DE19833454A1 - Method for reducing drift behavior in resistive high-temperature gas sensors and device for carrying out the method - Google Patents
Method for reducing drift behavior in resistive high-temperature gas sensors and device for carrying out the methodInfo
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Abstract
Verfahren und Vorrichtung zur Einstellung/Regelung eines Gassensors (1) mit Heizelement (12) und Sensorelement (11). Das Heizelement (12) wird mit einer PWM-Wechselspannung mit gesteuerten Spannungspulsen (t1, t2) mit entgegengesetzter Polarität gespeist und während der Dauer der Spannungspulse (t1, t2) werden die gassensorischen Meßwerte (Im1 und Im2) und die dabei geflossenen Ladungsmengen (Q1, Q2) ermittelt. Der Differenzwert (DELTAQ = Q1-Q2) wird zwecks Unterdrückung unipolarer Leckströme im Sensorelement minimiert.Method and device for setting / regulating a gas sensor (1) with heating element (12) and sensor element (11). The heating element (12) is fed with a PWM alternating voltage with controlled voltage pulses (t1, t2) with opposite polarity and during the duration of the voltage pulses (t1, t2) the gas-sensory measured values (Im1 and Im2) and the amounts of charge that have flowed (Q1 , Q2) determined. The difference value (DELTAQ = Q1-Q2) is minimized in order to suppress unipolar leakage currents in the sensor element.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Maßnahmen, mit denen Driftef fekte und Meßwertverfälschungen wenigstens minimiert werden können, die an resistiven Hochtemperatur-Gassensoren im Be trieb derselben beobachtet worden sind. Als Ursache für die ses Driftverhalten sind unipolare elektrische Stromflüsse in den/durch die meßsensitiven Elemente/Bestandteile eines resi stiven Metalloxid-Hochtemperatur-Gassensors festgestellt wor den. Solche Sensoren werden für die Analyse und Überwachung von Abgasen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, verwendet, z. B. als sogenannte resistive Lamda-Sonde.The invention relates to measures with which Driftef defects and falsifications of measurements are at least minimized can on resistive high-temperature gas sensors in the loading drive have been observed. As the cause of that This drift behavior is unipolar electrical current flows in the / through the measurement-sensitive elements / components of a resi tripod metal oxide high temperature gas sensor found wor the. Such sensors are used for analysis and monitoring of exhaust gases, especially in motor vehicles, e.g. B. as a so-called resistive lambda probe.
Einschlägige Gassensoren bestehen aus einem HTCC-Substrat (High Temperatur Cofired Ceramic), das z. B. Aluminiumoxid ist. Es wird in der vorm eines Plättchens bzw. einer Folie verwendet. Auf diesem Substrat sind außer der gassensitiven Metalloxidschicht ein von dieser elektrisch isoliertes Heiz element, vorzugsweise aus Platin, und ggfs. ein Temperatur fühler aufgebracht. Ein solcher Aufbau ist allgemein bekannt und wird nach bekannten Verfahrensschritten hergestellt.Relevant gas sensors consist of an HTCC substrate (High Temperature Cofired Ceramic), e.g. B. alumina is. It is placed in front of a plate or a foil used. In addition to the gas sensitive are on this substrate Metal oxide layer a heater electrically insulated from this element, preferably made of platinum, and possibly a temperature sensor applied. Such a structure is generally known and is manufactured according to known process steps.
Das erwähnte Heizelement dient dazu, den Sensor auf der not wendigen Betriebstemperatur zu halten, wobei konstante Ein haltung der Temperatur zur Vermeidung von Störungen durch (exponentielle) Temperaturquerempfindlichkeit der Sensor schicht erwünscht ist. Typische Betriebstemperaturen eines solchen Sensors liegen zwischen 700 und 950°C, bei denen zur Verfügung stehende Isolationsmaterialien für das Substrat be reits einen relativ niedrigen spezifischen elektrischen Wi derstand haben, nämlich vergleichsweise zu den spezifischen Widerständen der Metalloxid-Materialien der Gas-Sensor schicht. Letztere liegen zwischen 20 K und 2 M-Ohm. The heating element mentioned serves the sensor on the emergency agile operating temperature, keeping constant on maintaining the temperature to avoid malfunctions (Exponential) temperature cross sensitivity of the sensor layer is desired. Typical operating temperatures of a Such sensors are between 700 and 950 ° C, at which for Available insulation materials for the substrate be has a relatively low specific electrical Wi have, namely comparative to the specific Resistors of the metal oxide materials of the gas sensor layer. The latter are between 20 K and 2 M-ohms.
Um während der gassensitiven Messung durch die Heizung mögli cherweise verursachte Störungen zu vermeiden, erfolgt die Gasdetektion stets bei im Moment dieser Messung nicht strom durchflossenem Heizelement.To be possible during the gas sensitive measurement by the heating to avoid any interference caused Gas detection always with no current at the moment of this measurement flowed heating element.
Es ist aber auch festgestellt worden, daß die Meßwerte, die mit einem einschlägigen Sensor zu erhalten sind, über die Be triebszeit hinweg veränderlich sind, was auf Veränderungen im Sensorelement beruht.However, it has also been found that the measured values, the can be obtained with a relevant sensor, through which Be drive time are variable, which is due to changes in the Sensor element is based.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen anzuge ben, mit denen mit einem solchen Gassensor Meßwerte zu erhal ten sind, die minimaler Drift unterliegen.The object of the present invention is to take measures ben with which to obtain measured values with such a gas sensor are subject to minimal drift.
Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst und Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen her vor.This task is accomplished with the measures of claim 1 solved and further training come from the dependent claims in front.
