturverhalten zeigen, wieder den Zuleitungseinfluss kompensieren.
Dies funktioniert nur, da die Zuleitung zur Temperaturmessung und
Kompensation stromlos bleibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird zur Kompensation der Zuleitungswiderstände eine Sample-and-Hold-Schaltung
verwendet. Die Differenzspannung zwischen der Zuleitung zur Temperaturmessung
und Kompensation und der Zuleitung der Außenpumpelektrode wird über die
Sample- and-Hold-Schaltung
vorgegeben und mit einem Skalierungsfaktor versehen. Dadurch ist
der kompensierte Temperaturmesswert direkt ein Maß für die Sensortemperatur.
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Die
die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass
eine Vergleichsmessvorrichtung mit einer Zuleitung zur Temperaturmessung
und Kompensation vorgesehen ist, mit der der Widerstand der Zuleitung
kompensierbar ist. Diese Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation
ist direkt auf der Deckelfolie des planaren Sensorelementes neben
der Außenelektrode
angebracht. Dadurch sind die Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation
und die Zuleitung der Außenpumpelektrode
einem ähnlichen
Temperaturgradienten ausgesetzt, wodurch der Widerstandwert der
Zuleitung der Außenpumpelektrode
dazu benutzt werden kann, um die Widerstände der Zuleitungen der Luftreferenzelektrode
und der Innenpumpelektrode zu kompensieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist im Bereich der Zuleitung zur Temperaturmessung und
Kompensation eine Wärmeschutzschicht
vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass die Temperaturgradienten
der Zuleitungen noch ähnlicher
sind als in der bisher gezeigten Ausführung und damit das Kompensationsverfahren
noch genauer ist.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht darin, dass
die Wärmeschutzschicht
als Siebdruckschicht aufgebracht ist. Dadurch ist es in einfacher
Weise möglich,
handelsübliche
Materialien für
Wärmeschutzschichten
zu verarbeiten. Weiterhin sind solche Wärmeschutzschichten von ihrer
Schichtdicke her dazu geeignet planare Strukturen darzustellen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation
im Bereich der Außenpumpelektrode
angeordnet und als Mäander ausgebildet.
Damit befindet sich der Mäander
in dem Sensorbereich, der auf Betriebstemperatur geregelt werden
soll. Mit einer Schaltungsanordnung kann man nun sehr einfach einen
Spannungswert für
den ohmschen Widerstand des Mäanders
bestimmen und diesen Widerstandswert als ein Maß für die Sensortemperatur heranziehen.
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Vorteilhafter
Weise wird der Mäander
schmal im Vergleich zur Außenpumpelektrode
ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Mäander wegen seines hohen ohmschen
Widerstandes einen einfach zu messenden Spannungsabfall erzeugt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung kann der Temperaturmess- und Kompensationsanschluss
auf der Messzellenfolie angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass
die Zuleitung des Temperaturmess- und Kompensationsanschlusses dann
im Inneren des Sensorelementes liegt und damit zu rechnen ist, dass
die Temperaturverläufe
der Zuleitungen der Innenpumpelektrode und der Temperaturmess- und
Kompensation sich noch ähnlicher sind.
Damit wird die Genauigkeit des Kompensationsverfahrens gesteigert.
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Ist
zur Messung der Temperatur der Mäander vorgesehen,
kann die Temperaturmessung nahe am Sensorelement erfolgen und somit
die Temperatur sehr genau erfasst werden.
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Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Prinzipbild des Sensorelementes im Schnitt
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2 eine
Aufsicht der Außenfolie
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3 eine
Ersatzschaltung des Sensorelementes
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4 die
Zeitverläufe
beim Impedanzmessverfahren
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5 eine
Schaltungsanordnung zum Messverfahren mit Impedanzmessung
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6 die
Zeitverläufe
beim Messverfahren ohne Impedanzmessung
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7 eine
Anordnung zur Temperaturmessung und Zuleitungskompensation nach
Messverfahren ohne Impedanzmessung
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein Prinzipbild eines Sensorelementes 1 im Schnitt. Das
Prinzipbild gibt den typischen Aufbau eines planaren Gassensors
zur Messung von Abgasen für
Brennkraftmaschinen wieder. Das Sensorelement 1 besteht
aus einer Außenpumpelektrode 11,
die auf eine Deckelfolie 16 aufgebracht ist, einer Innenpumpelektrode 12,
einer Luftreferenzelektrode 21 und einem Heizer 30.
Die Außenpumpelektrode 11 bildet
mit der Innenpumpelektrode 12 die sogenannte Pumpzelle 10.
Die Innenpumpelektrode 12 und die Luftreferenzelektrode 21 bilden zusammen
die Messzelle 20. Die Messzelle 20 besteht aus
einem Festelektrolyten aus ionenleitfähigem Zirkondioxid. Die Pumpzelle 10,
die Messzelle 20 und der Heizer 30 sind durch
Isolationsschichten voneinander getrennt, wobei eine oder mehrere
dieser Isolationsschichten auch als Wärmeschutzschicht 40 ausgebildet
sein können.
