DE4224218A1

DE4224218A1 - Gassensor zur bestimmung der konzentration von gaskomponenten in einem gasgemisch

Info

Publication number: DE4224218A1
Application number: DE19924224218
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Hanrieder; Hans Dr Meixner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1991-09-30
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: DE4224218C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zur Bestim mung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch, der eine kleine Reaktionszeit aufweist.

Bisher bekannte Gassensoren zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponenten in einem Gasgemisch weisen den Nachteil auf, daß sie für bestimmte Anwendungsbereiche, in denen beispiels weise zu Regelzwecken kleine Reaktionszeiten erforderlich sind, zu langsam arbeiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine kleine Reaktionszeit aufweist, zuverlässig arbeitet und kosten günstig herzustellen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Gassensor gemäß dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen, der durch die darin angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im ein zelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, das die Abhängigkeit einer gemesse nen Regelzeit und einer Halbwertsregelzeit von der Änderung der Austrittsarbeit ΔΦ der zwei Kondensatorplatten einer Kelvin-Sonde darstellt.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen der Amplitude eines differenzierten Signals und eines Re gelsignals darstellt.

Die Kelvin-Sonde ist im wesentlichen ein Plattenkondensator, dessen eine Platte harmonisch gegen die andere schwingt, was bedeutet, daß sich der Plattenabstand periodisch ändert. Ihr Ausgangssignal ist ein Maß für die Differenz Φ der Austrittsar beiten der beiden Kondensatorplatten.

Die Differenz Φ der Austrittsarbeiten kann durch einen Nullab gleich des Ausgangssignals der Sonde bestimmt werden. Dazu wird an den schwingenden Kondensator eine zu Φ entgegengesetzte Spannung U angelegt, die Φ gerade kompensiert und somit das Ausgangssignal gegen Null gehen läßt. Dieser Nullabgleich kann automatisch mittels eines geeigneten Regelkreises durchgeführt werden. Die zum Abgleich nötige Regelspannung U bildet das an gestrebte Meßsignal. Es ist nach der Zeit t_R betragsmäßig gleich der Differenz der Austrittsarbeiten der Kondensatorplat ten:

|U| = | Φ| (nach t_R)

Ändert sich Φ z. B. durch Adsorption von Gasen an der Kondensa torplattenoberfläche, so wird innerhalb t_R die Spannung U ent sprechend automatisch nachgeregelt.

Eine Änderung der umgebenden Gasatmosphäre ist also prinzipiell erfaßbar.

Wenn sich die Adsorbatzusammensetzung ändert, bewirkt dies eine Änderung von Φ um ΔΦ. Die Gegenspannung U wird um ΔU nachgere gelt, um ΔΦ zu kompensieren. AU bildet dabei das Meßsignal. Die erforderlichen Regelzeiten dafür sind groß, nämlich typischer weise ca. 10 s.

Die genannten Eigenschaften der Kelvin-Sonde lassen sich jedoch unter bestimmten Voraussetzungen vorteilhaft zur Realisierung eines Sensors für extrem schnelle Änderungen einer Gasatmo sphäre verwenden.

Ausschlaggebend für die vorliegende Erfindung ist die Erkennt nis, daß die Regelzeit t_R keine Funktion der zum Abgleich nöti gen Gegenspannung U ist, vergl. Fig. 1:

t_R = t_R(U) → t_R = t_R(ΔU) → t_R = t_R(ΔΦ)

Das bedeutet, daß unabhängig davon, wie groß die aktuelle Ände rung ΔΦ durch beispielsweise Gasadsorption ist, der Nullab gleich und somit das Anlegen der entsprechenden Gegenspannung immer gleich lang dauert, nämlich t_R.

Bis auf das Vorzeichen gelten folgende Äquivalenzen:

Daraus folgt:

und da

gilt (theoretisch) zusammengefaßt:

Das heißt, tritt eine schnelle Änderung der Adsorbatzusammen setzung ein, die eine Änderung ΔΦ der Austrittsarbeit bewirkt, so ist die Anfangssteigerung des Kelvin-Sondensignals ein proportionales Maß für dieses ΔΦ.

Es ist demnach nicht erforderlich, die Regelzeit t_R abzuwarten, um Aufschluß über die Adsorbatzusammensetzung zu erhalten.

