Sensoranordnung, Messverfahren sowie Computerprogrammprodukt Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, die mit einer minimalen Anzahl von Anschlussleitungen mindestens zwei Widerstandsheizungen für Multi-Gassensoren mit Strom versorgen und die Temperatur im Bereich der Widerstandsheizungen mit guter Genauigkeit ermitteln kann.

Gassensoren sind aus vielen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Eine besondere Rolle spielen dabei Gassensoren für Brennerabgase. Diese sind essentiell für die Schadstoffausstoßop ^¬ timierte Regelung des Verbrennungsprozesses. Ohne funktionie- rende Gassensoren wäre aufgrund von stets strenger werdender Umweltauflagen der Betrieb vieler Verbrennungskraftmaschinen, vieler Kraftwerksanlagen und vieler Anlagen der chemischen Industrie nicht möglich. Gassensoren arbeiten in der Regel erst bei höheren Temperaturen optimal. Bestimmte CO-Sensoren beispielsweise arbeiten optimal bei Betriebstemperaturen um 500 °C, bestimmte 0 ₂ ^_ Sensoren hingegen bei Betriebstemperaturen um 700°C. Sollen nun ein CO-Sensor und ein 02-Sensor als Multi-Gassen- sor in integrierter Bauform ausgeführt werden, besteht das Problem, dass zwei Heizungen mit entsprechenden Regelungen benötigt werden, um die verschiedenen Sensoren jeweils im optimalen Temperaturbereich zu betreiben.

Genauer gesagt wird für eine Temperaturregelung eines solchen Doppel-Sensors in der Regel folgendes benötigt: eine elektri ^¬ sche Widerstandsheizung für jeden Sensor, von der aus jeweils 2 Drähte in den Anschlussbereich des Sensors geführt werden müssen sowie je ein Temperatursensor, von dem aus ebenfalls jeweils 2 Drähte in den Anschlussbereich des Sensors geführt werden müssen. Allerdings wäre es, soweit aus Platzgründen überhaupt mög ^¬ lich, höchst unwirtschaftlich, im Zusammenhang mit den verhältnismäßig kleinen Gassensoren noch Temperatursensoren in die integrierte Bauform, beispielsweise eine Sensorplatte, zu einzubetten.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Sensoranordnung anzugeben, die mit einer minimalen Anzahl von Anschlussleitungen mindestens zwei Widerstandshei- zungen für Multi-Gassensoren mit Strom versorgen und die Temperatur im Bereich der Widerstandsheizungen mit hinreichender Genauigkeit ermitteln kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensoranordnung, die folgendes aufweist:

- einen ersten Sensor, der durch einer erste Widerstandsheizung beheizbar ist

- einen zweiten Sensor, der durch eine zweite Widerstandsheizung beheizbar ist;

- einen ersten elektrischen Leiter, an den jeweils ein Pol beider Widerstandsheizungen angeschlossen ist und an einem ersten Anschluss aus der Anordnung herausgeführt ist;

- einen zweiten elektrischen Leiter, an den der andere Pol der ersten Widerstandsheizung angeschlossen ist und an einem zweiten Anschluss aus der Anordnung herausgeführt ist;

- einen dritten elektrischen Leiter, an den der andere Pol der zweiten Widerstandsheizung angeschlossen ist und an einem dritten Anschluss aus der Anordnung herausgeführt ist. Eine derartige Sensoranordnung erlaubt es, mit nur drei An ^¬ schlüssen zwei Widerstandsheizungen zu betreiben und unter Ausnutzung eines bekannten Zusammenhangs zwischen Temperatur und ohmschem Widerstand der Heizungen alternierend mit Heiz ^¬ zyklen Messzyklen durchzuführen, während derer die Wider- standswerte ermittelt werden, aus denen die Temperaturen der Sensoren ermittelt werden. Aus diesen Informationen werden dann die während des nächsten Heizzyklus anzulegenden Spannungen bzw. die einzuspeisenden Ströme ermittelt. Für die Ermittlung der Widerstandswerte während eines Mess ^¬ zyklus werden folgende Schritte ausgeführt:

- Anlegen einer bekannten ersten Spannung Ui zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss während der dritte Anschluss offen oder hochohmig bleibt;

- Messen einer zweiten Spannung U2 zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss;

- Ermitteln des durch den ersten Anschluss fließenden Stroms I; sowie

- Berechnen des Widerstandswertes R _H i der ersten Widerstands ^¬ heizung gemäß folgender Formel

U _t - 2 - U ₂

H1 - j '

sowie:

- Anlegen einer bekannten ersten Spannung U2 zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss während der zweite Anschluss offen oder hochohmig bleibt;

- Messen einer ersten Spannung Ui zwischen dem ersten An- schluss und dem zweiten Anschluss;

- Ermitteln des durch den ersten Anschluss fließenden Stroms I; sowie

- Berechnen des Widerstandswertes R _H 2 der zweiten Wider ^¬ standsheizung gemäß folgender Formel

Dabei wird vereinfachend angenommen, dass die (ebenfalls tem ^¬ peraturabhängigen) Widerstandswerte der genannten elektri- sehen Leiter (die auch als Elektroden bezeichnet werden können) identisch sind.

