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Für spektroskopische
Sensoren werden heute überwiegend
thermische Strahler in Glühlampenbauform
verwendet. Für
eine Anwendung im Automobilbereich sollten diese Glühlampen
eine Lebensdauer im Bereich von 5000 bis 15000 Stunden bei sehr
kleinen Ausfallwahrscheinlichkeiten besitzen. Häufig wird versucht, dies durch
den Betrieb der Glühlampen
mit einer Unterspannung (kleinere Spannung als die nominelle Betriebsspannung)
zu erreichen. Dies bewirkt aber auch eine geringere, von den Lampen
abgegebene Strahlungsleistung und ist damit nachteilig für die elektronische
Auswertung der Sensorsignale. Um eine rauscharme Auswertung der Sensorsignale
zu ermöglichen,
wird üblicherweise die
Glühlampe
nicht kontinuierlich mit einem Strom versorgt, sondern die Lampe
wird getaktet mit Taktfrequenzen zwischen 0.1 Hz und 20 Hz betrieben. Dadurch
wird am Empfängerelement
des Sensors eine Wechselspannung erzeugt, welche durch das Rauschen
der Auswerteschaltung nur gering beeinträchtigt wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung einer Information über den
Alterungszustand einer Lampe, bei dem
- – durch
eine elektrische Ansteuerung der elektrische Widerstand zwischen
zwei Anschlusskontakten der Lampe ermittelt wird und
- – aus
dem ermittelten Widerstand eine Information über den Alterungszustand der
Lampe gewonnen wird.
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Dadurch
kann der Fahrer rechtzeitig auf einen möglichern Ausfall des Sensors
hingewiesen werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet
- – dass
ermittelt wird, ob der Widerstand einen vorgebbaren Grenzwert überschreitet
- – und
im Falle des Überschreitens
ein Informationssignal über
den Alterungszustand abgegeben oder hinterlegt wird, welches die
Lampe als bereits wesentlich gealtert kennzeichnet.
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Der
Vergleich ist in einem Steuergerät
auf einfache Art und Weise durchführbar. Der Grenzwert kann aus
Referenzdaten gewonnen werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Gewinnung einer Information über
den Alterungszustand einer Lampe, umfasst
- – Widerstandermittlungsmittel,
mit denen durch eine elektrische Ansteuerung der elektrische Widerstand
zwischen zwei Anschlusskontakten der Lampe ermittelt wird und
- – Alterungszustandsermittlungsmittel,
in denen aus dem ermittelten Widerstand eine Information über den
Alterungszustand der Lampe gewonnen wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Lampe um eine Glühlampe handelt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Glühlampe
in einem spektroskopischen Sensor eingesetzt wird.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem spektroskopischen Sensor um einen auf mikromechanischer
Basis aufgebauten Kohlendioxidsensor handelt. Insbesondere in Verbindung
mit einer Klimaanlage, welche Kohlendioxid als Kältemittel enthält, ist
die Erkennung einer gealterten Glühlampe im Sensor besonders
wichtig.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet,
- – dass es sich bei der Lampe
um eine Glühlampe mit
einer ersten Wendel und wenigstens einer redundanten zweiten Wendel
handelt,
- – wobei
im Falle des Ausfalls der ersten Wendel die zweite Wendel deren
Funktion übernimmt.
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Der
vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung äußern sich
auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
und umgekehrt.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen 1bis 8 dargestellt.
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1 zeigt den grundlegenden
Aufbau eines spektroskopischen Sensors zur Gasanalyse.
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2 zeigt den Aufbau einer
Glühlampe.
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3 zeigt den Stromverlauf
in der Glühwendel
bei typischen Einschalt-/Ausschaltvorgängen.
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4 zeigt den Stromverlauf
bei Betrieb mit einer Heizspannung.
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5 zeigt den Verlauf der
Lampenspannung U und des Lampenstroms I im Aufheiz- und Abkühlfall.
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6 zeigt den Stromverlauf
bei Betrieb mit Stromrichtungswechsel.
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7 zeigt eine Glühlampe mit
Doppelwendel.
