DE19722872A1

DE19722872A1 - Schaltung zur Messung des Elektrodenstroms eines keramischen Gassensors

Info

Publication number: DE19722872A1
Application number: DE19722872A
Authority: DE
Inventors: Rene Schenk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-05-31
Filing date: 1997-05-31
Publication date: 1998-12-03
Anticipated expiration: 2017-06-01
Also published as: US6160404A; FR2764068A1; FR2764068B1; DE19722872B4

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Messung des Elektrodenstroms eines keramischen Gassensor mit zwei in einer beheizbaren Keramik angeordneten Sensorelektroden, deren eine in dem zu messenden Gas angeordnet ist und deren andere als Referenzelektrode dient, durch eine den Sensorelektroden des Gassensors nachgeschaltete Strommeß schaltung.

Derartige keramische Gassensoren sind seit längerem bekannt. Sie werden vorzugsweise in Automobilen zur Detektion von schädlichen Abgasen eingesetzt und weisen eine ionenleitende Keramik, beispielsweise Zirkonoxyd (ZRO₂), auf. Diese muß zur Gewährleistung einer ordnungs gemäßen Funktion beheizt werden. Aus diesem Grunde ist in der Keramik ein Heizer eingebettet. Da nun die Keramik im beheizten Betriebszustand elektrisch leitend wird, muß der Heizer isoliert werden.

Die Isolation des Heizers ist aber insbesondere bei hohen Temperaturen problematisch, da sich Leckwiderstände vom Heizer zu den Sensorelektroden in der Größenordnung von einigen Megaohm ergeben.

Dies ist zwar bei Sonden mit großen Meßströmen, bei spielsweise Lambdasonden, unkritisch. Bei Gassensoren, bei denen der Meßeffekt jedoch in der Größenordnung wenigen Mikroampere liegt und die außerdem in Verbindung mit Schaltungen, welche den Strom auswerten, betrieben werden, entsteht jedoch ein sehr großer Meßfehler. Der von der Heizung wegfließende Leckstrom ist nämlich dem eigentlichen Meßstrom überlagert und verursacht im Meßergebnis verhältnismäßig große Fehler.

Da bei Gassensoren große Exemplarstreuungen und eine große Alterung auftreten, kann der Leckstrom andererseits auch nicht einfach durch eine feste Korrekturgröße kompensiert werden.

Aus diesem Grunde wird daher bislang zur Messung des Meßstroms beispielsweise ein isolierverstärker einge setzt. Durch diesen wird die eigentliche Meßschaltung potentialgetrennt betrieben und die Meßgröße isoliert zur weiteren Signalverarbeitung übertragen. Die Potential trennung kann beispielsweise durch Transformatoren oder optoelektronisch erfolgen. In diesem Falle stellt sich das Spannungspotential an den Sensorelektroden so ein, daß der Leckstrom zu Null wird, da er nirgends hinfließen kann. Es wird als Folge davon nur der gewünschte Meßstrom gemessen. Nachteilig bei diesem Meßverfahren ist der hohe Bedarf an teueren, nicht oder nur schwer integrierbaren Bauteilen.

Bei Sensoren, die ein Spannungssignal liefern, ist es bekannt, die Messung über einen sogenannten Elektrometer- oder Instrumentenverstärker vorzunehmen. Dieser mißt die Spannung "stromlos", so daß sich ein Leckstrom nicht auf das Meßergebnis auswirken kann.

Aus der EP 0 403 615 B1 geht des weiteren ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erkennen eines Fehlerzustands einer Lambdasonde und zum Ergreifen von Maßnahmen als Folge eines Fehlersignals hin, das bei erkanntem Fehler zustand abgegeben wird, hervor, bei dem durch ein Korrelationsverfahren unzulässig große Fehlerursachen während des Betriebs der Lambdasonde diagnostiziert werden. Da Nebenschlüsse nur während des Betriebs der Heizung existieren, wird bei diesem Meßverfahren zur Erkennung eines Fehlerzustands die Sondenheizung ausge schaltet, da in diesem Falle keine Nebenschlußspannung und damit keine Verfälschung des Meßergebnisses vorliegt. Die Differenz zwischen der bei eingeschalteter und ausgeschalteter Heizung gemessenen Sondenspannung ergibt die Nebenschlußspannung.

Problematisch bei diesem Verfahren ist, daß es nicht ohne weiteres auf eine Strommessung angewendet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltung zur Messung des Elektrodenstroms eines keramischen Gassensors dahingehend weiterzubilden, daß sie eine möglichst präzise Erfassung des Meßstroms ohne durch Leckströme hervorgerufene Störungen ermög licht.

