DE3802051C2

DE3802051C2 -

Info

Publication number: DE3802051C2
Application number: DE19883802051
Authority: DE
Inventors: Takao Konan Aichi Jp Murase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-01-27
Filing date: 1988-01-25
Publication date: 1990-10-25
Also published as: JP2505459B2; DE3802051A1; JPS63302356A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ermitteln einer Sauerstoffkonzentration gemäß dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.

Die DE 34 16 949 A1, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, offenbart einen Sauerstoffsensor, bei dem zur Stabilisierung der Betriebstemperatur ein Heizkörper verwendet wird. Der Temperaturkoeffizient des Heizelements des Heizkörpers ist so gewählt, daß die Betriebstemperatur ohne Regeleinrichtung in einem bestimmten Bereich konstant bleibt.

Das Meßsignal eines Sauerstoffsensors ist stark von dessen Temperatur abhängig, die sich mit der Temperatur des Meßgases ändert. Bei Erwärmung des Sensors steigt der Widerstand des Heizelements, und die Heizleistung nimmt ab. Die Heizleistung läßt sich dabei durch die Auswahl eines geeigneten Temperaturkoeffizienten des Heizelements zwar beeinflussen, aber nicht abschalten. Unter erschwerten Meßbedingungen wird daher die Temperaturabhängigkeit des Sensors nicht nur unzureichend unterdrückt, wobei sich die Anzahl der Fehlmessungen erheblich erhöht, sondern der Sensor ggf. auch überhitzt bzw. zerstört wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Meßgenauigkeit der Einrichtung verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung kann die Temperatur des Sauerstoffmeßteils ohne Einschränkung des Regelbereichs konstant gehalten werden, da durch die Regelanordnung bei steigender Temperatur des Meßgases die Heizleistung nicht nur verringert, sondern auch abgeschaltet werden kann. Ungenauigkeiten im Meßergebnis durch Temperaturschwankungen werden somit verhindert. Des weiteren ist durch die Verwendung der Regelanordnung die Auswahl des Materials des Heizelements nicht auf Materialien mit einem bestimmten Temperaturkoeffizienten begrenzt, sondern kann nach dem Gesichtspunkt seines Volumens, seiner Hitzebeständigkeit oder seiner Altersbeständigkeit ausgewählt werden.

Die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird darüber hinaus durch das Parallel- oder In-Reihe-Schalten eines oder mehrerer veränderbarer Widerstände zu dem Heizelement verbessert. Dadurch können herstellungsbedingte Toleranzen des Widerstandes des Heizelements korrigiert bzw. das Heizelement an eine Meßanordnung bzw. an eine bestimmte Meßsituation angepaßt werden.

Durch die erfindungsgemäße Einrichtung ist es daher möglich, über einen langen Zeitraum eine zuverlässige, genaue und wiederholbare Ermittlung einer Sauerstoffkonzentration durchzuführen, wobei das Meßelement unabhängig von Temperaturschwankungen in der Umgebung des Elementes oder in dem das Element durchströmende Gas auf einer vorbestimmten und geeigneten Temperatur gehalten wird.

Aus der DE 33 26 576 A1 ist eine Einrichtung zur Erfassung der Konzentration von Abgasbestandteilen bekannt, bei der in den Signalpfad für das Sauerstoff-Informationssignal über eine Kapazität ein Wechselstrom zur direkten Erwärmung des Meßsensors eingespeist wird. Mit Hilfe eines Meßwiderstands wird der Heizstrom und mit Hilfe einer weiteren Kapazität wird die Heizspannung ermittelt. Mittels einer Recheneinrichtung und einer Regeleinrichtung wird dann entsprechend der Meßergebnisse die Frequenz bzw. die Einschaltdauer des Wechselstromes geregelt. Ein gesonderter Heizkörper ist nicht vorgesehen.

Des weiteren ist in der DE 37 15 461 A1 eine Vorrichtung zur Erfassung des Luft/Brennstoff-Verhältnisses offenbart, die ein Heizelement aufweist, das mittels einer Regeleinrichtung derart gesteuert wird, daß die Betriebstemperatur des Sensors konstant bleibt. Dabei ist ein die Temperatur einstellender Widerstand als Element einer Brückenschaltung derart ausgelegt, daß eine Abgleichbedingung gilt. Dem Heizelement sind keine veränderbaren Widerstände zugeschaltet.

Ferner ist in dem Handbuch für Gaschromatographie, 1970, S. 523-526 eine Thermostateinrichtung mit einer Heiz- und einer Regeleinrichtung beschrieben, bei der durch die Hinzuschaltung eines Widerstandes zu einer Temperaturmeßschaltung eine Pendelfrequenz erhöht und eine Pendelamplitude verringert werden kann. Die Heizeinrichtung wird nicht entsprechend ihrem Innenwiderstand geregelt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine auseinandergezogen dargestellte perspektivische Ansicht eines Sauerstoffsensors gemäß einem als ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Ermitteln einer Sauerstoffkonzentration,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Schnitts längs einer Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein Beispiel eines Schaltbildes einer Stromversorgungsschaltung zum Speisen eines Heizelements in dem Sauerstoffsensor nach Fig. 1,

Fig. 4 eine auseinandergezogen dargestellte perspektivische Ansicht eines Sauerstoffsensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Ermitteln einer Sauerstoffkonzentration,

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines Schnitts längs einer Linie V-V in Fig. 4, und

Fig. 6 veränderbarer Widerstände für ein Heizelement und dessen Anwendung an dem Sauerstoffsensor nach Fig. 4.