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8 zeigt die Ansteuerung
einer Glühlampe
mit einem Pufferkondensator.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung befasst sich damit, eine Glühlampenansteuerung für spektroskopische
Sensoren, die es bei gleicher abgegebener Strahlungsleistung im
Moment der Messung erlaubt, hohe Lebensdauern der Glühlampe zu
erreichen. Zugleich soll der Energie verbrauch der Glühlampe minimiert
werden und eine Erkennung des Endes der Lebensdauer der Glühlampe realisiert
werden.
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Der
grundlegende Aufbau eines spektroskopischen Sensors zur Gasanalyse
ist in 1 dargestellt.
Dabei sind der Strahler 10 (insbesondere eine Glühlampe),
die Küvette 11 mit
dem zu detektierenden Gas bzw. Messmedium 14, der Detektor 12 sowie
die Auswerteschaltung 13 eingezeichnet.
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Die
dazu verwendete Glühlampe
ist in 2 dargestellt.
Dabei bedeuten
20 = Glaskolben,
21 = Wendel,
22 =
Anschlussdrähte.
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Für die Erhöhung der
Lebensdauer der Glühlampe
bieten sich die folgenden Möglichkeiten
an:
- – Betrieb
bei Unterspannung
- – Begrenzung
der Einschaltspannung bzw. der Einschaltstroms
- – Vorheizung
der Wendel
- – Richtungswechsel
des Stromflusses
- – Verwendung
einer Glühlampe
mit Mehrfachwendel
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Im
folgenden wird auf diese Möglichkeiten
im einzelnen eingegangen:
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Betrieb bei Unterspannung:
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Anstatt
bei der nominalen Betriebsspannung (z.B. 5V) wird die Lampe mit
einer geringeren Betriebsspannung angesteuert (z.B. 4.5V). dadurch wird
die Wendel nicht so stark erhitzt und die Lebensdauer steigt.
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Begrenzung des Einschaltstroms
der Glühlampe:
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Da
der elektrische Widerstand der Glühlampe mit steigender Temperatur
größer wird,
ergibt sich im Einschaltmoment bei konstanter Betriebsspannung eine
Imax. Dieser Spitzenstrom kann um den Faktor
2 bis 3 höher
sein als der Nennstrom IN der Lampe. Au ßerdem ist
dieser Einschaltstrom bei einer vorgeschädigten oder gealterten Wendel
zumeist verantwortlich für
das Durchbrennen der Wendel. Eine Begrenzung des Einschaltstroms
resultiert daher in einer erhöhten
Lebenserwartung der Lampe und in einem konstanteren Betriebsstrom
des Gesamtsensors.
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In 3 ist der Stromverlauf bei
typischen Einschalt/Ausschaltvorgängen dargestellt. Dabei ist in
Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung der Lampenstrom
IL aufgetragen. Eingezeichnet sind weiterhin
der Maximalstrom Imax sowie der Nennstrom
IN. Der erhöhte Lampenstrom im Einschaltmoment
ist deutlich sichtbar.
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Vorheizung:
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Ein
Mechanismus, welcher zum Ausfall einer Lampenwendel führt, ist
bei getaktetem Betrieb der Glühlampe
das periodische Aufheizen und Abkühlen der Wendel und den damit
verbundenen mechanischen Spannungen in der Wendel. Diese Spannungen
können
maßgeblich
dadurch vermindert und die Lebensdauer erhöht werden, wenn die Wendel
nicht bis auf Raumtemperatur abkühlt
, sondern im ausgeschalteten Zustand mit einem Heizstrom bzw. einer Heizspannung
auf einer erhöhten
Temperatur gehalten wird.
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4 zeigt den Verlauf der
Heizspannung bzw. des Heizstromes für diesen Fall. Dabei ist in
Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung der Strom
I bzw. die Spannung U der Glühlampe
aufgetragen. Bei leuchtender Lampe fließt der Strom IN bzw.
liegt die Spannung UN an der Lampe an. In
den nichtleuchtender Zeitintervallen fließt wird der Strom I nicht ganz
abgeschaltet, stattdessen fließt
ein Heizstrom IH weiter. Dies wird durch
die Heizspannung UH gewährleistet.
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Eine
weitere Möglichkeit
ergibt sich dadurch, dass die Taktfrequenz der Lampe so hoch gewählt wird,
dass die Wendel nicht mehr auf Raumtemperatur abkühlen kann.
In diesem Fall wird der Vorheizstrom bzw. die Vorheizspannung über die
Taktfrequenz eingestellt.
