DE10152606C1 - Verfahren zur Verringerung von Messfehlern und/oder Drifter-scheinungen an einem Gassensor sowie Schaltungsanordnung - Google Patents

Abstract

Bei resistiven Hochtemperatur-Metalloxid-Gassensoren, bei denen zwischen einem Heizelement (1) und einem Sensorelement (2) eine Schirmelektrode (3) angeordnet ist, tritt häufig das Problem auf, dass die Messwerte ungenau sein können. Insbesondere besteht als Folge von Leckströmen eine zeitabhängige Langzeitdrift, da das Potenzial der Schirmelektrode (3) auf einen konstanten Wert gehalten wird. Zur Vermeidung von Leckströmen zwischen der Schirmelektrode (3) und dem Sensorelement (2) wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zwischen dem Sensorelement (2) und der Schirmelektrode (3) einen Spannungsregler (8) zu schalten, der die Potenzialdifferenz (a) zwischen dem Sensorelement (2) und der Schirmelektrode (3) regelt. In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, entweder das Potenzial der Schirmelektrode (3) dem des Sensorelementes (2) anzupassen oder umgekehrt das Potenzial des Sensorelementes (2) an das der Schirmelektrode (3).

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verringerung von Messfehlern und/oder Drifterscheinungen an einem Gassen­ sor, wobei der Gassensor wenigstens ein Sensorelement aus re­ sistivem Metalloxid und ein temperaturgeregeltes Heizelement aufweist zwischen denen eine Schirmelektrode angeordnet ist, sowie von einer Schaltungsanordnung nach der Gattung der Ne­ bengeordneten Ansprüche 1 und 10. Es ist schon bekannt, dass bei immer mehr Anwendungen insbesondere in der Industrie und bei Kraftfahrzeugen Gassensoren verwendet werden, die insbe­ sondere für die Erfassung von Gasen oder Abgasen geeignet sind. Solche Sensoren bestehen üblicherweise aus einem hoch­ temperaturstabilen Substrat, beispielsweise Al₂O₃, auf dem das Sensorelement in Form eines Metalloxids aufgebracht ist. Des weiteren ist auf dem Substrat ein Heizelement angeordnet, mit dem das Sensorelement auf eine vorgegebene hohe Tempera­ tur, beispielsweise 850°C, aufgeheizt wird. Zwischen den bei­ den Elementen wird eine Schirmelektrode angeordnet, die den Einfluss von Leckströmen verringern soll. Ebenso kann das Sensorelement aus beliebigen anderen Formen von sensitiven Elementen bestehen, deren Signal durch Leckströme negativ be­ einflusst werden kann. Beispielsweise Festelektrolyt- Pumpsonden oder Nernstsonden sowie Kombinationen von unter­ schiedlichen oder gleichartigen Sensorelementen. Auf dem Substrat können weitere Einrichtungen wie Festelektrolyt- Sauerstoffpumpen (beispielsweise ZrO₂, Y-dotiert) zur Rege­ lung der O₂-Konzentration am Sensor und zur Reduktion von O₂- Querempfindlichkeiten angeordnet sein.

Das Sensorelement ist ein kritisches Messteil, da der Messef­ fekt auf Interaktionen zwischen den Gasmolekülen, die über das Sensorelement strömen und dem Sensormaterial beruht. Da­ bei müssen kleinste elektrische Messeffekte detektiert wer­ den. Diese Messeffekte werden jedoch von Leckströmen, die von dem Heizelement oder der Sauerstoffpumpe verursacht werden und durch das heiße Substrat am Sensorelement ankommen, ge­ stört. Diese Leckströme können auch zu sogenannten Polarisa­ tionseffekten am Sensorelement führen, so dass zusätzlich zu den entstehenden Messfehlern das Langzeitverhalten des Gas­ sensors insbesondere auch von den meistens unipolar geführten Leckströmen beeinflusst wird, da das Heizelement beziehungs­ weise die Sauerstoffpumpe mit Hilfe eines pulsweitenmodulier­ ten Leistungssignals (PWM-Signal) unipolar betrieben wird.