Die Erfindung umfaßt also u. a. als wesentliche Maßnahme die jenige, einen in (nachstehend noch näher erläutert) bestimm ter Weise ausgewählten Wechselstrom für die Heizung zu ver wenden. Insbesondere ist die Form dieses Wechselstroms zum einen an das spezielle Sensorexemplar individuell angepaßt und zum anderen an im Laufe der Betriebsdauer im Sensor auf tretende Änderungen angeglichen automatisch geregelt ausge wählt.The invention thus includes u. a. as an essential measure the that, one in (explained in more detail below) ter selected AC for heating to ver turn. In particular, the form of this alternating current is one individually adapted to the special sensor specimen and on the other in the course of the operating time in the sensor occurring changes adjusted automatically regulated chooses.
Es wurde festgestellt, daß in den gassensitiven resistiven Schichten einschlägiger Gas-Sensorelemente mit der Betriebs dauer derselben Polarisationsdefekte auftreten, die zu einer Meßwertdrift führen. Die Ursache dafür ist in der Wirkung unipolarer Ströme bzw. von Gleichstromanteilen eines fließen den Wechselstroms zu sehen, die durch Material der sensitiven Schicht hindurchfließen. Ursache für solche unipolaren Ströme sind Leckströme, die vom Sensorelement z. B. zum ebenfalls stromgespeisten Heizelement des Sensors über die Zeitdauer hinweg in unipolarer Richtung fließen. Mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1 und weitergehend mit zusätzlich denen von Unteransprüchen wird erfindungsgemäß erreicht, daß über Zeit abschnitte der Betriebsdauer hinweg summiert elektrischer Strom mit nur unipolarer Richtung im gassensitiven Material vermieden oder zumindest stark minimiert ist. Das heißt, daß die elektrische Ladungsmenge zumindest minimiert ist, die in Zeitabschnitten des Betriebs durch das gassensitive Material unipolar hat fließen können, so daß auf dem unipolaren Strom fluß solcher elektrischer Ladungen beruhende-Polarisationsde fekte in diesem Material zumindest weitestgehend vermieden werden.It was found that in the gas sensitive resistive Layers of relevant gas sensor elements with the operating same polarization defects occur that lead to a Lead measurement drift. The reason for this is in the effect unipolar currents or DC components of one flow to see the alternating current through material of the sensitive Flow through the layer. Cause of such unipolar currents are leakage currents from the sensor element z. B. also current-fed heating element of the sensor over the period of time flow away in the unipolar direction. With the measures of Claim 1 and further with those of Subclaims is achieved according to the invention that over time Sections of the operating time add up electrical Current with only a unipolar direction in the gas-sensitive material is avoided or at least greatly minimized. It means that the amount of electrical charge is at least minimized, which in Periods of operation through the gas sensitive material unipolar has been able to flow, so that on the unipolar current flow of such electrical charges based polarization earth at least largely avoided in this material become.
Bei der Erfindung wird nicht nur für den die gassensitive Schicht des Sensorelements durchfließenden elektrischen Meß strom Im Wechselstrom benutzt, sondern auch für die Speisung der Heizung dem Gassensors wird Wechselstrom angewendet, und zwar ein solcher erfindungsgemäß ausgewählter besonderer Art.In the invention, the gas-sensitive is not only for Layer of the sensor element flowing electrical measurement electricity used in alternating current, but also for feeding the heating of the gas sensor, alternating current is applied, and although such a particular type selected according to the invention.
Bekanntermaßen ist der Aufbau eines geheizten resistiven Gas sensors derart ausgebildet, daß auf einem elektrisch isolie renden Substratplättchen sich in einer Ebene flächenmäßig er streckend das Sensorelement und in einer dazu benachbarten Parallelebene sich ebenso flächenmäßig erstreckend das Heize lement befindet. In der jeweiligen Ebene des Sensorelements und des Heizelements bewirkt der durchs jeweilige Element fließende (Meß- bzw. Heiz-)Strom, der dort zwischen am jewei ligen Element vorgesehenen Elektroden fließt, ein jeweiliges elektrisches Potentialfeld. Entsprechend der einerseits am Sensorelement und andererseits am Heizelement angelegten elektrischen Spannungen tritt in etwa in der Mitte in der Ebene des jeweiligen Elements ein hier als Mittelpotential definierter mittlerer Wert der Potentialdifferenz der am je weiligen Element anliegenden elektrischen Spannung auf.It is known to build a heated resistive gas sensors designed such that on an electrically isolie surface platelets in one plane stretching the sensor element and in an adjacent one Heating also extends in parallel plane element is located. In the respective level of the sensor element and of the heating element effects through the respective element flowing (measuring or heating) current, which is there between on each electrodes provided element flows, a respective one electrical potential field. According to the on the one hand Sensor element and on the other hand applied to the heating element electrical voltages occur approximately in the middle in the Level of the respective element here as a mean potential Defined mean value of the potential difference on each because of the applied voltage.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird bewirkt, daß eine unipolare Potentialdifferenz, d. h. eine elektrische Spannung zwischen diesem Mittelpotential der Schicht des Sensorele ments und dem der Schicht des Heizelements über die Betriebs dauer hinweg integriert minimiert bzw. im Idealfall gleich Null gemacht ist. Dies bedeutet, daß über die Zeitdauer hin weg dort möglichst kein unipolarer Anteil elektrischer Ladung im Laufe der Betriebs zeit geflossen ist, nämlich durch den Polarisationsdefekte hätten erzeugt sein können. Mit dieser Maßnahme ist sichergestellt, daß integral über die Zeit auch außerhalb der erwähnten Mitte der Ebenen fließende unipolare Ladungsmenge zeitlich minimiert ist.The measures according to the invention have the effect that a unipolar potential difference, d. H. an electrical voltage between this mean potential of the layer of the sensor element elements and that of the layer of the heating element on the operation permanently minimized or ideally the same Is made zero. This means that over time away there if possible no unipolar portion of electrical charge has flowed in the course of the operating time, namely through the Polarization defects could have been created. With this Measure ensures that is integral over time as well flowing unipolar outside the mentioned middle of the planes Charge quantity is minimized in time.
