DE4222347A1

DE4222347A1 - Measurement unit for determining harmful gases esp. in air mixt. in passenger compartment of vehicle - preheats gas mixt. to be monitored to stipulated temp. to reduce effect of interference so that more sensitive gas sensor can be used

Info

Publication number: DE4222347A1
Application number: DE4222347A
Authority: DE
Inventors: Cornelius Dipl Ing Peter; Hartmut Dipl Phys Seiler; Heiner Dipl Phys Holland; Bernd Dr Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1994-01-13

Abstract

The power of the heating element (22) is regulated using an electrical regulating unit, having at least one regulator and an adjusting element. The measurement temp. is determined by a thermometer probe in the chamber (20). The measurement temp. can be determined using a thermometer probe in the heating element (22). The latter) is made of a material with a marked PTC characteristic, pref. a PTC ceramic. The gas sensor (10) is a semiconductor gas sensor constructed in layers. ADVANTAGE - Gives sensor signal with good stability. Regulation behaviour is stabilised in regulated operation of heating. Reduces temp. gradient between sensor and ambient air.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einer Meßeinrichtung zum Erfassen von Schadstoffen nach der Gattung des Hauptanspruchs. In der Praxis wer den zur Messung der Schadstoffkonzentration, zum Beispiel von CO- und/oder NO_x-Konzentrationen in der ein Kraftfahrzeug umgeben den Luft meist Halbleiter-Gassensoren verwendet, wie sie zum Bei spiel im DE-GBM-91 10 325 oder in der DE-OS 41 28 186.1 beschrieben sind. Bei Halbleiter-Gassensoren wird bekanntlich als Meßgröße der elektrische Leitwert der Halbleiterschicht ausgewertet. Dieser elek trische Leitwert ist aber sehr von der Betriebstemperatur des Sen sors abhängig. Voraussetzung für ein stabiles Sensorsignal (Meß größe) ist daher die Konstanthaltung der Betriebstemperatur des Gas sensors. Bisher werden diese Halbleiter-Gassensoren mit einer im Schichtaufbau des Gassensors angeordneten temperaturgeregelten Hei zung betrieben. Dabei kann dennoch im Falle einer zeitunabhängigen Wärmeableitung eine Abweichung der Temperatur der aktiven Halblei terschicht des Gassensors vom Sollwert vorliegen. Diese Abweichung hängt ab vom Temperaturgefälle zwischen dem Ort der jeweiligen Tem peraturmessung und dem Ort der aktiven zur Messung der Schadgaskon zentration dienenden Halbleiterschicht. Häufig wird dabei in der Praxis die Temperatur mit Hilfe des temperaturabhängigen Widerstands der Sensorheizung gemessen. Somit hängt das oben erwähnte Tempe raturgefälle sowohl von der Höhe der Wärmeableitung als auch ent scheidend von der Ausbildung des Sensors, insbesondere der Dicke des Tragersubstrats, und der Wärmeleitfähigkeit des Materials des Trägersubstrats ab. Im Falle einer zeitabhängigen Wärmeableitung hängt die Abweichung der Temperatur vom Grad der Änderung der Wärme ableitung mit der Zeit und vom Wärmeübergang (Zeitkonstante) zwischen dem Heizer und der aktiven Halbleiterschicht ab.The invention relates to a measuring device for detecting pollutants according to the preamble of the main claim. In practice, who uses the mostly semiconductor gas sensors for measuring the pollutant concentration, for example CO and / or NO _x concentrations in the air surrounding a motor vehicle, as is the case for example in DE-GBM-91 10 325 or in DE-OS 41 28 186.1 are described. In the case of semiconductor gas sensors, it is known that the electrical conductance of the semiconductor layer is evaluated as the measured variable. This electrical conductance is very dependent on the operating temperature of the sensor. A prerequisite for a stable sensor signal (measured variable) is therefore keeping the operating temperature of the gas sensor constant. So far, these semiconductor gas sensors have been operated with a temperature-controlled heating arranged in the layer structure of the gas sensor. However, in the case of time-independent heat dissipation, the temperature of the active semiconductor layer of the gas sensor can deviate from the desired value. This deviation depends on the temperature gradient between the location of the respective temperature measurement and the location of the active semiconductor layer used to measure the harmful gas concentration. In practice, the temperature is often measured using the temperature-dependent resistance of the sensor heater. Thus, the temperature gradient mentioned above depends both on the amount of heat dissipation and also decisively on the design of the sensor, in particular the thickness of the carrier substrate, and the thermal conductivity of the material of the carrier substrate. In the case of time-dependent heat dissipation, the temperature deviation depends on the degree of change in heat dissipation with time and on the heat transfer (time constant) between the heater and the active semiconductor layer.

