DE102009001761A1

DE102009001761A1 - Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE102009001761A1
Application number: DE102009001761A
Authority: DE
Inventors: Hirotsugu Kariya-shi Ishino; Jun Kariya-shi Tarui
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2009-10-08
Also published as: CN101551354A; JP4465725B2; CN101551354B; JP2009265079A; US20090251126A1; US8248087B2; BRPI0900930A2

Abstract

Eine Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung (1) umfasst einen ersten und zweiten Schalter (SW1, SW2), die bei zwei Frequenzen (f1, f2) an- und ausgeschaltet werden. Wenn der erste Schalter (SW1) angeschaltet wird, und der zweite Schalter (SW2) ausgeschaltet wird, wird ein Erfassungselektrodenpaar (41) geladen. Wenn der erste Schalter (SW1) abgeschaltet wird, und der zweite Schalter (SW2) angeschaltet wird, liegt die positive Seite des Erfassungselektrodenpaars (41) auf Masse, so dass das geladene Erfassungselektrodenpaar (41) entladen wird. Die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen (V) eines Verstärkers (43), die durch Laden und Entladen des Erfassungselektrodenpaars (41) bei den beiden Frequenzen (f1, f2) erzeugt wird, wird zur Bestimmung einer Alkoholkonzentration in Benzin verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung.
Seit neuestem wird Benzin mit Alkoholbeimischung als umweltfreundlicher Brennstoff für Fahrzeuge verwendet. Das am besten geeignete Luft/Brennstoff-Verhältnis von derartigem Mischbenzin unterscheidet sich von dem für Benzin selbst. Eine Messung der Alkoholmenge in der Benzinmischung, das heißt der Alkoholkonzentration in der Benzinmischung ist daher wesentlich.
Zur hochgenauen Messung der Alkoholkonzentration wird bevorzugt, einen Parameter (eine physikalische Konstante) zu verwenden, der eine relativ hohe Änderungsrate aufweist. Aus diesem Grund wurde vorgeschlagen, Änderungen in der relativen Dielektrizitätskonstante zu messen. Da die relative Dielektrizitätskonstante auf der Grundlage von Änderungen in der elektrostatischen Kapazität berechnet wird, schlägt beispielsweise die Druckschrift JP 6-3313 A eine Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung vor, die ein Paar Erfassungselektroden (Erfassungselektrodenpaar) aufweist, die zur Messung der statischen elektrischen Kapazität einander zugewandt bereitgestellt sind. Diese Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung umfasst zudem einen Umschalter und eine elektronische Steuerschaltung. Das Erfassungselektrodenpaar wird durch die Steuerschaltung bei einer festen Frequenz über den Umschalter wiederholt geladen und entladen, so dass eine Erfassungsausgabespannung proportional zu der Konzentration der zu messenden Flüssigkeit erzeugt wird.
Falls die Kapazität unter Verwendung des Erfassungselektrodenpaars gemessen wird, wird der Widerstand (Leckwiderstand) zwischen den Elektroden relativ kleiner, umso mehr Verunreinigungen das Benzin enthält, das heißt das Benzin ist von geringerer Qualität. Falls genauer das Benzin keine Verunreinigungen enthält, befindet es sich in einem isolierenden Zustand, was dazu führt, dass der Leckwiderstand unendlich und die Leitfähigkeit zwischen den Elektroden im Wesentlichen null wird. Falls die Verunreinigungen ansteigen, wird die Leitfähigkeit relativ hoch.
Es ist somit nötig, den Einfluss des Leckwiderstands zu beseitigen, um die Konzentration einer Flüssigkeit wie etwa Alkohol genau zu messen.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung bereitzustellen, die eine Flüssigkeitskonzentration messen kann, ohne durch einen in einem Erfassungselektrodenpaar entwickelten Leckwiderstand beeinflusst zu sein.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung ein Erfassungselektrodenpaar, einen Schaltabschnitt, einen Betriebssignalausgabeabschnitt und einen Messwertausgabeabschnitt. Das Erfassungselektrodenpaar beinhaltet ein Paar von einander zugewandten Elektroden, die in einer zu messenden Flüssigkeit angeordnet sind. Der Schaltabschnitt ist zum Umschalten von Ladevorgang und Entladevorgang des Erfassungselektrodenpaars bereitgestellt. Der Betriebssignalausgabeabschnitt ist zur Erzeugung von Betriebssignalen einer vorbestimmten Frequenz zum Steuern des Schaltvorgangs des Schaltabschnitts mit einer vorbestimmten Periode eingerichtet. Der Messwertausgabeabschnitt ist zur Erzeugung einer Spannung zum Laden des Erfassungselektrodenpaars über den Schaltabschnitt sowie zum Erzeugen einer Erfassungsspannung entsprechend einer statischen elektrischen Kapazität des Erfassungselektrodenpaars eingerichtet. Der Betriebssignalausgabeabschnitt ist zur Erzeugung eines ersten Betriebssignals einer ersten Frequenz sowie eines zweiten Betriebssignals einer zweiten Frequenz zum Betreiben des Schaltabschnitts mit einer ersten Periode bzw. einer zweiten Periode eingerichtet. Der Messwertausgabeabschnitt ist zum Erzeugen einer ersten Erfassungsspannung und einer zweiten Erfassungsspannung eingerichtet, wenn der Schaltabschnitt bei der ersten Frequenz bzw. bei der zweiten Frequenz betrieben wird.