Vorteile der Erfindung

Die Aufgabe wird bei einer Schaltung zur Messung des Elektrodenstroms eines keramischen Gassensors der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Strommeßschaltung umfaßt: einen ersten Schaltungsteil, welcher den von der ersten Sensorelektrode über einen Strommeßshunt wegfließenden Meßstrom erfaßt, einen zweiten Schaltungsteil, welcher einen Strom erzeugt, dessen Betrag dem des von dem ersten Schaltungsteil erfaßten Meßstroms entspricht und der zur zweiten Sensorelektrode über einen Stromrückführshunt hinfließt, und einen dritten Schaltungsteil, welcher die über die Shuntwiderstände abfallende Spannungsdifferenz verstärkt und in ein auf ein Bezugspotential bezogenes Meßsignal wandelt.

Durch den ersten Schaltungsteil, der den von der ersten Sensorelektrode abfließenden Meßstrom erfaßt und den zweiten Schaltungsteil, der einen Strom erzeugt, der den gleichen Betrag wie der erfaßte Meßstrom aufweist und zur anderen Sensorelektrode hinfließt, wird auf besonders vorteilhafte Weise erreicht, daß der Meßstrom, der aus der ersten Sensorelektrode des Sensorelements heraus fließt, in gleicher Größe wieder in die zweite Sensor elektrode des Sensorelements hineinfließt. Der Erfindung liegt nämlich die Idee zugrunde, daß dann, wenn diese beiden Ströme exakt gleich sind, ein Leckstrom nur so lange zu einer Verschiebung des Meßpotentials an den Sensorelektroden führt, bis der Leckstrom Null wird.

Die eigentliche Meßgröße wird dann auf besonders einfach zu realisierende Weise in dem dritten Schaltungsteil, welcher die über den Shuntwiderständen abfallende Spannungsdifferenz verstärkt, in ein auf ein Bezugs potential bezogenes Meßsignal gewandelt.

Was die Ausbildung der Schaltungsteile betrifft, so sind rein prinzipiell die unterschiedlichsten Ausführungs formen denkbar.

Eine vorteilhafte, einfach zu realisierende und ins besondere auch auf einfache Weise als integrierte Schaltung ausführbare Ausführungsform sieht vor, daß der erste Schaltungsteil einen als invertierender Strom- Spannungs-Wandler geschalteten ersten Operationsver stärker umfaßt, in dessen Rückkopplungszweig der Strom meßshunt geschaltet ist, daß der zweite Schaltungsteil einen als Spannungsinverter dem ersten Operationsver stärker nachgeschalteten zweiten Operationsverstärker umfaßt, der die Ausgangsspannung des ersten Operations verstärkers bezüglich eines Bezugspotentials invertiert und dessen Ausgangsspannung zur Erzeugung des rück fließenden Meßstroms an dem Stromrückführshunt abfällt, und daß der dritte Schaltungsteil einen als Differenzver stärker geschalteten dritten Operationsverstärker umfaßt.

Um insbesondere Störungen, die von langen Versorgungs leitungen herrühren, zu kompensieren, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß zwischen dem invertierenden Eingang des ersten Operationsver stärkers und dessen Ausgang eine Kapazität geschaltet ist, und daß dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers ein ohmscher Widerstand vorgeschal tet ist. Durch diese Beschaltung des ersten Operations verstärkers wird die Meßschaltung insbesondere gegenüber höheren Störfrequenzen unempfindlich.

Für manche Sensortypen muß die Strommessung mit einer angelegten Vorspannung erfolgen. Bei einer definierten Vorspannung können insbesondere definiert einzelne Gaskomponenten detektiert werden, da der Gassensor in diesem Falle als Pumpzelle betrieben wird.

Um die Strommeßschaltung bei einer definierten Vor spannung betreiben zu können, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, daß der Strommeßschaltung ein Impedanzwandlern nachgeschalteter Spannungsteiler vor geschaltet ist, durch den über eine dem Spannungsteiler nachgeschaltete Sollspannungsquelle das Bezugspotential der Strommeßschaltung verschoben wird.