Advantages of the invention

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß mit Hilfe einer relativ einfachen Maßnahme eine gute Stabilisierung des Sen sorsignals erreicht werden kann. Durch Vorwärmen der zugeführten Luft mit Hilfe eines Heizelements kann eine präzisere Regelung der Sensorheizung auf die Betriebstemperatur des Gassensors erreicht werden. Gleichzeitig wird durch die natürliche Luftbewegung (Kon vektion) aufgrund der Wärmeleitung des Heizelements für die Vor wärmung ein Gasaustausch in den Gasräumen der Meßeinrichtung und so mit eine Zwangsbelüftung des Gassensors erreicht. Durch diese Luft vorwärmung wird die zu überwachende Luft auf eine konstante Tempe ratur vorgewärmt oder im Idealfall sogar auf die Betriebstemperatur des Sensors aufgeheizt. Wenn man eine gute Temperaturkonstanz der zu überwachenden Luft mit Hilfe der Luftvorwärmung erreicht, kann man sogar auf die bei Halbleiter-Gassensoren bisher verwendete Sensor heizung verzichten. Dadurch baut der Gassensor relativ preisgünstig. Aufgrund der nun hervorgerufenen natürlichen Luftbewegung durch die Luftvorwärmung können eventuell Umwälzpumpen oder sonstige zur Um wälzung der zu überwachenden Luft eingesetzten Hilfsmittel ent fallen. Fahrtluftturbulenzen werden nicht auf den Sensor übertragen. Der Sensor wird vom Gas nur in einer laminaren Strömung umströmt. Noch verbleibende Temperaturschwankungen am Ausgang des Bereichs der Luftvorwärmung können durch einen zusätzlichen Raum (Puffer) zwischen dem Ausgang der Luftvorwärmung und dem eigentlichen Sen sorelement weiter verringert werden. Bei Verwendung von Materialien mit ausgeprägter PTC-Charakteristik (positiver Temperaturkoeffi zient) für das Heizelement des Vorwärmsystems kann die erfindungsge mäße Meßeinrichtung sehr kostengünstig realisiert werden. Auch eine Verlängerung des bisherigen Heizers über den eigentlichen Sensor hinaus, um somit eine Vorwärmung der zugeführten Luft zu erreichen, stellt eine einfache Ausbildung dar. Durch diese integrierte Form wird insbesondere die Energiemenge, die zum Betrieb des Sensors und der Lufterwärmung benötigt wird, minimiert. Bei dieser verlängerten Ausführung der Heizung wird eine Verringerung des Temperaturgradien ten zwischen der Sensorschicht und der an sie angrenzenden Luft er reicht. Damit läßt sich auch im geregelten Betrieb der Heizung das Regelverhalten stabilisieren.The measuring device according to the invention with the characteristic note Painting the main claim has the advantage that with help a relatively simple measure a good stabilization of the Sen can be achieved. By preheating the supplied Air with the help of a heating element can be a more precise control of the Sensor heating to the operating temperature of the gas sensor reached become. At the same time, the natural air movement (Kon vection) due to the heat conduction of the heating element for the front heating a gas exchange in the gas spaces of the measuring device and so achieved with forced ventilation of the gas sensor. Through this air The air to be monitored is preheated to a constant temperature preheated or ideally even to the operating temperature of the sensor heated up. If you keep the temperature constant too monitoring air with the help of air preheating, one can even the sensor previously used in semiconductor gas sensors do without heating. This makes the gas sensor relatively inexpensive to build. Because of the natural air movement caused by the Air preheating can possibly use circulating pumps or other for um rolling of the air to be monitored ent ent fall. Air turbulence is not transmitted to the sensor. The gas flows around the sensor only in a laminar flow. Remaining temperature fluctuations at the exit of the range of Air preheating can be done by an additional room (buffer) between the exit of the air preheating and the actual Sen sensor element can be further reduced. When using materials with pronounced PTC characteristics (positive temperature coefficient zient) for the heating element of the preheating system, the erfindungsge moderate measuring device can be realized very inexpensively. Also one Extension of the previous heater via the actual sensor to preheat the air, represents a simple training. Through this integrated form In particular, the amount of energy required to operate the sensor and of air heating is minimized. With this extended Execution of the heating will reduce the temperature gradients between the sensor layer and the air adjacent to it enough. This means that even in regulated heating operation Stabilize control behavior.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Meßein richtung möglich.The measures listed in the subclaims provide for partial refinements of the Messein specified in the main claim direction possible.

drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 bis 4 verschiedene Abwandlungen einer Luftvorwärmung in schematischer Darstellung, die Fig. 5 einen Vorwärmkanal im Quer schnitt, die Fig. 6 ein Temperaturprofil längs des Vorwärmkanals, die Fig. 7 bis 9 Abwandlungen des bisher verwendeten Heizers zur zusätzlichen Erwärmung der zugeführten Luft, Fig. 10 eine Ausbil dung eines Sensors in einer Hülse und die Fig. 11 einen bisher ver wendeten Halbleiter-Gassensor, wie er aus dem Stand der Technik be kannt ist.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. 1, there is shown in FIGS. To 4 show various modifications of an air preheating in a schematic representation, FIG. 5 cut a preheating channel cross, Fig. 6 is a temperature profile along the preheating channel, FIGS. 7 to 9 modifications of the heater previously used for additional heating the air supplied, Fig. 10 is a training of a sensor in a sleeve and Fig. 11 a previously used ver semiconductor gas sensor, as it is known from the prior art.

Description of the embodiments

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Gassensor zur Bestimmung der Konzen tration von Schadgasen in der Luft, insbesondere der Umgebungsluft oder der zugeführten Frischluft von Kraftfahrzeugen bezeichnet. Hiermit sollen reduzierende und/oder oxidierende Gase, wie zum Bei spiel CO und/oder NO_x bestimmt werden. Als Gassensoren können ver schiedene aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren verwendet wer den. Ein zum Beispiel verwendbarer Halbleiter-Gassensor ist in der DE-OS 40 06 085.3 beschrieben und eine Abwandlung davon ist in der Fig. 11 dargestellt. Dieser Halbleiter-Gassensor 10a besteht aus einer Trägerplatte 11 aus schlecht oder gut wärmeleitendem, tempe ratur- und feuchtebeständigen und für die verschiedenen Drucktech niken geeigneten Material, wie zum Beispiel Al₂O₃ (Aluminium oxid). Auf diesem Trägersubstrat 11 sind die beiden kammförmig aus gebildeten Elektroden 12 des Gassensors aufgedruckt. Im Bereich der Elektroden 12, in dem sie kammförmig ausgebildet sind, ist eine ak tive Halbleiterschicht 13, zum Beispiel eine SnO₂-Schicht, aufge druckt. Auf der Unterseite des Trägers 11 befindet sich eine Heiz leitung 14, die, insbesondere im Bereich der aktiven Halbleiter schicht 13, meanderförmig ausgebildet ist. In Fig. 1, 10 denotes a gas sensor for determining the concentration of harmful gases in the air, in particular the ambient air or the fresh air supplied from motor vehicles. This should be used to determine reducing and / or oxidizing gases such as CO and / or NO _x . Various sensors known from the prior art can be used as gas sensors. A semiconductor gas sensor that can be used, for example, is described in DE-OS 40 06 085.3 and a modification thereof is shown in FIG. 11. This semiconductor gas sensor 10 a consists of a carrier plate 11 made of poorly or good heat-conducting, temperature and moisture-resistant and suitable for various printing technologies, such as Al ₂ O ₃ (aluminum oxide). The two comb-shaped electrodes 12 of the gas sensor are printed on this carrier substrate 11 . In the region of the electrodes 12 , in which they are comb-shaped, an active semiconductor layer 13 , for example an SnO ₂ layer, is printed on. On the underside of the carrier 11 there is a heating line 14 which, in particular in the region of the active semiconductor layer 13 , is meandering.

