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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betreiben eines Gassensors
nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs.
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In
dem Fachbuch "Otto-Motor – Management/Bosch", Verlag Vieweg,
1. Aufl., 1998, Seiten 22–23,
ist ein Breitband-Lambda-Sensor beschrieben, der eine Sensorkammer
aufweist, die über
eine Diffusionsbarriere mit einem Gasraum verbunden ist. In der
Sensorkammer ist eine innere Pumpelektrode angeordnet, die mit einer äußeren Pumpelektrode und
einem zwischen den Pumpelektroden liegenden Sauerstoffionen leitenden
Elektrolyten eine Pumpzelle bildet. Mit der Pumpzelle können Sauerstoffionen des
Gases durch den Elektrolyten aus der Sensorkammer heraus oder in
die Sensorkammer hineingepumpt werden.
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Neben
der Pumpzelle ist eine Messzelle vorhanden, die zwischen der inneren
Pumpelektrode und einer Referenzgaselektrode liegt, wobei zwischen
der inneren Pumpelektrode und der Referenzgaselektrode ebenfalls
ein Sauerstoffionen leitender Elektrolyt angeordnet ist. Die Messzelle
entspricht einer Nernstzelle, bei der die sich im thermodynamischen
Gleichgewicht zwischen der inneren Pumpelektrode und der Luftreferenzelektrode
ausbildende Potenzialdifferenz dem Logarithmus des Verhältnisses
des Partialdrucks des zu untersuchenden Gases in der Sensorkammer
und des Partialdrucks des zu untersuchenden Gases in der Luftreferenz
proportional ist.
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Eine
in analoger Schaltungstechnik realisierte Schaltungsanordnung hat
die Aufgabe, den Sauerstoffpartialdruck in der Sensorkammer derart
zu beeinflussen, dass das Nernstpotenzial konstant auf einem vorgegebenen
Wert bleibt. Die Schaltungsanordnung ändert zu diesem Zweck einen
elektrischen Pumpstrom, mit dem die äußere Pumpelektrode beaufschlagt
ist. Die Polarität
und der Betrag des Pumpstroms hängen
davon ab, ob bzw. um welchen Betrag das vorgegebene Nernstpotenzial über- oder unterschritten
ist. Der sich einstellende Pumpstrom tritt an einem Arbeitswiderstand
als Spannung auf die ein Maß für die Konzentration
des zu untersuchenden Gases ist.
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In
der
DE 36 25 07l A1 ist
ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors mit veränderlicher
Ionenleitfähigkeit
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben,
bei welchem der Sensor in zyklisch ablaufenden Vorgängen impulsartig mit
einem von einer Konstantstromquelle gelieferten Strom beaufschlagt
wird. Die sich ergebende Spannung am Sensor ist ein Maß für die relative
Luftfeuchte, welcher der Sensor ausgesetzt ist. Die impulsartige
Zuführung
des Stroms vermeidet Polarisationseffekte an den Elektroden des
Sensors. Die Verwendung eines konstanten Stroms, der eine wechselnde Polarität aufweisen
kann, ermöglicht
eine einfache Auswertung der am Sensorelement auftretenden Sensorspannung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zum Betreiben
eines Gassensors anzugeben, der eine einfach zu realisierende Schaltungsanordnung
enthält,
welche eine genaue, drift- und offsetarme Messung ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch
angegebenen Merkmale gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine
Konstantstromquelle zur Bereitstellung des Pumpstroms vorgesehen.
Gemäß einer
ersten Alternative ist die Konstantstromquelle auf mehrere vorgebbare
Strompegel einstellbar. Gemäß einer
zweiten Alternative, die gegebenenfalls zusätzlich zur ersten Alternative
vorgesehen sein kann, sieht die Konstantstromquelle einen getakteten
Betrieb mit Einschaltphasen und Ausschaltphasen vor, wobei die Dauer
der Einschaltphasen und/oder die Dauer der Ausschaltphasen vorgebbar
ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann weit gehend in digitaler Schaltungstechnik realisiert werden.
Dadurch ist eine vergleichsweise genaue Erfassung des Pumpstroms
und somit des Messsignals möglich.
