DE10217336A1

DE10217336A1 - Automatic control system e.g. for monitoring gas mixture analysis in hydrogen powered vehicles, determines and regulates the temperature of component based on monitoring heater resistance

Info

Publication number: DE10217336A1
Application number: DE10217336A
Authority: DE
Inventors: Gerd Kowalewski
Original assignee: Vodafone Pilotentwicklung GmbH
Current assignee: Kowalewski Gerd 24632 Lentfoehrden De
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2002-12-12

Abstract

The sensor (1) consists of a resistor detector element with a separate heater element for maintaining stable temperature conditions for the sensor. The detector has a power supply (11) regulated by a microcontroller (13). Accurate control and measurement of the detector temperature is achieved by regulating and monitoring the heater resistance with the aid of a PI digital regulator (12) and the microcontroller. The microcontroller is provided with a serial data interface to US Standard RS 485.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Reglersystem und Verfahren zur Bestimmung und Regelung der Temperatur an einem Bauteil. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Temperatur-Reglersystem für ein Sensorelement.The present invention relates generally to a controller system and method for Determination and control of the temperature on a component. In particular concerns the present invention a temperature control system for a sensor element.

Bei Vorrichtungen, bei denen beispielsweise für deren Betrieb eine gewisse Arbeitstemperatur vorliegen muss, ist es wesentlich die Temperatur der Vorrichtung beispielsweise über ein Heizelement auf eine vorgegebene Temperatur bringen zu können und diese auch auf der Temperatur halten zu können. Umgebungsbedingungen können allerdings zu Temperaturänderungen führen.For devices in which, for example, a certain amount for their operation Working temperature must be present, it is essentially the temperature of the device for example, bring to a predetermined temperature via a heating element can and keep them at the temperature. However, environmental conditions can lead to temperature changes.

Beispielsweise ist es bei Vorrichtungen und Verfahren, bei denen Gas als Reaktionsmedium verwendet wird, bekannt Gassensoren einzusetzen. Hierbei umfasst ein Gassensor beispielsweise einen Sensor, der auf einem Substrat getragen wird und beispielsweise für die Gasgemisch-Analytik verwendet werden kann. Da aber in einer Gasprüfkammer wechselnde Strömungsverhältnisse des den Sensor umgeben Gases vorliegen und sich zusätzlich die Konzentrationen des gemischten Gases verändern werden von dem Sensorsubstrat, das mit einer bestimmten Heizleistung beheizt wird und das einen gewissen Wärmewiderstand aufweist, unterschiedliche Wärmemengen abgeleitet.For example, it is in devices and methods in which gas as Reaction medium is used to use known gas sensors. in this connection For example, a gas sensor includes a sensor that is on a substrate is worn and used for example for gas mixture analysis can. But since in a gas test chamber changing flow conditions of the Sensor surrounded gas and also the concentrations of the mixed gas are changed by the sensor substrate, which with a certain heating power is heated and that a certain thermal resistance has different amounts of heat derived.

Dadurch existieren unweigerlich verschiedene Betriebstemperaturen des Sensormaterials, das sich auf dem Sensorsubstrat befindet. Diese unterschiedlichen Betriebstemperaturen können nachteilige Einflüsse auf die Kennempfindlichkeit des verwendeten chemischen Detektionsmaterials haben. As a result, different operating temperatures of the Sensor material that is located on the sensor substrate. These different Operating temperatures can adversely affect the sensitivity of the have used chemical detection material.

Um gleichbleibend stabile Temperaturverhältnisse für den Gas-Detektionsbetrieb unter diesen Bedingungen gewährleisten zu können, müssen über einen Heizer, insbesondere einen Substratheizer Wärmemengen nachgeführt werden, die den Wärmeableitungen, beispielsweise durch den Gasstrom, die mechanische Befestigung des Sensorsubstrates und die thermische Wärmeabstrahlung, entsprechen. Um den Betrag der Wärmeableitung und damit den benötigten Betrag der Wärmezuführung bestimmen zu können werden in der Regel Temperatursensoren an oder in dem Sensorsubstrat vorgesehen, die die Temperatur des Substrates bestimmen können. Durch diese Temperatursensoren werden allerdings weitere Einflüsse auf den Temperaturverlauf erzeugt. Insbesondere wird durch den Temperaturfühler eine weitere Wärmesenke geschaffen, die somit ebenfalls die Temperaturverhältnisse des Gas-Detektorbetriebes beeinflusst. Durch diese weitere Einflussgröße wird das zuverlässige Betreiben eines Gassensors weiter erschwert.To keep the temperature conditions stable for gas detection To be able to guarantee under these conditions must have a heater, In particular, a substrate heater heat amounts that are the Heat dissipation, for example through the gas flow, the mechanical Mounting of the sensor substrate and thermal heat radiation, correspond. By the amount of heat dissipation and thus the amount required of the heat supply can usually be determined Temperature sensors are provided on or in the sensor substrate which measure the temperature can determine the substrate. Through these temperature sensors however, it has further influences on the temperature profile. In particular created a further heat sink by the temperature sensor, which thus also affects the temperature conditions of gas detector operation. By this further influencing variable becomes the reliable operation of a gas sensor further complicated.

Es ist daher, wie sich aus diesem Beispiel ergibt, notwendig ein Reglersystem zu schaffen, das zum einen die zuverlässige Bestimmung der Temperatur und das Beheizen des Bauteils, beispielsweise des Sensorsubstrates erlaubt, das aber andererseits keine zusätzlichen Wärmesenken in dem System hervorruft und einfach und kostengünstig herstellbar ist.It is therefore necessary, as can be seen from this example, to have a controller system create, on the one hand, the reliable determination of the temperature and the Heating of the component, for example the sensor substrate, is permitted on the other hand, it does not create additional heat sinks in the system and is simple and is inexpensive to manufacture.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Aufgabe ideal durch ein Reglersystem gelöst werden kann, bei dem die Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden können, ohne dass die Erfassung der Umgebungsbedingungen sich nachteilig auf die Erfassung der Messwerte auswirkt.The invention is based on the knowledge that the task is ideal by Controller system can be solved in which the environmental conditions can be taken into account without the detection of the Ambient conditions adversely affect the acquisition of the measured values.

Die Aufgabe wird daher durch ein Reglersystem gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur und durch ein Verfahren zur Regelung der Temperatur gemäß Anspruch 8 und 10 gelöst. The object is therefore achieved by a controller system according to claim 1, a method to determine the temperature and by a method for regulating the Temperature solved according to claim 8 and 10.

Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System beschrieben werden, gelten ebenso für die erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt.Features and details in connection with the system according to the invention are also applicable to the methods and vice versa.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Reglersystem zur Regelung einer Temperatur eines Bauteil, wobei das Reglersystem zumindest ein dem Bauteil zugeordnetes Heizelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement mit einer Verarbeitungseinheit verbunden ist, die Mittel zum Aufheizen des Bauteils und Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Bauteils über das Heizelement umfasst.The object is achieved according to the invention by a control system for regulation a temperature of a component, the controller system being at least one of the component has associated heating element, characterized in that the heating element is connected to a processing unit, the means for heating the component and means for determining the temperature of the component via the heating element includes.

Durch die Verwendung des Heizelementes selber für die Bestimmung der Temperatur des Bauteils kann auf das Vorsehen eines zusätzlichen Temperatursensors verzichtet werden. Dadurch wird also der Kostenaufwand gesenkt und die Regelung der Temperatur auf eine bestimmte Betriebstemperatur wegen des Wegfalls einer zusätzlichen Wärmesenke vereinfacht.By using the heating element itself for determining the The temperature of the component can be increased Temperature sensor can be dispensed with. So this is the cost lowered and regulating the temperature to a certain operating temperature simplified due to the elimination of an additional heat sink.

Vorzugsweise weisen die Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Bauteils Mittel zur Messung des elektrischen Widerstandes des Heizelementes auf. Der elektrische Widerstand eines Materials kann durch geeignete Bearbeitung dieses Wertes eine genaue Auskunft über die an dem Material anliegende Temperatur geben.The means for determining the temperature of the component preferably have means to measure the electrical resistance of the heating element. The electric one Resistance of a material can be adjusted by processing this value appropriately provide precise information about the temperature at the material.

Die Mittel zum Aufheizen des Bauteils können erfindungsgemäß einen Pulsbreitenmodulator und die Mittel zur Bestimmung der Temperatur eine Messschaltung zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes des Heizelementes aufweisen.According to the invention, the means for heating the component can be one Pulse width modulator and the means for determining the temperature Measuring circuit for determining the electrical resistance of the heating element exhibit.

Als Pulsbreitenmodulator, der in dem Regelsystem als Stellglied dienen kann, kann beispielsweise ein Pulsbreitenmodulator mit MOSFET-Leistungsstufen verwendet werden. As a pulse width modulator, which can serve as an actuator in the control system For example, a pulse width modulator with MOSFET power stages is used become.

Vorzugsweise können in dem Reglersystem die Mittel zum Aufheizen und die Mittel zur Bestimmung der Temperatur alternierend betätigt werden. Dadurch kann sowohl eine angestrebte Betriebstemperatur des Bauelementes eingestellt, als auch überprüft und bei Bedarf geregelt werden.The heating means and the means can preferably be in the control system alternately operated to determine the temperature. This allows both a desired operating temperature of the component is set, as well checked and regulated if necessary.

Die Verarbeitungseinheit umfasst erfindungsgemäß zumindest einen Analog- /Digitalwandler.According to the invention, the processing unit comprises at least one analog / Digital converter.

Die Verarbeitungseinheit ist vorzugsweise mit einer nichtflüchtigen Speichervorrichtung verbunden. In dieser können Kalibrierdaten und Kenndaten, die in dem Reglersystem benötigt werden, gespeichert werden.The processing unit is preferably non-volatile Storage device connected. In this calibration data and characteristic data that required in the control system can be saved.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperatur eines Bauteils, das ein Heizelement aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Temperatur der elektrische Widerstand des Heizelements bestimmt wird.According to a further aspect, the invention relates to a method for determination a temperature of a component having a heating element; thereby characterized in that the electrical resistance of the Heating element is determined.

Vorzugsweise wird hierbei in einer Konstantstromschleife unter Verwendung des gemessenen elektrischen Widerstand an dem Heizelement die Temperatur des Bauteils bestimmt.This is preferably done in a constant current loop using the measured electrical resistance on the heating element the temperature of the Component determined.

Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Temperatur eines Bauteils, das ein Heizelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Heizelementes über dessen elektrischen Widerstand bestimmt wird und ein Aufheizen über Pulsbreitenmodulation erfolgt.According to a further aspect, the invention relates to a method for regulating the Temperature of a component that has a heating element, characterized in that that the temperature of the heating element is above its electrical resistance is determined and heating takes place via pulse width modulation.

Vorzugsweise erfolgt hierbei im Zeitmultiplex wechselweise die Bestimmung des elektrischen Widerstandes und das Aufheizen des Heizelementes.Preferably, the determination of the electrical resistance and heating of the heating element.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Obwohl in diesem Beispiel lediglich auf die Anwendung des erfindungsgemäßen Regelsystems in einem Sensorelement abgestellt wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die Erfindung lässt sich auch auf jede andere Vorrichtung anwenden, bei der die Regelung der Betriebstemperatur eines Bauteils wesentlich ist. Es zeigenThe invention will now be described using an exemplary embodiment with reference to FIG the accompanying drawings explained. Although in this example only on the application of the control system according to the invention in a sensor element is turned off, the present invention is not limited to this. The invention can also be applied to any other device in which the regulation of the Operating temperature of a component is essential. Show it

Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Reglersystems für ein Sensorelement; FIG. 1 is a diagram of a controller system of the invention for a sensor element;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Sensorkreises des Systems nach Fig. 1; FIG. 2 shows a schematic illustration of the sensor circuit of the system according to FIG. 1;

Fig. 3 schematische Darstellung des Heizkreises des Systems nach Fig. 1; Fig. 3 is a schematic representation of the heating circuit of the system of Fig. 1;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines in eine Gasprüfzelle eingebauten Sensorelementes; Fig. 4 is a schematic representation of a built-in Gasprüfzelle a sensor element;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines thermischen Ersatzmodells eines eingebauten Sensorsubstrates mit herkömmlicher Regelung; Fig. 5 is a schematic representation of a thermal equivalent model of a built-in sensor substrate with a conventional control;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Regelkreises; Fig. 6 is a schematic representation of a control circuit;

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines thermischen Ersatzmodells eines eingebauten Sensorsubstrates; und Fig. 7 is a schematic representation of a thermal equivalent model of a built-in sensor substrate; and

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Sensorelementes. In allen Zeichnungen haben gleiche Bezugszeichen die gleiche Bedeutung und werden daher gegebenenfalls nur einmal erläutert. Fig. 8 is a schematic representation of the structure of a sensor element. In all drawings, the same reference symbols have the same meaning and are therefore only explained once, if appropriate.