In Ausgestaltungen können zusätzliche Messleitungen vorgesehen werden, insbesondere dann, wenn die Annahme identischer Widerstandswerte der elektrischen Leiter / Elektroden unzutreffend ist und zu stark fehlerbehafteten Messungen führt. Mithilfe dieser Messleitungen wird der Einfluss der Widerstände der elektrischen Leiter, an denen die Messspannung während der Messvorgänge angelegt wird, eliminiert. Da diese Messleitungen nur der Spannungsmessung dienen, spielt ihr ei- gener Widerstand praktisch keine Rolle. Diese Messleitungen können vorteilhaft mit sehr geringem Querschnitt ausgeführt werden .

Im Folgenden werden Vorteile und weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Sensorplatine mit zwei Gassensoren;

Figur 2 ein Ersatzschaltbild der Anordnung der Figur 1; und Figur 3 ein Prinzipschaltbild einer um Messleitungen ergänzten Anordnung gemäß Figur 1.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Form eines Multi- Gassensors 100 mit zwei Gassensoren 141, 142. Derartige Gas ^¬ sensoren werden, wie eingangs bereits erläutert, in der Pra ^¬ xis häufig auf einer gemeinsamen Platine aufgebracht, um kleinstmögliche Bauformen zu erreichen. Dem ersten Sensor 141 zugeordnet ist eine erste Widerstands ^¬ heizung 140; dem zweiten Sensor 142 zugeordnet ist eine zwei ^¬ te Widerstandsheizung 150. Fließt ein Strom durch die Widerstandsheizungen 140, 150, erwärmen sich diese. Mit der Temperatur ändert sich auch der elektrische Widerstand der Heizungen 140, 150. Diesen Effekt macht sich die vorliegende Erfindung zunutze, um die Temperaturen der Widerstandsheizungen zu ermitteln. Aus den Temperaturen der Wider- Standsheizungen können wiederum mit hinreichender Genauigkeit die Temperaturen der Sensoren ermittelt werden, wobei der Zusammenhang zwischen Sensortemperatur und Heizleitertemperatur von der konkreten Bauform abhängt. Diese Zusammenhänge kann der Fachmann ohne Weiteres empirisch ermitteln oder durch das Design von Sensor und Heizleiter bestimmen.

Gegenüber dem Stand der Technik, der mit je zwei Anschlüssen und entsprechenden Zuleitungen für die beiden Widerstandshei- zungen 140, 150 arbeitet, sind erfindungsgemäß insgesamt nur drei Anschlüsse 110, 111, 112 nebst Zuleitungen 120, 121, 122 vorgesehen. An diese sind die Heizungen wie folgt anschlös ^¬ sen : Je ein Pol bzw. Anschluss beider Heizungen ist über einen ersten elektrischen Leiter 120, eine sogenannte Elektrode, mit dem ersten Anschluss 110 verbunden.

Der zweite Pol der ersten Heizung 140 ist über einen zweiten elektrischen Leiter 121 mit dem zweiten Anschluss 111 verbunden .

Der zweite Pol der zweiten Heizung 150 ist über den dritten elektrischen Leiter 122 mit dem dritten Anschluss 112 verbun- den.

Figur 2 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild der in Figur 1 dargestellten Sensoranordnung. Kapazitive und induktive Elemente werden hier vernachlässigt.

Die Widerstandsheizungen 140, 150 werden durch entsprechende ohmsche Widerstände R _H i und R _H 2 repräsentiert. Die (nicht ver ^¬ nachlässigbaren und temperaturabhängigen) Widerstände der elektrischen Leiter 120, 121, 122 werden durch ohmsche Wider- stände Ri, R2 und R3 modelliert. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird zur Vereinfachung der folgenden Beschreibung angenommen, dass der beiden Heizelementen gemeinsame Anschluss 110 auf Masse gelegt wird. Im Betrieb der Sensoranordnung 100 werden an die Anschlüsse 111 und 112 Spannungen Ui und U2 angelegt. Durch die Wider ^¬ standsheizungen 140, 150 fließen entsprechende Ströme und er ^¬ wärmen diese. Um die aktuelle Temperatur der ersten Heizung 140 zu ermitteln, wird nur an den ersten Anschluss 111 eine Spannung Ui angelegt. Am zweiten Anschluss 112 wird während dieser Er ^¬ mittlung keine Spannung angelegt; dieser Anschluss wird von der Steuerung der Anordnung zur Messung der sich dort ein- stellenden Spannung U2 genutzt. Die Steuerung ermittelt fer ^¬ ner den am Anschluss 110 fließenden Strom I.

