DE10255704A1

DE10255704A1 - Gasmessvorrichtung und Verfahren mit Störkompensation

Info

Publication number: DE10255704A1
Application number: DE10255704A
Authority: DE
Inventors: Kurt Ingrisch; Markus Niemann; Gerald Hamm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Paragon AG
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-17
Also published as: EP1565733A2; AU2003294642A8; KR20050085225A; WO2004051245A3; US20060155490A1; JP2006508355A; WO2004051245A2; US7231807B2; AU2003294642A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Gasmessvorrichtung mit Störkompensation liefert umgehend, nachdem sie in Betrieb genommen wurde, eine hohe Messgenauigkeit. DOLLAR A Dazu umfasst die Gasmessvorrichtung einen Gassensor (1) zum Erzeugen eines von der Gaskonzentration abhängigen Messsignals (S1), welches einen Störanteil aufweisen kann, dem ein Hochpassfilter (13) mit einstellbarer Grenzfrequenz nachgeschaltet ist. Die Grenzfrequenz ist dabei mittels einer Auswahleinheit abhängig vom Störanteil vorgebbar.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Gasmessvorrichtung mit Störkompensation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren mit Störkompensation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.

Zur Messung der Gaskonzentration und zwar insbesondere der Konzentration von Kohlenmonoxid CO, Stickoxid NO und Kohlenwasserstoffen CxHy werden im Automobilbereich wegen der geringen Kosten Halbleitersensoren eingesetzt. Die Mehrzahl der Halbleitersensoren sind Leitfähigkeitssensoren auf der Basis von SnO2. Das Messergebnis kann beispielsweise dazu dienen, eine Umluftklappe im einem Kraftfahrzeug zu öffnen oder zu schließen.

Die oben genannten Sensoren zeichnen sich neben den geringen Kosten auch durch eine gute Empfindlichkeit für das zu messende Gas aus. Nachteilhafter weise weisen sie aber auch eine Reihe von Quereffekte auf, welche die Signalauswertung erschweren. Reduzierende Gase, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, verursachen eine Erhöhung der Leitfähigkeit des Halbleitersensors. Oxidierende Gase, wie beispielsweise Stickstoffdioxid, verursachen hingegen eine Verringerung der Leitfähigkeit des Halbleitersensors. Zudem führt die starke Adsorption von Wasser an der Oberfläche des SnO2-Halbleitersensors zu einem störenden Quereffekt. Das gebundene Wasser erhöht die Leitfähigkeit der gassensitiven SnO2-Schicht signifikant. Die von der sensitiven SnO2-Schicht adsorbierte Menge an Wasser ist in erheblichem Maße von der Temperatur abhängig. Damit ist auch die Änderung der Leitfähigkeit der SnO2-Schicht stark temperaturabhängig. Bei einer Temperatur unterhalb von 200 °C werden vom Halbleitersensor wesentlich größere Mengen an Wasser gebunden als bei höheren Temperaturen. Die adsorbierte Wassermenge lässt sich mittels einer TDS-Messung nachweisen. Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein von der Temperatur abhängiges Gleichgewicht zwischen adsorbiertem und desorbiertem Wasser ein. Bei einem Temperaturwechsel liegt die Zeitkonstante bis zum Erreichen eines neuen Gleichgewichts zwischen wenigen Minuten und einigen Stunden. Die Zeitkonstante hängt dabei von den vorherigen Umgebungsbedingungen ab.

Dieser Effekt tritt insbesondere in der Phase nach dem Einschalten oder in Betrieb nehmen des Halbleitersensors besonders störend in Erscheinung.

Wird der Sensor bei Umgebungstemperatur über mehrere Wochen gelagert, stellt sich im Verlauf dieser Zeit das für diese Temperatur geltende Gleichgewicht an Sättigung zwischen adsorbiertem und desorbiertem Wasser ein. Dieses Gleichgewicht wird im folgenden auch als Sättigungsgleichgewicht bezeichnet. Um mit dem Sensor Gasmessungen durchführen zu können, wird der Sensor auf eine Betriebstemperatur von ca. 330 °C gebracht. Die gegenüber der Lagertemperatur erhöhte Temperatur von 330 °C führt dazu, dass solange Wasser desorbiert wird, bis sich ein neues Sättigungsgleichgewicht gebildet hat. Dies hat während dieser Zeit zur Folge, dass die Leitfähigkeit kontinuierlich sinkt, auch wenn die Gaskonzentration konstant bleibt. Die daraus resultierende Abnahme der Leitfähigkeit korreliert mit einer Leitfähigkeitsänderung, wie sie von einem großen Anstieg der NO-Konzentration hervorgerufen wird.