Die vorstehende und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher ersichtlich. Es zeigen:
1 ein Schaltbild von einem Alkoholkonzentrationsmessgerät gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
die 2A und 2B Schaltbilder von Grundbetriebsarten des ersten Ausführungsbeispiels;
3 ein Zeitablaufsdiagramm von Strömen, die in einem Erfassungselektrodenpaar sowie einem Leckwiderstand fließen;
4 zeigt ein Zeitablaufsdiagramm einer Erfassungsausgangsspannung;
die 5A und 5B Schaltbilder einer Schaltung, bei der ein Kopplungskondensator bereitgestellt ist;
6 ein Zeitablaufsdiagramm von Strömen, die in einem Erfassungselektrodenpaar und einem Leckwiderstand fließen, falls ein Kopplungskondensator bereitgestellt ist;
7 ein Zeitablaufsdiagramm einer Erfassungsausgangsspannung;
8 ein Zeitablaufsdiagramm einer bezüglich einer Bezugsspannung verstärkten Erfassungsausgangsspannung;
9 ein Schaltbild von einem Alkoholkonzentrationsmessgerät gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 ein Schaltbild von einem Alkoholkonzentrationsmessgerät gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
11 ein Schaltbild von einem Alkoholkonzentrationsmessgerät gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
12 ein Schaltbild von einem Fall, bei dem ein Anschaltwiderstand betrachtet wird;
13 ein Schaltbild von einem Alkoholkonzentrationsmessgerät gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
14 ein erläuterndes Diagramm zur schematischen Darstellung von Änderungen einer Mittenspannung, die Änderungen in der gemessenen Alkoholkonzentration entspricht.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei dieselben oder ähnliche Teile mit den denselben oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, um dadurch dieselbe oder gleiche Beschreibung zu vermeiden.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Alkoholkonzentrationsmessgerät 1 zur Messung der Konzentration von Äthanol in Benzin eingerichtet und in einem Fahrzeug angebracht. Das Alkoholkonzentrationsmessgerät 1 ist mit einer elektrischen Versorgungsspannung Vcc (von beispielsweise 5 V) einer Batterie 10 betreibbar und erzeugt an einem Ausgangsanschluss 11 eine Ausgangsspannung, die ein Messergebnis angibt. Die Spannung Vcc wird durch eine Spannungsregulator-IC (Regulator mit drei Anschlüssen) als Spannungsquelle 12 stabil zugeführt.
Das Alkoholkonzentrationsmessgerät 1 ist mit einer ersten Oszillatorschaltung 20, einer zweiten Oszillatorschaltung 25, einem Detektor 40, einer Bezugsspannungserzeugungsschaltung 50, einer Wechselspannungskopplerschaltung 60, einer Verstärkerschaltung 70 und einem Mikrocomputer 80 eingerichtet. Die erste Oszillatorschaltung 20 beinhaltet einen Schwellwertdetektor 21 mit einer Hysteresecharakteristik, einen parallel zu dem Schwellwertdetektor 21 verbundenen Widerstand 22 sowie einen zwischen der Eingangsseite des Schwellwertdetektors 21 und Masse verbundenen Kondensator 23. Mit dieser Konfiguration erzeugt die erste Oszillatorschaltung 20 ein erstes Impulssignal (Takt) als erstes Betriebssignal bei einer ersten festen Frequenz f1. In ähnlicher Weise beinhaltet die zweite Oszillatorschaltung 25 einen Schwellwertdetektor 26, einen Widerstand 27 und einen Kondensator 28. Mit dieser Konfiguration erzeugt die zweite Oszillatorschaltung 25 ein zweites Impulssignal (Takt) als zweites Betriebssignal bei einer zweiten festen Frequenz f2, die niedriger als die erste feste Frequenz ist. Die Schwellwertdetektoren 21 und 26 können durch beliebige andere Schaltungen ersetzt werden, welche ähnliche Betriebssignale erzeugen.
Die Ausgangsanschlüsse der ersten Oszillatorschaltung 20 und der zweiten Oszillatorschaltung 25 sind mit einem ersten Frequenzumschalter 31 bzw. einem zweiten Frequenzumschalter 32 verbunden. Die Frequenzumschalter 31 und 32 sind durch den Mikrocomputer 80 zum alternativen Anschalten gesteuert. Folglich arbeiten die nachfolgenden Schaltungen mit dem Betriebssignal bei einer der Frequenzen f1 und f2.
Die Betriebssignale der ersten Oszillatorschaltung 20 und der zweiten Oszillatorschaltung 25 sind zum Umschalten eines ersten Schalters SW1 bzw. eines zweiten Schalters SW2 bereitgestellt. Ein Inverter 33 ist zwischen dem ersten Schalter SW1 und den Frequenzumschaltern 31 und 32 verbunden. Während der Frequenzumschalter 31 angeschaltet ist, werden somit die Schalter SW1 und SW2 in Reaktion auf das durch die erste Oszillatorschaltung 20 erzeugte Betriebssignal mit der Frequenz f1 alternierend aus- und angeschaltet. Wenn der Frequenzumschalter 32 angeschaltet ist, werden die Schalter SW1 und SW2 in Reaktion auf das durch die zweite Oszillatorschaltung 25 erzeugte Betriebssignal mit der Frequenz f2 alternierend an- und ausgeschaltet.