Aus diesen drei bekannten Größen (die angelegte Spannung Ui ist bekannt, die Spannung U2 und der Strom I werden ermit- telt) lässt sich unter der Annahme, dass die Widerstände Ri und R2 zumindest annähernd gleich sind, R _H i wie folgt berech ^¬ nen :

_ \J _l - 2 - \J ₂

H1 - j

Diese Berechnungsvorschrift fußt auf der Tatsache, dass, wenn am Anschluss 112 kein Strom fließt, am Knoten 130 die gleiche Spannung anliegt die am Anschluss 112 gemessene Spannung U ₂ . Durch die Widerstände R ₂ , R _HI und Ri fließt der am Anschluss 110 gemessene Strom I. Zwischen R _H i und Ri liegt der Knoten 130, an dem U2 gemessen werden kann. Dann gilt:

U, U

R ₂ + ^R HI + ^R I = j sowie Rj =— Setzt man nun Ri = R ₂ ergibt sich die obenstehende Berech ^¬ nungsvorschrift für RHI .

In analoger Weise kann R _H2 ermittelt werden, indem nur an den zweiten Anschluss 112 eine Spannung U ₂ angelegt wird. Am ers ^¬ ten Anschluss 111 wird während dieser Ermittlung keine Span ^¬ nung angelegt; dieser Anschluss wird von der Steuerung der Anordnung zur Messung der sich dort einstellenden Spannung Ui genutzt. Die Steuerung ermittelt ferner den am Anschluss 110 fließenden Strom I. Dann ergibt sich folgende Berechnungsvorschrift für R _H 2 :

_υ ₂ -2-υ _ι

H2 j Die Messung des Stroms I kann dabei mithilfe eines

niederohmigen Messwiderstands (engl. Shunt) erfolgen. An die Stelle des Stroms I tritt dann der Quotient aus dem zu mes ^¬ senden Spannungsabfall über dem Messwiderstand und dem be ^¬ kannten Widerstandswert des Messwiderstands.

Figur 3 zeigt eine Variante der vorliegenden Erfindung, bei der zusätzliche Messleitungen 123, 124 vorgesehen werden, um die abhängig von der Sensorplattengeometrie fehlerbehaftete Annahme, dass Ri = R ₂ = R ₃ gilt, zu korrigieren.

In Figur 3 ist dabei die Variante der Erfindung mit zwei zu ^¬ sätzlichen Messleitungen 123, 124 dargestellt. Selbstverständlich kann in Abwandlungen jeweils nur eine der beiden Messleitungen 123, 124 vorhanden sein.

Durch die Messleitungen 123, 124 wird es möglich, bei den im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen Messvorgängen die Spannung an den Punkten 131, 132 zu bestimmen. Dadurch kann bei der Bestimmung von R _H i der Einfluss von R ₂ eliminiert wer- den und bei der Bestimmung von R _H2 der Einfluss von R ₃ , wie im Folgenden näher erläutert. Wiederum soll die aktuelle Temperatur der ersten Heizung 140 ermittelt werden. Dazu wird, wie im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben, nur an den ersten Anschluss 111 eine Spannung Ui angelegt. Am zweiten Anschluss 112 wird während dieser Er ^¬ mittlung keine Spannung angelegt; dieser Anschluss wird von der Steuerung der Anordnung zur Messung der sich dort einstellenden Spannung U2 genutzt. Die Steuerung ermittelt fer ^¬ ner den am Anschluss 110 fließenden Strom I sowie die Spannung U4 am Anschluss 114 der Messleitung 124.

Aus den nunmehr vier bekannten Größen (die angelegte Spannung Ui ist bekannt, die Spannungen U2 und U4 sowie der Strom I werden ermittelt) lässt sich R _H i ohne vereinfachende Annahmen wie folgt berechnen:

IL ' 4 -U ^,2

Diese Berechnungsvorschrift fußt auf der Tatsache, dass durch den Widerstand R _H i der Strom I fließt und die Spannungen an Knoten 130 und 132 den an den Anschlüssen 112 und 114 gemessenen Spannungen U4 und U2 entsprechen.

