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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer
Lambdasonde nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
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Eine
sogenannte Breitband-Lambdasonde und eine Schaltungsanordnung zum
Betreiben einer solchen Breitband-Lambdasonde geht beispielsweise
aus der Buchveröffentlichung „Bosch
Kraftfahrtechnisches Taschenbuch",
25. Auflage, Oktober 2003, Seite 134 hervor. Eine solche
Sonde in Mehrschichtkeramik besteht im Wesentlichen aus einer Kombination
von herkömmlicher,
als galvanische Zelle wirkende Konzentrationssonde (Kernst-Sonde) sowie
einer Grenzstrom- oder „Pump"-Zelle. An die Pumpzelle
wird von außen
eine Spannung angelegt. Wenn die Spannung groß genug ist, stellt sich ein
sogenannter Grenzstrom ein, der proportional dem Unterschied der
Sauerstoffkonzentration auf beiden Seiten der Sonde ist. Mit dem
Strom werden – polaritätsabhängig – Sauerstoffionen
transportiert. Durch die Schaltungsanordnung, die eine elektronische
Regelschaltung darstellt, wird sichergestellt, dass der Konzentrationssonde
von der Pumpzelle über
einen sehr engen Diffusionsspalt immer genau so viel Sauerstoff
aus dem Abgas zugeführt
wird, dass an ihr der Zustand Lambda = 1 herrscht. Bei Luftüberschuss
im Abgas, im sogenannten Magerbereich, wird Sauerstoff abgepumpt,
bei geringem Restsauerstoffgehalt des Abgases, im fetten Bereich,
wird durch Umkehrung der Pumpspannung Sauerstoff zugeführt. Der Pumpstrom
bildet dabei das Ausgangssignal der Sonde.
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Der
Abgleich einer solchen planaren Breitband-Lambdassonde erfolgt über einen
Stromteiler. Hierzu wird in einem Stecker der Sonde, wie er beispielsweise
aus der
DE 201 06
750 U1 hervorgeht, ein abgleichbarer Widerstand angeordnet,
der parallel zu einem Messwiderstand, der vorzugsweise Teil eines
Steuergeräts
ist, geschaltet. Bei Diffusionsbarrieren mit hohem Grenzstrom wird
der Abgleichwiderstand niederohmig belassen. Bei niedrigem Grenzstrom
wird der Widerstand dadurch erhöht,
dass mittels eines Lasers ein Einschnitt in ihm vorgenommen wird.
Durch diesen Widerstand wird die Pumpstrom-Konzentrations-Kennlinie gedreht, sodass
neben dem Abgleichpunkt auch alle anderen Punkte auf der Sollkennlinie
liegen.
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Breitbandsonden
werden nun mit einer gepumpten Referenz betrieben. Dazu wird ein
Referenzpumpstrom von beispielsweise 20 μA von der inneren Pumpelektrode
in die Referenz eingespeist, durch den Sauerstoff aus dem der Diffusionsbarriere nachgelagerten
Hohlraum in die Referenz gepumpt wird.
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Der
Referenzpumpstrom erscheint nun als zusätzlicher Funktionspumpstrom,
das heißt
als positiver Offset im Ausgangssignal der Breitbandsonde. Dieser
Offset wird in einer Kompensationseinrichtung, die Teil eines Steuergeräts ist,
zum Ausgangssignal addiert und auf diese Weise kompensiert.
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Der
Anteil des Referenzpumpstroms, der als Offset im Ausgangssignal
erscheint, hängt
nun vom Verhältnis
des Stromteilers, der aus dem Arbeits- oder Messwiderstand und dem
Abgleichwiderstand gebildet wird, ab. Aus diesem Grunde wird aufgrund der
gepumpten Referenz durch den Abgleich mittels des Abgleichwiderstands
ein Offsetfehler hervorgerufen, der besonders bei kleinen Funktionspumpströmen die
Genauigkeit der Sonde stark einschränkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 1 hat demgegenüber
den Vorteil, dass der Abgleichwiderstand und das Verhältnis des
Abgleichwiderstands zum Messwiderstand bestimmt und bei der Bestimmung
des Ausgangssignals, das heißt
des Pumpstroms berücksichtigt
werden können.