Der Detektor 40 umfasst ein Erfassungselektrodenpaar 41, das in einer Brennstoffpassage des Fahrzeugs bereitgestellt ist. Die Elektroden des Erfassungselektrodenpaars 41 sind zur Ausbildung eines Kondensators einander zugewandt. Die elektrostatische Kapazität des Erfassungselektrodenpaars 41 wird zur Messung der Konzentration von Äthanol erfasst. Ein Leckwiderstand Rp existiert als ein Faktor, der die Messung behindert. Dieser Leckwiderstand Rp variiert gemäß den Verunreinigungen und wird als Parallelschaltung zu den Elektroden des Erfassungselektrodenpaars 41 angesehen.
Der positive Anschluss des Erfassungselektrodenpaars 41 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 43 durch einen Kopplungskondensator 42 und den Schalter SW1 verbunden. Ein Kondensator 44 und ein Verstärkungswiderstand Rg sind parallel zwischen dem Ausgangsanschluss und dem invertierenden Anschluss des Operationsverstärkers 43 verbunden. Widerstände 45 und 46 sind zwischen der Spannungsquelle 12 und Masse in Reihe geschaltet. Die Verbindung zwischen den Widerständen 45 und 46 ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 43 verbunden. Der positive Anschluss und der negative Anschluss des Erfassungselektrodenpaars 41 sind durch den Schalter SW2 bzw. direkt auf Masse gelegt.
Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 43 ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 48 durch einen Widerstand 47 verbunden. Dieser nicht invertierende Eingangsanschluss ist durch einen Kondensator 49 mit Masse verbunden. Folglich ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 43 an den nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 48 als eine geglättete oder gemittelte Erfassungsspannung Va angelegt. Der Ausgangsanschluss und der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 48 sind miteinander verbunden. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 48 ist an die Wechselspannungskopplerschaltung 60 als Erfassungsspannung angelegt.
Die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 50 beinhaltet Widerstände 51 bis 53 und einen Operationsverstärker 54. Die Widerstände 51 und 52 sind zwischen der Spannungsquelle 12 und Masse zur Erzeugung einer Bezugsspannung Vr (2,5 V) durch Teilen der Quellspannung Vcc in Reihe geschaltet. Der nicht invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 54 ist mit der Verbindung zwischen den Widerständen 51 und 52 verbunden. Der invertierende Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 54 sind miteinander und durch den Widerstand 53 mit Masse verbunden. Somit arbeitet der Operationsverstärker 54 als ein Pufferspeicher, der die Bezugsspannung Vr ausgibt.
Die Wechselspannungskopplerschaltung 60 beinhaltet einen Kopplungskondensator 61 und einen Widerstand 62 zur Wechselspannungskopplung des Operationsverstärkers 48 und der Verstärkerschaltung 70. Die Verstärkerschaltung 70 beinhaltet einen Operationsverstärker 71 und Widerstände 72 und 73. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 48 ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 71 durch den Kondensator 61 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Kondensator 61 und dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 71 ist mit dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 54 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 71 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 71 durch den Widerstand 72 verbunden. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 54 ist ebenfalls mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 71 durch den Widerstand 73 verbunden. Somit verstärkt die Verstärkerschaltung 70 eine Spannung Vb bezüglich der Bezugspannung Vr und erzeugt eine verstärkte Spannung Vc, die an den Anschluss AD2 des Mikrocomputers 80 angelegt wird.
Der Mikrocomputer 80 wird mit der Quellenspannung Vcc versorgt. Der Mikrocomputer 80 führt eine A/D-Umwandlung der Ausgangsspannung Vc der Verstärkerschaltung 70 durch, und berechnet eine Änderung der Ausgangsspannung Vc. Der Ausgangsanschluss 11 ist mit einer (nicht gezeigten) elektronischen Steuereinheit (ECU) zur Motorsteuerung verbunden. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 48 ist mit dem Anschluss AD1 des Mikrocomputers 80 verbunden, wodurch jegliche Anomalie in der Ausgangsspannung erfasst wird. Es kann beispielsweise ein Alarmvorgang ausgeführt werden, wenn die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Messbereich durch Betreiben der Schaltungen bei einer Frequenz (beispielsweise f1) überschreitet. Somit arbeitet der Mikrocomputer 80 als ein Leitfähigkeitsmessabschnitt und ein Anomaliesignalausgabeabschnitt.
Nachstehend ist die Grundbetriebsweise für das gemäß vorstehender Beschreibung eingerichtete Alkoholkonzentrationsmessgerät 1 unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 3 beschrieben. Das in den 2A und 2B gezeigte Schaltungsbeispiel ist ähnlich zu dem nach 1, außer dass kein Kondensator 42 mit dem Erfassungselektrodenpaar 41 verbunden ist. Die erste Oszillatorschaltung 20 und die zweite Oszillatorschaltung 25 erzeugen jeweilige Betriebssignale mit den Frequenzen f1 und f2 zum alternierenden An- und Ausschalten der Schalter SW1 und SW2 bei einer der Frequenzen f1 und f2.
Wenn das Betriebssignal auf dem niedrigen Pegel liegt, wie es in 2A gezeigt ist, ist der Schalter SW1 angeschaltet, und der Schalter SW2 ist abgeschaltet. Der Operationsverstärker 43 wirkt zum Ausgleichen der Potenziale an seinem invertierenden und nicht invertierenden Eingangsanschluss, so dass ein Strom i1 + i2 in dem Verstärkungswiderstand Rg aufgrund der Quellenspannung E fließt. Dabei sind die in dem Erfassungselektrodenpaar 41 und dem Leckwiderstand Rp fließenden Ströme mit i1 bzw. i2 angegeben.