Zum Schutz des Sensorelementes gegen den Einfluss der obenge­ nannten Leckströme wurde beispielsweise in der Offenlegungs­ schrift EP 0125069 A1 vorgeschlagen, das Heizelement bezie­ hungsweise die Sauerstoffpumpe physikalisch von dem Sensorbe­ reich mit Hilfe von einer oder mehreren Schirmelektrode zu trennen. Die Schirmelektrode wird dabei an eine Spannungs­ quelle mit sehr niedrigem Ausgangswiderstand, beispielsweise < 10 Ω, angeschlossen, so dass die Leckströme von der Schirm­ elektrode eingefangen und in der Spannungsquelle abgeleitet werden. Dabei wird angestrebt, dass das Potenzial über die gesamte Fläche der Schirmelektrode konstant gehalten wird. Die Spannungsquelle wird daher nicht geregelt, sondern lie­ fert das konstante Potenzial für die Schirmelektrode.

Bei einem derartigen Verfahren besteht das Problem, dass die Leitfähigkeit der verwendeten Elektrodenfläche für die Schirmelektrode, die als dünne Platinschicht hergestellt ist, relativ beschränkt ist. Die Leitfähigkeit kann nicht beliebig verbessert werden, da aus Herstellungs- und Kostengründen die Schichtdicke nicht beliebig erhöht werden kann. Dies führt zu einem erhöhten Innenwiderstand für den Stromkreis, der aus der Schirmelektrode und der Spannungsquelle gebildet wird, so dass ein Teil der Leckströme durch eine lokale Potenzialvari­ ation an der Schirmelektrode doch noch zum Sensorelement fließt. Dies ist möglich, weil für die Messung des Gassignals ein weiteres Sensorelement als Referenzelement benutzt wird, das ebenfalls an die Spannungsquelle mit niedrigem Ausgangs­ widerstand angeschlossen wird. Die Schutzwirkung der Schirm­ elektrode kann dadurch stark eingeschränkt werden. Im Extrem­ fall kann der Gassensor für manche Applikationen nicht mehr verwendet werden, da die Messfehler und auch die Langzeit­ drift der Messsignale zu große Werte einnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung von Messfeh­ lern und/oder Drifterscheinungen an einem Gassensor mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 hat demgegenüber den Vorteil, dass zwischen dem Sensorele­ ment und der Schirmelektrode ein Spannungsregler geschaltet ist, der das Potenzial zwischen dem Sensorelement und der Schirmelektrode regelt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise in allen Betriebsbedingungen das Potenzial der Schirmelektro­ de nachgeregelt werden, so dass der Leckstrom vom Heizelement oder der Sauerstoffpumpe nicht auf das Sensorelement gelangen kann. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass die Schirmelektrode nicht - wie bisher bekannt - an einem von einer Ansteuerelektronik fest vorgegebenen Potenzial liegt, sondern dass das tatsächliche Potenzial der Schirmelektrode gemessen und für die Auswertung des Gasmesswertes berücksich­ tigt wird. Durch dieses Verfahren ist eine Kompensation der Leckströme nicht erforderlich, denn die Steuerung verhindert, dass überhaupt ein Leckstrom zum Sensorelement entstehen kann.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass der Spannungsregler die Potenzialdifferenz zwischen der Schirmelektrode und dem Sensorelement auf 0 Volt regelt. Wegen der fehlenden Span­ nungsdifferenz wird die Ausbildung eines Leckstroms vermie­ den.

Eine günstige Lösung wird auch darin gesehen, dass bei einer Schirmelektrode mit einem nicht signifikanten Flächenwider­ stand der Spannungsregler eine regelbare Spannungsquelle steuert, die mit der Schirmelektrode verbunden ist. Durch dieses Regelungsverfahren gelingt es auf einfache Weise, die nach den oben genannten Gesichtspunkten vorgegebenen Bedin­ gungen einzustellen.

Um die Potenzialdifferenz zwischen dem Sensorelement und der Schirmelektrode auf 0 Volt regeln zu können, wird vorzugswei­ se die Spannungsquelle für die Schirmelektrode auf einen Wert geregelt, der ungleich dem Potenzial des Sensorelementes ist. Dadurch können Widerstände und Spannungsabfälle auf den Zu­ leitungen wirkungsvoll kompensiert und das Potential dann un­ abhängig von den fließenden Leckströmen nachgeregelt werden.

