DE3907556A1 - Apparat und verfahren zur erhoehung der selektivitaet von halbleitersensoren durch geregelte heiztemperatur - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß Metalloxyd-Gassensoren bei unterschiedlichen Temperaturen eine signifikant unterschiedliche Empfindlichkeit gegenüber spezifischen Gasen haben. Die Erklärung dafür ist, daß bei bestimmten Temperaturen die Reaktivität des Metalloxydes und insofern die Oxidationsbereitschaft des spezifischen Gases unter anderem eine Funktion der Oberflächentemperatur des Metalloxydes ist.

In der Patentanmeldung P 38 27 426.4 und der Patentanmeldung P 39 05 993.6 sind daher Verfahren beschrieben worden, um mit Hilfe dieses Effektes die zu detektierenden Gase sowohl nach Qualität als auch nach Quantität zu bestimmen.

Dabei ist davon ausgegangen worden, daß es möglich ist, eine be­ stimmte Temperatur des Sensorelementes reproduzierbar zu er­ reichen. Es ist gelegentlich vorgeschlagen worden, z. B. in der Patentanmeldung P 39 05 993.6, auf dem Sensorelement einen tempe­ raturabhängigen Widerstand anzubringen, der repräsentativ die Temperatur der Sensoroberfläche wiedergibt.

Diese Lösung bedingt, daß spezielle Sensortechnologien eingesetzt werden müssen. Standardmäßig am Markt verfügbare Sensorelemente können nicht eingesetzt werden.

Die nachstehend beschriebene Erfindung hat sich die Aufgabe ge­ stellt, vorteilhaft auch am Markt erhältliche Sensorelemente für den vorstehend beschriebenen Zweck einsetzen zu können.

Die Erfindung macht sich die Tatsache zu nutze, daß der elek­ trische Widerstand eines Heizelementes in der Regel temperatur­ abhängig ist, wobei mehrheitlich ein positiver Temperaturkoeffi­ zient zu beobachten ist. In Fig. 1 ist z. B. das typische Ver­ halten eines Platin-Heizers dargestellt, wobei mit zunehmender Temperatur des Heizelementes der elektrische Widerstand des Heiz­ elementes steigt. In der Regel ist die Funktion zwischen Tempera­ tur und Widerstand definierbar.

Aufgrund der dichten thermischen Kopplung zwischen Heizelement und Sensorelement kann davon ausgegangen werden, daß die Tempera­ tur des Heizelementes in einem direkten Zusammenhang mit der Tem­ peratur des Sensorelementes steht.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, eine reproduzierbare Temperaturstabilisierung dadurch zu erreichen, daß der für die angestrebte Temperatur des Sensors relevante Heizungswiderstand aufgefunden und gehalten wird.

Die Lehre der Erfindung besteht also darin, die Heizung des Sen­ sorelementes so auszulegen, daß der elektrische Widerstand des Heizungselementes als Ist-Größe dient.

Eine der erfindungsgemäßen Lösung nahekommende Variante ist in Fig. 2 beschrieben. Das Sensorelement (3) wird durch ein Heiz­ element (2) beheizt, wobei die thermische Kopplung zwischen Heiz­ element und Sensorelement sehr eng ist, so daß beide Temperaturen nahezu identisch sind.

Die Stromversorgung erfolgt z. B. aus einer gesteuerten Konstant­ stromquelle (1).

Die sich durch den Strom am Sensorheizer ergebende Spannung (5) wird einem Regler zugeführt, der bevorzugt durch einen Mikropro­ zessor (6) dargestellt ist. Die Soll-Größe bekommt der Mikropro­ zessor-Regler entweder programmgesteuert oder extern eingestellt über eine Vorwahleinrichtung (7).

Da die Ist-Größe weder Strom, noch Spannung, sonder der Wider­ stand ist, errechnet der Mikroprozessor aus Spannung und Strom nach dem Ohmschen Gesetz R = U/I den Ohmschen Widerstand. Inso­ fern erfolgt ein Soll/Ist-Vergleich anhand des eingegebenen Soll- wertes und des ermittelten elektrischen Widerstandes des Hei­ zers.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführung beschrieben.

Dabei wird nicht der Strom, sondern die Spannung der Heizung variiert.

Der Mikroprozessor-Regler (6) steuert eine Konstantentspannungs­ quelle (10). Diese Spannungsquelle treibt einen Strom durch das Heizelement (2) und durch einen Serienwiderstand (9). Am Serien­ widerstand wird eine Spannung (8) abgegriffen, die aufgrund der bekannten Gesetzmäßigkeiten mit dem Strom korrespondiert. Zwangs­ läufig ist der Strom durch den Widerstand (9) identisch mit dem Strom durch das Heizelement (2). Mit Hilfe des bekannten Ohmschen Gesetzes kann leicht der Gesamtwiderstand errechnet werden, der durch das Heizelement (2) und den Widerstand (9) fließt. Unter Berücksichtigung des bekannten Widerstandswertes (9) errechnet sich die Größe des Ohmschen Widerstandes des Heizelementes (2). Die weitere Ausgestaltungsweise entspricht der vorstehend be­ schriebenen Lehre. Wesentlich ist, daß die Heizleistung sich an einem vorgegebenen Widerstandswert des Heizelementes (2) orien­ tiert, dessen temperaturabhängige Werte als Soll-Wert herange­ zogen werden.

Insofern ist es vorteilhaft und einfach möglich, die Temperatur eines beheizten Halbleiter-Metalloxyd-Gassensors über die Heizung kontrolliert und reproduzierbar zu regeln, ohne ein zusätzliches temperaturabhängiges Element in die Sensoranordnung integrieren zu müssen.

Claims (4)

1. Apparat und Verfahren zur Detektion verschiedener Gase mit Hilfe von beheizten Metalloxyd-Sensoren, wobei die Selektivität gegen­ über spezifischen Gasen durch Wahl einer spezifischen Sensortem­ peratur erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorheizung durch einen Regler im Sinne eines geschlos­ senen Regelkreises auf spezifische Temperaturen eingestellt wird und als Soll-Größe der elektrische Widerstand des Heizelementes bei spezifischen Temperaturen dient, wobei als Ist-Größe der tem­ peraturabhängige, momentane elektrische Widerstand des Heizele­ mentes dient, der vom Regler aus Strom und Spannung des Heizele­ mentes bestimmt wird.

2. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler aus einem Mikroprozessor (8) besteht, der den Soll-Wert (7) mit dem Quotienten der über dem Sensor gemessenen Spannung (5) und den in einer vom Regler gesteuerten Stromquelle (1) erzeugten Strom vergleicht und im Sinne eines geschlossenen Regelkreises den Ist-Wert vom Soll-Wert annähert.

3. Anspruch nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Soll-Wert (7) mit dem Quotienten aus der Spannung einer vom Regler (6) gesteuerten Spannungsquelle (10) und dem durch die Heizung (2) fließenden Strom vergleicht.

4. Anspruch nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom durch die Heizung aus dem Spannungsabfall an einen im Stromkreis liegenden Widerstand (9) errechnet wird.