Wie bei den Perioden T1 und T3 aus 3 gezeigt ist, steigt bei diesem Beispiel der in dem Erfassungselektrodenpaar 41 fließende Strom i1 an und fällt auf null, wenn das Erfassungselektrodenpaar 41 voll geladen ist. Der in dem Leckwiderstand Rp fließende Strom i2 wird auf einem festen Wert gehalten. Tatsächlich steigt der Strom i2 mit einiger Verzögerung relativ zu dem Strom i1, weil die Summe der Ströme i1 + i2 fixiert ist. In 3 sind jedoch die beiden Ströme i1 und i2 zur Vereinfachung gleichzeitig ansteigend gezeigt.
Wenn das Betriebssignal gemäß 2B auf hohem Pegel ist, wird der Schalter SW1 abgeschaltet, und der Schalter SW2 wird angeschaltet. Bei diesem Beispiel ist die positive Seite des Erfassungselektrodenpaars 41 auf Masse gelegt. Daher wird die durch den Schalter SW1 aufgeladene Ladung des Erfassungselektrodenpaars 41 durch den Schalter SW2 entladen, und der Strom i1 fließt in dem Erfassungselektrodenpaar 41 in umgekehrter Richtung zum Ladevorgang.
Das heißt, gemäß den Perioden T2 und T4 aus 3 fällt der in dem Erfassungselektrodenpaar 41 fließende Strom i1 (ändert sich in die Gegenrichtung) und kehrt auf null zurück, wenn das Erfassungselektrodenpaar 41 voll aufgeladen ist. Der in dem Erfassungselektrodenpaar 41 fließende Strom i2 bleibt bei null.
Wenn die beiden Schalter SW1 und SW2 alternierend bei einer Frequenz f an- und ausgeschaltet werden, ist der Durchschnittswert des Stroms i2 gemäß der nachfolgenden Gleichung (1) definiert. i2 = 0,5 × E/Rp (1)
Die in dem Erfassungselektrodenpaar 41 angesammelte Ladung ist gemäß der nachstehenden Gleichung (2) definiert, wobei die Kapazität des Erfassungselektrodenpaars 41 Cp ist. ΔQ = Cp × E (2)
Der Durchschnitt des Stroms i1 ist eine Zeitdifferenzierung der Ladung. Daher ist der Strom i1 unter Verwendung der Gleichung (2) gemäß der nachstehenden Gleichung (3) definiert. Dabei ist T0 eine Periode des Betriebssignals, welche umkehrt proportional zu der Frequenz f des Betriebssignals ist. i1 = ΔQ/T0 = Cp × E/T0 = Cp × E × f (3)
Die Ausgangsspannung V ist unter Verwendung der Gleichungen (1) und (3) gemäß der nachstehenden Gleichung (4) definiert. V = E + (i1 + i2) = E + Rg × (Cp × E/T0 + 0,5 × E/Rp) = E(1 + 0,5 × Rg/Rp + f × Rg × Cp) (4)
Gemäß Gleichung (4) ändert sich die Ausgangsspannung V nicht wesentlich, falls der Leckwiderstand Rp nahe bei unendlich ist. Das heißt, dass die Konzentration von Äthanol mit hoher Genauigkeit gemessen wird. Falls jedoch der Leckwiderstand Rp aufgrund eines höheren Verunreinigungsgehalts kleiner wird, ändert sich die Ausgangsspannung V mit Rg/Rp und beinhaltet einen größeren Fehler.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden die Schalter SW1 und SW2 durch eine der beiden Betriebssignale der Frequenzen f1 und f2 der ersten Oszillatorschaltung 20 und der zweiten Oszillatorschaltung 25 an- und ausgeschaltet, und die Differenz in den Ausgangsspannungen V(f1) und V(f2) des Operationsverstärkers 43 wird gemäß der nachstehenden Gleichung (5) berechnet. Die Ausgangsspannungen V(f1) und V(f2) werden erzeugt, wenn die Schalter SW1 und SW2 bei den Frequenzen f1 bzw. f2 betrieben werden. V(f1) – V(f2) = E × (f1 – f2) × Rg × Cp (5)
Somit wird der in den jeweiligen Ausgangsspannungen V(f1) und V(f2) enthaltene Einfluss des Leckwiderstands ausgelöscht, und die elektrostatische Kapazität Cp des Erfassungselektrodenpaars 41 wird folglich als Funktion der Differenz zwischen den beiden Ausgangsspannungen gemessen.
Die Ausgangsspannung V des Operationsverstärkers 43 wird durch den Widerstand 47 und den Kondensator 49, die eine Glättungsschaltung ausbilden, gemittelt, und die somit geglättete Spannung Va wird an den Operationsverstärker 48 als die Erfassungsspannung angelegt. Diese Spannung Va ändert sich gemäß 4, wenn die Schalter SW1 und SW2 zunächst mit der Frequenz f2 bis zum Zeitpunkt t1 und dann durch die erste Frequenz f1 bis zum Zeitpunkt t2 an- und ausgeschaltet werden. Zu den Zeitpunkten t1 und t2 ist die Spannung Va konvergiert und ändert sich nicht. Der Zeitpunkt dieser Frequenzumschaltung, das heißt die Periode zum Betreiben der Schalter SW1 und SW2 mit einer der Frequenzen f1 und f2 wird durch den Mikrocomputer 80 durch alternierendes Anschalten der Schalter 31 und 32 auf der Grundlage der Änderung der Spannung Va gesteuert.
