WO2005015190A1 - Verfahren und anordnung zur detektion von stoffen mittels regelung des elektrischen widerstands eines sensors - Google Patents

Verfahren und anordnung zur detektion von stoffen mittels regelung des elektrischen widerstands eines sensors Download PDF

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WO2005015190A1
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • 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
    • G01N27/123—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with a sensor and a method for detecting substances according to the preamble of claim 1 and the first method claim.
  • Such arrangements and methods are used, for example, to detect air pollution in order to be able to control the ventilation system of an automobile accordingly. If the sensor detects increased air pollution in the sucked-in outside air, for example due to a short distance to the front automobile or when driving through a tunnel, the ventilation is switched to circulating air operation by means of a control signal, so that no further odors or pollutants get into the interior of the automobile can.
  • a semiconductor with a heated active layer made of metal oxide is used as the sensor, the electrical resistance of which changes when the gases to be detected act upon it.
  • 1 shows typical characteristics for such semiconductor sensors, the horizontal axis 4 corresponding to the gas concentration C and the vertical axis 5 corresponding to the resistance 5 R.
  • a reducing gas e.g. CO, C x H y , C x H y OH
  • the active layer of the sensor becomes low-resistance (dash-dotted curve 6)
  • an oxidizing gas e.g. NO x , 0 3
  • the horizontal 0 line 8 indicates the value for the resistance in normal air.
  • the respective current measured value for the electrical resistance is compared with the mean value formed over a certain time. In the case of pollutant peaks, the current measured value is significantly greater than the mean value (see, for example, the patents DE-C3-37 31 745 and US-A-4 930 407.)
  • the differential is formed from the measured values by means of an electrical high pass. Pollutant peaks lead to a rapid change in the pollutant concentration and thus to a large differential value (see e.g. the patent specification DE-C3-33 04 324.)
  • Fig. 3 shows the resistance R of a semiconductor sensor as
  • FIG. 4 shows the time course of the heating power when switching on
  • FIG. 5 shows a possible embodiment of the arrangement according to FIG. 2, in particular the evaluation device
  • Fig. 6 shows schematically a housing with the sensor according to Fig. 2, - and
  • FIG. 7 shows a supplemented variant of the arrangement according to FIG. 2.
  • the arrangement comprises a sensor 10 with an active layer 11 and a heater 12 for heating the active layer 11, a heating controller 16 for regulating the heater 12, a central evaluation and control unit 17, and a measuring unit 18 for recording the current value of the active layer resistance R and an evaluation device 19 for generating switching pulses.
  • the active layer 11 and the heater 12 are electrically insulated from one another, but are thermally coupled to one another.
  • the sensor 10 is, for example, a semiconductor gas sensor with a heated active layer 11 made of metal oxide such as tin dioxide, tungsten trioxide, gallium oxide, zinc oxide, etc. or a mixture of such metal oxides. Platinum and / or palladium can also be added as a catalyst in order to accelerate chemical reactions between metal oxide and the substances to be detected, in particular gases. 1 shows, the electrical resistance R of the active layer 11 changes strongly non-linearly with the gassing.
  • the sensitivity of the sensor 10 corresponds approximately to the concentration range typically found in air contaminated by road traffic (for reducing gases in the Range from approx. 1 ppm to approx. 100 ppm, for oxidizing gases in the range from approx. 100 ppb to approx. 2000 ppb).
  • the active layer 11 has a strongly temperature-dependent resistance R.
  • Fig. 3 shows R as a function of the sensor temperature T with normal air (no pollutants, ambient temperature 20 ° C, relative humidity 65%). At normal operating temperature 26 (in the example according to FIG. 3 about 350 ° C.), a certain value 27 is set for the resistance R (e.g. 10 kOhm). As curve 28 in Figure 3 shows, R decreases as T increases, while R increases as T decreases. The resistance R changes more in the temperature range from 250 ° C to 450 ° C than it would due to gas concentration fluctuations, as typically occur in road traffic.
  • a correspondingly designed sensor in particular a semiconductor sensor, can of course be used.
  • a sensor that is suitable for the detection of air pollutants such as CO, C x H y , C x H y 0H, NO x , 0 3 and other harmful or odorous substances, vaporous substances, certain liquids and / or gases.
  • the sensor 10 is operated in such a way that the electrical sensor resistance R is brought to a predetermined setpoint value by regulating the heating temperature or is kept there. (This is in contrast to the common methods in which the
  • Temperature T of sensor 10 is kept constant and is therefore not R, but T is the controlled variable.
  • the electrical resistance of the active layer 11, the measuring unit 18, the evaluation and control unit 17, the heating controller 16 and the heater 12 form a (closed) control circuit 30.
  • the current value for R (“actual value”) is continuously determined by the measuring unit 18 and compared in the central evaluation and control unit 17 with the predetermined target value.
  • the heating power is set, for example, by changing the voltage at the connections of the heater 12.
  • the sensor 10 is gassed with normal air (no pollutants, ambient temperature 20 ° C., relative air humidity 65%) and the resistance of the active layer 11 is measured. This measured value specifies the setpoint at which the active layer resistance is regulated.