Vielmehr ist bereits nach einer Zeit τ, die nur vom (analogen oder digitalen) Differenziervorgang abhängt, ΔΦ bzw. die Ände rung der AbsorbatzusammensetzUng bekannt.

Diese Differenzierzeit kann theoretisch beliebig kurz sein (lim_a _→ _oot/a = 0!), jedoch ergeben sich in der Praxis Beschrän kungen durch das jeweilige Signal/Rausch-Verhältnis der Anord nung:

Für ein analoges Differenzierglied (RC-Glied) gilt z. B.:

In diesem Fall ist die Reaktionszeit τ durch RC begrenzt:

τ RC

Es sind die im folgenden angegebenen allgemeinen Maßnahmen an wendbar, um kürzere Reaktionszeiten zu erzielen:

- Es kann eine Beschleunigung des Differenziervorgangs (kleine res RC) bewirkt werden. Die Meßzeit wird dadurch direkt ver kürzt, jedoch nähert sich die Amplitude des Signals S dem Rauschpegel, d. h. das Signal/Rausch-Verhältnis wird kleiner.
Eine Abhilfe schaffen:
- Einsatz eines schnelleren Regelkreises (eines kleineren t_R). Dadurch wird größer und somit auch das Meßsignal S. Diese Maßnahme ist leicht durchzuführen.
- Einsatz eines der Sonde nachgeschalteten Tiefpasses: Dadurch wird das Rauschen des Differenziergliedes (Hochpaß) wesentlich reduziert.

Die Grenzfrequenz des Tiefpasses muß mindestens so groß sein wie die Differenzierfrequenz (1/RC). Das Signal/Rausch-Ver hältnis wird vergrößert.

- Allgemeine elektromagnetische Abschirmmaßnahmen:
Durch diese Maßnahme wird der Rauschpegel generell reduziert.

In den in Fig. 1 u. Fig. 2 gezeigten Diagrammen sind Meßergeb nisse dargestellt, die unter "worst-case"-Bedingungen, d. h. ohne jede der oben genannten Verbesserungs-Maßnahmen, erzielt wurden.

Dabei zeigt sich:

- Die Regelzeit t_R und insbesondere die Halbwertsregelzeit t_R1/2 ist über einen weiteren Bereich von ΔΦ unabhängig, vergl. Fig. 1.
- Der als proportional abgeleitete Zusammenhang G1. (1) bzw. G1. (2) zwischen dem differenzierten Signal und der Änderung der Austrittsarbeit wird experimentell voll bestätigt, vergl. Fig. 2.
- Die Regelzeit t_R betrug ca. 7 s, während die durch den (un verminderten) Rauschpegel begrenzte Differenzierzeit τ = RC nur etwa 18 ms lang war.

Zusammengefaßt ergibt sich:
Selbst kleine Änderungen ΔΦ der Austrittsarbeit von 0.1 eV sind mit einer Meßrate von 50Hz erfaßbar. Die Meßrate ist um 2 1/2 Größenordnungen erhöht.

Durch die genannten Maßnahmen zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses ist die Erfassung kleiner ΔΦ bei einer Meßrate von 500 Hz ermöglicht.

Claims

1. Gassensor zur Bestimmung der Konzentration von Gaskomponen ten in einem Gasgemisch, der eine kleine Reaktionszeit auf weist, dadurch gekennzeichnet, daß als Sen sorelement eine Kelvin-Sonde vorgesehen ist, deren Schwin gungsverhalten durch die Adsorbatzusammensetzung des zu be wertenden Gasgemisches beeinflußbar ist, und daß das Aus gangssignal der Kelvin-Sonde, das durch einen Nullabgleich durch eine von einem Spannungs-Regelkreis zugeführte Span nung gewonnen ist, als Maß für die Differenz Φ der Aus trittsarbeiten der Kondensatorplatten der Kelvin-Sonde und damit mittelbar für die Adsorbatzusammensetzung des Gasgemi sches benutzt wird, wobei das Ausgangssignal der Kelvin-Sonde vorzugsweise durch ein RC-Differenzierglied differen ziert wird.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Regelkreis eine relativ kleine Zeitkonstante aufweist.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kelvin-Sonde ein Tiefpaß zur Ver minderung des Rauschens des Differenziergliedes nachge schaltet ist.

4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Verminderung des Rauschens eine hochwirksame elektromagnetische Abschir mung der Bauteile des Gassensors vorgesehen ist.