Dieser Sensor 10 ist in einem zum Beispiel rohrförmigen Gehäuse 20 einer Meßeinrichtung 21 angeordnet. Zur Vorwärmung des durch das Ge häuse 20 zugeführten Luft- bzw. Gasgemisches ist an der Innen- oder Außenwand des Gehäuses 20 ein Heizungselement 22 angeordnet. Hierbei kann sich der Gassensor 10 außerhalb oder auch innerhalb des Heiz elements 22 befinden. Das Heizelement 22 kann z. B. in bekannter Weise aus einer stromdurchflossenen Spule bestehen. Zur Wärmeiso lierung ist das Heizelement von einem Mantel 23 umgeben. Mit Hilfe dieses Heizelements 22 wird die zugeführte Luft vorgewärmt, um eine genaue Regelung der Heizung 14 des Gassensors 10 bzw. 10a auf die Betriebstemperatur zu erreichen. Dadurch wird eine Stabilisierung der Betriebstemperatur des Gassensors 10 erreicht. Durch diese Vor wärmung der zugeführten Luft mit Hilfe des Heizelements 22 wird gleichzeitig bei entsprechender Anordnung des Gehäuses 20 eine na türliche Luftbewegung durch die Wärmekonvektion erreicht. Dadurch wird ein Gasaustausch in den Gasräumen der Meßeinrichtung bzw. eine Zwangsbelüftung der Meßeinrichtung erreicht. Dies bedeutet, daß auf grund der Wärmekonvektion, deren Richtung in der Fig. 1 mit dem Pfeil 24 entgegen der Schwerebeschleunigung g (Pfeil 25) das Gehäuse 20 durchströmt. Das Ziel dieser Luftvorwärmung mit Hilfe des Heiz elements 22 ist aber, das Gas auf eine zumindest konstante Tempe ratur vorzuwärmen bzw. im Idealfall auf die Betriebstemperatur des Gassensors aufzuheizen. Wird dabei im letzten Fall bereits durch das Heizelement 22 eine hohe Temperaturkonstanz des durchströmenden Gases erreicht, so kann auf die Heizung 14 des Gassensors 10a ver zichtet werden.This sensor 10 is arranged in a tubular housing 20 of a measuring device 21 , for example. For preheating the housing through the Ge 20 supplied air or gas mixture of the housing 20 is arranged a heating element 22 on the inner or outer wall. Here, the gas sensor 10 may be outside or inside the heating element 22 . The heating element 22 may e.g. B. consist in a known manner of a current-carrying coil. To heat insulation, the heating element is surrounded by a jacket 23 . With the help of this heating element 22 , the supplied air is preheated in order to achieve a precise regulation of the heating 14 of the gas sensor 10 or 10 a to the operating temperature. As a result, the operating temperature of the gas sensor 10 is stabilized. By this before heating the supplied air with the help of the heating element 22 , a natural air movement is achieved at the same time with a corresponding arrangement of the housing 20 by the heat convection. As a result, gas exchange in the gas spaces of the measuring device or forced ventilation of the measuring device is achieved. This means that due to heat convection, the direction of which flows through the housing 20 in FIG. 1 with the arrow 24 against the acceleration of gravity g (arrow 25 ). The aim of this air preheating with the help of the heating element 22 is to preheat the gas to an at least constant temperature or, ideally, to heat it up to the operating temperature of the gas sensor. If, in the latter case, a high temperature constancy of the gas flowing through is already achieved by the heating element 22 , then the heater 14 of the gas sensor 10 a can be dispensed with.

Aufgrund wechselnder Außentemperaturen und somit wechselnder Ein gangstemperaturen des zu bestimmenden Gases und womöglich eines nicht konstanten Luftstroms durch das Gehäuse 20 wird das Heizele ment 22 der Luftvorwärmung vorteilhafterweise in einem Regelkreis betrieben, wie er in der Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Hier bei wird entweder die Temperatur der vorgewärmten Luft mit Hilfe eines im Gehäuse 20 angeordneten Temperaturfühlers 30 oder die Tem peratur des Heizelements 22 mit Hilfe eines im Heizelement 22 befindlichen Temperaturfühlers 31 bestimmt. Als Temperaturfühler können hierzu klein ausgebildete NTC-Thermoelemente (negativer Tem peraturkoeffizient) verwendet werden. Die von dem Temperaturfühler 30 oder 31 ermittelte Meßtemperatur T wird mit einer vorgegebenen Solltemperatur T_s z. B. Betriebstemperatur des Gassensors in einem Regler 32 verglichen. Dieser Regler 32 regelt dann mit Hilfe einer Leistungsstufe (Stellglied) 33 die Heizleistung des Heizelements 22 der Luftvorwärmung. Um rasche Änderungen zum Beispiel der Temperatur oder des Durchströmvolumens des Gasstroms mit Hilfe der Regelein richtung nach der Fig. 2 auf eine stabile Temperatur regeln zu können, ist bei der Auswahl der einzelnen Elemente der Regelein richtung zu beachten, daß der Temperaturfühler 30 oder 31 eine kleine Wärmekapazität aufweist. Temperaturfühler mit kleiner Wärme kapazität können bereits geringe Änderungen der Temperatur relativ schnell erfassen. Um diesen Änderungen der Temperatur auch schnell entgegenregeln zu können, sollte das Heizelement 22 ebenfalls eine kleine Wärmekapazität aufweisen, aber eine große effektive Fläche und eine hohe thermische Stabilität haben.Due to changing outside temperatures and thus changing input temperatures of the gas to be determined and possibly a non-constant air flow through the housing 20 , the heating element 22 of the air preheating is advantageously operated in a control circuit, as shown schematically in FIG. 2. Here at either the temperature of the preheated air by means of a housing 20 arranged in the temperature sensor 30 or the temperature Tem of the heating element 22 by means of a temperature sensor 31 located in the heating element 22 is determined. Small NTC thermocouples (negative temperature coefficient) can be used as temperature sensors. The measuring temperature T determined by the temperature sensor 30 or 31 is determined with a predetermined target temperature T _s . B. operating temperature of the gas sensor compared in a controller 32 . This controller 32 then regulates the heating power of the heating element 22 of the air preheating with the aid of a power stage (actuator) 33 . In order to be able to regulate rapid changes, for example the temperature or the flow volume of the gas stream with the aid of the control device according to FIG. 2, to a stable temperature, when selecting the individual elements of the control device it should be noted that the temperature sensor 30 or 31 is one has small heat capacity. Temperature sensors with a small heat capacity can detect even small changes in temperature relatively quickly. In order to be able to quickly counteract these changes in temperature, the heating element 22 should also have a small heat capacity, but should have a large effective area and high thermal stability.

