DE19522347C1 - Gas sensor heating element temp. stabilisation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Stabilisierung der Temperatur eines Heizelements für einen GassensorThe invention relates to an arrangement and a method for Stabilizing the temperature of a heating element for one Gas sensor
Widerstandsabhängige Gassensoren auf der Basis eines halblei tenden Metalloxids, wie zum Beispiel Ga₂O₃ oder AlVO₄ zeigen bei hohen Temperaturen (typischer Weise größer als 500°C) eine deutliche Querempfindlichkeit bezüglich der Sensortempe ratur. Um eine möglichst genaue Messung durchführen zu kön nen, gilt es die Betriebstemperatur des Gassensors so kon stant wie möglich zu halten. Deshalb wird der Gassensor in der Regel mit Hilfe eines, sich auf dem Gassensor befinden den, geregelten resistiven Heizelementes betrieben.Resistance-dependent gas sensors based on a semi-lead tendency metal oxide, such as Ga₂O₃ or AlVO₄ show at high temperatures (typically greater than 500 ° C) a clear cross sensitivity with regard to the sensor temperature maturity. To be able to carry out the most accurate measurement possible the operating temperature of the gas sensor applies keep as constant as possible. That is why the gas sensor is in usually with the help of a located on the gas sensor the controlled resistive heating element operated.
Aus dem Stand der Technik DE 43 18 327 A1 ist ein Gassensor bekannt, dessen Betriebstemperatur unabhängig von äußeren Einflüssen beizubehalten ist. Ziel ist die Schaffung eines Gassensors, indem sich während des Aufheizens und des Be triebs keine die Sensorfunktion beeinträchtigenden mechani schen Spannungen aufbauen.A gas sensor is known from the prior art DE 43 18 327 A1 known whose operating temperature is independent of external Influences must be maintained. The goal is to create one Gas sensor by itself during the heating and loading drives no mechani impairing the sensor function build up tensions.
Aus dem Stand der Technik (vgl. Geraberger Gassensor - GGS) ist eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung gemäß Fig. 1 bekannt. Hierbei wird davon ausgegangen, daß der Widerstand RH des Heizelementes lediglich von der Temperatur abhängt. Somit ist der Widerstand RH des Heizelementes ein Maß für die Temperatur. Um den Widerstand RH des Heizelementes möglichst konstant halten zu können, wird das Heizelement in eine Wi derstandsbrücke eingesetzt. Zum Abgleich der Brücke ist ein einstellbarer Widerstand Ra vorhanden. Mit diesem erfolgt die Einstellung des Arbeitspunktes, also der Solltemperatur, im folgenden auch als Betriebstemperatur des Gassensors bezeich net. Die Widerstände Rb und Rc der Widerstandsbrücke stellen Festwiderstände dar. Ein Fehlerverstärker F und ein Regler R mit einem nachgeschalteten Leistungsteil LT halten das Gleichgewicht der Widerstandsbrücke. An arrangement for temperature stabilization according to FIG. 1 is known from the prior art (cf. Geraberger gas sensor - GGS). It is assumed here that the resistance RH of the heating element only depends on the temperature. The resistance RH of the heating element is therefore a measure of the temperature. In order to keep the resistance RH of the heating element as constant as possible, the heating element is inserted into a resistance bridge. An adjustable resistance Ra is available to balance the bridge. This is used to set the operating point, i.e. the setpoint temperature, also referred to below as the operating temperature of the gas sensor. The resistors Rb and Rc of the resistance bridge represent fixed resistors. An error amplifier F and a regulator R with a downstream power section LT keep the resistance bridge in equilibrium.
