DE3117790A1 - Verfahren und vorrichtung zur temperaturmessung bei sauerstoffsonden - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur temperaturmessung bei sauerstoffsondenInfo
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Description
Fd/Jä 22.U.1981
Robert Bosch GmbH, 7OOO Stuttgart 1
Verfahren und Vorrichtung zur Temperaturmessung bei Sauerstoffsonden
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Grenzstromsonden und Sauerstoffsonden
sind bereits aus vielen Veröffentlichungen
bekannt. Aus der DE-OS 27 UU 8UU ist es beispielsweise
bekannt, die Grenzstromsonde zur Erwärmung mit einer elektrischen Stromquelle zu verbinden und nach dem
Erreichen der vorgegebenen Temperatur von der Stromquelle auf eine Regeleinrichtung umzuschalten, die die
Temperatur des Sensors konstant hält. Zu diesem Zweck weist die Sonde einen Temperatursensor auf, mit dem
die Temperatur im Sondenbereich gemessen wird. Dieses Vorgehen hat den Nachteil, daß im Sondenbereich ein
weiterer Meßfühler erforderlich ist, der einerseits Platz beansprucht und andererseits elektrische Verbindungsleitungen
aufweisen muß. Dadurch wird die Zahl der Meßleitungen erhöht und die Grenzstromsonde läßt
sich nicht in ihren Abmessungen verringern.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Sonde selbst als Temperaturmeßvorrichtung
Verwendung findet. Zusätzliche Temperaturmeßfühler und Zuleitungen zu ihr sind nicht erforderlich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens möglich. So ist es vorteilhaft, die Amplitude
der Wechselspannung klein im Verhältnis zur Gleichspannung zu machen. Als besonders günstiger
Wert hat sich bei Grenzstromsonden eine Wechselspannungsamplitude von etwa 10 % der Gleichspannung erwiesen,
während bei X -Sonden.auch höhere Wechselspannungen
,vorteilhaft sind, soweit der maximale Strom durch die Sonde nicht überschritten wird. Günstig ist
es, wenn di*e Wechselspannung eine Frequenz von mehr als 1000 Hz aufweist. Weiterhin ist es vorteilhaft,
die gemessene Temperatur als Regelgröße zur Temperaturregelung der Sonde zu verwenden. Diese Maßnahme
hat den Vorteil, daß die Temperatur direkt an der Meßvorrichtung erfaßt wird.
Bei einer Vorrichtung zur Messung der Temperatur von Grenzstromsonden oder Sauerstoffsonden ist es vorteilhaft,
das Ausgangssignal, das sich durch die Speisung der Grenzstromsonde mit einer Wechselspannungsquelle
und einer Gleichspannungsquelle ergibt, mittels eines Hochpasses und eines Tiefpasses nach Wechsel- ui-i
Gleichanteil zu trennen. Dies ist eine einfache und
— β ~
leicht realisierbare Ausgestaltung der Vorrichtung. Als Strommeßvorrichtung eignet sich besonders ein
in Reihe mit den Spannungsq.uellen geschalteter Widerstand, an dem eine dem Strom proportionale Spannung
abfällt. Die Auswertung des gewonnenen Wechselspannungssignals erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß
das Ausgangssignal des Hochpasses einem Gleichrichter zugeführt ist. Das Ausgangssignal des Gleichrichters
ist mittels eines Meßinstrumentes darstellbar oder wird einer Regelvorrichtung zugeführt, an deren Ausgang
beispielsweise eine Heizvorrichtung zur Beheizung der Grenzstromsonde angeordnet ist. Durch die
letzere Maßnahme läßt sich die Betriebstemperatur der Grenzstromsonde auf einfache Art und Weise und ohne
zusätzliche Fühler und Meßleitungen konstant halten.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Meß- und Regelvorrichtung
zur Konstanthaltung der Temperatur nach der Erfindung, die Fig. 2 zeigt Diagramme zur Erläuterung
der Wirkungsweise der Erfindung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Aufbau und die Wirkungsweise von Grenzstromsonden ist beispielsweise in der DE-OS 27 11 880 ausführlich
beschrieben. Solche Sonden weisen einen zwischen zwei Elektroden liegenden ionenleitenden Festelektrolyten
auf, wobei die beiden Elektroden gasdurchlässig sind und mit einer Meßspannung beaufschlagt sind. Je nach
Sauerstoffgehalt in dem zu messenden Gas stellt sich
.Λ
dabei ein höherer oder niedriger Diffusionsgrenzstrom
ein, der wie das Wort sagt, durch die Diffusionsgeschwindigkeit
der ankommenden Sauerstoffmoleküle zu einer der Elektroden beschränkt ist. Sonden dieser
Bauart weisen bei einem bestimmten Sauerstoffgehalt im Abgas beispielsweise einer Brennkraftmaschine eine
Kennlinie gemäS Fig. 2a auf. Dort ist der an der Grenzstromsonde gemessene Strom in bezug zur anliegenden
Spannung dargestellt, wobei sich zeigt, daß bei einer bestimmten Sauerstoffkonzentration über
einen bestimmten Meßspannungsänderungsbereich der gemessene Strom konstant bleibt.