Wie aus Gleichung (4) ersichtlich ist, wird die Spannung Va umso größer, je kleiner der Leckwiderstand Rp wird. In 4 sind beispielhaft zwei Spannungen Va gezeigt, wobei angenommen ist, dass der Leckwiderstand Rp unendlich (∞) und 1 kΩ ist. Obwohl die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen V(f1) und V(f2) durch den Leckwiderstand Rp nicht beeinflusst wird, wird die Spannung Va selbst noch immer durch den Leckwiderstand Rp beeinflusst. Im schlimmsten Fall kann die Spannung Va den normalen messbaren Bereich überschreiten.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist daher der Koppelkondensator 42 gemäß den 1, 5A und 5B bereitgestellt, so dass der positive Anschluss des Erfassungselektrodenpaars 41 wechselspannungsgekoppelt ist. Die in diesen Figuren gezeigte Schaltung arbeitet grundsätzlich auf dieselbe Weise, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschrieben ist. Der Durchschnittswert des Stroms i1 wird dabei jedoch halb so groß, wie der Strom i2, der im Falle ohne Koppelkondensator 42 fließt (vergleiche 2A und 2B). Somit wird der Einfluss des Leckwiderstands Rp auf die Hälfte reduziert, wie es aus Gleichung (4) ersichtlich ist.
Im Einzelnen wird gemäß 7 die Spannung Va durch den Koppelkondensator 42 gemäß der durchgezogenen Linie unter der Bedingung reduziert, dass der Leckwiderstand Rp 1 kΩ beträgt. Die unter demselben Leckwiderstand Rp (1 kΩ) gemäß 2A erzeugte Spannung Va ist durch die strichlierte Linie mit Doppelpunkten gezeigt. Zudem wird mit dem Koppelkondensator 42 eine Ansammlung der elektrischen Ladung nur an einem Anschluss des Erfassungselektrodenpaars 41 unterdrückt, und als Folge wird das Erfassungselektrodenpaar 41 vor elektrischer Korrosion geschützt.
Diese Spannung Va wird auf die Spannung Vb durch den Operationsverstärker 48, die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 50 und die Wechselspannungskopplerschaltung 60 korrigiert. Die Spannung Vb weist als Bezug die Bezugsspannung Vr (2,5 V) auf, die durch die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 50 erzeugt wird. Dies bedeutet, dass die Spannung Vb sich bezüglich der Bezugsspannung Vr gemäß der Charakteristik A aus 8 ändert. Die Spannung Vb wird durch die Verstärkerschaltung 70 verstärkt, und resultiert in der verstärkten Spannung Vc, wie es durch die Charakteristik B aus 8 angegeben ist.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel arbeiten die Schalter SW1 und SW2 als Schaltabschnitt, und die Oszillatorschaltungen 20, 25, die Umschalter 31, 32 und der Mikrocomputer 80 arbeiten als Betriebssignalausgabeabschnitt. Der Operationsverstärker 43, der Verstärkungswiderstand Rg, der Kondensator 44, die Widerstände 45, 46, 47 und der Kondensator 49 arbeiten als ein Messwertausgabeabschnitt. Der Widerstand 47 und der Kondensator 49 arbeiten als Glättungsabschnitt. Die Bezugsspannungserzeugungsschaltung 50, die Wechselspannungskopplerschaltung 60, die Verstärkerschaltung 70 und der Mikrocomputer 80 arbeiten als ein Bezugsspannungserzeugungsabschnitt, ein Wechselspannungskopplerabschnitt, ein Verstärkungsabschnitt bzw. ein Differenzberechnungsabschnitt.
Gemäß vorstehender Beschreibung kann das Alkoholkonzentrationsmessgerät 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Äthanolkonzentration genau messen, ohne durch den Leckwiderstand Rp beeinflusst zu sein. Insbesondere der Koppelkondensator 42 kann die Erfassungsspannung Va gemäß 7 reduzieren, und der Messbereich kann vergleichsweise verbreitert werden. Die elektrische Ladung wird alternierend an beiden Elektroden des Erfassungselektrodenpaars 41 angesammelt, und die elektrische Korrosion des Erfassungselektrodenpaars 41 kann daher unterdrückt werden. Die negative Elektrode des Erfassungselektrodenpaars 41 ist unmittelbar auf Masse gelegt, und die Ladungs- und Entladungsschaltungen können durch die Schalter SW1 und SW2 in einer einfachen Konfiguration ausgebildet sein. Die Schalter SW1 und SW2 können vor einer Beschädigung durch statische elektrische Ladung und vor einer irrtümlichen Betätigung durch elektromagnetische Wellen geschützt werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Bei dem in 9 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist das Erfassungselektrodenpaar 41 des Detektors 40 anders als beim ersten Ausführungsbeispiel verbunden.
Das Alkoholkonzentrationsmessgerät 1 umfasst zwischen der Quellenspannung Vcc und Masse in Reihe geschaltete Widerstände 91 und 92. Die Verbindung zwischen den Widerständen 91 und 92 ist mit dem nicht invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 90 verbunden. Der Ausgangsanschluss und der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 90 sind miteinander verbunden. Der Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 90 ist mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 43 durch einen dritten Schalter SW3 und einen vierten Schalter SW4 sowie die Schalter SW1 und SW2 verbunden. Die Schalter SW2 und SW4 sind auf Masse gelegt und mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 43 verbunden.
Mit dieser Schleppkonfiguration ist die Ausgangsspannung V gemäß der nachstehenden Gleichung (6) definiert. V = E(Rg × f × Cp + 0,25 × Rg/Rp) (6)
Diese Gleichung (6) weist nicht wie Gleichung (4) eine Konstante 1 in dem Klammerausdruck auf. Daher kann der Messbereich ausgeweitet werden, obwohl im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel zwei zusätzliche Schalter SW3 und SW4 benötigt werden.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Bei dem in 10 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel sind die erste Oszillatorschaltung 20 und die zweite Oszillatorschaltung 25 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nicht bereitgestellt.