Um Einflüsse auf den Zuleitungen zum Sensorelement zu vermei­ den, wird vorteilhaft ein zweiter Anschluss an der Schirm­ elektrode vorgesehen, an dem das Potenzial der Schirmelektro­ de abgegriffen wird. Dieser Abgriff erfolgt vorzugsweise hochohmig, so dass über diesen Abgriff keine weiteren nachteilige Einflüsse auf den Zuleitungen zum Sensorelement auftreten können.

Alternativ wird bei einer Schirmelektrode mit einem signifi­ kanten Flächenwiderstand eine günstige Lösung zur Verhinde­ rung von Leckströmen auch darin gesehen, dass der Spannungs­ regler einen Sensorgenerator steuert, der mit dem Sensorele­ ment verbunden ist. Der Sensorgenerator ist als steuerbare Spannungsquelle ausgebildet, die das Potenzial des Sensorele­ mentes bezüglich des Massepunktes des Heizelementes steuert. Der Spannungsregler bestimmt die Messgröße (Spannung) zwi­ schen zwei Messpunkten und legt in Abhängigkeit vom Messwert an zwei Stellpunkten eine Spannung an mit dem Ziel, dass an den beiden Messpunkten eine vorgegeben Sollspannung erreicht wird. Beim Erfindungsgegenstand bildet der Massepunkt des Heizelementes den einen Stellpunkt. Als die beiden Messpunkte werden der Anschluss der Schirmelektrode und einer der beiden Sensoranschlüsse verwendet. Dadurch kann das Potenzial des Sensorelementes auf das Potenzial der Schirmelektrode nachge­ regelt werden. Die Schirmelektrode liefert also das Referenz­ potenzial. Wegen der fehlenden Potenzialdifferenz können sich dann keine Leckströme ausbilden.

Eine weitere vorteilhafte Schutzmaßnahme gegen die Bildung von Leckströmen wird auch darin gesehen, die Schirmelektrode großflächiger auszubilden als das Sensorelement. Insbesondere durch überstehende Ränder der Schirmelektrode können sich hier sehr viel schwerer Leckströme bilden als bei einer klei­ neren Schirmelektrode.

Eine einfache Lösung für einen Spannungsregler wird in einer Zwei-Punkt, P-, I- PI- PID-, Fuzzy-Regelung oder in einer Re­ gelung mit einem digitalen Algorithmus angesehen, da derarti­ ge Regler zuverlässig arbeiten und kostengünstig herstellbar sind.

Ein besonderer Vorteil wird bei der erfindungsgemäßen Schal­ tungsanordnung auch darin gesehen, dass das Messgerät den ak­ tuellen Widerstand des Sensorelementes ohne Beeinflussung durch den Regelvorgang des Sensorpotenzials misst. Dadurch wird die Messgenauigkeit vorteilhaft verbessert, da der Ein­ fluss der Potenzialregelung des Sensorelementes vermieden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für einen Gassensor beziehungsweise eine Schaltungsanordnung an­ zugeben, bei dem Messfehler und/oder eine Langzeitdrift der Messwerte reduziert werden. Diese Aufgabe wird mit den Merk­ malen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 10 gelöst.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung nä­ her erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Gassensor, bei dem nach idealisierten Vorstellungen eine vollständige Kompensation eines Leckstromes an der Schirmelektrode durch­ geführt wird.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen bekannten Gassensor, bei dem eine nur teilweise Kompensation des Leck­ stromes an der Schirmelektrode erzielt wird.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit verbesserter Leckstromkompensation beziehungsweise -ver­ hinderung.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Leck­ stromkompensation und

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Regelungsein­ richtung.

Um die Problematik der Kompensation beziehungsweise der Ver­ meidung von Leckströmen zu erläutern, wird zunächst bei der schematischen Darstellung der Fig. 1 ein Gassensor darge­ stellt, bei dem die Kompensation des Leckstromes mit einer perfekten Schirmelektrode erzielt werden könnte. Das per se bekannte Sensorelement 2 ist zusammen mit einem Heizelement 1 und einer dazwischen angeordneten Schirmelektrode 3 auf einem Trägersubstrat aufgebracht. Das Sensorelement 2 ist bei rea­ ler Ausgestaltung aus mehreren Teilsegmenten aufgebaut, bei­ spielsweise kann ein Teilsegment als Referenzelement ausge­ bildet sein. Natürlich können neben dem Heizelement 1 auch weitere Elemente wie eine Sauerstoffpumpe vorgesehen werden.