In Fig. 1 ist ein Sensorsystem dargestellt, in dem ein Sensorelement eingesetzt ist. Das Gesamtsystem 1 setzt sich im wesentlichen aus zwei Funktionsblöcken zusammen. Zum einen ist ein signalaufnehmender, digitalisierender Frontendbereich hoher Dynamik (beispielsweise 24 bit) vorgesehen. Dieser umfasst eine flexibel programmierbare Präzisionsstromquelle zur Sensorspeisung. Weiterhin ist in dem Gesamtsystem ein Temperaturregelkreis vorgesehen. Dieser kann einen programmierbaren PI-Digitalregler umfassen.In Fig. 1, a sensor system is depicted, in which a sensor element is inserted. The overall system 1 is essentially composed of two functional blocks. On the one hand, a signal-absorbing, digitizing front end area with high dynamics (for example 24 bit) is provided. This includes a flexibly programmable precision current source for sensor supply. Furthermore, a temperature control loop is provided in the overall system. This can include a programmable PI digital controller.

Diese beiden Funktionsblöcke werden von einem Microcontroller 13 kontrolliert. Dieser kann beispielsweise über eine serielle Datenschnittstelle 131 nach US-Norm RS485 adressiert, angesprochen und abgefragt werden. These two function blocks are controlled by a microcontroller 13 . This can be addressed, addressed and queried, for example, via a serial data interface 131 in accordance with US standard RS485.

Das erfindungsgemäß verwendete Sensorelement 2 stellt vorzugsweise einen fremdbeheizten physikalisch-chemischen Sensor dar. Dieser kann vielseitig eingesetzt werden, eignet sich aber insbesondere für eine evaluierende Sensor- Charakterisierung, den Betrieb im Labor und für die Verwendung für die Gasgemisch-Analytik in der Wasserstofftechnik, beispielsweise für Kraftfahrzeuge.The sensor element 2 used according to the invention preferably represents an externally heated physico-chemical sensor. This can be used in a variety of ways, but is particularly suitable for evaluating sensor characterization, operation in the laboratory and for use in gas mixture analysis in hydrogen technology, for example for motor vehicles.

Für die Anwendungen bieten sich insbesondere resistive Sensoren an. Resistive Sensoren bilden im allgemeinen ihre physikalischen oder chemischen Messgrößen X über die Änderung ihres elektrischen Leitwertes, beziehungsweise Kennwiderstandes ab. Der Sensorwiderstand kann aber beispielsweise bei unterschiedlichen Arten von Sensoren um mehr als 6 Zehnerpotenzen voneinander abweichen. Es existieren aber auch resistive Sensoren, bei denen der Einfluss der Messgröße auf den elektrischen Widerstand relativ gering ist. So ändert sich beispielsweise der elektrische Widerstand von Temperatursensoren (allg.: RTD's), beispielsweise um 3,85.10E-3/K. Ein solcher Temperatursensor kann beispielsweise ein unter dem Normkürzel "PT100" bekanntes 100 Ω-Element (bei 0°C) mit Platinleitern (DIN IEC 751) sein. Allerdings existieren neben typenabhängigen Varianzen eines Kennwiderstandes R_S(X) auch erhebliche Unterschiede zwischen zwei Sensoren gleichen Typs.Resistive sensors are particularly suitable for the applications. resistive In general, sensors form their physical or chemical measured variables X about the change in their electrical conductance, respectively Resistance. The sensor resistance can, however, for example different types of sensors by more than 6 powers of ten from each other differ. However, there are also resistive sensors in which the influence of the Measured variable on the electrical resistance is relatively small. So it changes for example the electrical resistance of temperature sensors (general: RTD's), for example around 3.85.10E-3 / K. Such a temperature sensor can, for example a 100 Ω element (at 0 ° C) known under the standard code "PT100" Platinum conductors (DIN IEC 751). However, in addition to type-dependent ones Variances of a characteristic resistor R_S (X) also show considerable differences between two sensors of the same type.

Ein Messkreis für die Erfassung und Bewertung von Sensoren mit Widerstandskennlinien muss daher eine hohe Variabilität für die Anpassung an die verschiedensten Sensoren, eine sehr große Signaldynamik, eine hohe Stabilität der Messwerte auch für kleine Signale und eine sichere Übertragung der gemessenen Sensorsignale auch über größere Entfernungen aufweisen.A measuring circuit for the acquisition and evaluation of sensors with Resistance characteristics must therefore be highly variable for adaptation to the various sensors, a very large signal dynamic, a high stability of the Measured values also for small signals and safe transmission of the measured Have sensor signals even over long distances.

Diese Anforderungen werden durch das erfindungsgemäße Reglersystem unter anderem durch die im folgenden in Bezug auf eine Regelung der Temperatur eines Gassensors, genauer beschriebenen Ausgestaltungen erfüllt. These requirements are met by the controller system according to the invention other by the following in relation to a regulation of the temperature of a Gas sensor, embodiments described in more detail.

Aus Fig. 2 ergibt sich die Struktur einer möglichen Ausführungsform des Sensorkreises eines Sensorsystems. Mit dem dargestellten Sensorkreis wird das verwendete Prinzip der ratiometrischen Messung (ratio = Verhältnis) verdeutlicht.From Fig. 2, the structure of a possible embodiment of the sensor circuit of a sensor system is obtained. The principle of ratiometric measurement (ratio = ratio) used is illustrated with the sensor circuit shown.

Das Sensorsignal U_SENS des Sensorwiderstandes R_S(X) wird als Spannungsabfall
The sensor signal U_SENS of the sensor resistor R_S (X) is called a voltage drop

U_SENS = I_SENS.R-S(X)
U_SENS = I_SENS.RS (X)

des eingeprägten Sensorschleifstromes I_SENS am resistiven Sensor 21 R_S(X) gebildet. Nach Verstärkung um einen Faktor q in einem programmierbaren Verstärker (Block PGA = Programmable Gain Amplifier) wird die Spannung q.U_SENS einem Analog/Digital-Wandler (ADC9) zugeführt, der das verstärkte Eingangssignal ins Verhältnis setzt zu seiner Refernzspannung U_ref2. U_ref2 wird wiederum vom gleichen Strom I_SENS an R3_13 erzeugt und ergibt sich zu:
U_ref2 = I_SENS.R3_13.of the impressed sensor loop current I_SENS on the resistive sensor 21 R_S (X). After amplification by a factor q in a programmable amplifier (block PGA = Programmable Gain Amplifier), the voltage q.U_SENS is fed to an analog / digital converter (ADC9), which relates the amplified input signal to its reference voltage U_ref2. U_ref2 is again generated by the same current I_SENS at R3_13 and results in:
U_ref2 = I_SENS.R3_13.

Der A/D-Wandler ADC9 bildet daraus die von der Größe des Sensor- Schleifenstromes I_SENS unabhängige Verhältnisgröße V:
V = q.U_SENS/U_ref2
The ADC9 A / D converter forms the ratio variable V independent of the size of the sensor loop current I_SENS:
V = q.U_SENS / U_ref2

Das mit dem Verstärkungsfaktor q multiplizierte Verhältnis der Widerstände R_S(X) und R3_13 bestimmt demnach das 24-Bit Wandelungsergebnis von ADC9, als unipolaren Zahlenwert zwischen dezimal 0 und = 16.777.215 gemäß der Beziehung:
The ratio of the resistances R_S (X) and R3_13 multiplied by the gain factor q therefore determines the 24-bit conversion result of ADC9, as a unipolar numerical value between decimal 0 and = 16,777,215 according to the relationship:

Das wesentliche an dieser erfindungsgemäßen Art die Spannung zu digitalisieren ist, dass nicht eine absolute, von I_SENS abhängige Größe digitalisiert wird, sondern ein von I_SENS unabhängiges (relatives) Verhältnis zweier Spannungen, beziehungsweise Widerstände. Die genauen Zahlenwerte von q und R3_13 werden zusammen mit den Kalibrierdaten erfasst und in dem erfindungsgemäßen Sensorsystem nichtflüchtig abgespeichert.The essence of this type of digitizing the voltage according to the invention is that not an absolute size dependent on I_SENS is digitized, but a I_SENS independent (relative) ratio of two voltages, or resistors. The exact numerical values of q and R3_13 will be recorded together with the calibration data and in the invention Sensor system saved non-volatile.

Werden diese Daten zurückgelesen und verrechnet, so kann aus dem aktuellen ADC9-Datenwert Z(ADC9) der Widerstandswert des Sensorelementes R_S(X) bestimmt werden zu:
If this data is read back and calculated, the resistance value of the sensor element R_S (X) can be determined from the current ADC9 data value Z (ADC9):

Im Skalierungsfaktor SKF9 der Kalibrierdaten in dem Sensorsystem sind alle Teile der rechten Gleichungsseite bis auf den Datenwert Z(ADC9) zusammengefasst. Der Skalierungsfaktor SKF9 wird dabei noch um einen Offsetfehlerwert OFFS9 ergänzt, der sich aus der Verrechnung mit den in der Kalibrierdatenerfassung individuell erfassten Messdaten ergibt.All parts are in the scaling factor SKF9 of the calibration data in the sensor system the right side of the equation except for the data value Z (ADC9). The Scaling factor SKF9 is supplemented by an offset error value OFFS9, which results from offsetting against those in the calibration data acquisition individually measured data results.

Alle genannten Variablen werden im System als lokale Kalibrierdatenbank unter vorbestimmten Positionen eines Speichermodells abgespeichert. Von dort sind die Daten beliebig oft, sowohl als Einzeldaten abrufbar, oder besser noch, als komplette Individualdatenbank, beim Systemstart von einem Hostrechner zu kopieren.All of the variables mentioned are stored in the system as a local calibration database predetermined positions of a memory model are stored. From there they are Data as often as required, both as individual data, or even better, as complete data Individual database to be copied from a host computer when the system is started.

In dieser Datenbank wird auch eine Variable TK9 vorgesehen, die einen pauschalen Temperaturkoeffizienten (1K) umfasst, der für den jeweiligen Sensor R_S(X,T) inklusive des gesamten Messkreises im analogen Frontend-Modul 11 ermittelt wird.In this database, a variable TK9 is also provided, which comprises a general temperature coefficient ( 1 K), which is determined for the respective sensor R_S (X, T) including the entire measuring circuit in the analog front-end module 11 .

Eine weitere erfindungsgemäß vorzugsweise vorgesehene Komponente des Sensorsystems ist eine programmierbare Präzisionsstromquelle. Another component of the Sensor systems is a programmable precision power source.

Der Schleifenstrom I_SENS kann erfindungsgemäß von der Präzisionsstromquelle CS1 erzeugt werden. I_SENS wird dabei für den jeweiligen Sensor und das zugeordnete analoge Frontend-Modul für einen gewünschten Sensorarbeitspunkt typ-spezifisch programmiert.The loop current I_SENS can according to the invention from the precision current source CS1 are generated. I_SENS is used for the respective sensor and that assigned analog front-end module for a desired sensor operating point Programmed type-specifically.