In der perspektivischen Ansicht in Fig. 1 und in der Schnittansicht in Fig. 2 ist ein Sauerstoffmeßelement bzw. ein Sauerstoffsensor allgemein mit 2 bezeichnet. Der Sauerstoffsensor 2 hat eine im wesentlichen längliche, flache Form und enthält nahe einem Längsende einen Sauerstoffmeßteil, dessen Querschnitt in Fig. 2 gezeigt ist. Der Sauerstoffmeßteil arbeitet gemäß der nachfolgenden Beschreibung nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle bzw. Sauerstoffkonzentrations-Meßzelle.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist der Sauerstoffsensor 2 aus mehreren Schichten zu einer Einheit zusammengebaut. Im einzelnen enthält der Sauerstoffsensor 2 einen flachen Festelektrolytkörper 4 aus stabilisiertem Zirkondioxid, das bei verhältnismäßig geringfügig erhöhten Temperaturen Leitfähigkeit bzw. Durchlässigkeit für Sauerstoffionen zeigt. Ferner enthält der Sauerstoffsensor 2 einen Abstandshalter 6, der aus einem Festelektrolyt ähnlich demjenigen des Festelektrolytkörpers 4 besteht, und eine plattenförmige Heizschicht 8. Der Festelektrolytkörper 4, der Abstandshalter 6 und die Heizschicht 8 sind in dieser Aufeinanderfolge übereinander gesetzt, so daß sie zusammen einen Luftdurchlaß 10 bilden, der einem in dem Abstandshalter 6 ausgebildeten rechteckigen Ausschnitt entspricht. Der Luftdurchlaß 10 steht an einem seiner Längsenden mit der den Sauerstoffsensor 2 umgebenden Luft in Verbindung. An der Außenfläche des Festelektrolytkörpers 4 ist eine Meßelektrode 12 ausgebildet, die mit einem nachstehend als Meßgas bezeichneten Gas in Verbindung steht, dessen Sauerstoffkonzentration mittels dieser Einrichtung mit dem Sauerstoffsensor 2 gemessen werden soll. An der Innenfläche des Festelektrolytkörpers 4 ist eine Bezugselektrode 14 ausgebildet, die in einer zur Fläche des Festelektrolytkörpers 4 parallelen Ebene mit der Meßelektrode 12 ausgefluchtet ist. Die Bezugselektrode 14 ist derart angeordnet, daß sie mit der Luft in dem Luftdurchlaß 10, nämlich mit der über den Luftdurchlaß 10 eingeleiteten Umgebungsluft als Bezugsgas in Verbindung steht.

Die Heizschicht 8 enthält eine elektrisch isolierende dichte Keramikschicht 16 und einen in die Keramikschicht 16 eingebetteten ersten Heizkörper in Form eines ersten Heizelements 18. Dieses erste Heizelement 18 besteht aus einem Heizabschnitt 18 a für das Erwärmen des Sauerstoffmeßteils des Sauerstoffsensors 2 an dessen, in Fig. 1 gesehen, linkem Ende und aus einem Leiterabschnitt 18 b in Form zweier Streifenleiter für das Verbinden des Heizabschnitts 18 a mit einer nachfolgend beschriebenen externen Stromversorgungsschaltung 21. Der Sauerstoffsensor 2 hat ferner ein zweites Heizelement 20, das auf der Außenfläche des flachen Festelektrolytkörpers 4 derart ausgebildet ist, daß es die Meßelektrode 12 umgibt. Ähnlich wie das erste Heizelement 18 besteht dieses zweite Heizelement 20 aus einem Heizabschnitt 20 a und einem Leiterabschnitt 20 b in Form zweier leitender Streifen für das Verbinden des Heizabschnitts 20 a mit der Stromversorgungsschaltung 21. Die Heizabschnitte 18 a und 20 a des ersten und zweiten Heizelements 18 und 20 erzeugen Wärme, durch die in dem Sauerstoffsensor 2 der Sauerstoffmeßteil, auf einer geeigneten Betriebstemperatur gehalten wird, wobei der Sauerstoffmeßteil die Meßelektrode 12, die Bezugselektrode 14 und denjenigen Teil des Festelektrolytkörpers 4 umfaßt, an dem die Elektroden 12 und 14 angeordnet sind.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden das erste und das zweite Heizelement 18 und 20 aus der in Fig. 3 dargestellten Stromversorgungsschaltung 21 gespeist. Es ist jedoch auch möglich, die Stromversorgungsschaltung 21 nur zum Speisen eines der beiden Heizelemente 18 oder 20 einzusetzen. Falls nur eines der Heizelemente 18 oder 20 aus der Stromversorgungsschaltung 21 nach Fig. 3 gespeist wird, wird für das Speisen des anderen Heizelements eine geeignete Stromquelle benutzt. Es ist ersichtlich, daß die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel auch diese Abwandlungsform mit einschließt, bei der die Stromversorgungsschaltung 21 nur für eines der beiden Heizelemente 18 oder 20 benutzt wird.