Das Sensorelement 2 wird von einem Sensorgenerator 12 mit dem Sensorpotenzial Um und dem Innenwiderstand Ri gespeist. Des weiteren weist das Sensorelement 2 zwei Sensoranschlüsse 4, 5 auf, über die an einem Messgerät 6 der Messwert - bei der De­ tektion eines Gases insbesondere die Änderung eines Wider­ standes des Sensorelementes 2 - erfasst und/oder auch ausge­ wertet wird. Mit dieser Anordnung des Messgerätes 6 wird vor­ teilhaft erreicht, dass der Sensorwiderstand unabhängig vom Regelvorgang des Sensorpotenzials gemessen wird.

Ein Heizungsregler 9 versorgt in einem zusätzlichen Strom­ kreis das Heizelement 1 beziehungsweise die Sauerstoffpumpe. Der Heizungsregler 9 ist beispielsweise mit einer Stromquelle und entsprechenden Regeleinrichtungen ausgebildet und kann mit einem PWM-Signal (pulsweitenmoduliertes Signal) auf eine vorgegebene Temperatur so geregelt werden, dass das Sensor­ element 2 auf eine konstante Temperatur von circa 850°C ge­ heizt wird.

Des weiteren ist eine Spannungsquelle 10 vorgesehen, mit der die Schirmelektrode 3 ebenfalls auf das feste Potenzial Um eingestellt wird. Durch diese beiden Potenziale Um der Span­ nungsquelle 10 und des Sensorgenerators 12 bildet sich zwi­ schen dem Sensorelement 2 und der Schirmelektrode 3 kein Spannungspotenzial aus, so dass die Potenzialdifferenz a 0 Volt beträgt. Es wird angenommen, dass in diesem Fall eine ideale Schirmelektrode 3 verwendet wird. Das bedeutet, dass die Schirmelektrode 3 keinen Innenwiderstand besitzt und dass ihre Abmessungen eine komplette Abdeckung des Sensorelementes 2 erlauben. Des weiteren wird angenommen, dass die ange­ schlossene Elektronik in der Lage ist, das Potenzial b der Schirmelektrode 3 auf einen konstanten Wert, nämlich auf den Wert Um, zu halten. In diesem Fall können keine Leckströme Ileck von der Schirmelektrode 3 zum Sensorelement 2 fließen, da die Potenzialdifferenz a 0 Volt beträgt. Um dieses zu er­ reichen, soll das Mittelpotenzial des Sensorelementes 2 und das Schirmpotenzial den gleichen Wert, in diesem Fall b = Um besitzen. Der Doppelpfeil zwischen dem Heizelement 1 und der Schirmelektrode 3 soll die Bildung des Leckstromes Ileck an­ deuten, der von der Spannungsquelle 10 absorbiert wird.

In der Praxis sind die oben beschriebenen Verhältnisse leider bisher nicht erreicht worden. Fig. 2 zeigt die gleiche An­ ordnung eines realen Gassensors, der ähnlich aufgebaut ist, wie er zuvor zu Fig. 1 beschrieben wurde. Im Unterschied zu Fig. 1 deckt die Schirmelektrode 3 jedoch nicht vollständig die ganze Fläche des Sensorelementes 2 ab. Dadurch können die Leckströme direkt vom störenden Heizelement 1 beziehungsweise der Sauerstoffpumpe zum Sensorelement 2 fließen. Dieses ist durch die Pfeilspitzen am rechten Rand des Sensorelementes 2 angedeutet. Des weiteren ist die Platinschicht der Schirm­ elektrode 3 nicht homogen ausgebildet, so dass sie eine be­ stimmte Porosität aufweist. Dadurch entstehen Löcher in der Oberfläche der Schirmelektrode 3, durch die ebenfalls die Leckströme in das Sensorelement 2 gelangen können.