Probleme ergeben sich bei einer derartigen Anordnung aufgrund des Alterungseffekts des Widerstands RH des Heizelementes. Eine alterungsbedingte Drift des Heizwiderstands RH führt dazu, daß bei derselben Temperatur der Heizwiderstand RH langsam steigt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung bleibt diese Drift jedoch unberücksichtigt. Da die Regelung den Heizwiderstand RH auf einem konstanten Wert hält, führt dies zu einer Betriebstemperaturdrift, was wiederum eine Verfäl schung des Gassensormeßsignals zur Folge hat. Zur Verdeutli chung des Problems wird anhand der Fig. 3 exemplarisch der Widerstandsverlauf abhängig von der Zeit t gezeigt. Zeigt der Widerstand RH des Heizelementes innerhalb eines Monats von 26,88 um auf ca. 26,96 Ohm an (bei 550°C Betriebstemperatur), nimmt die Temperatur um ca. 10°C ab. Dieser Temperaturrück gang hat am Gassensor eine Sensorwiderstandserhöhung um den Faktor 1,3 zur Folge. Die Funktion des Gassensorwiderstands ist expondentiell abhängig von der absoluten Betriebstempera tur.Problems arise with such an arrangement due to the aging effect of the resistance RH of the heating element. An age-related drift of the heating resistor RH leads to the heating resistor RH slowly increasing at the same temperature. However, this drift is not taken into account in the arrangement shown in FIG. 1. Since the control keeps the heating resistor RH at a constant value, this leads to an operating temperature drift, which in turn leads to a falsification of the gas sensor measurement signal. To illustrate the problem, the resistance curve as a function of time t is shown by way of example with reference to FIG. 3. If the resistance RH of the heating element indicates within a month from 26.88 µm to approx. 26.96 Ohm (at 550 ° C operating temperature), the temperature decreases by approx. 10 ° C. This drop in temperature results in an increase in sensor resistance by a factor of 1.3 at the gas sensor. The function of the gas sensor resistor depends exponentially on the absolute operating temperature.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Ver fahren zur Stabilisierung der Temperatur anzugeben, welches eine mögliche Drift des Heizwiderstandes berücksichtigt, um die Temperatur so konstant wie möglich zu halten.The object of the invention is an arrangement and a Ver drive to stabilize the temperature to indicate which a possible drift of the heating resistor is taken into account to keep the temperature as constant as possible.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1, 2 bzw. 3 gelöst.The task is accomplished by a method and an arrangement according to Claim 1, 2 and 3 solved.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous developments of the invention result from the subclaims.
So ist es besonders von Vorteil, den Kalibriervorgang bei konstanten Umgebungsbedingungen, wie Luftströmung und Außen temperatur durchzuführen, um die Betriebstemperatur so exakt wie möglich einstellen zu können.So it is particularly advantageous to include the calibration process constant environmental conditions, such as air flow and outside temperature to make the operating temperature so accurate to be able to adjust as possible.
Die Erfindung wird anhand mehrerer Figuren näher erläutert. The invention is explained in more detail with reference to several figures.
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Heizungsregelung mit Widerstandsbrücke, wie sie aus dein Stand der Technik bekannt ist. Fig. 1 shows the structure of a heating control with resistance bridge, as is known from the prior art.
Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau der Heizungsregelung. Fig. 2 shows the structure of the heating control according to the invention.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der alterungsbedingten Drift des Heizwiderstands. Fig. 3 shows a diagram for illustrating the aging-induced drift of the heating resistor.
Fig. 4 zeigt einen Vergleich der Drift des Gassensorwiderstands mit und ohne Kompensation der Drift des Heizwiderstands. FIG. 4 shows a comparison of the drift of the gas sensor resistor with and without compensation for the drift of the heating resistor.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung des Heizleistungsbedarfs des Gassensors. Fig. 5 is a diagram for illustrating the heating power demand shows the gas sensor.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten erfindungsgemäßen Aufbau der Heizungsregelung wird das Prinzip zu Nutze gemacht, daß bei konstanten Umgebungsbedingungen, wie konstante Luftströmung und definierte Umgebungstemperatur die Sensortemperatur T ausschließlich von der zur Verfügung gestellten elektrischen Heizleistung P(T) und den mechanischen Eigenschaften bezüglich Wärmeabfuhr) des Gassensors abhängt. Die Drift des Heizwiderstands RH, wie sie in Fig. 3 veranschaulicht ist, spielt dabei keine Rolle. Dadurch wird die gewünschte Betriebstemperatur T reproduzierbar erreicht.In the construction of the heating control system according to the invention shown in FIG. 2, the principle is used that with constant ambient conditions, such as constant air flow and defined ambient temperature, the sensor temperature T exclusively depends on the electrical heating power P (T) provided and the mechanical properties with regard to heat dissipation ) of the gas sensor. The drift of the heating resistor RH, as illustrated in FIG. 3, is irrelevant. The desired operating temperature T is thereby reproducibly achieved.