Die Stromversorgungsschaltung 21 enthält eine Regeleinrichtung für das Regeln der Leistung oder Spannung, die den Heizelementen 18 und/oder 20 zugeführt wird. In der Fig. 3 sind mit 22, 24, 26, 28, 30, 32 und 34 elektrische Widerstände bezeichnet, während mit 36 und 38 jeweils ein Vergleicher bzw. ein Leistungs/ Spannungs-Regeltransistor bezeichnet ist. Mit 40 ist eine Stromquelle bezeichnet. Das Heizelement 18 und/oder 20 und die Widerstände 22, 24 und 26 bilden zusammen eine Widerstandsbrückenschaltung.

In der Brückenschaltung nach Fig. 3 wird das Potential zwischen den Schaltungspunkten a und b der Stromversorgungsschaltung 21 zu "0", wenn die Bedingung:

rB = RA

gilt,
wobei r der elektrische Widerstand des Heizelements 18 oder 20, A der Widerstandswert des Widerstands 22, B der Widerstandswert des Widerstands 24 und R der Widerstandswert des Widerstands 26 ist. D. h., der Vergleicher 36, der das Potential zwischen den Schaltungspunkten a und b erfaßt, gibt an den Transistor 38 zur Steuerung der Spannung an einem Schaltungspunkt c ein derartiges Ausgangssignal ab, daß die vorstehend genannte Gleichung erfüllt ist, d. h., daß die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Schaltungspunkten a und b zu "0" wird. Auf diese Weise kann mit der Stromversorgungsschaltung 21 der Widerstandswert r des jeweiligen Heizelements 18 oder 20 derart gesteuert werden, daß er auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird, wodurch die Betriebstemperatur des von dem erste und zweite Heizelement 18 und 20 erwärmten Sauerstoffmeßteils des Sauerstoffsensors 2 auf einem vorbestimmten geeigneten Wert gehalten wird.

In dem auf die vorstehend beschriebene Weise gestalteten Sauerstoffsensor 2 bildet der Sauerstoffmeßteil eine elektrochemische Zelle, die aus dem Festelektrolytkörper 4, der dem Meßgas ausgesetzten Meßelektrode 12 und der dem Bezugsgas ausgesetzten Bezugselektrode 14 besteht. Auf bekannte Weise gibt eine solche elektrochemische Zelle ein Ausgangssignal in Form einer EMK ab, die entsprechend der Nernst-Gleichung in Abhängigkeit von einer Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen den mit den beiden Elektroden 12 und 14 in Berührung stehenden Gasen zwischen den beiden Elektroden 12 und 14 induziert wird. Das auf diese Weise erzeugte Ausgangssignal wird an eine geeignete Steuereinrichtung für das Steuern der Verbrennungsbedingungen in externen Brennkraftmaschinen oder anderen Vorrichtungen angelegt, die das Meßgas als Abgas abgeben.

In der Sauerstoffkonzentrations-Ermittlungseinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die den Heizelementen 18 und 20 des Sauerstoffsensors 2 zugeführte Leistung oder Spannung gemäß den gerade bestehenden elektrischen Widerständen der Heizelemente 18 und 20 derart gesteuert, daß die Temperatur des Sauerstoffmeßteils auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird. Dies bedeutet, daß die Schwankungen der Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils des Sauerstoffsensors 2 auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, wodurch die Zuverlässigkeit und Genauigkeit eines von dem Sauerstoffmeßteil abgegebenen Ausgangssignals selbst dann verbessert wird, wenn sich die Temperatur des Meßgases bzw. der Abgase im Lauf der Zeit ändert. Daher kann mit dieser Einrichtung die Sauerstoffkonzentration des Meßgases auf genaue Weise bestimmt werden. Da ferner die Temperatur des Sauerstoffmeßteils des Sauerstoffsensors 2 auf die vorstehend beschriebene Weise geregelt wird, besteht im wesentlichen keine Möglichkeit zu einer Überhitzung des Sauerstoffmeßteils und der Heizelemente 18 und 20, so daß daher die Lebensdauer des Sauerstoffsensors 2 wirkungsvoll verlängert wird.