Ein weiteres Problem einer realen Schirmelektrode besteht darin, dass die Schirmelektrode 3 einen gewissen Innenwider­ stand aufweist, der in dem Innenwiderstand Ri2 symbolisch zu­ sammengefasst ist. Ein weiteres Problem besteht auch darin, dass sich durch die Anwesenheit des gesamten Leckstroms in der Anschlussleitung der Schirmelektrode 3 das Potenzial an der Fläche der Schirmelektrode selbst ändert. Dies führt e­ benfalls zu einer Potenzialdifferenz a zwischen dem Sensor­ element 2 und der Schirmelektrode 3, durch die indirekte Leckströme entstehen können.

Insbesondere für Polarisationsströme sehr empfindliche Senso­ ren, wie dies beispielsweise bei resistiven Metalloxid- Gassensoren der Fall ist, können diese Probleme zu hohen Sig­ nalverfälschungen führen. Der Messfehler, der von dem Messge­ rät 6 erfasst wird, ist nicht unbedingt so relevant, viel mehr kommt eine Langzeitdrift der Messsignale zum Tragen, die erst nach mehreren Minuten oder Stunden in Erscheinung tritt.

Um die obengenannten Nachteile zu vermeiden, wird erfindungs­ gemäß in Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel dargestellt, das insbesondere bei Schirmelektroden mit einem kleinen, nicht signifikanten Innenwiderstand Anwendung finden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 3 ist eine Spannungsregelung vorgesehen, mit der das Potenzial Us der Schirmelektrode 3 nicht konstant gehalten wird, sondern auf einen Wert geregelt wird, der von dem augenblicklichen Sen­ sorpotenzial Um des Sensorelementes 2 abhängt. Dadurch kann sich zwischen dem Sensorelement 2 und der Schirmelektrode 3 kein Leckstrom ausbilden, was durch die dargestellten Strom­ pfeile veranschaulicht werden soll. Dieses Ausführungsbei­ spiel lässt sich auch immer dann einsetzen, wenn die Leck­ stromprobleme auf den Zuleitungswiderstand (Innenwiderstand Ri2) zur Elektrode selbst zurückzuführen sind.

Bei hohen Leckströmen, beispielsweise in dem Fall, wenn das Substrat teilweise leitend ist, wie das bei ZrO₂ und einer dünnen Al₂O₃-Schicht von 50 µm bei 850°C der Fall ist, kann das tatsächliche Potenzial der Schirmelektrode 3 mit Hilfe eines Schirmanschlusses 11 der Schirmelektrode 3 gemessen werden. Wie nachfolgend näher erläutert wird, kann das Poten­ zial des Schirmanschlusses 11 dann unabhängig von den flie­ ßenden Leckströmen nachgeregelt werden.

Im folgenden wird der Aufbau und die Wirkungsweise dieser An­ ordnung näher erläutert. Ausgehend von der Schaltungsanord­ nung der Fig. 2 wird im Fall der Fig. 3 ein Spannungsregler 8 so geschaltet, dass seine beiden Eingänge mit einer An­ schlussklemme 4 des Sensorelementes 2 beziehungsweise mit dem Schirmanschluss 11 verbunden werden. Diese beiden Eingänge greifen somit das jeweilige Potenzial der beiden Einheiten 3, 2 ab. Der Ausgang des Spannungsreglers 8 ist mit einem Re­ geleingang der Spannungsquelle 10 verbunden. In diesem Fall ist die Spannungsquelle 10 regelbar ausgebildet und kann eine Ausgangsspannung Uc liefern, die ungleich dem Sensorpotenzial Um ist. Die Spannung Uc wird dabei vorzugsweise so geregelt, dass die Potenzialdifferenz zwischen der Schirmelektrode 3 und dem Sensorelement 0 Volt wird, so dass der Leckstrom I­ leck ebenfalls 0 ist.

Wie oben erwähnt, ist dieser Lösungsvorschlag im wesentlichen nur in solchen Fällen anwendbar, bei dem der Flächenwider­ stand der Schirmelektrode 3 relativ klein, das heißt nicht signifikant ist. Bei Schirmelektroden 3 mit einem signifikan­ ten Flächenwiderstand liefert die in Fig. 4 beschriebene al­ ternative Lösung bessere Ergebnisse. Hier wird die Schirm­ elektrode 3 nicht von einer regelbaren Spannungsquelle, wie in Fig. 3 beschrieben wurde, gesteuert. Vielmehr regelt ge­ mäß Fig. 4 der Spannungsregler 8 einen steuerbaren Sensorge­ nerator 12, der über den Sensoranschluss 4 das Sensorelement 2 auflädt. Der Sensorgenerator 12 liefert das Sensorpotenzial Um, das über den Widerstand 13 an einem Sensor-Messanschluss 14 als Messspannung Umess abgreifbar ist. Des weiteren ist der Spannungsregler 8 mit seinem zweiten (-) Eingang mit ei­ nem Schirmanschluss 11 der Schirmelektrode 3 verbunden. Auf diese Weise wird das Schirmpotenzial Us zwischen der Schirm­ elektrode 3 und dem Sensorelement 2 erfasst und kann entspre­ chend auf 0 Volt nachgeregelt werden.