Die in analoger Schaltungstechnik nur mit aufwändigen Maßnahmen in den Griff zu bekommende
Fehler durch Drift und Offset werden weitestgehend vermieden. Weiterhin
ist die Erfassung des Pumpstroms unabhängig von einer elektrischen
Kapazität
des Gassensors.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
gemäß der ersten
Alternative die Vorgabe von unterschiedlichen Beträgen der
Konstantströme.
In einem stationären
Betriebszustand, bei dem sich die Konzentration des zu messenden
Gases innerhalb des betrachteten Messzeitraums nicht oder nur unwesentlich ändert, ist
der in der Schaltungsanordnung bekannte Konstantstrom identisch
mit dem Pumpstrom. Bei den üblicherweise
instationären
Zuständen
kann durch eine einfache Mittelwertbildung über ein zeitlich vorgegebenes
Messfenster der Pumpstrom erhalten werden. Die Mittelwertbildung gestaltet
sich besonders einfach, da sowohl die Zeiten, in denen der vorgegebene
Konstantstrom fließt, als
auch der Betrag des Konstantstroms in der Schaltungsanordnung bekannt
sind.
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Gemäß der zweiten
Alternative, die einen getakteten Betrieb mit Einschaltphasen und
Ausschaltphasen vorsieht, ermöglicht
die Vorgabe eines mittleren Pumpstroms durch eine Variation der
Dauer der Einschaltphasen und/oder der Ausschaltphasen. Die zweite
Alternative ermöglicht
eine Realisierung der Konstantstromquelle im Extremfall mit nur
einem vorgebbaren Pegel.
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Die
flexibelste Lösung
sieht eine Kombination der ersten und zweiten Alternative vor. Durch
die Kombination können
die Beträge
der Konstantströme und
die Dauer der Einschaltphasen und/oder Ausschaltphasen flexibel
vorgegeben werden. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben
des Gassensors eine Regelschleife enthält, die dadurch gegeben ist,
dass eine Änderung
des Pumpstroms die Mess-Spannung beeinflusst, die ihrerseits wieder zu
einer Nachführung
des Pumpstroms führen
kann, kann durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Maßnahmen
eine Optimierung des Regelverhaltens im Hinblick auf Genauigkeit
und Geschwindigkeit der Regelung erzielt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann über
standardisierte Schnittstellen direkt von weiteren elektrischen
Steuereinheiten angesprochen werden, die nicht Gegenstand der vorliegenden
Anmeldung sind. Zusätzliche
Schaltungsmaßnahmen
sind hierzu nur in ge ringem Umfang erforderlich. Die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auftretenden Signale liegen weit gehend in digitaler Form vor, so dass
die Signalverarbeitung weitestgehend in einem Rechner stattfinden
kann. Dadurch ist eine Miniaturisierung der Schaltungsanordnung
bei gleichzeitiger Erhöhung
der Funktionalität
bzw. der Änderungsmöglichkeit
der Funktionalität
der Vorrichtung möglich.
Eine Anpassung an unterschiedliche Ausführungen von Gassensoren oder
eine Anpassung zum Ausgleich von Exemplarstreuungen einer Gassensorserie
ist mit Softwareanpassungen in einfacher Weise ohne Änderung
der Hardware möglich.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Betreiben eines Gassensors ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
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Eine
Ausgestaltung sieht vor, dass die Konstantstromquelle die Vorgabe
von Konstantströmen ermöglicht,
die sowohl positive als auch negative Polarität aufweist.
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Eine
Ausgestaltung sieht eine Mittelwertbildung über eine vorgegebene Messzeit
vor. Die Mittelwertbildung ermöglicht
die Erhöhung
der Genauigkeit bei der Erfassung des Pumpstroms insbesondere bei instationären Vorgängen, bei
denen Regelvorgänge auftreten.
Durch die Anpassung der Messzeit, die einer Tiefpassfilterfunktion
entspricht, kann gleichzeitig eine Glättung des zeitlichen Verlaufs
des Pumpstroms vorgenommen werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
gestattet die Ermittlung des Pumpstroms durch einfache Zählvorgänge. Bei
vorgegebenem Strompegel und vorgegebener Dauer der Einschaltphasen
und/oder der Ausschaltphasen ergibt die Zählung der Anzahl der Einschaltphasen
oder der Ausschaltphasen innerhalb der vorgegebenen Messzeit unmittelbar
ein Maß für den Pumpstrom
wieder. Eine Regelung der Mess-Spannung ist durch eine Steuerung
der Konstantstromquelle in Abhängigkeit
von einem Vergleich zwischen einer vorgegebenen Soll-Messspannung
und der Ist-Messspannung möglich.