Die Sollspannungsquelle kann auf die unterschiedlichste Art und Weise realisiert werden. Beispielsweise kann hierfür eine Zenerdiode vorgesehen sein. Eine vorteilhaf te Ausführungsform, die insbesondere eine ansteuerbare Sollspannungsquelle ermöglicht, sieht vor, daß die Sollspannungsquelle einen Widerstand umfaßt, der vom Ausgangssignal einer Stromquelle durchflossen wird. Auf diese Weise kann die Sollspannungsquelle oder mit anderen Worten die von dieser überlagerte Spannung steuerbar eingestellt werden.

Zeichnung

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichneri schen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Schaltung zur Messung des Elektroden stroms eines keramischen Gassensors;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Schaltung zur Messung des Elektroden stroms eines keramischen Gassensors;

Fig. 3 schematisch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Messung des Elektrodenstrom eines keramischen Gassensors;

Fig. 4 eine Modifikation des in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungs gemäßen Schaltung zur Messung des Elektroden stroms eines keramischen Gassensors und

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Schaltung zur Messung des Elek trodenstroms eines keramischen Gassensors.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Eine Strommeßschaltung zur Messung des Elektrodenstroms eines nicht dargestellten keramischen Gassensors, der über einen Heizwiderstand beheizt wird, dargestellt in Fig. 1, umfaßt drei Schaltungsteile.

Der erste Schaltungsteil weist einen ersten Operations verstärker OP1 auf, der als invertierender Strom-Span nungs-Wandler geschaltet ist und die Spannung zwischen den beiden Sensoranschlüssen, das heißt Sensorelektroden, des Sensorelements auf Null regelt. Der hierzu benötigte Strom erzeugt in einem Strommeßshunt R2 einen Spannungs abfall, der ein Maß für den Meßstrom ist. Diese Spannung wird durch einen OP2, der Teil eines zweiten Schaltungs teils ist, bezüglich des Potentials des zweiten Sensor anschlusses invertiert. Die invertierte Spannung wird über einen Stromrückführshunt R1 mit dem zweiten Sensor anschluß verbunden. Auf diese Weise entsteht an beiden Shuntwiderständen R1 und R2 der exakt gleiche Span nungsabfall. Wenn beide Widerstände gleich groß bzw. auf das Verhältnis der Widerstände R3 und R4 angepaßt sind, fließen jeweils auch die gleichen Ströme in den beiden Schaltungsteilen. Mit anderen Worten es fließt ein Strom, der dem durch den ersten Schaltungsteil, d. h. durch den ersten Operationsverstärker OP1 detektierten und von der ersten Meß- oder Sensorelektrode wegfließenden Strom entspricht, betragsgleich wieder in die zweite Sensor elektrode hinein. Auf diese Weise führt ein von der Heizung abfließender Leckstrom lediglich zu einer Verschiebung des Meßpotentials an den Sensorelektroden. Diese Verschiebung findet so lange statt, bis der Leckstrom verschwindet.

Fehler entstehen bei dieser Schaltung nur durch Paarungs toleranzen der Widerstände und durch die Offsetspannung der Operationsverstärker OP1, OP2. Diese können jedoch maximal nur einen kleinen Bruchteil des Meßstroms betragen und sind daher vernachlässigbar.

Der Spannungsabfall über den beiden Shuntwiderständen R1 und R2 wird über einen als Differenzverstärker geschalte ten dritten Operationsverstärker OP3, der Teil eines dritten Schaltungsteils ist, verstärkt.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung unterscheidet sich von der in Fig. 1 nur dadurch, daß zwischen dem inver tierenden Eingang und dem Ausgang des ersten Operations verstärkers OP1 eine Kapazität C1 geschaltet ist und daß dem invertierenden Eingang des ersten Operationsver stärkers OP1 ein ohmscher Widerstand R9 vorgeschaltet ist.

Die übrigen Elemente der in Fig. 2 dargestellten Schal tung entsprechen denen der in Fig. 1 dargestellten Schaltung und es wird bezüglich deren Beschreibung vollinhaltlich auf die Ausführung zu Fig. 1 Bezug genommen.

Der in Fig. 2 dargestellten geänderten Beschaltung des ersten Operationsverstärkers OP1 liegt insbesondere die Idee zugrunde, die Schaltung gegenüber Schwingungen, die besonders bei einer Verbindung der Schaltung mit langen Zuführungsleitungen und den dadurch entstehenden Kapazi täten entstehen können, unempfindlich zu machen.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung verhält sich im Gleichspannungsbetrieb wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltung. Der Widerstand R9 hat keine Auswirkung, da der Eingangsstrom des Operationsverstärkers OP1 nahezu Null ist. Bei höheren Frequenzen wird die Schaltung jedoch durch die Gegenkopplung über C1 unempfindlich. Die Verstärkung für hohe Frequenzen wird klein und dadurch wird die Regelschleife stabil.