Dieser Schaltungsanordnung liegt die Überlegung zu Grunde, dass sich das Potenzial Us der Schirmelektrode 3 im wesentli­ chen durch die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Leistungselementen (Heizelement 1 beziehungsweise Sauerstoff­ pumpe) und der Schirmelektrode 3 einstellt. Dieses Potenzial wird von dem Spannungsregler 8 eingelesen und gilt dann als Potenzialdifferenz des Gassensors. Dadurch wird das Fließen von sekundären Leckströmen, also den Leckströmen zwischen dem Sensorelement 2 und der Schirmelektrode 3 verhindert. Die di­ rekten primären Leckströme, also Leckströme zwischen dem Heizelement 1 und der Schirmelektrode 3, wie sie in Fig. 4 durch die kleinen Pfeile symbolisch gekennzeichnet sind, wer­ den jedoch nicht verhindert.

Um ein Übertreten der Leckströme auf das Sensorelement 2 zu verhindern, muss die Schirmelektrode 3 großflächiger ausge­ bildet sein als das Sensorelement 2.

Um sicherzustellen, dass keine Leckströme zum Sensorelement 2 gelangen können, wird gemäß Fig. 4 das Potenzial Umess des Sensorelementes 2 auf das Potential Us der Schirmelektrode 3 geregelt. Dabei hat die Höhe des Potenzials Us der Schirm­ elektrode 3 keinen Einfluss auf den Regelvorgang.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Stromlaufplan für den Spannungsregler 8. Im linken Teil der Schaltungsanordnung ist der Gassensor (Sensorelement 2) schematisch als veränder­ licher Widerstand mit seinen Sensoranschlüssen 4, 5 darge­ stellt, der beispielsweise als HC-Sensor ausgebildet sein kann. Derartige Sensoren werden beispielsweise in Industrie­ anlagen für Gas-, Rauch- oder Abgasmessungen und auch bei Kraftfahrzeugen verwendet.

Das Sensorelement 2 wird mit einer konstanten Messspannung Umess beaufschlagt und mit einem Ohmmeter der durch das Sen­ sorelement 2 fließende Strom gemessen, wie in Fig. 4 in der Übersicht dargestellt ist. Der Einfluss des Schirmpotenzials Us auf den Wert des Messsignals Umess wird erheblich verrin­ gert, da er im wesentlichen von der Gleichtaktunterdrückung (CMRR, common mode rejection ratio) des verwendeten Operati­ onsverstärkers und von seiner Offsetspannung abhängig ist.

Bezüglich des Schaltungsaufbaus ist ein erster Operationsver­ stärker 60 vorgesehen, der mit seinem Ausgang für den gesam­ ten Messzweig eine künstliche Masse bildet, an die die kalte Elektrode (Sensoranschluss 5) des Sensorelementes 2 ange­ schlossen ist. Der erste Operationsverstärker 60 ist mit ei­ nem Eingang an dem Schirmanschluss 11 der Schirmelektrode 3 Fig. 4) angeschlossen, sein zweiter Anschluss ist über zwei Widerstände 56 mit dem Anschluss 14 des Sensorelementes 2 verbunden (Fig. 4). Der Operationsverstärker 60 liefert so­ mit in Form einer gepufferten Spannung das Potential Us von der Schirmelektrode 3.