  • the heating controller 16 is designed, for example, as a PI controller (proportional integral controller), wherein the proportional coefficient K p and the integration time (readjustment time) T N can be freely specified.
  • the integration time T N is chosen such that it is greater than the time in which the changes in the substance concentration to be detected occur.
  • T ⁇ is in the range of minutes, for example in the range of 5 to 10 minutes or more.
  • control circuit 30 is designed such that during the control the heating temperature of the heater 12 or the heating power does not exceed a freely defined maximum value and does not fall below a freely defined minimum value.
  • the heating controller 16 preferably also includes one
  • Differential component which is designed in such a way that a control deviation has a disproportionate effect, but nevertheless acts subcritically, so that tendencies to oscillate are suppressed. Supplementing the differential component therefore means that the controlled variable reaches its setpoint earlier and settles faster.
  • control circuit 30 can be designed asymmetrically in its control behavior, so that the case in which the sensor resistance tends to be based on the
  • Setpoint moved (positive control deviation), and the case in which it tends to move away from the setpoint (negative control deviation) are regulated differently.
  • An asymmetrical control is particularly advantageous if the behavior of the sensor 10 is different in the high-resistance range (R greater than the target value) and in the low-resistance range (R less than the target value).
  • the active layer 11 of the sensor 10 If the active layer 11 of the sensor 10 is unheated, its surface is contaminated by foreign substances in the air. In order to obtain an active layer 11 with reproducible properties for operation, the foreign substances deposited on its surface must be removed in a suitable manner. So that this can be done in a controlled manner, the heater 12 or the heating controller 16 is first subjected to a forced operation after the sensor 10 is switched on, before the closed control circuit 30 is released for control. For this purpose, the evaluation and control unit 17 controls the heating controller 16 so that the
  • FIG. 4 shows an example of the course of the heating power H (ordinate) as a function of the time t (abscissa).
  • the foreign substances desorb serially from the active layer surface according to their volatility, as a result of which gentle cleaning is achieved without coking occurring.
  • Evaluation devices are used to evaluate the measurement signals supplied by the sensor 10. 5 shows a possible embodiment of the evaluation device 19 in the form of an analog circuit.
  • the regulating and control device 31 comprises the measuring unit 18, the heating controller 16 and the central evaluation and control unit 17.
  • the output of the regulating and control device 31 is connected to the anode 12 of the heater 12.
  • the anode 36 of the active layer 11 is connected to a potential via a first resistor 37 and is connected to the input of the regulating and control device 31 or the inverting input 41 of a first comparator 40.
  • the inverting input 41 and the non-inverting input 42 of the first comparator 40 are connected to the non-inverting input 52 and inverting input 51 of a second comparator 50, respectively.
  • the output 43 of the first comparator 40 is via a second one
  • Resistor 44 is fed back with its non-inverting input 42, which is connected to an adjustable resistor 47, to which a voltage is applied.
  • the output 43 of the second comparator 50 is with its non- inverting input 52 fed back via a third resistor 54.
  • the two resistors 44 and 54 are designed such that a control signal is generated at the output 43, 53 of the first and second comparators 43 and 53, respectively, when the voltage at the anode 36 exceeds a freely defined upper threshold value or a freely defined lower value Falls below the threshold.
  • the upper and the lower threshold value can be selected differently, for example to better take into account the fact that the sensor 10 can be more sensitive in the high-resistance area than in the low-resistance area.
  • the adjustable resistor 47 is set such that the desired voltage is established at the anode 36 of the active layer 11 (for example U / 2 in the event that a potential U is applied to the first resistor 37) and its value is equal to the setpoint).
  • the sensor resistance is regulated to the predefined setpoint value by means of the heating control circuit 30.
  • the current voltage is measured at the anode 36, the reciprocal of which is proportional to the respective actual value of the sensor resistance, and the heating 12 is regulated by means of the regulating and control device 31 in such a way that the voltage at the anode 36 and thus the sensor resistance tends to tend is kept constant.
  • a large integration time T N is selected for the control circuit 30, so that brief voltage changes are not corrected. If, for example, an increase in the concentration of a reducing gas occurs in a pulsed manner, the sensor resistance decreases briefly, as a result of which the voltage increases the anode 36 increases. If this voltage is above the threshold value of the first comparator 40, a switching signal is generated at its output 43. In a corresponding manner, a switching signal is generated at the output 53 of the second comparator 50 if its threshold value is not reached when the voltage at the anode 36 drops due to a pulse-like increase in the concentration of an oxidizing gas.
  • the switching signals generated by the comparator 40 or 50 can be used, for example, to control a ventilation system.
  • the analog voltage signal supplied by the sensor 10 is converted into a digital signal by means of an A / D converter and evaluated using a suitable logic circuit or a microcomputer.
  • the maximum sensitivity of the semiconductor sensor for an oxidizing gas is at temperatures that are rather below the normal temperature.
  • the sensitivity becomes maximum at temperatures that are above normal temperature. If, for example, the sensor 10 is gassed with carbon monoxide CO, the sensor resistance drops, so that the sensor temperature is also lowered due to the regulation. This negative feedback makes the sensor 10 less sensitive to carbon monoxide.