Für die Heizung eines wie einschlägigen Sensors Wechselstrom in der Form eines PWM-(Puls-Weiten-Modulation-)Signals zu verwenden, ist insbesondere für die Fälle bekannt, bei denen die Speisung der Heizung aus einer Gleichstromquelle (wie z. B. im Fahrzeug) mit einer Spannung Vcc gegen Masse zu be treiben ist. Durch die Pulsweiten-Einstellung läßt sich die eingespeiste elektrische Leistung einfach und verlustarm steuern, nämlich indem man an der Heizung taktweise die volle Spannung Vcc anliegen läßt und in den Taktpausen (in denen wie oben erwähnt die gassensitive Messung erfolgt) keine Spannung am Heizelement anliegt. Dieser Praxis gegenüber ist erfindungsgemäß jedoch vorgesehen, daß die taktweise aufein anderfolgenden Spannungsimpulse, die an das Heizelement ange legt werden, zeitlich abwechselnd entgegengesetzte Polarität haben. Außerdem ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Brei te bzw. Zeitdauer t1 des Spannungsimpulses der einen Richtung und die entsprechende Zeitdauer t2 des entgegengesetzten Im pulses gegeneinander veränderbar sind und dazu die zwischen ihnen liegenden Pausen eingestellt werden können.For heating an alternating current like a relevant sensor in the form of a PWM (Pulse Width Modulation) signal use is particularly known for the cases where the heating supply from a direct current source (like e.g. B. in the vehicle) with a voltage Vcc to ground drive is. The pulse width setting allows the Electrical power fed in easily and with little loss control, namely by pulsing the full one at the heating Voltage Vcc is present and in the clock pauses (in which as mentioned above, the gas-sensitive measurement takes place) none Voltage is present on the heating element. This practice is opposite according to the invention, however, provided that the clockwise subsequent voltage pulses that are attached to the heating element opposite polarity alternating in time to have. It is also provided according to the invention that the porridge te or duration t1 of the voltage pulse in one direction and the corresponding duration t2 of the opposite Im pulses can be changed against each other and the between breaks can be set.
Weitere Erläuterungen der Erfindung werden anhand der beilie genden Figuren gegeben, die weitere Offenbarung enthalten.Further explanations of the invention are based on the enclosed given figures that contain further revelation.
Fig. 1 zeigt das Diagramm eines Beispiels erfindungsgemäß angewendeter Wechselspannung für die Speisung des Heizelements. Fig. 1 shows the diagram of an example according to the invention of applied AC voltage for powering the heating element.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung der Wechselspannung nach Fig. 1, wobei diese Schal tungsanordnung auch Teil der Regelung ist. Fig. 2 shows a circuit arrangement for generating the AC voltage according to Fig. 1, this scarf device arrangement is also part of the control.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung der erfin dungsgemäßen zeitlichen Korrelation der Meßinter valle/-punkte mit den Phasen des Wechselstroms nach Fig. 1. FIG. 3 shows a diagram to illustrate the temporal correlation of the measuring intervals / points according to the invention with the phases of the alternating current according to FIG. 1.
Fig. 4 zeigt das Schema des erfindungsgemäß vorgesehenen Regelprozesses zur Minimierung eines zeitlich inte griert auftretenden unipolaren Leckstroms(-über schusses). Fig. 4 shows the scheme of the control process provided according to the invention for minimizing a temporally integrated unipolar leakage current (excess).
Die Fig. 1 zeigt das Grundprinzip eines Impulsschemas der erfindungsgemäß angewendeten PWM-Heizspannung, mit der erfin dungsgemäß das obenerwähnte Mittelpotential des Heizelements des Gassensors gesteuert/geregelt veränderbar ist, und zwar mit dem Ergebnis der Minimierung unipolaren Leckstroms, wie er nach dem Stand der Technik zwischen dem Sensorelement und dem Heizelement des hier relevanten, oben beschriebenen Gas sensors wegen der bei den hohen Betriebstemperaturen nur be grenzt hohen Isolationswiderstände des Substratplättchens zwangsläufig auftreten würde. Fig. 1 shows the basic principle of a pulse scheme of the PWM heating voltage used according to the invention, with the inventions according to the above-mentioned mean potential of the heating element of the gas sensor is controlled / regulated changeable, with the result of minimizing unipolar leakage current, as it is according to the prior art between the sensor element and the heating element of the relevant gas sensor described above because of the high insulation resistances of the substrate platelet, which would only be limited at the high operating temperatures, would inevitably occur.
Mit t1 ist der jeweilige Impuls der einen Spannungspolari tät/Stromrichtung der Heizwechselspannung und dessen (erfindungsgemäß eingestellte) Zeitdauer bezeichnet. Mit t2 ist der entsprechende entgegengesetzt gerichtete Spannungsim puls (der entsprechend entgegengesetzten Heizstromrichtung) bezeichnet. Mit t0 und t'0 sind zugehörige Pausen bezüglich der mit T bezeichneten Gesamtperiodendauer bezeichnet. Die Abszisse ist die Zeitachse und auf der Ordinate sind die po sitive und die negative Betriebsspannung Vcc aufgetragen. Entsprechend der im Zeitraum T geforderten Heizleistung ist die Summe der Zeitdauern t1 + t2 zu wählen. Erfindungsgemäß werden aber die Zeitdauern t1 und t2 im Verhältnis zueinander in besonderer, noch nachfolgend näher beschriebener Weise be stimmt.With t1 the respective pulse is the one voltage polar act / current direction of the heating alternating voltage and its Designated period of time (set according to the invention). With t2 is the corresponding oppositely directed voltage im pulse (the corresponding opposite heating current direction) designated. With t0 and t'0 associated pauses are related the total period denoted by T. The The abscissa is the time axis and the ordinate is the po sitive and the negative operating voltage Vcc plotted. Corresponding to the heating output required in period T. to choose the sum of the time periods t1 + t2. According to the invention but the time periods t1 and t2 in relation to each other in a special way, to be described in more detail below Right.