Der "heiße" Sensoranschluss 4 des Sensorelementes 2 ist auf einen Operationsverstärker 51 geführt, der mit seinem Gegen­ kopplungswiderstand 53 als Ohmmeter mit konstanter Messspan­ nung Umess geschaltet. An seinem Ausgang ist die Spannung (U­ mess)(1 + Rmess/Rsensor) abgreifbar. Die Messspannung Umess entspricht der Steuerspannung am Sensorelement 2, wobei über einen dritten Operationsverstärker 58, der mit den Widerstän­ den 56, 57 als Addierer geschaltet ist, die Schirmspannung Us an den beiden Sensoranschlüssen 4, 5 aufaddiert wird.

Ein vierter Operationsverstärker 54, an dessen beiden Eingän­ ge jeweils zwei als Spannungsteiler gegen Masse geschalteten Widerständen 52 angeordnet sind, dient als Differenzierer und liefert das gassensitive Signal Umess (Rmess/Rsensor) an einen Ausgang 61, wo es für die weitere Verwertung zur Verfügung steht. Des weiteren ist ein Widerstand 52 als Gegenkopplungs­ widerstand geschaltet.

Wie aus der obigen Formel ersichtlich ist, ist das Signal li­ near von der Leitfähigkeit des Sensorelementes 2 abhängig, nicht aber von der Schirmspannung Us. Zu beachten ist jedoch, dass die Versorgungsspannung aller Operationsverstärker grö­ ßer oder gleich sein muss als die verwendeten Spannungen für das Heizelement 1 oder die Sauerstoffpumpe, da das Potenzial der Schirmelektrode 3a priori nicht bekannt ist.

Claims (13)

1. Verfahren, zur Verringerung von Messfehlern und/oder Drift­ erscheinungen an einem Gassensor, der mindestens ein Sensor­ element (2) aus resistivem Metalloxid aufweist, mit Sensoran­ schlüssen (4, 5), an denen ein Messwert abgegriffen wird, ei­ nem temperaturgeregelten Heizelement (1) sowie einer dazwi­ schen angeordneten Schirmelektrode (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Potenzial zwischen dem Sensorelement (2) und der Schirm­ elektrode (3) über einen Spannungsregler (8) geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (8) die Potenzialdifferenz zwischen der Schirmelektrode (2) und dem Sensorelement (2) auf 0 Volt re­ gelt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schirmelektrode (3) mit einem nicht signifikanten Flächenwiderstand der Spannungsregler (8) eine regelbare Spannungsquelle (10) steuert, die mit der Schirmelektrode (3) verbunden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (8) die Spannung Uc der regelbaren Span­ nungsquelle (10) so regelt, dass das Schirmpotenzial Us stets dem Sensorpotenzial Um entspricht, wobei Uc ≠ Um.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (8) das Schirmpotenzial Us an einem zwei­ ten Anschluss (11) der Schirmelektrode (3) erfasst.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Schirmelektrode (3) mit einem signifikanten Flä­ chenwiderstand keine externe Spannungsquelle an die Schirm­ elektrode (3) angelegt wird und dass der Spannungsregler (8) einen Sensorgenerator (12) steuert, der mit dem Sensorelement (2) verbunden ist (Fig. 4).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (8) das Potenzial (Um) des Sensorelemen­ tes (2) auf den Wert der Schirmelektrode (3) nachregelt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schirmelektrode (3) großflächiger ausgebildet ist als das Sensorelement (2).

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (8) als Zweipunktregler, P-, I-, PID-, Fuzzy-Regler oder als Regler mit digitalen Algorithmen ausge­ bildet ist.

10. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Sensorelement (2) und einem Heizelement (1), zwischen denen eine Schirm­ elektrode (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spannungsregler (8) vorgesehen ist, der über eine regel­ bare Spannungsquelle (10) oder einen regelbaren Sensorgenera­ tor (12) das Potenzial zwischen dem Sensorelement (2) und der Schirmelektrode (3) regelt.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (8) ausgebildet ist, das Potenzial (Us) der Schirmelektrode (3) auf das Potenzial (Um) des Sensorele­ mentes (2) nachzuregeln.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (8) ausgebildet ist, das Potenzial (Um) des Sensorelementes (2) auf das Potenzial (Us) der Schirm­ elektrode (3) nachzuregeln.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass an den Sensorelektroden (4, 5) ein Messgerät (6) angeschlos­ sen ist, und dass das Messgerät (6) ausgebildet ist, den Sen­ sorwiderstand unabhängig vom Regelvorgang des Sensorpotenzi­ als zu messen.