  • Fig. 1 has a Semiconductor sensor typically has a strongly curved, exponentially extending characteristic curve 6 or 7. The negative feedback just mentioned leads to the characteristic curve 6 or 7 tending to be linearized. The same changes in the gas concentrations thus produce approximately the same
  • the sensors 10 are located in housings. 6 schematically shows a housing 60 in which the sensor active layer 11, which can be connected to the measuring unit 18 via the connections 11a and 11b, and the heater 12, which can be connected to the heating controller 16 via the connections 12a and 12b, are arranged , T aItlb denotes the ambient temperature, T the temperature of the active layer 11.
  • T aItlb denotes the ambient temperature
  • T the temperature of the active layer 11.
  • the sensitivity of the sensors 10, in particular semiconductor gas sensors depends on the temperature T.
  • the ambient temperature T amb is generally much lower and fluctuates in practice in large areas, for example in automobiles in the range from -40 ° C to + 150 ° C.
  • the double arrow 61 there is a temperature gradient between the active layer 11 and the surroundings or the wall of the housing 60.
  • the methods and arrangements described here can be used in a variety of ways. Among other things, you can used for the detection of substances in the air, in particular pollutants and / or odors, and / or for the control of air conditioning and / or ventilation systems, such as those found in motor vehicles, buildings, rooms, etc. In particular, 19 switching pulses can be generated with the evaluation device, which serve to control air recirculation flaps in air conditioning and / or ventilation systems of motor vehicles.
  • sensors 10 can also be used, which are coupled to one another, e.g. To be able to compare measurement signals from several locations.
  • the sensor 10 comprises an active layer 11, the electrical resistance R of which is a measure of the substance concentration C, and a controllable heater 12, the heating power of which can be changed as a function of the resistance R to regulate the resistance R to a predetermined target value.
  • the signal supplied by the sensor 10 has a greatly reduced proportion of interfering signals, for example, compared to the conventional methods Changes in ambient temperature or humidity are due.
  • a temperature sensor In order to further reduce the interference signal component, it is also conceivable to use a temperature sensor.
  • FIG. 7 shows an arrangement with sensor 10 and control circuit 30 as well as a temperature sensor 65 which is in operative connection with evaluation device 17 and by means of which the ambient temperature is measured repeatedly. The influence of this disturbance variable is represented by a variable resistor 66, which acts on the heating controller 16.
  • Temperature sensor 65 and sensor 11 are processed by the evaluation and control unit 17, so that a measurement signal with a reduced interference component is available.
  • K p proportional coefficient of the PI controller
  • R electrical resistance of the sensor
  • Tu integration time of the control circuit ppb: parts per billion (billionth, 10 "9 ) ppm: parts per million (millionth, 10 " 6 )

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Abstract

Zur Detektion von Stoffen mit mindestens einem Sensor (10), dessen elektrischer Widerstand (11) durch Einwirken eines zu detektierenden Stoffes veränderbar ist, wird ein Regelkreis (30) zum Regeln des elektrischen Widerstandes auf einen vorgegebenen Sollwert verwendet. Störungen im Sensor-Messsignal können damit vermindert werden.

Description

STEUERBARE HEIZUNG ZUR REGELUNG DES ELEKTRISCHEN WIDERSTANDS EINES GASSENSORS
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung mit einem Sensor und ein Verfahren zur Detektion von Stoffen gemäss 5 Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des ersten Verfahrensanspruchs .
Derartige Anordnungen und Verfahren werden beispielsweise eingesetzt zur Feststellung von Luftverunreinigungen, um die0 Lüftungsanlage eines Automobils entsprechend ansteuern zu können. Stellt der Sensor in der angesogenen Aussenluft eine erhöhte Luftverunreinigung fest, beispielsweise aufgrund eines geringen Abstandes zum vorderen Automobil oder bei der Durchfahrt durch einen Tunnel, wird die Lüftung mittels5 eines Steuersignals auf Umluftbetrieb geschaltet, sodass keine weiteren Geruchs- bzw. Schadstoffe in das Automobilinnere gelangen können.
Als Sensor wird z.B. ein Halbleiter mit einer beheizten 0 Wirkschicht aus Metalloxid verwendet, dessen elektrischer Widerstand sich beim Einwirken der zu detektierenden Gase verändert. Fig. 1 zeigt typische Kennlinien für solche Halbleiter-Sensoren, wobei die horizontale Achse 4 der Gaskonzentration C und die vertikale Achse 5 dem Widerstand5 R entspricht. Bei der Einwirkung eines reduzierend wirkenden Gases (z.B. CO, CxHy, CxHyOH) wird die Wirkschicht des Sensors niederohmiger (strichpunktierte Kurve 6) , bei der Einwirkung eines oxidierend wirkenden Gases (z.B. NOx, 03) wird sie hochohmiger (gestrichelte Kurve 7) . Die horizontale 0 Linie 8 gibt den Wert für den Widerstand bei Normalluft an.