Die erfindungsgemäße Regelung arbeitet wie folgt:
Zu Beginn wird die den Heizwiderstand RH umgebende Temperatur
Ta gemessen. Da, wie bereits erwähnt, die elektrische
Heizleistung P(t) nur von der gewünschten Betriebstemperatur
und der Wärmeabfuhr abhängt, kann die für die gewünschte
Betriebstemperatur T notwendige Heizleistung P(T) nach der
Formel:The regulation according to the invention works as follows:
At the beginning, the temperature Ta surrounding the heating resistor RH is measured. Since, as already mentioned, the electrical heating power P (t) only depends on the desired operating temperature and the heat dissipation, the heating power P (T) required for the desired operating temperature T can be calculated according to the formula:
P(T) = δ · (T - Ta) + ε (I)P (T) = δ · (T - T a ) + ε (I)
berechnet werden, wobei:
T = Betriebstemperatur oder auch Solltemperatur,
Ta = Umgebungstemperatur zu Beginn,
δ = Maß für die Wärmeabfuhr des Gassensors,
ε = Maß für die Wärmeabfuhr des Gassensors.are calculated, whereby:
T = operating temperature or target temperature,
Ta = ambient temperature at the beginning,
δ = measure of the heat dissipation of the gas sensor,
ε = measure of the heat dissipation of the gas sensor.
Die Werte für δ und ε lassen sich beispielsweise aus einem Diagramm, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, ermitteln. Zwei Kennlinien sind exemplarisch für zwei verschiedene Gassensoren GS1 und GS2 aufgetragen. Auf der Ordinate und der Abszisse des Diagramms sind die Temperatur T in °C bzw. die Heizleistung P in Volt aufgetragen. Eine Linearisierung der Kennlinie führt zu den Werten δ und ε.The values for δ and ε can be determined, for example, from a diagram as shown in FIG. 5. Two characteristic curves are shown as examples for two different gas sensors GS1 and GS2. The temperature T in ° C and the heating power P in volt are plotted on the ordinate and the abscissa of the diagram. A linearization of the characteristic leads to the values δ and ε.
Es ist anzumerken, daß die Gleichung (I) nur für einen bestimmten Temperaturbereich gilt, weil die Gleichung (I) linearisiert ist.Note that equation (I) is only for one certain temperature range because equation (I) is linearized.
Das Heizelement wird mit der berechneten Heizleistung betrie ben, um die Betriebstemperatur zu erreichen.The heating element is operated with the calculated heating power to reach the operating temperature.
Vorteilhafterweise erfolgt der Betrieb mit der berechneten Heizleistung unter Abwesenheit von Luftströmungen, um die Betriebstemperatur T möglichst exakt zu erreichen.The operation is advantageously carried out with the calculated one Heating power in the absence of air currents to the To achieve operating temperature T as precisely as possible.
Anschließend wird der aktuelle Heizwiderstand RH gemessen und gespeichert. Nun wird von Leistungsregelung zu Heizwiderstandsregelung umgestellt. Der Heizwiderstand RH kann für die Dauer des Gasmeßvorganges als nur von der Temperatur abhängig angesehen werden. Der Heizwiderstand RH kann wie folgt berechnet werden:Then the current heating resistance RH is measured and saved. Now, from power regulation to Heating resistance control changed. The heating resistor RH can for the duration of the gas measurement process as only from the Depending on the temperature. The heating resistor RH can be calculated as follows:
RH(T) = RTa · (1 + α · (T - Ta) + β · (T - Ta)²) (II)RH (T) = R Ta · (1 + α · (T - T a ) + β · (T - T a ) ²) (II)
wobei
RTa = Heizwiderstand bei der Umgebungstemperatur Ta
α = Temperaturkoeffizient,
β = Temperaturkoeffizient.in which
R Ta = heating resistor at ambient temperature T a
α = temperature coefficient,
β = temperature coefficient.
Sobald das System auf Heizwiderstandsregelung umgestellt ist, spielten Veränderungen in den Umgebungsbedingungen wie Luftströmung und Außentemperatur keine Rolle mehr.As soon as the system is switched to heating resistance control, played changes in environmental conditions such as Air flow and outside temperature no longer matter.