Die analoge Mess-Spannung
wird vorzugsweise in einem Analog-Digital-Wandler in ein Digitalsignal
umgesetzt, so dass eine weitestgehende Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in digitaler Schaltungstechnik ermöglicht ist.
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Eine
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht einen Gassensor vor, der mehrere Pumpzellen enthält, die
beispielsweise unterschiedlichen zu untersuchenden Gasen ausgesetzt
werden können.
Für die
mehreren Pumpzellen wird lediglich eine Mess zelle benötigt. Durch
eine zeitliche Koordination kann ein und dieselbe Konstantstromquelle
in zeitlicher Folge sämtliche
Pumpzellen mit einem Pumpstrom beaufschlagen. Sofern die sich ergebenden
Zeiten für
den stromlosen Zustand einiger Pumpzellen zu hohe Werte ergeben,
können
die Konstantstromquelle sowie deren Steuerung entsprechend mehrfach
vorhanden sein. Der zusätzliche
Aufwand hält
sich dadurch in Grenzen, da die Funktionen in einem Rechner, beispielsweise
einem Mikroprozessor, ohne großen
Aufwand mehrfach realisierbar sind.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich insbesondere zum Betreiben eines Gassensors, der im
Abgas einer Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die weitestgehende
Möglichkeit
der Digitalisierung weist bei diesem Einsatz des Gassensors wesentliche
Vorteile im Hinblick auf die mit elektromagnetischen Störungen verseuchte
Umgebung auf.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Betreiben eines Gassensors ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und
aus der folgenden Beschreibung.
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Zeichnung
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1 zeigt ein Schnittbild
durch einen Gassensor,
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2 zeigt ein Blockschaltbild
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Betreiben des in 1 gezeigten
Gassensors und
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3a–3c zeigen Signalverläufe in Abhängigkeit
von der Zeit, die in der in 2 gezeigte
Anordnung auftreten.
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1 zeigt ein Schnittbild
durch einen Gassensor 10, der eine zwischen einer äußeren Pumpelektrode 11 und
einer inneren Pumpelektrode 12 angeordnete Pumpzelle 13 enthält. Die
innere Pumpelektrode 12 ist in einer Sensorkammer 14 angeordnet,
die über
eine Diffusionsbarriere 15 mit dem zu messenden Gas beaufschlagt
wird. In der Sensorkammer 14 ist weiterhin eine innere
Messelektrode 16 angeordnet, die mit einer in einem Gasreferenzraum 17 angeordneten äußeren Messelektrode 18 eine
Messzelle 19 bildet.
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Die äußere Pumpelektrode 11,
die mit einem Pumpelektrodenanschluss APE verbunden ist, wird mit
einem Pumpstrom Ip beaufschlagt. Die innere Pumpelektrode 12,
die elekt risch mit der inneren Messelektrode 16 verbunden
ist, wird an einen Sensorkammeranschluss IPE geführt. Die äußere Messelektrode 18 ist
an einen Mess-Signalanschluss LR geführt.
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2 zeigt ein Blockschaltbild
einer Vorrichtung zum Betreiben des Gassensors 10. Das
elektrische Ersatzschaltbild des Gassensors 10 weist eine zwischen
dem Pumpelektrodenanschluss APE und dem Mess-Signalanschluss LR
liegende Pumpzellenspannung UAPE und einen Pumpzellenwiderstand
RAPE auf. Der Gassensor 10 weist weiterhin eine zwischen
dem Mess-Signalanschluss LR und dem Sensorkammeranschluss IPE liegende
Messspannung UIPEist und einen Messzellenwiderstand RIPE auf. Der
Sensorkammeranschluss IPE ist mit einer Schaltungsmasse 20 verbunden.
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Der
Mess-Signalanschluss LR, an dem eine Sensorspannung ULR anliegt,
ist mit einer Abtast-/Halteschaltung 21 verbunden, der
ein Analog-/Digital-Wandler 22 nachgeschaltet ist, der
eine digitalisierte Messspannung UIPEistd an einen Vergleicher 23 weiterleitet.
Der Vergleicher 23 vergleicht die digitalisierte Messspannung
UIPEistd mit einer Sollspannung UIPEsoll und gibt ein Differenzsignal 24 an
eine Entscheidungslogik 25 ab. Die Entscheidungslogik 25 gibt
ein erstes Schaltsignal St1 an einen ersten Schalter, ein zweites
Schaltsignal St2 an einen zweiten Schalter S2 sowie ein Zählsignal 26 an einen
Zähler 27 ab.
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Der
erste Schalter S1 ist mit einer positiven Spannungsquelle U+ und
der zweite Schalter mit einer negativen Spannungsquelle U– verbunden.
Der erste Schalter S1 kann die positive Spannungsquelle U+ und der
zweite Schalter S2 die negative Spannungsquelle U– auf einen
Stromquellenwiderstand RI schalten, der mit dem Pumpelektrodenanschluss APE
verbunden ist, in welchen der Pumpstrom IP fließt. Zur Steuerung der Abtast-/Halteschaltung 21 und
der Entscheidungslogik 25 ist ein Taktgeber 28 vorgesehen,
der ein Taktsignal TAKT bereitstellt.
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Die 3a–3c zeigen Signalverläufe in Abhängigkeit
von der Zeit t, die in der in 2 gezeigten Vorrichtung
auftreten.
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3a zeigt die Sensorspannung
ULR in Abhängigkeit
von der Zeit t. Die Sensorspannung ULR entsteht aus der Überlagerung
der Spannung der Mess-Spannungsquelle UI-PEist und einer Fehlerspannung UF, die
durch den Spannungsabfall am Pumpzellenwi derstand RAPE auf Grund
des Pumpstroms Ip entsteht. Während
Einschaltphasen TD bzw. während
der Pumpstrom Ip fließt,
tritt die Fehlerspannung OF auf. Während Ausschaltphasen TA ist
der Pumpstrom Ip abgeschaltet, so dass die Mess-Spannung UIPEist
als Sensorspannung ULR vorliegt.
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3b zeigt den Pumpstrom Ip
in Abhängigkeit
von der Zeit t. In einem ersten Zeitintervall, das zwischen einem
ersten und einem sechsten Zeitpunkt, T1, T6 liegt. Während der
Einschaltphasen TD tritt der Pumpstrom Ip mit einem ersten Betrag
I+ auf. Während
der Ausschaltphasen TA und während
eines Zeitintervalls, das nach dem sechsten Zeitpunkt T6 beginnt
und zu einer Messzeit TM endet, ist der Pumpstrom Ip während der
Einschaltphasen TD auf einen zweiten Betrag I– festgelegt. Mit dem Auftreten der
Messzeit TM ändert
sich der Betrag des Pumpstroms Ip während der Einschaltphase TD
wieder auf den ersten Betrag I+.
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In 3c ist das Taktsignal TAKT
in Abhängigkeit
von der Zeit t gezeigt. Das Taktsignal TAKT weist während der
Einschaltphasen TD einen Einschaltpegel und während der Ausschaltphasen TA
einen Ausschaltpegel auf. Das Taktsignal TAKT weist eine Periodendauer
TP auf. Innerhalb der Periodendauer TP tritt die Einschaltphase
TD sowie die Ausschaltphase TA auf.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Betreiben des in 1 schematisch
gezeigten Gassensors 10 wird anhand der in den 3a–3c gezeigten Signalverläufen, die
in der in 2 gezeigten Anordnung
auftreten, näher
erläutert:
Der
Gassensor 10 ist beispielsweise im Abgas einer Brennkraftmaschine
angeordnet. Der Gassensor 10 detektiert bei dieser Anwendung
eine Konzentration einer im Abgas enthaltenen Gaskomponente. Hierbei kann
es sich beispielsweise um die Restsauerstoffkonzentration oder beispielsweise
die Stickoxid (NOx)-Konzentration handeln. Die äußere Pumpelektrode 11 sowie
die Diffusionsbarriere 15 sind dem zu untersuchenden Gas
ausgesetzt. Die Gaskonzentration in der Sensorkammer 14 kann
durch einen Gasionentransport durch die Pumpzelle 13 verändert werden.
Die Konzentration kann durch Anlegen einer Spannung an den Pumpelektrodenanschluss
APE der äußeren Pumpelektrode 11 geändert werden.
Auf Grund der Spannung tritt der Pumpstrom Ip auf.
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Der
Gassensor 10 enthält
weiterhin die zwischen der inneren und äußeren Messelektrode 16, 18 ausgebildete
Messzelle 19. Mit der Messzelle 19 kann die Konzentration
des zu untersuchenden Gases in der Sensorkammer 14 auf
Grund eines in der Messzelle 19 auftretenden Gasionenflusses
gemessen werden. Die Spannung der Messzelle 19 ist die Mess-Spannung
UIPEist, die als Nernstspannung bezeichnet wird. Voraussetzung für die Ausbildung der
Nernstspannung ist ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen
den Gaskomponenten des zu untersuchenden Gases. Die Konzentrationsmessung
erfolgt gegenüber
der Gaskonzentration, die im Gasreferenzraum 17 auftritt.
Hierbei handelt es sich um einen Raum, der beispielsweise mit Luft
gefüllt ist.
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Unter
der Voraussetzung, dass die Konzentration des zu messenden Gases
im Gasreferenzraum 17 höher
ist als die Konzentration in der Sensorkammer 14, gilt
das in 2 gezeigte Ersatzschaltbild
des Gassensors 10. Unter der genannten Voraussetzung liegt
das am Mess-Signalanschluss LR auftretende Potential unterhalb von
dem am Pumpelektrodenanschluss APE auftretenden Potential, aber
oberhalb von dem am Sensorkammeranschluss IPE auftretenden Potential.
Die Potentiale werden durch die im Ersatzschaltbild des Gassensors 10 gezeigten
Spannungsquellen bestimmt. Die Spannungen der Spannungsquellen,
mithin die Mess-Spannung UIPEist sowie die Pumpzellenspannung des UAPE
werden durch die Konzentrationsunterschiede an der Messzelle 19 bzw.
der Pumpzelle 13 bestimmt, die durch den Pumpstrom Ip beeinflusst
werden können.
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Die
in 2 gezeigte Anordnung
hat vorzugsweise die Aufgabe, die Mess-Spannung UIPEist auf die
Sollspannung UIPEsoll einzustellen. Die Sollspannung UIPEsoll wird
bei einem Gassensor 10, der die Konzentration des Restsauerstoffs
im Abgas einer Brennkraftmaschine im thermodynamischen Gleichgewicht
erfassen soll, wird beispielsweise auf einen Wert festgelegt, der
im Bereich der Luftzahl Lambda von wenigstens näherungsweise = 1 liegt, bei
dem sich die Sauerstoffkonzentration bzw. der Sauerstoffpartialdruck
um mehrere Zehnerpotenzen ändert.
Entsprechend ändert
sich die Mess-Spannung
UIPEist stark. Die Sollspannung UIPEsoll wird beispielsweise auf
einen Wert von 450 mV festgelegt.
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Die
am Mess-Signalanschluss LR abgreifbare Sensorspannung ULR, die in 3a gezeigt ist, wird vorzugsweise
während
der Ausschaltphasen TA erfasst. Während der Ausschaltphasen TA
des Pumpstroms Ip entfällt
die Verfälschung
der Spannung durch die Fehlerspannung OF auf Grund des Pumpstroms
Ip am Messzellenwiderstand RIPE. Die Abtastung der Sensorspannung
ULR erfolgt durch die vom Taktsignal TAKT gesteuerte Abtast-Halteschaltung 21,
welcher der Analog-/Digital-Wandler 22 nachgeschaltet ist.
Alternativ können
die Abtast-Halteschaltung 21 und der Analog-/Digital-Wandler 22 in der
Anordnung vertauscht werden, so dass unmittelbar eine Analog-Digital-Wandlung
der Mess-Spannung UIPEist vorgesehen sein kann.
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Die
digitalisierte Mess-Spannung UIPEistd wird im Vergleicher 23 mit
der Sollspannung UIPEsoll verglichen. In Abhängigkeit von der Differenz
wird das Differenzsignal 24 an die Entscheidungslogik 25 ausgegeben.
Die Entscheidungslogik 25 steuert mit dem ersten Schaltsignal
St1 oder dem zweiten Schaltsignal St2 entweder den ersten Schalter
S1 oder den zweiten Schalter S2 an. Das Schließen des ersten Schalters S1,
der mit der positiven Spannungsquelle U+ verbunden ist, führt in Verbindung mit
dem Stromquellenwiderstand Ri zu einem Pumpstrom Ip mit der vorgegebenen
Amplitude I+, die in 3b gezeigt
ist, welche innerhalb eines Zeitintervalls auftritt, das zwischen
dem ersten Zeitpunkt T1 und dem sechsten Zeitpunkt T6 liegt. Das
erste Steuersignal St1 und somit das Auftreten des Pumpstroms Ip
mit dem ersten Betrag I+ tritt während der
Einschaltphasen TD auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwischen
dem ersten und sechsten Zeitpunkt T1, T6 fünf Einschaltphasen TD vorgesehen.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
soll die Anordnung mit der positiven oder negativen Spannungsquelle
U+, U– und
dem Stromquellenwiderstand Ri eine schaltbare Konstantstromquelle
bilden. An Stelle der gezeigten Ausgestaltungen kann die Konstantstromquelle
auch aufwändiger
gestaltet werden mit dem Ziel, den Pumpstrom präziser vorgeben zu können. Unter
der Voraussetzung, dass der Stromquellenwiderstand Ri erheblich
höherohmiger ist
als der Innenwiderstand der positiven oder negativen Spannungsquelle
U+, U– und
der Pumpzellenwiderstand Ri, wird der Pumpstrom Ip im wesentlichen durch
die Spannung der positiven oder negativen Spannungsquelle U+, U– und dem
Stromquellenwiderstand Ri bestimmt. Sofern lediglich ein vorgegebener
Betrag des Pumpstroms Ip vorgesehen ist, kann die Konstantstromquelle
auf die in 3b gezeigten
Strompegel I+, I– festgelegt
werden. Durch Änderung
der Spannung der positiven und negativen Spannungsquelle U+, U– und/oder
des Widerstandswerts des Stromquellenwiderstands Ri können unterschiedliche
Strompegel vorgegeben werden.
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Beim
Schließen
des zweiten Schalters S2, der mit der negativen Spannungsquelle
U– verbunden
ist, tritt in Verbindung mit dem Stromquellenwiderstand Ri der zweite
Betrag I– des
Pumpstroms Ip auf. Diese Situation ist zwischen dem sechsten Zeitpunkt
und der Messzeit TM in 3b gezeigt.
Innerhalb des Zeitintervalls treten beispielsweise die gezeigten
vier Einschaltdauern TD auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen,
dass zum sechsten Zeitpunkt T6 das Differenzsignal 24 signalisiert,
dass die digitalisierte Mess-Spannung UIPEistd die Sollspannung
UIPEsoll überstiegen
hat, so dass in der dem Zeitpunkt T6 folgenden Periodendauer TP
das erste Schaltsignal St1 zurückgenommen
und das zweite Schaltsignal St2 während der Einschaltphasen TD
zum Schließen
des zweiten Schalters S2 ausgegeben wird. Mit dem Auftreten der Messzeit
TM ändert
sich wieder das Differenzsignal 24. Mit dem Auftreten der
Messzeit TM ist eine Regelschwingung abgeschlossen. Eine andere
Ausgestaltung des Reglers kann zu einem anderen Verhalten führen.
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Auf
Grund der weit gehend digitalen Realisierung von Schaltungskomponenten
ist eine einfache Ermittlung des Pumpstromes Ip möglich. Der
erste und zweite Betrag I+, I– des
Stroms der Konstantstromquelle ist durch die Spannung der positiven
und negativen Spannungsquelle U+, U– sowie durch den Betrag des
Stromquellenwidertands Ri festgelegt. Der Pumpstrom Ip kann durch
einen einfachen Zählvorgang
der in 3b gezeigten
Einschaltphasen TD ermittelt werden, vorausgesetzt, der erste und zweite
Betrag I+, I– des
Pumpstroms Ip sind gleich groß.
Die Zählung
erfolgt durch eine Zählung
der Einschaltdauern TD, die zwischen dem ersten und sechsten Zeitpunkt
T1, T6 auftreten, und eine eine Zählung der Einschaltdauern TD,
die zwischen dem sechsten Zeitpunkt T6 und der Messzeit TM auftreten.
Anschließend
wird die Differenz gebildet.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Messzeit TM, über
welche die Summenbildung erfolgt, zufällig gerade einer Regelschwingung
gleichgesetzt. Die Messzeit TM kann unabhängig von der Regelschwingung
festgelegt werden. Die Messzeit TM gibt die Integrationszeit für die Mittelwertbildung an.
Das Ergebnis der Mittelwertbildung ergibt den mittleren Pumpstrom
Ip, mit dem die äußere Pumpelektrode 11 beaufschlagt
wird. Der Pumpstrom Ip ist unmittelbar ein Maß für die Konzentration des zu
untersuchenden Gases, da die Regelung des Pumpstroms Ip in Abhängigkeit
von der konstant gehaltenen Mess-Spannung UIPEist geregelt wird.
Die Mittelwertbildung kann gleitend erfolgen. Gleitende Mittelwertbildung
bedeutet, dass beispielsweise zu jedem Zeitpunkt T1–T9 die
Stromimpulse jeweils bis zur gleichermaßen voranschreitenden Messzeit
TM summiert werden.
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Die
Auflösung
bei der Ermittlung des mittleren Pumpstroms Ip wird durch die Festlegung
der Messzeit TM beeinflusst. Wird beispielsweise die Periodendauer
TP auf 0,1 ms und die Messzeit TM auf 10 ms festgelegt, so beträgt die Auflösung TM/TP
= 100. Der mittlere Pumpstrom Ip kann damit in 1/100-Stufen des
maximal möglichen
mittleren Pumpstroms IP aufgelöst
werden. Der maximal mögliche
mittlere Wert des Pumpstroms IP kann dabei 100 * U+ * TD/Ri bzw.
100 * U– *
TD/Ri betragen.
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Durch
Abstufung der Einschaltdauern TD und/oder des ersten und/oder zweiten
Betrags I+, I–, kann
eine Optimierung des Regelverhaltens im Hinblick auf Genauigkeit
und Geschwindigkeit, sowie insbesondere Stabilität der Regelung erzielt werden.
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Eine
Weiterbildung kann vorsehen, dass die Konstantstromquelle U+, S1,
U–, S2,
Ri mehrstufig, insbesondere auch mehrstufig für beide Polaritäten, ausgestaltet
wird. Sofern das Differenzsignal 24 eine größere Differenz
zwischen der Mess-Spannung UIPEist und der Sollspannung UIPEsoll
anzeigt, kann für
eine oder mehrere Einschaltzeiten TD ein höherer Strombetrag vorgegeben
werden, als bei einer kleineren Differenz.
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Eine
andere Weiterbildung sieht vor, dass die Einschaltphasen TD und/oder
die Periodendauer TP variabel vorgegeben werden. In diesem Fall
kann bei einer höheren
Differenz zwischen der Mess-Spannung UIPEist und der Sollspannung
UIPEsoll zunächst
für eine
oder mehrere Periodendauern TP eine längere Einschaltphase TD vorgegeben
werden als bei einer kleineren Differenz.
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Eine
Ausgestaltung sieht eine Kombination der Weiterbildungen vor, so
dass mit einer Änderung der
Beträge
I+, I– des
Pumpstroms Ip sowie einer Änderung
der Einschaltphasen TD und/oder der Periodendauern TP die der Pumpelektrode 11 zugeführte Ladungsmenge
gemäß dem Produkt
Ip * TD in einer Periodendauer TP variabel vorgegeben werden kann.
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Bei
den Weiterbildungen ist bei der Zählung der Einschaltphasen TD
im Zähler 27 die Änderung des
Pumpstroms IP auf die anderen Beträge I+, I– sowie die Änderung
der Dauer der Einschaltphasen TD zu berücksichtigen.
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Eine
andere Weiterbildung sieht vor, dass der Gassensor 10 an
Stelle der einen Pumpzelle 13 weitere Pumpzellen aufweist.
Die einzelnen Pumpzellen können
in zeitlicher Folge von der Konstantstromquelle U+, S1, U–, S2, Ri
mit dem Pumpstrom Ip beaufschlagt werden. Es können jedoch auch mehrere Konstantstromquellen
entsprechend der Anzahl der Pumpstromquellen 13 vorgesehen
werden. Zur Vermeidung eines Spannungsabfalls im Gassensor 10 während der
Abtastung der Mess-Spannung UIPEist durch die Abtast-Halte-Schaltung 21 ist
darauf zu achten, dass die Ausschaltphasen TA für sämtliche Pumpzellen gleichzeitig
vorliegt.