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In 5 sind der Verlauf der Lampenspannung
U und des Lampenstroms I im Aufheiz- und Abkühlfall dargestellt. In Abszissenrichtung
ist jeweils die Zeit t aufgetragen. Bedingt durch die Trägheit der Lampenwendel
kühlt diese
bei genügend
hoher Taktfre quenz (Periodendauer T1 im
oberen Diagramm) nicht komplett ab. Die Minimaltemperatur kann durch die
Ansteuerfrequenz beeinflusst werden. Um unteren Diagramm wurde die
Ansteuerfrequenz (Periodendauer T2) verringert,
so dass die Wendel komplett abkühlen
kann.
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Richtungswechsel des Lampenstroms:
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Ein
weiterer Mechanismus, welcher zum Ausfall von 1Lampenwendeln führt, ist
die Elektromigration, die bei kontinuierlichem Fluss des Stromes durch
die Lampenwendel dazu führt,
dass die Lampenwendel sich an einem Ende verdünnt und am anderen Ende verdickt.
Die Lampenwendel brennt dann irgendwann während des Einschaltvorgangs
oder während
des Betriebs am dünneren
Ende durch. Die Elektromigration kann dadurch verringert werden, dass
der Lampenstrom oder die Lampenspannung einen periodischen Richtungswechsel
vollführt.
Dies muss bei der Ansteuerung der Lampenwendel berücksichtigt
werden. Durch periodisches Umschalten des Lampenstroms oder der
Lampenspannung in der Ansteuerschaltung wie in 6 dargestellt kann die Lebensdauer der
Wendel maßgeblich
erhöht
werden. In 6 ist in
Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung der Lampenstrom
I bzw. die Lampenspannung U aufgetragen.
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Glühlampe mit Doppelwendel:
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Eine
Verlängerung
der Lebensdauer des Gesamtsensors kann auch dadurch erreicht werden, dass
eine Glühlampe
mit Mehrfachwendel eingesetzt wird. Diese besitzt innerhalb eines
Glaskolbens mehrere Wendeln. Es ist immer nur eine Wendel in Betrieb.
Sollte eine Wendel durchbrennen, so erkennt dies die Ansteuerschaltung
der Lampe und schaltet auf eine andere Wendel um. Eine solche Glühlampe ist
in 7 dargestellt. Dabei
bedeuten
70 = Glaskolben,
71 = erste Wendel,
72 =
zweite Wendel und
73 = Anschlussdrähte.
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Einsatz eines Pufferkondensators:
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Der
Stromverbrauch eines spektroskopischen Sensors wird vor allem durch
den Glühlampenstrom
bestimmt. Es ist daher notwendig, diesen so gering wie möglich zu
halten. Zum einen kann dies durch eine Begrenzung des Einschaltstroms
geschehen. Zum andere kann ein Pufferkondensator zum Einsatz kommen,
der ähnlich
wie in einem Blitzgerät die
benötigte
Leistung im Bedarfsfall abgibt. Die Energie wird zwischen den Messungen über einen
längeren
Zeitraum im Pufferkondensator gespeichert. Damit lassen sich Strom-
und Spannungsspitzen glätten.
In 8 ist die Ansteuerung
einer Glühlampe mit
einem Pufferkondensator gezeigt.
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Dabei
ist im oberen Bild von 8 die
Verschaltung des Pufferkondensators C, des Widerstands R sowie der
Lampe GL für
den Aufladezeitraum des Kondensators und im unteren Bild für den Messzeitraum
des spektroskopischen Sensors, bei dem die Lampe leuchtet, gezeigt.
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Messung des Wendelwiderstandes:
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Da
eine Verringerung der Wendeldicke ein Ausfallmechanismus der Glühlampe ist,
kann über eine
Widerstandsmessung oder über
eine Messung der Lampenspannung und/oder des Lampenstroms eine Erkennung
der Ausfallwahrscheinlichkeit vorgenommen werden. Überschreitet
der Wendelwiderstand dabei eine bestimmte Schwelle, so kann von einem
baldigen Ausfall der Wendel ausgegangen werden. Diese Information
kann beispielsweise für die
Empfehlung des Austausches des Sensors im Rahmen einer regulären Wartung
genutzt werden.