Durch geeignete Programmierung des Zahlenwertes DAC_1 für die mittels des 12-Bit Digital-/Analogwandlers DAC1 erzeugte Steuerspannung U(DAC1) und den individuellen Wert des Fußpunktwiderstandes R1_14 wird der Sensorarbeitspunkt I_SENS(DAC1)_AP eingemessen. In dem erfindungsgemäßen Sensorsystem sind diese Zahlenwerte als Variablen DAC_1 und R1_14 als Kalibrierdaten gespeichert.The sensor operating point I_SENS (DAC1) _{AP is} measured by suitable programming of the numerical value DAC_1 for the control voltage U (DAC1) generated by means of the 12-bit digital / analog converter DAC1 and the individual value of the base resistance R1_14. In the sensor system according to the invention, these numerical values are stored as variables DAC_1 and R1_14 as calibration data.

Die Spannung U(DAC1) ergibt sich aus dem Zahlenwert Z(DAC1) und der thermisch sehr stabilen Referehzquelle U_ref1 (etwa 2,50 V; TK(Uref1) = + 40 ppm/K) gemäß:
The voltage U (DAC1) results from the numerical value Z (DAC1) and the thermally very stable reference source U_ref1 (about 2.50 V; TK (Uref1) = + 40 ppm / K) according to:

U(DAC1) = U_ref1.Z(DAC1)/4096.U (DAC1) = U_ref1.Z (DAC1) / 4096.

Die während der Kalibrierdatenerfassung im Gerät gemessene Spannung U(DAC1) und U_ref1, sowie der individuelle Widerstandswert R1_14 selbst, sind jeweils für einen digitalen Stellwert Z(DAC1) erfasst.The voltage U (DAC1) measured in the device during calibration data acquisition and U_ref1, as well as the individual resistance value R1_14 itself, are each for a digital manipulated variable Z (DAC1) is detected.

Zusammen mit der vom Typ des Analogmoduls abhängigen Bestückung, individueller Widerstandstoleranzen und dem programmierten Zahlenwert für den digitalen Stellwert Z(DAC1) kann während der Kalibrierung ein auf jedes Bit des DAC1-Stellwertes bezogener Skalierfaktor
Together with the configuration depending on the type of the analog module, individual resistance tolerances and the programmed numerical value for the digital manipulated variable Z (DAC1), a scaling factor related to each bit of the DAC1 manipulated variable can be used during calibration

SKF(I_SENS) = k1.I_SENS/Z(DAC1) bzw. SKF[U(DAC1)] = k2.U(DAC1)/Z(DAC1)
SKF (I_SENS) = k1.I_SENS / Z (DAC1) or SKF [U (DAC1)] = k2.U (DAC1) / Z (DAC1)

für den eingeprägten Schleifenstrom I_SENS und den Spannungswert U(DAC1) individuell ermittelt werden. for the impressed loop current I_SENS and the voltage value U (DAC1) can be determined individually.

Diese Größen werden für die Einmessung des Sensorarbeitspunktes I_SENS(DAC1)_AP benötigt.These quantities are required for the measurement of the sensor working point I_SENS (DAC1) _AP .

Bei genauer Kenntnis des Fußpunktwiderstandes R1_14 und der durch den Schleifenstrom I_SENS über diesem Widerstand abfallenden Spannung U(I_SENS) = U(R1_14), die über den Analog-/Digitalwandlereingang ADC7 abfragbar ist, kann auf den Betrag des Schleifenstroms I_SENS im Sensorkreis geschlossen werden:
With precise knowledge of the base resistance R1_14 and the voltage U (I_SENS) = U (R1_14) dropping across this resistance due to the loop current I_SENS, which can be queried via the analog / digital converter input ADC7, the amount of the loop current I_SENS in the sensor circuit can be concluded:

I_SENS = U(R1_14)/R1_14.I_SENS = U (R1_14) / R1_14.

Der von ADC7 gelieferte Zahlenwert Z(ADC7) lässt sich damit vorteilhaft für eine Überwachung auf eine Schleifenunterbrechnung durch Draht- oder Sensorbruch im Sensorkreis nutzen.The numerical value Z (ADC7) supplied by ADC7 can thus be advantageous for one Monitoring for a loop break due to wire or sensor break in the Use sensor circuit.

Mit dem Bildungsgesetz für den von ADC7 gelieferten Zahlenwert
Z(ADC7) = (2¹²-1).U(R1_14)/U_ref1
Z(ADC7) = (2¹²-1).I_SENS.R1_14/U_ref1
für eine ADC7-Referenzspannung U_ref1 und den Individualwert R1_14 ergibt sich daraus sofort der Sensorstrom zu
With the Education Act for the numerical value supplied by ADC7
Z (ADC7) = (2 ¹² -1) .U (R1_14) / U_ref1
Z (ADC7) = (2 ¹² -1) .I_SENS.R1_14 / U_ref1
For an ADC7 reference voltage U_ref1 and the individual value R1_14, the sensor current immediately results

In der Regel ergeben sich nur sehr geringe Aussteuerungen des ADC7.As a rule, the ADC7 has very low modulation.

Fasst man alle Größen der rechten Gleichungsseite bis auf den Datenwert Z(ADC7) zusammen, so erhält man den ADC7-Skalierungsfaktor SKF7 zu
If you summarize all quantities on the right side of the equation except for the data value Z (ADC7), you get the ADC7 scaling factor SKF7

Damit vereinfacht sich die Gleichung für I_SENS(ADC7) wie folgt:
This simplifies the equation for I_SENS (ADC7) as follows:

I_SENS(ADC7) = SKF7.Z(ADC7)I_SENS (ADC7) = SKF7.Z (ADC7)

Die individuell ermittelten Werte für R1_14 und U_ref1 und der daraus errechnete Skalierungsfaktor SKF7 von ADC7 sind in dem Sensorsystem in den Registern für die Kalibrierdaten abgelegt.The individually determined values for R1_14 and U_ref1 and the one calculated from them Scaling factor SKF7 from ADC7 are in the registers for the calibration data stored.

Da allerdings Uref1, wie auch andere Bauelemente, stets einer gewissen thermischen Drift unterliegen, ist vorzugsweise für den Messkanal ADC7 ein Eintrag für einen pauschalen Temperaturkoeffizienten TK7 vorgesehen, der bei Bedarf in der Kalibrierdatenbank gespeichert werden kann.However, since Uref1, like other components, always a certain one subject to thermal drift, is preferably an entry for the measurement channel ADC7 provided for a flat temperature coefficient TK7, which if necessary in the Calibration database can be saved.

Der in dem erfindungsgemäßen Sensorsystem verwendete Analog-Digitalwandler ADC9, der insbesondere dazu verwendet wird eine Verhältnisgröße V aus Widerständen in dem Sensorkreis zu ermitteln, ist vorzugsweise als Charge-Balance Sigma-Delta-Wandler ausgestaltet.The analog-digital converter used in the sensor system according to the invention ADC9, which is used in particular for a ratio variable V out Determining resistances in the sensor circuit is preferably a charge balance Sigma-Delta converter designed.

Vorteilhaft ist bei diesem ΣΔ-Wandlersystem insbesondere die mit der Samplerate skalierende Bandbreite der Digitalfilter des Wandlers, die bei einer Samplerate von beispielsweise 15 Samples/sec gegenüber Störeinkopplungen im Frequenzbereich zwischen 50 Hz und 60 Hz eine Abschwächung um wenigstens 80 dB bereits ohne weitere Vorfilter erlaubt. Dieser Wert kann durch entsprechende ADC-Beschaltung noch erheblich gesteigert werden.This ΣΔ converter system is particularly advantageous with the sample rate scaling bandwidth of the digital filter of the converter, which with a sample rate of for example 15 samples / sec compared to interference in the frequency domain between 50 Hz and 60 Hz attenuation by at least 80 dB already without further pre-filters allowed. This value can be adjusted by appropriate ADC be significantly increased.

Die hohe Linearität des Wandlers und die A/D-Wandlung ohne "Missing Codes" sind weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung und insbesondere des erfindungsgemäß verwendeten Wandlersystems. The high linearity of the converter and the A / D conversion without "missing codes" are further advantages of the present invention and in particular of the invention used converter system.

Das Wandlersystem weist aufgrund der gebufferten Referenzspannungseingänge auch an den Uref-Anschlüssen sehr hohe Eingangswiderstände, für geringste Belastungen der anliegenden Referenzspannung Uref2 und eine sehr hohe Gleichtaktunterdrückung von <110 dB auf. Die Signaleingänge weisen eine Gleichtaktunterdrückung von <120 dB auf.The converter system shows due to the buffered reference voltage inputs Very high input resistances, even for the lowest, at the Uref connections Loads on the applied reference voltage Uref2 and a very high one Common mode rejection of <110 dB. The signal inputs have a Common mode rejection of <120 dB.

Beim hier eingesetzten A/D-Wandler handelt es sich um ein hochintegriertes sogenanntes Data-Aquisition-System (DAS), mit eigenem Kalibrierprozessor, das beim Systemstart und auch während des Betriebes selbsttätig von Zeit zu Zeit eine Onboard-Kalibrierung des Wandlers durchführt, um Messfehlern durch die thermische Drift der Gain- und Offset-Parameter vorzubeugen.The A / D converter used here is a highly integrated one the so-called data acquisition system (DAS), with its own calibration processor, the at system start-up and also during operation automatically from time to time Performs on-board calibration of the converter to measure errors caused by the Prevent thermal drift of the gain and offset parameters.

Das DAS besteht aus einem Eingangsmultiplexer für 2 symmetrische Messkanäle, von denen aber nur ein Kanal genutzt wird, einem chopperstabilisierten, programmierbaren Instrumentenverstärker (PGA) mit einer von 0,5-fach bis 100-fach in 6 Stufen einstellbaren Verstärkung, einem Spannungswandler zur Onchip- Erzeugung einer negativen Hilfsspannung, die benötigt wird, wenn auch sehr kleine Signale mit Groundbezug mit hohen Verstärkungen zu verarbeiten sind, einen Sigma-Delta-Modulator vierter Ordnung, ein 24-Bit Digitalfilter und das oben erwähnte Kalibrierprozessor-Subsystem, mit lokalem Kalibrierdatenspeicher, sowie eigener Systemtakterzeugung.The DAS consists of an input multiplexer for 2 symmetrical measuring channels, but of which only one channel is used, a chopper-stabilized, programmable instrument amplifier (PGA) with one from 0.5 to 100 times amplification adjustable in 6 steps, a voltage converter for on-chip Generation of a negative auxiliary voltage, which is needed, albeit very small Ground-related signals with high amplifications are to be processed Fourth-order sigma-delta modulator, a 24-bit digital filter and the above mentioned calibration processor subsystem, with local calibration data memory, and own system clock generation.

Im Wandlerergebnis ergeben sich die sogenannten "rauschfreien, stabilen Datenbits" immer als ein komplexes Ergebnis aus Signalrauschen, Wandlerlinearität, Samplerate und anderen Fehlereinflüssen.The so-called "noise-free, stable data bits" result in the converter result always as a complex result of signal noise, converter linearity, Sample rate and other error influences.

Die mit dem erfindungsgemäßen Sensorsystem erzielbaren Ergebnisse ergeben sich aus der Tabelle 1. Die Werte wurden für ein höherverstärkendes Typ "A" System für Niederohm-Sensoren mit 10 . . . 40 Ohm und vergleichsweise hohem Rauschanteil ermittelt. The results that can be achieved with the sensor system according to the invention are obtained from Table 1. The values were for a higher gain type "A" system for Low-resistance sensors with 10. , , 40 ohms and a comparatively high noise component determined.

Tabelle 1 Table 1

Mit dem Sensorsystem und insbesondere mit dem ADC9 sind, je nach programmierter Samplerate, die beispielsweise 15 Samples/sec beträgt, und einer programmierten Verstärkung von etwa 25-fach noch 16 bis 17 stabile Datenbits erreichbar.With the sensor system and especially with the ADC9, depending on programmed sample rate, which is, for example, 15 samples / sec, and one programmed gain of about 25 times 16 to 17 stable data bits reachable.