Der Mikrocomputer 80 ist zur Erzeugung der Betriebssignale mit den Frequenzen f1 und f2 programmiert, und arbeitet somit als der Betriebssignalausgabeabschnitt. Somit werden nicht nur die Oszillatorschaltungen sondern auch die Frequenzumschalter 31 und 32 nicht benötigt, womit die Schaltungskonfiguration vereinfacht und die Kosten des Alkoholkonzentrationsmessgerätes 1 reduziert werden.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
Bei dem in 11 gezeigten vierten Ausführungsbeispiel ist das Alkoholkonzentrationsmessgerät 1 ohne die Oszillatorschaltungen konfiguriert, wie bei dem dritten Ausführungsbeispiel. Der Durchgangswiderstand der Schalter SW1 und SW2 wird jedoch gemessen.
Zwischen der Spannungsquelle 12 und Masse sind ein Widerstand 93 und ein Schalter SW5 in Reihe geschaltet. Der Schalter SW5 ist durch den Mikrocomputer 80 gesteuert. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 93 und dem Schalter SW3 ist mit dem Eingangsanschluss AD3 des Mikrocomputers 80 verbunden. Der Schalter SW3 ist vorzugsweise mit anderen Schaltern SW1, SW2 usw. in einem einzelnen Gehäuse bereitgestellt. Der Mikrocomputer 80 ist zum Messen des Durchgangswiderstandes des Schalters SW5 auf der Grundlage der an den Anschluss AD3 durch Anschalten des Schalters SW5 angelegten Spannung programmiert. Der Mikrocomputer 80 verwendet diesen gemessenen Durchgangswiderstand des Schalters SW5 als den Durchgangswiderstand der anderen Schalter SW1 und SW2 und korrigiert die Ausgangsspannung um diesen Durchgangswiderstand. Somit arbeitet der Mikrocomputer 80 als Durchgangswiderstandsmessabschnitt.
Bei dem Mikrocomputer 80 ist der Einfluss des Durchgangswiderstands auf die nachstehend beschriebene Weise kompensiert.
Gemäß 12 wird der Durchgangswiderstand Rsw1 des ersten Schalters SW1 als mit dem Schalter SW1 in Reihe angeschaltet angenommen, und der Durchgangswiderstand Rsw2 des zweiten Schalters SW2 wird als mit dem Schalter SW2 in Reihe geschaltet angenommen. Die Durchgangswiderstände Rsw1 und Rsw2 werden als zueinander gleich angenommen.
Die Spannung V ist gemäß der nachstehenden Gleichung (7) definiert. V = E + Rg × (i1 + i2) = E + Rg × {0,25 × E/(Rp + Rsw1) + Cp × f × E × Rp2/(Rp + Rsw1)2} (7)
Die Differenz zwischen den beim Betrieb mit den Frequenzen f1 und f2 erzeugten Spannungen V(f1) und V(f2) ist unter Verwendung der Gleichung (7) gemäß der nachstehenden Gleichung (8) definiert. V(f1) – V(f2) = E × (f1 – f2) × Rg × Cp × Rp2/Rp + Rsw1)2 (8)
Die statische elektrostatische Kapazität Cp des Erfassungselektrodenpaars 41 wird aus Gleichung (8) berechnet, und dann wird der Leckwiderstand Rp aus der Spannung V(f1) oder V(f2) berechnet. Folglich berechnet sich der Kompensationskoeffizient zu Rp²/(Rp + Rsw1)².
Da der Einfluss der Durchgangswiderstände Rsw1 und Rsw2 kompensiert werden kann, ist das vierte Ausführungsbeispiel vorteilhaft, wenn der Leckwiderstand Rp sehr gering ist.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
Bei dem in 13 gezeigten fünften Ausführungsbeispiel ist der Wechselspannungskopplerschaltung 60 eine Schaltung hinzugefügt, so dass die elektrische Ladung des Kondensators in kurzer Zeit eingestellt wird.
Gemäß vorstehender Beschreibung wird die Erfassungsspannung Va durch den Operationsverstärker 48, die Bezugspannungserzeugungsschaltung 50 und die Wechselspannungskopplerschaltung 60 unter Verwendung der Bezugsspannung Vr als Bezug auf die Spannung Vb korrigiert. Die Spannung Vb wird durch die Verstärkerschaltung 70 auf die Spannung Vc verstärkt. Somit wird der Wechselspannungsanteil der Spannung Vb verstärkt, und das Messergebnis kann daher mit hoher Genauigkeit erzeugt werden.
Zur Erzeugung der Spannung Vb, die um die Bezugsspannung Vr variiert, muss die elektrische Ladung der Spannung 61 der Wechselspannungskopplerschaltung 60 durch die Bezugsspannung Vr eingestellt werden. Es benötigt einige Zeit von mehreren Sekunden bis einige zehn Sekunden, bis der Kondensator 61 durch den Widerstand 62 geladen ist.
Daher werden gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ein Widerstand 63 und ein Schalter 64 parallel zu dem Widerstand 62 der Wechselspannungskopplerschaltung 60 geschaltet. Der Widerstand 63 weist einen Widerstand auf, der sehr viel kleiner als der des Widerstands 62 ist. Der Schalter 64 kann ein FET sein.
