DE10339969A1

DE10339969A1 - Störsignalfreies Gaskonzentrations-Messgerät

Info

Publication number: DE10339969A1
Application number: DE10339969A
Authority: DE
Inventors: Tomoo Kariya Kawase; Eiichi Kariya Kurokawa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-06-29
Publication date: 2004-03-25
Also published as: JP2004093289A; US20040045823A1

Abstract

Es wird ein störsignalfreier, d. h., zu keinen Störsignalanteilen führender Schaltungsaufbau eines Gaskonzentrations-Messgeräts angegeben. Das Gaskonzentrations-Messgerät umfasst einen Gassensor mit einem Festelektrolytkörper, an dem zwei Elektroden zur Bildung einer Pumpzelle angebracht sind, die durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden betätigt wird. Diese Spannung weist jeweilige diskrete Pegel auf, durch die dem von der Pumpzelle erzeugten Pumpzellenstrom unerwünschte scharfe Stromspitzen hinzugeführt werden. Das Gaskonzentrations-Messgerät führt daher eine Glättung oder Verzerrung der an die Pumpzelle anzulegenden Spannung oder des Pumpzellenstroms durch, wodurch die scharfen Stromspitzen des Pumpzellenstroms unterdrückt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen störsignalfreien (rauscharmen) Schaltungsaufbau eines Gaskonzentrations-Messgeräts, das mit einem Gassensor ausgestattet ist.
Bei typischen Gassensoren für eine Verwendung in Verbindung mit Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen wird ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytmaterial wie Zirkondioxid eingesetzt. In diesem Zusammenhang sind z.B. Gassensoren bekannt, in denen eine Gaskammer und eine Zelle ausgebildet ist, die aus zwei, an einem Festelektrolytkörper angebrachten Elektroden besteht und dazu dient, Sauerstoffmoleküle (O₂) in die Gaskammer hinein zu pumpen oder aus der Gaskammer heraus zu pumpen. Bei einem Gassensor dieser Art werden Sauerstoffionen als Ladungsträger in Abhängigkeit von einer an die Elektroden angelegten Spannung durch den Festelektrolytkörper hindurchgeführt, um die Sauerstoffmoleküle in die Gaskammer hinein zu pumpen oder aus der Gaskammer heraus zu pumpen. In diesem Zusammenhang sind Gassensoren bekannt, die mehrere Zellen der vorstehend genannten Art zur Messung der Konzentration von NOx (Stickoxiden), CO (Kohlenmonoxid) und HC (Kohlenwasserstoffen) umfassen.
Gassensoren dieser Art umfassen üblicherweise eine erste und eine zweite Gaskammer sowie eine erste und eine zweite Pumpzelle. Die erste Pumpzelle dient zum Herauspumpen von Sauerstoffmolekülen aus der ersten Gaskammer, um die Konzentration von Sauerstoff in der zweiten Gaskammer auf einen niedrigeren Wert zu verringern. Die zweite Pumpzelle weist Elektroden auf, die aus einem mit NOx reaktionsfähigen Metall bestehen, und dient zur Reduzierung oder Oxidierung von Gasen in der zweiten Gaskammer über die Oberfläche einer der der zweiten Gaskammer ausgesetzten Elektroden zur Änderung der Konzentration von Sauerstoff an der Oberfläche der Elektrode. Dies hat zur Folge, dass zwischen den Elektroden ein elektrischer Strom fließt, der zur Bestimmung der Konzentration von NOx verwendet wird. Hierbei lässt sich eine höhere Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung von NOx gewährleisten, indem der Anteil der in der zweiten Gaskammer verbleibenden Sauerstoffmoleküle möglichst klein gehalten und die zweite Pumpzelle schnell aktiviert wird, wenn sich die Konzentration von Sauerstoff in der zweiten Gaskammer ändert.
In 17 ist ein Kennlinienfeld dargestellt, das die Beziehung zwischen einer an die Pumpzelle angelegten Spannung und dem sich daraus ergebenden, über die Pumpzelle fließenden Strom veranschaulicht. Diesem Kennlinienfeld ist zu entnehmen, dass eine Vergrößerung der an die Pumpzelle angelegten Spannung (die nachstehend auch als Pumpzellen-Klemmenspannung bezeichnet ist) eine höhere Pumpleistung der Pumpzelle in Bezug auf die Sauerstoffmoleküle zur Folge hat, wodurch sich der zwischen den Elektroden der Pumpzelle fließende Strom (der nachstehend auch als Pumpzellenstrom bezeichnet ist) vergrößert. Dieser Pumpzellenstrom erreicht seine Sättigung bei einem Wert (d.h., einem Grenzstrom), der die Konzentration von Sauerstoff außerhalb der Gaskammer, d.h., die Sauerstoffkonzentration der in die Gaskammer eintretenden Gase, angibt. Wenn somit die Konzentration von Sauerstoff außerhalb der Gaskammer ansteigt, erfordert dies eine Steigerung der Pumpleistung der Pumpzelle, sodass ein niedrigerer Grenzwert der Pumpzellen-Klemmenspannung zur Erzeugung des Grenzstroms erforderlich ist. Zu diesem Zweck wird ein Sollwert der Pumpzellen-Klemmenspannung durch einen Abfragevorgang unter Verwendung des Kennlinienfeldes gemäß 17 als Funktion des die gepumpte Menge an Sauerstoff angebenden Pumpzellenstroms bestimmt, um eine Steuerspannung zur Einstellung der Pumpzellen-Klemmenspannung zu bilden.
Die Beziehung zwischen dem Pumpzellenstrom und der Pumpzellen-Klemmenspannung unterliegt bei den einzelnen Pumpzellen in der in 18 veranschaulichten Weise gewissen Schwankungen, was auf individuellen Unterschieden auf Grund von herstellungsbedingten Toleranzen beruht. Es ist somit erforderlich, das in 17 dargestellte Kennlinienfeld für jeden Gassensor zu optimieren, um diese individuellen Unterschiede auszugleichen.
Derzeit wird davon ausgegangen, dass Mikrocomputer für eine solche Optimierung des Kennlinienfeldes geeignet sind, da sich eine Feinjustierung des Kennlinienfeldes bereits durch Umschreiben der Daten in einem Festspeicher des Mikrocomputers erzielen lässt. Dies stellt außerdem eine kostengünstige Lösung dar.
Die Verwendung eines Mikrocomputers zur Einstellung der Pumpzellen-Klemmenspannung beinhaltet jedoch das nachstehend näher beschriebene Problem. Der Mikrocomputer gibt über einen Analog/Digital-Umsetzer ein Steuersignal ab, das die Pumpzellen-Klemmenspannung festlegt. Dieses Steuersignal besitzt üblicherweise einen jeweiligen diskreten Wert. In 19 ist veranschaulicht, dass dies zu stufenweisen Änderungen der Pumpzellen-Klemmenspannung führen kann, was wiederum zur Folge hat, dass der Pumpzellenstrom in Abhängigkeit von der Susceptanz (Blindleitwert) der Pumpzelle scharfe Spitzenwerte (d.h., Stromspitzen in Form einer Stromänderung ΔI) aufweist. Durch diese Stromspitzen wird die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung von Sauerstoff (O₂) herabgesetzt, wobei hierdurch außerdem auch eine genaue Bestimmung der Pumpzellen-Klemmenspannung erschwert werden kann. Außerdem besteht auch bei Gassensoren, die zur Messung der Konzentration von NOx oder CO als Funktion von Änderungen der Sauerstoffkonzentration auf Grund einer Reduktion oder Oxidation von NOx oder CO ausgestaltet sind, das Problem einer Verringerung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration von NOx oder CO.

Angesichts der vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, einen störungsfreien (rauscharmen) Schaltungsaufbau eines Gaskonzentrations-Messgeräts anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Gaskonzentrations-Messgerät angegeben, das zur Steuerung der Verbrennungsvorgänge bei der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Verwendung finden kann. Dieses Gaskonzentrations-Messgerät umfasst (a) einen Gassensor, der ein Sensor-Basiselement und eine Pumpzelle umfasst, wobei das Sensor-Basiselement einen Festelektrolytkörper aufweist, der in dem Sensor-Basiselement eine Gaskammer bildet, in die Gase über einen gegebenen Diffusionswiderstand eingeleitet werden, und die Pumpzelle durch Anbringung einer ersten und einer zweiten Elektrode an dem Festelektrolytkörper gebildet wird, wobei die erste Elektrode der Gaskammer ausgesetzt ist und in Abhängigkeit vom Anlegen einer elektrischen Größe an die erste und die zweite Elektrode selektiv einen gegebenen Gasbestandteil aus der Gaskammer herauspumpt und in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Pumpmenge des gegebenen Gasbestandteils zu erzeugen, (b) eine elektrische Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals mit jeweiligen diskreten elektrischen Werten zur Steuerung der an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle angelegten elektrischen Größe, (c) eine Sensorsignal-Detektorschaltung zur Erfassung des von der Pumpzelle abgegebenen Sensorsignals und Erzeugung einer Sensor-Ausgangsgröße als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils, und (d) eine Änderungsbegrenzungsschaltung zur Begrenzung einer Änderung des Sensorsignals auf einen gegebenen Bereich, wodurch Störsignalanteile des Sensorsignals unterdrückt werden, die bei der Umschaltung zwischen den diskreten elektrischen Werten des Steuersignals auf Grund der Susceptanz der Pumpzelle entstehen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Änderungsbegrenzungsschaltung von einer zur Integration des Sensorsignals dienenden Integratorschaltung gebildet.

Die elektrische Steuerschaltung bestimmt einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Sensorsignals.

Außerdem ist eine zweite Pumpzelle zur Erzeugung eines Pumpsignals als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils innerhalb einer in dem Sensor-Basiselement stromab der Gaskammer ausgebildeten zweiten Gaskammer vorgesehen, wobei die elektrische Steuerschaltung auch einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Pumpsignals bestimmen kann.

Die elektrische Steuerschaltung kann auch zur Erzeugung einer von einem pulsbreitenmodulierten PDM-Signal modulierten Spannung und Umsetzung der modulierten Spannung in eine an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle anzulegende Gleichspannung ausgestaltet sein.

Die elektrische Steuerschaltung erzeugt die Gleichspannung innerhalb eines zwischen binären Spannungspegeln liegenden Bereiches.

Die elektrische Steuerschaltung weist eine Modulatorschaltung auf, die die Spannung zwischen den binären Spannungspegeln unter Verwendung des PDM-Signals umschaltet.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gaskonzentrations-Messgerät (a) einen Gassensor, der ein Sensor-Basiselement und eine Pumpzelle umfasst, wobei das Sensor-Basiselement einen Festelektrolytkörper aufweist, der in dem Sensor-Basiselement eine Gaskammer bildet, in die Gase über einen gegebenen Diffusionswiderstand eingeleitet werden, und die Pumpzelle durch Anbringung einer ersten und einer zweiten Elektrode an dem Festelektrolytkörper gebildet wird, wobei die erste Elektrode der Gaskammer ausgesetzt ist und in Abhängigkeit vom Anlegen einer elektrischen Größe an die erste und die zweite Elektrode selektiv einen gegebenen Gasbestandteil aus der Gaskammer herauspumpt und in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Pumpmenge des gegebenen Gasbestandteils zu erzeugen, (b) eine elektrische Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals mit jeweiligen diskreten elektrischen Werten zur Steuerung der an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle angelegten elektrischen Größe, (c) eine Sensorsignal-Detektorschaltung zur Erfassung des von der Pumpzelle abgegebenen Sensorsignals und Erzeugung einer Sensor-Ausgangsgröße als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils, und (d) eine Glättungsschaltung zur Glättung von Änderungen des Sensorsignals, wodurch Störsignalanteile des Sensorsignals unterdrückt werden, die bei der Umschaltung zwischen den diskreten elektrischen Werten des Steuersignals auf Grund der Susceptanz der Pumpzelle entstehen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist außerdem eine Änderungsbegrenzungsschaltung vorgesehen, die vor der Glättung der Änderungen des Sensorsignals eine Begrenzung der Änderungen des Sensorsignals auf einen gegebenen Bereich herbeiführt.

Die Glättungsschaltung wird von einer zur Integration des Sensorsignals dienenden Integratorschaltung gebildet.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Gaskonzentrations-Messgerät (a) einen Gassensor, der ein Sensor-Basiselement und eine Pumpzelle umfasst, wobei das Sensor-Basiselement einen Festelektrolytkörper aufweist, der in dem Sensor-Basiselement eine Gaskammer bildet, in die Gase über einen gegebenen Diffusionswiderstand eingeleitet werden, und die Pumpzelle durch Anbringung einer ersten und einer zweiten Elektrode an dem Festelektrolytkörper gebildet wird, wobei die erste Elektrode der Gaskammer ausgesetzt ist und in Abhängigkeit vom Anlegen einer elektrischen Größe an die erste und die zweite Elektrode selektiv einen gegebenen Gasbestandteil aus der Gaskammer herauspumpt und in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Pumpmenge des gegebenen Gasbestandteils zu erzeugen, (b) eine elektrische Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals mit jeweiligen diskreten elektrischen Werten zur Steuerung der an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle angelegten elektrischen Größe, (c) eine Sensorsignal-Detektorschaltung zur Erfassung des von der Pumpzelle abgegebenen Sensorsignals und Erzeugung einer Sensor-Ausgangsgröße als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils, und (d) eine Glättungsschaltung zur Glättung des von der elektrischen Steuerschaltung erzeugten Steuersignals, wodurch Störsignalanteile des Sensorsignals unterdrückt werden, die bei der Umschaltung zwischen den diskreten elektrischen Werten des Steuersignals auf Grund der Susceptanz der Pumpzelle entstehen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Glättungsschaltung von einer zur Integration des Steuersignals dienenden Integratorschaltung gebildet.

Eine zweite Pumpzelle kann zur Erzeugung eines Pumpsignals als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils innerhalb einer in dem Sensor-Basiselement stromab der Gaskammer ausgebildeten zweiten Gaskammer vorgesehen sein, wobei die elektrische Steuerschaltung auch einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Pumpsignals bestimmen kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Längsschnittansicht eines Gassensors, der bei dem Gaskonzentrations-Messgerät gemäß 1 Verwendung findet,
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III gemäß 2,
4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV gemäß 2,
5 ein Ablaufdiagramm eines Programms zur Bestimmung einer an eine Pumpzelle anzulegenden Spannung,
6 den Verlauf von Pumpzellenströmen, die die Konzentration von Sauerstoff (O₂) angeben,
7 den Verlauf einer an eine Pumpzelle angelegten Spannung,
8 störsignalbedingte Veränderungen des Pumpzellenstroms,
9 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
12 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
13 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
14 eine Längsschnittansicht eines Gassensors, der bei dem Gaskonzentrations-Messgerät gemäß 13 Verwendung findet,
15 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
16 ein Blockschaltbild eines Gaskonzentrations-Messgeräts gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
17 ein Pumpzellenstrom/Pumpzellen-Klemmenspannungs-Kennlinienfeld, das bei üblichen Gaskonzentrations-Messgeräten Verwendung findet,
18 Veränderungen der Pumpzellen-Klemmenspannung auf Grund von herstellungsbedingten Fertigungstoleranzen des Gassensors, und
19 die Beziehung zwischen einer sich schrittweise verändernden Pumpzellen-Klemmenspannung und den sich ergebenden Änderungen des Pumpzellenstroms.
In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauteile und Bauelemente in verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist insbesondere in 1 ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das im wesentlichen aus einem Gassensor 1 und einer Steuerschaltung in Form einer Zentraleinheit CPU 20 besteht. Der Gassensor 1 ist z.B. im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet und den von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgasen ausgesetzt. Die Steuerschaltung ist dagegen im Fahrgastraum des Fahrzeugs oder in einem unteren Bereich der Fahrzeugkarosserie angeordnet und mit dem Gassensor 1 über eine Verbindungsleitung verbunden. Hierbei spricht die Steuerschaltung auf die Ausgangssignale des Gassensors 1 zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden (NOx), HC (Kohlenwasserstoffen) und CO (Kohlenmonoxid) in den Abgasen der Brennkraftmaschine an. Im Rahmen der nachstehenden Beschreibung wird davon ausgegangen, dass der Gassensor 1 die Konzentration von NOx misst.
Wie den 2 bis 4 deutlich zu entnehmen ist, besteht der Gassensor 1 aus einer Schichtanordnung bzw. einem Laminat aus Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytschichten 111 und 112, die aus Zirkondioxid bestehen, Isolierschichten 113 und 114, die aus Aluminiumoxid bestehen, sowie einer Schicht 115, die aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid oder einem Festelektrolytmaterial wie Zirkondioxid besteht. Diese Schichten sind in der Dickenrichtung des Gassensors 1 übereinander in Form einer rechteckigen Platte angeordnet. Die zwischen den Festelektrolytschichten 111 und 112 angeordnete Isolierschicht 114 besitzt eine Ausnehmung zur Bildung von zwei Gaskammern 101 und 102, die miteinander über eine Durchlassöffnung 103 in Verbindung stehen und nachstehend auch als erste und zweite Kammer bezeichnet sind. Die erste Kammer 101 und die zweite Kammer 102 sind in Längsrichtung des Gassensors 1 angeordnet, wobei die näher an einem Basisbereich (d.h., umgebungsluftseitig) des Gassensors 1 angeordnete zweite Kammer 102 doppelt so groß wie die näher an einem Kopfbereich (d.h., messgasseitig) des Gassensors 1 angeordnete erste Kammer 101 ist.
Außerhalb dieser Festelektrolytschichten 111 und 112 sind jeweils ein Luftkanal 104 und ein Luftkanal 105 ausgebildet, die auf der Seite des Basisbereichs des Gassensors 1 mit der Atmosphäre (Umgebungsluft) in Verbindung stehen. Hierbei verläuft der erste Luftkanal 104 durch die Festelektrolytschicht 112 hindurch über der ersten Kammer 101, während der zweite Luftkanal 105 über die Festelektrolytschicht 111 hindurch über der zweiten Kammer 102 verläuft. Bei der Anbringung des Gassensors 1 in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird der Gassensor 1 mittels einer Halterung teilweise in ein Abgasrohr derart eingefügt, dass die Luftkanäle 104 und 105 mit der Atmosphäre (Umgebungsluft) in Verbindung stehen. Hierbei füllen sich die Luftkanäle 104 und 105 mit Umgebungsluft, die eine Referenz-Sauerstoffkonzentration enthält.
Die Festelektrolytschicht 111 ist mit einem Nadelloch 106 versehen, das in die erste Kammer 101 führt. Hierbei ist auf der Festelektrolytschicht 111 eine poröse Diffusionsschicht 116 ausgebildet, die zur Verhinderung des Eindringens von feinen Abgaspartikeln in die erste Kammer 101 sowie zur Bildung einer Grenzstromcharakteristik dient. Das Nadelloch 106 dient zum Einleiten der außen an der porösen Diffusionsschicht 116 vorbeiströmenden Messgase in die erste Kammer 101.
Auf der Festelektrolytschicht 112 sind Elektroden 121 und 122 angebracht, die jeweils der ersten Kammer 101 bzw. dem Luftkanal 104 ausgesetzt sind und zusammen mit der Festelektrolytschicht 112 eine Pumpzelle 1a bilden. Die der ersten Kammer 101 ausgesetzte Elektrode 121 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist und somit NOx nicht nennenswert aufspaltet. Die der ersten Kammer 101 ausgesetzte Elektrode 121 wird nachstehend auch als kammerseitige Pumpelektrode bezeichnet, während die dem Luftkanal 104 ausgesetzte Elektrode 122 auch als umgebungsluftseitige Pumpelektrode bezeichnet wird.
An den gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 111 sind Elektroden 125, 123 und 124 ausgebildet, wobei die dem Luftkanal 105 ausgesetzte Elektrode 125 in der in 4 dargestellten Weise den Elektroden 123 und 124 gemeinsam zugeordnet ist. Die Festelektrolytschicht 111 bildet zusammen mit den Elektroden 123 und 125 eine Überwachungszelle 1b und zusammen mit den Elektroden 124 und 125 eine Sensorzelle 1c. Die der zweiten Kammer 102 ausgesetzte Elektrode 123 der Überwachungszelle 1b besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist und somit NOx nicht nennenswert aufspaltet. Die der zweiten Kammer 102 ausgesetzte Elektrode 124 der Sensorzelle 1c besteht dagegen aus einem Edelmetall wie Pt, das in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist und somit zur Aufspaltung oder Ionisierung von NOx dient. Die der zweiten Kammer 102 ausgesetzte Elektrode 123 wird nachstehend auch als kammerseitige Überwachungselektrode bezeichnet, während die der zweiten Kammer 102 ausgesetzte Elektrode 124 nachstehend auch als kammerseitige Sensorelektrode bezeichnet wird. Die dem Luftkanal 105 ausgesetzte Elektrode 125 wird in diesem Zusammenhang auch als umgebungsluftseitige Sensor/Überwachungselektrode bezeichnet.
In die zusammen mit der Festelektrolytschicht 112 den Luftkanal 104 bildende Schicht 115 ist ein aus Pt bestehendes Leitermuster eingebettet, das als Heizelement 13 zur Erwärmung des gesamten Gassensors 1 (insbesondere der Festelektrolytschichten 111 und 112) auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur dient. Hierbei wird das Heizelement 13 zur Erzeugung von Joule'scher Wärme elektrisch betrieben.
Wie vorstehend beschrieben, gelangen die außen am Gassensor 1 vorbeiströmenden Abgase der Brennkraftmaschine über die poröse Diffusionsschicht 116 und das Nadelloch 106 in die erste Kammer 101. Durch Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle 1a über die Elektroden 121 und 122, wobei die Elektrode 122 mit dem positiven Anschluss einer Spannungsquelle verbunden ist, werden in den Abgasen enthaltene Sauerstoffmoleküle dissoziiert oder ionisiert, sodass Sauerstoff (O₂) aus der ersten Kammer 101 heraus in den Luftkanal 104 gepumpt wird. Wenn die Konzentration des Sauerstoffs (O₂) in der ersten Kammer 101 unter einem gewünschten Wert liegt, wird der Pumpzelle 1a eine invertierte Spannung zugeführt, um Sauerstoffmoleküle aus dem Luftkanal 104 in die erste Kammer 101 hinein zu pumpen und auf diese Weise die Konzentration von Sauerstoff (O₂) innerhalb der ersten Kammer 101 konstant zu halten.
Eine Vergrößerung der an die Elektroden 121 und 122 der Pumpzelle 1a angelegten Spannung führt dazu, dass der über das Nadelloch 106 erfolgende Zufluss von Sauerstoff (O₂) in die erste Kammer 101 im wesentlichen vom Diffusionswiderstand des Nadellochs 106 abhängt, sodass in der Pumpzelle 1a als Funktion der Konzentration von Sauerstoff (O₂) in den außen am Gassensor 1 vorbeiströmenden Abgasen ein Grenzstrom erzeugt wird. Da die kammerseitige Pumpelektrode 121, wie vorstehend beschrieben, NOx kaum aufspaltet, verbleiben die NOx-Gase in der ersten Kammer 101.
Die in die erste Kammer 101 eingetretenen Abgase diffundieren in die zweite Kammer 102. Da die O₂-Moleküle in den Abgasen normalerweise von der Pumpzelle 1a nicht vollständig dissoziiert werden, gelangen O₂-Restmoleküle in die zweite Kammer 102 und erreichen die Überwachungszelle 1b und die Sensorzelle 1c. Durch Anlegen einer gegebenen Spannung an die Überwachungszelle 1b und die Sensorzelle 1c, wobei die gemeinsame Elektrode 125 mit dem positiven Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist, werden die in der zweiten Kammer 102 befindlichen Gase aufgespalten, sodass Sauerstoffionen in den Luftkanal 105 abgeführt und dadurch Grenzströme in der Überwachungszelle 1b und der Sensorzelle 1c erzeugt werden. Wie vorstehend beschrieben, ist nur die kammerseitige Sensorelektrode 124 der der zweiten Kammer 102 ausgesetzten Elektroden 123 und 124 in Bezug auf NOx reaktionsfähig, sodass der über die Sensorzelle 1c fließende Strom in Bezug auf den über die Überwachungszelle 1b fließenden Strom um einen Betrag größer ist, der der bei der Dissoziation oder Aufspaltung von NOx an der kammerseitigen Sensorelektrode 124 der Sensorzelle 1c entstehenden Menge an Sauerstoffionen entspricht. Die Bestimmung der Konzentration von NOx in den Abgasen erfolgt somit durch Ermittlung der Differenz zwischen den über die Überwachungszelle 1b und die Sensorzelle 1c fließenden Strömen. In der EPO 987 546 A2 der Anmelderin ist die Steuerung des Betriebs eines Gassensors dieser Art offenbart, worauf im Rahmen der nachstehenden Beschreibung Bezug genommen wird.
Gemäß 1 besteht die Steuerschaltung aus der Zentraleinheit CPU 20, einer Pumpzellenschaltung 3a, einer Überwachungszellenschaltung 3b sowie einer Sensorzellenschaltung 3c.
Die Pumpzellenschaltung 3a besteht aus Operationsverstärkern 41 und 52, einem Digital/Analog-Umsetzer (D/A) 211, einem Analog/Digital-Umsetzer (A/D) 221, einem Widerstand 61 und einer Bezugsspannungsquelle 51. Der Digital/Analog-Umsetzer 211 erhält von der Zentraleinheit CPU 20 ein Spannungssteuersignal und setzt dies in ein analoges Spannungssignal um, das wiederum dem als Spannungsfolger dienenden Operationsverstärker 41 als Einspeisungssignal zugeführt wird. Der Operationsverstärker 41 dient zum Anlegen einer Spannung Vp' an die umgebungsluftseitige Pumpelektrode 122 der Pumpzelle 1a. Der als Spannungsfolger dienende Operationsverstärker 52 wird mit der Ausgangsspannung der Bezugsspannungsquelle 51 beaufschlagt und führt eine Bezugsspannung Vp" der kammerseitigen Pumpelektrode 121 der Pumpzelle 1a zu. Der Widerstand 61 ist in eine zwischen dem Operationsverstärker 52 und der kammerseitigen Pumpelektrode 121 verlaufende Leitung geschaltet und dient als Sauerstoff-Pumpmengendetektor. Hierbei fällt am Widerstand 61 eine Spannung als Funktion der von der Pumpzelle 1a gepumpten Sauerstoffmenge ab, die dem Analog/Digital-Umsetzer 221 zugeführt wird. Wenn diese Spannung (d.h., die Spannung Vp'-Vp"), die nachstehend als Pumpzellen-Klemmenspannung Vp bezeichnet ist, an die Elektroden 121 und 122 der Pumpzelle 1a angelegt wird, führt dies zum Fließen eines Stroms Ip zwischen den Elektroden 121 und 122, der von der Zentraleinheit CPU 20 als Spannungsabfall am Widerstand 61 gemessen wird.
Die Überwachungszellenschaltung 3b und die Sensorzellenschaltung 3c weisen einen ähnlichen Aufbau wie die Pumpzellenschaltung 3a auf und umfassen Operationsverstärker und einen Widerstand. Die Überwachungszellenschaltung 3b dient zum Anlegen einer Spannung Vm an die Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b, die nachstehend als Überwachungszellen-Klemmenspannung bezeichnet ist, sowie zur Messung des zwischen den Elektroden 123 und 125 fließenden Stroms, der nachstehend als Überwachungszellenstrom Im bezeichnet ist. In ähnlicher Weise dient die Sensorzellenschaltung 3c zum Anlegen der nachstehend als Sensorzellen-Klemmenspannung bezeichneten Spannung Vs an die Elektroden 124 und 125 der Sensorzelle 1c sowie zur Messung des zwischen den Elektroden 124 und 125 fließenden Stroms, der nachstehend als Sensorzellenstrom Is bezeichnet ist. Die Überwachungszellenschaltung 3b weist im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die Pumpzellenschaltung 3a auf und dient mit Hilfe des Ausgangssignals eines Digital/Analog-Umsetzers zur Steuerung der Überwachungszellen-Klemmenspannung Vm.
Die Steuerschaltung dient außerdem zur Bestimmung der Impedanz der Pumpzelle 1a, der Überwachungszelle 1b oder der Sensorzelle 1c. In der Praxis erfolgt diese Bestimmung durch Messung der Impedanz zwischen den Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b, die nachstehend als Sensorimpedanz bezeichnet ist. Die Bestimmung dieser Sensorimpedanz wird erhalten, indem die Ausgangsspannung des Digital/Analog-Umsetzers der Überwachungszellenschaltung 3b kurzzeitig (z.B. für einige 10 oder einige 100 μs) entweder zur positiven oder zur negativen Seite zur Hinzufügung einer Wechselspannungskomponente zu der Überwachungszellen-Klemmenspannung Vm verschoben und sodann die sich ergebende Änderung des Überwachungszellenstroms Im durch die Zentraleinheit CPU 20 gemessen wird. Die Zentraleinheit CPU 20 bestimmt somit hierbei die Sensorimpedanz auf der Basis der Änderungen der Überwachungszellen-Klemmenspannung Vm und des Überwachungszellenstroms Im.
Das Heizelement 20 wird von einer (nicht dargestellten) Speicherbatterie mit Strom versorgt. Hierbei führt die Zentraleinheit CPU 20 dem Heizelement 13 über eine (nicht dargestellte) Heizelement-Treiberschaltung ein pulsbreitenmoduliertes bzw. pulsdauermoduliertes Signal (PDM-Signal) zu, um auf diese Weise die Stromversorgung des Heizelements 13 zu steuern. Die Zentraleinheit CPU 20 bestimmt hierbei die relative Einschaltdauer (Tastverhältnis) des PDM-Signals als Funktion der Sensorimpedanz. Der Wert der Sensorimpedanz stellt eine Funktion der Temperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 dar. Die Zentraleinheit CPU 20 steuert die relative Einschaltdauer des PDM-Signals derart, dass die Sensorimpedanz durch Rückkopplung auf einen vorgegebenen Sollwert eingeregelt und auf diese Weise die Temperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 auf der erforderlichen Aktivierungstemperatur gehalten wird.
Nachstehend werden Betrieb und Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels des Gaskonzentrations-Messgeräts näher beschrieben.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm von logischen Schritten oder eines Programms, das von der Zentraleinheit CPU 20 zur Steuerung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp ausgeführt wird.
Nach Eintritt in das Programm geht der Ablauf auf einen Schritt 101 über, bei dem ermittelt wird, ob der Zeitpunkt einer Einstellung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp erreicht worden ist oder nicht. Die Einstellung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp wird in Intervallen von z.B. 10 ms vorgenommen. Wenn hierbei das Ergebnis NEIN erhalten wird, wird der Schritt 101 wiederholt. Wenn dagegen das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 102 über, bei dem der Analog/Digital-Umsetzer 211 die am Widerstand 61 abfallende Spannung zur Messung des Pumpzellenstroms Im abtastet (der nachstehend auch als A/D-Abtastwert bezeichnet ist).
Die Vorgänge in nachfolgenden Schritten 103 bis 105 dienen zur Begrenzung von Änderungen des Ausgangssignals der Pumpzelle 1a auf einen vorgegebenen Bereich. In den folgenden Schritten sind mit "X" allgemein der A/D-Messwert, mit "X_i" der in einem laufenden Programmzyklus erhaltene A/D-Abtastwert und mit "X_i–1" der in einem vorherigen Programmzyklus erhaltene A/D-Abtastwert bezeichnet.
Im Schritt 103 wird bestimmt, ob eine Änderung des A/D-Abtastwertes X, d.h., der Absolutwert der Differenz zwischen den Werten X_i und X_i–1, gleich einem vorgegebenen oberen Änderungsgrenzwert ΔX oder größer ist oder nicht.
Wenn hierbei das Ergebnis JA erhalten wird (d.h., |X_i – X_i–1| ≥ ΔX), geht der Ablauf auf einen Schritt 104 über, bei dem festgelegt wird, dass einer der Werte X_i–1 ± ΔX in diesem Programmzyklus erhalten worden ist. Wenn somit X_i ≥ X_i–1 ist, was bedeutet, dass der Wert Xi in diesem Programmzyklus größer als der Wert X_i–1 im vorherigen Programmzyklus geworden ist und den oberen Änderungswert ΔX überschreitet, wird festgelegt, dass der Wert X_i–1 + ΔX der in diesem Programmzyklus erhaltene Wert X_i ist. Wenn dagegen X_i ≤ X_i–1 ist, was bedeutet, dass der Wert X_i in diesem Programmzyklus kleiner als der Wert X_i–1 des vorherigen Programmzyklus geworden ist und den oberen Änderungsgrenzwert ΔX überschreitet, wird festgelegt, dass der Wert X_i–1 – ΔX der in diesem Programmzyklus erhaltene Wert X_i ist. Wenn somit die Änderung des Pumpzellenstroms Ip den oberen Änderungsgrenzwert ΔX überschreitet, wird der Wert X dahingehend korrigiert, dass er innerhalb des Bereichs von ± ΔX liegt.
Wenn dagegen das Ergebnis NEIN erhalten wird (d.h., |X_i–X_i–1| < ΔX) geht der Ablauf auf einen Schritt 105 über, bei dem der in diesem Programmzyklus erhaltene A/D-Abtastwert Xi in dieser Form verwendet wird.
Nach dem Schritt 104 oder 105 geht der Ablauf auf einen Schritt 106 über, bei dem ein Glättungsvorgang erfolgt.
Hierbei wird der A/D-Abtastwert X_i mit Hilfe folgender Gleichung korrigiert: Xi = Xi–1 + (Xi–Xi–1)/k wobei k einen vorgegebenen Glättungskoeffizienten bezeichnet.
Nach dem Schritt 106 geht der Ablauf auf einen Schritt 107 über, bei dem unter Verwendung des im Schritt 106 erhaltenen Wertes X_i (d.h., eines Glättungswertes des Pumpzellenstroms Ip), ein Sollwert der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp durch Abfragen eines Pumpzellenstrom-Klemmenspannungs-Kennlinienfeldes bestimmt wird.
Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 108 über, bei dem ein Steuervorgang zur Einstellung der an der Pumpzelle 1a derzeit anliegenden Spannung Vp auf den im Schritt 107 festgelegten Sollwert durchgeführt wird, d.h., die Ausgangsspannung Vp' des Digital/Analog-Umsetzers 211 wird verändert und auf den Sollwert gebracht.
Bei der in 1 dargestellten Zentraleinheit CPU 20 sind die vorstehend beschriebenen Vorgänge in Form von Blocks veranschaulicht, d.h., eine Änderungsbegrenzungsschaltung 201 führt die Schritte 103 bis 105 durch, während eine Glättungsschaltung 202 den Schritt 106 und eine Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203 den Schritt 107 ausführen. Eine Sauerstoffkonzentrations-Signalausgabeschaltung 204 dient zur Ausgabe des im Schritt 106 geglätteten A/D-Abtastwertes als sogenanntes A/F-Signal (Luft/Kraftstoffverhältnis-Steuersignal), das die Konzentration von Sauerstoff (O₂) in den Abgasen angibt.
Durch die vorstehend beschriebenen Ablaufschritte gibt der Digital/Analog-Umsetzer 211 die Ausgangsspannung Vp' ab, die einen diskreten Wert aus einer Anzahl diskreter Werte aufweist, sodass die Pumpzellen-Klemmenspannung Vp ebenfalls einen diskreten Wert aus einer Anzahl diskreter Werte aufweist. Wenn somit der von dem Analog/Digital-Umsetzer 221 abgetastete Pumpzellenstrom Ip in der in 19 dargestellten Weise Stromspitzen enthält, werden sie durch die Änderungsbegrenzungsschaltung 201 und die Glättungsschaltung 202 unterdrückt, sodass ein störsignalfreier Pumpzellenstrom Ip erhalten wird, der eine genaue Bestimmung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp ermöglicht. Hierdurch lässt sich die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung von NOx erheblich verbessern.
Die Unterdrückung von Störsignalanteilen im Pumpzellenstrom Ip dient zur Verhinderung von unerwünschten Änderungen der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp und damit zur Stabilisierung des in der ersten Kammer 101 und der zweiten Kammer 102 verbleibenden Sauerstoffs (O₂), sodass sich die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung von NOx durch Verwendung der Überwachungszelle 1b und der Sensorzelle 1c verbessern lässt.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 6, 7 und 8 näher auf die vorteilhaften Eigenschaften des ersten Ausführungsbeispiels eingegangen.
6 zeigt die zeitabhängige Veränderung der Konzentration O₂ in den Abgasen einer Diesel-Brennkraftmaschine während einer Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr. Die obere Kennlinie veranschaulicht die vom Analog/Digital-Umsetzer 221 abgetasteten und ausgegebenen Werte des Pumpzellenstroms Ip (d.h., die A/D-Abtastwerte). Die untere Kennlinie veranschaulicht die Werte des Pumpzellenstroms Ip nach seiner Glättung durch die Glättungsschaltung 202. Beide Kennlinien steigen auf Grund der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr bis zu der normalen atmosphärischen Konzentration von O₂ in der Umgebungsluft an, jedoch erfolgt hierbei der Anstieg des Pumpzellenstroms Ip nach seiner Glättung durch die Glättungsschaltung 202 in Form eines geglätteten Verlaufs ohne scharfe Störsignalspitzen.
7 zeigt die zeitabhängige Veränderung der als Funktion des Pumpzellenstroms Ip bestimmten Pumpzellen-Klemmenspannung Vp, während 8 zeitabhängige Änderungen des Pumpzellenstroms Ip unmittelbar nach seiner Abtastung in Intervallen von 10 ms durch den Analog/Digital-Umsetzer 221 zeigt (d.h., den A/D-Abtastwert). Im dargestellten Fall steigt der Pumpzellenstrom Ip auf Grund der Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr mit einer maximalen Steigungsrate von 0,05 mA/10 ms an. Da die Konzentration von O₂ während einer Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr die größten Änderungen zeigt, kann somit der Maximalwert der Ansprechrate des Pumpzellenstroms Ip auf 0,05 mA/10 ms festgelegt werden. Der Spitzenwert der Änderungsrate des Pumpzellenstroms Ip erreicht ungefähr 0,2 mA/10 ms. Dies ist darauf zurück zu führen, dass auf Grund der stufenweise erfolgenden Änderungen der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp dem Pumpzellenstrom Ip scharfe Störsignalspitzen hinzugefügt werden, die auf die von der zwischen den Elektroden 121 und 122 der Pumpzelle 1a vorhandenen parasitären Kapazität und der Kapazität der Festelektrolytschicht herrührende Susceptanz zurückzuführen sind.
Wenn die Änderung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp durch ΔV1 und die Impedanz der Pumpzelle 1a durch ZAC gegeben sind, lässt sich eine Änderung ΔI1 des Pumpzellenstroms Ip durch die Beziehung ΔI1 = ΔV1/ZAC ausdrücken. Der Maximalwert der Pumpzellen-Klemmenspannungsänderung ΔV1 hängt vom Auflösungsvermögen des Digital/Analog-Umsetzers 211 ab. Wenn der Digital/Analog-Umsetzer 211 von einem derzeit verfügbaren Digital/Analog-Umsetzer mit 12 Bitstellen gebildet wird, hat das Bit geringster Wertigkeit eine Quantisierung von 1,22 mV. Wenn hierbei die Impedanz ZAC der Pumpzelle 1a 20 Ω beträgt, wird die Pumpzellen-Stromänderung ΔI1 auf Grund der Tatsache, dass die Ausgangsspannung des Digital/Analog-Umsetzers 211 einen diskreten Wert aufweist, zu annähernd 60 μA berechnet. Dies führt zu einem großen Fehler, der einem einer Konzentration von O₂ von 1% entsprechenden Luft/Kraftstoff-Verhältnis von eins (1) äquivalent ist, wenn z.B. das Luft/Kraftstoff-Verhältnis dreiundzwanzig (23) beträgt, was üblicherweise bei einem Magergemisch oder bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder bei einer erheblichen Abgasrückführung bei Diesel-Brennkraftmaschinen Verwendung findet.
Eine Verringerung eines solchen Fehlers ohne Beeinträchtigung der Ansprechrate des Pumpzellenstroms Ip auf eine Änderung der Konzentration von O₂ in der Brennkraftmaschine lässt sich daher erzielen, indem ein Grenzwert für die Pumpzellen-Stromänderung ΔI1 auf 60 μA eingestellt wird. Die untere Kennlinie gemäß 6 veranschaulicht hierbei die erhaltenen Werte, wenn der bei den Änderungsbegrenzungsvorgängen in den Schritten 103 bis 105 verwendete obere Änderungsgrenzwert ΔX = 60 μA beträgt.
Eine weitere Verringerung der dem Pumpzellenstrom Ip hinzugefügten Störsignalanteile wird durch die im Schritt 106 erfolgende Glättung des A/D-Abtastwertes erzielt. Der Glättungskoeffizient k wird hierbei vorzugsweise in Abhängigkeit von der erforderlichen Unterdrückungswirkung bei der Entfernung der scharfen Störsignalspitzen aus dem Pumpzellenstrom Ip sowie der Ansprechrate des Pumpzellenstroms Ip bestimmt. Im Rahmen der Erfindung konnte experimentell ermittelt werden, dass für den Glättungskoeffizienten k Werte von 1/8 bis 1/16 geeignet sind. Die untere Kennlinie veranschaulicht die erhaltenen Werte, wenn der Glättungskoeffizient k den Wert 1/16 aufweist.
Der in den Schritten 103 bis 105 erfolgende Änderungsbegrenzungsvorgang sowie der im Schritt 106 erfolgende Glättungsvorgang müssen nicht notwendigerweise zusammen erfolgen, sondern es kann auch durch einen dieser beiden Vorgänge die gewünschte Verringerung der Störsignalanteile im Pumpzellenstrom Ip erzielt werden.
9 zeigt ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche Bezugszahlen die gleichen Bauteile und Bauelemente wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels bezeichnen, deren erneute Beschreibung sich somit erübrigt.
Das Gaskonzentrations-Messgerät umfasst eine Pumpzellenschaltung 3aA und eine Zentraleinheit CPU 20A. Die Pumpzellenschaltung 3aA umfasst einen als Spannungsfolger dienenden Operationsverstärker 62 sowie ein Tiefpassfilter 63. Die an einem Verbindungspunkt des Widerstands 61 mit dem Operationsverstärker 52 auftretende Spannung wird einem Operationsverstärker 62 zugeführt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 62 wird über ein Tiefpassfilter 63 einem Analog/Digital-Umsetzer 212 zugeführt. Das Tiefpassfilter 63 wird von einer aus einem Widerstand 631 und einem Kondensator 632 bestehenden Integratorschaltung gebildet. Der vom Analog/Digital-Umsetzer 212 abgetastete Pumpzellenstrom Ip wird der Zentraleinheit CPU 20A zugeführt.
Die Zentraleinheit CPU 20A umfasst die Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203 sowie die Sauerstoffkonzentrations-Signalausgabeschaltung 204. Die Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203 spricht auf den eingegebenen Pumpzellenstrom Ip (d.h., den A/D-Abtastwert) zur Steuerung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp an.
Das Tiefpassfilter 63 dient zur Glättung oder Verzerrung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 62 (d.h., des Pumpzellenstroms Ip), wodurch wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels scharfe Stromspitzen unterdrückt werden, die im Pumpzellenstrom Ip während einer Übergangsperiode auftreten, bei der die Pumpzellen-Klemmenspannung Vp stufenweise verändert wird. Durch den Aufbau dieses Ausführungsbeispiels lässt sich die beim ersten Ausführungsbeispiel erforderliche Steuerung vereinfachen.
Bei dem Gaskonzentrations-Messgerät gemäß diesem Ausführungsbeispiel findet anders als beim ersten Ausführungsbeispiel keine Unterdrückung der scharfen Stromspitzen des Pumpzellenstroms Ip vor einem Glättungsvorgang statt. Eine ausreichende Unterdrückung der scharfen Stromspitzen im Pumpzellenstrom Ip erfordert somit eine Verringerung der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 63 (z.B. auf 0,5 Hz). Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels eignet sich für Anwendungsfälle, bei denen ein gewisses Ausmaß an Ansprechverzögerung zulässig ist.
10 zeigt ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche Bezugszahlen wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gleiche Bauteile und Bauelemente bezeichnen, deren erneute detaillierte Beschreibung sich somit erübrigt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel erfolgt die Einstellung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp durch Änderung des Ausgangssignals des Digital/Analog-Umsetzers 211, während bei diesem Ausführungsbeispiel eine andere Maßnahme in Betracht gezogen ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine Steuereinheit CPU 20B eine Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203B, durch die die relative Einschaltdauer (Tastverhältnis) eines pulsbreitenmodulierten bzw. pulsdauermodulierten PDM-Signals als Funktion der unter Verwendung eines Klemmenspannungs-Kennlinienfeldes abgeleiteten Pumpzellen-Klemmenspannung Vp bestimmt und dieses PDM-Signal abgegeben wird.
Dieses PDM-Signal wird der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors 433 einer Pumpzellenschaltung 3aB zugeführt. Der Feldeffekttransistor 433 bildet zusammen mit Widerständen 431 und 432 eine Modulatorschaltung 43, die zur Modulation der Ausgangsspannung einer Spannungsquelle 42 in Abhängigkeit von dem PDM-Signal dient. Hierbei gibt die Spannungsquelle 42 eine Konstantspannung ab. Die Modulatorschaltung 43 beaufschlagt die umgebungsluftseitige Pumpelektrode 122 über ein Tiefpassfilter 44 mit einem Spannungsversorgungssignal. Die Widerstände 431 und 432 und der Feldeffekttransistor 433 sind in Reihe zwischen die Spannungsquelle 42 und Masse geschaltet. Die Spannungsquelle 42 führt dem Tiefpassfilter 44 über den Widerstand 431 eine Spannung zu. Das Tiefpassfilter 44 wird hierbei von einer Integratorschaltung gebildet, die aus Widerständen 441 und 442, Kondensatoren 443 und 444, sowie einem Operationsverstärker 445 besteht.
Wenn im Betrieb das der Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 433 zugeführte PDM-Signal zum Durchschalten des Feldeffekttransistors 433 den logischen Wert eins aufweist, wird hierdurch der eingangsseitige Widerstand des Tiefpassfilters 44 um einen Betrag verringert, der dem Widerstandswert des zwischen den Eingang des Tiefpassfilters 44 und Masse geschalteten Widerstands 432 entspricht. Hierbei besitzt die dem Tiefpassfilter 44 zugeführte Spannung einen diskreten binären Wert, der entweder dem logischen Wert eins oder dem logischen Wert 0 entspricht, was davon abhängt, ob das PDM-Signal den logischen Wert 1 oder den logischen Wert 0 aufweist. Das Verhältnis der Dauer eines hohen Pegels, bei der der diskrete Wert den logischen Wert 1 aufweist, zu der Dauer eines niedrigen Pegels, bei der der diskrete Wert den logischen Wert 0 aufweist, wird vom Tastverhältnis des PDM-Signals bestimmt. Ruf diese Weise wird die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 42 durch das von der Zentraleinheit CPU 20B abgegebene PDM-Signal moduliert.
Die Ausgangsspannung der Modulatorschaltung 43 wird von dem Tiefpassfilter 44 geglättet bzw. verzerrt und der umgebungsluftseitigen Pumpelektrode 122 der Pumpzelle 1a zugeführt. Die Klemmenspannung besitzt somit im wesentlichen einen konstanten Wert in Form eines in dem Bereich zwischen dem logischen Wert 1 und dem logischen Wert 0 liegenden Gleichspannungssignals, das von dem Tastverhältnis des PDM-Signals bestimmt wird. Je länger die relative Einschaltdauer des Tastverhältnisses des PDM-Signals ist, umso niedriger ist hierbei der Pegel der an die umgebungsluftseitige Pumpelektrode 122 angelegten Spannung.
Der Pegelbereich der dem Tiefpassfilter 44 zugeführten Spannung wird von den Widerstandswerten der Widerstände 431 und 432 zwischen einem hohen Pegelwert und einem niedrigen Pegelwert festgelegt. Eine Steigerung der Auflösung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp lässt sich somit durch zweckmäßige Wahl der Widerstandswerte der Widerstände 431 und 432 erhalten. Im Rahmen der Erfindung wurde experimentell ermittelt, dass die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 44 vorzugsweise 107 Hz betragen sollte.
11 zeigt ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel in Bezug auf die Steuerung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp unterscheidet. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugszahlen wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gleiche Bauteile und Bauelemente, deren erneute detaillierte Beschreibung sich somit erübrigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine Zentraleinheit CPU 20C eine Pumpzellen-Klemmenspannungsteuerschaltung 203C. Eine Überwachungszellenschaltung 3bC umfasst Operationsverstärker 72 und 82 sowie einen Analog/Digital-Umsetzer 222. Die Ausgangsspannung einer Bezugsspannungsquelle 71 wird einem Operationsverstärker 72 zugeführt, der seinerseits die umgebungsluftseitige Sensor/Überwachungselektrode 125 der Überwachungszelle 1b mit einer Bezugsspannung Vm' beaufschlagt. In ähnlicher Weise wird die Ausgangsspannung einer Bezugsspannungsquelle 81 einem Operationsverstärker 82 zugeführt, der die kammerseitige Überwachungselektrode 81 der Überwachungszelle 1b mit einer Bezugsspannung Vm" beaufschlagt. Wenn hierbei eine Überwachungszellen-Klemmenspannung Vm an die Elektroden 123 und 125 angelegt wird, fließt zwischen den Elektroden 123 und 125 der Überwachungszellenstrom Im, der dann als Spannungsabfall an einem Widerstand 83 vom Analog/Digital-Umsetzer 222 erfasst wird.
Die Pumpzellen-Klemmenspannungsteuerschaltung 203C der Zentraleinheit CPU 20C dient zur Herbeiführung einer derartigen Bestimmung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp, dass der Überwachungszellenstrom Im durch Rückkopplung auf einen vorgegebenen Wert eingeregelt wird. So wird z.B. eine PID-Regelung unter Verwendung eines Proportionalwertes und eines Integralwertes zur Bestimmung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp und Steuerung der Ausgangsspannung Vp' des Digital/Analog-Umsetzers 211 durchgeführt. Die Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203C wird logisch von der Zentraleinheit CPU 20C implementiert.
Die Ausgangsspannung Vp' des Digital/Analog-Umsetzers 211 besitzt wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen einen diskreten Wert, was zur Folge hat, dass der Pumpzellenstrom Ip scharfe Stromspitzen aufweist, durch die sich die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung von Sauerstoff (O₂) verringert. Die Unterdrückung dieser scharfen Stromspitzen des Pumpzellenstroms Ip erfolgt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass vom Analog/Digital-Umsetzer 221 gebildete Abtastwerte des Pumpzellenstroms Ip in der Änderungsbegrenzungsschaltung 201 einer Änderungsbegrenzung und in der Glättungsschaltung 202 einer Glättung unterzogen werden.
12 zeigt ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich vom vierten Ausführungsbeispiel in Bezug auf die Steuerung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp unterscheidet. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugszahlen wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen die gleichen Bauteile und Bauelemente, deren erneute detaillierte Beschreibung sich somit erübrigt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst eine Zentraleinheit CPU 20D eine Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203D. Eine Überwachungszellenschaltung 3bD umfasst Operationsverstärker 74 und 86, den Analog/Digital-Umsetzer 222, ein Tiefpassfilter 85 sowie einen Widerstand 84. Die Ausgangsspannung einer Bezugsspannungsquelle 73 wird dem Operationsverstärker 74 zugeführt, der seinerseits der umgebungsluftseitigen Sensor/Überwachungselektrode 125 der Überwachungszelle 1b eine Bezugsspannung Vo zuführt. Der einen größeren Widerstandswert aufweisende Widerstand 84 ist mit der kammerseitigen Überwachungselektrode 123 der Überwachungszelle 1b verbunden. Die am Widerstand 84 abfallende Spannung wird dem Tiefpassfilter 85 zugeführt. Die Überwachungszelle 1b ist zur Erzeugung einer Quellenspannung (EMK) em zwischen den Elektroden 123 und 125 als Funktion des Verhältnisses des Partialdrucks von Sauerstoff (O₂) in der Kammer 102 zu demjenigen innerhalb des Luftkanals 105 ausgestaltet. Eine Änderung der Sauerstoffkonzentration in der Kammer 102 führt somit zu einer Änderung der dem Tiefpassfilter 85 zugeführten Spannung. Die Quellenspannung em beträgt bei einer höheren Konzentration von Sauerstoff (O₂) in der Kammer 102 annähernd 0,9 V, fällt stark ab, wenn die Sauerstoffkonzentration einem der stöchiometrischen Luftmenge entsprechenden Wert erreicht, und beträgt ungefähr 0,1 V, wenn die Sauerstoffkonzentration zur angereicherten (fetten) Seite hin abfällt.
Das Tiefpassfilter 85 besteht aus einem Widerstand 851 und einem Kondensator 852. Die Ausgangsspannung des Tiefpassfilters 85 wird über den Operationsverstärker 86 dem Analog/Digital-Umsetzer 222 zugeführt.
Die Pumpzeller-Klemmenspannungssteuerschaltung 203D der Zentraleinheit CPU 20D dient zur Bestimmung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp als Funktion der Quellenspannung (EMK) em. Die von der Überwachungszelle 1b erzeugte Quellenspannung (EMK) em ändert sich z.B. in der vorstehend beschriebenen Weise innerhalb eines Bereiches zwischen 0,9 V und 0,1 V in Bezug auf eine mittlere Spannung, die der stöchiometrischen Luftmenge bzw. Luftzahl entspricht. Die Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203D bestimmt somit die Pumpzellen-Klemmenspannung Vp derart, dass die Quellenspannung (EMK) em den Wert 0,45 V erreichen kann und steuert entsprechend das Ausgangssignal des Digital/Analog-Umsetzers 211. Hierbei ist die Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung bzw. -Steuereinrichtung 203D logisch in der Zentraleinheit CPU 20D implementiert.
Die Ausgangsspannung Vp' des Digital/Analog-Umsetzers 211 besitzt wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen einen diskreten Wert, was zur Folge hat, dass der Pumpzellenstrom Ip scharfe Stromspitzen aufweist, was die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung von Sauerstoff (O₂) herabsetzt. Die Unterdrückung dieser scharfen Stromspitzen des Pumpzellenstroms Ip erfolgt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass vom Analog/Digital-Umsetzer 221 gebildete Abtastwerte des Pumpzellenstroms Ip in der Änderungsbegrenzungsschaltung 201 einer Änderungsbegrenzung und in der Glättungsschaltung 202 einer Glättung unterzogen werden.
Das Tiefpassfilter 85 dient zur Glättung einer plötzlichen Änderung der Quellenspannung (EMK) em, um unerwünschte Schwankungen der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp zu vermeiden, wodurch sich eine bessere Konvergenz der Sauerstoffkonzentration in der Kammer 102 ergibt.
13 zeigt ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich vom fünften Ausführungsbeispiel in Bezug auf den Aufbau des Gassensors unterscheidet. Die Steuerung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp ist mit derjenigen des fünften Ausführungsbeispiels identisch. Gleiche Bezugszahlen wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel bezeichnen die gleichen Bauelemente und Bauteile, sodass sich deren erneute detaillierte Beschreibung erübrigt.
Wie in 14 verdeutlicht ist, wird ein Gassensor 1E von einem streifenartigen Laminat aus Festelektrolytschichten 151, 152 und 153, die aus Zirkondioxid bestehen, einer Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154, die aus einem Isoliermaterial, wie porösem Aluminiumoxid besteht, sowie einer Festelektrolytschicht 155 gebildet, die aus Zirkondioxid besteht und mit einem eingebetteten Heizelement 17 versehen ist.
Die Festelektrolytschicht 152 und die Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154 bilden eine gemeinsame Schicht, die zwischen den Festelektrolytschichten 151 und 153 angeordnet ist. Hierbei ist die Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154 näher am Kopfteil des Gassensors angeordnet, während die Festelektrolytschicht 152 näher am Basisteil des Gassensors angeordnet ist. Die Festelektrolytschicht 152 und die Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154 sind mit Ausnehmungen versehen, die in Längsrichtung des Gassensors eine erste Kammer 141 und eine zweite Kammer 142 bilden. Die Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154 dient zur Einleitung von Messgasen in die erste Kammer 141 und Herstellung einer Gasverbindung zwischen der ersten Kammer 141 und der zweiten Kammer 142.
Die Schicht 155 bildet einen Luftkanal 143 zwischen sich und der Festelektrolytschicht 153. Dieser Luftkanal 143 verläuft über der ersten Kammer 141 und der zweiten Kammer 142 und steht mit der Atmosphäre (Umgebungsluft) in Verbindung. Bei Anbringung des Gassensors 1E im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs steht der Luftkanal 143 mit dem Außenbereich des Abgasrohrs in Verbindung.
An gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 151 sind Elektroden 161 und 162 zur Bildung einer Pumpzelle 1d angebracht. Hierbei besteht die der ersten Kammer 141 ausgesetzte Elektrode 161 aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist und somit NOx nicht nennenswert aufspaltet.
An gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 153 sind Elektroden 163 und 165 zur Bildung einer Überwachungszelle 1e angebracht. Hierbei ist die Elektrode 163 der ersten Kammer 141 ausgesetzt, während die Elektrode 165 dem Luftkanal 143 ausgesetzt ist. Die der ersten Kammer 141 ausgesetzte Elektrode 164 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Die Elektrode 165 verläuft bis zu der zweiten Kammer 142 und dient als gemeinsame Elektrode für eine Sensorzelle 1f und eine zweite Pumpzelle 1g, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird.
An einer Oberfläche der der zweiten Kammer 142 ausgesetzten Festelektrolytschicht 153 ist eine Elektrode 164 angebracht, die zusammen mit der gemeinsamen Elektrode 165 die Sensorzelle 1f bildet.
An einer Oberfläche der der zweiten Kammer 142 ausgesetzten Festelektrolytschicht 151 ist weiterhin eine Elektrode 166 angebracht, die zusammen mit den Festelektrolytschichten 151 bis 153 und der Elektrode 165 die zweite Pumpzelle 1g bildet.
Die der zweiten Kammer 142 ausgesetzte Elektrode 164 der Sensorzelle 1f besteht aus einem Edelmetall wie Pt, das in Bezug auf NOx reaktionsfähig ist und somit zur Aufspaltung oder Ionisierung von NOx dient. Die Elektrode 166 der zweiten Pumpzelle 1g besteht dagegen aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
In die Schicht 155 ist ein Leitermuster eingebettet, das das Heizelement 17 zur Erwärmung des gesamten Gassensors 1E auf eine erforderliche Aktivierungstemperatur bildet. Das Heizelement 17 wird zur Erzeugung von Joule'scher Wärme elektrisch betrieben.
Die Überwachungszelle 1e erzeugt eine Quellenspannung (EMK) em als Funktion der Konzentration von O₂ in der ersten Kammer 141. Eine Überwachungszellenschaltung 3e besteht wie im Falle des fünften Ausführungsbeispiels aus der Bezugsspannungsquelle 73, dem Operationsverstärker 74, dem Widerstand 84, dem Tiefpassfilter 85 und dem Operationsverstärker 86 und dient zur Messung der Konzentration von in der ersten Kammer 141 verbleibendem Sauerstoff (O₂).
Eine Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203E einer Zentraleinheit CPU 20E führt eine derartige Bestimmung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp herbei, dass die von der Überwachungszelle 1e erzeugte Quellenspannung (EMK) em eine gegebene Spannung (von z.B. 0,45 V) erreichen kann, und steuert entsprechend das Ausgangssignal des Digital/Analog-Umsetzers 211, wodurch Sauerstoff (O₂) aus der ersten Kammer 141 abgeführt und die Konzentration von O₂ auf einem konstanten niedrigen Wert gehalten wird. Hierdurch wird auch O₂ aus der zweiten Kammer 142 abgeführt, sodass die Konzentration von O₂ in der zweiten Kammer 142 im wesentlichen auf dem gleichen niedrigeren Wert wie in der ersten Kammer 141 gehalten wird.
Eine zweite Pumpzellenschaltung 3g dient zum Abführen von O₂ aus der zweiten Kammer 142 durch Anlegen einer Spannung Vp2 an die Elektroden 165 und 166, wobei die Elektrode 165 mit dem positiven Anschluss einer Spannungsquelle verbunden ist. Beim Anlegen der Spannung Vp2 erzeugen die Elektroden 165 und 166 den Pumpzellenstrom Ip2.
Eine Sensorzellenschaltung 3c dient zur Ableitung von O₂ aus der zweiten Kammer 142 durch Anlegen einer Spannung Vs an die Elektroden 165 und 164, wobei die Elektrode 165 mit dem positiven Anschluss einer Spannungsquelle verbunden ist. Beim Anlegen der Spannung Vs erzeugen die Elektroden 165 und 164 den Sensorzellenstrom Is als Funktion der Konzentration von NOx in der zweiten Kammer 142.
Die vorstehend beschriebenen Vorgänge sind bekannter Art, sodass hier nicht näher darauf eingegangen wird.
Die Ausgangsspannung Vp' des Digital/Analog-Umsetzers 211 besitzt wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen einen diskreten Wert, wodurch scharfe Stromspitzen im Pumpzellenstrom Ip hervorgerufen werden, was zu einer Verringerung der Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung von Sauerstoff (O₂) führt. Die Unterdrückung dieser scharfen Stromspitzen des Pumpzellenstroms Ip erfolgt wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass vom Analog/Digital-Umsetzer 221 gebildete Abtastwerte des Pumpzellenstroms Ip in der Änderungsbegrenzungsschaltung 201 einer Änderungsbegrenzung und in der Glättungsschaltung 202 einer Glättung unterzogen werden.
Das Tiefpassfilter 85 dient hierbei zur Glättung einer plötzlichen Änderung der Quellenspannung (EMK) em, um eine unerwünschte Änderung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp zu vermeiden, was zu einer verbesserten Konvergenz der Konzentration von Sauerstoff in der Kammer 142 führt.
15 zeigt ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 9 dahingehend unterscheidet, dass anstelle des Tiefpassfilters 63 gemäß 9 ein Tiefpassfilter 45 Verwendung findet. Gleiche Bezugszahlen wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel bezeichnen die gleichen Bauteile und Bauelemente, sodass sich deren erneute detaillierte Beschreibung erübrigt.
Dieses Ausführungsbeispiel des Gaskonzentrations-Messgeräts umfasst eine Pumpzellenschaltung 3aF sowie eine Zentraleinheit CPU 20F. Die Pumpzellenschaltung 3aF umfasst das Tiefpassfilter 45, dem die Ausgangsspannung des Digital/Analog-Umsetzers 211 zugeführt wird. Das Tiefpassfilter 45 wird von einer aus einem Widerstand 451 und einem Kondensator 452 bestehenden Integratorschaltung gebildet und dient zum Anlegen der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp' an die umgebungsluftseitige Pumpelektrode 122 der Pumpzelle 1a.
Die Zentraleinheit CPU 20F umfasst die Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203 und die Sauerstoffkonzentrations-Signalausgabeschaltung 204. Die Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203 spricht auf die Eingabe des Pumpzellenstroms Ip (d.h., des A/D-Abtastwertes) zur Steuerung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp an.
Das Tiefpassfilter 45 dient zur Glättung oder Verzerrung des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 41 (d.h., der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp'), um wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels scharfe Stromspitzen im Pumpzellenstrom Ip zu unterdrücken, die während einer Übergangsperiode auftreten, bei der eine schrittweise Änderung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp' erfolgt. Durch den Aufbau dieses Ausführungsbeispiels lässt sich im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel die Steuerung vereinfachen.
Eine möglichst weitgehende Unterdrückung der scharfen Stromspitzen des Pumpzellenstroms Ip erfordert eine Verringerung der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 45. Im Rahmen der Erfindung konnte experimentell ermittelt werden, dass bei einer Grenzfrequenz von 0,5 Hz und einem minimalen Auflösungsvermögen des Digital/Analog-Umsetzers 211 von 2 mV die bei einer Änderung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp' von 2 mV verursachte Änderung des Pumpzellenstroms Ip von 0,1 mA (entsprechend einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 1,2) auf 0,005 mA (entsprechend einem Luft/Kraftstoffverhältnis von 0,06) verringert wird.
16 zeigt ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das eine Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 10 darstellt. Gleiche Bezugszahlen wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel bezeichnen hierbei gleiche Bauteile und Bauelemente, sodass sich deren erneute detaillierte Beschreibung erübrigt.
Das Gaskonzentrations-Messgerät umfasst ein Tiefpassfilter 46, das zur Glättung oder Verzerrung des Ausgangssignals einer Modulatorschaltung 43 dient. Das Tiefpassfilter 46 besteht wie das Tiefpassfilter 44 gemäß 10 aus Widerständen 461 und 462, Kondensatoren 463 und 464 sowie einem Operationsverstärker 465. Das Tiefpassfilter 46 besitzt eine niedrigere Grenzfrequenz als das Tiefpassfilter 44, wodurch sich außer der Glättung der von dem von der Zentraleinheit CPU 20G abgegebenen PDM-Signal modulierten Ausgangsspannung der Spannungsquelle 42 auch zusätzlich eine Begrenzung der Änderung der Pumpzellen- Klemmenspannung Vp auf einen gewünschten Bereich und eine Glättung der Pumpzellen-Klemmenspannung erzielen lässt. Hierdurch entfällt das Erfordernis der Verwendung der Glättungsschaltung 202 und der Änderungsbegrenzungsschaltung 201 gemäß 10, was zu einer Verringerung der betrieblichen Belastung der Zentraleinheit 20G führt.
Die Pumpzellen-Klemmenspannungssteuerschaltung 203B dient hierbei zur Bestimmung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp als Funktion des vom Analog/Digital-Umsetzer 221 abgetasteten Pumpzellenstroms Ip.
Die Glättung der Pumpzellen-Klemmenspannung Vp in dem zur Unterdrückung der scharfen Stromspitzen des Pumpzellenstroms Ip erforderlichen Ausmaß erfordert eine starke Verringerung der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 46. Im Rahmen der Erfindung konnte experimentell ermittelt werden, dass als Grenzfrequenz des Tiefpassfilters 46 vorzugsweise eine Frequenz von 0,5 Hz zu verwenden ist.
Erfindungsgemäß wird somit ein störsignalfreier, d.h., zu keinen Störsignalanteilen führender Schaltungsaufbau eines Gaskonzentrations-Messgeräts angegeben. Das Gaskonzentrations-Messgerät umfasst einen Gassensor mit einem Festelektrolytkörper, an dem zwei Elektroden zur Bildung einer Pumpzelle angebracht sind, die durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden betätigt wird. Diese Spannung weist jeweilige diskrete Pegel auf, durch die dem von der Pumpzelle erzeugten Pumpzellenstrom unerwünschte scharfe Stromspitzen hinzugefügt werden. Das Gaskonzentrations-Messgerät führt daher eine Glättung oder Verzerrung der an die Pumpzelle anzulegenden Spannung oder des Pumpzellenstroms durch, wodurch die scharfen Stromspitzen des Pumpzellenstroms unterdrückt werden.