Eine mögliche Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Stabilisierung der Temperatur ist in Fig. 2 gezeigt. Der Heizwiderstand RH, welcher das elektrische Ersatzschaltbild der Sensorheizung darstellt, bildet mit den Widerständen Ra, Rb, Rc eine Widerstandsmeßbrücke. Die Abweichung des Heizwiderstands RH vom über den Widerstand Ra eingestellten Sollwert, wird am Fehlerverstärker F detektiert. Neben diesem Fehlersignal liegt am Fehlerverstärker F weiterhin das von einer Recheneinheit RE berechnete Driftkorrektursignal an. Der Fehlerverstärker F liefert ein Regelsignal RS, welches, sofern der Schalter S den Fehlerverstärker F mit dem Leistungsteil LT verbindet, was dem Regelvorgang entspricht, an der Widerstandsbrücke anliegt.A possible implementation of the method according to the invention for stabilizing the temperature is shown in FIG. 2. The heating resistor RH, which represents the electrical equivalent circuit diagram of the sensor heating, forms a resistance measuring bridge with the resistors Ra, Rb, Rc. The deviation of the heating resistor RH from the setpoint set via the resistor Ra is detected at the error amplifier F. In addition to this error signal, the drift correction signal calculated by a computing unit RE is also present at the error amplifier F. The error amplifier F supplies a control signal RS which, if the switch S connects the error amplifier F to the power unit LT, which corresponds to the control process, is applied to the resistance bridge.
Verbindet der Schalter S den Leistungsregeler LR mit dem Leistungsteil LT, was dem Kalibriervorgang entspricht, so wird die Widerstandsmeßbrücke mit der von der Recheneinheit RE berechneten Heizleistung betrieben. Zur Berechnung der Heizleistung benötigt die Recheneinheit RE die Außentemperatur Ta und den Strom der durch den Heizwiderstand RK fließt, oder die Spannung die am Heizwiderstand RH abfällt. Der von der Recheneinheit RE berechnete Wert der Heizleistung wird an den Leistungsregler LR als Sollwert gegeben. Weiterhin erfolgt über die Recheneinheit RE die Steuerung des Schalters S.The switch S connects the power regulator LR to the Power section LT, which corresponds to the calibration process, so the resistance measuring bridge with that of the computing unit RE calculated heating power operated. To calculate the The RE computing unit needs heating power Outside temperature Ta and the current flowing through the heating resistor RK flows, or the voltage across the heating resistor RH falls off. The value of the calculated by the computing unit RE Heating output is sent to the LR power controller as the setpoint given. Furthermore, the computing unit RE Control of switch S.
Als Recheneinheit RE eignet sich beispielsweise ein Mikroprozessor. A computing unit RE is suitable, for example Microprocessor.
Um den Unterschied gegenüber der bekannten Ausführungsform gemäß Fig. 1 darzustellen, ist in Fig. 4 der Verlauf des geglätteten Gassensorwiderstands GSWkg gemäß konventioneller Anordnung den Verlauf des geglätteten Gassensorwiderstands GSWkg gemäß konventioneller Anordnung den Verlauf des geglätteten Gassensorwiderstandes GSWag gemäß der erfindungsgemäßen Regelung, welche eine adaptive Anpassung des Sollwiderstands Swa aufweist, aufgetragen. Der geglättete Gasensorwiderstand GSWag steigt im Lauf der Zeit t erheblich weniger an, als der geglättete Gaswiderstand GSWkg bei konventioneller Temperaturregelung. Die dennoch vorhandene Drift des geglätteten Gassensorwiderstandes GSWag ist auf Veränderungen im Sensormaterial des Gassensors zurückzuführen. Der tatsächlich meßbare Gassensorwiderstand bei der erfindungsgemäßen Regelung entspricht dem Verlauf der Kurve GSWa. Gegenüber dem konventionellen Sollwiderstand SWk der Anordnung gemäß Fig. 1 wird der Sollwiderstand Swa der erfindungsgemäßen Regelung an die Drift des Heizwiderstandes RH angepaßt. Auf der linken Koordinate ist der Sollwiderstand in Kiloohm für den konventionellen Sollwiderstand Swk und den adaptiven Sollwiderstand Swa angegeben. Auf der rechten Ordinate ist der Gassensorwiderstand in Kiloohm für den konventionellen geglätteten Gaswiderstand GSWkg, den ungeglätteten Gaswiderstand und den geglätteten Gaswiderstand GSWa, GSWa der erfindungsgemäßen Regelung angegeben. Auf der Abszisse ist die Zeit in Stunden eingetragen.To illustrate the difference from the known embodiment according to FIG. 1, in FIG. 4 the curve of the smoothed gas sensor resistor GSWkg according to the conventional arrangement is the curve of the smoothed gas sensor resistor GSWkg according to the conventional arrangement is the curve of the smoothed gas sensor resistor GSWag according to the regulation according to the invention, which is an adaptive one Adjustment of the target resistance Swa has applied. The smoothed gas sensor resistance GSWag increases significantly less over time t than the smoothed gas resistance GSWkg with conventional temperature control. The drift of the smoothed gas sensor resistor GSWag is due to changes in the sensor material of the gas sensor. The actually measurable gas sensor resistance in the control according to the invention corresponds to the course of the curve GSWa. Compared to the conventional target resistance SWk of the arrangement according to FIG. 1, the target resistance Swa of the control according to the invention is adapted to the drift of the heating resistor RH. The setpoint resistance in kiloohms for the conventional setpoint resistance Swk and the adaptive setpoint resistance Swa is shown on the left coordinate. On the right ordinate, the gas sensor resistance is given in kiloohms for the conventional smoothed gas resistance GSWkg, the unsmoothed gas resistance and the smoothed gas resistance GSWa, GSWa of the control according to the invention. The time is entered in hours on the abscissa.