Der Sauerstoffsensor 2 der vorstehend beschriebenen Einrichtung zur Sauerstoffkonzentrationsermittlung kann durch ein Sauerstoffmeßelement bzw. einen Sauerstoffsensor in einer Ausführung ersetzt werden, die eine Einrichtung für das Begrenzen einer Diffusionskammer, in die das Meßgas gegen einen vorbestimmten Diffusionswiderstand eindiffundiert, eine Sauerstoffpumpeinrichtung für das Steuern der Sauerstoffkonzentration in der Atmosphäre bzw. dem Gasgemisch in der Diffusionskammer und eine Sauerstoffkonzentrationszellen- Vorrichtung bzw. eine Meßzelle für das Messen der Sauerstoffkonzentration des Gasgemisches in der Diffusionskammer aufweist. Bei einem Sauerstoffsensor dieser Art wird der der Eindiffusion des Meßgases in die Diffusionskammer entgegenstehende Diffusionswiderstand (die Diffusionskonstante) verhältnismäßig stark durch die Temperatur des Sensors beeinflußt. In dieser Hinsicht ist das bei dem Ausführungsbeispiel der Sauerstoffkonzentrations-Ermittlungseinrichtung angewandte Prinzip zum Verbessern der Meßgenauigkeit bei einem Sensor dieser Art besonders wirkungsvoll. Ein Beispiel für einen Sauerstoffsensor dieser Art ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt.

Ein in den Fig. 4 und 5 allgemein mit 50 bezeichneter Sauerstoffsensor hat grundsätzlich eine dem Sauerstoffsensor 2 gemäß dem vorangehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel gleichartige Gestaltung und enthält darüber hinaus eine elektrisch isolierende dichte Keramikschicht 52 sowie einen flachen Festelektrolytkörper 54 aus einem für Sauerstoffionen durchlässigen stabilisierten Zirkondioxid. Die Keramikschicht 52 und der äußere Festelektrolytkörper 54 sind auf den inneren flachen Festelektrolytkörper 4 aufgesetzt. Durch den Festelektrolytkörper 54 hindurch ist eine Gaseinlaßöffnung 56 ausgebildet. Die Festelektrolytkörper 4 und 54 bilden zusammen mit der Keramikschicht 52 eine kreisförmige dünne flache Diffusionskammer 58, die einem in der Keramikschicht 52 ausgebildeten runden Ausschnitt entspricht. Die dünne flache Diffusionskammer 58 steht über die Gaseinlaßöffnung 56 mit einem äußeren Meßraum in Verbindung, in dem das Meßgas enthalten ist. Auf den einander entgegengesetzten Hauptflächen der Keramikschicht 52 sind eine ringförmige innere Pumpelektrode 60 und eine ringförmige äußere Pumpelektrode 62 derart ausgebildet, daß die Pumpelektroden zueinander konzentrisch sind. Diese beiden Pumpelektroden 60 und 62 sowie der äußere Festelektrolytkörper 54 bilden eine elektrochemische Pumpzelle, die als Sauerstoffpumpeinrichtung dient.

Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird durch das Heizelement 18 eine geeignete Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils aufrecht erhalten, wobei das Sauerstoffmeßteil aus der Sauerstoffpumpvorrichtung und der Sauerstoffkonzentrations-Meßzelle besteht, welche aus der Meßelektrode 12, der Bezugselektrode 14 und dem inneren Festelektrolytkörper 4 gebildet ist.

In dem Sauerstoffsensor 50 wird nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrations- Meßzelle zwischen der Meßelektrode 12 und der Bezugselektrode 14 eine EMK induziert, die dem Sauerstoffkonzentrationsunterschied zwischen dem gegen den vorbestimmten Diffusionswiderstand in die dünne flache Diffusionskammer 58 eingeleiteten Meßgas und dem Bezugsgas bzw. der Umgebungsluft in dem Luftdurchlaß 10 entspricht. Entsprechend der gerade zwischen den Elektroden 12 und 14 induzierten elektromotorischen Kraft wird der inneren und äußeren Pumpelektrode 60 und 62 der Sauerstoffpumpeinrichtung ein gesteuerter Pumpstrom zugeführt, um einen Sauerstoffpumpvorgang in der Weise zu erreichen, daß das Gasgemisch in der an die innere Pumpelektrode 60 angrenzenden dünnen flachen Diffusionskammer 58, bzw. das mit der Meßelektrode 12 der Sauerstoffkonzentrations-Meßzelle in Berührung stehende Gasgemisch auf ein vorbestimmtes Gasgemisch gesteuert wird. Ein momentan den beiden Pumpelektroden 60 und 62 zugeführter Pumpstrom Ip wird gemessen, wonach dem gemessenen Pumpstrom Ip entsprechend die Sauerstoffkonzentration in dem Meßgas bestimmt wird.

