DE4006085A1 - Sensor zur gleichzeitigen bestimmung der zusammensetzung von gasgemischen und der gasgeschwindigkeit - Google Patents
Sensor zur gleichzeitigen bestimmung der zusammensetzung von gasgemischen und der gasgeschwindigkeitInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur gleichzeitigen Bestim
mung der Zusammensetzung von Gasgemischen und der Gasgeschwindigkeit
nach der Gattung des Anspruchs 1. Bisher wird mit sogenannten Heiß
film-Luftmassenmessern die Luftgeschwindigkeit bestimmt. Hierbei
handelt es sich um beheizte Dickschichtelemente mit integrierten
Temperaturfühlern. Mit Hilfe eines separaten, zusätzlichen, beheiz
ten Gassensors kann die Luft-Schadstoffbelastung, zum Beispiel
Kohlenmonoxid (CO), in der Umgebung des Luftmassenmessers erfaßt
werden. Dieser Gassensor weist ebenfalls einen Heizer auf und ist in
Dickschichttechnik oder in Dünnschichttechnik herstellbar. Zur Er
fassung der Schadstoffbelastung (CO) werden zum Beispiel SnO2-
Schichten verwendet. Dies hat aber den Nachteil, daß für jeden Sen
sor ein eigener Heizer und gegebenenfalls auch ein eigener Tempera
tursensor notwendig ist, wodurch die Sensoren aufwendig und teuer
bauen.
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mit Hilfe eines
einzigen Sensors gleichzeitig die Gasgeschwindigkeit und die
Gas-Schadstoffbelastung erfaßt werden kann. Dabei laufen am Gas-Sen
sor keine, oder im Vergleich zur Konvektion vernachlässigbare endo
therme oder exotherme Vorgänge ab. Mit Hilfe einer einzigen Heizung
und Temperaturmessung wird eine zur Schadstoffmessung und zur Gas
massenmessung erforderliche konstante Arbeitstemperatur in einem
einzigen Sensor erreicht. Die Anordnung und die Reihenfolge der
Schichten auf der Trägersubstanz sind in beliebiger Reihenfolge mög
lich. Dabei können die Schichten auf einer Seite des Trägers aufge
bracht werden, oder es können sich die Schichten für die Schadstoff
messung auf der einen und die für die Gasmassenmessung auf der ande
ren Seite befinden. Wird der Heizer über den sich ändernden Wider
standswert des die Heizspiralen durchfließenden Stroms kontrolliert,
so kann ein zusätzlicher Temperaturfühler im Sensor entfallen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors
möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die
Fig. 1 den Aufbau eines Sensors und die Fig. 2 den Aufbau eines
zweiten Ausführungsbeispiels.
In Fig. 1 ist mit 10 ein Sensor zur gleichzeitigen Bestimmung der
Zusammensetzung von Gasgemischen, insbesondere des Kohlenmonoxidge
haltes in Gasgemischen und der Gasgeschwindigkeit bezeichnet, der
eine dünne Trägerplatte 11 aus schlecht oder gut wärmeleitendem,
temperatur- und feuchtebeständigem und für die verschiedenen Druck
techniken geeignetem Material aufweist. Als solches Material eignet
sich besonders vorteilhaft ein Keramiksubstrat, zum Beispiel aus
Aluminiumoxid. Die Trägerplatte 11 ist quaderförmig dargestellt,
kann aber nahezu jede, den jeweiligen Einbauverhältnissen angepaßte
Form aufweisen. Auf der Oberseite, das heißt auf der dem Raum, des
sen Schadstoffbelastung bestimmt werden soll, zugewandten Seite ist
ein mäanderförmig ausgebildeter Heizleiter 12 aufgedruckt. Hierzu
kann sowohl die allgemein bekannte Dickschicht- als auch die Dünn
schichttechnik verwendet werden. Auch wäre es möglich, den Heizlei
ter sowie alle nachfolgenden Schichten im Siebdruckverfahren oder in
Multilayer-Technik aufzubringen. Der Heizleiter 12 kann aus einem