Das Grundprinzip des Impulsschemas der Fig. 1 kann im Rahmen der Erfindung bleibend auch variiert sein, daß z. B. anstelle der Aufeinanderfolge von jeweils einem Impuls t1 und einem Impuls t2 auf jeweils mehrere Impulse t1 entsprechend mehrere Impulse t2 folgen und die Summe der zeitlichen Impulsbreiten dieser einen Impulse Σt1 im Verhältnis zur entsprechenden Summe Σt2 erfindungsgemäß eingestellt wird.The basic principle of the pulse scheme of Fig. 1 can also be varied within the scope of the invention that z. B. instead of the succession of one pulse t1 and one pulse t2 for several pulses t1, corresponding to several pulses t2 and the sum of the temporal pulse widths of this one pulse Σt1 in relation to the corresponding sum Σt2 is set according to the invention.
Eine wie in Fig. 1 gezeigte Wechselspannung am Heizelement 12 läßt sich mit einer Schalterbrücke 51 erzeugen, wie sie Fig. 2 zeigt, und zwar für den einen Impuls t1 und den zwei ten Impuls t2 in der Periode T. Die in der Fig. 2 angedeute ten Schalter S sind während der Pause t0, t'0 alle geöffnet. Bei wie in Fig. 1 gezeigter impulsweiser Speisung der Hei zung fließt erfindungsgemäß durch das Heizelement (12 der Fig. 2) bipolarer elektrischer Strom mit jedoch je nach Strom richtung (bei einheitlicher Stromstärke) richtungsabhängig unterschiedlicher Ladungsmenge.An alternating voltage as shown in FIG. 1 on the heating element 12 can be generated with a switch bridge 51 , as shown in FIG. 2, for one pulse t1 and the second pulse t2 in the period T. The one in FIG. 2 indicated switch S are all open during the break t0, t'0. 1 as shown in Fig. 1 pulse supply of heating flows according to the invention through the heating element ( 12 of FIG. 2) bipolar electrical current, but depending on the current direction (at a uniform current strength) direction-dependent different amount of charge.
Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 dient gesteuert als Po tentialregler für das obenerwähnte Mittelpotential des Heize lements 12. Durch entsprechend unterschiedlich lang andauern des Schließen der Schalter S1 und S1' einerseits und der Schalter S2 und S2' andererseits (nämlich t1 und t2) läßt sich das Mittelpotential des Heizelements der Höhe nach in der einen oder anderen Richtung verschoben einstellen. Damit läßt sich erfindungsgemäß ein bei einem einschlägigen Gassen sor auftretender, über die Zeitdauer hinweg als Ladungsmenge integrierter unipolarer Leckstrom-Überschuß im gassensitiven Material des Sensorelements minimieren. Damit wird die Mög lichkeit des Auftretens von Polarisationsdefekten in gleicher Weise minimiert und die gestelle Aufgabe gelöst. The circuit arrangement according to FIG. 2 serves as a potential controller for the above-mentioned mean potential of the heating element 12 . By appropriately varying the duration of the closing of the switches S1 and S1 'on the one hand and the switches S2 and S2' on the other hand (namely t1 and t2), the mean potential of the heating element can be adjusted in height in one direction or the other. In this way, according to the invention, a unipolar excess leakage current in the gas-sensitive material of the sensor element occurring in a relevant alley, which is integrated over the period of time as a quantity of charge, can be minimized. This minimizes the possibility of the occurrence of polarization defects in the same way and solves the task.
Unipolare Leckstromanteile treten nämlich bei Gassensoren der einschlägigen Art als Exemplarstreuung individuell in ver schieden starkem Maße auf, und zwar insbesondere aus kon struktiven Gründen derselben, Fehlpositionierungen der Anord nungen der Elemente und/oder Materialinhomogenitäten. Auch ist es nicht auszuschließen, daß solche Ursachen für das Auf treten unipolarer Ströme als Alterung erst mit der Zeit der Benutzung eines solchen Sensors eintreten. Erfindungsgemäß ist somit eine Steuerung bzw. Regelung vorgesehen, die für den individuellen Gassensor die Minimierung geflossener uni polarer Ladungsmenge einmal einstellt und/oder für den jewei ligen Sensor erreichte Minimierung dieser Ladungsmenge auch über die Zeit hinweg geregelt einhält, obwohl mit der Benut zungszeit Veränderungen im Sensor eingetreten sind.Unipolar leakage current components occur with gas sensors relevant type as copy distribution individually in ver differed greatly, in particular from con structural reasons of the same, mispositioning of the arrangement Element and / or material inhomogeneities. Also it cannot be ruled out that such causes for the opening Unipolar currents occur as aging only with the time of Use such a sensor. According to the invention a control or regulation is thus provided which for the individual gas sensor minimizing the flow of uni polar charge amount once and / or for each current sensor also achieved minimization of this amount of charge over time, although with the user changes in the sensor have occurred.