Bei der Sauerstoffkonzentrations-Ermittlungseinrichtung mit dem auf die vorstehend beschriebene Weise aufgebauten Sauerstoffsensor 50 ist das Heizelement 18 an die in Fig. 3 gezeigte Stromversorgungsschaltung 21 angeschlossen, so daß die Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils auf einem geeigneten Wert gehalten wird, um damit Änderungen des Diffusionswiderstands (der Diffusionskonstante) der dünnen flachen Diffusionskammer 58 auf ein Mindestmaß herabzusetzen und es damit zu ermöglichen, daß der Sauerstoffmeßteil ein Ausgangssignal abgibt, das auf genaue Weise die Sauerstoffkonzentration des Meßgases widerspiegelt, ohne durch eine Änderung des der Eindiffusion des Meßgases in die dünne flache Diffusionskammer 58 entgegenstehenden Diffusionswiderstands (der Diffusionskonstante) beeinflußt werden.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen werden die Festelektrolytkörper des Sauerstoffmeßteils grundsätzlich aus stabilisiertem Zirkondioxid (ZrO₂) gebildet, das ein vorteilhaftes, für Sauerstoffionen leitfähiges bzw. durchlässiges Festelektrolytmaterial für den Sauerstoffmeßteil der Ermittlungseinrichtung darstellt. Die Festelektrolytkörper können jedoch auch aus einem Material gebildet werden, dessen Hauptbestandteil ein anderes, für Sauerstoffionen durchlässiges Festelektrolytmaterial wie SrCeO₃ oder eine feste Lösung von Bi₂O₃ und Oxiden seltener Erden ist.

Eine Änderung der Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils des Sauerstoffsensors 2 oder 50 wird als Änderung des elektrischen Widerstands der als Heizkörper vorgesehenen Heizelemente 18 und 20 erfaßt. Daher erhalten die Heizelemente 18 und 20 hinsichtlich des elektrischen Widerstands vorzugsweise einen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten von mindestens 0,1%/°C. Auf diese Weise kann der Einfluß eines Fehlers auf die Temperatur des Heizkörpers der bei der Erfassung des Widerstands der Heizelemente 18 und 20 auftritt, verringert werden, so daß daher durch die ermittelte Änderung des Widerstands des Heizkörpers eine Änderung der Temperatur des Sauerstoffmeßteils verhältnismäßig genau erfaßt werden kann, wodurch die Temperatur des Sauerstoffmeßteils auf genaue Weise geregelt werden kann. Ähnlich wie die Elektroden 12, 14, 60 und 62 werden die Heizelemente 18 und 20 aus bekanntem elektrisch leitendem Material wie einem Metall aus der Platingruppe, die Platin, Palladium, Rhodium, Iridium, Ruthenium und Osmium umfaßt, oder einer leitenden Legierung gebildet. Platin ist als Leiter für den Heizkörper vorzuziehen. Für die Erhöhung der Haftfähigkeit des gebrannten Heizkörpers an dem gebrannten Substrat bzw. an dem Festelektrolytkörper kann das vorstehend genannte gewählte leitende Material mit einem feinen Pulver aus einem Keramikmaterial gemischt werden.

Bei den Sauerstoffsensoren 2 und 50 besteht zwar der Heizkörper aus einem Heizelement (18) oder zwei Heizelementen (18 und 20), jedoch ist es auch möglich, mehr Heizelemente zu verwenden. Falls der Heizkörper aus mehreren Heizelementen besteht, wird gemäß der vorangehenden Beschreibung zumindest eines der Heizelemente an die Stromversorgungsschaltung 21 nach Fig. 3 angeschlossen, so daß die diesem einen Heizelement zugeführte Leistung oder Spannung geregelt wird.

Wenn der Heizkörper aus mehreren Heizelementen besteht, ist es anzustreben, die dem jeweiligen Heizelement zugeführte Leistung oder Spannung zum Regeln der Temperatur des Sauerstoffmeßteils des Sensors entsprechend dem elektrischen Widerstand desjenigen Heizelementes zu steuern, das einen verhältnismäßig kleinen Heizwert bzw. Wärmeerzeugungswert hat. D. h., das Heranziehen des Widerstands eines Heizelements mit einem geringen Heizwert und einem entsprechend hohen elektrischen Widerstand erlaubt es, infolge des höheren Widerstands dieses Heizelements einen durch die Schaltungskonstanten der Stromversorgungsschaltung 21 verursachten Regelfehler zu vermindern.

Es ist ferner anzustreben, daß der Heizabschnitt 18 a oder 20 a desjenigen Heizelements 18 oder 20, dessen Widerstand auf die vorstehend beschriebene Weise herangezogen wird, bei normaler Temperatur bzw. bei Raumtemperatur einen höheren Widerstand als der Leiterabstand 18 b oder 20 b hat. In diesem Zusammenhang ist anzuführen, daß der gesamte Widerstandswert eines Heizelements die Temperatur des Heizabschnitts 18 a oder 20 a bzw. die Temperatur des Sauerstoffmeßteils des Sensors 2 oder 50 um so schlechter wiedergibt, je mehr das Verhältnis Rb/Ra des Widerstands Rb des Leiterabschnitts zu dem Widerstand Ra des Heizabschnitts zunimmt.