Claims (3)
- 1.1 bei dem die Umgebungstemperatur Ta gemessen wird,
- 1.2 bei dem die elektrische Leistung berechnet wird, die nötig ist,um das Heizelement auf eine Solltemperatur zu bringen,
- 1.3 bei dem das Heizelement mit der berechneten elektrischen Leistung betrieben wird,
- 1.4 bei dem der Widerstand RH des Heizelementes gemessen wird,
- 1.5 bei dem vom Betrieb mit der berechneten elektrischen Heizleistung umgestellt wird auf den Betrieb mit konstantem Widerstand RH,
- 1.6 bei dem aus der zeitlichen Drift des Widerstands RH bestimmt wird, in welchem zeitlichen Abstand die Schritte 1.1 bis 1.4 wiederholt werden.
- 1.1 at which the ambient temperature Ta is measured,
- 1.2 in which the electrical power is calculated which is necessary to bring the heating element to a desired temperature,
- 1.3 in which the heating element is operated with the calculated electrical power,
- 1.4 in which the resistance RH of the heating element is measured,
- 1.5 in which the switchover from operation with the calculated electrical heating output to operation with constant resistance RH,
- 1.6 in which it is determined from the temporal drift of the resistance RH at what time interval steps 1.1 to 1.4 are repeated.
- 1.1 bei dem die Umgebungstemperatur Ta gemessen wird,
- 1.2 bei dem die elektrische Leistung berechnet wird, die nötig ist,um das Heizelement auf eine Solltemperatur zu bringen,
- 1.3 bei dem das Heizelement mit der berechneten elektrischen Leistung betrieben wird,
- 1.4 bei dem der Widerstand RH des Heizelementes gemessen wird,
- 1.5 bei dem vom Betrieb mit der berechneten elektrischen Heizleistung umgestellt wird auf den Betrieb mit konstantem Widerstand RH,
- 1.6 bei dem vor einer Gasmessung mit dem Gassensor die Schritte 1.1 bis 1.4 durchgeführt werden.
- 1.1 at which the ambient temperature Ta is measured,
- 1.2 in which the electrical power is calculated which is necessary to bring the heating element to a desired temperature,
- 1.3 in which the heating element is operated with the calculated electrical power,
- 1.4 in which the resistance RH of the heating element is measured,
- 1.5 in which the switchover from operation with the calculated electrical heating output to operation with constant resistance RH,
- 1.6 in which steps 1.1 to 1.4 are carried out before a gas measurement with the gas sensor.
- - bei der eine den Widerstand RH des Heizelements aufweisende Widerstandsmeßbrücke vorgesehen ist,
- - bei der ein Fehlerverstärker (F) vorgesehen ist, welcher eingangsseitig mit der Widerstandsmeßbrücke verbunden ist,
- - bei der ein Mittel zum Schalten (S) vorgesehen ist, welches wahlweise den Fehlerverstärker (F) oder einen Leistungsregler (LR) mit einem Leistungsteil (LT) verbindet,
- - bei der zur Berechnung der Heizleistung eine Recheneinheit (RE) vorgesehen ist, welche mit dem Leistungsregler (LR) verbunden ist, welche zur Messung des Widerstands RH mit dem Heizelement verbunden ist, und welche mit dem Fehlerverstärker (F) verbunden ist, um diesem ein Driftkorrektursignal zur Verfügung zu stellen.
- a resistance measuring bridge having the resistance RH of the heating element is provided,
- an error amplifier (F) is provided, which is connected on the input side to the resistance measuring bridge,
- - In which a means for switching (S) is provided, which optionally connects the error amplifier (F) or a power controller (LR) with a power unit (LT),
- - In which a computing unit (RE) is provided for calculating the heating power, which is connected to the power controller (LR), which is connected to the heating element for measuring the resistance RH, and which is connected to the error amplifier (F) by the latter to provide a drift correction signal.
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