Dies hat zur Folge, dass die Messung der NO-Konzentration während der Zeit, während der sich ein neues Sättigungsgleichgewicht einstellt, mit einem erheblichen Messfehler behaftet ist.

Die erfindungsgemäße Gasmessvorrichtung mit Störkompensation mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen bietet gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil einer hohen Messgenauigkeit und zwar umgehend nachdem die Gasmessvorrichtung in Betrieb genommen wurde, das heißt nachdem sie einge schaltet wurde. Dies wird dadurch erreicht, dass die Gasmessvorrichtung mit Störkompensation einen Gassensor zum Erzeugen eines gaskonzentrationsabhängigen Messsignals, welches einen Störanteil aufweisen kann, umfasst. Dem Gassensor ist ein Hochpassfilter mit einstellbarer Grenzfrequenz nachgeschaltet. Die Grenzfrequenz ist dabei mittels einer Auswahleinheit abhängig vom Störanteil vorgebbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gasmessung mit Störkompensation mit den in Patentanspruch 10 angegebenen Merkmalen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Messung bereits unmittelbar nach dem Einschalten der Gasmesseinrichtung mit hoher Genauigkeit erfolgen kann. Das Verfahren weist dazu folgende Schritte auf. Mittels eines Gassensors wird ein von der Gaskonzentration abhängiges Messsignal erzeugt, welches einen Störanteil aufweisen kann. Anschließend wird das Messsignal mittels eines Hochpassfilters mit einstellbarer Grenzfrequenz gefiltert, wobei die Grenzfrequenz von einer Auswahleinheit abhängig vom Störanteil vorgegeben wird.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmalen.

So ist in einer Weiterbildung der Erfindung ein Tiefpassfilter vorgesehen, das zwischen die Auswerteeinheit und den Gassensor geschaltet ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Recheneinheit zwischen die Auswerteeinheit und das Tiefpassfilter geschaltet. Die Recheneinheit ist zur Berechnung der Steigung eines vom Tiefpassfilter stammenden Filterausgangssignals vorgesehen.

In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung ist die Auswahleinheit ausgangsseitig mit einem Steuereingang des Hochpassfilters verbunden und derart ausgebildet, dass damit anhand der Steigung des Filterausgangssignals ein Wert auswählbar ist, mittels welchem die Grenzfrequenz des Hochpassfilters einstellbar ist.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasmessvorrichtung ist die Auswahleinheit derart ausgebildet, dass damit ein erster Filterwert vorgebbar ist, wenn die Differenz zwischen dem Sensorwert und einem Sollwert einen Grenzwert überschreitet. Zudem ist ein zweiter Filterwert vorgebbar, wenn die Differenz zwischen dem Sensorwert und dem Sollwert innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Schließlich ist ein dritter Filterwert vorgebbar, wenn der Sensorwert dem Sollwert entspricht.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gasmessvorrichtung sind der erste, der zweite und der dritte Filterwert Zeitkonstanten.

Vorteilhafter Weise ist bei der erfindungsgemäßen Gasmessvorrichtung dem Hochpassfilter ein Komparator nachgeschaltet. Damit kann das gefilterte Signal mit einem Schwellenwert verglichen werden.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gasmessvorrichtung ist der Gassensor ein SnO2-Gassensor.