Infolge herstellungsbedingter Abweichungen bestehen zwischen den Heizkörpern (18, 20) einzelner Sensoren bei einer vorgegebenen Temperatur gewisse Unterschiede hinsichtlich des Widerstandswerts. Derartige Unterschiede können jedoch dadurch unterdrückt oder auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, daß in einen Stromzuführweg zwischen der Stromversorgungsschaltung 21 und dem Heizkörper 18 oder 20 in Reihen- oder Parallelschaltung mindestens ein veränderbarer Widerstand eingefügt wird. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist in der Fig. 6 gezeigt.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 6 sind zwei veränderbare Widerstände 64 und 66 in Reihe zu dem Leiterabschnitt 18 b oder 20 b des Heizelements 18 oder 20 geschaltet, während zu dem Leiterabschnitt 18 b oder 20 b zwei weitere veränderbare Widerstände 68 und 70 parallel geschaltet sind. Es kann jedoch mindestens einer dieser veränderbaren Widerstände 64, 66, 68 und 70 oder irgendeine beliebige Kombination aus diesen Widerständen vorgesehen werden. Beispielsweise können nur der veränderbare Widerstand 64 oder 68 oder die veränderbaren Widerstände 64 und 68 vorgesehen werden. Diese veränderbaren Widerstände 64 und 68 sind insofern vorteilhaft, als sie direkt mit dem Heizelement 18 bzw. 20 verbunden sind. Es können natürlich auch nur der veränderbare Widerstand 66 oder 70 oder die beiden Widerstände 66 und 70 in dem Stromzuführweg außerhalb des Sauerstoffsensors 2 bzw. 50 vorgesehen werden. Durch das geeignete Einstellen des Widerstandswerts des mindestens einen, mit dem Heizkörper 18, 20 verbundenen veränderbaren Widerstands 64, 66, 68 und 70 kann der Widerstand zwischen zwei Schaltungspunkten d und e bei einem vorbestimmten Wert der Temperatur des Sauerstoffmeßteils des Sauerstoffsensors 2 bzw. 50 auf einen vorbestimmten Wert eingestellt werden.

Die Einstellung der veränderbaren Widerstände 64, 66, 68 und 70 erfolgt z. B. auf einfache Weise dadurch, daß mittels des Heizkörpers 18, 20 oder einer anderen Heizvorrichtung der Sauerstoffmeßteil des Sauerstoffsensors 2 bzw. 50 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird und dann die veränderbaren Widerstände derart eingestellt werden, daß der gesamte Widerstandswert des Heizkörpers und der veränderbaren Widerstände gleich einem vorbestimmten Wert wird.

Die vorstehend genannten veränderbaren Widerstände können durch eine geeignete Steueranordnung ersetzt werden, die eine Differenz der Widerstände des Heizkörpers 18, 20 zwischen einzelnen Sensoren kompensiert bzw. korrigiert. D. h., es wird eine Regeleinrichtung verwendet, mit der die dem Heizkörper zugeführte Leistung oder Spannung derart geregelt wird, daß das Verhältnis des Widerstands des Heizkörpers bei der Raumtemperatur zu dem Widerstand bei der Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils des Sensors auf einem vorbestimmten Wert gehalten wird.

Im einzelnen gilt folgende Gleichung:

Rt = Ro (1 + αΔ T) (1)

wobei Ro der Widerstand des Heizkörpers bei normaler bzw. Raumtemperatur, Rt der Widerstand des Heizkörpers bei der angestrebten Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils, α der Temperaturkoeffizient des Widerstands des Heizkörpers, To die normale Temperatur, d. h. die Temperatur bei abgeschaltetem Heizkörper, Tt die gewünschte Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils des Sensors, Δ T die Differenz (Tt-To) zwischen den Temperaturen Tt und To und a das Verhältnis Rt zu Ro ist.

Die Gleichung (1) wird in folgende Gleichung umgesetzt:

a = Rt/Ro = 1 + aΔ T (2)

Daher gilt:

Δ T = (a - 1)/α = Tt - To (3)
Tt = (a - 1)/α + To (4)

Aus der Gleichung (4) folgt, daß bei einem konstanten Wert von a die Betriebstemperatur Tt des durch den Heizkörper erwärmten Sauerstoffmeßteils konstant ist. Daher kann ein möglicher herstellungsbedingter Unterschied der Heizkörper in den einzelnen Sensoren hinsichtlich des Widerstands Ro ausgeschaltet werden, wodurch die Sauerstoffmeßteile der einzelnen Sensoren auf den gleichen vorbestimmten Wert erwärmt und auf diesem gehalten werden können.

Die auf dem Verhältnis a = Rt/Ro beruhende Regelung der Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils kann folgendermaßen vorgenommen werden: zu Beginn wird der Widerstand Ro des Heizkörpers bei Raumtemperatur gemessen und der gemessene Widerstandswert Ro mit dem Verhältnis a multipliziert, das im Zusammenhang mit der Sollbetriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils bestimmt wird. Gemäß dem erhaltenen Produkt Rt = aRo wird die dem Heizkörper zugeführte Leistung oder Spannung festgelegt. Diese Bestimmung kann entweder nach einem programmgestützten Verfahren mittels eines Computers oder nach einem schaltungstechnisch realisierten Verfahren bewerkstelligt werden. Bei dem programmgestützten Verfahren wird der Heizkörper mit einer Spannung gespeist, die derart niedrig ist, daß die erzeugte Wärmemenge vernachlässigbar ist (bzw. der Heizkörper auf der normalen Temperatur gehalten wird). Unter diesen Bedingungen werden die Spannung V und der dem Heizkörper zugeführte Strom I gemessen. Dann wird der Wert Ro = V/I ermittelt und der ermittelte Wert Ro mit dem vorbestimmten Verhältnis a multipliziert, um dadurch den Wert Rt zu erhalten. Gemäß einem Widerstand Rh des Heizkörpers im Betrieb bzw. bei dessen Arbeitstemperatur wird die dem Heizkörper zugeführte Spannung oder Leistung derart bestimmt, daß der Wert Rh gleich dem Wert Rt ist.

