WO2000007005A1 - Gassensor mit schirmelektrode zur minimierung von leckstrom-einflüssen und dessen verwendung - Google Patents

Gassensor mit schirmelektrode zur minimierung von leckstrom-einflüssen und dessen verwendung Download PDF

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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits

Definitions

  • the present invention relates to heated gas sensors as they have recently been used for the precise control and monitoring of combustion processes and exhaust gas purification devices with e.g. Catalysts are provided and used.
  • Such high-temperature gas sensors usually consist of a substrate (platelet or film) which is coated with a gas-sensitive layer provided with electrodes as a sensor element and which is heated to temperatures of, for example, platinum by means of an electrical heating element. 700 to 900 ° C is heated. This heating solves the task of keeping the sensor temperature constant irrespective of the flow conditions in the exhaust tract and the exhaust gas temperature, as a result of which the cross sensitivity of the sensor to the temperature is minimized.
  • Such an electric heating element is usually in the
  • Substrate e.g. made of aluminum oxide, embedded. This protects it from the oxidation effects that occur at high temperatures.
  • the heating is supplied with unipolar rectangular PW signals (pulse width modulation), namely in order to save electrical energy for the sensor heating.
  • the gas-sensitive sensor element located on the top of the substrate generally only supplies weak electrical signals in the ⁇ A range, e.g. depending on the gas to be detected / measured. approx. 1 volt operating voltage.
  • the problem arises that the effect of the current flow through the heating element has a disruptive influence on the measuring sensitivity of the sensor. This influence is also due to the use of good insulators
  • the substrate cannot be ruled out because the insulator materials available for the substrate have a disturbingly high electrical conductivity at temperatures above 600 ° C.
  • a known remedy is to measure the gas-sensitive sensor signals during breaks in the otherwise flowing heating current.
  • the object of the present invention is to provide a measure with which the problems set out above can be solved in a satisfactory manner and, in particular, sensor signals of the gas sensor which are unaffected by the operation of the heating of the sensor can be obtained over the period of time.
  • the present invention is based on the idea of changing the usual structure of a gas sensor with integrated heating in such a way that influences of the heater on the measuring sensitivity are largely excluded, in particular for sensors with heating temperatures between 500 and 1000 ° C.
  • the invention or as a supplement to this is here also achieved that not only high-quality, electrically highly insulating insulator substrates, for example only high-purity aluminum oxide, can be used.
  • the principle of the invention provides for a shielding electrode to be inserted into the structure of the gas sensor element provided with a heating element, by means of which leakage currents originating from the area of the heating element are prevented from penetrating into the physically effective sensor area. It is further provided that unipolar fractions of leakage currents from the sensor element to the shield electrode (or vice versa) are minimized by the potential of the shield electrode chosen according to the invention.
  • Figure 1 shows a schematic diagram of the invention.
  • FIG. 2 shows in relation to FIG. 1 a circuit structure with adjustment / regulation of the potential of the shield electrode.
  • Figure 3 shows a circuit structure with a potential control, connected to a temperature measuring device.
  • FIG. 1 which serves only as a schematic overview, shows sensor 1 and 11 denotes the sensor element.
  • the heating element which is fed from a controllable heating current source 112, is designated by 12.
  • the shield electrode provided according to the invention is designated by 13. This is able to absorb both leakage currents Ih originating from the heating element 12 and leakage currents Is originating from the sensor element 11 and derives them (Ih + Is), namely insofar as a suitably dimensioned potential P with a low internal resistance is applied to this shield electrode 13.
  • the electrical potential applied to the shield electrode 13 is preferably dimensioned such that the mean value measured over time periods ( ⁇ t) between gas sensor element 11 and shield electrode 13 of the amount of charge ( ⁇ Q x ⁇ t) of unipolar components of leakage currents occurring is minimized.
  • this potential provided according to the invention is kept constant and is dimensioned such that the time average of a current Is determined as described below is minimized.
  • a development of the invention makes it possible to carry out the minimization “on-lme”, in particular for the detection of currents in the nA range.
  • This development provides that the potential of the shield electrode 13 is continuously controlled with the aid of sensor-internal signals and the current Is is continuously increased 2 shows a circuit diagram as an example of an embodiment according to the invention, the circuit of FIG. 2 contains, in addition to the details 11 to 13 already mentioned, a regulator circuit 14 and a controllable potential source 15. The latter is the circuit of the shield electrode inserted as shown.
  • a measuring current Im flows through the sensor element 11 via the connections 111, namely for measuring the actual gas sensor measurement signal.
  • This measuring current is allowed to flow with a continuously, in particular periodically changing direction Im + and Im-.
  • the gas sensor measurement signal is measured so that it is not influenced by the heating current at times when no heating current flows through the heating element. With e.g. clocked heating current, this measurement takes place in the clock breaks. This rule also applies to the invention.
  • the difference value Im + minus Im- of the two measuring currents of the sensor element measured as above is determined and this differential current value is fed to the controller 14 of the control circuit provided according to the invention as a signal of a unipolar current.
  • This difference measured value is the above-mentioned current value Is between the sensor element and the shield electrode, obtained by indirect measurement.
  • the control of the potential source 15 by the output signal of the controller 14 then takes place and has the result that, according to the invention, the shield electrode 13 is preferably kept continuously at such an electrical potential that the current value Is is continuously minimized, at least averaged over time.
  • a low-pass filter 26 can also preferably be provided in the control circuit, which protects the actual control system against possible disturbances that could come from the heating power supply.
  • the material of the or. the shield electrode 13 must be at least an order of magnitude better electrically conductive than the electrical insulation between the sensor element and the Shield electrode.
  • the shield electrode 13 is a metallic layer made of, for example, platinum, platinum metal and the like. within the construction. However, it is also sufficient to provide a mesh / grid that is not too wide-meshed.
  • FIG. 3 A further embodiment of the embodiment according to FIG. 2 is shown in FIG. 3. Reference numerals already described for FIG. 2 also apply to FIG. 3.
  • the shield electrode 13 is also used and designed as an integrated temperature sensor. Such a constructively integrated temperature sensor is of great advantage.
  • the measurement of the temperature is carried out by measuring the electrical resistance of the material of the shield electrode 13.
  • the material of the shield electrode 13 has a temperature-dependent specific electrical resistance.
  • FIG. 3 shows an AC voltage source 21 for a measuring current that flows through a measuring resistor 22 as a measuring element through at least a portion of the shield electrode 13.
  • the temperature value of the shield electrode 13 can be detected as a voltage drop across the measuring resistor 22.
  • a relatively low frequency is preferred for the electrical current of the AC voltage source 21 flowing through the shield electrode 13 in its function as a temperature sensor.
  • the bandpass filter 24 is designed so that it only passes the frequency of the temperature measuring current. If necessary, a rectifier stage 25 is also provided, at whose output the temperature signal can then be obtained.
  • the controller 14 is advantageously additionally preceded by a low-pass filter 26 with which (also) disturbances generated by the temperature measurement can be kept away from the control loop.
  • the potential value to be set / regulated for the shield electrode can be determined from the measured variable I s , which is determined as stated above.
  • the actual measurement of the gas-sensitive sensor value Us is carried out, as in the prior art, preferably using alternating current as the measuring current.

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Abstract

Gassensor und Verfahren zum Betrieb desselben, wobei der Gassensor zwischen seinem Sensorelement (11) und seiner Heizung (12) eine Schirmelektrode (13) hat, die an ein vorzugsweise geregeltes Potential (P; Figur 2) zwecks Minimierung unipolarer Ströme (Is) anzuschliessen ist.

Description

Beschreibung
GASSENSOR MIT SCHIRMELEKTRODE ZUR MINIMIERUNG VON LECKSTROM-EINFLÜSSEN UND DESSEN VERWENDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf geheizte Gassensoren, wie sie neuerdings für die präzise Regelung und Überwachung von Verbrennungsprozessen und Abgas-Reinigungsvorrichtungen mit z.B. Katalysatoren vorgesehen sind und verwendet werden. Solche Hochtemperatur-Gassensoren bestehen in der Regel aus einem Substrat (-Plättchen oder -Folie) , das mit einer gassensitiven, mit Elektroden versehenen Schicht als Sensorelement beschichtet ist und das mittels eines elektrischen Heizelementes, üblicherweise aus Platin bestehend, auf Temperaturen von z.B. 700 bis 900°C aufgeheizt wird. Dieses Aufheizen löst die Aufgabe, die Sensortemperatur unabhängig von den Strömungsbedingungen im Abgastrakt und der Abgastemperatur konstant zu halten, wodurch die Querempfindlichkeit des Sensors gegenüber der Temperatur minimiert wird. Ein sol- ches elektrisches Heizelement ist üblicherweise in das
Substrat, dieses z.B. aus Aluminiumoxid bestehend, eingebettet. Dadurch wird es gegenüber den bei hohen Temperaturen auftretenden Oxidationseffekten geschützt.
Speziell im Kraftfahrzeug mit einer z.B. 12 Volt-Anlage erfolgt die Speisung der Heizung mit unipolaren Rechteck-PW - Signalen (Puls-Weiten-Modulation) , nämlich um elektrische Energie für die Sensorheizung einzusparen. Das auf der Oberseite des Substrats befindliche gassensitive Sensorelement liefert in der Regel, vom zu detektierenden/zu messenden Gas abhängig, nur schwache elektrische Signale im μA-Bereich bei z.B. ca. 1 Volt Betriebsspannung.
Bei praktisch zu realisierenden Sensoren tritt das Problem auf, daß die Wirkung des Stromflußes durch das Heizelement störenden Einfluß auf die Meßempfindlichkeit des Sensors hat. Dieser Einfluß ist auch durch Verwendung guter Isolatoren als Substrat nicht auszuschließen, weil die für das Substrat zur Verfugung stehenden Isolatormaterialien bei Temperaturen über 600°C störend hohe elektrische Leitfähigkeit haben.
Eine bekannte Abhilfe ist, in Pausen des ansonsten fließenden Heizstroms die gassensitiven Sensorsignale zu messen.
Aber auch bei Anwendung dieser Maßnahme treten im realen Fall noch störende Effekte auf, die direkt das physikalische Ver- halten und die Meßempfindlichkeit des Sensorelements stark beeinträchtigen. Es ist dies das Entstehen von Polarisationsdefekten infolge des Auftretens von über die Betriebsdauer hinweg über/durch das Substrat und das Material des Sensorelements zum Heizelement (oder in Gegenrichtung) fließenden unipolaren Leckströmen mit dem Ergebnis einer Langzeitdrift. Im Falle eines Sensors, bestehend aus einer oder mehreren Festkorperelektrolyt- 02-Pumpen, können auftretende Leckstrome unerwünschte Pumpeffekte bewirken und das Detektorsignal verfalschen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme anzugeben, mit der die voranstehend dargelegten Probleme in zufriedenstellender Weise gelöst und insbesondere über die Zeitdauer hinweg vom Betrieb der Heizung des Sensors unbeein- flußte Sensorsignale des Gassensors zu erhalten sind.
Diese Aufgabe wird mit den Mitteln des Patentanspruches 1 gelost und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus den Unteranspruchen hervor. Das erfindungsgemäße Be- triebsverfahren umfaßt die Merkmale der Ansprüche 6 und 7.
Die vorliegende Erfindung basiert auf dem Gedanken, den üblichen Aufbau eines Gassensors mit integrierter Heizung derart abzuändern, daß Einflüsse des Heizers auf die Meßsensitivität weitestgehend ausgeschlossen sind, und zwar insbesondere für Sensoren mit Heiztemperaturen zwischen 500 und 1000°C. Mit der Erfindung bzw. als Aufgabenerganzung zu dieser ist hier auch erreicht, daß nicht ausschließlich hochwertige, elektrisch hochisolierende Isolatorsubstrate, z.B. nur hochreines Aluminiumoxid, verwendbar sind.
Das Erfindungsprinzip sieht vor, in den Aufbau des mit einem Heizelement versehenen Gas-Sensorelements eine abschirmende Elektrode einzufügen, mittels der aus dem Bereich des Heizelements stammende Leckstrόme daran gehindert sind, in den physikalisch wirksamen Sensorbereich einzudringen. Weiter ist vorgesehen, daß unipolare Anteile von Leckstromen vom Sensorelement zur Schirmelektrode (oder umgekehrt) durch erfin- dungsgemaß gewähltes Potential der Schirmelektrode minimiert sind.
Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren weitere Ausführungsbeispiele beschrieben:
Figur 1 zeigt ein Prinzipbild zur Erfindung.
Figur 2 zeigt zu Figur 1 einen Schaltungsaufbau mit Einstellung/Regelung des Potentials der Schirmelektrode.
Figur 3 zeigt einen Schaltungsaufbau mit einer Potential- regelung, verbunden mit einer Temperaturmeßeinrichtung.
Die lediglich als schematische Übersichtsdarstellung dienende Figur 1 zeigt den Sensor 1 und mit 11 bezeichnet das Sensore- lement. Mit 12 bezeichnet ist das Heizelement, das aus einer steuerbaren Heizstromquelle 112 gespeist wird. Die erfin- dungsgemaß vorgesehene Schirmelektrode ist mit 13 bezeichnet. Diese vermag sowohl aus dem Heizelement 12 herrührende Leckstrome Ih als auch vom Sensorelement 11 herrührende Leckstro- me Is aufzunehmen und leitet sie (Ih+ Is) ab, nämlich soweit an diese Schirmelektrode 13 ein dazu passend bemessenes Potential P mit niedrigem Innenwiderstand angelegt ist. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird das an die Schirmelektrode 13 angelegte elektrische Potential bevorzugt so bemessen, daß der über Zeitabschnitte (Δt) gemessene Mit- telwert zwischen Gassensorelement 11 und Schirmelektrode 13 fließender Ladungsmenge (ΔQ x Δt) unipolarer Anteile auftretenden Leckstroms minimiert wird. In erster Näherung ist dieses erfmdungsgemaß vorgesehene Potential konstant gehalten und wird so bemessen, daß der zeitliche Mittelwert eines wie nachfolgend beschrieben ermittelten Stromes Is minimiert ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung ermöglicht es, insbesondere für die Erfassung von Strömen im nA-Bereich die Minimierung „on-lme" durchzufuhren. Diese Weiterbildung sieht vor, daß das Potential der Schirmelektrode 13 fortlaufend mit Hilfe von sensorinternen Signalen gesteuert und der Strom Is fortlaufend auf einen Minimalwert geregelt wird. Die Figur 2 zeigt dazu als Beispiel einer erfmdungsgemaßen Ausf hrung ein Schaltbild. Die Schaltung der Figur 2 enthalt außer den bereits erwähnten Einzelheiten 11 bis 13 noch eine Reglerschaltung 14 und eine steuerbare Potentialquelle 15. Letztere ist m den Stromkreis der Schirmelektrode wie dargestellt eingefugt .
In an sich bekannter Weise laßt man, nämlich zum Messen des eigentlichen gassensorischen Meßsignals, einen Meßstrom Im über die Anschlüsse 111 durch das Sensorelement 11 hindurchfließen. Man laßt diesen Meßstrom mit fortlaufend, insbesondere periodisch sich ändernder Richtung Im+ und Im- fließen. Das gassensorische Meßsignal wird, damit es vom Heizstrom nicht beeinflußt ist, zu Zeiten gemessen, in denen ke n Heizstrom durch das Heizelement fließt. Bei z.B. getaktetem Heizstrom erfolgt diese Messung in den Taktpausen. Diese Regel gilt auch für die Erfindung.
Zur Losung der der Erfindung gestellten Aufgabe werden aber auch noch solche Stromwerte Im+ und Im-, d.h. die Meßstrom- werte in der einen Richtung und in der Gegenrichtung durch das Sensorelement fließender Strome ermittelt, die bei jedoch gleichzeitig fließendem Heizstrom gemessen sind. Die also bei fließendem Heizstrom gemessenen Stromwerte Im+ und Im- dienen nämlich bei der Erfindung dazu, eine Einstell-/Regelgroße für dasjenige elektrische Potential zu gewinnen, das einem Merkmal der Erfindung gemäß an die erfindungs- und anspruchsgemaß vorgesehene Schirmelektrode 13 anzulegen ist.
Es wird der Differenzwert Im+ minus Im- der beiden wie voranstehend gemessenen Meßstrome des Sensorelements festgestellt und es wird dieser Differenz-Stromwert als Signal eines unipolaren Stromes dem Regler 14 der erfindungsgemaß vorgesehenen Regelschaltung zugeführt. Dieser Differenz-Meßwert ist der durch indirekte Messung gewonnene oben erwähnten Stromwert Is zwischen Sensorelement und Schirmelektrode.
Die Steuerung der Potentialquelle 15 durch das Ausgangssignal des Reglers 14 erfolgt dann derart und fuhrt dazu, daß erfin- dungsgemaß die Schirmelektrode 13 vorzugsweise fortlaufend auf einem solchen elektrischen Potential gehalten wird, daß fortlaufend der Stromwert Is wenigstens zeitlich gemittelt minimiert ist.
Mit der mit der Erfindung zu erreichenden geregelten Minimierung des Stromwertes Is laßt sich ein insbesondere über längere Betriebsdauer des Sensors hinweg beobachtetes Auftreten von Polarisationsdefekten vermeiden.
In der Regelschaltung kann vorzugsweise noch ein Tiefpaß 26 vorgesehen sein, der die eigentliche Regelung gegen mögliche Störungen schützt, die aus der Heizstromversorgung kommen konnten.
Das Material der/bzw. die Schirmelektrode 13 muß um wenigstens eine Größenordnung besser elektrisch leitend sein als die elektrische Isolation zwischen dem Sensorelement und der Schirmelektrode. Insbesondere ist die Schirmelektrode 13 eine metallische Schicht aus z.B. Platin, Platinmetall und dgl . innerhalb des Aufbaus. Es genügt aber auch, dafür ein nicht zu weitmaschiges Netz/Gitter vorzusehen.
Eine weitere Ausgestaltung der Ausführungsform nach Figur 2 zeigt die Figur 3. Zur Figur 2 bereits beschriebene Bezugszeichen gelten auch für die Figur 3. Es ist dort in Weiterbildung der Erfindung die Schirmelektrode 13 außerdem als in- tegrierter Temperaturfühler genutzt und ausgebildet. Ein solcher konstruktiv integrierter Temperaturfühler ist von großem Vorteil. Die Meßwert-Erfassung der Temperatur erfolgt über die Messung des elektrischen Widerstandes des Materials der Schirmelektrode 13. Das Material der Schirmelektrode 13 weist einen temperaturabhängigen spezifischen elektrischen Widerstand auf. Zusätzlich zeigt Figur 3 eine Wechselspannungsquelle 21 für einen Meßstrom, der über einen Meßwiderstand 22 als Meßelement durch wenigstens einen Anteil der Schirmelektrode 13 fließt. Der Temperaturwert der Schirmelektrode 13 kann als Spannungsabfall am Meßwiderstand 22 erfaßt werden.