NTC- (negativer Temperaturkoeffizient) oder einem PTC- (positiver
Temperaturkoeffizient) Material bestehen. Der Heizleiter 12 wird von
einer elektrischen, aufgedruckten Isolationsschicht 13, zum Beispiel
aus Glas, bedeckt. Sie dient gleichzeitig auch als Träger für die
Elektroden des Temperaturfühlers 14. Über Kontaktbahnen 16 ist der
Temperaturfühler 14 mit einer nicht dargestellten Auswerteschaltung
verbindbar. Ferner befindet sich auf dem Temperaturfühler 14 eine
zweite elektrische Isolationsschicht 17, die wie die erste Isola
tionsschicht 13 ausgebildet sein kann. Auf diese Isolations
schicht 17 sind die beiden kammförmig ausgebildeten Elektroden 18
des Gassensors 19 aufgedruckt. Der Gassensor 19 besteht ferner aus
einer auf die Elektroden 18 aufgedruckten, chemisch reagierenden
Schicht 20, zum Beispiel einer SnO2-Schicht. Abhängig von dieser
Schicht ist, welche Gase und welche Bestandteile in diesen Gasen
bestimmt werden sollen. So ist es mit Hilfe der Zinndio
xid (SnO2)-Schicht möglich, den CO-Gehalt in der Luft zu bestim
men. Dies ist zur Steuerung des Frischluft/-Umluft-Anteils in Kraft
fahrzeug-Innenräumen notwendig.
Alle Schichten 12 bis 20 werden in der Dickschicht- oder Dünn
schichttechnik in der oben aufgeführten Reihenfolge auf der Träger
platte 11 aufgebracht. Es ist aber auch möglich, die beiden Druck
techniken Dickschicht- oder Dünnschichttechnik miteinander bei einem
Sensor 10 zu kombinieren, so daß auf der Trägerplatte die jeweiligen
Schichten mit unterschiedlicher Technik aufgebracht werden können.
Auch ist es möglich, das Siebdruckverfahren oder die Multi
layer-Technik zu verwenden.
Die Isolationsschichten 13, 17 sollen möglichst nicht als thermische
Isolierung wirken. Durch den schichtartigen Aufbau des Sensors 10
sind der Heizer 12, die Elektroden 14 des Temperaturfühlers und der
Gassensor 19 so nahe beeinander angeordnet, daß keine zeitlich ver
zögerte Messung entsteht.
Selbstverständlich ist es auch möglich, den Temperaturfühler auf der
einen Seite der Trägerplatte 11 und den Gassensor 19 auf der anderen
Seite der Trägerplatte 11 anzuordnen.
Wird der Heizleiter 12 von einem Strom durchflossen, so wird in dem
Heizleiter 12 die für den Betrieb des Sensors 10 erforderliche Ar
beitstemperatur erzeugt. Diese Arbeitstemperatur wird mit Hilfe des
Temperaturfühlers 14 überwacht. Strömt an dem Sensor 10 das zu über
wachende Gas vorbei, so wird aufgrund der konvektiven Wärmeabfuhr am
Sensor 10 eine Anpassung der Heizleistung des Heizleiters 12 notwen
dig. Hierzu ist am Heizleiter 12 eine nicht dargestellte, aber all
gemein bekannte elektronische Regelschaltung angeschlossen. Diese
Veränderung der Stromstärke bzw. der Spannung des den Heizleiter 12
durchfließenden Stroms ist ein Meßsignal für die Geschwindigkeit der
den Sensor 10 überströmenden Luft. Die Umgebungstemperatur des Sen
sors 10 wird selbstverständlich weiterhin in bekannter Weise mit
Hilfe eines zweiten, thermisch vom Sensor 10 entkoppelten Tempera
turfühlers bestimmt.
Die chemisch reagierende Schicht 20 besteht zum Beispiel aus einer
SnO2-Schicht. Überströmt das Gas, zum Beispiel Luft, diese
Schicht 20, so ändert sich abhängig von der Zusammensetzung der Luft
der elektrische Widerstand in dieser Schicht 20. Dadurch wird der
zwischen den beiden Elektroden 18 fließende Strom in bestimmtem Ver
hältnis zur Zusammensetzung der Luft verändert. Dadurch kann zum
Beispiel die Luft-Schadstoffbelastung ermittelt werden.