Schließlich kann bei einer weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gasmessvorrichtung der Gassensor derart ausgebildet sein, dass damit Stickoxid messbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von drei Figuren weiter erläutert.
1 zeigt in Form eines Signalflussdiagrammes die prinzipielle Vorgehensweise zur Kompensation der Störung.
2 zeigt in Form eines Blockdiagramms den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Gasmessvorrichtung.
3 zeigt den Verlauf mehrerer Signale, wie sie bei der erfindungsgemäßen Gasmessvorrichtung auftreten können.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In 1 ist der prinzipielle Verlauf des Signalflusses der Gasmessvorrichtung gezeigt. Ein NO-Sensor 1 liefert an seinem Ausgang 1.1, im folgenden auch als Sensorausgang bezeichnet, ein Sensor signal S1, welches neben der gemessenen Gaskonzentration auch einen Störanteil, bedingt durch eine Verschiebung des Sättigungsgleichgewichts, aufweisen kann. Das Sensorsignal S1 wird mittels einer Einlaufkompensation 2 dahingehend ausgewertet, ob ein durch Desorbtion bedingter Störsignalanteil vorhanden und gegebenenfalls wie hoch dieser ist. Gegebenenfalls wird der Störsignalanteil im Sensorsignal S1 kompensiert. Am Ausgang der Einlaufkompensation 2.2 liegt ein vom Störsignalanteil befreites Sensorsignal S2 an, welches mit einem Schwellenwert verglichen wird. Dazu ist die Schwellenwert-Auswertung 3 vorgesehen. Am Ende liegt ein Steuersignal in Form eines Schaltsignals 4 vor, das eine, in den Figuren nicht dargestellte Umluftklappe steuert.
Der Aufbau der Einlaufkompensation 2 wird in 2 in Form eines weiteren Blockdiagramms gezeigt. Der NO-Sensor 1 ist ausgangsseitig mit einem Tiefpass 5 verbunden, welcher das Sensorsignal S1 filtert. Das Tiefpassfilter 5 weist eine Zeitkonstante tv auf. Am Ausgang des Tiefpasses 5 liegt das gefilterte Sensorsignal S5 an. Das gefilterte Sensorsignal S5 wird mittels einer Recheneinheit 6 weiterverarbeitet. Dazu wird aus dem gefilterten Sensorsignal S5 die Steigung S' berechnet. Anschließend wird die Steigung S' einer Einheit 12 zur Vorgabe einer Zeitkonstante TH zugeführt. Die Einheit 12 zur Vorgabe der Zeitkonstante TH berechnet aus derer Steigung S' und einem Parameter a die Zeitkonstante TH. Falls sich aus dem Sensorsignal S1 des NO-Sensors 1 eine Zeitkonstante TH berechnet, welche derjenigen Zeitkonstante im Normalbetrieb entspricht, wird diese dem Hochpassfilter 13 über dessen Steuereingang 13.1 zugeführt. Das ist der Fall, wenn der Leitwert NO-S des Sensors 1 zwischen p2·NO-Grenz und NO-Grenz liegt. Dies wird mittels einer Entscheidungseinheit 7 festgestellt.
Falls mittels der Entscheidungseinheit 7 jedoch festgestellt wird, dass die Differenz des aktuellen Leitwerts des NO-Sensors 1 gegenüber einem Grenzwert NO-Grenz zu groß ist, das heißt der Leitwert" NO-S des Sensors 1 ist kleiner als p1·NO-Grenz, wird auf den Steuereingang 13.1 des Hochpasses 13 die Zeitkonstante TH = T1 geschaltet. Dies ist ausschließlich zu Beginn des Einlaufvorgangs des Sensors 1 der Fall. In diesem Fall ist mit einer großen Steigung S' des Sensorsignals S1 zu rechnen. Da bei der Inbetriebnahme des Sensors 1 noch keine Daten über den Verlauf des Signals S1 bis zum Erreichen des Sättigungsgleichgewichts vorliegen, wird abhängig von der Differenz zwischen dem Leitwert des NO-Sensors 1 und dem Grenzwert NO-Grenz mit einer festen, aus der Erfahrung gewonnen Grenzfrequenz gestartet. Die Werte sind in einer Tabelle, im folgenden auch als Look-up-Tabelle bezeichnet, hinterlegt. Sie werden abhängig von der aktuellen Differenz während des Einlaufvorgangs aktualisiert. T1 und T2 werden systembedingt angepasst.
Falls die Differenz des aktuellen Leitwerts des NO-Sensors 1 gegenüber dem Grenzwert NO-Grenz klein ist, das heißt der Leitwert NO-S des Sensors 1 ist kleiner als p2·NO-Grenz, wird die Zeitkonstante TH = T2 auf den Steuereingang 13.1 des Hochpasses 13 gelegt. Aus der Steigung S' des gefilterten Sensor signals S5 kann die Störamplitude des Signals S2 nach dem Hochpassfilter 13 abgeschätzt werden. Die Zeitkonstante TH für den Hochpass 13 wird so eingestellt, dass eine definierte begrenzte Störamplitude des Signals S2 am Ausgang des Hochpassfilters 13 auftritt. Die Störamplitude wird so gewählt, dass eine mit dem Signal S2 steuerbare Umluftklappe nicht unbeabsichtigt geschlossen wird.
Der Einlaufvorgang des Sensors 1 ist ein monotoner Vorgang, der dann beendet ist, wenn das Sättigungsgleichgewicht, also das Gleichgewicht zwischen Adsorption und Desorbtion des Wassers durch den NO-Sensor 1 erreicht ist.