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Hierzu
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
durch wenigstens ein Schaltmittel wahlweise entweder der Abgleichwiderstand
oder der Messwiderstand abschaltbar ist und aufgrund der sich dadurch
einstellenden über
dem Messwiderstand abfallenden Spannung das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmbar
ist.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch
angegebenen Schaltungsanordnungen möglich.
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Zweckmäßigerweise
wird das wenigstens eine Schaltmittel durch eine Steuereinrichtung
angesteuert, die bevorzugt Teil eines Motor-Steuergerätes ist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
ist vorgesehen, dass der Abgleichwiderstand durch Einstellen eines
Stroms bekannter Größe bei nicht
abgeschaltetem Abgleichwiderstand und bei nicht abgeschaltetem Messwiderstand
bestimmt wird.
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Vorteilhafterweise
weist die Steuereinrichtung eine Kompensationseinheit auf, in der
der durch den Stromteiler aus Messwiderstand und Abgleichwiderstand
hervorgerufene Offset des Pumpstroms zu dem Pumpstrom addiert wird.
Hierbei wird entweder der ermittelte Abgleichwiderstand oder eine
vorgebbare Größe eines
Abgleichwiderstands verwendet.
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Die
vorgebbare Größe kann
beispielsweise durch Mittelwertbildung einer Mehrzahl von zuvor empirisch
ermittelten Abgleichwiderständen
bestimmt werden.
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Vorzugsweise
wird dabei der Abgleichwiderstand bei jedem Inbetriebnehmen der
Breitband-Lambdasonde erneut ermittelt, weil die Sonde ausgetauscht
sein könnte.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
ein Sensorelement eines Gassensors mit einer Schaltungsanordnung;
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2 das
Ersatzschaltbild eines Gassensors mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
und
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3 einen
Teil einer Schaltung zum Betreiben eines Gassensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der
in 1 gezeigte Gassensor 10 enthält eine
erste Elektrode, auch Außenpumpelektrode 11 genannt,
die einem zu untersuchenden Gas ausgesetzt ist. Das zu untersuchende
Gas gelangt über
einen Gaskanal 12 und eine Diffusionsbarriere 13 in
einen Messgasraum 14, in dem eine zweite Elektrode, auch
innere Pumpelektrode 15 genannt, angeordnet ist. Zwischen
der ersten und der zweiten Elektrode 11, 15 entsteht
eine Pumpzelle. Die erste Elektrode 11 ist mit einer Pumpstromleitung 16 und
die zweite Elektrode 15 mit einer Messleitung 17 verbunden.
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Der
Gassensor 10 enthält
einen Referenzgasraum 18, in dem eine dritte Elektrode,
auch Referenzelektrode 19 genannt, angeordnet ist, die
mit einer Referenzpumpstromleitung 20 verbunden ist. Zwischen
dem Referenzgasraum 18 und dem Messgasraum 14,
genauso wie zwischen den Elektroden 11, 15 entsteht
eine Nernstzelle mit einer Nernstspannung UN,
in der ein Referenzgasionentransport 21 stattfinden kann.
Zwischen den Elektroden 11 und 15 bildet sich
ein Innenwiderstand RiP aus und zwischen
den Elektroden 15 und 19 bildet sich ein Innenwiderstand
RiN aus.
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Der
Gassensor 10 enthält
weiterhin eine Sensorheizung 22, die Heizleitungen 23, 24 aufweist. Die
Pumpstromleitung 16, die Messleitung 17, die Referenzpumpstromleitung 20 und
die Heizleitungen 23, 24 werden einer Schaltungsanordnung 200 zugeführt, wie
es schematisch in 2 dargestellt ist. Hierzu sind
beispielsweise Steckverbinder, welche Steckerpins mit der entsprechenden
Anzahl der Leitungen aufweisen, vorgesehen.
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In 2 sind
schematisch ein Ersatzschaltbild eines derartigen Gassensors sowie
ein detaillierter Aufbau der Schaltungsanordnung 200, die
beispielsweise Teil eines Steuergerätes ist, dargestellt.
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Mittels
der Referenzpumpstromleitung 20 wird ein Referenzpumpstrom,
den eine Stromquelle 240 zur Verfügung stellt, der Referenzelektrode 19 über einen
Widerstand 241 zugeführt.
Die Referenzpumpstromleitung 20 ist ferner mit dem invertierenden
Eingang eines Differenzverstärkers 220 verbunden,
dessen Ausgang über
einen Arbeitswiderstand 223 einen Pumpstrom IP bereitstellt.
Der Pumpstrom IP istidentisch mit einem
Sensorsignal, das in einem Verstärker 222 verstärkt wird.
Der Pumpstrom IP wird über die Pumpstromleitung 16 der äußeren Pumpelektrode 11 zugeführt. Über einen
zwischen der äußeren Elektrode 11 und
der inneren Elektrode 15 durch das Sensorelement ausgebildeten
Widerstand RiP fällt eine Spannung ab, die durch
die Messleitung 17 abgegriffen und dem nicht invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 220 zugeführt wird.
Die Messleitung 17 liegt ebenso an einer virtuellen Masse 210 wie
eine Referenzspannungsquelle URef 232. Die
Referenzspannungsquelle 232 ist mit dem nicht invertierenden
Eingang des Differenzverstärkers 220 verbunden.
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Über eine
Kapazität 231 kann
eine Messung des Innenwiderstands des Gassensors durch eine Schaltungseinrichtung 230 erfolgen.
Aufgrund der Messung des Innenwiderstands der Nernstzelle RiN kann so auf die Temperatur des Gassensors
geschlossen werden. Alternativ ist auch eine Temperaturbestimmung
mittels der Heizung 22, das heißt deren Heizwiderstand RH 150 möglich. Der Heizwiderstand RH 150 der Heizung 22 ist über die
beiden Leitungen 23, 24 mit der Batteriespannung
UBatt sowie mit einem Low-side-FET 250 verbunden,
der seinerseits eine Verbindung zur gemeinsamen Masse 251 der
Schaltungsanordnung 200 aufweist.
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Ein
Teil des Pumpstroms IP wird über eine Abgleichleitung 25 und
einen zum Messwiderstand 223 parallelen Abgleichwiderstand 224,
der zum Kalibrieren des Sondensignals variabel ist, transportiert. Der
Abgleichwiderstand RA 224 bildet
zusammen mit dem Mess- oder Arbeitswiderstand 223 einen
Stromteiler, durch den der Abgleich der Kennlinie der planaren Breitband-Lambdasonde
erfolgt. Der abgleichbare Widerstand 224 ist bevorzugt
in einem Stecker der Sonde angeordnet. Bei Diffusionsbarrieren 13 mit hohem
Grenzstrom wird der Abgleichwiderstand 224 niederohmig
belassen und bei niedrigem Grenzstrom wird ein Laserschnitt in dem
Abgleichwiderstand 224 auf an sich bekannte Weise eingebracht,
der den Widerstandswert erhöht.
Auf diese Weise kann die Kennlinie auf an sich bekannte Weise gedreht
werden, sodass neben dem Abgleichpunkt auch alle anderen Punkte
auf der Sollkennlinie liegen.
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Der
vorstehend erwähnte
Referenzpumpstrom, der von der Referenzpumpstromquelle 240 erzeugt
wird, erscheint nun als negativer Offset im Pumpstrom IP im
Ausgangssignal der Breitbandsonde. Dieser Offset im Ausgangssignal
hängt vom Verhältnis des
Stromteilers, also letzten Endes vom abgleichbaren Widerstand 224 und
damit vom Abgleich ab. Dieser Offsetfehler zeigt sich besonders bei
kleinen Pumpströmen
IP, wodurch die Genauigkeit besonders stark
eingeschränkt
wird.
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Aus
diesem Grunde ist vorgesehen, den Abgleichwiderstand RA 224 zu
bestimmen.
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Der
Abgleichwiderstand 224 kann beispielsweise dadurch bestimmt
werden, dass er durch einen Schalter 226 gewissermaßen zugeschaltet
wird, das heißt
die Abgleichleitung 25 durch den Schalter 226 geschlossen
wird. In diesem Fall erniedrigt sich der Spannungsabfall über dem
Arbeits- oder Messwiderstand 223 Rm um
den Faktor 1/(1 + Rm/RA).
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Alternativ
hierzu kann bei geschlossenem Schalter 226 auch ein Schalter 225 in
der Pumpstromleitung 16 geöffnet und damit der Messwiderstand 223 Rm abgeschaltet wer den. In diesem Falle erhöht sich
der Spannungsabfall über
dem Messwiderstand Rm um den Faktor 1 +
RA/Rm.
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Der
Abgleichwiderstand RA 224 kann
auch dadurch bestromt werden, dass bei geschlossenem Schalter 225 und
geschlossenem Schalter 226 ein Strom bekannter Größe Rest eingespeist wird, der von einer Stromquelle 270 erzeugt
wird. Über
diesen eingespeisten Strom bekannter Größe Rest wird
aus der Ausgangsspannung Um über den
Arbeits- oder Messwiderstand Rm 223 der
Abgleichwiderstand RA 224 bestimmt
durch: RA = (Itest/Um – 1/Rm)–1
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Durch
diese Bestimmung ist es möglich,
den Abgleichfaktor aus dem Funktionspumpstrom herauszurechnen. In
diesem Falle muss der Ausgang des Differenzverstärkers 220 ausgeschaltet
sein durch Öffnen
der Schalter 225, 226.
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Die
beiden Schalter 225 und 226 können beispielsweise durch eine
Steuereinrichtung 280 angesteuert werden, die Teil der
Schaltungsanordnung 200 ist.
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Die
Kompensation des negativen Offsets im Pumpstrom IP erfolgt
in einer Kompensationseinheit 290, die ebenfalls Teil der
Schaltungsanordnung 200 ist. In dieser Kompensationseinheit 290 wird
der durch den Stromteiler aus Messwiderstand 223 und Abgleichwiderstand 224 in
der Pumpstrom-Konzentrations-Kennlinie hervorgerufene Offset des Pumpstroms
IP von dem Pumpstrom IP addiert
und somit kompensiert.
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Statt
der in 2 dargestellten Schaltung kann auch die in 3 dargestellte
Schaltung verwendet werden. In 3 ist nur
ein Teil der Schaltungsanordnung dargestellt. Diese Schaltungsanordnung
unterscheidet sich von der in 2 dargestellten
dadurch, dass ein Schalter 227 vorgesehen ist, der zwischen
zwei Stellungen 1 und 2 umschaltbar ist. Stellung 1 bezeichnet die
Signalmessstellung, in Stellung 2 wird die Größe des Abgleichwiderstands 224 bestimmt.
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Zur
Kompensation wird dabei der exakt ermittelte Abgleichwiderstand
RA verwendet.
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Statt
der Verwendung des auf vorstehend beschriebene Weise ermittelten
Abgleichwiderstands 224 kann auch vorgesehen sein, einen
mittleren Abgleichwiderstand 224 bei der Kompensation zu
berücksichtigen.
Mittlerer Abgleichwiderstand 224 bedeutet dabei, einen
Mittelwert, der aufgrund einer Mehrzahl von empirisch auf vorstehende
Weise bestimmten Abgleichwiderständen 224 gebildet
wird. Dieser mittlere Abgleichwiderstand kann in einer Speichereinrichtung
der Schaltungsanordnung 200 hinterlegt werden, sodass in
diesem Falle auf eine Bestimmung des Abgleichwiderstands verzichtet werden
kann.