Grenzstromsonden müssen im aktiven Bereich auf Temperaturen zwischen 500° und TOO C erwärmt werden,
um den sogenannten Austauschstrom größer als den diffusionsbegrenzten Grenzstrom zu halten. Obwohl
die Grenzstromsonde in einem weiten Temperaturbereich von etwa 100° nahezu unbeeinflußt von der momentanen
Temperatur mißt, sind die Temperatur- und GeschwindigkeitsSchwankungen des Meßgases oft so
groß, daß die Temperatur an der Meßsonde kontrolliert und gegebenenfalls geregelt werden muß.
Die Grenzstromsonde ist nun ein Zweigrößensystem, dessen Ausgangsgröße, der Grenzstrom, sowohl auf Sauer
stoff änderungen als auch auf Spannungsänderung η anspricht.
Das dynamische Verhalten der Grenzstromsonde bezüglich Spannungsänderungen hängt sehr stark von
der Frequenz ab, mit der die Sonde spannungserregt wird. Bei niedrigen Frequenzen ist der r^^nzstrom im
Grenzstrombereich a unabhängig von Spannungsänderungen Mit zunehmender Frequenz stellen sich jedoch Stromänderungen
ein, die sich ab Frequenzen von etwa
6947
1 kHz an. proportional zu den angelegten Spannungsänderungen verhalten. Bildet man dann den sogenannten
Wechselstromwiderstand, so erweist sich dieser kleiner als der Gleichstromwiderstand des Elektrodensystems.
Dieser Wechselstromwiderstand R v ist temperaturabhängig
und verhält sich bei steigender Temperatur wie eine abklingende e-Funktion. Dies ist in Fig. 2b
dargestellt.
Der gleiche Effekt tritt auch bei weiteren Sauerstoffsonden auf, die Festelektrolyten aufweise:}, beispielsweise
der .A -Sonde, die in Bosch, Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, 18. Aufl, S. 275ff. ausführlich
beschrieben ist.
Dieser Umstand läßt sich nun dazu benutzen, um die Sondentemperatur im Meßzustand zu bestimmen und
gegebenenfalls die Sondenheizung so zu regeln, daß eine vorgegebene Solltemperatur eingehalten wird.
Zu diesem Zweck wird die Grenzstromsonde nicht nur mit einer Gleichspannungsquelle gespeist, sondern
es wird des weiteren eine Wechselspannungsquelle an die Grenzstromsonde oder · -Sonde angeschlossen.
Bei der Messung verändert dieser Wechselspannungsanteil den Gleichstrom in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration
nicht, da im Grenzstrombereich a Spannungsschwankungen keinen Einfluß haben. Der
Gleichstromanteil ändert sich daher durch das Hinzufügen einer Wechselspannungsquelle nicht, so daß das
Ausgangssignal wie üblich zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
verwendbar ist. Der Wechselstrom, dessen Größe nur durch den Wechselstromwiderstand
der Sauerstoffsonde bestimmt ist, ist nun getrennt herausfilterbar, wobei der fließende Strom ein Maß
69 4
für die Temperatur ist und zur Anzeige oder zur Regelung verwendbar ist. Die Amplitude der Wechselspannung
ist bei Grenzstromsonden durch die Größe des Grenzstrombereiches a begrenzt. Günstig haben sich Amplitudenwerte
der Wechselspannung in Größenordnung von etwa 10 % der Gleichspannung bewährt. Bei Lambda-Sonden
ist die Amp1itude der Wechelspannung im weiten
Bereich für wählbar und nur durch den maximalen Strom begrenzt, mit dem die Sonde belastbar ist. Die
Wechselspannung selbst weist vorteilhafterweise eine Frequenz von mehr als 1000 Hz auf, wobei sich
Frequenzen im Bereich von 5000 Hz gut bewährt haben.