Für eine geregelte Einstellung einer solchen optimierten An
passung der Potentiale am Heizelement mit geregelter Bemes
sung des Verhältnisses der Zeitdauern t1 und t2 zueinander
(z. B. bei konstant gehaltener Heizung) sieht die Erfindung
folgende Maßnahmen vor:
Wie zum Messen des gassensitiven Widerstandswertes der mit
dem zu messenden/detektierenden Gas belasteten gassensitiven
Schicht (diese Messung erfolgt in den Pausen an das Heizele
ment angelegter elektrischer Spannung) wird bei erfindungsge
mäß jedoch an dem Heizelement anliegender elektrischer Span
nung, d. h. während einer jeweiligen Dauer t1, t2 des Heizens,
ein elektrischer Strom Im durch die gassensitive Schicht des
Sensorelements hindurchgeschickt. Jeweils wird die Stromstär
ke dieses durch das Sensorelement fließenden Stromes gemes
sen, und zwar zum einen die Stromstärke Im1 dieses Stroms
während t1 des Stromflusses im Heizelement in der einen Rich
tung und zum anderen die Stromstärke Im2 während t2 des
Stromflusses in der dazu entgegengesetzten anderen Richtung
im Heizelement. Man geht dabei zweckmäßigerweise von Zeit
dauern t1 = t2 aus. Dabei ist im jeweiligen Zeitpunkt der
Messung die Heizspannung Vcc unabhängig von der Richtung des
Heizstromes immer konstant. Die beiden gemessenen Werte ge
flossener Ladungsmenge Q1 = (Im1 × t1 ) und Q2 = (Im2 × t2)
lassen auf die in entsprechend einer Richtung und in Gegen
richtung während der einen Messung und während der anderen
Messung fließende Leckstrommenge jeweiliger Richtung schlie
ßen. Solange und sofern die beiden Meßwerte Q1 und Q2 als
gleich groß gemessen werden, ist der Aufbau des Sensors ide
al, denn die fließenden Leckstrommengen in der einen Richtung
und der anderen Richtung sind gleich groß und es liegt keine
über die Zeit hinweg unipolare Leckstrom-Ladungsmenge als
Überschuß vor, die im Laufe der Betriebsdauer Polarisations
defekte erzeugen könnte.The invention provides for the following measures for a regulated setting of such an optimized adaptation of the potentials on the heating element with regulated dimensioning of the ratio of the time periods t1 and t2 to one another (e.g. with heating kept constant):
How to measure the gas-sensitive resistance value of the gas-sensitive layer loaded with the gas to be measured / detected (this measurement takes place during the breaks of the electrical voltage applied to the heating element), however, in accordance with the invention, electrical voltage applied to the heating element, ie for a respective duration t1, t2 of heating, an electrical current Im is sent through the gas-sensitive layer of the sensor element. In each case, the current strength of this current flowing through the sensor element is measured, on the one hand the current strength Im1 of this current during t1 of the current flow in the heating element in one direction and on the other hand the current strength Im2 during t2 of the current flow in the opposite other direction in the heating element. It is expedient to assume that time t1 = t2. The heating voltage Vcc is always constant regardless of the direction of the heating current. The two measured values of the amount of charge flowed Q1 = (Im1 × t1) and Q2 = (Im2 × t2) indicate the amount of leakage current flowing in one direction and in the opposite direction during one measurement and during the other measurement. As long as and insofar as the two measured values Q1 and Q2 are measured to be the same size, the construction of the sensor is ideal, because the flowing leakage current amounts in one direction and the other direction are the same size and there is no unipolar leakage current charge amount over time as an excess that could produce polarization defects over the course of the operating time.
Im Zusammenhang mit der Arbeit an der Erfindung ist jedoch festgestellt worden, daß bei einem hergestellten Sensor nur selten diese beiden Meßwerte Q1 und Q2 gleich groß sind (und auch gleich groß bleiben. Zwischen sensitiver Schicht und Heizelement liegt dann eine Potentialdifferenz zwischen den definierten Mittelpotentialen vor, die zu unipolarer Leck strom-Ladungsmenge führt. Konstruktiv kann dies z. B. auf über die Fläche des Sensorelements/Heizelements hinweg ungleich verteilter Dicke z. B. einer Klebschicht und dergleichen beru hen.However, in connection with the work on the invention found that only with a sensor manufactured rarely are these two measured values Q1 and Q2 the same size (and stay the same size. Between sensitive layer and Then there is a potential difference between the heating element predefined mean potentials leading to unipolar leak amount of electricity leads. Constructively, this can be done e.g. B. on over the area of the sensor element / heating element is uneven distributed thickness z. B. an adhesive layer and the like hen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Meßgröße der Differenz ΔQ = |Q1 - Q2| zwischen den Meßwerten Q1 und Q2 und damit auftretender unipolarer Leckstrom-Ladungsmenge zumindest auf ein Minimum herunterzuregeln. Dieser Differenzmeßwert wird dazu einem Regler zugeführt, der jedoch zunächst keine Infor mation erhält, in welche Richtung er die Regelung steuern soll. Erfindungsgemäß ist der Regler in Form eines lernfähi gen Systems zur Minimierung des Differenzwertes zwischen den Meßwerten Q1 und Q2 ausgelegt und kann mit entsprechenden be kannten Methoden (z. B. Fuzzy) die richtige Richtung seiner Regelung erkennen. According to the invention, the measured variable of the difference is provided ΔQ = | Q1 - Q2 | between the measured values Q1 and Q2 and thus occurring unipolar leakage current charge amount at least to shut down a minimum. This difference is measured for this purpose fed to a controller, which initially does not contain any information mation receives the direction in which it is steering the control should. According to the invention, the controller is in the form of a learnable system to minimize the difference between the Measured values Q1 and Q2 designed and can be with appropriate knew methods (e.g. fuzzy) the right direction of his Recognize regulation.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt also folgende Schritte:
The method according to the invention thus comprises the following steps:
- 1) Anlegen der üblichen spannung an das Sensorelement und der erfindungsgemäß vorgesehen Heiz-Wechselspannung1) Apply the usual voltage to the sensor element and the heating alternating voltage provided according to the invention
- 2) Während eines (positiven) Heizimpulses t1 erfolgt Messen des Sensorwiderstandes und damit des Meßwerts Q12) Measuring takes place during a (positive) heating pulse t1 the sensor resistance and thus the measured value Q1
- 3) während eines negativen Heizimpulses t2 erfolgt wiederum Messen des Sensorwiderstandes (Meßwert Q2) Steuerung mittels des Reglers derart, daß die Differenz zwischen Q1 und Q2 gegen Null geht, und zwar dies erfindungs gemäß dadurch, daß das Verhältnis der Impulsdauern t1 und t2 gegeneinander verändert wird, und zwar bei gleich groß blei bender Summe t1+t2 (d. h. bei unverändert bleibend vorgegebe ner Heizleistung).3) during a negative heating pulse t2 again measuring the sensor resistance (measured value Q2) is controlled by means of the controller in such a way that the difference between Q1 and Q2 tends to zero, namely according to the invention in that the ratio of the pulse durations t 1 and t 2 is changed against each other, namely with the same size remaining t 1 + t 2 (ie with unchanged predetermined heating power).