Der Gaszutritt zur Messzelle 20 erfolgt über die
Diffusionsbarriere 41.
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Das
Sensorelement 1 ist in zwei Bereiche unterteilt. Zu erkennen
ist ein Elektroden- und ein Anschlussbereich. Der Elektrodenbereich
ist auf eine Temperatur oberhalb von 700 °C ausgelegt, wogegen der Anschlussbereich
im Betrieb nur Temperaturen von 200 °C bis 400 °C erreicht. Beide Bereiche sind
mittels Zuleitungen 12.1, 13, 21.1 miteinander verbunden.
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2 zeigt
eine Aufsicht der Deckelfolie 16. Auf der Deckelfolie 16 ist
eine Zuleitung 13 zur Außenpumpelektrode 11,
die Außenpumpelektrode 11 und
ein zugehöriger
Außenpumpelektrodenanschluss 17 zu
erkennen. Eine Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation 14 mit
einem Temperaturmess- und Kompensationsanschluss 18, ist
auf der Deckelfolie 16 parallel zur Zuleitung 13 zur
Außenpumpelektrode 11 angeordnet
und umfängt
die Außenpumpelektrode 11 als
Mäander 15 in
einem geringen Abstand. Damit befindet sich dieser Mäander 15 im
Sensorbereich, der auf Betriebstemperatur geregelt werden soll.
Demgegenüber
ist das gerade Leiterbahnstück
demselben Temperaturverlauf unterworfen wie die Zuleitung 13 zur
Außenpumpelektrode 11.
Da die Leiterbahn der Temperaturmessung und Kompensation 14 vorzugsweise
die gleiche Geometrie hat wie die Zuleitung 13 zur Außenpumpelektrode 11,
ist auch der elektrische Widerstand genauso groß (und dessen temperaturabhängiges Verhalten)
wie der Widerstand der Zuleitung 13 zur Außenpumpelektrode 11 oder
unterscheidet sich nur durch einen proportionalen Faktor. Damit
ist es möglich
den Widerstand der Zuleitung 13 zur Außenpumpelektrode 11 zu
kompensieren.
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Alternativ
kann die Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation 14 nicht
auf der Deckelfolie 16, sondern auf einer Folie angeordnet
werden, auf der die Zuleitung Innenpumpelektrode 12.1 aufgebracht
ist. Weil die Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation 14 dann
im Inneren des Sensorelementes 1 liegt, sind die Temperaturverläufe der
Zuleitung Innenpumpelektrode 12.1 und der Zuleitung der
Temperaturmessung und Kompensation 14 noch ähnlicher
und damit das Kompensationsverfahren noch genauer. Wird die Zuleitung
zur Temperaturmessung und Kompensation 14 zusätzlich noch
mit einer Wärmeschutzschicht 40 überdeckt,
so kann die Genauigkeit des Verfahrens noch weiter gesteigert werden.
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3 zeigt
eine Ersatzschaltung des Sensorelementes 1. Dargestellt
durch eine Ersatzschaltung von ohmschen Widerständen weist das Sensorelement 1 eine
Pumpzelle 10 und eine Messzelle 20 auf. Die Pumpzelle 10 ist
gekennzeichnet durch einen Pumpzelleninnenwiderstand 10.1,
ihre Zuleitung durch einen Zuleitungswiderstand 11.1 der
Außenpumpelektrode 11.
Die Zuleitung zur Temperaturmessung und Kompensation 14 ist
gekennzeichnet durch einen Zuleitungswiderstand 14.1, der
an einem Temperaturmess- und Kompensationsanschluss 18 angeschlossen
ist, der in Reihe mit einem Zuleitungswiderstand Mäander 15.1 geschaltet
ist und ebenfalls mit dem Pumpzelleninnenwiderstand 10.1 verbunden
ist.
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Die
Ersatzschaltung für
die Messzelle 20 besteht aus einem Messzelleninnenwiderstand 24 und einem
Zuleitungswiderstand Luftreferenzelektrode 23.
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Pumpzelle 10 und
Messzelle 20 sind zusammengeführt und über einen Zuleitungswiderstand
Innenpumpelektrode 19 zum Beispiel mit Masse verbunden. Über den
Außenpumpelektrodenanschluss 17 kann
ein Gleichstrom als Pumpstrom eingeprägt werden. Weiterhin kann ein
Strom eingeprägt
werden, der einen Spannungsabfall am Zuleitungswiderstand Außenelektrode 11.1 erzeugt,
der an dem Temperaturmess- und Kompensationsanschluss 18 abgegriffen
werden kann.
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Über den
Zuleitungswiderstand Luftreferenzelektrode 23 kann ein
Wechselstrom 22 eingeprägt werden,
der über
den Messzelleninnenwiderstand 24 und den Zuleitungswiderstand
Innenpumpelektrode 19 nach Masse abfließt und mit dem der Messzelleninnenwiderstand 24 bestimmt
werden kann.