In der Praxis kann es aber immer noch vorkommen, daß die Temperatur schwankungen des durchströmenden Gasgemisches so groß sind, daß am Ausgang, d. h. am Ende des Heizelements 22 sich noch keine konstante Temperatur eingestellt hat. Um diese noch verbleibenden Temperatur schwankungen noch zu verringern, ist in der Abwandlung nach der Fig. 3 zwischen dem Heizelement 22 und dem Gassensor 10 ein zusätz licher Raum 35 als sog. Pufferraum vorgesehen. Dieser zusätzliche Raum 35 dient zur Stabilisierung der Temperatur des zu bestimmenden Gases und kann sowohl bei der Ausführung nach der Fig. 1, als auch bei der Ausführung nach der Fig. 2 verwendet werden. In practice, however, it can still happen that the temperature fluctuations of the gas mixture flowing through are so great that at the outlet, ie at the end of the heating element 22 , no constant temperature has yet been set. In order to reduce these still remaining temperature fluctuations, an additional space 35 is provided as a so-called buffer space in the modification according to FIG. 3 between the heating element 22 and the gas sensor 10 . This additional space 35 serves to stabilize the temperature of the gas to be determined and can be used both in the embodiment according to FIG. 1 and in the embodiment according to FIG. 2.

Es ist auch denkbar, in einer Meßeinrichtung mehrere Gassensoren hintereinander in Durchströmrichtung des Gases einzusetzen. Diese Gassensoren können dabei zur Bestimmung von unterschiedlichen Gasen, wie zum Beispiel oxidierende Gase oder reduzierende Gase abgestimmt sein. Meist werden diese Gassensoren dann auf unterschiedlichen Ar beitstemperaturen betrieben. In der Fig. 4 ist eine solche Meßein richtung dargestellt, wobei der Gassensor 10b auf einer niedrigeren Arbeitstemperatur als der in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Gassensor 10b liegende Gassensor 10c betrieben wird. Vor jedem Gas sensor 10b bzw. 10c ist dann ein diesem Gassensor jeweils zugeord netes Heizelement 22b bzw. 22c angeordnet.It is also conceivable to use several gas sensors in succession in the flow direction of the gas in a measuring device. These gas sensors can be tuned to determine different gases, such as oxidizing gases or reducing gases. Most of these gas sensors are then operated at different working temperatures. In FIG. 4, such a MESSEIN direction is shown, wherein the gas sensor 10 b at a lower working temperature than the in the flow direction b behind the gas sensor 10 side gas sensor 10 is operated c. In front of each gas sensor 10 b or 10 c, a heating element 22 b or 22 c is then respectively assigned to this gas sensor.

In der Fig. 5 ist ein Querschnitt durch eine in der Praxis verwend bare Ausgestaltung einer Vorwärmeinrichtung dargestellt. Das Gehäuse 20a weist hierbei nach innen ragende Wärmeaustauschrippen 29 auf. Auf der Außenseite des Gehäuses 20a sind die Wicklungen des Heizele ments 22a aufgewickelt, die wiederum von der Wärmeisolierung 30 um geben sind.In FIG. 5 is a cross section through a verwend bare, in practice design of a preheater. The housing 20 a has inwardly projecting heat exchange ribs 29 . On the outside of the housing 20 a, the windings of the heating element 22 a are wound, which in turn are given by the thermal insulation 30 um.