Dies bedeutet eine Auflösung von 1/65536, was einer im Ergebnis erzielten Dynamik von mindestens 96 dB entspricht. Nach außen werden von dem Sensorsystem die Daten an der Datenschnittstelle 131 in einem minimalen Zeitraster von 100 msec, das heißt mit 10 Samples/Sekunde, geliefert.This means a resolution of 1/65536, which corresponds to a dynamic range of at least 96 dB. The data is supplied to the outside by the sensor system at the data interface 131 in a minimum time frame of 100 msec, that is to say with 10 samples / second.

Neben dem 24-Bit Hauptwandler ADC9, der in dem der Sensor zugeordneten Kreis eingesetzt wird, weist das Sensorsystem vorzugsweise ein 150 kSps schnelles 12-Bit A/D-Wandlersystem mit vorgeschaltetem 9-kanaligem Analogmulitplexer auf. Dieses Wandlersystem ist in dem Heizkreis integriert. Eine mögliche Ausführungsform des Heizkreises ist in Fig. 3 dargestellt.In addition to the 24-bit main converter ADC9, which is used in the circuit assigned to the sensor, the sensor system preferably has a 150 kSps 12-bit A / D converter system with an upstream 9-channel analog multiplexer. This converter system is integrated in the heating circuit. A possible embodiment of the heating circuit is shown in Fig. 3.

Der Wandler ADC 12bit dient der Digitalisierung der Systemgrößen U_m, U_(I_HZ), U_HZ im Temperaturregelkreis. Weiterhin erfasst er aber auch die Versorgungsspannungen +U_SB für die System- und +U_SH für die Heizkreisversorgung des Sensorsystems. Durch diesen Wandler wird die Kontrolle des Sensor-Schleifenstromes via U(I_SENS) und des Heizkreis-Referenzstroms I_CS über die Spannungsabfälle U(I_CS),H und U(I_CS),L eines Referenzteilers (R17, R16) in diesem Heizkreis-Referenzstrom I_CS, ermöglicht.The ADC 12bit converter is used to digitize the system variables U_m, U_ (I_HZ), U_HZ in the temperature control loop. Furthermore, it also records the Supply voltages + U_SB for the system and + U_SH for the Heating circuit supply to the sensor system. This converter is in control the sensor loop current via U (I_SENS) and the heating circuit reference current I_CS via the voltage drops U (I_CS), H and U (I_CS), L of a reference divider (R17, R16) in this heating circuit reference current I_CS.

Eine Sonderfunktion nimmt der Messkanal ADC8 ein. Dieser Kanal digitalisiert keine von außerhalb des Chips zugeführte Messgröße, sondern nutzt einen chip-internen, sogenannten PAT-Tap (PAT = Proportional-Absolute-Temperature) des Referenzreglers Uref1, zur indirekten Ausgabe der die Temperatur T_DIE des Chips, die - nach dem thermischen Einschwingen auf einen stationären Zustand - üblicherweise um etliche Grad Celsius über der umgebenden Gehäuse- und Raumtemperatur liegt.The measuring channel ADC8 has a special function. This channel does not digitize Measured variable supplied from outside the chip, but uses an internal chip so-called PAT tap (PAT = proportional absolute temperature) of Reference controller Uref1, for the indirect output of the temperature T_DIE of the chip, which - after thermal settling to a steady state - usually several degrees Celsius above the surrounding housing and Room temperature.

Die Zuordnung der ADC-Messkanäle des ADC-Systems zu den genannten System- Messgrößen kann dabei wie folgt sein:
ADC0 = U_m (liefert den Spannungsabfall über R_HZ)
ADC1 = U(I_HZ) (liefert mit Kenntnis des Widerstandes R9 den Heizstrom I_HZ)
ADC2 = U(I_CS),L (liefert aus Heizkreis-Referenzstrom I_CS.R_k, einen unteren Grenzwert für R_HZ)
ADC3 = U(I_CS),H (liefert aus Heizkreis-Refernzstrom I_CS.R_w, einen oberen Grenzwert für R_HZ)
ADC4 = +U_SH/10 (liefert die Heizkreisversorgung +U_SH, etwa als +U_SH/10)
ADC5 = +U_SB/6 (liefert die Systemversorgung +U_SB, etwa als +U_SB/6)
ADC6 = U_HZ/10 (liefert den PWM-Spitzenwert U_HZ an der Heizlast, etwa als U_HZ/10)
ADC7 = U(I_SENS)(liefert den Spannungsabfall von I_SENS über R1_14)The assignment of the ADC measurement channels of the ADC system to the system measurement variables mentioned can be as follows:
ADC0 = U_m (provides the voltage drop across R_HZ)
ADC1 = U (I_HZ) (supplies the heating current I_HZ with knowledge of the resistor R9)
ADC2 = U (I_CS), L (supplies the heating circuit reference current I_CS.R _k , a lower limit for R_HZ)
ADC3 = U (I_CS), H (supplies an upper limit value for R_HZ from heating circuit reference current I_CS.R _w )
ADC4 = + U_SH / 10 (supplies the heating circuit supply + U_SH, approximately as + U_SH / 10)
ADC5 = + U_SB / 6 (supplies the system supply + U_SB, approximately as + U_SB / 6)
ADC6 = U_HZ / 10 (delivers the PWM peak value U_HZ at the heating load, approximately as U_HZ / 10)
ADC7 = U (I_SENS) (supplies the voltage drop from I_SENS via R1_14)

Für alle diese Eingangsgrößen gilt die gemeinsame Wandlerbeziehung:
The common transformer relationship applies to all of these input variables:

Z [ADC7(i)] = (2¹²-1).U_MESS/U_ref1 mit i = 0 . . . 7
Z [ADC7 (i)] = (2 ¹² -1) .U_MESS / U_ref1 with i = 0. , , 7

wobei U_MESS stellvertretend für die jeweilige Systemgröße steht.where U_MESS stands for the respective system size.

Uref1(T_amb. = T_0) = 2,50 +/- 0,05 V, TK(Uref1) = +40 ppm/K und T_0 sind in dem Sensorsystem in einer Datenbank gespeichert.Uref1 (T _amb. = T_0) = 2.50 +/- 0.05 V, TK (Uref1) = +40 ppm / K and T_0 are stored in a database in the sensor system.

Uref1 driftet thermisch etwa gemäß:
Uref1 thermally drifts according to:

Uref(T) = Uref1(T_0).[1 + TK(Uref1).(T-T_0)Uref (T) = Uref1 (T_0). [1 + TK (Uref1). (T-T_0)

Jeder Messgröße ADC(i) ist darüber hinaus in der Kalibrierdatenbank des Sensorsystems noch jeweils ein Skalierfaktor SKF(i) sowie vorsorglich ein eigener pauschaler Temperaturkoeffizient TK(i) zugeordnet, um thermischen Drifteinflüssen wenigstens einen Parameter entgegensetzen zu können.Each measurement variable ADC (i) is also in the calibration database of the Sensor systems each have a scaling factor SKF (i) and a separate one as a precaution general temperature coefficient TK (i) assigned to thermal drift to be able to oppose at least one parameter.

Wenn ein solcher TK(i) noch keine Definition erfahren hat, steht im entsprechenden Registereintrag schlicht der Wert 0.000d (d = dezimal).If such a TC (i) has not yet been defined, it says in the corresponding Register entry simply the value 0.000d (d = decimal).

Für den ADC-Kanal ADC8 = T_DIE gibt der Chiphersteller einen typischen Spannungswert von ADC8 = U(T_DIE) = + 600 mV bei ϑ = 25°C und einen TK(T_DIE) = TK8 = -3mV/K an. Also gilt
For the ADC channel ADC8 = T_DIE, the chip manufacturer specifies a typical voltage value of ADC8 = U (T_DIE) = + 600 mV at ϑ = 25 ° C and a TK (T_DIE) = TK8 = -3mV / K. So applies

U₈(T_DIE) = U₈(ϑ = 25°C).[1+TK(T_DIE).(ϑ-25)°C]U ₈ (T_DIE) = U ₈ (ϑ = 25 ° C). [1 + TK (T_DIE). (Θ-25) ° C]

Mit der thermischen Drift der Referenzspannung Uref1 (T)
With the thermal drift of the reference voltage Uref1 (T)

U_ref1(T) = U_ref1(T_0).[1+TK(Uref1).(T-T_0)]
U _ref1 (T) = U _ref1 (T_0). [1 + TK (Uref1). (T-T_0)]

und der Wandlerbeziehung
and the converter relationship

Z [ADC8(T_DIE)] = (2¹²-1).U₈(T_DIE)/U_ref1(T_DIE)Z [ADC8 (T_DIE)] = (2 ¹² -1) .U ₈ (T_DIE) / U_ref1 (T_DIE)

Lässt sich nach Gleichsetzung der Driftbeziehung für U₈(T_DIE) mit der nach U₈(T_DIE) aufgelösten Wandlerbeziehung der folgende Ausdruck ableiten:
After equating the drift relationship for U ₈ (T_DIE) with the converter relationship dissolved according to U ₈ (T_DIE), the following expression can be derived:

Beispiel example

Die Änderungen von +40 ppm/K in Uref1(T_DIE) bleibt auch für größere Temperaturänderungen immer klein gegenüber der Änderung der Spannung U8 (T_DIE) und kann daher an dieser Stelle vernachlässigt werden.The changes of +40 ppm / K in Uref1 (T_DIE) remain even for larger ones Temperature changes always small compared to the change in voltage U8 (T_DIE) and can therefore be neglected here.

Die Beziehung ϑ erlaubt damit eine grobe Abschätzung für die Temperatur T_DIE.The relationship ϑ thus allows a rough estimate for the temperature T_DIE.

Für einige weitere thermische Drifteinflüsse sind in der Datenbank des Sensorsystems bereits Variablen definiert. Mit allen individuell verfügbaren Kalibrierdaten können aus den von dem Sensorsystem zur Verfügung gestellten Rohdaten extern, zum Beispiel in einer zugehörigen Bedienkonsole (COOPerator) alle Messwerte präzise berechnet werden, die dann auch individuelle Sensorcharakteristika mit einschließen können.For some other thermal drift influences are in the database of Sensor system already defines variables. With all individually available Calibration data can be obtained from those provided by the sensor system External raw data, for example in an associated control console (COOPerator) all measured values are calculated precisely, then also individually May include sensor characteristics.

Die aktuellen ADC-Werte können alle 100 msec (= 10 Samples/Sekunde) an der seriellen Datenschnittstelle zur Verfügung gestellt werden. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung einige der ADC(i) Hilfsdaten nur etwa alle 20 Sekunden zu aktualisieren. Dies kann beispielsweise für ADC1, ADC2, ADC3 und ADC6 gelten.The current ADC values can be read every 100 msec (= 10 samples / second) serial data interface can be provided. But it is also in the Within the scope of the invention, some of the ADC (i) auxiliary data is only added approximately every 20 seconds To update. This can apply to ADC1, ADC2, ADC3 and ADC6, for example.

Im Folgenden wird nun der thermische Regelkreis des erfindungsgemäßen Sensorsystems genauer beschrieben.Below is the thermal control loop of the invention Sensor system described in more detail.

Der Betrieb von Gassensoren in einem Umfeld mit wechselnden Strömungsverhältnissen des umgebenden Gases, mit zusätzlich auch noch veränderlichen Mischgaskonzentrationen, führt zu unterschiedlichen Ableitungen (R_th,g) von Wärmemengen eines mit einer bestimmten Heizleistung P_el elektrisch beheizten (T_H) Sensorsubstrates mit einem Wärmewiderstand R_th.s.The operation of gas sensors in an environment with changing flow conditions of the surrounding gas, with additionally also changing mixed gas concentrations, leads to different derivations (R _{th, g} ) of heat quantities of a ( _H ) sensor substrate electrically heated with a certain heating power P _el with a thermal resistance R _th.s.

Dies hat unweigerlich jeweils verschiedene Betriebstemperaturen T_S des darauf befindlichen Sensormaterials, mit möglicherweise nachteiligen Einflüssen auf die Kennempfindlichkeit des verwendeten chemischen Detektormaterials zur Folge.This inevitably results in different operating temperatures T _S of the sensor material located thereon, with possibly adverse effects on the sensitivity of the chemical detector material used.