Der Schalter 64 ist durch den Mikrocomputer 80 gesteuert, um in einer zeitlichen Relation mit der Messung periodisch anzuschalten. Der Schalter 64 wird für eine Periode (beispielsweise 10 ms, 20 ms, usw. aber weniger als 100 ms) angeschaltet gehalten, was zum Laden des Kondensators 61 erforderlich ist. In dieser Periode wird der Kondensator 64 durch die Bezugsspannung Vr geladen, und daher ändert sich die Spannung Vb der Wechselspannungskopplerschaltung 60 sofort um die Bezugsspannung Vr innerhalb von 100 ms. Das heißt die Bezugsspannung Vr entspricht einer Mittenspannung der Spannung Vb.
Die Mittenspannung ist eine Spannung, um die sich die Spannung Vb ändert, und ändert sich gemäß der strichlierten Linie aus 14, falls sie alternierend bei den Frequenzen f1 und f2 betrieben wird. Die Mittenspannung ist eine Spannung, die zwischen der Variation der Spannung Vc liegt.
Gemäß 14 ist die Mittenspannung, um die sich die Spannung Vb ändert, aufgrund des Leckwiderstands Rp für einige Zeit eine Spannung Ve, und verringert sich später auf die Bezugsspannung Vr.
Da der Kondensator 61 normalerweise durch den Widerstand 62 geladen wird, ändert sich die Mittenspannung graduell von Ve auf Vr in einer Periode T0 von mehreren Sekunden bis mehreren zehn Sekunden, wie es durch die Charakteristik J angegeben ist.
Bei dem fünften Ausführungsbeispiel sind jedoch der Widerstand 63 und der Schalter 64 parallel zu dem Widerstand 62 geschaltet. Da der Widerstandswert des Widerstands 63 sehr viel kleiner als der des Widerstands 62 ist, ändert sich die Mittenspannung auf die Bezugsspannung Vr innerhalb einer kurzen Periode (10 ms, 20 ms usw.) kleiner als 100 ms, wie es durch die Charakteristik K gezeigt ist.
Selbst falls der Einfluss des Leckwiderstands Rp groß ist, kann folglich die sich um die Bezugspannung Vr als der Mittenspannung ändernde Spannung Vb innerhalb einer kurzen Zeitdauer erzeugt werden.
Bei dem fünften Ausführungsbeispiel arbeiten der Widerstand 63, der Schalter 64 und der Mikrocomputer 80 als elektrischer Ladungseinstellabschnitt.
Das fünfte Ausführungsbeispiel kann auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Der Schalter 64 kann beispielsweise angeschaltet werden, wenn der (nicht gezeigte) Zündschalter für den Motorstart betätigt wird. Mit dieser Abwandlung kann die Messung begonnen werden, bevor der Motor gestartet wird, selbst falls der Einfluss des Leckwiderstands Rp groß ist.
Es ist wahrscheinlich, dass die Spannung Vb den Messbereich überschreitet, bevor die Mittenspannung der Spannung Vb auf die Bezugsspannung Vr konvergiert. Es ist daher möglich, während einer Periode T1 (vergleiche 14), während der der Schalter 64 angeschaltet gehalten wird, eine dritte Frequenz f3 zu erzeugen, die zwischen den Frequenzen f1 und f2 liegt. Obwohl die Spannung Vb über die Mittenspannung hinweg steigt und fällt, wenn die beiden Frequenzen f1 und f2 verwendet werden, führt die Zwischenfrequenz f3 dazu, dass die Spannung Vb sich nicht um die Mittenfrequenz ändert. Folglich wird die Spannung Vb davor bewahrt, den Messbereich selbst unter der Bedingung zu überschreiten, dass die elektrische Ladung angepasst wird.
Die Einstellung der elektrischen Ladung des Kondensators 61 durch den Widerstand 63, den Schalter 64 und den Mikrocomputer 80 kann bei jedem des ersten bis vierten Ausführungsbeispiels angewendet werden.
Das Alkoholkonzentrationsmessgerät 1 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ebenso als ein Menthanolkonzentrationsmessgerät oder eine andere Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung verwendet werden.
