DE3833295A1 - Schneller, temperaturkompensierter sensor, insbesondere fuer sauerstoff und fuer autoabgase - Google Patents

Schneller, temperaturkompensierter sensor, insbesondere fuer sauerstoff und fuer autoabgase

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
Der erfindungsgemäße Sensor ist ein schneller bzw. rasch an­ sprechender, temperaturkompensierter Sensor, insbesondere Par­ tialdruckmesser für vorzugsweise Sauerstoff. Er ist speziell für die Anwendung in der Kraftfahrzeugtechnik zur qualitativen und insbesondere quantitativen Erfassung von Sauerstoff im Autoabgas geeignet.
Es sind bereits sogenannte Lambda-Sonden bekannt, mit denen an Autoabgasen gemessen bzw. überwacht wird, ob bzw. in welchem Maße die dem Motor zugeführte Luft-Kraftstoff-Mischung vorge­ gebene, bzw. optimale Zusammensetzung hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor anzugeben, mit dem mit Ansprechzeiten im Bereich von Millisekunden der Sauerstoffpartialdruck im Abgas gemessen bzw. überwacht werden kann. Diese Aufgabenstellung ist insbesondere darauf ausgerichtet, einen solchen Sensor zu schaffen, der für eine zylinderselektive Motorregelung vorteilhaft zu verwenden ist.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Ausgangspunkt der Erfindung ist, daß eine zylinderselektive Motorregelung mit den herkömmlichen Lambda-Sonden nicht zu realisieren ist, da diese Sensoren zu geringe Ansprechzeiten besitzen. Die bekannten Lambda-Sonden sind auch zu stark tempe­ raturabhängig, um der Lösung der gestellten Aufgabe zu genügen.
Im Kraftfahrzeugbetrieb liegen nämlich die Abgastemperaturen innerhalb eines für die Lösung der gestellten Aufgabe relativ großen Temperaturbereiches, nämlich je nach Betriebsphase und Belastung des Motors. Auch ist die Lage der vorgesehenen Anbringung der Sonde im Weg des Abgases vom Motor bis zum End-Schalldämpfer zu berücksichtigen.
Die Erfindung baut auf der an sich bekannten Tatsache auf, daß bekannte Lambda-Sonden bzw. Sauerstoffdetektoren Temperaturab­ hängigkeit aufweisen. Die Erfinder haben festgestellt, daß jeweilige Sensoren, insbesondere Sensoren, die im wesentlichen dünne keramische Metalloxid-Schichten als Sensorelemente auf­ weisen, unterschiedlich großen Temperaturgang haben. Es wurden dazu dünne Schichten mit Schichtdicken in der Größenordnung von etwa 1 µm, die durch Kathodenzerstäubung (Sputtern) hergestellt worden sind auf ihr Temperaturverhalten (und gleichzeitig auf ihre Ansprechzeiten) hin untersucht.
Zum Beispiel wurden die aus den Fig. 1 und 2 zu entnehmenden Temperaturgänge ermittelt. Beide Figuren zeigen, und zwar hier jetzt zur Erleichterung des Vergleiches normiert auf einen Druck P 0 und eine Temperatur T 0, an Beispielen ermittelte Tem­ peraturverläufe. Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit Sigma eines ersten Sensors, und zwar für als Parameter enthaltene Temperaturen T 0 und T 1 = T 0 + delta T. Der Sensor, der den Meßwerten der Fig. 1 zugrunde liegt, hatte Ak­ zeptor-dotiertes keramisches Material (SrTiO₃, BaTiO₃) als sen­ sorwesentlichen (Metalloxid-)Bestandteil. Die Fig. 2 wurde an Donator-dotierter Keramik (SrTiO₃) ermittelt.
Diese ermittelten Abhängigkeiten werden erfindungsgemäß kom­ pensiert. Es wurde herausgefunden, daß mit Hilfe eines elek­ trischen Schaltprinzips im Ergebnis ein temperaturkompen­ sierter Sauerstoffsensor zu erreichen ist.