Grundsätzlich ist es nun erforderlich, das zu bestimmende Gasgemisch und somit das vorzuwärmende Gas ein definiertes Volumen im Heizele ment passieren zu lassen. Dieses Volumen ist dabei so zu dimensio nieren, daß die Luft nach Durchlaufen dieses Volumens praktisch die gewünschte Solltemperatur T_s erreicht hat, ehe das Gas dem Gas sensor 10 zugeführt wird. Um einmal die Meßeinrichtung selbst und andererseits die durch die Größe des Volumens bestimmte Totzeit, d. h. Aufwärmzeit des Gases kleinzuhalten, ist der Vorwärmkanal ent sprechend auszugestalten. Hierzu kann ein möglichst großes Verhält nis zwischen der Oberfläche des Gehäuses 20b und seinem Volumen an gestrebt werden. Dies wird in der Ausbildung nach der Fig. 5 durch eine entsprechende Anzahl von Wärmeaustauschrippen 29 und mit einer möglichst großen Oberfläche erreicht. Ferner sind auch noch bei der Dimensionierung der Größe des Gehäuses 20a und somit des Volumens des Vorwärmkanals die Temperaturdifferenz zwischen der Außentempe ratur, d. h. der Temperatur des Gases vor der Vorwärmung und der ge wünschten Solltemperatur T_s und auch der Gasdurchsatz durch den Vorwärmkanal unter Berücksichtigung möglicher Schwankungen dieser Größe des Gasdurchsatzes zu berücksichtigen.Basically, it is now necessary to let the gas mixture to be determined and thus the gas to be preheated pass a defined volume in the heating element. This volume is to be dimensioned so that after passing through this volume the air has practically reached the desired temperature T _s before the gas is supplied to the gas sensor 10 . In order to keep the measuring device itself and on the other hand the dead time determined by the size of the volume small, ie warm-up time of the gas, the preheating channel is to be designed accordingly. For this purpose, the largest possible ratio between the surface of the housing 20 b and its volume can be aimed for. In the embodiment according to FIG. 5, this is achieved by a corresponding number of heat exchange fins 29 and with the largest possible surface area. Furthermore, the temperature difference between the outside temperature, ie the temperature of the gas before preheating and the desired target temperature T _s and also the gas throughput through the preheating duct, are also taken into account when dimensioning the size of the housing 20 a and thus the volume of the preheating duct possible fluctuations in this size of gas throughput must be taken into account.

Das Volumen V des Vorwärmkanals kann ferner noch dadurch verkleinert werden, daß das Temperaturprofil der verwendeten Heizung 22, wie in der Fig. 6 dargestellt, ausgelegt wird. Hierzu muß die Heizung im vorderen Teil des Vorwärmkanals, d. h. im Eingangsbereich des zu überwachenden Gases über der gewünschten Solltemperatur T_s be trieben werden, so daß sich die Solltemperatur T_s bereits vor Ende des Vorwärmkanals einstellt. Dies ist notwendig, so daß aufgrund des minimal vorkommenden Gasstroms, der durch die Wärmekonvektion verur sacht wird, keine Überhitzung am Gassensor selbst auftritt. Bei spielhaft ist hierzu im Diagramm nach der Fig. 6 der Temperaturver lauf über der Länge des Vorwärmkanals dargestellt. Es ist ersicht lich, daß die die Temperatur der Heizung 22 darstellende Kurve 38 im Eingangsbereich des Vorwärmkanals über der Solltemperatur T_s liegt und sich im weiteren Verlauf an diese annähert. Dadurch erreicht auch die den Temperaturverlauf der vorgewärmten Luft darstellende Kurve 39 bereits vor Verlassen des Vorwärmkanals die Solltemperatur T_s.The volume V of the preheating duct can also be reduced further by designing the temperature profile of the heater 22 used , as shown in FIG. 6. For this purpose, the heating must be operated in the front part of the preheating duct, ie in the input area of the gas to be monitored, above the desired target temperature T _s , so that the target temperature T _{s is established} before the end of the preheating duct. This is necessary so that no overheating occurs at the gas sensor itself due to the minimal gas flow that is caused by the heat convection. For example, this is shown in the diagram according to FIG. 6 of the temperature curve over the length of the preheating duct. It is ersicht Lich that the temperature of the heater 22 curve 38 is in the entrance area of the preheating duct above the target temperature T _s and approaches this in the further course. As a result, curve 39 , which shows the temperature profile of the preheated air, already reaches the target temperature T _s before leaving the preheating duct.

Durch eine entsprechende Auswahl des Materials für das Heizelement 22 läßt sich die Meßeinrichtung besonders kostengünstig ausführen. Dazu sollte der elektrische Widerstand R des Materials für das Heiz element 22 in Abhängigkeit von der Temperatur T ab einer gewissen Schwelltemperatur T_sch extrem stark ansteigen. Dadurch kann durch einfaches Anlegen einer Spannung an das Heizelement 22 ein Vorwärm system mit sich regelnden Eigenschaften gestaltet werden. Dieses Material muß also oberhalb der Schwelltemperatur T_sch eine stark ausgeprägte PTC-Charakteristik (positiver Temperaturkoeffizient) aufweisen. Hierzu eignen sich besonders günstig manche PCT-Keramiken wie zum Beispiel Barium/Bleititanat (BaPbTiO₃) oder Bari um/Strontiumtitanat (BaSrTiO₃). Dabei läßt sich die Schwelltempe ratur T_sch in Abhängigkeit des Bleianteils bzw. des Strontiuman teils einstellen. Eine Erhöhung des Bleianteils würde eine Erhöhung der Schwelltemperatur T_sch bewirken, wobei ein größerer Strontium anteil eine Erniedrigung der Schwelltemperatur T_sch bewirken würde.By appropriate selection of the material for the heating element 22 , the measuring device can be carried out particularly inexpensively. For this purpose, the electrical resistance R of the material for the heating element 22 should increase extremely sharply depending on the temperature T from a certain threshold temperature T _sch . As a result, a preheating system with regulating properties can be designed by simply applying a voltage to the heating element 22 . This material must therefore have a strong PTC characteristic (positive temperature coefficient) above the threshold temperature T _sch . To this end, some PCT ceramics are particularly low, such as barium / lead titanate (BaPbTiO ₃₎ or Bari to / strontium titanate (BaSrTiO _3). The Schwelltempe temperature T _sch can be adjusted depending on the lead or strontium. An increase in the proportion of lead would result in an increase in the threshold temperature T _sch , a larger proportion of strontium in a decrease in the threshold temperature T _sch .

Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 6 wurde die Vorwärmung des durchströmenden und des zu über wachenden Gasgemisches mit Hilfe eines zusätzlichen Heizelements 22 bewirkt. Es wäre aber auch denkbar, wie in den Fig. 7 bis 9 dar gestellt ist, die Luftvorwärmung direkt in den Aufbau des Gassensors mit zu integrieren. Zur Verdeutlichung ist hierbei in der Fig. 7 eine Heizung 40 mit dem meanderförmigen Bereich 41 eines herkömmlich bekannten Gassensors 42 dargestellt. Der meanderförmige Bereich 41 erstreckt sich dabei, wie in der Fig. 11 gezeigt, über die Größe der aktiven und reaktiven Halbleiterschicht. Wird nun der meander förmige Bereich 41a des Heizers 40a, wie in der Fig. 8 gezeigt, über den Bereich der aktiven Halbleiterschicht hinaus verlängert, so erhält man eine Vorwärmung der zuströmenden Luft im Bereich vor der aktiven Halbleiterschicht. Hierzu kann in besonders einfacher Weise der meanderförmige Bereich 41 der Heizung 40 über die aktive Halb leiterschicht hinaus verlängert werden oder, wie in der Fig. 9 dar gestellt, kann eine zusätzliche Heizung 44 mit einem außerhalb der aktiven Halbleiterschicht liegenden meanderförmigen Bereich 45 vor handen sein. Dabei wird die Heizung 44, wie in Fig. 9 dargestellt, durch einen weiteren Kontakt 44a unabhängig von der Heizung 40 be trieben. Es ist jedoch auch möglich, die Heizung 40 und 44 in Reihe zu schalten und damit den weiteren Kontakt einzusparen. Um eine Vor wärmung des zuströmenden Gases zu ermöglichen, muß der Gassensor nach den Fig. 8 und 9 noch von einer Ummantelung 46 z. B. in Form einer Hülse umgeben sein. Hierbei ist darauf zu achten, daß diese Ummantelung 46 katalytisch nicht aktiv ist, so daß die Zusammen setzung des Gases nicht durch die Ummantelung 46 beeinflußt wird. Wie in der Fig. 10 gezeigt, wird in dieser Ummantelung 46 die umge bende Luft aufgrund der thermischen Konvektion vorbeigeführt. Um den Strom des zu überwachenden Gasgemisches innerhalb der Ummantelung 46 begrenzen zu können, ist am Ende der Ummantelung, d. h. in Strömungs richtung gesehen hinter dem Sensor 42a eine Austrittsöffnung 47 vor handen, deren Querschnitt u. a. abhängig von der gewünschten Größe des Gasstroms zu wählen ist. Ferner kann die Temperatur der Luft, die dem Gassensor 42a zugeführt wird, über diesen Querschnitt und/oder durch eine Variation des Spaltes 48 zwischen der Innenseite der Ummantelung 46 und der Oberfläche des Gassensors 42a beeinflußt werden.In the previously described exemplary embodiments according to FIGS. 1 to 6, the preheating of the gas mixture flowing through and of the gas mixture to be monitored was effected with the aid of an additional heating element 22 . It would also be conceivable, as is shown in FIGS. 7 to 9, to integrate the air preheating directly into the structure of the gas sensor. For clarification, a heater 40 with the meandering area 41 of a conventionally known gas sensor 42 is shown in FIG. 7. The meandering region 41 extends, as shown in FIG. 11, over the size of the active and reactive semiconductor layer. If the meandering area 41 a of the heater 40 a, as shown in FIG. 8, is now extended beyond the area of the active semiconductor layer, preheating of the inflowing air in the area in front of the active semiconductor layer is obtained. For this purpose, the meandering area 41 of the heater 40 can be extended beyond the active semiconductor layer in a particularly simple manner or, as shown in FIG. 9, an additional heater 44 with a meandering area 45 lying outside the active semiconductor layer can be present . The heater 44 is , as shown in Fig. 9, operated by a further contact 44 a regardless of the heater 40 be. However, it is also possible to connect the heaters 40 and 44 in series and thus to save further contact. In order to enable the inflowing gas to be heated, the gas sensor according to FIGS. 8 and 9 must still have a casing 46, for. B. surrounded in the form of a sleeve. It is important to ensure that this jacket 46 is not catalytically active, so that the composition of the gas is not affected by the jacket 46 . As shown in Fig. 10, the surrounding air is passed in this jacket 46 due to thermal convection. In order to be able to limit the flow of the gas mixture to be monitored within the casing 46 , an outlet opening 47 is present at the end of the casing, ie seen in the flow direction behind the sensor 42 a, the cross section of which is to be selected, inter alia, depending on the desired size of the gas flow . Furthermore, the temperature of the air which is supplied to the gas sensor 42 a can be influenced via this cross section and / or by a variation of the gap 48 between the inside of the casing 46 and the surface of the gas sensor 42 a.

Durch diese in den Fig. 8 und 9 dargestellte integrierte Form der Meßeinrichtung wird insbesondere die Wärmeleitung, die zum Betrieb des Gassensors 42 und der Luftvorwärmung des zu überwachenden Gases benötigt wird, minimiert. Wird entsprechend der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 8 und 9 entweder eine verlängerte, meanderförmige Heizzone 41a gebildet, oder eine zusätzliche Heizung 44 verwendet, so führen Temperaturschwankungen in der zu messenden Außenluft nicht in dem Maß zu Schwankungen der Temperatur der sensoraktiven Halb leiterschicht 13. Weiter läßt sich damit im Fall des temperaturge regelten Heizungsbetriebs das Regelverhalten stabilisieren.This integrated form of the measuring device shown in FIGS . 8 and 9 in particular minimizes the heat conduction which is required for the operation of the gas sensor 42 and the air preheating of the gas to be monitored. If, according to the exemplary embodiments according to FIGS . 8 and 9, either an extended, meandering heating zone 41 a is formed or an additional heating 44 is used, temperature fluctuations in the outside air to be measured do not lead to fluctuations in the temperature of the sensor-active semiconductor layer 13 . Furthermore, the control behavior can be stabilized in the case of temperature controlled heating operation.

Claims

1. Measuring device for detecting pollutants in the, in particular a vehicle compartment supplied gas mixture with at least one gas sensor ( 10 ), characterized in that the gas mixture in a flow direction of the gas seen in front of the gas sensor ( 16 ) be found room ( 20th ) is heated to a target temperature T _s with the aid of at least one heating element ( 22 ).

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the heating power of the heating element ( 22 ) with at least one controller ( 32 ) and an actuator ( 33 ) having electrical control device is regulated and the measuring temperature with the aid of a temperature sensor ( 30 ) in Room ( 20 ) is determined.

3. Measuring device according to claim 1 and / or 2, characterized in that the heating power of the heating element ( 22 ) with the aid of a min least a controller ( 32 ) and an actuator ( 33 ) having elec trical control device is regulated and the measuring temperature with the help a temperature sensor ( 31 ) in the heating element ( 22 ) is determined.

4. Measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heating element ( 22 ) consists of a material with a pronounced PTC characteristic, in particular a PTC ceramic (z. B. Barium / lead titanate (BaPbTiO _3rd )).

5. Measuring device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the gas sensor ( 10 ) is a layered semi-conductor gas sensor.

6. Measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heating element for preheating is also part of the heater of the semiconductor gas sensor ( 10 ).

7. Measuring device according to claim 6, characterized in that the meandering part of the heater ( 41 a) projects beyond the active layer ( 13 ) of the gas sensor ( 10 ) against the flow direction of the gas mixture.

8. Measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that an additional heating element ( 44 ) on the carrier ( 11 ) of the gas sensor ( 10 ) is arranged in the region in front of the active layer ( 13 ) of the gas sensor.

9. Measuring device according to claim 8, characterized in that the additional heater ( 44 ) and the heating element ( 40 b) of the gas sensor ( 10 ) are connected together in series.

10. Measuring device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the gas sensor ( 10 ) is surrounded by a casing ( 46 ).