DE3723281C2

DE3723281C2 -

Info

Publication number: DE3723281C2
Application number: DE3723281A
Authority: DE
Inventors: Jun Aichi Jp Usami; Yuichi Nagoya Aichi Jp Sasaki
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-07-15
Filing date: 1987-07-14
Publication date: 1990-07-26
Also published as: GB2192994A; GB2192994B; US4908575A; GB8716505D0; JPS6321549A; DE3723281A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Messen einer Gaskonzentration gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für das Messen der Sauerstoffkonzentration in einem Meßgas werden in breitem Ausmaß Sauerstoffsensoren eingesetzt, bei denen die Umgebungsluft, die eine Normal- bzw. Bezugs- Sauerstoffkonzentration bestimmt, zu einer Oberfläche eines Zellenkörpers aus Zirkonerde-Keramik geleitet wird, während das Meßgas zu der anderen Oberfläche der Zelle geführt und an die Zelle eine bestimmte Vorspannung angelegt wird. Die Stärke des über die Zelle fließenden Stroms ist dann zu der Sauerstoffkonzentration in dem Meßgas proportional. Durch Ermitteln des Stroms kann folglich die Sauerstoffkonzentra tion gemessen werden. Gemäß Fig. 1 bleibt der über den Zirkonerde-Körper fließende Strom innerhalb eines bestimmten Bereichs der Vorspannung im wesentlichen konstant, wobei der Strom ausschließlich von der Sauerstoffkonzentration abhängig ist. Fig. 1 zeigt die Änderungen des Stroms bei Sauerstoffkonzentrationen von 1% bis 4% als Parameter, wobei eine Vorspannung an Elektroden, die an den Oberflächen des Zellenkörpers angebracht sind, angelegt ist. In einem Bereich von 0 Volt bis zu einer gegebenen Spannung steigt der Strom proportional zu der Vorspannung an. Danach bleibt der Strom in einem Bereich von der gegebenen Spannung bis zu einer bestimmten Spannung trotz ansteigender Vorspannung im wesentlichen konstant. Dieser Bereich wird Diffusionsbegrenzungsstrom-Bereich genannt. Wenn die Vorspannung über den vorbestimmten Wert hinaus erhöht wird, steigt der Strom wieder proportional zu der anliegenden Vorspannung an. Dieser Bereich wird Ionenleitungsbereich genannt. Das heißt, in einem bestimmten Vorspannungsbereich wird der Strom überwiegend durch Ionendiffusion begrenzt. Dieser Strom wird im allgemeinen Diffusionsbegrenzungsstrom genannt, während die einen solchen Strom hervorrufende Zelle als Diffusionsbegrenzungsstrom-Element bezeichnet wird.

Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer bereits vorgeschlagenen Schaltung für das Messen des Diffusionsbegrenzungstroms. Ein in Form eines Rohrs aufgebautes Diffusionsbegrenzungsstrom-Element 1 hat eine Innenelektrode 1 a, die mit Masse verbunden ist, und eine Außenelektrode 1 b, die mit einem Ausgangswiderstand 2, an dem das Ausgangssignal abgegriffen wird, verbunden ist. Der Ausgangswiderstand 2 ist über einen Strom-Treibertransistor 3 an eine Speisespannung Vs angeschlossen. Die Basiselektrode des Treibertransistors 3 ist über einen Strombegrenzungswiderstand 4 und einen Pufferverstärker 5 an ein Potentiometer 6 angeschlossen, das an einem Ende mit einem Verbindungspunkt zwischen einer Zenerdiode 7 und einem Widerstand 8 und an dem anderen Ende über einen Widerstand 9 mit Masse verbunden ist. Die Reihenschaltung aus der Zenerdiode 7 und dem Widerstand 8 ist zwischen eine Spannungsquelle +V und Masse geschaltet. Ferner ist zwischen die Basis und dem Emitter des Treibertransistors 3 eine Diode 10 geschaltet. In dieser bekannten Schaltung wird an die Basis des Treibertransistors 3 eine mittels der Zenerdiode 7 erzeugte konstante Bezugsspannung angelegt, so daß an der Reihenschaltung aus dem Element 1 und dem Aus gangswiderstand 2 eine kontante Spannung anliegt. Daher entsteht an dem Ausgangswiderstand 2 ein Spannungsabfall, der zu dem über das Element 1 fließenden Diffusionsbegrenzungsstrom proportional ist. Infolgedessen kann durch Erfassen des Spannungsabfalls an dem Ausgangswiderstand 2 die Konzentration des Sauerstoffs gemessen werden, der in dem Gas enthalten ist, welches mit der Außenfläche des Elements 1 in Berührung gebracht ist, während die Luft als Bezugsgas, das die Bezugs- Sauerstoffkonzentration bestimmt, mit der Innenfläche des Elements in Berührung ist.