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Der
Innenwiderstand des Sensorelementes 1 kann mit zwei Messverfahren
bestimmt werden. Dabei können
Verfahren mit oder ohne Impedanzmessung eingesetzt werden.
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4 zeigt
die Zeitverläufe
beim Impedanzmessverfahren. Dabei sind die zeitlichen Verläufe der Spannungen
und Ströme
dargestellt. Zur Messung des Messzelleninnenwiderstandes 24 wird
an der Luftreferenzelektrode 21 ein Wechselstromsignal 22 konstanter
Amplitude eingespeist, das über
die Innenpumpelektrode 12 nach Masse abfließt. Während der
Dauer der Messung wird der Potentiostat abgeschaltet, der im normalen
Pumpbetrieb des Sensorelementes 1 die Spannung an der Luftreferenzelektrode 21 und
der Innenpumpelektrode 12 durch Regelung des Pumpstroms
konstant hält.
Dadurch ist die Amplitude der an der Luftreferenzelektrode 21 resultierenden
Wechselspannung proportional dem Messzelleninnenwiderstand 24 mit
den Zuleitungswiderständen
als Fehleranteil. Durch eine Schaltungsanordnung, die durch einen
Synchronisationsgleichrichter realisiert werden kann, wird die Wird
an der Außenpumpelektrode 11 während des
ungeregelten Betriebs ein Konstantstrom eingespeist, kann am Temperaturmess-
und Kompensationsanschluss 18 die am Zuleitungswiderstand
Außenpumpelektrode 11.1 abfallende
Spannung gemessen werden. Da die Zuleitung Temperaturmessung und
Kompensation 14 stromlos bleibt kann man über die
Annahme, dass die Zuleitungen der Außenpumpelektrode 11.1,
der Zuleitungswiderstand Luftreferenzelektrode 23 und der
Zuleitungswiderstand Innenpumpelektrode 19 einem ähnlichen
Temperaturgradienten unterliegen und dass daher ihre Widerstände das
gleiche Temperaturverhalten zeigen, die Zuleitungswiderstände kompensieren.
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In 5 ist
eine Schaltungsanordnung zum Messverfahren mit Impedanzmessung gezeigt.
Die Schaltungsanordnung weist einen Synchronisationsgleichrichter 25 und
eine Sample-and-Hold-Schaltung 26 auf. Über einen
Skalierungsfaktor 27 kann mit Hilfe einer Additionsstufe
der kompensierte Temperaturmesswert ermittelt werden. Der Skalierungsfaktor 27 an
der Sample-and-Hold-Schaltung 26 ist dabei
so zu wählen,
dass die Zuleitungswiderstände gleich
sind mit denen am Synchronisationsgleichrichter 25. Dadurch
wir der Zuleitungseinfluss kompensiert.
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Der
richtige Wert des Skalierungsfaktors 27 ist geometrieabhängig und
kann für
den jeweiligen Sensortyp im Laboraufbau experimentell über die Temperaturabhängigkeit
des Pumpstroms bestimmt werden.
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6 zeigt
die Zeitverläufe
beim Messverfahren ohne Impedanzeinspeisung an der Luftreferenzelektrode 21.
Dazu wird im ersten Zeitabschnitt über eine Schaltungsanordnung
ein Konstantstrom am Temperaturmess- und Kompensationsanschluss 18 nach
der Außenpumpelektrode 11 eingespeist. Dadurch
erhält
man einen Messwert für
den Zuleitungswiderstand zur Außenpumpelektrode 11.1,
den Zuleitungwiderstand Temperaturmessung und Kompensation 14.1 und
den Widerstand des Mäanders 15.1.
Im zweiten Zeitabschnitt wird eine Konstantstromeinspeisung wie
beim Messverfahren mit Impedanzeinspeisung durchgeführt. Dadurch
erhält
man einen Messwert für
den Zuleitungswiderstand Außenpumpelektrode 11.1.
Aus der Differenz beider Messwerte erhält man den Widerstand des Mäanders 15.1 als
Maß für die Temperatur
des Sensorelements 1.
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7 zeigt
eine Anordnung zur Temperaturmessung und Zuleitungskompensation
nach einem Messverfahren ohne Impedanzmessung. Die Schaltungsanordnung
weist eine Sample-and-Hold-Schaltung 26 zum
Messzeitpunkt 1 und eine Sample-and-Hold-Schaltung 26.1 zum
Messzeitpunkt 2 auf. Aus beiden Sample-and-Hold-Schaltungen 26 und 26.1 kann über einen
Verstärker 28 und
eine Additionsstufe ein Spannungswert für den ohmschen Widerstand des
Mäanders 15 be stimmt
werden. Da der Mäander 15 im
Bereich der Sensorelektroden angebracht ist, kann sein Widerstand
als Maß für die Temperatur
des Sensorelementes 1 herangezogen werden. Der Mäander 15 ist
vorzugsweise schmal auszuführen,
damit er einen hohen ohmschen Widerstand hat und damit einen einfach
zu messenden Spannungsabfall erzeugt.