Wiederum analog gilt für R _H 2 :

Aus den Widerstandsmesswerten werden von der Ansteuerelektronik der Sensorplatte 100 Temperaturwerte ermittelt, welche in den Regelungsalgorithmus für die Regelung der während des Heizzyklus einzuspeisenden Spannungen Ui und U2 verwendet werden .

Auch in den im Zusammenhang mit Figur 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen mehr als drei Anschlüsse erforderlich sind, ergeben sich dennoch Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Zum einen können die Messleitungen 123 und 124 mit nahe- zu beliebig kleinem Querschnitt ausgeführt werden, da sie nur zum Messen dienen und nicht den Heizstrom transportieren müssen. Damit kann sich selbst im Ausführungsbeispiel mit zwei Messleitungen (d.h. insgesamt 5 Elektroden) eine Platzerspar- nis gegenüber dem Stand der Technik ergeben, der vier Leitungen benötigt, deren Querschnitt für den maximalen Heizstrom ausgelegt sein muss.

Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung durch die Ein- sparung von in jedem Fall zumindest einer heizstromführenden Leitung gegenüber dem Stand der Technik größere Querschnitte der verbleibenden heizstromführenden Leitungen, so dass deren ohmscher Widerstand sinkt und sie sich entsprechend weniger aufheizen. Außerdem sinkt natürlich der Aufwand für die Ver- kabelung der Sensorplatte und die Kontaktierung .

Natürlich sind die vorstehend beschriebenen Prinzipien nicht auf die ausführlich erläuterten Ausführungsbeispiele be ^¬ schränkt. Dem Fachmann wird es beispielsweise ohne weiteres möglich sein, Sensorplatten und zugehörige Steuerungen mit mehr als zwei Sensoren und entsprechenden Heizungen zu konzipieren, bei denen erfindungsgemäß ebenfalls gemeinsame Lei ^¬ tungen verwendet werden und eine Temperaturmessung ohne zusätzliche Temperaturmessfühler erfolgt.

Die Implementierung der vorstehend beschriebenen Prozesse oder Verfahrensabläufe kann anhand von Instruktionen erfol ^¬ gen, die auf computerlesbaren Speichermedien oder in flüchtigen Computerspeichern (im Folgenden zusammenfassend als com- puterlesbare Speicher bezeichnet) vorliegen. Computerlesbare Speicher sind beispielsweise flüchtige Speicher wie Caches, Puffer oder RAM sowie nichtflüchtige Speicher wie Wechselda ^¬ tenträger, Festplatten, usw. Die vorstehend beschriebenen Funktionen oder Schritte können dabei in Form zumindest eines Instruktionssatzes in/auf einem computerlesbaren Speicher vorliegen. Die Funktionen oder Schritte sind dabei nicht an einen bestimmten Instruktions- satz oder an eine bestimmte Form von Instruktionssätzen oder an ein bestimmtes Speichermedium oder an einen bestimmten Prozessor oder an bestimmte Ausführungsschemata gebunden und können durch Software, Firmware, Microcode, Hardware, Prozes- soren, integrierte Schaltungen usw. im Alleinbetrieb oder in beliebiger Kombination ausgeführt werden. Dabei können verschiedenste Verarbeitungsstrategien zum Einsatz kommen, beispielsweise serielle Verarbeitung durch einen einzelnen Prozessor oder Multiprocessing oder Multitasking oder Parallel- Verarbeitung usw.

Die Instruktionen können in lokalen Speichern abgelegt sein, es ist aber auch möglich, die Instruktionen auf einem entfernten System abzulegen und darauf via Netzwerk zuzugreifen.

Der Begriff "Prozessor", wie hier verwendet, umfasst Verarbeitungseinheiten im weitesten Sinne, also beispielsweise Server, Universalprozessoren, Grafikprozessoren, digitale Signalprozessoren, PID-Controller, PI-Controller, Fuzzy- Controller, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen

(ASICs) , programmierbare Logikschaltungen wie FPGAs, diskrete analoge oder digitale Schaltungen und beliebige Kombinationen davon, einschließlich aller anderen dem Fachmann bekannten oder in Zukunft entwickelten Verarbeitungseinheiten. Prozes- soren können dabei aus einer oder mehreren Vorrichtungen bestehen. Besteht ein Prozessor aus mehreren Vorrichtungen, können diese zur parallelen oder sequentiellen Verarbeitung von Instruktionen konfiguriert sein. Die vorstehende Beschreibung stellt nur die bevorzugten Aus ^¬ führungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht als Defi ^¬ nition der Grenzen und des Bereiches der Erfindung dienen. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen gehören zum Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche.