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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung
zum Betreiben eines Sensors mit einem Heizelement. Die vorgeschlagene
Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Sensors mit einem elektrischen Heizelement
ist in Kraftfahrzeugen (Kfz) einsetzbar.
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In modernen Fahrzeugen steuern Luftgütesensoren
die Umluftklappe der Klimaanlage. Bei schlechter Außenluft
wird die Umluftklappe geschlossen und erst dann wieder geöffnet, wenn
die Außenluft
wieder besser ist. Schlechte Außenluft
liegt beispielsweise dann vor, wenn die Konzentration an schadstoffhaltiger
Luft für
den Fahrzeugeninsassen zu hoch ist. Gemessen wird dazu beispielsweise
die NOx-Konzentration
und/oder die Konzentration an Kohlenwasserstoffen und/oder die Konzentration
an Kohlenmonoxid in der das Fahrzeug umgebenden Luft.
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Ob die Umluftklappe geschlossen oder
geöffnet
werden soll, hängt
somit von der Qualität
der Umgebungsluft des Fahrzeugs ab. Dazu werden ständig bestimmte
Leitgase in der Luft überwacht.
Steigt die Konzentration eines Leitgases über einem vordefinierten Pegel
oder Schaltgradienten, muss das Innere des Fahrzeugs gegen das in
der Umgebung des Fahrzeugs befindliche schädliche Gas, im folgenden auch
als Schadgas bezeichnet, geschützt
werden. Dazu kann die Klimaanlage das Schließen der Umluftklappe veranlassen,
falls andere für
die Klimaanlage relevante Daten dies zulassen.
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Zur Erfassung der Qualität der Umgebungsluft
wird ein Sensor verwendet, dessen Widerstand sich je nach Zusammensetzung
der den Sensor umgebenden Luft ändert.
Dieser, im folgenden auch als chemischer Gassensor bezeichnete Sensor
benötigt, um
die Konzentration eines bestimmten Gases in der Umgebungsluft erfassen
zu können,
eine Aktivierungsenergie, die ihm in Form von Wärme zugeführt wird. Der Sensor ist dazu
mit einem elektrischen Heizelement versehen. Die Erfassung der Gaskonzentration
erfolgt mit Hilfe einer auf dieses Gas sensitiven Schicht, die auf
einer Silizium-Membran aufgebracht ist. Der sich in Abhängigkeit
von der Gaskonzentration ändernde
Widerstand der gassensitiven Schicht wird über zwei mit der gassensitiven
Schicht in Verbindung stehenden Elektroden erfasst. Die gassensitive
Schicht ist dabei als Halbleiter-Metalloxid-Schicht
ausgebildet. Die Genauigkeit bei der Erfassung der Gaskonzentration
mit Hilfe eines solchen Sensors hängt stark davon ab, wie genau
die gewünschte
Temperatur, im folgenden als Betriebstemperatur bezeichnet, eingehalten
werden kann.
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Des weiteren ist es möglich, mit
nur einem Sensor die Konzentrationen von zwei unterschiedlichen
Gasen zu erfassen. Der Sensor wird dazu zuerst auf eine erste Betriebstemperatur
gebracht, dann wird die Konzentration des ersten zu erfassenden
Gases gemessen, anschließend
wird der Sensor auf eine zweite Betriebstemperatur gebracht, um dann
die Konzentration des zweiten zu erfassenden Gases zu messen. Schließlich wird
der Sensor wieder auf die erste Betriebstemperatur gebracht, um
erneut die Konzentration des ersten zu erfassenden Gases zu messen.
Die Gaskonzentrationen werden somit periodisch alternativ erfasst.
Hierbei muss neben der exakten Einhaltung der für das jeweilige Gas erforderlichen
Betriebstemperatur auch eine hohe zeitliche Genauigkeit bei der
Umschaltung zwischen den verschiedenen Betriebstemperaturen gewährleistet
werden.
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Darstellung
der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum
Betreiben eines Sensors mit einem Heizelement bietet den Vorteil,
dass sowohl der absolute Wert der Betriebstemperatur als auch die
zeitliche Genauigkeit bei der Umschaltung zwischen zwei oder noch
mehr verschiedenen Betriebstemperaturen exakt eingehalten werden
kann.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum
Betreiben eines Sensors mit einem Heizelement weist dazu die Merkmale
gemäß Patentanspruch
1 auf.
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Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum
Betreiben eines Sensors mit einem Heizelement weist einen Regelkreis
zur Regelung der Betriebstemperatur des Sensors über das Heizelement auf, wobei
der Regelkreis einen Pulsgenerator zur Erzeugung eines Pulssignals
mit veränderbarer
Pulsweite aufweist. Der Pulsgenerator ist ausgangsseitig mit dem
Heizelement verbunden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung ergeben sich aus den in den abhängigen Patentansprüchen angegebenen
Merkmalen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist
die Schaltungsanordnung eine Steuereinheit zur Vorgabe einer oder
mehrerer Soll-Betriebstemperaturen auf, wobei die Steuereinheit
ausgangsseitig mit dem Regelkreis verbunden ist. Damit können mit einem
einzelnen Sensor die Konzentrationen von verschiedenen Gasen erfasst
werden.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
ist im Regelkreis der Pulsgenerator mit einem Zähler versehen, dessen Zählbereich
die Periode des Pulssignals vorgibt. Dies hat den Vorteil, dass neben
der Möglichkeit
zur Veränderung
der Pulsweite auch die Frequenz des Pulssignals verändert werden
kann.
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Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
weist der Pulsgenerator ein Übertragsregister
für einen Übertragswert
auf, um den Zählbereich
vorzugeben, Damit kann auf einfache Art und Weise der Zählbereich
vergrößert oder verkleinert
werden. Wird der Zählbereich
vergrößert, in
dem der Übertragswert
im Übertragsregister
verkleinert wird, wird damit die Frequenz des Pulssignals verringert.
Wird im umgekehrten Fall der Zählbereich
verkleinert, in dem der Übertragswert
vergrößert wird,
wird damit die Frequenz des Pulssignals vergrößert.
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Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
im Pulsgenerator ein Komparatorregister für einen Komparatorwert aufweisen, wobei
der Komparatorwert den Zeitpunkt eines Pegelwechsels des Pulssignals
vorgibt. Damit lässt
sich auf eine einfache Art und Weise die Pulsweite des Pulssignals
einstellen. So lange der Zählerwert
den Komparatorwert unterschreitet behält das Pulssignals seinen Pegel
bei. Sobald der Zählerwert
dem Komparatorwert entspricht, wechselt der Pegel des Pulssignals.
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Vorteilhafterweise kann bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
eine Korrektureinheit vorgesehen seien, um aus der Soll-Betriebstemperatur
und der Ist-Betriebstemperatur des Sensors einen Korrekturwert zu
bilden.
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Bei einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung
zum Betreiben eines Sensors mit einem Heizelement ist ein Analog-Digital-Umsetzter
vorgesehen, um die Ist-Temperatur des Sensors zu digitalisieren
und der Korrektureinheit zuzuführen.
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Darüber hinaus kann bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
vorgesehen sein, dass die Steuereinheit, der Pulsgenerator und der
Analog-Digital-Wandler
Teil eines Mikrocontrollers sind. Dies hat den Vorteil, dass die
Schaltung mit wenigen Bauelementen auskommt, wenig Platz benötigt, flexibel
programmierbar und kostengünstiger
realisierbar ist.
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Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltung
ist die Steuereinheit derart ausgebildet und betreibbar, dass damit
die Schaltungsanordnung in einem Messmodus oder einem Heizmodus betrieben
werden kann. Dazu wird im Messmodus die Heizung abgeschaltet.
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1 zeigt
in Form eines Blockdiagramms den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Betreiben eines Sensors mit einem Heizelement.
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2 zeigt
in Form eines Zustandsdiagramms die Steuerung bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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3 zeigt
den prinzipiellen Aufbau eines für die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
geeigneten Gassensors in der Draufsicht.
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4 zeigt
den prinzipiellen Aufbau des in 3 gezeigten
Gassensors zusätzlich
mit einer gassensitiven Schicht in der Draufsicht.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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In 1 ist
eine mögliche
Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Betreiben eines Sensors mit einem Heizelement in vereinfachter
Form als Blockdiagramm dargestellt. An einen ersten Eingang 2.1 einer
Steuereinheit 14 ist ein erster Wert anlegbar, der eine
erste Soll-Betriebstemperatur
T1 repräsentiert.
An einen zweiten Eingang 2.2 der Steuereinheit 14 ist
ein zweiter Wert anlegbar, der eine zweite Soll-Betriebstemperatur T2 repräsentiert.
Die beiden Eingänge 2.1 und 2.2 sind zudem
die Eingänge
einer Einheit zur Temperaturvorgabe 2. Es können auch
weitere Soll-Temperaturen am Eingang Tn zur Verfügung gestellt werden. Mittels
einer Logik 3, welche mit ihrem ersten Ausgang 3.1 mit
dem Steuereingang 2.3 der Einheit zur Temperaturvorgabe 2 verbunden
ist, wird ausgewählt,
welche der beiden Temperaturen T1 oder T2, die an den beiden Eingängen 2.1 und. 2.2 anliegen, als
Sollwert für
die Betriebstemperatur am Ausgang 2.4 der Einheit zur Temperaturvorgabe 2 anliegen soll.
Die Logik 3 ist ebenfalls Bestandteil der Steuereinheit 14.
Eine Einheit zur Zeitsteuerung 4 ist über ihren Ausgang 4.1 mit
dem Steuereingang 3.3 der Logik 3 verbunden. Über die
Zeitsteuerung 4 wird die Logik 3 veranlasst, zu entsprechenden
Steuerzeitpunkten ein Steuersignal am Ausgang 3.2 zu erzeugen,
welches von einer Einheit zur Messsteuerung 5 an dessen
Eingang 5.1 empfangen wird. Entsprechend den von der Zeitsteuerung
erzeugten Befehlen steuert die Einheit zur Messsteuerung 5 einen
Analog-Digital-Umsetzter 7, einen Pulsgenerator 9 sowie ein
Schaltelement B. Die Einheit zur Messsteuerung 5 ist dazu
mit ihrem Ausgang 5.2 mit dem Steuereingang 7.2 des
Analog-Digital-Umsetzers 7,
dem Steuereingang 9.3 des Pulsgenerators 9 sowie
einem Steuerausgang 15.1 der Schaltung 1 verbunden.
Der Steuerausgang 15.1 wiederum ist mit dem Steuereingang
des Schaltelements 8 verbunden. Als Schaltelement 8 kann
beispielsweise ein elektronisch steuerbarer Schalter, welcher als
Transistor ausgebildet sein kann, verwendet werden. Die Schaltausgänge des
Schaltelements 8 sind einerseits mit einer Versorgungsspannung,
beispielsweise 5 V, und andererseits mit einem ersten Anschluss
eines Messwiderstands 11 zur Erfassung der Temperatur eines
Gassensors verbunden. Damit kann über den Ausgang 15.1 der
Schaltung 1 bzw. den Steuereingang des Schaltelements 8 der
Messwiderstand 11 wahlweise mit der Versorgungsspannung
verbunden oder von dieser getrennt werden. Der zweite Anschluss
des Messwiderstands 11 ist einerseits mit einem ersten Anschluss
eines Heizwiderstands 12, einem Messeingang 15.2 der
Schaltung 1 sowie einem weiteren Steuerausgang 15.3 der
Schaltung 1, der im folgenden auch als Port bezeichnet
wird, verbunden. Der Messeingang 15.2 der Schaltung 1 wiederum
ist mit dem Eingang 7.1 des Analog-Digital-Umsetzers 7 verbunden.
Sobald der Analog-Digital-Umsetzter 7 über seinen Steuereingang 7.2 den
entsprechenden Befehl zur Signalumsetzung erhält, wird die am Eingang 7.1 des
Analog-Digital-Umsetzers 7 anliegende analoge Spannung,
welche dem Istwert der Betriebstemperatur des Gassensors entspricht,
in einen digitalen Betriebstemperaturwert T umgesetzt. Da der Ausgang 7.3 des
Analog-Digital-Umsetzers 7 mit einem Eingang 6.2 einer
Korrektureinheit 6 verbunden ist, kann die Korrektureinheit 6 zusammen
mit dem an ihren anderen Eingang 6.1 anliegenden Wert-
für die
Soll-Betriebstemperatur einen entsprechenden Korrekturwert KW berechnen.
Der Korrekturwert KW ist dann am Ausgang 6.3 der Korrektureinheit 6 abgreifbar. Über eine
Verbindung des Ausgangs 6.3 mit einem Korrekturwert-Eingang 9.1 des
Pulsgenerators 9 wird der Korrekturwert KW dem Pulsgenerator 9 zugeführt. Am
Eingang 9.2 des Pulsgenerators 9 ist ein Oszillator 13 angeschlossen,
der ein Referenzsignal, oder auch als Taktsignal bezeichnet, mit
einer konstanten Frequenz erzeugt und damit die Zählgeschwindigkeit
des im Pulsgenerator 9 integrierten Zählers vorgibt. Der Pulsgenerator 9 erzeugt
an seinem Ausgang 9.4 ein Pulssignal 9.6 dessen
Pulsweite und Frequenz über
den Korrekturwert KW eingestellt werden kann. Über das Pulssignal 9.6 wird
ein zweites Schaltelement 10, welches ebenso wie das Schaltelement 8 ein
elektronisch steuerbarer Schalter in Form eines Transistors sein
kann, gesteuert. Der Steuereingang des Schaltelements 10 ist
dazu mit dem Ausgang 9.4 des Pulsgenerators 9 verbunden.
Ausgangsseitig ist das Schaltelement 10 mit seinem einen
Schaltausgang mit der Versorgungsspannung oder Heizspannung, beispielsweise
5 Volt, verbunden. Mit seinem zweiten Schaltausgang ist das Schaltelement 10 über den
Steuerausgang 15.3 der Schaltung 1 mit dem Heizwiderstand 12 des
Sensors verbunden. Der zweite Anschluss des Heizwiderstands 12 des
Sensors ist mit einem Bezugspotenzial GND verbunden. Somit wird über das
Schaltelement 10 das Heizelement des Sensors gesteuert,
indem der Heizwiderstand 12 bedarfsweise über das
Schaltelement 10 mit der Heizspannung verbunden wird.
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Der Pulsgenerator 9, welcher
auch als Autor Reload Timer bezeichnet wird, beinhaltet den bereits erwähnten Zähler, der
kontinuierlich von einem Anfangswert R, beispielsweise von Null,
bis zu einem maximalen Zählerwert
Z zählt.
Anschließend
beginnt der Zähler
wieder beim einem Anfangswert R, beispielsweise bei Null, um erneut
bis zum maximalen Zählerwert
Z zu zählen,
Dieser Vorgang wiederholt sich beliebig oft.
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Um die Zähldauer, welche sich aus der
Differenz zwischen maximalem Zählerwert
Z und Anfangswert R ergibt, verändern
zu können,
besteht die Möglichkeit,
dem Pulsgenerator 9 über
den Steuereingang 9.1 mit Hilfe des Korrekturwerts KW den
Anfangswert R vorzugeben. Je größer der
Anfangswert R ist, desto kleiner wird die Differenz zwischen maximalem
Zählerwert 2 und
Anfangswert R, und desto niedriger wird die Frequenz und die Periode
P des Pulssignals 9.6 am Ausgang 9.4 des Pulsgenerators 9.
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Zur Einstellung der Pulsweite des
Pulssignals 9.6 ist ein Komparatorwert K vorgesehen, bei dessen
Erreichen das Pulssignal 9.6 seinen Pegel wechselt. Dies
ist bei dem in 1 gezeigten
Beispiel zu den beiden Zeitpunkten t2 und t4 der Fall. Je höher der
Komparatorwert K gewählt
wird, desto länger
befindet sich das Pulssignal 9.6 im Zustand high. Um ein
Pulsbreitenverhältnis
von 50 Prozent zu erhalten, ist der Komparatorwert K = (Z – R)/2 zu
wählen.
Sobald der Zähler
des Pulsgenerators 9 wieder mit dem Anfangswert R zu zählen beginnt,
wechselt das Pulssignal 9.6 am Ausgang 9.4 des
Pulsgenerators 9 vom Zustand low in den Zustand high.
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Die in 1 mit
dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Schaltung kann vorzugsweise
als Mikrocontroller ausgeführt
sein. Dadurch wird der gesamte Aufbau kompakt, die Anzahl der Bauelemente reduziert
sich und die Flexibilität
der Steuerung wird erhöht.
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Mit der in 1 beschriebenen Schaltungsanordnung kann
ein Gassensor mit zwei unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben
werden. Der erste Modus besteht darin, dass der Gassensor auf einer
konstanten Temperatur geregelt wird. Dadurch ist es möglich, den
Gassensor gegenüber
einem speziellen Gas zu sensibilisieren. Der zweite Modus besteht
darin, dass der Gassensor zyklisch auf mindestens zwei verschiedenen
Betriebstemperaturen geregelt wird. Dadurch ist es möglich, die
Konzentrationen mehrerer unterschiedlicher Gase mit ein und demselben Sensorelement
zu erfassen.
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Vorteilhafterweise erfolgt bei beiden
Betriebsarten die Erfassung der Konzentration des Gases sehr exakt.
Dies wird dadurch möglich,
dass die Betriebstemperatur des Gassensors exakt auf einen bestimmten
Wert geregelt wird.
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Bei dem zweiten Betriebsmodus erfolgt
die zyklische Umschaltung zwischen den einzelnen Betriebstemperaturen
zudem zu zeitlich exakt definierten Zeitpunkten, was bei dieser
Betriebsart die Genauigkeit bei der Erfassung der Konzentrationen mehrerer
verschiedener Gase weiter erhöht.
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Unabhängig von den beiden Betriebsmodi gibt
es noch zwei weitere Modi, nämlich
den Messmodus und den Heizmodus. Mess- und Heizmodus kommen sowohl
beim ersten als auch beim zweiten Betriebsmodus vor.
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2 zeigt
in Form eines Zustandsdiagramms die Steuerung mit den einzelnen
aufeinander folgenden Schritten als Statemachine bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
Das System beginnt bei Schritt 21, welcher den Start darstellt. Zunächst wird
beim Zustand 22 die Periode mit der die Messungen wiederholt
werden, auf beispielsweise 1 s festgelegt. Dann wird zu Zustand 23 gewechselt
bei dem der Sollwert der Betriebstemperatur T1 oder T2 festgelegt
wird. Anschließend
wird zu Zustand 22 zurück
gesprungen. Nun wird im Zustand 24 die Messung der Ist-Betriebstemperatur
begonnen. Sobald die Ist-Betriebstemperatur gemessen wurde, wird
zurück
zu Zustand 22 gesprungen und dann zu Zustand 25 gewechselt.
Bei Zustand 25 erfolgt die Auswertung der gemessenen Ist-Betriebstemperatur. Auch
hiernach erfolgt ein Rücksprung
zu Zustand 22, um dann im Zustand 26 die Regelabweichung
zu berechnen. Schließlich
wird zu Zustand 27 gewechselt, um im Bedarfsfall das Pulssignal 9.6 entsprechend anzupassen.
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Die Festlegung des Sollwerts der
Betriebstemperatur im Zustand 23 erfolgt dadurch, dass
im Zustand 231 die Periode der Zeitsteuerung, welche in i mit dem Bezugszeichen 4 versehen
ist, auf 10 ms festgelegt wird. Nun wird zum Zustand 232 gesprungen,
um dort die beiden Ports oder Ausgangsanschlüsse 15.1 und 15.3 des
Mikrocontrollers 1 zu konfigurieren, das heißt in den
Messmodus zu bringen. Dies bedeutet, dass das Schaltelement 8 leitend und
das Schaltelement 10 hochohmig wird, sodass der Heizwiderstand 12 nicht
weiter heizt. Nachdem zum Zustand 233 gewechselt wurde,
wird mittels des Analog-Digital-Umsetzers 7 der Istwert
der Betriebstemperatur durch Auswertung des Messwiderstands 11 bestimmt.
Anschließend
werden im Zustand 234 die beiden Ports 15.1 und 15.3 erneut
konfiguriert und dieses Mal in den Heizmodus gebracht. Dabei wird
die Heizung wieder eingeschaltet und die Messung über den
Messwiderstand 11 ausgeschaltet. Im nächsten Zustand 235 wird
die Regelabweichung berechnet. Dies geschieht mit Hilfe der Korrektureinheit 6 aus 1. Schließlich wird
der entsprechende Korrekturwert KW in den Pulsgenerator 9 geladen
und zum Zustand 231 zurück
gesprungen. Falls ein neuer Sollwert für die Betriebstemperatur T1
oder T2 verwendet werden soll, wird dieser im Zustand 237 vorgegeben
und im Zustand 236 in dem Pulsgenerator 9 geladen.
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Durch die Verwendung eines Betriebssystems
und eines Mikrocontrollers mit einem integrierten Auto Reload Timer 9,
einem integrierten Analog-Digital-Umsetzer 7 und mindestens einem
Timer 4, ist es möglich
ein System anzugeben, welches die oben genannten Anforderungen erfüllt und
kostengünstig
zu fertigen ist.
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Das Betriebssystem ruft definierte
Funktionen in bestimmten zeitlichen und logischen Abfolgen auf.
Dadurch ist sichergestellt, dass eine Messung immer im gleichen
Intervall mit definierten Zuständen gestartet
wird. Voraussetzung für
ein sol-ches Betriebssystem ist ein autark arbeitender Timer eines Mikrocontrollers.
Dieser steuert die zeitlichen Abläufe des Betriebssystems über einen
sogenannten Timertick. Mit Hilfe der weiteren Komponenten lassen
sich mit einem einfachen und kostengünstigen Mikrocontroller mit
einem reduzierten Befehlssatz und langsamen Maschinenzyklen trotzdem
die oben genannten Vorteile realisieren. Mit Hilfe des Auto Reload
Timers wird nach seiner Konfiguration ein gleichbleibendes Pulssignal 9.6 mit
konstanter Frequenz und gleichbleibender Pulsweite erzeugt, ohne
dabei den Prozessor zu belasten. Der Analog-Digital-Umsetzter zeigt nach Beendigung
des Messzyklus mittels eines Signals die Beendigung des Messzyklus
dem Mikrocontroller an, sodass dadurch ebenfalls keine Belastung
für den
Prozessor entsteht.
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Im folgenden wird das Betriebssystem
weiter beschrieben. Die Aufgaben werden wie folgt aufgeteilt. Der
Mikrocontroller 1 übernimmt
durch seine Software gesteuert, abhängig von der jeweiligen Aufgabe,
die sich aus der zeitlichen und logischen Abfolge ergibt, die Steuerung
der beiden Ports 15.1 und 15.3. Außerdem stößt er zeitlich
richtig unter schiedliche Prozesse nacheinander an. Ein Beispiel
für einen solchen
Prozess ist die regelmäßige periodische Messung
der Betriebstemperatur des Gassensors, beispielsweise nach jeweils
10 ms.
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Der Messzyklus beginnt, in dem der
Spannungsteiler, welcher aus den beiden Widerständen 11 und 12 gebildet
wird, über
den Port 15.1 und der Analog-Digital-Umsetzter 7 über den
Steuereingang 7.2 eingeschaltet werden, um eine Spannungsmessung
durchzuführen.
Die Spannung über
dem Platin-Widerstand Heizwendel 12 des Gassensors repräsentiert
die Betriebstemperatur des Sensors. Voraussetzung dafür ist, dass
der Port 15.3, der das Pulssignal 9.6 auf den
Heizwiderstand 12 des Gassensors gibt, vorher abgeschaltet
worden ist. Nachdem die beiden Ports 15.1 und 15.3 umgeschaltet worden
sind und die Messung des Widerstands 12 angestoßen worden
ist, kann der Mikrocontroller 1 für die Dauer der Messung beispielsweise
die Auswertung einer früheren
Sensor-Messung durchführen.
Je nach Anordnung kann der Widerstand 11 auch der Heizwiderstand
sein. Dieser Moment wird dem Mikrocontroller 1 über einen
Interruptflag mitgeteilt. Sobald das Interruptflag gesetzt ist,
werden die beiden Ports 15.1 und 15.3 wieder zurück geschaltet,
das heißt
in den Heizmodus gebracht. Um ein weiteres Abkühlen des Sensors zu verhindern,
wird die Heizung 12 wieder mit dem alten Sollwert eingeschaltet.
Anschließend
wird der neue Sollwert für
die Betriebstemperatur berechnet. Die Regelabweichung errechnet
sich aus der aktuellen gemessenen Betriebstemperatur des Sensors
und dem zur Zeit gültigen
Sollwert der Betriebstemperatur (T1, T2 ... Tn). Der neu berechnete
Wert für die
Betriebstemperatur wird anschließend in das Register des Pulsgenerators 9 geschrieben.
Der Pulsgenerator 9 stellt sich nach einem internen Interrupt,
der zyklisch auftritt, auf die neuen Werte ein. Nach dem Schreiben
der Daten in das Register des Pulsgenerators 9 stehen dem
Mikrocontroller 1 wieder alle Rechenressourcen zur Verfügung, um anschließend eine
Messung der Gaskonzentration bzw. eine Kommunikation mit der Klimaanlage
beispielsweise durchzuführen.
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Der Pulsgenerator 9 und
der Analog-Digital-Umsetzter 7 arbeiten
wie folgt zusammen. Der Pulsgenerator 9 ist ein freilaufender
schneller Zähler, welcher
direkt mit dem Oszillator 13 verbunden ist und der bei
einem Überlauf
einen internen Interrupt auslöst.
Der Pulsgenerator 9 generiert selbständig ein Pulssignal 9.6,
dass keinerlei Belastung des Rechenkerns während des Betriebs darstellt.
Das Pulssignal 9.6 des Pulsgenerators 9 wird auf
den Port 15.3 des Microcontrollers 1 geführt. Zusätzlich weist der
Pulsgenerator 9 das bereits erwähnte Komparatorregister für den Komparatorwert
K und das ebenfalls bereits erwähnte
Reload-Register für
den Anfangswert R, im folgenden auch als Reload- oder Übertragswert
bezeichnet, auf.
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Sobald der Pulsgenerator 9 gestartet
wird, wird der Pegel am Ausgang 15.3 auf high gesetzt. Dieser
Zustand wird beibehalten, bis der Zähler des Pulsgenerators 9 den
Komparatorwert K erreicht. Dann wird der Pegel am Port 15.3 auf
low gezogen. Der Port 15,3 verweilt im low-Zustand,
bis der Zähler seinen
maximalen Wert Z erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt wird der Pegel
am Port 15.3 wieder auf high gelegt und der Zählzyklus
beginnt wieder beim Anfangswert. Dadurch, dass die Werte im Komparatorregister
als Parameter abgelegt werden, ist es möglich, das Puls-Pausen-Verhältnis des
Pulssignals 9.6 zu verändern.
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Daneben lässt sich auch die Frequenz
des vom Pulsgenerator 9 erzeugten Pulssignals 9.6 durch
den Übertragswert,
der im Übertragsregister gespeichert
ist, verändern.
Erreicht der Zähler
seinen Überlauf,
wird aus dem Übertragsregister
der Übertragswert
R auf den aktuellen Zählerwert
addiert. Der Zähler
erreicht somit schneller seinen Überlauf
als dies ohne den Übertragswert
R der Fall wäre
und erhöht
somit die Frequenz des Pulssignals 9.6.
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In Abhängigkeit von der thermischen
Zeitkonstante des Sensorelements ist es möglich, ein Pulssignal 9.6 mit
einer entsprechend angepassten Frequenz zu generieren. Falls der
Sensor eine große thermische
Zeitkonstante aufweist, kann der Mikrocontroller 1 das
Sensorelement mit einem Pulssignal mit einer niedrigen Frequenz
heizen. Die Wärmekapazität des Sensors
gleicht das Puls-Pausen-Verhältnis
des Pulssignals 9.6 aus, sodass sich eine nahezu konstante
Temperatur einstellt. Besitzt das Sensorelement allerdings eine
geringe thermische Zeitkonstante, muss die Frequenz des Pulssignals 9.6 entsprechend
angepasst und damit höher
werden, um die Linearisierung über
die geringe Wärmekapazität zu erreichen.
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Um den Sensor bei mehreren verschiedenen Betriebstemperaturen
zu betreiben, sowie um die gewünschte
Betriebstemperatur exakt zu erreichen, wird wie gerade beschrieben,
vorgegangen. Die Veränderung
der Pulsweite ermöglicht
dann entweder ein starkes Überschwingen
der Sensortemperatur bzw. eine asymptotische Annäherung der Sensortemperatur
an die gewünschte
Betriebstemperatur. Mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise ist es möglich, die
Besonderheiten von unterschiedlichen Gassensoren durch einen entsprechenden
Abgleich zu kompensieren, ohne dass eine Modifikation der Hardware
oder der Software erforderlich wäre.
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Als Sensorelement kann beispielsweise
das in den 3 und 4 gezeigte Sensorelement
verwendet werden.
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In 3 ist
der prinzipielle Aufbau eines Halbleiter-Sensorelements ohne die
gassensitive Schicht in der Draufsicht gezeigt. Das Sensorelement
ist auf einem Siliziumsubstrat, auf welchem eine Membran 30 angeordnet
ist, aufgebaut. In die Membran 30 ist eine Heizstruktur 32 sowie
eine Elektrodenstruktur 33 eingebettet. Die Elektrodenstruktur 33 ist,
wie in den beiden 3 und 4 gezeigt, mit einer Zuleitung 35 und
die Heizstruktur 32 mit Zuleitungen 37.1 und 37.2 zum
Anschluss an eine Spannungsquelle versehen.
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Die Heizstruktur 32 und
die Elektrodenstruktur 33 sind, wie in 4 gezeigt, von einer sensitiven Schicht 34 überdeckt,
die beispielsweise aus Zinn dioxid besteht und mit 0,1 Prozent Kupfer
sowie mit 0,1 Prozent Silber und Gold dotiert ist.
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Die Zusammensetzung der sensitiven Schicht 34 hängt vom
zu erfassende Gas ab. Daher können
für unterschiedliche
zu erfassende Gase verschiedene sensitiven Schichten verwendet werden.
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Die Betriebstemperatur der sensitiven Schicht 34 liegt
zwischen 100 und 400 Grad Celsius. Diese Temperatur wird mittels
der Heizstruktur 32, die in 1 dem
Heizwiderstands 12 entspricht, eingestellt. Befindet sich
in der Umgebung des Halbleiter-Gassensors das zu erfassende Gas,
so ändert sich
der elektrische Widerstand der gassensitiven Schicht 34,
was mittels der Elektrodenstruktur 33 gemessen und mittels
einer Auswerteeinheit ausgewertet wird.
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Der Messwiderstand 12 zur
Temperaturerfassung aus 1 entspricht
in den 3 und 4 dem Temperatursensor 31 mit
der entsprechenden Zuleitung 38.
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Die vorhergehende Beschreibung der
Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden
Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke
der Beschränkung
der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen
und Modifikationen möglich,
ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.