Fig. 3 zeigt das Schaltbild einer Brückenschaltung, die Kom­ pensation der Temperaturgänge der zwei (R 1, R 2) für den Sensor verwendeten, an sich bekannten bzw. bekanntermaßen verwendeten keramischen Widerstände aufweist. Mit R S und R P sind ein erster und ein zweiter Shunt-Widerstand bezeichnet. U 0 ist die Speise-Gleichspannung und U 2 ist das Meßwertsignal. Es läßt sich mathematisch zeigen, daß unter Berücksichtigung der Materialbedingungen die Meßwertspannung U 2 in einem vorgeb­ baren Temperaturbereich nur noch vom Sauerstoff-Partial­ druck und nicht mehr von der Temperatur des Sensors abhängt, d.h. der sonst immer störend auftretende Temperaturgang eines Sauerstoffsensors eliminiert ist.
Zugrunde liegt der Erfindung, daß ein wie hier infrage kommender Widerstand mit Sensoreigenschaft für Sauerstoff, d.h. ein wie z.B. oben angegebener dotierter Metalloxid-Widerstand bezüglich seiner Abhängigkeiten vom Partialdruck und von der Temperatur angegeben werden kann als:
R i (P, T) = R i (P)×R i (T 0)×exp (-K i ×T/T 0) i = 1, 2.
Leider konnte nicht festgestellt werden, daß geeignete Wider­ stände R 1, R 2 mit K 1 = K 2 zur Verfügung stehen, so daß der erfindungsgemäße Weg auch bei angenommenerweise an sich bekannter exponentieller Temperaturabhängigkeit bisher nicht beschritten worden ist. Für einen in der Praxis ausreichend großen Temperaturbereich, insbesondere für denjenigen von 800° bis 1000°C läßt sich mit der Erfindung dennoch in einfacher Weise gute Kompensation erzielen. Zum Beispiel genügt es im Regelfall einen Serien-Shunt-Widerstand R S zu verwenden. Es kann auch der Parallel-Shunt-Widerstand R P vorgesehen sein. Bedarf es einer Temperaturunabhängigkeit für einen größeren Temperaturbereich, empfiehlt es sich sowohl einen Serien- als auch einen Parallel-Shunt-Widerstand R S , R P vorzusehen. Zweck­ mäßigerweise werden diese beiden Shunt-Widerstände demselben Widerstand R 1 (P, T) zugeordnet (wie dies die Figur zeigt). Die erfindungsgemäße Maßnahme ist eine, allerdings sehr gute, An­ näherung an die Temperaturunabhängigkeit und der Serien-Shunt- Widerstand erweitert den Temperaturbereich der Temperaturab­ hängigkeit zu den niedrigeren Temperaturen hin, wohingegen der Parallel-Shunt-Widerstand den Bereich der höheren Temperaturen begünstigt. Der eine oder die beiden Shunt-Widerstände R S , R P werden demjenigen temperaturabhängigen Widerstand R (P, T) zuge­ ordnet, der den höheren Temperaturkoeffizienten K i hat.
Die Shunt-Widerstände R S und R P werden zweckmäßigerweise außer­ halb der Temperatureinwirkung durch die Abgase angeordnet. Werden sie im Bereich der Temperatureinwirkung angeordnet, so sollen diese Widerstände R S , R P weitgehend nur geringen Tempe­ raturkoeffizienten haben. Dies ist in erster Linie eine Prakti­ kabilitätsvorschrift, denn Widerstände dieser Art stehen aus­ reichend zur Auswahl.
Die jeweilige Bemessung der Widerstände R S und R P hängt natür­ lich von der Größe der Widerstände R 1, R 2 ab. Entsprechend der geltenden mathematischen Beziehung für diese Brückenschaltung mit Reihen- oder Parallel-Shunt-Widerstand kann mit Hilfe eines Rechners durch Iteration ermittelt werden. Im Regelfall genügt es aber, durch einfachen praktischen Versuch mit der Kenntnis der Erfindung und ihrer Zielsetzung passende Widerstandswerte für vorgesehenen Serien-Shunt-Widerstand R S und/oder ggf. vor­ gesehenen Parallel-Shunt-Widerstand R P zu finden.
Zum tieferen Verständnis der Erfindung sei darauf hingewiesen, daß der Gradient der Sauerstoff-Partialdruck-Abhängigkeit der Metalloxid-Widerstände R 1, R 2 davon abhängig ist, ob Donator- oder Akzeptor-Leitfähigkeit vorliegt. Es ist jeweils Donator- Leitfähigkeit des einen Widerstandes R i und Akzeptor-Leit­ fähigkeit des anderen Widerstandes R i vorzusehen. Demgemäß läßt sich die Erfindung vorteilhaft auch für solche anderen Gase anwenden, bei denen eine gleichartige Abhängigkeit gegenüber dem Metalloxid vorliegt, nämlich entgegengesetzter Gradient der Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des Metalloxids vom Partialdruck des betreffenden Gases.
Die Fig. 3 zeigt dem Prinzip nach eine Brückenschaltung, auch wenn keine vollständige Brücke vorliegt, d.h. der zweite Brückenzweig fehlt. Je nach Bedarfsfall kann die Schaltung nach Fig. 3 oder eine zu einer vollständigen Brückenschaltung durch z.B. zwei weitere Widerstände ergänzte Schaltung vorgesehen sein.

Claims (7)

1. Gassensor, insbesondere als quantitativer Sensor zu verwenden, vorzugsweise geeignet für Sauerstoff-Messung in Autoabgasen,
mit einem an sich bekanntermaßen für einen betreffenden Gas­ sensor verwendeten Metalloxid-Widerstand mit Anschlüssen für die Versorgungsspannung und für die Abnahme des Meßwertsignals, gekennzeichnet dadurch,
daß zur Temperaturkompensation für einen vorgegebenen Tempera­ turbereich
  • - eine Schaltung nach Art einer Brückenschaltung (Fig. 3) mit zwei derartigen, temperaturabhängigen Metalloxid-Wider­ ständen (R 1, R 2) zwischen den Anschlüssen der Versorgungs­ spannung (U 0) in Reihe geschaltet, beide den Gastemperaturen ausgesetzt, vorgesehen sind,
  • - daß diese beiden Metalloxid-Widerstände (R 1, R 2) Gradienten der Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit vom Gas- Partialdruck haben, die einander entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen und
  • - daß dem Metalloxid-Widerstand mit der größeren Konstanten (K 1) im Exponenten seiner Temperaturabhängigkeit der elek­ trischen Leitfähigkeit wenigstens ein Shunt-Widerstand (R S , R P ) für Angleichung der Temperaturabhängigkeit beider Metalloxid-Widerstände (R 1, R 2) zugeordnet ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der eine Metalloxid-Widerstand (R 1) Akzeptor-dotiert ist und der andere Metalloxid-Widerstand Donator-dotiert ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Shunt-Widerstand (R S ) ein Reihenwiderstand zu dem Metalloxid-Widerstand (R 1) ist, dem dieser Shunt-Widerstand zugeordnet ist.
4. Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Shunt-Widerstand (R P ) ein Parallel-Widerstand des Metalloxid-Widerstandes (R 1) ist, dem dieser Shunt-Wider­ stand zugeordnet ist.
5. Sensor nach Anspruch 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß sowohl Serien-Shunt-Widerstand (R S ) als auch Parallel- Shunt-Widerstand (R P ) vorgesehen ist.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der wenigstens eine Shunt-Widerstand (R S , R P ) außerhalb der Einwirkung der Gastemperatur angeordnet ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß der wenigstens eine Shunt-Widerstand ein wenigstens weit­ gehend temperaturkonstanter Widerstand ist.
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