Andererseits wird nach dem schaltungsmäßigen Verfahren auf die vorstehend beschriebene Weise Ro bei dem Speisen des Heizkörpers mit niedriger Spannung ermittelt. Danach wird mindestens einer von Widerstandswerten A, B und R der Widerstände 22, 24 bzw. 26 in der Stromversorgungsschaltung 21 nach Fig. 3 derart eingestellt, daß folgende Gleichung erfüllt ist:

γ = AR/B = Roa (5)

In der Stromversorgungsschaltung 21 nach Fig. 3 kann mindestens einer der darin enthaltenen Widerstände 22, 24 und 26 in einem Anschlußteil für das Verbinden des Sauerstoffsensors 2 oder 50 mit einer externen Steuereinrichtung zum Steuern des Sensors angebracht sein, die den Hauptteil der Stromversorgungsschaltung 21 enthält. Alternativ kann mindestens einer der Widerstände 22, 24 und 26 in einer Verbindungsleitung zwischen dem Heizkörper und dem vorstehend genannten Anschlußteil angebracht sein, beispielsweise an einem Teil der Stromversorgungsschaltung 21, das an dem Sauerstoffsensor 2 bzw. 50 oder außerhalb des Sensors angeordnet ist. Der vorstehend genannte mindestens eine Widerstand 22, 24 oder 26 in dem Anschlußteil oder der Verbindungsleitung kann als veränderbarer Widerstand ausgeführt sein, dessen Widerstandswert A, B bzw. R einstellbar ist. In diesem Fall kann ein Sauerstoffsensor 2 der einen Heizkörper mit abweichendem elektrischem Widerstand aufweist, eingestellt werden, ohne daß der Hauptteil der Stromversorgungsschaltung 21 eingestellt wird. Weiterhin kann durch das Einstellen des Widerstandswerts A, B oder R des Widerstands 22, 24 oder 26 die Temperatur Tt des durch den Heizkörper 18 und 20 erwärmten Sauerstoffmeßteils auf einen erwünschten Wert gemäß der folgenden Gleichung (6) eingeregelt werden. Dadurch ist es möglich, Unterschiede zwischen einzelnen Sauerstoffsensoren 2 bzw. 50 hinsichtlich des Widerstands Ro bei der Normaltemperatur des Heizkörpers auszuschalten. Auf diese Weise kann das vorstehend genannte, auf schaltungstechnischen Maßnahmen beruhende Verfahren praktisch angewandt werden.

Die Gleichung (6) ergibt sich aus den Gleichungen (2) und (5) folgendermaßen:

γ = AR/B = Roa = Ro (1 + αΔ T) (6)

Aus den Gleichungen (3) und (6) ergibt sich folgende Gleichung (7), in der der Wert Tt als Funktion der Widerstandswerte A, R und B ausgedrückt ist, wobei Ro, α und To Konstanten sind:

1 + αΔ T = AR/RoB
αΔ T = AT/RoB - 1
Δ T = ((AR/RoB) - 1)/α

Daher gilt:

Tt = ((AR/RoB) - 1)/a + To (7)

Daher kann unabhängig von dem Wert γ die Temperatur Tt konstant gehalten werden, sobald die Werte A, R und B festgelegt sind.

Eine Einrichtung zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration eines Meßgases hat einen Sauerstoffmeßteil, der ein die Sauerstoffkonzentration wiedergebendes Ausgangssignal abgibt, und einen Heizkörper für das Erwärmen des Sauerstoffmeßteils. Die Einrichtung enthält eine Regeleinrichtung, die die dem Heizkörper zugeführte Leistung oder Spannung derart steuert, daß dadurch die Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils auf einem vorbestimmten konstanten Wert gehalten wird. Diese Regelung erfolgt gemäß einer Änderung des der Temperatur des Heizkörpers entsprechenden elektrischen Widerstands des Heizkörpers und infolgedessen gemäß der Temperatur des Sauerstoffmeßteils.