Für einige Gassensortypen muß die Strommessung mit einer angelegten Vorspannung erfolgen, beispielsweise um unterschiedliche Gassorten zu detektieren, die bei Anlegen einer definierten Vorspannung gewissermaßen im Gassensor "abgepumpt" werden können.

Eine Strommeßschaltung, die auch bei einer angelegten Vorspannung ermöglicht, daß der von der einen Sensorelek trode wegfließende Meßstrom gleicher Größe wieder zu der anderen Sensorelektrode des Sensorelements hinfließt, ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung ist den Sensorelektroden ein Spannungsteiler aus den Widerständen R5 und R6 nachgeschaltet. Der Spannungsteiler ist über eine Sollspannungsquelle Usoll dem ersten Operationsver stärker OP1 vorgeschaltet. Der Operationsverstärker OP1 regelt über den Strommeßshunt R2 die Mittenspannung so, daß der Spannungsabfall über R5 gleich der Sollspannung Usoll ist, die von der Sollspannungsquelle Usoll erzeugt wird. Der zweite Operationsverstärker OP2 spiegelt die Ausgangsspannung des ersten Operationsverstärkers OP1 bezüglich der Mittenspannung des Spannungsteilers. Dadurch ergibt sich an dem Stromrückführshunt R1 derselbe Spannungsabfall wie an dem Strommeßshunt R2. Im Ergebnis sind - wie oben erwähnt - die beiden Ströme, die von der ersten Sensorelektrode wegfließen und zur zweiten Sensorelektrode hinfließen, betragsmäßig gleich, so daß ein Leckstrom lediglich zu einer Verschiebung des Meßpotentials so lange führt, bis der Leckstrom ver schwindet.

Das Meßsignal kann auch hier wieder durch einen, in Fig. 3 nicht dargestellten, als Differenzverstärker geschalte ten dritten Operationsverstärker OP3 in ein massebezo genes Signal umgewandelt werden.

Es versteht sich, daß der Spannungsteiler und die Sollspannungsquelle auch der in Fig. 2 dargestellten Schaltung vorgeschaltet sein können. Eine derartige Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt. Zusätzlich zu der in Fig. 3 dargestellten Schaltung sind in Fig. 4 dem Spannungsteiler aus den Widerständen R5 und R6 jeweils Impedanzwandler vorgeschaltet. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, sind diese Impedanzwandler beispielsweise durch als Impedanzwandler geschaltete Operationsverstärker OP4 und OP5 realisiert. Die Sensorspannung wird zunächst durch die Impedanzwandler OP4 und OP5 impedanzgewandelt. Durch die Widerstände R5 und R6 wird die Mittenspannung zwischen den Ausgängen der operationsverstärker OP4 und OP5 erzeugt. Der Operationsverstärker OP1 regelt über den Strommeßshunt R2 die Mittenspannung so, daß der Span nungsabfall über R5 gleich der Sollspannung ist. Der Operationsverstärker OP1 ist zusammen mit dem Kondensator C3 als I-Regler geschaltet. Der operationsverstärker OP2 spiegelt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers OP1 bezüglich der verschobenen Mittenspannung. Hierdurch ergibt sich an dem Stromrückführshunt R1 derselbe Spannungsabfall wie an dem Strommeßshunt R2, so daß der aus der Schaltung hin zu einer Sensorelektrode fließende Meßstrom genauso groß ist wie der von der anderen Sensorelektrode in die Schaltung hineinfließende Meß strom.

Das Meßsignal wird wiederum durch den als Differenzver stärker geschalteten Operationsverstärker OP3 in ein massebezogenes Signal umgewandelt.

Die Sollspannung Usoll kann auf unterschiedliche Art realisiert werden, beispielsweise durch Zenerdioden u. dgl. Es ist auch möglich, einen Widerstand, der vom Ausgangssignal einer ansteuerbaren Stromquelle durch flossen wird, als Sollspannungsquelle zu verwenden. Bei einer derartigen Sollspannungsquelle ist die überlagerte, der Spannungsverschiebung dienende Sollspannung steuer bar.

Es sind darüber hinaus auch Sensortypen bekannt, bei denen zwar eine Spannungsmessung zur Auswertung verwendet wird, die aber einen überlagerten Strom benötigen. Bei der Auswertung ergeben sich prinzipiell dieselben Probleme wie bei der Strommessung.