Die Fig. 1 zeigt als Beispiel eine Regeleinrichtung zur Regelung der Temperatur einer Grenzstromsonde. Eine
Gleichspannungsquelle 1 und eine Wechselspannungsquelle
2 sind über einen Widerstand 3 mit einer Grenzstromsonde k verbunden und bilden einen geschlossenen
Stromkreislauf. An die beiden Enden des Widerstandes
3 ist ein Differenzverstärker 5 angeschlossen, dessen
Ausgang einerseits mit einem Tiefpaß 6, andererseits mit einem Hochpaß T verbunden ist. Dem Tiefpaß 6
folgt ein Meßinstrument 8. Dem Hochpaß 7 folgt ein Gleichrichter 9>
dessen Ausgang dem invertierenden Eingang einer als Differenzverstärker
ausgebildeten Regelschaltung 10 zugeführt ist. Der Sollwert wird beispielsweise mit einem nicht dargestellten
Potentiometer vorgegeben und dem nicht invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 10
zugeführt. Der Differenzverstärker 10 steuert mit oder ohne Endstufe einen Heizwiderstand 11 ϋ,ν der
zur Beheizung der Grenzstromsonde dient.
6947
Am Widerstand 3 fällt eine Spannung ab, die aus einem Gleichanteil und einem überlagerten Wechselanteil
besteht. Der Gleichanteil wird durch die Sauerstoffkonzentration an der Grenzstromsonde k bestimmt.
Der Wechselanteil wird durch den Wechselstromwiderstand der Grenzstromsonde U bestimmt, der temperaturabhängig
ist. Diese Spannung wird mittels des Differenzverstärkers 5 abgegriffen und verstärkt. Der
Tiefpaß 6 unterdrückt die Wechselanteile der Spannung am Widerstand 3. Der Tiefpaß ist dabei so ausgelegt,
daß die Frequenz der Wechselspannungsquelle 2 den Tiefpaß 6 nicht mehr passieren kann. Am Meßinstrument
8 steht daher eine Anzeige zur Verfügung, die der Sauerstoffkonzentration an der Grenzstromsonde
proportional ist. Der Hochpaß 8 ist so ausgelegt, daß der Gleichspannungsanteil nicht passieren kann.
Von ihm werden nur Wechselspannungssignale durchgelassen. Um die Anordnung störsicherer zu machen,
ist es ebenfalls möglich, anstatt eines Hochpasses einen Bandpaß zu verwenden, der nur die Frequenz
der Wechselspannungsquelle 2 passieren läßt. Das reine Wechselspannungssignal wird durch einen
Spitzenwertgleichrichter 9 gleichgerichtet, so daß das
Ausgangssignal am Gleichrichter 9 von der Temperatur abhängt. Dieses Signal dient zur Anzeige der Temperatur.
Durch den als Regelschaltung ausgebildeten Differenzverstärker 10 ist das Ausgangssignal des Gleichrichters
9 zur Regelung eines Heizwiderstandes 11 verwendbar. Das gleichgerichtete Wechselspannungssignal wird dabei
mit einem Sollwert verglichen und ein Heizwiderstand damit gesteuert, daß die Sondentemperatur konstant
bleibt. Temperatur- und Geschwindigkeitsschwankungen des Meßgases sind so ausgleichbar, so daß die Sondentemperatur
den zulässigen Bereich nicht verläßt.
Claims (1)
- R. 69 4 7Fd/Jä 22:U.1981Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1Ansprüche1. Verfahren zur Messung der Temperatur^von Grenzstromsonden, die von einer Gleichspannungsquelle gespeist werden oder von Sauerstoffsonden mit Festelektrolyt, deren Strom bzw. Spannung ein Maß für die Gaszusammensetzung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde(U) von einer Wechselspannungsquelle (2) gespeist wird und die Höhe des fließenden Wechselstromes ein Maß für die Temperatur der Sonde ist.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Grenzstromsonden die Amplitude der Wechselspannung kleiner als der Grenzstrombereich ist.3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Wechselspannung 10 % der Gleichspannung beträgt.k. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35 dadurch gekennzeichnet, daß di-. Wechselspannung eine Fi quenz von mehr als 1000 Hz hat... ...311.773069475. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Temperatur als Regelgröße zur Temperaturregelung der Sonde dient.6. Vorrichtung zur Messung der Temperatur von Grenzstromsonden mit einer Gleichspannungsquelle oder von Spannungsabgebenden Sauerstoffsonden mit einer Strommeßvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselspannungsquelle (2) vorgesehen ist, deren Ausgangs spannung der Gleichsspannungsquelle (1) überlagert ist und daß ein Hochpaß (7) und ein Tiefpaß (6) vorgesehen sind, die das von der Strommeßvorrichtung (3) aufgenommene Signal nach Gleich- und Wechselspannungsanteil trennen.7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßvorrichtung (3) als in Reihe mit den Spannungsquellen (1, 2) geschalteter Widerstand ausgebildet ist.8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Hochpasses (7) einem Gleichrichter (9) zugeführt ist.9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselstromsignal einer Regelvorrichtung (10) zugeführt ist, an deren Ausgang eine Heizvorrichtung (11) zur Beheizung der Grenzstromsonde (U) a geordnet ist.
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