Claims

1. Einrichtung zum Ermitteln der Sauerstoffkonzentration in einem Meßgas mit einem Sauerstoffmeßteil, der ein die Sauerstoffkonzentration anzeigendes Ausgangssignal abgibt, und mit einem Heizkörper für das Erwärmen des Sauerstoffmeßteils, gekennzeichnet durch eine an den Heizkörper (18, 20) angeschlossene Regeleinrichtung (21), die die dem Heizkörper zugeführte Leistung oder Spannung entsprechend einer Änderung des elektrischen Widerstands des Heizkörpers regelt und dadurch die Betriebstemperatur des Sauerstoffmeßteils (4, 12, 14; 4, 12, 14, 58, 60, 62) auf einen vorbestimmten Wert (Tt) hält, und durch mindestens einen veränderbaren Widerstand (64, 66, 68, 70), der zu dem Heizkörper in Reihe oder parallel geschaltet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (18, 20) als Bestandteil des Sauerstoffmeßteils (4, 12, 14) ausgebildet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand des Heizkörpers (20, 18) bei dem vorbestimmten Temperaturwert (Tt) einen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten von mindestens 0,1%/°C hat.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (18, 20) aus mehreren Heizelementen besteht und daß die Regeleinrichtung (21) die zugeführte Leistung oder Spannung von mindestens einem der Heizelemente regelt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (21) die dem Heizkörper (18, 20) zugeführte Leistung oder Spannung entsprechend der Änderung des elektrischen Widerstands desjenigen Heizelements regelt, das von allen Heizelementen die kleinste Wärmeabgabekapazität hat.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (18, 20), dessen elektrischer Widerstand für das Regeln der Leistung oder Spannung herangezogen wird, einem Heizabschnitt (18 a, 20 a) für das direkte Erwärmen des Sauerstoffmeßteils (4, 12, 14) und einen mit dem Heizabschnitt und der Regeleinrichtung (21) verbundenen Leiterabschnitt (18 b, 20 b) umfaßt, wobei der Heizabschnitt bei einer Normaltemperatur (To) bei abgeschaltetem Heizkörper einen höheren Widerstandswert als der Leiterabschnitt hat.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (21) an eine Stromquelle (40) angeschlossen ist, die mit dem Heizkörper (18, 20) über eine Stromzuführungsbahn verbunden ist, in die der oder die veränderbaren Widerstände (64, 66, 68, 70) eingesetzt sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine veränderbare Widerstand (64, 68) direkt an den Heizkörper (18, 20) angeschlossen ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert eines jeden veränderbaren Widerstands (64, 66, 68, 70) derart voreingestellt ist, daß bei dem vorbestimmten Temperaturwert (Tt), auf dem der Sauerstoffmeßteil (4, 12, 14) durch den Heizkörper (18, 20) gehalten wird, die Summe aus dem Widerstand des Heizkörpers und dem Gesamtwiderstandswert des veränderbaren Widerstands gleich einem vorbestimmten Wert ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (21) die dem Heizkörper (18, 20) zugeführte Leistung oder Spannung derart regelt, daß das Verhältnis des Widerstands des Heizkörpers bei einer Normaltemperatur (To) während dessen Abschaltung zu dem Widerstand bei dem vorbestimmten Temperaturwert (Tt) gleich einem vorbestimmten Wert (a) ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffmeßteil (4, 12, 14) und der Heizkörper (18, 20) als eine Einheit an einem Sauerstoffsensor (2; 50) angebracht sind, der über ein Anschlußteil mit einer externen Einrichtung außerhalb des Sauerstoffsensors verbunden ist, die die Regeleinrichtung (21) enthält, welche mindestens einen zusätzlichen veränderbaren Widerstand (22, 24, 26) mit voreinstellbarem elektrischen Widerstandswert aufweist, der in dem Anschlußteil oder einer Leitung zwischen dem Anschlußteil und dem Sauerstoffsensor angebracht ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der zusätzlichen veränderbaren Widerstände (20, 24, 26) an einem Anschlußteil angebracht ist, das an dem Sauerstoffsensor (2; 50) in direkter Verbindung mit dem Heizkörper (18, 20) ausgebildet ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regeleinrichtung (21) eine Brückenschaltung gebildet wird, deren Brückenspannung von Null abweicht, wenn die Temperatur des Heizkörpers (18, 20) von der vorbestimmten Temperatur (Tt) abweicht.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Heizkörper (18, 20) zugeführte Leistung oder Spannung entsprechend der Größe und der Polarität der Brückenspannung geregelt wird.

15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung aus dem elektrischen Widerstand des Heizkörpers (18, 20) und drei Widerständen (22, 24, 26) gebildet ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere der drei Widerstände (22, 24, 26) durch einen der zusätzlich veränderbaren Widerstände (22, 24, 26) gebildet ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffmeßteil (4, 12, 14, 58, 60, 62) eine Diffusionskammer (58), in die das Meßgas gegen einen vorbestimmten Diffusionswiderstand eindiffundiert, eine Sauerstoffpumpeinrichtung (60, 62) zum Steuern der Sauerstoffkonzentration des Gasgemisches in der Diffusionskammer und eine Sauerstoffkonzentrations-Meßzelle (4, 12, 14) zum Messen der Sauerstoffkonzentration des Gasgemisches in der Diffusionskammer aufweist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (18, 20) Platin als elektrisch leitendes Material enthält.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffmeßteil (4, 12, 14) einen für Sauerstoffionen durchlässigen Festelektrolyt (4) aufweist, der als Hauptbestandteil ZrO₂ enthält.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizkörper (18, 20) einen Heizabschnitt (18 a, 20 a) hat, der gegen das direkte Freiliegen zum Meßgas hin isoliert ist.