Eine zuverlässige Detektion der Stoffe wird jedoch durch verschiedene Einflussfaktoren erschwert : - Die physikalischen Eigenschaften der Luft wie Temperatur und Feuchtigkeit variieren zeitlich und örtlich, sodass sich der elektrische Widerstand des Sensors auch bei Abwesenheit eines zu detektierenden Stoffes ändert. - Die Grundbelastung der Luft mit Schadstoffen ist örtlich verschieden. So ist z.B. die Luft in der Stadt in der Regel stärker belastet als auf dem Land und dementsprechend sind auch die Pegel von auftretenden Schadstoffspitzen unterschiedlich. - Jeder Sensor hat ein individuelles Ansprechverhalten aufgrund von Toleranzen in der Herstellung, Alterung, Betriebszeit, etc.
Verschiedene Verfahren sind bekannt, diese Einflussfaktoren bei der Detektion itzuberücksichtigen:
- Der jeweilige aktuelle Messwert für den elektrischen Widerstand wird mit dem über eine bestimmte Zeit gebildeten Mittelwert verglichen. Bei Schadstoffspitzen ist der aktuelle Messwert wesentlich grδsser als der Mittelwert (siehe z.B. die Patentschriften DE-C3-37 31 745 und US-A-4 930 407.)
- Aus den Messwerten wird mittels eines elektrischen Hochpasses das Differential gebildet. Schadstoffspitzen führen zu einer schnellen Änderung der Schadstoffkonzentration und somit zu einem grossen Differential-Wert (siehe z.B. die Patentschrift DE-C3-33 04 324.)
Die bekannten Anordnungen und Verfahren haben gemeinsam, dass der Sensor bei einer konstanten Temperatur betrieben wird und dass stets die Änderungen des elektrischen Widerstandes ausgewertet werden. Dies hat aber den Nachteil, dass relativ aufwändige Massnahmen getroffen werden müssen, um die Temperatur konstant zu halten. Nachteilig ist auch, dass dem eigentlichen Messsignal, welches durch die Einwirkung der zu detektierenden Stoffe erzeugt wird, ein von den oben beschriebenen Einflussfaktoren herrührendes Störsignal überlagert ist und dieses durch eine geeignete nachgeschaltete Auswerteeinrichtung herausgefiltert werden muss. Dies kann jedoch gelegentlich zu Fehlmessungen und auch bei Verwendung von gleichartigen Sensoren zu unterschiedlichem Ansprechverhalten der Anordnung führen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile weitgehend zu beheben und eine Anordnung sowie ein Verfahren derart zu schaffen, dass die vom Sensor erzeugten Messsignale einen reduzierten Anteil an Stδrsignalen aufweisen.
Eine erfindungsgemässe Anordnung und ein erfindungsgemässes Verfahren, welche bzw. welches diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 bzw. unabhängigen Verfahrensanspruch angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren erläutert.
Fig. 1 zeigt den Widerstand R eines Halbleiter-Sensors als Funktion der Konzentration C eines oxidierend bzw. reduzierend wirkenden Gases;
Fig. 2 zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Anordnung zur Detektion von Stoffen;
Fig. 3 zeigt den Widerstand R eines Halbleiter-Sensors als
Funktion der Sensortemperatur T;
Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Heizleistung beim Einschalten; Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Anordnung gemäss Fig. 2, insbesondere der Auswerteeinrichtung;
Fig. 6 zeigt schematisch eine Gehäuse mit dem Sensor gemäss Fig. 2 ,- und
Fig. 7 zeigt eine ergänzte Variante der Anordnung gemäss Fig. 2.
Wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, umfasst die Anordnung einen Sensor 10 mit einer Wirkschicht 11 und einer Heizung 12 zum Beheizen der Wirkschicht 11, einen Heizungsregler 16 zur Regelung der Heizung 12, eine zentrale Auswerte- und Steuereinheit 17, eine Messeinheit 18 zum Erfassen des aktuellen Wertes des Wirkschichtwiderstandes R und eine Auswerteeinrichtung 19 zum Erzeugen von Schaltimpulsen. Die Wirkschicht 11 und die Heizung 12 sind elektrisch voneinander isoliert, jedoch thermisch miteinander gekoppelt.
Der Sensor 10 ist z.B. ein Halbleiter-Gassensor mit einer beheizten Wirkschicht 11 aus Metalloxid wie Zinndioxid, Wolframtrioxid, Galliumoxid, Zinkoxid, etc. oder einer Mischung von solchen Metalloxiden. Es kann auch noch Platin und/oder Palladium als Katalysator zugesetzt sein, um chemische Reaktionen zwischen Metalloxid und den zu detektierenden Stoffen, insbesondere Gasen, zu beschleunigen. Wie Fig. 1 zeigt, ändert sich der elektrische Widerstand R der Wirkschicht 11 stark nicht-linear mit der Begasung. Die Ansprechempfindlichkeit des Sensors 10 entspricht etwa dem Konzentrationsbereich, wie er typischerweise in der durch Strassenverkehr verunreinigter Luft anzutreffen ist (für reduzierend wirkende Gase im Bereich von ca. l ppm bis ca. 100 ppm, für oxidierend wirkende Gase im Bereich von ca. 100 ppb bis ca. 2000 ppb) .