Die Signalform des logarithmierten Widerstands Inc lässt sich ab dem Einschaltzeitpunkt in erster Näherung durch die Funktion
darstellen, wobei
t die Zeit,
a ein experimenteller Parameter und der Übertragungsfaktor zwischen der Steigung S' und der Grenzfrequenz,
b ein experimenteller Parameter und
T ein experimenteller Parameter ist.
Das Messsignal weist einen Nutzsignalanteil und einen Störsignalanteil auf, wobei letzterer, bedingt durch die Desorbtion von Wasser, die Charakteristik einer PT1-Sprungfunktion hat. Unter PT1 wird ein Verzögerungsglied erster Ordnung verstanden. Im Frequenzspektrum dieser Sprungfunktion herrschen zu Beginn hohe Frequenzanteile vor, die mit zunehmender Zeit abnehmen und verschwinden.
Der Störsignalanteil, im Folgenden auch als Störsignal bezeichnet, welcher durch die Desorbtion von Wasser bedingt ist, lässt sich daher zu Beginn durch das Hochpassfilter 13 mit einer geeignet hoch gewählten Grenzfrequenz für eine bestimmte Zeitdauer unterdrücken. Bei fortschreitendem Einlaufvorgang nehmen die hohen Frequenzanteile im Störsignal ab. Dem wird durch eine kontinuierliche Absenkung der Grenzfrequenz des Hochpassfilters 13 Rechnung getragen. Sobald ein Gleichgewicht zwischen Adsorption und Desorbtion erreicht ist, bleibt die Grenzfrequenz des Hochpassfilters 13 konstant und das anfangs gedämpfte Messsignal, welches nun ein reines Nutzsignal ist, kommt voll zur Geltung. Das am Ausgang des Hochpasses 13 abgreifbare Signal dient zur Steuerung der Umluftklappe.
Um die Grenzfrequenz für den Hochpass 13 dynamisch anpassen zu können, wird die näherungsweise Kenntnis über das Einlaufen des NO-Sensors 1 herangezogen.
Nach längerem Betrieb des NO-Sensors 1, ohne dass dieser dem zu messenden Gas äusgesetzt ist, stellt sich eine Leitfähigkeit ein, die mit NO-Grenz bezeichnet wird. Die Leitfähigkeit NO-Grenz stellt sich somit bei einem Gleichgewicht zwischen Desorbtion und Adsorption bei der Betriebstemperatur des NO-Sensors 1 ein. In der Praxis tritt jedoch der Fall, daß der NO-Sensor 1 dem zu messenden Gas nicht ausgesetzt ist, kaum auf. Daher muss der Wert der Leitfähigkeit bei Erreichen des Gleichgewichts dadurch näherungsweise bestimmt werden, indem das Sensorsignal S1 mittels eines Tiefpasses 5 gefiltert wird. Die Zeitkonstante tv liegt dabei bei ca. 30 min. Der so gewonnene Wert für die Leitfähigkeit wird im Betrieb ständig in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt.
Die Steigung S' des Sensorsignals S1 ist kurz nach Inbetriebnahme des NO-Sensors 1, wie erwähnt, stark abhängig von der Lagerdauer des NO-Sensors 1. Die Lagerdauer kann in der Steuereinheit allerdings nur mit hohem Aufwand bereitgestellt werden. Ersatzweise kann man das Sensorsignal S1 für eine bestimmte Zeit nach dem Einschalten des Sensors 1 beobachten und dann auf den weiteren Verlauf des Sensorsignals S1 schließen. Um den Einfluss von kurzzeitig hohen Gaskonzentrationen zu minimieren, wird das Sensorsignal S1 zuerst mittels des Tiefpasses 5 gefiltert und dann dessen Steigung S' bestimmt.
Die Amplitude des Störsignalanteils, bedingt durch die Verschiebung des Gleichgewichts, fällt monoton im Verlauf des Einlaufvorgangs.
Die experimentellen Parameter a, b und T hängen von der Lagerdauer des Sensors 1 und dem Sensor selbst ab. Diese Parameter können daher nicht in Versuchen bestimmt und bei der Einlaufkompensation vorgehalten werden.
Bei der Erfindung wird die unterschiedliche Signaldynamik zwischen einer durch das zu messende Gas erzeugten Signaländerung und einer durch die Desorbtion von Wasser erzeugten Signaländerung ausgenutzt. Eine Änderung in der Konzentration des zu messenden Gases hat üblicherweise eine Zeitkonstante zwischen 2 und 30 s. Das durch die Desorbtion von Wasser bedingte Störsignal hat, je nach vorheriger Lagerdauer des Sensors, eine Zeitkonstante zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden.
In 3 sind mittels eines Zeitdiagramms mehrere Signalverläufe gezeigt. Auf der x-Achse des Diagramms ist die Zeit und auf der y-Achse des Diagramms die Amplitude aufgetragen. Es ist zu erkennen, daß die Amplitude des nicht kompensierten NO-Sensorsignals S1 anfänglich stark und später nur mehr geringfügig zunimmt. Der Verlauf des kompensierten Sensorsignals ist auch in 3 gezeigt und mit dem Bezugszeichen S2 versehen. Der Schwellenwert SW, das gefilterte Signal 23, das Steuersignal 24 für die Umluftklappe und die Zeitkonstante 26 sind ebenfalls in 3 gezeigt. An der wachsenden Zeitkonstante 26 ist erkennbar, wie die Grenzfrequenz des Hochpassfilters in Richtung niedrigerer Werte verstellt wird und damit das System für Gaspulse empfindlicher wird.