Mit diesen erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich die Höhe des oben definierten Mittelpotentials des Heizelements um ein Maß ± ΔU so verändern, daß auftretende unipolare Leckstrom- Ladungsmenge minimalisiert ist.With these measures according to the invention, the amount of The mean potential of the heating element defined above by one measure ± Change ΔU so that unipolar leakage current Charge quantity is minimized.
Die Fig. 3 zeigt dazu die Zeitdiagramme a) der anliegenden Heizspannungen +Vcc und -Vcc und weiter oben darüber b) zeit gleich die für den (Wechselstrom-)Meßstrom Im vorgesehene Spannung Us+/-1V am Sensorelement und das sich ergebende Sensorsignal S. Dieses enthält die Meßwerte Q1, Q2 (gemessen während der Pulsdauern t1, t2) und den während der Zeitdauer t0 der Pausen des Heizstroms ermittelten eigentlichen gassen sorischen Meßwert S. Fig. 3 shows, the timing diagrams a) b of the adjacent heating voltages + Vcc and -Vcc and above it) at the same time required for the (alternating current) test current In the provided voltage Us +/- 1V at the sensor element and the resulting sensor signal S. This contains the measured values Q1, Q2 (measured during the pulse durations t1, t2) and the actual gas measured value S determined during the period t0 of the pauses in the heating current.
Als Weiterbildung der Erfindung kann eine Sammelelektrode für noch auftretende Leckströme zusätzlich vorgesehen sein. Rest licher Leckstrom kann von dieser Sammelelektrode aufgenommen und zum Masseanschluß abgeleitet werden. Es kann dazu eine zusätzliche Elektrode vorgesehen sein, die relativ nieder ohmig an ein Basispotential angelegt ist. Für diese Funktion kann von einer der zwei zwangsläufig vorhandenen Sensorelek troden benutzt sein. Für diese Funktion muß der Eingangswi derstand der betreffenden der Sensorelektroden kleiner als der kleinstmögliche Widerstand der gassensitiven Schicht be messen sein. Der restliche, erfindungsgemäß noch nicht wegge regelte Leckstrom wird dann über den Weg des kleinsten Wider standes zur Masse abgeleitet, ohne daß dieser noch verbliebe ne unipolare Leckstromanteil Polarisationsdefekte hinterlas sen könnte. Diese Sammelelektrode wird zusätzliche verwendet, um das Mittelpotential der gassensitiven Schicht relativ zur Systemmasse konstant zu halten. Diese Sammelelektrode dient also als künstliche Masse für das Gassensorelement, was für die Messung hoher Widerstände von Vorteil ist.As a development of the invention, a collecting electrode for leakage currents still occurring may also be provided. Rest Leakage current can be absorbed by this collecting electrode and be derived to the ground connection. There can be one additional electrode may be provided which is relatively low ohmic is applied to a base potential. For this function can be from one of the two inevitably existing sensor elec be used. For this function the input wi the level of the relevant sensor electrodes is less than the lowest possible resistance of the gas sensitive layer be to be measure. The rest, according to the invention not yet wegge regulated leakage current is then via the path of the smallest contra was derived from the mass without this remaining ne unipolar leakage current component left polarization defects could sen. This collecting electrode is used additional by the mean potential of the gas sensitive layer relative to the Keep system mass constant. This collecting electrode serves so as an artificial mass for the gas sensor element, what for the measurement of high resistances is an advantage.
Die Fig. 4 zeigt ein Fließbild zum erfindungsgemäßen Ver fahren zur Minimierung von Drifterscheinungen eines Gassen sors 1, wobei die in dem Fließbild enthaltenen Informationen Bestandteil der vorliegenden Erfindungsbeschreibung sind. In dieser Fig. 4 ist mit 50 eine Gleichstromquelle bezeich net, die den Speisestrom für das Heizelement 12 liefert. In der Stufe 51 wird dieser Speisestrom entsprechend der obenbe schriebenen Pulsweiten-Modulation PWM in Pulse t1 und t2 mit jeweils entgegensetzter Stromrichtung umgesetzt. Dem Sensore lement 11 wird elektrischer Meßstrom Im mit vorzugsweise ab wechselnder Stromrichtung zugeführt. Im Verfahrensschritt 52 wird bei Vorliegen eines Heizimpulses t1 mit angenommen posi tiver Stromrichtung die Stromstärke des durch das Sensorele ment 11 dabei fließenden Sensorstromes Im1 und die Ladungs menge Q2 gemessen. Während des Verfahrensschrittes 53 wird beim Heizimpuls t2 mit dazu angenommen negativer Stromrich tung der Sensorstrom Im2 gemessen. Mit 54 ist auf die Diffe renzbildung zwischen den beiden Ladungsmengen Q1 = Im1 × t1 und Q2 = Im2 × t2 hingewiesen. Dieses Differenzsignal ΔQ geht an den Potentialregler 55. Dieser erhält als Bezugswert das dem Sollwert Null entsprechende Signal 56. Mit 57 ist auf die erfolgte geregelte Anpassung des Mittelpotentials des Heizers hingewiesen, nämlich das Einstellen des Verhältnisses t1 zu t2 der Impulslängen der einander entgegengesetzt gerichteten Heizimpulse der Pulsweiten-Modulation. Diese Verhältnisbe stimmung geht an die Stufe 58, die außerdem die Angabe der Summe der Impulslängen t1 + t2 aus der Stufe 59 erhält. Diese Summe der Impulslängen ergibt sich aus der aktuell erforder lichen Heizleistung für das Sensor-Heizelement 12. Diese phy sikalische Größe wird mittels des Temperaturfühlers 12' des Heizelements 12 überwacht und in der Stufe 59 errechnet und bestimmt. Die Verbindung der Stufe 58 zur Stufe 51 liefert somit an die Stufe 51 die Information über die Höhe der Heiz leistung (t1 + t2) und das Verhältnis der Impulslängen t1 und t2 zueinander für die erfindungsgemäße Einstellung des Mit telpotentials des Heizelements 12, und zwar dies aus dem Si gnal der Stufe 54. Dies ergibt die Minimierung des Leck stroms, der dort als Differenz der Signale Q1 und Q2 erfaßt worden ist. FIG. 4 shows a flow diagram for an inventive Ver drive to minimize drift of a sors lanes 1, wherein the information contained in the flow diagram are part of this invention description. In this Fig. 4 with 50 a DC power supply is referred to, which supplies the feed current for the heating element 12 . In stage 51 , this feed current is implemented in accordance with the pulse width modulation PWM described above in pulses t1 and t2, each with the opposite current direction. The sensor element 11 is supplied with electrical measuring current Im, preferably starting with a changing current direction. In method step 52 , in the presence of a heating pulse t1 with an assumed positive current direction, the current intensity of the sensor current Im1 flowing through the sensor element 11 and the amount of charge Q2 are measured. During method step 53 , the sensor current Im2 is measured at the heating pulse t2 with the negative current direction assumed for this purpose. 54 is the Diffe Renz formation between the two charge amounts Q1 = I m1 × t1 and pointed Q2 = Im2 × t2. This difference signal ΔQ goes to the potential controller 55 . This receives the signal 56 corresponding to the setpoint zero as a reference value. 57 indicates the regulated adjustment of the mean potential of the heater, namely the setting of the ratio t1 to t2 of the pulse lengths of the heating pulses of pulse width modulation, which are directed in opposite directions. This ratio determination goes to stage 58 , which also receives the indication of the sum of the pulse lengths t1 + t2 from stage 59 . This sum of the pulse lengths results from the currently required heating power for the sensor heating element 12 . This physical quantity is monitored by means of the temperature sensor 12 'of the heating element 12 and calculated and determined in stage 59 . The connection of stage 58 to stage 51 thus provides the stage 51 with information about the amount of heating power (t1 + t2) and the ratio of the pulse lengths t1 and t2 to one another for the inventive setting of the mean potential of the heating element 12 , specifically this from the level 54 signal. This results in the minimization of the leakage current, which has been detected there as the difference between the signals Q1 and Q2.
Während der Pausen t0, t0' des Heizvorganges erfolgt im Schritt bzw. in der Stufe 60 die Messung des Widerstandes der gassensitiven Schicht aus der dann gemessenen Größe des durch die Metalloxidschicht des Sensorelements 11 hindurchfließen den Meßstromes Im, nämlich wie letzteres Stand der Technik ist.During the pauses t0, t0 'of the heating process, the resistance of the gas-sensitive layer is measured in step or in step 60 from the then measured size of the measuring current Im flowing through the metal oxide layer of the sensor element 11 , namely as is the latter state of the art.
Vorteilhafterweise werden (z. B. wie im Stand der Technik) die gassensorischen Meßwerte S bei angelegter Wechselspannung Us bei beiden Polaritäten (+/-; Fig. 3) gemessen. Es kann aus den Meßwerten S+ und S- ein Mittelwert gebildet werden. Auch ist dann eine raschere Meßwertfolge möglich.Advantageously (for example, as in the prior art), the gas sensor measured values S are measured with alternating voltage Us applied at both polarities (+/-; FIG. 3). An average can be formed from the measured values S + and S-. A faster sequence of measured values is then also possible.
Claims (5)
daß für die Speisung des Heizelements (12) eine solche aus einer Gleichspannung (Vcc) abgeleitete Puls-Weiten modulierte-(PWM)Wechselspannung (Fig. 1) erzeugt wird, bei der aufeinanderfolgende erste und zweite Spannungsimpulse (t1; t2) gegenüber einem Basispotential einander entgegenge setzte Polarität (+Vcc, -Vcc) haben,
daß mit den ersten Spannungsimpulsen (t1) der einen Po larität der Wechselspannung ein elektrischer Stromfluß durch das Heizelement (12) in der einen Richtung desselben und
daß mit den zweiten Spannungsimpulsen (t2) der entgegen gesetzten Polarität der Wechselspannung ein elektrischer Stromfluß durch das Heizelement (12) in der entgegengesetzten Richtung desselben eingeprägt wird,
daß während der Impulsdauer (t1) der ersten Spannungsim pulse mit durch das Sensorelement (11) fließendem elektri schen Strom ein erster Stromwert (Im1) gemessen und die wäh rend dieser Impulsdauer (t1) geflossene erste Ladungsmenge (Q1 = Im1 × t1) ermittelt wird,
daß während der Impulsdauer (t2) der zweiten Span nungsimpulse mit dem durch das Sensorelement fließenden elek trischen Strom ein zweiter Stromwert (Im2) gemessen und die während dieser Impulsdauer (t2) geflossene zweite Ladungsmen ge (Q2 = Im2 × t2) ermittelt wird,
wobei die beiden Stromwerte (Im1 und Im2) bei derselben am Sensorelement (11) angelegten Spannung gemessen werden,
daß aus den Werten der ersten Ladungsmenge (Q1) und der zweiten Ladungsmenge (Q2) der Betragswert der Differenz der geflossenen Ladungsmengen (ΔQ = Q1 - Q2) ermittelt wird, und
daß das Verhältnis (t1 : t2) der ersten Impulsdauer zur zweiten Impulsdauer bei durch die geforderte Heizleistung vorgegeben konstanter Summe der Pulsdauern (t1 + t2 = kon stant) so eingestellt wird, daß der Differenzwert (ΔQ) auf ein erreichbares Minimum gebracht ist.1. A method for the operation of a gas sensor ( 1 ) with a heating element ( 12 ) and a sensor element ( 11 ), to which an electric current (Im) is impressed for the determination of the gas sensor measured value, characterized in that
that for the supply of the heating element ( 12 ) such a pulse width modulated (PWM) alternating voltage ( Fig. 1) derived from a direct voltage (Vcc) is generated, in which successive first and second voltage pulses (t1; t2) with respect to a base potential have opposite polarity (+ Vcc, -Vcc),
that with the first voltage pulses (t1) of a polarity of the AC voltage, an electrical current flow through the heating element ( 12 ) in the same direction and
that with the second voltage pulses (t2) of the opposite polarity of the alternating voltage, an electrical current flow through the heating element ( 12 ) is impressed in the opposite direction thereof,
that a first current value (Im1) is measured during the pulse duration (t1) of the first voltage pulse with electrical current flowing through the sensor element ( 11 ) and the first charge quantity (Q1 = Im1 × t1) which has flowed during this pulse duration (t1) is determined ,
that a second current value (Im2) is measured during the pulse duration (t2) of the second voltage pulses with the electrical current flowing through the sensor element and the second charge quantity (Q2 = Im2 × t2) that has flowed during this pulse duration (t2) is determined,
the two current values (Im1 and Im2) being measured at the same voltage applied to the sensor element ( 11 ),
that from the values of the first charge quantity (Q1) and the second charge quantity (Q2) the absolute value of the difference between the flowed charge quantities (ΔQ = Q1 - Q2) is determined, and
that the ratio (t1: t2) of the first pulse duration to the second pulse duration at a constant sum of the pulse durations predetermined by the required heating power (t1 + t2 = constant) is set such that the difference value (ΔQ) is brought to an attainable minimum.
eine Vorrichtung (51) zur Erzeugung einer Puls-Weiten modulierten-(PWM)Wechselspannung vorgesehen ist, deren Puls dauern (t1, t2) der Spannungspulse und deren Pulspausen (t0, t'0) in dieser Vorrichtung steuerbar sind,
eine Meßvorrichtung (52, 53) zur Messung der Sensor- Stromwerte (Im1, Im2) bei einem Spannungspuls (t1) der einen Polarität und einem Spannungspuls (t2) der entgegengesetzten Polarität und der während der Pulsdauern (t1, t2) jeweils ge flossenen Ladungsmengen (Q1, Q2),
eine Schaltung (54) zum Ermitteln des Differenzwertes (QΔ) der zwei Ladungsmengen (Q1, Q2),
einen Potentialregler (55) und
eine Schaltung (57, 58) zur Einstellung eines Verhältnis ses der Pulsdauern (t1 zu t2) für minimierten Differenzwert (ΔQ). 4. Device for carrying out a method according to one of claims 1 to 3, characterized by
a device ( 51 ) for generating a pulse width modulated (PWM) alternating voltage is provided, the pulse duration (t1, t2) of the voltage pulses and the pulse pauses (t0, t'0) being controllable in this device,
a measuring device ( 52 , 53 ) for measuring the sensor current values (Im1, Im2) at a voltage pulse (t1) of one polarity and a voltage pulse (t2) of the opposite polarity and of the respective amounts of charge flowing during the pulse durations (t1, t2) (Q1, Q2),
a circuit ( 54 ) for determining the difference value (QΔ) of the two charge quantities (Q1, Q2),
a potential regulator ( 55 ) and
a circuit ( 57 , 58 ) for setting a ratio ses of the pulse durations (t1 to t2) for minimized difference value (ΔQ).
daß diese Vorrichtung eine Brückenschaltung (Fig. 2) mit je einem Schalter (S1, S'1, S2, S'2), in den vier Brüc kenzweigen ist und der Anschluß der Gleichspannung (Vcc) zwi schen den einen diagonalen Eckpunkten und der Anschluß des Heizelements (12) zwischen den anderen diagonalen Eckpunkten vorgesehen ist und
diese Schalter betreffend ihre Schalterfunktion paarwei se (S1, S'1 und S2, S'2) für im Gegentakt erfolgendes zeitli ches Öffnen und Schließen ansteuerbar geschaltet sind.5. Device for generating the pulse width modulated (PWM) alternating voltage for carrying out the method according to one of claims 1 to 3, characterized in that
that this device is a bridge circuit ( Fig. 2), each with a switch (S1, S'1, S2, S'2), in the four bridge branches and the connection of the DC voltage (Vcc) between the one diagonal corner points and the Connection of the heating element ( 12 ) is provided between the other diagonal corner points and
these switches are paired with respect to their switch function se (S1, S'1 and S2, S'2) for push-pull opening and closing in time.
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