Die Schicht 20 kann aber auch aus Titandioxid bestehen. Hier beruht
die Wirkungsweise des Gassensors 19 auf dem chemischen Gleichgewicht
zwischen den Gitterdefekten im Titandioxid und dem gasförmigen Sau
erstoff der den Sensor 10 umgebenden Atmosphäre, deren Luft-Sauer
stoffbelastung bestimmt werden soll. Bevorzugt wird der Senor zur
Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den Abgasen von Verbrennungsmo
toren eingesetzt. Hierbei bedingt eine niedrige Sauerstoffkonzentra
tion in der Atmosphäre, wie sie zum Beispiel für den Fall eines fet
ten Gemisches bei der Steuerung eines Verbrennungsmotors oder im
Vacuum vorhanden ist, durch den großen Unterschied der Sauerstoffak
tivität zwischen Titandioxid und Atmosphäre den Übergang des Sauer
stoffions aus dem Titandioxid in die Atmosphäre. Innerhalb des Ti
tandioxids entstehen somit sauerstoffbedingte Gitterdefekte und
freie Elektronen. Infolge der Bildung freier Elektronen fällt somit
im fetten Bereich der Widerstand des Sensors ab. Im Magerbereich
würde die entgegengesetzte Reaktion stattfinden, wodurch der Wider
stand des Sensors zunehmen würde.
Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 unterscheidet sich von dem
nach der Fig. 1 dadurch, daß der Temperaturfühler 14 und die Isola
tionsschicht 17 nicht vorhanden ist. Der Sensor 10a besteht somit
aus dem Träger 11, dem Heizleiter 12, der Isolationsschicht 13 und
dem Gassensor 19 mit den Elektroden 18 und der reagierenden
Schicht 20. Beim Sensor 10a nach der Fig. 2 wird die Temperatur des
Heizleiters 12 mit Hilfe des sich ändernden Widerstandswertes des
Heizleiters 12 bestimmt. Die Temperaturmessung wird dadurch vom Sen
sor 10a weg auf eine indirekte Messung mit Hilfe einer elektroni
schen Schaltung verlagert. Dies bedeutet, daß der gleiche Effekt
lediglich mit einer anderen Auswerteschaltung ausgenützt wird.
Dadurch wird der Aufbau des Sensors 10 nochmals vereinfacht.
Claims (10)
1. Sensor (10) zur gleichzeitigen Bestimmung der Zusammensetzung von
Gasgemischen, insbesondere des Sauerstoffgehalts und des Kohlenmono
xid-Gehalts in Gasgemischen, und der Gasgeschwindigkeit mit in
Schichttechnik hergestelltem Aufbau, der mindestens einen auf einem
Träger (11) aufgebrachten Heizer (12) und mindestens einen Gasfüh
ler (19) mit Elektroden (18) und einer chemisch reagierenden
Schicht (20) aufweist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Heizer (12) und dem Gasfühler (19) mindestens ein Temperaturfüh
ler (14) angeordnet ist.
3. Sensor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
auf dem Träger (11) in folgender Reihenfolge aufgebracht sind: ein
Heizer (12), eine erste elektrische Isolationsschicht (13), ein Tem
peraturfühler (14), eine zweite elektrische Isolationsschicht (17),
Elektroden (18) des Gasfühlers (19) und eine chemisch reagierende
Schicht (20).
4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (11) aus Keramiksubstrat, zum Beispiel Aluminiumoxid
besteht.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der oder die Heizer (12) und die Elektroden (14) mäanderförmig
ausgebildet sind.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (20) aus SnO2 (Zinndioxid) besteht.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (20) aus Titandioxid besteht.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten in Dickschichttechnik aufgebracht sind.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichten in Dünnschichttechnik aufgebracht sind.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gas Luft ist.
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