Claims

Gasmessvorrichtung mit Störkompensation, mit einem Gassensor (1) zum Erzeugen eines gaskonzentrationsabhängigen Messsignals (S1), welches einen Störanteil aufweisen kann, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gassensor (1) ein Hochpassfilter (13) mit einstellbarer Grenzfrequenz nachgeschaltet ist, wobei die Grenzfrequenz mittels einer Auswahleinheit abhängig vom Störanteil vorgebbar ist.
Gasmessvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefpassfilter (5) vorgesehen ist, das zwischen die Auswerteeinheit und den Gassensor (1) geschaltet ist.
Gasmessvorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Recheneinheit (6) zwischen die Auswerteeinheit und das Tiefpassfilter (5) geschaltet ist und zur Berechnung der Steigung (S') eines vom Tiefpassfilter (5) stammenden Filterausgangssignals (S5) vorgesehen ist.
Gasmessvorrichtung nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinheit ausgangsseitig mit einem Steuereingang (13.1j des Hochpassfilters (13) verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass damit anhand der Steigung (S') des Filterausgangssignals (S5) ein Wert auswählbar ist, mittels welchem die Grenzfrequenz des Hochpassfilters (13) einstellbar ist.
Gasmessvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahleinheit derart ausgebildet ist, dass damit ein erster Filterwert vorgebbar ist, wenn die Differenz zwischen dem Sensorwert und einem Sollwert ein Grenzwert überschreitet, dass ein zweiter Filterwert vorgebbar ist, wenn die Differenz zwischen dem Sensorwert und dem Sollwert innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt und ein dritter Filterwert vorgebbar ist, wenn der Sensorwert dem Sollwert entspricht.
Gasmessvorrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, der zweite und der dritte Filterwert Zeitkonstanten (TH) sind.
Gasmessvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Hochpassfilter (13) ein Komparator (3) nachgeschaltet ist.
Gasmessvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) ein SnO2-Gassensor ist.
Gasmessvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) derart ausgebildet ist, dass damit Stickoxid messbar ist.
Verfahren zur Gasmessung mit Störkompensation, wobei mittels eines Gassensors (1) ein gaskonzentrationsabhängiges Messsignals (S1) erzeugt wird, welches einen Störanteil aufweisen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal (S1) mittels eines Hochpassfilters (13) mit einstellbarer Grenzfrequenz gefiltert wird, wobei die Grenzfrequenz von einer Auswahleinheit abhängig vom Störanteil vorgegeben wird.