Als Halbleiter weist die Wirkschicht 11 einen stark temperaturabhängigen Widerstand R auf. Fig. 3 zeigt R als Funktion der Sensortemperatur T bei Normalluft (keine Schadstoffe, Umgebungstemperatur 20°C, relative Luftfeuchtigkeit 65%) . Bei normaler Betriebstemperatur 26 (im Beispiel gemäss Fig. 3 etwa 350°C) stellt sich ein bestimmter Wert 27 für den Widerstand R ein (z.B. 10 kOhm) . Wie die Kurve 28 in Fig. 3 zeigt, sinkt R bei einer Erhöhung von T, währenddessen R bei einer Verringerung von T ansteigt . Der Widerstand R ändert sich dabei im Temperaturbereich von 250°C bis 450°C stärker, als er dies aufgrund von Gaskonzentrationsschwankungen täte, wie sie typischerweise im Strassenverkehr auftreten.
Je nach Anwendung kann natürlich ein entsprechend gearterter Sensor, insbesondere Halbleiter-Sensor, eingesetzt werden. So ist es z.B. denkbar einen Sensor zu verwenden, der geeignet ist zur Detektion von luftverunreinigenden Stoffen wie CO, CxHy, CxHy0H, NOx, 03 und anderen Schad- bzw. Geruchsstoffen, dampfförmigen Substanzen, bestimmten Flüssigkeiten und/oder Gasen.
Mit der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wird der Sensor 10 so betrieben, dass der elektrische Sensorwiderstand R durch Regelung der Heizungstemperatur auf einen vorgegebenen Sollwert gebracht bzw. auf diesem gehalten wird. (Dies im Gegensatz zu den gängigen Verfahren, bei welchen die
Temperatur T des Sensors 10 konstant gehalten wird und demnach nicht R, sondern T die Regelgrösse ist.) Der elektrische Widerstand der Wirkschicht 11, die Messeinheit 18, die Auswerte- und Steuereinheit 17, der Heizungsregler 16 sowie die Heizung 12 bilden einen (geschlossenen) Regelkreis 30. Bei der Regelung wird der aktuelle Wert für R ("Istwert") laufend von der Messeinheit 18 ermittelt und in der zentralen Auswerte- und Steuereinheit 17 mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen. Diese steuert entsprechend der Regelabweichung (Differenz zwischen Ist- und Sollwert) den Heizungsregler 16 an, welcher dann die Heizleistung der Heizung 12 beeinflusst, um so auf den Widerstand der Wirkschicht 11 einzuwirken. Die Heizleistung wird dabei z.B. durch Änderung der Spannung an den Anschlüssen der Heizung 12 eingestellt .
Zum Festlegen des Sollwertes wird der Sensor 10 mit Normalluft (keine Schadstoffe, Umgebungstemperatur 20°C, relative Luftfeuchtigkeit 65%) begast und der Widerstand der Wirkschicht 11 gemessen. Dieser gemessene Wert gibt den Sollwert vor, auf welchen der Wirkschichtwiderstand geregelt wird.
Der Heizungsregler 16 ist z.B. als PI-Regler (Proportionalintegralregler) ausgebildet, wobei Proportionalbeiwert Kp und Integrierzeit (Nachstellzeit) TN frei vorgegeben werden können. Die Integrierzeit TN ist so gewählt, dass sie grösser als die Zeit ist, in welcher die zu detektierenden Änderungen in der Stoffkonzentration auftreten. Typischerweise liegt Tκ im Bereich von Minuten, z.B. im Bereich von 5 bis 10 min oder mehr. Durch diese Massnahme wirkt der Regelkreis 30 so, dass die Nachführung des Sensorwiderstandes nur langsam und zeitlich verzögert erfolgt.
Durch diese träge Regelung wird erreicht, dass eine schnelle Änderung im Sensorwiderstand, welcher durch einen plötzlichen Anstieg einer zu detektierenden Stoffkonzentration ("Schadstoffspitze") bewirkt wird, nicht ausgeregelt wird und demnach einer Auswertung zugeführt werden kann. Es können somit rasche Änderungen in der Stoffkonzentration erfasst werden. Hingegen sind die Einflussfaktoren, welche, wie in der Einleitung erwähnt, störend auf die Widerstandsmessung wirken, ausregelbar, da sie sich zeitlich nur langsam ändern. Die vom Sensor 10 an die Auswerteeinrichtung 19 gelieferten Messsignale weisen daher einen stark reduzierten Anteil an Stδrsignalen auf, welche durch die Einflussfaktoren verursacht werden.
Damit der Sensor 10 weder im Bereich der Überlastung noch der Unwirksamkeit betrieben wird, ist der Regelkreis 30 so ausgestaltet, dass während der Regelung die Heiztemperatur der Heizung 12 bzw. die Heizleistung einen frei festgelegten Maximalwert nicht überschreitet und einen frei festgelegten Minimalwert nicht unterschreitet .
Vorzugsweise umfasst der Heizungsregler 16 nebst Proportional- und Integralanteil auch einen
Differentialanteil, welcher so gestaltet ist, dass sich eine Regelabweichung überproportional auswirkt, aber dennoch unterkritisch wirkt, sodass Schwingneigungen unterdrückt werden. Die Ergänzung des Differentialanteils bewirkt demnach, dass die Regelgrδsse früher ihren Sollwert erreicht und schneller einschwingt.