Claims

Gaskonzentrations-Messgerät, mit einem Gassensor, der ein Sensor-Basiselement und eine Pumpzelle umfasst, wobei das Sensor-Basiselement einen Festelektrolytkörper aufweist, der in dem Sensor-Basiselement eine Gaskammer bildet, in die Gase über einen gegebenen Diffusionswiderstand eingeleitet werden, und die Pumpzelle durch Anbringung einer ersten und einer zweiten Elektrode an dem Festelektrolytkörper gebildet wird, wobei die erste Elektrode der Gaskammer ausgesetzt ist und in Abhängigkeit vom Anlegen einer elektrischen Größe an die erste und die zweite Elektrode selektiv einen gegebenen Gasbestandteil aus der Gaskammer herauspumpt und in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Pumpmenge des gegebenen Gasbestandteils zu erzeugen, einer elektrischen Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals mit jeweiligen diskreten elektrischen Werten zur Steuerung der an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle angelegten elektrischen Größe, einer Sensorsignal-Detektorschaltung zur Erfassung des von der Pumpzelle abgegebenen Sensorsignals und Erzeugung einer Sensor-Ausgangsgröße als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils, und einer Änderungsbegrenzungsschaltung zur Begrenzung einer Änderung des Sensorsignals auf einen gegebenen Bereich.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsbegrenzungsschaltung von einer zur Integration des Sensorsignals dienenden Integratorschaltung gebildet wird.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Sensorsignals bestimmt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Pumpzelle zur Erzeugung eines Pumpsignals als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils innerhalb einer in dem Sensor-Basiselement stromab der Gaskammer ausgebildeten zweiten Gaskammer vorgesehen ist und dass die elektrische Steuerschaltung einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Pumpsignals bestimmt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung zur Erzeugung einer von einem pulsbreitenmodulierten PDM-Signal modulierten Spannung und Umsetzung der modulierten Spannung in eine an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle anzulegende Gleichspannung ausgestaltet ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung die Gleichspannung innerhalb eines zwischen binären Spannungspegeln liegenden Bereiches erzeugt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung eine Modulatorschaltung aufweist, die die Spannung zwischen den binären Spannungspegeln unter Verwendung des PDM-Signals umschaltet.
Gaskonzentrations-Messgerät, mit einem Gassensor, der ein Sensor-Basiselement und eine Pumpzelle umfasst, wobei das Sensor-Basiselement einen Festelektrolytkörper aufweist, der in dem Sensor-Basiselement eine Gaskammer bildet, in die Gase über einen gegebenen Diffusionswiderstand eingeleitet werden, und die Pumpzelle durch Anbringung einer ersten und einer zweiten Elektrode an dem Festelektrolytkörper gebildet wird, wobei die erste Elektrode der Gaskammer ausgesetzt ist und in Abhängigkeit vom Anlegen einer elektrischen Größe an die erste und die zweite Elektrode selektiv einen gegebenen Gasbestandteil aus der Gaskammer herauspumpt und in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Pumpmenge des gegebenen Gasbestandteils zu erzeugen, einer elektrischen Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals mit jeweiligen diskreten elektrischen Werten zur Steuerung der an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle angelegten elektrischen Größe, einer Sensorsignal-Detektorschaltung zur Erfassung des von der Pumpzelle abgegebenen Sensorsignals und Erzeugung einer Sensor-Ausgangsgröße als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils, und einer Glättungsschaltung zur Glättung von Änderungen des Sensorsignals.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Änderungsbegrenzungsschaltung, die vor der Glättung der Änderungen des Sensorsignals eine Begrenzung der Änderungen des Sensorsignals auf einen gegebenen Bereich herbeiführt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschaltung von einer zur Integration des Sensorsignals dienenden Integratorschaltung gebildet wird.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Sensorsignals bestimmt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Pumpzelle zur Erzeugung eines Pumpsignals als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils innerhalb einer in dem Sensor-Basiselement stromab der Gaskammer ausgebildeten zweiten Gaskammer vorgesehen ist und dass die elektrische Steuerschaltung einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Pumpsignals bestimmt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung zur Erzeugung einer von einem pulsbreitenmodulierten PDM-Signal modulierten Spannung und Umsetzung der modulierten Spannung in eine an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle anzulegende Gleichspannung ausgestaltet ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung die Gleichspannung innerhalb eines zwischen binären Spannungspegeln liegenden Bereiches erzeugt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung eine Modulatorschaltung aufweist, die die Spannung zwischen den binären Spannungspegeln unter Verwendung des PDM-Signals umschaltet.
Gaskonzentrations-Messgerät, mit einem Gassensor, der ein Sensor-Basiselement und eine Pumpzelle umfasst, wobei das Sensor-Basiselement einen Festelektrolytkörper aufweist, der in dem Sensor-Basiselement eine Gaskammer bildet, in die Gase über einen gegebenen Diffusionswiderstand eingeleitet werden, und die Pumpzelle durch Anbringung einer ersten und einer zweiten Elektrode an dem Festelektrolytkörper gebildet wird, wobei die erste Elektrode der Gaskammer ausgesetzt ist und in Abhängigkeit vom Anlegen einer elektrischen Größe an die erste und die zweite Elektrode selektiv einen gegebenen Gasbestandteil aus der Gaskammer herauspumpt und in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Pumpmenge des gegebenen Gasbestandteils zu erzeugen, einer elektrischen Steuerschaltung zur Erzeugung eines Steuersignals mit jeweiligen diskreten elektrischen Werten zur Steuerung der an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle angelegten elektrischen Größe, einer Sensorsignal-Detektorschaltung zur Erfassung des von der Pumpzelle abgegebenen Sensorsignals und Erzeugung einer Sensor-Ausgangsgröße als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils, und einer Glättungsschaltung zur Glättung des von der elektrischen Steuerschaltung erzeugten Steuersignals.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Glättungsschaltung von einer zur Integration des Steuersignals dienenden Integratorschaltung gebildet wird.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Sensorsignals bestimmt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Pumpzelle zur Erzeugung eines Pumpsignals als Funktion der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils innerhalb einer in dem Sensor-Basiselement stromab der Gaskammer ausgebildeten zweiten Gaskammer vorgesehen ist und dass die elektrische Steuerschaltung einen Sollwert des Steuersignals als Funktion des Pumpsignals bestimmt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung zur Erzeugung einer von einem pulsbreitenmodulierten PDM-Signal modulierten Spannung und Umsetzung der modulierten Spannung in eine an die erste und die zweite Elektrode der Pumpzelle anzulegende Gleichspannung ausgestaltet ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung die Gleichspannung innerhalb eines zwischen binären Spannungspegeln liegenden Bereiches erzeugt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerschaltung eine Modulatorschaltung aufweist, die die Spannung zwischen den binären Spannungspegeln unter Verwendung des PDM-Signals umschaltet.