In Fig. 4 ist ein Sensorelement 2 dargestellt, das in einer Gasprüfzelle 3 eingebaut ist. Auf einem Träger 31 ist eine Substrateinspannung bzw. Substratbefestigung 311 vorgesehen, über die das Substrat 23, das darin gehalten wird, kontaktiert werden kann. Auf dem Substrat 23, das vorzugsweise eine plattenförmige Ausgestaltung aufweist, sind auf einer der Oberflächen ein Sensor 21 und auf der gegenüberliegenden Oberfläche ein Heizer bzw. ein Heizelement 22 angeordnet. Der Sensor 21 und der Heizer 22 sind über Anschluss-Metallisierungen 24 mit dem Substrat 23 verbunden. In FIG. 4, a sensor element 2 is shown, which is installed in a Gasprüfzelle. 3 A substrate clamping or substrate fastening 311 is provided on a carrier 31 , via which the substrate 23 , which is held therein, can be contacted. On the substrate 23 , which preferably has a plate-shaped configuration, a sensor 21 is arranged on one of the surfaces and a heater or heating element 22 is arranged on the opposite surface. The sensor 21 and the heater 22 are connected to the substrate 23 via connection metallizations 24 .

Die Anordnung des Sensors 21 und des Heizelementes 22 auf dem Substrat lässt sich Fig. 8 entnehmen.The arrangement of the sensor 21 and the heating element 22 on the substrate can be seen in FIG. 8.

In Fig. 5 ist ein einfaches thermisches Ersatzmodell eines herkömmlichen auf diese Weise eingebauten Sensorsubstrates wiedergegeben. Wie sich aus dieser Figur entnehmen lässt treten Wärmeableitungen beispielsweise über den Gasstrom R_th.g, über die mechanische Befestigung/Fassung des eingebauten Sensorsubstrates R_th,f, und über die thermische Wärmeabstrahlung R_th,rad auf. Zusätzlich besteht eine weitere Wärmesenke R_th,t, wenn für das Substrat ein Temperaturfühler vorgesehen ist, der die Substrat-Temperatur erfassen soll. Um gleichbleibende stabile Temperaturverhältnisse für den eigentlichen Gas-Detektorbetrieb unter diesen Bedingungen gewährleisten zu können, müssen die über den Substratheizer nachgeführten Wärmemengen exakt der Summe der einzelnen Wärmeableitungen entsprechen.In Fig. 5, a simple thermal equivalent model of a conventional built-in in this way, the sensor substrate is shown. As can be seen from this figure, heat dissipation occurs, for example, via the gas flow R _th.g , via the mechanical fastening / mounting of the built-in sensor substrate R _{th, f} , and via the thermal heat radiation R _{th, rad} . In addition, there is a further heat sink R _{th, t} if a temperature sensor is provided for the substrate, which is to detect the substrate temperature. In order to be able to guarantee constant, stable temperature conditions for the actual gas detector operation under these conditions, the heat quantities supplied via the substrate heater must correspond exactly to the sum of the individual heat dissipations.

Die Einzeltemperaturen ergeben sich als Temperaturdifferenz 9 über den einzelnen R_th im Umfeld der Umgebungstemperatur T_amb, in einem Gleichgewicht der Summe aller zu- und abfließenden Wärmeströme I_w.The individual temperatures result as a temperature difference 9 over the individual R _th in the environment of the ambient temperature T _amb , in a balance of the sum of all inflowing and outflowing heat flows I _w .

Die Problematik der Erfassung und Regelung der durch die äußeren Einflüsse herrschenden und sich ändernden Temperaturbedingungen wird erfindungsgemäß durch einen Regelkreis gelöst, der um die Regelstrecke F_s(s) gelegt ist. Dieser soll den IST-Wert der Substrattemperatur T_IST als Regelgröße Xa möglichst verzögerungsfrei, absolut und in Abhängigkeit von den oben genannten Einflussgrößen erfassen und mit einer Führungsgröße W, die dem als vorgegebenen Temperaturwert T_SOLL entspricht, vergleicht und das Regeldifferenzsignal Xd einem geeigneten Regler F_R(S) zuführen, der hinreichend schnell reagieren muss und die Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur des Substrates und dem vorgegeben Temperaturwert des Substrates möglichst schnell gegen Null gehen lässt. Dieser Regelkreis ist in Fig. 6 angedeutet. The problem of detecting and regulating the temperature conditions prevailing and changing as a result of the external influences is solved according to the invention by a control loop which is placed around the controlled system F _s (s). This should record the ACTUAL value of the substrate temperature T_IST as controlled variable Xa without any delay, absolutely and depending on the above-mentioned influencing variables and compare it with a reference variable W that corresponds to the specified temperature value T_SOLL, and the control difference signal Xd to a suitable controller F _R ( S) which must react sufficiently quickly and which allows the difference between the actual temperature of the substrate and the predetermined temperature value of the substrate to go to zero as quickly as possible. This control loop is indicated in FIG. 6.

Auf den Regelkreis von außen wirkende Störgrößen, wie die auf den Ausgang wirkende Größe Z1, sind beispielsweise ein veränderlicher Gasmassenstrom dm/dt. Weitere Störgrößen Z2 wirken sich bereits am Eingang der Regelstrecke Fs(s) aus. Ein solches Beispiel liefert der veränderte Betrag der Heizkreis-Speisespannung U_SH, der sich direkt auf die Stellgröße Y auswirkt.External disturbances acting on the control loop, such as those on the output Acting variable Z1 are, for example, a variable gas mass flow dm / dt. Other disturbance variables Z2 already have an effect at the input of the controlled system Fs (s). The modified amount of the heating circuit supply voltage provides such an example U_SH, which has a direct effect on the manipulated variable Y.

Eine genauere Analyse eines in einer Gasprüfzelle eingebauten, in einem veränderlichen Gasstrom betriebenen Gassensorsubstrates, wie dieses in Fig. 4 dargestellt ist, zeigt eine Vielzahl von Einflussgrößen, die sich ebenfalls der Figur entnehmen lassen und zu einem komplexen thermodynamischen Systemmodell und einem entsprechenden Modell der Regelstrecke Fs(s) führen.A more detailed analysis of a gas sensor substrate installed in a gas test cell and operated in a variable gas flow, as shown in FIG. 4, shows a large number of influencing variables, which can also be seen in the figure, and for a complex thermodynamic system model and a corresponding model of the controlled system Fs (s) lead.

Um es zu ermöglichen, dass der Regler möglichst schnell reagieren und die erforderliche Temperatur einstellen kann, ist es notwendig einen thermischen Sensor zu verwenden, der die Information der absolute Temperatur an dem Substrat beziehungsweise an dem Sensor schnell erfassen kann. Herkömmliche Thermoelemente weisen hierbei den Nachteil auf, dass diese durch ihre Eigenmasse die thermische Kapazität und damit das thermische Einschwingverhalten, sowie durch ihre Kontaktfläche die Summe der Wärmeableitungen vom Sensorsubstrat negativ beeinflussen.To enable the controller to react as quickly as possible and the can set the required temperature, it is necessary a thermal sensor to use the information of absolute temperature on the substrate or can quickly detect on the sensor. conventional Thermocouples have the disadvantage that they have their own mass the thermal capacity and thus the thermal transient response, as well through their contact surface the sum of the heat dissipation from the sensor substrate influence negatively.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement besteht hingegen keine Notwendigkeit für ein zusätzliches Temperaturfühlerelement. Das thermische Ersatzmodell eines Sensorsystems, bei dem das erfindungsgemäße Reglersystem implementiert ist und das daher ohne Temperaturfühler arbeitet wird auch als "Sensorless" bezeichnet und ist in Fig. 7 angedeutet. Durch den Wegfall des separaten Temperatursensors werden die Nachteile zusätzlicher Wärmekapazitäten und einer weiteren Wärmesenke beseitigt und das thermodynamische Verhalten des Sensorsystems positiv beeinflusst.In the sensor element according to the invention, however, there is no need for an additional temperature sensor element. The thermal replacement model of a sensor system in which the controller system according to the invention is implemented and which therefore works without a temperature sensor is also referred to as "sensorless" and is indicated in FIG. 7. By eliminating the separate temperature sensor, the disadvantages of additional heat capacities and a further heat sink are eliminated and the thermodynamic behavior of the sensor system is positively influenced.

Dennoch kann mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement nach einem entsprechenden Abgleich ein hinreichend genaues Abbild der Sensortemperatur für eine Temperatur-Regelung des Sensorsubstrates geschaffen werden. Die Fehlergrenze kann bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement bei +/-2°C innerhalb eines Spezifikationsbereiches von +150°C bis +250°C liegen.Nevertheless, with the sensor element according to the invention corresponding adjustment, a sufficiently precise image of the sensor temperature for a temperature control of the sensor substrate can be created. The Error limit can be within +/- 2 ° C in the sensor element according to the invention a specification range of + 150 ° C to + 250 ° C.

Bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement wird vorzugsweise für die Temperaturmessung das Widerstandsmaterial des Heizelementes verwendet. Aus Gründen der Langzeitstabilität werden auch hier für das Heizelement meist Massen mit einem größeren Anteil an Edelmetalle, beispielsweise reines Platin (Pt) oder Legierungen aus Silber-Palladium (AgPd) und Silber-Platin (AgPt) verwendet.In the sensor element according to the invention is preferably used for Temperature measurement uses the resistance material of the heating element. Out Because of the long-term stability, masses are usually used for the heating element with a larger proportion of precious metals, for example pure platinum (Pt) or Alloys of silver-palladium (AgPd) and silver-platinum (AgPt) are used.

Damit lassen sich die bekannten und hochgenauen RTD-Verfahren (Resistive- Temperature-Detector) anwenden. Für industrielle Pt-basierte Temperatursensoren sind unter Verwendung aufwändiger Korrekturrechnungen bereits Auflösungen von 1/1000°C realisiert worden.This allows the well-known and highly precise RTD processes (resistive Use temperature detector). For industrial Pt-based temperature sensors using complex correction calculations, resolutions of 1/1000 ° C.

Für die Anwendung in dem erfindungsgemäßen Sensorelement mit Temperaturen für die geregelten Sensorsubstrate im Bereich von +150°C < T_IST < +250°C, reicht für diese vergleichsweise kleine Temperaturspanne ϑ = 100°C eine wesentlich einfachere Approximation unter Verwendung des Widerstands- Temperaturkoeffizienten (TK) erster, maximal zweiter Ordnung. Die Wahl richtet sich nach dem verwendeten Pastenmaterial für den Heizwiderstand.For use in the sensor element according to the invention with temperatures for the regulated sensor substrates in the range of + 150 ° C <T_IST <+ 250 ° C is sufficient for this comparatively small temperature range ϑ = 100 ° C is essential easier approximation using the resistance Temperature coefficients (TK) first, maximum second order. The choice is made according to the paste material used for the heating resistor.

Entscheidend für die Genauigkeit des Temperaturregelkreises sind dabei die Langzeitstabilität des TK-Wertes und der absolute Genauwert des - individuell - mit dem Heizersubstrat leicht variierenden Heizwiderstandes R_HZ bei einer bestimmten Bezugstemperatur T_0, die sich entsprechend auch im Messwert des erfindungsgemäß ermittelten Temperatursignals U_m des in dem Gesamtsystem vorgesehenen Analog-/Digitalwandler (Messkanal ADC0) ausdrücken.The decisive factors for the accuracy of the temperature control loop are Long-term stability of the TK value and the absolute exact value of the - individually - with the heater substrate slightly varying heating resistance R_HZ at a certain Reference temperature T_0, which is also reflected in the measured value of the Temperature signal U_m determined according to the invention in the overall system Express the intended analog / digital converter (measuring channel ADC0).

Sind diese Messwerte einmal erfasst und in das Gesamtsystem eingespeichert, so errechnet das Gesamtsystem mit dem Spannungsabfall U_m des Heizwiderstandes R_HZ innerhalb einer Konstantstromschleife des Stroms I_CS die zu einem bestimmten Widerstandswert (R-HZ(T_IST)) gehörige Temperatur T_IST gradgenau.Once these measured values have been recorded and stored in the overall system, so calculates the entire system with the voltage drop U_m of the heating resistor R_HZ within a constant current loop of the current I_CS certain resistance value (R-HZ (T_IST)) associated temperature T_IST to the degree.

Die Anpassung bzw. Adaption der systeminternen T_IST-Temperaturskala an die reale Substrattemperatur T_real wird hierbei mit den beiden Variablen T_OFFS für den Offsetfehler (der mit dem Faktor 8 multiplizierte ADC0-Wert), sowie mit einem Skalierungsfaktor T_SKF erreicht. Die reale Substrattemperatur stellt eine einmalig, beispielsweise mit Hilfe eines berührungslos arbeitenden Pyrometers oder eines feinen Draht-Thermoelementes ermittelte Referenztemperatur dar.The adaptation or adaptation of the system-internal T_IST temperature scale to the real substrate temperature T_real is here with the two variables T_OFFS for the offset error (the ADC0 value multiplied by a factor of 8) and with a Scaling factor T_SKF reached. The real substrate temperature represents a unique for example with the help of a non-contact pyrometer or one fine wire thermocouple determined reference temperature.

Vor Kalibrierbeginn sind die Variablen standardmäßig auf T_OFFS = 0000h (h = hexadezimal) und T_SKF = 0064 h (= 100d) gesetzt. Typische Werte des abgeglichenen Systems sind beispielsweise T_OFFS = 2697 h (= 9879d) und T_SKF = 00F0h (= 240d) für ein Heizelement mit R_HZ (T_0) = 10.402 Ohm bei T_0 = 23°C. Für den TK(R_HZ) wurden für einige Mustersubstrate (vom TK-Wert für Platinelemente abweichend) etwa TH(R_HZ) = 7,8.10E-3/K ermittelt.Before the start of calibration, the variables are set to T_OFFS = 0000h by default (h = hexadecimal) and T_SKF = 0064 h (= 100d) set. Typical values of the balanced system are, for example, T_OFFS = 2697 h (= 9879d) and T_SKF = 00F0h (= 240d) for a heating element with R_HZ (T_0) = 10,402 ohms at T_0 = 23 ° C. For the TK (R_HZ) for some sample substrates (from the TK value for Platinum elements deviating) about TH (R_HZ) = 7,8.10E-3 / K determined.

Eine Möglichkeit der Messung des Heizwiderstandes gemäß der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 3 detailliert beschrieben. Der Heizwiderstand R_HZ kann erfindungsgemäß im Zeitmultiplex betrieben werden.One way of measuring the heating resistance according to the invention will now be described in detail with reference to FIG. 3. The heating resistor R_HZ can be operated according to the invention in time division multiplexing.

Während der Heizphase (Phi1) fließt der Heizstrom I_HZ zunächst von der Klemme 3 (SUPPLY) der Heizkreis-Versorgungsspannung U_SH über die Sicherung F2 und den Transistor (Leistungs-MOSFET V1) zur Anschlussklemme 1 des Sensorelementen-Anschlusses (SENSOR). Von dort fließt der Strom weiter über den Heizwiderstand R_HZ und die Klemme 5 wieder zurück in die Verarbeitungseinheit, wo er über den Shuntwiderstand R9 und den Leistungs-MOSFET V2 über den GND- Anschluss der Klemme 2 (Supply) wieder der externen Spannungsquelle U_SH zufließt.During the heating phase (Phi1), the heating current I_HZ initially flows from terminal 3 (SUPPLY) of the heating circuit supply voltage U_SH via fuse F2 and the transistor (power MOSFET V1) to connection terminal 1 of the sensor element connection (SENSOR). From there, the current continues to flow via the heating resistor R_HZ and the terminal 5 back into the processing unit, where it flows back to the external voltage source U_SH via the shunt resistor R9 and the power MOSFET V2 via the GND connection of the terminal 2 (supply).

Auf diesem Strompfad von I_HZ wurde über den Shunt R9 ein Heizstrom-Abbild als U(I_HZ) erzeugt, das dem Messkanal ADC1 zugeführt wird. On this current path from I_HZ, a heating current image was created via the Shunt R9 U (I_HZ) generated, which is fed to the measuring channel ADC1.

Die von MOSFET V1 (der im Gegentakt zu MOSFET V3 arbeitet) an das Heizelement R_HZ geschaltete Spannung U_HZ wird vom Teiler R7/R8 auf etwa 1/10 heruntergeteilt und dann dem Messkanal ADC6 zugeführt.That of MOSFET V1 (which works in push-pull to MOSFET V3) to the Heating element R_HZ switched voltage U_HZ is from the divider R7 / R8 to about 1/10 divided and then fed to the measuring channel ADC6.

Die Heizkreis-Versorgungsspannung wird hinter der Sicherung F2 über den Teiler R20/R21 ebenfalls auf etwa 1/10 heruntergeteilt und dann dem Messkanal ADC4 zugeführt.The heating circuit supply voltage is behind the fuse F2 via the divider R20 / R21 also divided down to about 1/10 and then the measuring channel ADC4 fed.

Zeitgleich wird von U9 der von der Stromquelle CS2 erzeugte Konstantstrom I_CS dem Referenzteiler R17/R16 zugeführt. Dort werden an (R17 + R18) die Spannung U(I_CS),H für den Messkanal ADC3 und an R16 die Spannung U(I_CS),L für den Messkanal ADC2 erzeugt.At the same time, U9 generates the constant current I_CS generated by the current source CS2 fed to the reference divider R17 / R16. The voltage is there at (R17 + R18) U (I_CS), H for the measuring channel ADC3 and at R16 the voltage U (I_CS), L for the Measuring channel ADC2 generated.

Daneben wird auch die Systemversorgungsspannung U_SB nach F1 und Teilung auf etwa 1/6 mit R18/R19 dem Messkanal ADC5 zugeführt, während Messkanal ADC7 die Fusspunktspannung U(I_SENS) der Präzisionsstromquelle für die Sensorsspeisung erhält. Schließlich liegt noch U(T_DIE), die Spannung eines chip internen Temperatursensors, an Messkanal ADC8.In addition, the system supply voltage U_SB according to F1 and division about 1/6 with R18 / R19 fed to measuring channel ADC5, while measuring channel ADC7 the base voltage U (I_SENS) of the precision current source for the Sensor supply receives. Finally there is U (T_DIE), the voltage of a chip internal temperature sensor, on measuring channel ADC8.

Während der Messphase (Phi 2) sind die beiden Leistungs-MOSFETs V1 und V2 abgeschaltet, der Kleinsignal-MOSFET V3 dagegen geschlossen.During the measurement phase (Phi 2), the two power MOSFETs are V1 and V2 turned off, the small signal MOSFET V3 closed.

Gleichzeitig legt U9 den von der Stromquelle CS2 eingeprägten, mit etwa I_CS = 75,5 mA im Vergleich zu I_HZ viel kleineren Konstantstrom I_CS, auf den nun einseitig offenen R9 und durchströmt - in umgekehrter Richtung - via Klemme 5 den externen Heizwiderstand R_HZ, dessen zweiter Anschluss an Klemme 1, von MOSFET V3 an GND geschaltet wird.At the same time, U9 places the constant current I_CS impressed by the current source CS2, which is much smaller at around I_CS = 75.5 mA compared to I_HZ, on the R9, which is now open on one side, and flows - in the opposite direction - via terminal 5, the external heating resistor R_HZ, the second of which Connection to terminal 1 , from MOSFET V3 to GND.

An R_HZ(T) wird dabei vom Konstantstrom I_CS der von der Temperatur T = T_IST abhängige Spannungsabfall U_m(T) des auf das Sensorsubstrat aufgedruckten Heizwiderstandes erzeugt, der dann dem Messkanal ADC0 zur Digitalisierung zugeführt wird.At R_HZ (T) the constant current I_CS becomes the temperature T = T_IST dependent voltage drop U_m (T) of that printed on the sensor substrate Heating resistor generated, which then the measuring channel ADC0 for digitization is fed.

Die Erfassung des Pt-Heizwiderstandes geschieht auf diese Weise mit der integrierenden Wirkung durch die thermische Kapazität Cth des Sensorsubstrates, im Zeitmultiplex (interleaved), während der Lücke der Heizleistungszufuhr.The detection of the Pt heating resistor is done with the integrating effect through the thermal capacity Cth of the sensor substrate, im Time division multiplex (interleaved) during the gap in the heating power supply.

Dieser Multiplexzyklus ist hierbei zeitlich eng mit dem pulsbreitenmodulierten (PWM-) Signal für das Heizleistungsstellglied verzahnt: Tatsächlich sind beide identisch.This multiplex cycle is closely related in time to the pulse width modulated (PWM) Signal for the heating power actuator interlocked: both are actually identical.

Statt alterungs- und driftempfindlicher analoger Übertragungsglieder findet in dem erfindungsgemäßen Gesamtsystem ein auf dem Microcontroller implementierter PI- Regelalgorithmus Anwendung. Der Regler bietet einen programmierbaren Proportionalanteil Xp und einen über die programmierte Nachstellzeit T_N definierten, integrierenden Anteil. Neue Stellwerte für den Heizkreis werden beispielsweise alle t_s = 70 msec (f_sample = 14 Hz) berechnet.Instead of aging and drift-sensitive analog transmission elements, a PI control algorithm implemented on the microcontroller is used in the overall system according to the invention. The controller offers a programmable proportional component Xp and an integrating component defined over the programmed reset time T _N. New control values for the heating circuit are calculated, for example, every t _s = 70 msec (f _sample = 14 Hz).

Die Voreinstellung der Variablen für den Proportionalanteil, X_PROP beträgt Xp = 10%. Der Eingabewert: "0064h" = 100d steht für 100d.0.1% = 10%.The default variable for the proportional component, X_PROP is Xp = 10%. The input value: "0064h" = 100d stands for 100d.0.1% = 10%.

Die Voreinstellung der Variablen für die Nachstellzeit, T_INT beträgt T_N = 2sec. Der Eingabewert: "00C8h" = 200d steht für 200d.0.01sec = 2sec (320sec max).The default setting for the reset time, T_INT is T _N = 2sec. The input value: "00C8h" = 200d stands for 200d.0.01sec = 2sec (320sec max).

Die Sollwertvorgabe für die Substrattemperatur erfolgt über die Variable T_SOLL und beträgt beispielsweise T_SOLL = 200 [°C].The setpoint for the substrate temperature is set via the variables T_SOLL and is, for example, T_SOLL = 200 [° C].

Der mögliche Sollwert kann im spezifischen Bereich von +150°C < T_SOLL < +250°C vorgegeben werden. Auch die Eingabe von T_SOLL = 0°C ist zur Erzielung einer (fast-)Abschaltung der Heizleistung möglich. The possible setpoint can be in the specific range of + 150 ° C <T_SOLL < + 250 ° C can be specified. Entering T_SOLL = 0 ° C is also possible (almost) switching off the heating power possible.

Der vom Regler ermittelte T_IST-Wert = Xa kann als Datenwert abgefragt werden. Aufgrund von Rundungsfehlern wird für T_IST typisch ein Temperaturwert 1 Grad kleiner als T_SOLL ausgegeben.The T_IST value = Xa determined by the controller can be queried as a data value. Due to rounding errors, a temperature value of 1 degree is typical for T_IST output less than T_SOLL.

Der Heizregler stellt über die Einschaltdauer in den Heizphasen (Phi 1) in einer Anzahl von Heizperioden die Heizleistung und damit die Substrattemperatur T_IST so ein, dass der via ADC0 gemessene Spannungsabfall über R_HZ(T) dem Spannungswert entspricht, der dem zur Solltemperatur T_SOLL gehörigen Spannungswert (beziehungsweise einem zugehörigen fiktiven Z(ADC0)- Wandlerwert) entspricht.The heating controller adjusts the duration of the heating phases (Phi 1) in one Number of heating periods the heating power and thus the substrate temperature T_IST such that the voltage drop measured via ADC0 via R_HZ (T) corresponds to the Voltage value corresponds to that associated with the target temperature T_SOLL Voltage value (or an associated fictitious Z (ADC0) - Converter value).

Für die Digitalisierung der Reglereingangsgröße Xe = U_m mit einer Auflösung von 12 Bit, entsprechend 4098 Spannungsstufen, liegt dem Regelkreis der folgende ideelle Ansatz zugrunde:
ADC0 = 0000h = 0000d entsprechen T_IST = 0°C (wird nie erreicht)
ADC0 = 0FFFh = 4095d (2¹²-1) entsprechen T_IST = +300°CFor the digitization of the controller input variable Xe = U_m with a resolution of 12 bits, corresponding to 4098 voltage levels, the control loop is based on the following ideal approach:
ADC0 = 0000h = 0000d correspond to T_IST = 0 ° C (never reached)
ADC0 = 0FFFh = 4095d (2 ¹² -1) correspond to T_IST = + 300 ° C

Beispiel: T_IST = +163°C. Dem idealen, fiktiven ADC0-Wert entspräche dann z. B. der Zahlenwert:
Z(ADC0),id = T_IST.Z[ADC0(T_IST = +300°C)]/300°C
Z[ADC0(T_IST = +163°C)],id = +163°C.4095/300 = 2225dExample: T_IST = + 163 ° C. The ideal, fictitious ADC0 value would then correspond to e.g. B. the numerical value:
Z (ADC0), id = T_IST.Z [ADC0 (T_IST = + 300 ° C)] / 300 ° C
Z [ADC0 (T_IST = + 163 ° C)], id = + 163 ° C. 4095/300 = 2225d

In der internen Zahlendarstellung rechnet das Sensorsystem noch mit den um Faktor 8 multiplizierten Werten. Dem Wert T_IST = 300°C entspricht damit 8.ASC0 = (8.FFFh-07h) = 7FF8h = 32760d.In the internal number display, the sensor system still calculates by the factor 8 multiplied values. The value T_IST = 300 ° C thus corresponds to 8.ASC0 = (8.FFFh-07h) = 7FF8h = 32760d.

Einige weitere Beispiele für die Zahlenwerte ergeben sich aus den Tabellen 3 und 4: Some more examples of the numerical values can be found in Tables 3 and 4:

Tabelle 3 Table 3

Tabelle 4 Table 4

Für eine Plausibilitätsprüfung werden sinnvolle Grenzen beispielsweise von U_m(ϑ = 300°C), mittels des Referenzteilers R17/R16 mit dem gleichen Konstantstrom I_CS erzeugt, mit dem auch R_HZ(T) vermessen wird. Auch diese Grenzwerte stehen, stellvertretend für den Kaltwiderstand Rk und Warmwiderstand Rw von R_HZ(T) zum Abruf von ADC3 und ADC2 zur Verfügung.For a plausibility check, reasonable limits are set, for example, by U_m (ϑ = 300 ° C), using the reference divider R17 / R16 with the same Constant current I_CS generated, with which R_HZ (T) is also measured. This too Limit values are representative of the cold resistance Rk and warm resistance Rw of R_HZ (T) are available for calling ADC3 and ADC2.

Der Heizwiderstand einiger Muster-Substrate lag typischerweise bei Kaltwiderständen von Rk = 12,10 Ohm bei T = 296°K, der Heißwiderstand lag mit Rw = 32,2 Ohm bei T<568°K bereits weit außerhalb des vorgesehenen Nutzbereiches. Der TK lag damit in der Größenordnung von TK = 6,04.10E-3/K und ist damit weit entfernt vom genormten "PT100"-TK1,avg = 3,85.10E-3/K.The heating resistance of some sample substrates was typically included Cold resistances of Rk = 12.10 Ohm at T = 296 ° K, the hot resistance was with Rw = 32.2 Ohm at T <568 ° K already far outside the intended Working areas. The TK was in the order of TK = 6.04.10E-3 / K and is thus far from the standardized "PT100" -TK1, avg = 3.85.10E-3 / K.

Eine zweite Funktion der beiden Messkanäle ADC2 und ADC3 liegt in der indirekten Rücklesemöglichkeit des über der Temperatur möglicherweise geringfügig driftenden Referenzstromes I_CS aus Stromquelle CS2 bei Kenntnis der Widerstandswerte von R16/R17.A second function of the two measuring channels ADC2 and ADC3 is indirect Possibility of reading back the possibly drifting slightly above the temperature Reference current I_CS from current source CS2 with knowledge of the resistance values of R16 / R17.

Die Schwankungsbreite der Substrat-Temperatur, als Temperatur-Maxima und- Minima jeweils am Ende der PWM Einschalt- oder Ausschaltdauer innerhalb einer PWM-Periode, liegt bei PWM-Periodendauern von etwa Tp = t(Phi1) + t(Phi2) = 70msec durch die integrierende Wirkung der immer noch recht großen thermischen Zeitkonstante τ_th eines Sensorsubstrates nur bei Bruchteilen eines Grades.The fluctuation range of the substrate temperature, as temperature maxima and minima at the end of the PWM switch-on or switch-off time within a PWM period, is approximately PWM period durations of approximately Tp = t (Phi1) + t (Phi2) = 70msec the integrating effect of the still very large thermal time constant τ _{th of} a sensor substrate only at fractions of a degree.

Entsprechend gering fallen auch die Änderungen der von ADC0 gemessenen U_m- Werte innerhalb einer PWM-Periode aus: Sie betragen nur wenige Millivolt.The changes in the U_m- measured by ADC0 Values within a PWM period: They are only a few millivolts.

Die thermische Heizkonstante des mit dem Heizelement thermisch gekoppelten, in der Temperatur zu regelnden Substrats sorgt dabei selber für die Integration der geschalteten PWM-Heizleistung.The thermal heating constant of the thermally coupled to the heating element, in the temperature to be controlled substrate itself ensures the integration of the switched PWM heating power.

Ein erfindungsgemäß eingesetztes Stellglied wird im Folgenden beschrieben.An actuator used according to the invention is described below.

Die Temperatur T_IST als Regelgröße Xa wird vom Regler über die dem Heizelement zugeführte elektrische Heizleistung P_el mit der Stellgröße Y eingestellt. Der jeweils aktuelle Stellwert Y kann als Variable PWM-POWER auch in Form eines dezimalen Zahlenwertes abgefragt werden.The temperature T_IST as controlled variable Xa is set by the controller via the electrical heating power P _el supplied to the heating element with the manipulated variable Y. The current manipulated variable Y can also be queried as a PWM-POWER variable in the form of a decimal numerical value.

Als Stellglied, findet vorzugsweise ein verlustarmer Pulsbreitemodulator mit MOSFET-Leistungsstufe Verwendung. Dieses Konzept verbindet hohe Leistung mit hohem Wirkungsgrad und ermöglicht damit eine kompakte Bauform mit nur geringer Verlustwärme im Gerät. A low-loss pulse width modulator is preferably used as an actuator MOSFET power stage use. This concept combines high performance with high efficiency and thus enables a compact design with only a small amount Heat loss in the device.

Die PWM-Periode Tp = 70msec wird in bis zu 28.000 Schritte, einer für thermische Prozesse relativ hohen Auflösung von <14Bit aufgelöst.The PWM period Tp = 70msec is in up to 28,000 steps, one for thermal Processes of relatively high resolution of <14 bit resolved.

Der Heizkreis kann mit Anschluss SUPPLY über separate Leitungen mit Spannungen bis zu 24 V versorgt werden. Damit sind bei Heiz-Nennströmen von bis zu I_HZ = 1,85 A Heizleistungen von bis zu Pa = 40 W für ein sehr schnelles Aufheizen eines Sensorsubstrates aus dem Kaltzustand auf Nenntemperatur (mit entsprechend hohem thermischem Stress für Substrat und Heizwiderstand) möglich.The heating circuit can be connected to the SUPPLY connection using separate lines Voltages up to 24 V can be supplied. This means that at nominal heating currents of up to zu I_HZ = 1.85 A heating outputs of up to Pa = 40 W for very quick heating a sensor substrate from cold to nominal temperature (with corresponding high thermal stress for substrate and heating resistor) possible.

Sehr große Strömungsgeschwindigkeiten von Gasströmen mit hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit erfordern möglicherweise höhere Heizleistungen um das Sensorsubstrat auf Solltemperatur zu bringen und auf dieser Temperatur dann auch für wechselnde Strömungsverhältnisse stabil zu halten.Very high flow velocities of gas flows with high specific Thermal conductivity may require higher heating powers around that Bring sensor substrate to the target temperature and then at this temperature keep stable for changing flow conditions.

Für Lastströme oberhalb eines gewissen Heizstroms I_HZ, insbesondere oberhalb von I_HZ = 2,5A kann ein reversibles Polymer-Sicherungselement vorgesehen sein, das bei diesen Heizströmen anspricht. Der Heizstrom I_HZ kann indirekt über den Messkanal ADC1 = U(I_HZ) ermittelt werden.For load currents above a certain heating current I_HZ, especially above a reversible polymer fuse element of I_HZ = 2.5A can be provided, that responds to these heating currents. The heating current I_HZ can be indirectly via the Measuring channel ADC1 = U (I_HZ) can be determined.

Bei genügend hoher Schaltfrequenz der variierten Heizleistung stellt sich mit dem Regler eine nur geringfügig um eine mittlere Temperatur schwankende IST- Temperatur des in der Temperatur zu regelnden Substrats ein.If the switching frequency of the varied heating power is sufficiently high, the Controller an actual temperature fluctuating only slightly around a medium temperature Temperature of the substrate to be controlled in temperature.

Das erfindungsgemäße Sensorelement kann als Heizelement beispielsweise ein mit Hybridtechniken in Platin-Pastendrucktechnik hergestelltes Heizelement auf Al2O3- Keramiksubstrat verwendet werden. Die verwendeten Materialen und Abmessungen können je nach Bedarf abgepasst werden.The sensor element according to the invention can be used, for example, as a heating element Hybrid technologies in platinum paste printing technology made of heating element on Al2O3- Ceramic substrate can be used. The materials and dimensions used can be adjusted as needed.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem kann im wesentlichen mit Standard- Elektronik-Produkten hergestellt werden. Eine mögliche Auslegung des erfindungsgemäßen Sensorsystems wird im folgenden angegeben: The sensor system according to the invention can essentially be Electronics products are manufactured. A possible interpretation of the The sensor system according to the invention is specified below:

Technical specifications

Mechanische Abmessung (L.B.H): 117,5.71,0 (+11,5 mit STV_Kragen).36,5 mm
Gehäuse: Polyamid PA6-30H schwarz mit 2,5 mm Alu-Grundplatte
Steckverbinder: Industrie-Rundsteckverbinder 12 mm Durchmesser, Fa. BINDER Serie 712.
Sensorkreis: reistive Sensoren mit Kennwiderständen 10R < R_S(x) < 1 Mohm
Präzisions-Stromquelle: unipolar+10 nA < I_SENS < + 10 mA; Sensor-AP ist innerhalb der Modulbereiche präzise mit 12-Bit Auflösung programmierbar
ADC-Wandler: 24-Bit Sigma-Delta Wandler, ratiometrische Messung, 10 S/sec
ADC-Modulvarianten: Ermöglicht größte Variabilität für die rausch- und driftarme, Erfassung auch kleiner Sensorsignale mit Sensorauflösungen von einigen Mikro-Ohm bis Milliohm, je nach bestücktem Modul:
Mechanical dimension (LWH): 117.5.71.0 (+11.5 with STV collar) .36.5 mm
Housing: polyamide PA6-30H black with 2.5 mm aluminum base plate
Connector: Industrial circular connector 12 mm diameter, from BINDER series 712.
Sensor circuit: Reistive sensors with characteristic resistors 10R <R_S (x) <1 Mohm
Precision current source: unipolar + 10 nA <I_SENS <+ 10 mA; Sensor-AP can be precisely programmed within the module areas with 12-bit resolution
ADC converter: 24-bit sigma-delta converter, ratiometric measurement, 10 S / sec
ADC module variants: Enables maximum variability for low-noise and low-drift, even small sensor signals with sensor resolutions from a few micro-ohms to milliohms, depending on the module equipped:

Alle Module:
All modules:

- Electronically readable ID identifier with coding of the module type
- Loop current monitoring for function control (sensor break)
- Pre-configured, selectable query programs save commands on
- individually initiated or completely independent, periodic MW transmission

Messwertübertragung im Datenformat 8N1 mit 9600 bps, 19200 bps oder 57600 bps über die eingebaute serielle RS485-Schnittstelle.Measured value transmission in 8N1 data format with 9600 bps, 19200 bps or 57600 bps via the built-in serial RS485 interface.