Optional kann der Regelkreis 30 in seinem Regelverhalten unsymmetrisch ausgestaltet sein, sodass der Fall, bei welchem sich der Sensorwiderstand in der Tendenz auf den
Sollwert zubewegt (positive Regelabweichung) , und der Fall, bei welchem er sich in der Tendenz vom Sollwert wegbewegt (negative Regelabweichung) , unterschiedlich geregelt werden. Ein unsymmetrisches Regelverhalten wird z.B. dadurch erreicht, dass der Regelkreis 30 unterschiedliche Integralteile aufweist, indem den positiven und negativen Regelabweichungen unterschiedliche Werte für Kp und/oder TN zugeordnet sind. Eine unsymmetrische Regelung ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Verhalten des Sensors 10 im hochohmigen Bereich (R grδsser als der Sollwert) und im niederohmigen Bereich (R kleiner als der Sollwert) unterschiedlich ist.
Ist die Wirkschicht 11 des Sensors 10 unbeheizt, so wird ihre Oberfläche durch in der Luft befindlichen Fremdstoffe verschmutzt. Um für den Betrieb eine Wirkschicht 11 mit reproduzierbaren Eigenschaften zu erhalten, müssen die auf ihrer Oberfläche angelagerten Fremdstoffe auf geeignete Weise entfernt werden. Damit dies kontrolliert geschehen kann, wird nach dem Einschalten des Sensors 10 die Heizung 12 bzw. der Heizungsregler 16 zuerst einer Zwangsführung unterworfen, bevor der geschlossene Regelkreis 30 zur Regelung freigegeben wird. Dazu steuert die Auswerte- und Steuereinheit 17 den Heizungsregler 16 so an, dass die
Spannung an der Heizung 12 und somit die Heizleistung einen vorgegebenen zeitlichen Verlauf aufweist.
In Fig. 4 ist ein Beispiel des Verlaufs der Heizleistung H (Ordinate) als Funktion der Zeit t (Abszisse) gezeigt. In der Startphase, t0 <= t <= t_, wird die Heizleistung H bzw. Spannung über der Heizung 12 in Form einer Rampenfunktion langsam erhöht . In dieser Phase desorbieren die Fremdstoffe seriell nach ihrer Flüchtigkeit von der Wirkschichtoberflache, wodurch eine schonende Reinigung erzielt wird, ohne dass ein Verkoken auftritt. Die schonende Reinigung wird fortgesetzt, indem die Heizung 12 für ein bestimmtes Zeitintervall, ti <= t <= t2 bzw. t3 <= t <= t4 mit der Endheizleistung betrieben wird. Zum Entfernen von resistenten Partikeln bzw. Fremdstoffen ("Zwangdesorption") erfolgt dazwischen im Zeitintervall t2 < t < t3 eine Überheizphase, in welcher die Heizung 12 mit Überlast betrieben wird. Amplitude und Dauer dieser Überlast sind derart begrenzt, dass eine Schädigung der Heizung 12 oder der Wirkschicht 11 vermieden wird. Beim Zeitpunkt t wird die Reglerzwangssteuerung beendet und es folgt die freie Regelung durch den Regelkreis 30.
Je nach Anwendung werden unterschiedliche
Auswerteeinrichtungen eingesetzt, um die vom Sensor 10 gelieferten Messsignale auszuwerten. Fig. 5 zeigt eine mögliche Ausfuhrungsform der Auswerteeinrichtung 19 in Form einer analogen Schaltung.
Die Regel- und Steuereinrichtung 31 umfasst die Messeinheit 18, den Heizungsregler 16 und die zentrale Auswerte- und Steuereinheit 17. Der Ausgang der Regel- und Steuereinrichtung 31 ist mit der Anode 12 der Heizung 12 verbunden.
Die Anode 36 der Wirkschicht 11 ist via einen ersten Widerstand 37 an ein Potential angeschlossen sowie mit dem Eingang der Regel- und Steuereinrichtung 31 bzw. dem invertierenden Eingang 41 eines ersten Komparators 40 verbunden. Der invertierende Eingang 41 und der nicht- invertierende Eingang 42 des ersten Komparators 40 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang 52 bzw. invertierenden Eingang 51 eines zweiten Komparators 50 verbunden. Der Ausgang 43 des ersten Komparators 40 ist via einen zweiten
Widerstand 44 mit seinem nicht-invertierenden Eingang 42 rückgekoppelt, der mit einem einstellbaren Widerstand 47 verbunden ist, an welchem eine Spannung angelegt ist. Der Ausgang 43 des zweiten Komparators 50 ist mit seinem nicht- invertierenden Eingang 52 via einen dritten Widerstand 54 rückgekoppelt. Die beiden Widerstände 44 und 54 sind so ausgelegt, dass am Ausgang 43, 53 des ersten bzw. zweiten Komparators 43 bzw. 53 ein Steuersignal erzeugt wird, wenn die Spannung an der Anode 36 einen frei festgelegten oberen Schwellenwert überschreitet bzw. einen frei festgelegten unteren Schwellenwert unterschreitet . Der obere sowie der untere Schwellenwert können verschieden gewählt sein, um z.B. besser dem Umstand Rechnung tragen zu können, dass der Sensor 10 im hochohmigen Bereich empfindlicher als im niederohmigen Bereich sein kann.
Die Funktionsweise der in Fig. 5 dargestellten Anordnung ist wie folgt :
Zum Festlegen des Sollwertes für den elektrischen Widerstand der Wirkschicht 11, wird der einstellbare Widerstand 47 so eingestellt, dass sich an der Anode 36 der Wirkschicht 11 die gewünschte Spannung einstellt (z.B. U/2 im Fall, dass am ersten Widerstand 37 ein Potential U angelegt ist und sein Wert gleich dem Sollwert entspricht) . Mittels des Heiz- Regelkreises 30 wird der Sensorwiderstand auf den vorgegebenen Sollwert geregelt. Dazu wird an der Anode 36 jeweils die aktuelle Spannung gemessen, deren Kehrwert proportional zum jeweiligen Istwert des Sensorwiderstandes ist, und die Heizung 12 mittels der Regel- und Steuereinrichtung 31 so geregelt, dass die Spannung an der Anode 36 und somit der Sensorwiderstand in der Tendenz konstant gehalten wird. Wie oben beschrieben wird für den Regelkreis 30 eine grosse Integrationszeit TN gewählt, sodass kurzzeitige Spannungsänderungen nicht ausgeregelt werden. Tritt z.B. impulsartig eine Konzentrationserhöhung eines reduzierend wirkenden Gases auf, so nimmt der Sensorwiderstand kurzzeitig ab, wodurch sich die Spannung an der Anode 36 erhöht. Liegt diese Spannung über dem Schwellenwert des ersten Komparators 40, wird an dessen Ausgang 43 ein Schaltsignal erzeugt. In entsprechender Weise wird ein Schaltsignal am Ausgang 53 des zweiten Komparators 50 erzeugt, wenn dessen Schwellenwert bei einer Absenkung der Spannung an der Anode 36 unterschritten wird aufgrund einer impulsartigen Konzentrationserhöhung eines oxidierend wirkenden Gases. Die vom Komparator 40 bzw. 50 erzeugten Schaltsignale können z.B. zur Steuerung einer Lüftungsanlage verwendet werden.
Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle einer analogen Schaltung gemäss Fig. 4 auch eine digitale Schaltung zu verwenden. Dazu wird das vom Sensor 10 gelieferte analoge Spannungssignal mittels eines A/D-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt und mit einer geeigneten logischen Schaltung oder auch einem Mikrocomputer ausgewertet .
Nebst den bereits erwähnten Vorteilen ist eine Regelung des
Sensorwiderstandes auf einen Sollwert auf dem Wege der geregelten Sensorheizung auch aus folgendem Grund vorteilhaft :
Die maximale Empfindlichkeit des Halbleiter-Sensors liegt für ein oxidierend wirkendes Gas bei Temperaturen, die eher unter der Normaltemperatur liegen. Für ein reduzierend wirkendes Gas hingegen wird die Empfindlichkeit bei Temperaturen maximal, die eher über der Normaltemperatur liegen. Wird z.B. der Sensor 10 mit Kohlenmonoxid CO begast, sinkt der Sensorwiderstand, sodass aufgrund der Regelung die Sensortemperatur ebenfalls gesenkt wird. Durch diese Gegenkopplung wird der Sensor 10 gegenüber Kohlenmonoxid unempfindlicher. Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, hat ein Halbleiter-Sensor typischerweise eine stark gekrümmte, exponentiell verlaufende Kennlinie 6 bzw. 7. Die eben erwähnte Gegenkopplung führt dazu, dass die Kennlinie 6 bzw. 7 tendenziell linearisiert wird. Damit erzeugen gleiche Änderungen in den Gaskonzentrationen in etwa gleiche
Änderungsbeträge des elektrischen Widerstandes, unabhängig davon, welche Grundbelastung an Schadstoffen aktuell auf den Sensor 10 einwirkt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Anordnung zeigt sich insbesondere bei grossen Umgebungstemperaturschwankungen. In technischen Realisierungen befinden sich die Sensoren 10 in Gehäusen. Fig. 6 zeigt schematisch ein Gehäuse 60, in welchem die Sensorwirkschicht 11, die über die Anschlüsse 11a und 11b mit der Messeinheit 18 verbindbar ist, und die Heizung 12, welche über die Anschlüsse 12a und 12b mit dem Heizungsregler 16 verbindbar ist, angeordnet ist. TaItlb bezeichnet die Umgebungstemperatur, T die Temperatur der Wirkschicht 11. Die Empfindlichkeit der Sensoren 10, insbesondere Halbleiter-Gassensoren, hängt von der Temperatur T ab. Eine optimale Arbeitstemperatur ist z.B. T = 350°C. Die Umgebungstemperatur Tamb ist in der Regel wesentlich kleiner und schwankt in der Praxis in grossen Bereichen, beispielsweise in Automobilen im Bereich von -40°C bis +150°C. Somit ist, wie in Fig. 6 durch den Doppelpfeil 61 dargestellt, ein Temperaturgradient zwischen Wirkschicht 11 und Umgebung bzw. der Wand des Gehäuses 60 vorhanden.