Wenn in der vorstehend beschriebenen Schaltung ein Diffusionsbegrenzungsstrom I durch das Element 1 fließt, vermindert sich die an dem Element anliegende Spannung um IR, wobei R der Widerstandswert des Ausgangswiderstands 2 ist. Daher ändert sich die an dem Element 1 anliegende Vorspannung gemäß der Darstellung durch eine schräge Linie B, selbst wenn an die Reihenschaltung aus dem Element 1 und dem Ausgangswiderstand 2 eine durch eine vertikale Linie A in Fig. 1 dargestellte konstante Vorspannung V _B angelegt wird. Dadurch wird die Meßgenauigkeit vermindert und der meßbare Bereich der Sauerstoffkonzentration eingeschränkt. Zum Vermindern dieser Mängel wird in der bekannten Schaltung der Spannungsabfall an dem Ausgangswiderstand 2 klein gewählt. Beispielsweise wird der Widerstandswert R des Ausgangswiderstands 2 derart gewählt, daß der maximale Spannungsabfall an dem Ausgangswiderstand nicht höher als ungefähr 0,3 V wird. Daher wird die Amplitude des Ausgangssignals, nämlich des Spannungsabfalls an dem Ausgangswiderstand 2 außerordentlich klein, wobei das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis bzw. der Störabstand des Stromsignals nicht hoch sein kann.

Eine dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechende Schaltung ist aus der DE 33 13 783 A1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Meßschaltung ist dafür Sorge getragen, daß am Diffusionsbegrenzungsstrom-Element jeweils konstante Spannung anliegt. Die hierzu erforderliche Rückkopplung der Potentiale an beiden Anschlüssen des Diffusionsbegrenzungssstrom-Elements und deren Einkopplung auf die beiden Differenzverstärker-Eingänge begründet allerdings höheren Schaltungsaufwand.

Die in DE 35 43 759 A1, DE 34 45 755 A1, DE 34 45 754 A1 und DE 34 45 727 A1 offenbarten Sauerstoffkonzentrationsdetektoren arbeiten nach einem andersgearteten Prinzip, nämlich mittels zweier Elemente, die jeweils einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten aufweisen, wobei eines der Elemente als sauerstoffkonzentrationsabhängig arbeitende elektrochemische Zelle und das andere Element als Sauerstoff-Pumpzelle dienen. Eine Rückkopplung der an die Elemente angelegten Spannung auf die Eingangsspannungsquelle ist dort nicht vorgesehen, vielmehr dient das vom einen Element abgeleitete elektrische Signal zur Steuerung der Spannungsversorgung des anderen Elements. Diese Gestaltung ist verhältnismäßig aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltung derart auszugestalten, daß bei verhältnismäßig einfachem Aufbau sichergestellt ist, daß an dem Diffusionsbegrenzungsstrom-Element konstante Vorspannung anliegt.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmalen gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung ist folglich der eine Eingang des Differenzverstärkers über eine Widerstandsanordnung und eine Zenerdiode mit Massepotential verbunden, während der andere Eingang des Differenzverstärkers direkt auf Massepotential liegt. diese Schaltungsauslegung hat die Vorteile, daß die Arbeitszuver lässigkeit hoch ist und dennoch die Schaltungskonfiguration verhältnismäßig einfach ist. Hierbei ist es nicht notwendig, den anderen Eingang des Differenzverstärkes mit irgendwelchen Rückkopplungszweigen zu verschalten, vielmehr kann dieser in einfacher Weise unmittelbar bzw. über einen Widerstand auf Massepotential gehalten werden.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich eine Ausgangsspannung mit großer Amplitude erzeugen, wobei die an das Diffusionsbegrenzungsstrom-Element angelegte Vorspannung über einen breiten Bereich von Gaskonzentration im wesentlichen konstant bleibt, so daß der Störabstand des Stromsignals und der Meßbereich groß sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Zusam menhangs zwischen einer Vorspannung an einem Diffusionsbegrenzungsstrom-Element und einem durch das Element fließenden Strom,

Fig. 2 ein Schaltbild einer bereits vorgeschlagenen Schaltung für das Messen des Diffusionsbegrenzungsstroms,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung und

Fig. 4 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung.

Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausgangsbei spiels für die erfindungsgemäße Diffusionsbegrenzungs strom-Meßschaltung. In Fig. 3 ist mit 11 ein Diffusions begrenzungsstrom-Element für das Messen der Sauerstoff konzentration bezeichnet. Das Element 11 ist in der Form eines Rohrs aus Zirkonerde aufgebaut. Eine Innenelektrode 11 a des Elements 11 ist mit Masse verbunden, während eine Außenelektrode 11 b mit einem Ende eines Ausgangswider stands 12 verbunden ist. Das andere Ende des Ausgangs widerstands 12 ist an den Ausgang eines Differenzverstär kers 13 angeschlossen. Der invertierende bzw. Negativein gang des Differenzverstärkers 13 ist über einen Eingangs widerstand 14 an ein Potentiometer 15 angeschlossen, während der nichtinvertierende bzw. Positiveingang des Differenz verstärkers 13 über einen Widerstand 16 mit Masse verbunden ist. Auf diese Weise wird der Positiveingang des Differenz verstärkers 13 auf 0 V gehalten. Eine Reihenschaltung aus dem Potentiometer 15 und einem Widerstand 17 ist zu einer Zenerdiode 18 parallel geschaltet, die einerseits über einen Widerstand 19 an eine Speisespannung -V und andererseits an Masse angeschlossen ist. Ein Verbindungs punkt X zwischen dem Element 11 und dem Ausgangswiderstand 12 ist über einen Gegenkopplungswiderstand 20 mit dem Negativeingang des Differenzverstärkers 13 verbunden.

In der in Fig. 3 gezeigten Meßschaltung fließt ein vom Ausgang des Differenzverstärkers 13 zugeführter Strom in die Reihenschaltung aus dem Element 11 und dem Ausgangswider stand 12. Der durch das Element 11 entsprechend der Sauerstoffkonzentration fließende Diffussionsbegrenzungs strom wird durch den Ausgangswiderstand 12 in eine Spannung umgesetzt, die als Ausgangssignal abgegeben wird. In dieser Schaltung wird der Positiveingang des Differenzverstärkers 13 ständig auf 0 V gehalten, so daß auch das Potential an dem Negativeingang auf 0 V bleibt. Daher sind ein über den Eingangswiderstand 14 zu einem Verbindungspunkt Y an dem Negativeingang des Differenzverstärkers 13 zu geführter Strom I ₁ und ein von dem Gegenkopplungswider stand 20 zu dem Verbindungspunkt Y geleiteter Strom I ₂ einander gleich. Da in diesem Fall der Strom I ₁ durch die Funktion der Zenerdiode 18 konstant gehalten wird, bleibt der andere Strom I ₂ gleich falls konstant. Der Strom I ₂ ist gleich einem durch Teilen einer Spannung Vx an dem Verbindungspunkt X durch einen Widerstandswert R ₂₀ des Gegenkopplungswiderstands 20 erhaltenen Quotienten (I ₂ = Vx/R ₂₀), so daß die Spannung Vx an dem Verbindungspunkt X ständig konstant gehalten wird. Dies bedeutet, daß die an dem Element anliegende Vorspannung selbst dann konstant bleibt, wenn sich der über das Element fließende Diffusionsbegrenzungsstrom und der Spannungsabfall an dem Ausgangswiderstand 12 ändern.

Daher ist es durch Einstellen der an dem Element an liegenden konstanten Vorspannung auf einen gewünschten Wert V _B gemäß Fig. 1 möglich, ein Ausgangssignal großer Amplitude zu erhalten, so daß eine hohe Meßgenauigkeit aufrechterhalten werden kann. Ferner können der Störabstand des Ausgangssignals und der Meßbereich der Sauerstoff konzentrationen in hohem Maße vergrößert werden.