Eine EEPROM-Datenbank bietet lokalen Speicherplatz für die individuellen Kenn- und Kalibrierdaten von Modul und Sensor als hochaufgelöste 64-Bit. Daten für deren weitere externe Verrechnung.
Sensor Anschluss: Rundsteckverbindung 12 mm 0, Fa. BINDER Serie 712, 5-polig, female, Typ 09-0416-80-05; Kennzeichnung: SENSOR
Heizkreisschleife: eigenständige "Sensorless"-Temperaturregelung mit PWM- geregelter Heizleistung für Gleichstrom-Heizkreise mit Nennspannungen von < 10 V < U_HZ < 24 V und Nennströmen bis I_HZ = 1,85 Ampere (bei separater Heizkreisversorgung über Anschluss SUPPLY)
Heizwiderstand: typ. Kaltwiderstand bei T_0 = +20°C: 12 Ohm < R_HZ(T_0) < 18 Ohm, typ. Heißwiderstand bei T = +300°C: R_HZ(T) < 33 Ohm
Nennheizleistung: P_HZ,n = 40 Watt (24 V, induktionsfreie Widerstandsheizelemente)
Wirkungsgrad: η = 88% bei Nennleistung
Heizer-Anschluss: erfolgt über den Anschluss mit der Kennzeichnung SENSOR
Temp.-Regler: "Sensorless"-Abtastregler mit 70 msec Samplerate und via Datenschnittstelle programmierbarem PI-Verhalten
Sollwertbereich: 0 < T_Soll < +250°C, programmierbar via Datenschnittstelle
Spezifikationsbereich: +150°C < T_SOLL < +250°C
Temp.-Fehlergrenze: +/-2°C (nach Abgleich; Referenz: Thermoelement)
Istwertbereich: 0 < T_IST < +300°C (errechnete Momentan-Temperatur T_IST ist via Datenschnittstelle übertragbar)
Reglerauflösung: Xe: 12Bit-ADC (= 4096 Stufen)
Xa: 15Bit, limit. durch PWM-Stellglied auf 28000 Schritte (< 14Bit)
Reglerkennwerte: Xp im Bereich von 0.1% . . . 100,0%, in 1000 Schritten zu je 0,1% per SW einstellbar
Tn im Bereich von 0 msec bis 320 sec. in 2¹⁵ Stufen zu je 10 msec per SW einstellbar
Leistungsstellglied: PWM; Schaltfrequenz; 14 Hz; Auflösung: 28.000 Stufen (< 14Bit)
100%-Heizleistung: P_HZ,max = 40 W (R-Last); Schaltspannung: U_HZ < + U_SH Max. Impulsstrom: I_HZ,max. = 1,85 Ampere Größte Nutzamplitude bei Nennlast: U_HZ,max(I_HZ.max) = 22,5 V
Prüfschleifenstrom: Im Heizstromkreis ist dem Heizstrom I_HZ ein Prüfschleifenstrom von etwa I_CS = 75,5 mA interleaved unterlagert.
Systemüberwachung: Für Kontrollzwecke sind die folgenden Messgrößen des Heizkreises und der Versorgungsspannungen mit Auflösungen bis zu 12 Bit über die Datenschnittstelle abrufbar:
Systemversorgung: U_SB (= 3,66 mV/Bit)
Heizkreisversorgung: U_SH (= 6,10 mV/Bit)
PWM-Spannung: U_HZ (= 6,10 mV/Bit)
Heizstrom: U(I_HZ) (= 610 µV/Bit; ⇒ I_HZ = U(I_HZ)/(R9 + r2_ds,on) = 452 µA/Bit)
Leistungssteller: PWM_POWER (= 1/280%/Bit)
Prüfschleifenstrom: |U(I_CS)|(= 610 µV/Bit; ⇒ I_CS = U(I_CS)/(R16+R17) = 19,1 µA/Bit)An EEPROM database offers local storage space for the individual identification and calibration data of module and sensor as high-resolution 64-bit. Data for their further external billing.
Sensor connection: circular connector 12 mm 0, BINDER series 712, 5-pin, female, type 09-0416-80-05; Marking: SENSOR
Heating circuit loop: independent "sensorless" temperature control with PWM-controlled heating output for DC heating circuits with nominal voltages of <10 V <U_HZ <24 V and nominal currents up to I_HZ = 1.85 Ampere (with separate heating circuit supply via connection SUPPLY)
Heating resistor: typ.Cold resistance at T_0 = + 20 ° C: 12 Ohm <R_HZ (T_0) <18 Ohm, typ.Hot resistance at T = + 300 ° C: R_HZ (T) <33 Ohm
Nominal heating power: P_HZ, n = 40 watts (24 V, induction-free resistance heating elements)
Efficiency: η = 88% at nominal power
Heater connection: via the connection marked SENSOR
Temp. Controller: "Sensorless" sampling controller with 70 msec sample rate and PI behavior programmable via data interface
Setpoint range: 0 <T_Soll <+ 250 ° C, programmable via data interface
Specification range: + 150 ° C <T_SOLL <+ 250 ° C
Temp. Error limit: +/- 2 ° C (after adjustment; reference: thermocouple)
Actual value range: 0 <T_IST <+ 300 ° C (calculated instantaneous temperature T_IST can be transferred via the data interface)
Controller resolution: Xe: 12-bit ADC (= 4096 steps)
Xa: 15 bits, limit. by PWM actuator to 28000 steps (<14 bit)
Controller characteristics: Xp in the range of 0.1%. , , 100.0%, adjustable in 1000 steps of 0.1% per software
Tn in the range from 0 msec to 320 sec. Can be set in 2 ¹⁵ steps of 10 msec per software
Power actuator: PWM; Switching frequency; 14 Hz; Resolution: 28,000 steps (<14 bit)
100% heating power: P_HZ, max = 40 W (R load); Switching voltage: U_HZ <+ U_SH Max. Pulse current: I_HZ, max. = 1.85 amperes Maximum useful amplitude at nominal load: U_HZ, max (I_HZ.max) = 22.5 V
Test loop current: In the heating circuit, the heating current I_HZ is subject to a test loop current of approximately I_CS = 75.5 mA interleaved.
System monitoring: The following parameters of the heating circuit and the supply voltages with resolutions up to 12 bits can be called up via the data interface for control purposes:
System supply: U_SB (= 3.66 mV / bit)
Heating circuit supply: U_SH (= 6.10 mV / bit)
PWM voltage: U_HZ (= 6.10 mV / bit)
Heating current: U (I_HZ) (= 610 µV / bit; ⇒ I_HZ = U (I_HZ) / (R9 + r2 _{ds, on} ) = 452 µA / bit)
Power controller: PWM_POWER (= 1/280% / bit)
Test loop current: | U (I_CS) | (= 610 µV / bit; ⇒ I_CS = U (I_CS) / (R16 + R17) = 19.1 µA / bit)

Das erfindungsgemäße Sensorsystem erfüllt die Anforderungen an einen Messkreis für die Erfassung und Bewertung von Sensoren mit Widerstandskennlinien für den Betrieb mit unterschiedlichen resistive Sensoren ideal. Insbesondere wird eine hohe Variabilität durch ein programmierbares Modularkonzept für die Anpassung an verschiedenste Sensoren, mit lokalem Speicher für alle wichtigen Sensorendaten und Zuordnung einer elektronischen Sensorkennung gewährleistet. Weiterhin erlaubt die eingebaute programmierbare Präzisionsstromquelle für den Stromschleifenbetrieb des Sensorelementes die feinfühlige und präzise Vorgabe des Sensorarbeitspunktes mit Auflösungen bis in den Bereich einiger nA oder µA, für Widerstandsmessungen an unterschiedlichsten Sensoren in einem weiten Feld von Kennwiderständen, einschließlich der Möglichkeit der Sensorbruch-Erkennung. Durch einen rauscharmen, hochauflösenden 24-Bit-Analog/Digitalwandler wird prinzipiell eine hohe Signaldynamik von 1 : 16.777.216 (= 144 dB) ermöglicht. Eine programmierbare Verstärkungseinstellung erlaubt auch die Verarbeitung sehr kleiner Signale und deren direkte Digitalisierung am Ort ihrer Entstehung. Die digitalisierten Sensorsignale können problemlos auch über große Distanzen transportiert werden. Weiterhin stellt der eingebaute Temperaturregler für Sensoren mit hoher thermischer Querempfindlichkeit zusätzlich auch einen stabilen thermischen Arbeitspunkt des Sensorelementes mit Heizleistungen bis zu 40 W sicher. Schließlich kann die Bedienung, Programmierung und Datenfernabfrage über eine symmetrische RS485- Datenschnittstelle in Form eines "remote online monitorings" geschehen. Auch die Fernspeisung des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist über diesen COM-Port Steckerverbinder möglich.The sensor system according to the invention fulfills the requirements for a measuring circuit for the acquisition and evaluation of sensors with resistance characteristics for the Operation with different resistive sensors ideal. In particular, a high Variability through a programmable modular concept for adaptation to Various sensors, with local storage for all important sensor data and assignment of an electronic sensor identifier guaranteed. Still allowed the built-in programmable precision power source for the Current loop operation of the sensor element the sensitive and precise specification of the Sensor operating point with resolutions down to a few nA or µA, for Resistance measurements on various sensors in a wide field of Resistances, including the possibility of sensor break detection. Thanks to a low-noise, high-resolution 24-bit analog / digital converter In principle, a high signal dynamic of 1: 16,777,216 (= 144 dB) enables. A Programmable gain setting also allows processing very small Signals and their direct digitization at the point of origin. The digitized Sensor signals can also be easily transported over long distances. Furthermore, the built-in temperature controller for sensors with high thermal Cross sensitivity also a stable thermal operating point of the Sensor element with heating outputs up to 40 W safe. Finally, the Operation, programming and remote data query via a symmetrical RS485 Data interface in the form of a "remote online monitoring" happen. Also the Remote supply of the sensor system according to the invention is via this COM port Connector possible.

Claims

1. Controller system for controlling a temperature of a component, the controller system having at least one heating element assigned to the component, characterized in that the heating element is connected to a processing unit, the means for heating the component and means for determining the temperature of the component via the heating element includes.

2. Controller system according to claim 1, characterized in that the means for Determination of the temperature of the component means for measuring the electrical Resistance of the heating element includes.

3. Controller system according to claim 1 or 2, characterized in that the means a pulse width modulator and the means for heating the component Determining the temperature a measuring circuit for determining the has electrical resistance of the heating element.

4. Controller system according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the Pulse width modulator a pulse width modulator with MOSFET power levels represents.

5. Controller system according to claim 1 to 4, characterized in that the means for heating and the means for determining the temperature alternately can be operated.

6. Controller system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the processing unit comprises at least one analog / digital converter.

7. Controller system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the processing unit is connected to a non-volatile memory device is.

8. Method for determining a temperature of a component that is a heating element has, characterized in that to determine the temperature of the electrical resistance of the heating element is determined.

9. The method according to claim 8, characterized in that in a Constant current loop using the measured electrical Resistance on the heating element determines the temperature of the heating element becomes.

10. Method of controlling the temperature of a component that is a heating element has, characterized in that the temperature of the heating element above whose electrical resistance is determined and heating up Pulse width modulation takes place.

11. The method according to claim 10, characterized in that in the time division multiplex alternately the determination of the electrical resistance and the heating of the heating element.