Würde nun gemäss den gängigen Verfahren die Heizung 12 mit konstanter Heizleistung betrieben, so käme es aufgrund des Temperaturgefälles 61 sowie Radiation und Konvektion im Gehäuse 60 zu erheblichen Abweichungen der Temperatur T der Wirkschicht 11. Dies könnte bis zum vollständigen Verlust der Empfindlichkeit bei Über- oder Unterschreitung bestimmter Temperaturgrenzen führen. Dieser Effekt wird hier durch Regelung des Wirkschichtwiderstandes R auf einen konstanten Sollwert verhindert .
Die hier beschriebenen Verfahren und Anordnungen sind mannigfaltig anwendbar. Sie können u.a. zur Detektion von Stoffen in der Luft, insbesondere von Schad- und/oder Geruchsstoffen, und/oder zur Steuerung von Klima- und/oder Lüftungsanlagen verwendet werden, wie sie in Kraftfahrzeugen, Gebäuden, Räumen, etc. vorzufinden sind. Insbesondere sind mit der Auswerteeinrichtung 19 Schaltimpulse erzeugbar, welche zur Ansteuerung von Umluftklappen in Klima- und/oder Lüftungsanlagen von Kraftfahrzeugen dienen.
Es können auch mehrere Sensoren 10 eingesetzt werden, die miteinander gekoppelt sind, um z.B. Messsignale von mehreren Orten miteinander vergleichen zu können.
Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist.
Wie oben erläutert, umfasst der Sensor 10 eine Wirkschicht 11, deren elektrischer Widerstand R ein Mass für die Stoffkonzentration C ist, und eine steuerbare Heizung 12, deren Heizleistung in Funktion des Widerstandes R veränderbar ist zur Regelung des Widerstandes R auf einen vorgegebenen Sollwert. Das vom Sensor 10 gelieferte Signal weist einen gegenüber den gängigen Methoden stark reduzierten Anteil von Stδrsignalen auf, die z.B. auf Änderungen in der Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit zurückzuführen sind. Um den Störsignalanteil noch weiter zu reduzieren, ist es denkbar, zusätzlich einen Temperatursensor zu verwenden. Fig. 7 zeigt eine Anordnung mit Sensor 10 und Regelkreis 30 sowie einen Temperatursensor 65, der mit der Auswerteeinrichtung 17 in Wirkverbindung steht und mittels welchem die Umgebungstemperatur wiederkehrend gemessen wird. Der Einfluss dieser Stδrgrösse, ist durch einen veränderlichen Widerstand 66 dargestellt, der auf den Heizungsregler 16 wirkt. Die vom
Temperatursensor 65 sowie Sensor 11 gelieferten Werte werden von der Auswerte- und Steuereinheit 17 verarbeitet, sodass ein Messsignal mit reduziertem Störanteil zur Verfügung steht .
Glossar:
C: Konzentration eines zu detektierenden Stoffes
Kp: Proportionalbeiwert des PI-Reglers R: elektrischer Widerstand des Sensors
T: Temperatur des Sensors
Tamb: Umgebungstemperatur
Tu: Integrierzeit des Regelkreises ppb: parts per billion (Milliardstel, 10"9) ppm: parts per million (Millionstel, 10"6)

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur Detektion von Stoffen mit mindestens einem Sensor (10) , dessen elektrischer Widerstand durch Einwirken eines zu detektierenden Stoffes veränderbar ist, gekennzeichnet durch einen Regelkreis (30) zum Regeln des elektrischen Widerstandes (11) auf einen vorgegebenen Sollwert .
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (30) eine steuerbare Heizung (12) umfasst .
3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (30) eine frei festgelegte Integrierzeit (TN) aufweist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine mit dem Sensor (10) verbundene Auswerteeinrichtung (19) zur Erzeugung von Steuersignalen.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein halbleitender Gassensor (10) ist und vorzugsweise eine Wirkschicht (11) aus Metalloxid aufweist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (30) eine mit der Wirkschicht (11) des Sensors (10) verbundene Messeinheit (18) und einen mit der Heizung (12) verbundenen
Heizungsregler (16) umfasst.
7. Verfahren zur Detektion von Stoffen mittels mindestens eines Sensors (10) , dessen elektrischer Widerstand (11) durch Einwirken eines zu detektierenden Stoffes veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet dass der elektrische Widerstand auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung langsamer erfolgt als die zu detektierenden Änderungen in der Stoffkonzentration.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des elektrischen
Widerstandes (11) durch Einwirken auf die Temperatur des Sensors (10) erfolgt. ,
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit der Wirkschicht (11) des
Sensors (10) thermisch gekoppelte Heizung (12) angesteuert wird zur Einwirkung auf die Temperatur der Wirkschicht .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung unsymmetrisch ist, sodass positive und negative Abweichungen des Istwertes vom Sollwert unterschiedlich ausgeregelt werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuersignal erzeugt wird, wenn der
Wert des elektrischen Widerstandes einen oberen Schwellenwert überschreitet und/oder einen unteren Schwellenwert unterschreitet .
13. Verwendung der Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 12 zur Steuerung einer Klima- und/oder Lüftungsanlage, insbesondere eines Kraftfahrzeuges, und/oder zur Detektion von Stoffen in der Luft, insbesonderehad- und/oder Geruchsstoffen.
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