Fig. 4 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungs beispiels der Meßschaltung. Bei dem in Fig. 3 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die Reihenschaltung aus dem Diffusionsbegrenzungsstrom-Element 11 und dem Ausgangs widerstand 12 direkt an den Ausgang des Differenzverstärkers 13 angeschlossen. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind zwischen den Ausgangswiderstand 12 und den Ausgang des Differenzverstärkers 13 ein Strom-Treibertransistor 21 und ein Pufferverstärker 22 geschaltet. Daher kann der Treibertransistor 21 der Reihenschaltung aus dem Element 11 und dem Ausgangswiderstand 12 Strom in ausreichend hoher Stärke zuführen. Die Schaltung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird vorzugsweise in dem Fall eingesetzt, daß die Strecke von dem Ausgangswider stand 12 für das Abgreifen des Signals bis zu dem Element 11 lang ist, wodurch das Signal durch ein Störsignal von anderen elektrischen Schaltungen beeinträchtigt werden könnte, und daß die Fläche der dem Meßgas ausgesetzten Elektrode des Elements 11 größer als die Fläche der dem Normal- bzw. Bezugsgas ausgesetzten Elektrode ist. Die Funktion der Schaltung gemäß diesem zweiten Ausführungs beispiel ist im wesentlichen die gleiche wie diejenige bei dem vorangehende beschriebenen Ausführungsbeispiel, so daß sich eine ausführliche Erläuterung der Funktion erübrigt.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird in der Meßschaltung die an dem Diffusionsbegrenzungsstrom-Element anliegende Vorspannung mittels der Gegenkopplungseinrichtung im wesent lichen konstant gehalten, so daß ein hoher Widerstandswert des Ausgangswiderstands für das Umsetzen des Diffusions begrenzungsstroms in das Ausgangssignal gewählt werden kann. Daher kann der Störabstand des Ausgangsignals erhöht und der Meßbereich für die Gaskonzentration erweitert werden. Auf diese Weise kann die Sauerstoffkonzentration oder dergleichen an einem Gasofen, einer Brenn kraftmaschine oder dergleichen genau und zuverlässig gemessen werden.

Claims

1. Schaltung zum Messen einer Gaskonzentration mittels eines Diffusionsbegrenzungsstrom-Elements, über das propor tional zu der Gaskonzentration ein Diffusionsbegrenzungs strom fließt, mit einem zu dem Element in Reihe geschalteten Ausgangswiderstand für das Umsetzen des Diffusionsbegren zungsstroms in ein Ausgangssignal und mit einer Konstant spannungsquelle für das Anlegen einer Spannung an die Reihenschaltung aus dem Element und dem Ausgangswiderstand, wobei die Konstantspannungsquelle eine erste Einrichtung zum Erzeugen einer kontanten Bezugsspannung, eine einen Diffe renzverstärker enthaltende zweite Einrichtung zum Aufnehmen der konstanten Bezugsspannung und dem Erzeugen der an der Reihenschaltung aus dem Element und dem Ausgangswiderstand anliegenden Spannung und eine dritte Einrichtung zum Zurück führen eines Potentials an einem Verbindungspunkt zwischen dem Element und dem Ausgangswiderstand zu einem Eingang des Differenzverstärkers aufweist, derart, daß das Potential an dem Verbindungspunkt konstant bleibt und an dem Element eine konstante Vorspannung anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang des Differenzverstärkers (13) über eine Widerstandsanordnung (14, 15, 17) und eine Zenerdiode (18) mit Massepotential verbunden ist, und daß der andere Eingang des Differenzverstärkers (13) auf Massepotential liegt.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Eingang des Differenzverstärkers (13) mit der ersten Einrichtung (18) verbunden ist, daß der Ausgang des Differenzverstärkers (13) mit dem dem Diffusionsbegren zungsstrom-Element (11) abgewandten Anschluß des Aus gangswiderstands (12) verbunden ist und daß die dritte Einrichtung einen Gegenkopplungswiderstand (20) aufweist, dessen einer Anschluß mit dem Verbindungspunkt (X) zwischen dem Element (11) und dem Ausgangswiderstand (12) und dessen anderer Anschluß mit dem einen Eingang des Differenzverstär kers (13) verbunden ist.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der andere Eingang des Differenzverstärkers (13) über einen Widerstand (16) an Massepotential angeschlossen ist.

4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Einrichtung einen Pufferverstärker (22), dessen Eingang mit dem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist, und einen Treibertransistor (21) aufweist, der an den Ausgang des Pufferverstärkers angeschlossen ist und mit der Reihenschaltung aus dem Diffusionsbegren zungsstrom-Element (11) und dem Ausgangswiderstand (12) in Reihe geschaltet ist.