Um diese zu beseitigen, kann die in Fig. 4 dargestellte Schaltung modifiziert werden, wie es in Fig. 5 darge stellt ist. Dabei sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich der Erläuterung dieser Schaltungselemente auf die obenstehenden Aus führungen zu Fig. 4 vollinhaltlich Bezug genommen wird.

Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung ermöglicht eine hochohmige Spannungsmessung mit überlagerter Stromein prägung. In diesem Falle stellt der Operationsverstärker OP1 eine Spannung am Strommeßshunt R2 ein, die um die Sollspannung Usoll höher ist als die Spannung am Sensor anschluß. Die Folge ist ein eingeprägter Strom. Der Operationsverstärker OP2 spiegelt auch hier die Spannung bezüglich der verschobenen Mittenspannung und erzeugt am Stromrückführshunt R1 einen in die entgegengesetzte Richtung fließenden Strom gleicher Größe, so daß auch hier der Meßstrom der von der einen Sensorelektrode in die Schaltung hineinfließt, wieder aus der Schaltung heraus und zu der anderen Sensorelektrode hinfließt.

Die in Fig. 2, 4 und 5 dargestellten Schaltungen können auch gleichzeitig zusammen mit einer Messung des Sensor widerstandes über eine Wechselspannung verwendet werden. Durch die oben in Verbindung mit Fig. 2 beschriebenen Filtermaßnahmen werden die Schaltungen bei Einkopplung einer Wechselspannung ausreichend hoher Frequenz an das Sensorelement nicht gestört. Diese ist notwendig, wenn eine Temperaturregelung der Sensoren über den dynamischen Innenwiderstand erfolgen soll.

Von besonderem Vorteil bei den oben beschriebenen Schaltungen ist es, daß sie mit einfachen, insbesondere auch integrierbaren Bauteilen realisierbar sind.

Claims

1. Schaltung zur Messung des Elektrodenstroms eines keramischen Gassensors mit zwei in einer beheizbaren Keramik angeordneten Sensorelektroden, deren eine in dem zu messenden Gas und deren andere als Referenz elektrode dient, durch eine den Sensorelektroden nachgeschaltete Strommeßschaltung, dadurch gekenn zeichnet, daß die Strommeßschaltung umfaßt: einen ersten Schaltungsteil, der den von der ersten Sensorelektrode über einen Strommeßshunt (R2) weg fließenden Meßstrom erfaßt, einen zweiten Spannungs teil, welcher einen Strom erzeugt, dessen Betrag dem des von dem ersten Schaltungsteil erfaßten Meßstroms entspricht und der zur zweiten Sensorelektrode über einen Stromrückführshunt (R1) hinfließt, und einen dritten Schaltungsteil, welcher die über die Shunt widerstände (R1, R2) abfallende Spannungsdifferenz verstärkt und in ein auf ein Bezugspotential bezoge nes Meßsignal wandelt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schaltungsteil einen als invertieren der Strom-Spannungs-Wandler geschalteten ersten Operationsverstärker (OP1) umfaßt, in dessen Rück kopplungszweig der Strommeßshunt (R2) geschaltet ist, daß der zweite Schaltungsteil einen als Span nungsinverter dem ersten Operationsverstärker (OP1) nachgeschalteten zweiten Operationsverstärker (OP2) umfaßt, der die Ausgangsspannung des ersten Opera tionsverstärkers (OP1) bezüglich eines Bezugspoten tials invertiert und dessen Ausgangsspannung zur Erzeugung des rückfließenden Meßstroms an dem Stromrückführshunt (R1) abfällt, und daß der dritte Teil einen als Differenzverstärker geschalteten dritten Operationsverstärker (OP3) umfaßt, der die an den Shuntwiderständen (R1, R2) abfallende Diffe renzspannung verstärkt.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP1) eine Kapazität (C1) geschaltet ist und daß dem invertierenden Eingang des ersten Operationsver stärkers (OP1) ein ohmscher Widerstand (R9) vor geschaltet ist.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strommeßschaltung ein Impedanzwandlern nachgeschalteter Spannungsteiler (R5, R6) vorgeschaltet ist, durch den über eine dem Spannungsteiler (R5, R6) nachgeschaltete Sollspan nungsquelle (Usoll) das Bezugspotential der Strom meßschaltung verschoben wird.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollspannungsquelle (Usoll) ein Widerstand ist, der von dem Ausgangssignal einer steuerbaren Stromquelle durchflossen wird.