Für den die Schirmelektrode 13 in ihrer Funktion als Temperaturfühler hindurchfließenden elektrischen Strom der Wechselspannungsquelle 21 wird eine relativ niedrige Frequenz bevorzugt. Das Bandpaßfilter 24 ist so ausgelegt, daß es nur die Frequenz des Temperatur-Meßstromes durchläßt. Gegebenenfalls ist noch eine Gleichrichterstufe 25 vorgesehen, an deren Ausgang dann das Temperatursignal zu erhalten ist. Bei der Ausführungsform nach Figur 3 ist dem Regler 14 vorteilhafterweise zusätzlich noch ein Tiefpaßfilter 26 vorgeschaltet, mit dem (auch) durch die Temperaturmessung generierte Störungen vom Regelkreis ferngehalten werden können.
Auch bei der Ausführung nach Figur 3 kann der einzustellende/zu regelnde Potentialwert für die Schirmelektrode aus der gemessenen Größe Is bestimmt, die wie oben angegeben ermittelt wird. Die eigentliche Messung des gassensitiven Sensorwertes Us erfolgt wie nach dem Stand der Technik vorzugsweise mit Wechselstrom als Meßstrom.

Claims

Patentansprüche
1. Gassensor (1) mit geheiztem Sensorelement (11) mit Anschlüssen (111) für einen Meßstrom (Im), mit einem mit Stro - durchfluß zu betreibenden Heizelement (12), wobei diese Elemente (11, 12) in flächig ausgedehntem Schichtaufbau derselben übereinanderliegend zusammen mit einem elektrisch isolierenden Substrat angeordnet sind, g e k e n n z e i c h n e t d a d u r c h, daß zwischen dem Sensorelement (11) und dem Heizelement
(12) eine ebenso flächig ausgedehnte Schirmelektrode (13) mit Anschluß (P) für den Anschluß eines elektrischen Potentials vorgesehen ist.
2. Gassensor nach Anspruch 1, mit einer als Gitter/Netz ausgebildeten Schirmelektrode
(13) .
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Regelelektronik mit einem Prozessor (16) zur
Bildung eines Differenzwertes (Is) von Strömen (Im) und einem Regler (14), der einerseits mit dem Prozessor (16) und andererseits mit einer regelbaren Potentialquelle (15) verbunden ist, die (15) mit dem Anschluß (P) der Schirmelektrode (13) verbunden ist.
4. Gassensor nach Anspruch 3, mit einer die Regelelektronik ergänzenden Temperaturmeßeinrichtung (22, 25) und einer Wechselstromquelle (21) für Stromdurchfluß durch die Schirmelektrode (13) hindurch und durch einen Meßwiderstand.
5. Gassensor nach Anspruch 3 oder 4, mit einem elektrischen Filter (26) im Stromkreis des Reglers (14) zur Abschirmung von Wechselstromstörungen der Heizung des Heizelements (12).
6. Verfahren zum Betrieb eines Gassensors nach Anspruch 3 mit den Verfahrensschritten:
1. Meß-Stromdurchfluß (Im+, Im-) durch das Sensorelement (11) mit abwechselnder Stromrichtung des Stromdurchflusses während fließenden Heizstromes im Heizelement (12)
2. Ermittlung (16) der aktuellen Meßwertdifferenz (Is = Im+ minus Im-) der Meßströme (Im+, Im-) der beiden Richtungen durch das Sensorelement (11) und 3. Zuführung der Meßwertdifferenz an einen Regler, in dem mit dieser Meßwertdifferenz (Is) ein an die Schirmelektrode (13) anzulegendes Potential (P) geregelt eingestellt wird, so daß die Meßwertdifferenz (Is) auf einem Minimalwert gehalten wird.
7. Verfahren zum Betrieb eines Gassensors nach Anspruch 4 mit einer Temperaturmeßeinrichtung, wobei ein Stromfluß durch das einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweisende Material der Schirmelek- trode (13) hindurchgeleitet wird und aus der temperaturabhängig sich ändernden Stromstärke der aktuelle Temperaturwert ermittelt wird.
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