So ist vorstehend eine Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung 1 offenbahrt, die einen ersten und zweiten Schalter SW1, SW2 umfasst, die bei zwei Frequenzen f1, f2 an- und ausgeschaltet werden. Wenn der erste Schalter SW1 angeschaltet wird, und der zweite Schalter SW2 ausgeschaltet wird, wird ein Erfassungselektrodenpaar 41 geladen. Wenn der erste Schalter SW1 abgeschaltet wird, und der zweite Schalter SW2 angeschaltet wird, liegt die positive Seite des Erfassungselektrodenpaars 41 auf Masse, so dass das geladene Erfassungselektrodenpaar 41 entladen wird. Die Differenz zwischen den Ausgangsspannungen V eines Verstärkers 43, die durch Laden und Entladen des Erfassungselektrodenpaars 41 bei den beiden Frequenzen f1, f2 erzeugt wird, wird zur Bestimmung einer Alkoholkonzentration in Benzin verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 6-3313 A [0003]

Claims

Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung, mit: einem Erfassungselektrodenpaar (41) mit einem Paar von einander zugewandten Elektroden; einem Schaltabschnitt (SW1, SW2), der zum Schalten eines Lade- und eines Entladevorgangs des Erfassungselektrodenpaars verbunden ist; einem Betriebssignalausgabeabschnitt (20, 25, 31, 32, 80), der zur Erzeugung von Betriebssignalen mit einer vorbestimmten Frequenz zur Steuerung des Schaltbetriebs des Schaltabschnitts mit einer vorbestimmten Periode eingerichtet ist; und einem Messwertausgabeabschnitt (43 bis 47, 49, Rg), der zur Erzeugung einer Spannung zum Laden des Erfassungselektrodenpaars über den Schaltabschnitt und zum Erzeugen einer Erfassungsspannung entsprechend einer statischen elektrischen Kapazität des Erfassungselektrodenpaars als Messwert eingerichtet ist, wobei der Betriebssignalausgabeabschnitt (20, 25, 31, 32, 80) zur Erzeugung eines ersten Betriebssignals einer ersten Frequenz und eines zweiten Betriebssignals einer zweiten Frequenz, die von der ersten Frequenz verschieden ist, zum Betreiben des Schaltabschnitts mit einer ersten Periode bzw. einer zweiten Periode eingerichtet ist, und der Messwertausgabeabschnitt (43 bis 47, 49, Rg) zur Erzeugung einer ersten Erfassungsspannung und einer zweiten Erfassungsspannung eingerichtet ist, wenn der Schaltabschnitt in der ersten Periode bei der ersten Frequenz bzw. in der zweiten Periode bei der zweiten Frequenz betrieben wird.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit: einem Verstärkungsabschnitt (70), der zum Verstärken der ersten Erfassungsspannung und der zweiten Erfassungsspannung eingerichtet ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 2, ferner mit: einem Bezugsspannungserzeugungsabschnitt (50), der zur Erzeugung einer Bezugsspannung eingerichtet ist, wobei der Verstärkungsabschnitt (70) zum Verstärken der ersten Erfassungsspannung und der zweiten Erfassungsspannung bezüglich der Bezugspannung eingerichtet ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 3, ferner mit: einem Wechselspannungskoppelabschnitt (60), der zur Wechselspannungskopplung der ersten Erfassungsspannung und der zweiten Erfassungsspannung an den Verstärkungsabschnitt (70) auf der Grundlage der Bezugsspannung eingerichtet ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 4, ferner mit: einem Ladungseinstellungsabschnitt (63, 64, 80), der zum Einstellen einer Ladungsmenge eines Kondensators (61) des Wechselspannungskoppelabschnitts innerhalb einer vorbestimmten Periode eingerichtet ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei: der Ladungseinstellungsabschnitt (63, 64, 80) zum periodischen Einstellen der Ladungsmenge des Kondensators eingerichtet ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei: der Ladungseinstellungsabschnitt (63, 64, 80) zum Einstellen der Ladungsmenge des Kondensators eingerichtet ist, wenn ein Zündschalter eines Motors betätigt wird, bevor der Motor gestartet wird.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei: der Betriebssignalausgabeabschnitt (20, 25, 31, 32, 80) zur Erzeugung eines dritten Betriebssignals einer dritten Frequenz in zeitlicher Relation mit einer Periode eines Einstellbetriebs des Ladungseinstellungsabschnitts eingerichtet ist, wobei die dritte Frequenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz angeordnet ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit: einem Differenzberechnungsabschnitt (80), der zur Erzeugung einer Differenz zwischen der ersten Erfassungsspannung und der zweiten Erfassungsspannung eingerichtet ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: der Messwertausgabeabschnitt (43 bis 47, 49, Rg) einen Glättungsabschnitt (47, 49) zum Glätten der ersten Erfassungsspannung und der zweiten Erfassungsspannung beinhaltet.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit: einem Koppelkondensator (42), der mit einem positiven Anschluss des Erfassungselektrodenpaars verbunden ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: das Erfassungselektrodenpaar (41) einen direkt auf Masse gelegten negativen Anschluss aufweist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: der Messwertausgabeabschnitt (43 bis 47, 49, Rg) in einer Schleppkonfiguration mit dem Erfassungselektrodenpaar verbunden ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: der Betriebssignalausgabeabschnitt (20, 25, 31, 32, 80) zur periodischen alternierenden Erzeugung des ersten Betriebssignals mit der ersten Frequenz und des zweiten Betriebssignals mit der zweiten Frequenz eingerichtet ist.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: der Betriebsignalausgabeabschnitt (20, 25, 31, 32, 80) einen Mikrocomputer (80) beinhaltet.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit: einem Leitfähigkeitsmessabschnitt (80), der zum Messen einer Leitfähigkeit des Erfassungselektrodenpaars auf der Grundlage von zumindest der ersten Erfassungsspannung oder der zweiten Erfassungsspannung eingerichtet ist, wobei eine Differenz zwischen der ersten Erfassungsspannung und der zweiten Erfassungsspannung durch die gemessene Leitfähigkeit und einen vorbestimmten Durchgangswiderstand des Schaltabschnitts korrigiert wird.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach Anspruch 16, ferner mit: einem Durchgangswiderstandsmessabschnitt, der zum Messen des Durchgangswiderstands eingerichtet ist, wobei die Differenz auf der Grundlage des gemessenen Durchgangswiderstands korrigiert wird.
Flüssigkeitskonzentrationsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit: einem Leitfähigkeitsmessabschnitt (80), der zum Messen einer Leitfähigkeit des Erfassungselektrodenpaars auf der Grundlage von zumindest der ersten Erfassungsspannung oder der zweiten Erfassungsspannung eingerichtet ist; und einem Anomaliesignalausgabeabschnitt (80), der zum Erzeugen eines Anomaliesignals eingerichtet ist, wenn die gemessene Leitfähigkeit einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet.