DE10339685B4

DE10339685B4 - Störsignalfreies Gaskonzentrations-Messgerät

Info

Publication number: DE10339685B4
Application number: DE10339685.3A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Hada; Eiichi Kurokawa; Mitsunobu Niwa
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2004093386A; US7288175B2; JP4178885B2; DE10339685A1; US20040045824A1

Abstract

Gaskonzentrations-Messgerät, gekennzeichnet durch
- einen Gassensor (1) mit einer Zelle und einem Heizelement (13), wobei die Zelle einen Festelektrolytkörper aufweist und zur Bildung eines Sensorsignals in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils dient und das Heizelement zur Erwärmung des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und
- eine Messsteuerschaltung (2) zur Durchführung einer Heizelement-Stromversorgungssteuerung und einer Mittelwertbildung, wobei durch die Heizelement-Stromversorgungssteuerung die Stromversorgung des Heizelements zum Anheben der Temperatur des Festelektrolytkörpers auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur des Festelektrolytkörpers gesteuert wird, wobei
- die Heizelement-Stromversorgungssteuerung die Stromversorgung des Heizelements unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Signals (PDM-Signals) derart steuert, dass das Heizelement zyklisch in einen Einschaltzustand und einen Abschaltzustand versetzt wird,
- die Messsteuerschaltung Abtastwerte des Sensorsignals in einem gegebenen Abtastintervall bildet, das kürzer ist als ein PDM-Steuerzyklus,
- die Mittelwertbildung einen Vorgang einer gleitenden Mittelwertbildung durchführt, um die Abtastwerte des vom Gassensor ausgegebenen Sensorsignals während eines gegebenen Mittelwertbildungs-Zeitbereichs zu mitteln, so dass eine erste Komponente des Sensorsignals, die einen von einer Änderung der Stromversorgung des Heizelements herrührenden zusätzlichen Störsignalanteil enthält, eine zweite Komponente des Sensorsignals, die ebenfalls einen von einer Änderung der Stromversorgung des Heizelements herrührenden Störsignalanteil enthält und in Bezug auf die erste Komponente einen umgekehrten Pegel aufweist, zur Bildung eines Mittelwertes aufhebt, wobei der gegebene Mittelwertbildungs-Zeitbereich als Funktion des PDM-Steuerzyklus gewählt ist, und
- die Messsteuerschaltung die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils unter Verwendung des Mittelwertes bestimmt.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen störsignalfreien (rauscharmen) Schaltungsaufbau eines Gaskonzentrations-Messgeräts, das einen Gassensor und eine Heizeinrichtung oder ein Heizelement zur Erwärmung des Sensorkörpers auf eine Aktivierungstemperatur aufweist.
Zur Verwendung bei Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen sind bereits Gaskonzentrations-Messgeräte bekannt, die einen ein elektrisches Signal auf der Basis eines bestimmten Gasbestandteils bildenden Gassensor sowie eine Messsteuerschaltung umfassen, die die Konzentration dieses bestimmten Gasbestandteils durch Verarbeitung des Sensorsignals bestimmt. Bei einem Gaskonzentrations-Messgerät dieser Art ist der Gassensor im Abgasrohr der Brennkraftmaschine angeordnet, um die Konzentration von im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenem Sauerstoff zur Regelung der Brennkraftmaschine zu messen.
Bei einem typischen Gassensor dieser Art findet ein Sauerstoffionen leitendes Festelektrolytmaterial wie Zirkondioxid Verwendung. Hierbei sind z.B. Gassensoren mit einer Gaskammer bekannt, in die Sauerstoff aus dem Außenbereich des Gassensors eintreten und aus ihr in den Außenbereich des Gassensors abgeführt werden kann, wobei eine aus zwei, an einem Festelektrolytkörper angebrachten Elektroden bestehende Zelle dazu dient, den Sauerstoff in die Gaskammer hinein zu pumpen oder aus der Gaskammer heraus zu pumpen. Bei einem Gassensor dieser Art wird der Sauerstoff in Abhängigkeit vom Anlegen einer Spannung in die Gaskammer hineingepumpt oder aus ihr herausgepumpt, um auf diese Weise einen Grenzstrom (Sättigungsstrom) zwischen den Elektroden als Funktion der Konzentration des Sauerstoffs zu erzeugen. In diesem Zusammenhang sind Gassensoren bekannt, die eine Vielzahl von Zellen der vorstehend genannten Art zur Messung der Konzentration von NOx (Stickoxiden), CO (Kohlenmonoxiden) und HC (Kohlenwasserstoffen) aufweisen.
Bei Gassensoren mit einem solchen Festelektrolytmaterial muss die Temperatur des Festelektrolytmaterials auf eine Aktivierungstemperatur gebracht werden. Zu diesem Zweck ist üblicherweise ein Heizelement in den Gassensor eingebaut. Die Stromversorgung des Heizelements wird normalerweise unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten bzw. pulsdauermodulierten Signals (das nachstehend vereinfacht als PDM-Signal bezeichnet ist) gesteuert, da hierdurch eine einfache und sehr genaue Steuerung der Stromversorgung möglich ist. Bei Gassensoren dieser Art tritt jedoch der nachstehend näher beschriebene Nachteil auf.
Wie vorstehend beschrieben, ist das Heizelement in den Gassensor eingebaut, was zur Folge hat, dass das Ausgangssignal des Gassensors auf Grund von Leckströmen, kapazitiver Kopplung und Induktion empfindlich auf den über das Heizelement fließenden elektrischen Strom reagiert. Im Rahmen der Erfindung konnte in diesem Zusammenhang festgestellt werden, dass eine pulsbreitenmodulierte bzw. pulsdauermodulierte Steuerung der Stromversorgung des Heizelements dazu führt, dass deutliche Änderungen des Ausgangssignals des Gassensors auf Grund von elektrischen Störsignalanteilen auftreten, die bei der Umschaltung des Heizelements zwischen seinem Einschaltzustand und seinem Abschaltzustand erzeugt werden.
Relevanter Stand der Technik ist etwa bekannt aus den Druckschriften EP 1 026 501 A2 , US 6 149 786 A und EP 1 202 048 A2 .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, unter Berücksichtigung der vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik einen störsignalfreien bzw. rauscharmen Schaltungsaufbau eines Gaskonzentrations-Messgeräts anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den Patentansprüchen angegebenen Mitteln gelöst, also den in den Patentansprüchen definierten Gaskonzentrations-Messgeräten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung ist ein Gaskonzentrations-Messgerät vorgesehen, das zur Regelung der Verbrennungsvorgänge bei der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann. Dieses Gaskonzentrations-Messgerät umfasst (a) einen Gassensor mit einer Zelle und einem Heizelement, wobei die Zelle einen Festelektrolytkörper aufweist und zur Bildung eines Sensorsignals in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils dient und das Heizelement zur Erwärmung des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und (b) eine Messsteuerschaltung zur Durchführung einer Heizelement-Stromversorgungssteuerung und einer Mittelwertbildung. Durch die Heizelement-Stromversorgungssteuerung wird die Stromversorgung des Heizelements zum Anheben der Temperatur des Festelektrolytkörpers auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur des Festelektrolytkörpers gesteuert. Durch die Mittelwertbildung wird eine derartige Mittelung des vom Gassensor abgegebenen Sensorsignals während eines gegebenen Mittelwertbildungs-Zeitbereichs herbeigeführt, dass eine erste Komponente des Sensorsignals, die einen von einer Änderung der Stromversorgung des Heizelements herrührenden zusätzlichen Störsignalanteil enthält, eine zweite Komponente des Sensorsignals, die ebenfalls einen von einer Änderung der Stromversorgung des Heizelements herrührenden Störsignalanteil enthält und in Bezug auf die erste Komponente einen umgekehrten Pegel aufweist, zur Bildung eines Mittelwertes aufhebt. Die Messsteuerschaltung bestimmt sodann die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils unter Verwendung des Mittelwertes.
Bei einer Ausführungsform wird von der Messsteuerschaltung die Stromversorgung des Heizelements unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Signals (PDM-Signals) derart gesteuert, dass das Heizelement zyklisch in einen Einschaltzustand und einen Abschaltzustand versetzt wird. Der der ersten Komponente des Sensorsignals hinzugefügte Störsignalanteil entsteht durch eine Umschaltung vom Abschaltzustand auf den Einschaltzustand des Heizelements, während der der zweiten Komponente des Sensorsignals hinzugefügte Störsignalanteil durch eine Umschaltung vom Einschaltzustand auf den Abschaltzustand des Heizelements entsteht.
Der Mittelwertbildungs-Zeitbereich ist hierbei identisch mit einem Zeitintervall, das mit der Vorderflanke einer Einschaltzeit beginnt, während der sich das Heizelement im Einschaltzustand befindet, und mit der abfallenden Flanke einer Abschaltzeit endet, während der sich das Heizelement im Abschaltzustand befindet.
Die Messsteuerschaltung bildet Abtastwerte des Sensorsignals in einem gegebenen Abtastintervall und mittelt die Abtastwerte im Rahmen des Mittelwertbildungs-Zeitbereiches.
Die Messsteuerschaltung kann hierbei als Mittelwert einen gleitenden Mittelwert berechnen.
Der Mittelwertbildungs-Zeitbereich kann ein eine natürliche Zahl darstellendes Vielfaches einer Periode des PDM-Signals sein.
Die Periode des PDM-Signals kann ein eine natürliche Zahl darstellendes Vielfaches des Abtastzyklus des Sensorsignals sein.
Das Gaskonzentrations-Messgerät umfasst außerdem eine Hochfrequenzkomponenten-Unterdrückungsschaltung zur Entfernung von Hochfrequenzkomponenten aus dem vom Gassensor abgegebenen Sensorsignal.
Der Gassensor weist eine erste Zelle und eine zweite Zelle auf, wobei die erste Zelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration von Sauerstoff zu erzeugen, und die zweite Zelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer strömenden Gases erzeugt. Die Zelle kann hierbei entweder die erste oder die zweite Zelle sein.
Der Gassensor kann durch ein Laminat aus der Zelle und dem Heizelement gebildet werden.
Der Gassensor kann eine Pumpzelle, eine Sensorzelle und eine Überwachungszelle aufweisen, wobei die Pumpzelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung zu erzeugen, die Sensorzelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer herausströmenden Gases erzeugt und die Überwachungszelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer erzeugt. Die Zelle kann hierbei entweder die Pumpzelle oder die Sensorzelle oder die Überwachungszelle sein. Die Mittelwertbildung dient außer zur Mittelung des Sensorsignals der Zelle auch zur Mittelung zumindest eines der Sensorsignale, die von der Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle abgegeben werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung umfasst das Gaskonzentrations-Messgerät (a) einen Gassensor mit einer Zelle und einem Heizelement, wobei die Zelle einen Festelektrolytkörper aufweist und zur Erzeugung eines Sensorsignals in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils dient und das Heizelement zur Erwärmung des Festelektrolytkörpers auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und (b) eine Messsteuerschaltung, die zur Durchführung einer Heizelement-Stromversorgungssteuerung ausgestaltet ist, bei der die Stromversorgung des Heizelements unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Signals (PDM-Signals) derart gesteuert wird, dass das Heizelement zyklisch in einen Einschaltzustand und einen Abschaltzustand versetzt wird. Hierbei tastet die Messsteuerschaltung das Sensorsignal zyklisch ab und bestimmt die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils unter Verwendung der jeweiligen Abtastwerte des Sensorsignals. Wenn die Änderung des Pegels eines der in einem laufenden Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte in Bezug auf einen der in einem vorherigen Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, wird der im laufenden Abtastzyklus erhaltene Abtastwert auf einen Wert korrigiert, der innerhalb eines sich über die Abtastwerte des vorherigen Abtastzyklus erstreckenden Bereichs liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Gassensor eine erste Zelle und eine zweite Zelle, wobei die erste Zelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration von Sauerstoff zu erzeugen, und die zweite Zelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer strömenden Gases erzeugt. Hierbei kann die Zelle entweder die erste oder die zweite Zelle sein.
Der Gassensor kann durch ein Laminat aus der Zelle und dem Heizelement gebildet werden.
Der Gassensor kann eine Pumpzelle, eine Sensorzelle und eine Überwachungszelle aufweisen, wobei die Pumpzelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung zu erzeugen, die Sensorzelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer herausströmenden Gases erzeugt und die Überwachungszelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer erzeugt. Hierbei kann die Zelle entweder die Pumpzelle oder die Sensorzelle oder die Überwachungszelle sein.
Wenn außer dem Sensorsignal der Zelle auch zumindest eines der Sensorsignale der Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle abgetastet werden und hierbei eine Änderung des Pegels eines der in einem laufenden Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte dieses zumindest einen der Sensorsignale in Bezug auf einen der in einem vorherigen Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte größer als der vorgegebene Grenzwert ist, wird der abgetastete Wert im laufenden Abtastzyklus auf einen Wert korrigiert, der innerhalb eines sich über die Abtastwerte des vorherigen Abtastzyklus erstreckenden Bereiches liegt.
Gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung umfasst das Gaskonzentrations-Messgerät (a) einen Gassensor mit einer Zelle und einem Heizelement, wobei die Zelle einen Festelektrolytkörper aufweist und zur Bildung eines Sensorsignals in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils dient und das Heizelement zur Erwärmung des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und (b) eine Messsteuerschaltung, die zur Durchführung einer Heizelement-Stromversorgungssteuerung ausgestaltet ist, bei der die Stromversorgung des Heizelements zum Anheben der Temperatur des Festelektrolytkörpers auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Signals (PDM-Signals) derart gesteuert wird, dass das Heizelement zyklisch in einen Einschaltzustand und einen Abschaltzustand versetzt wird. Die mit dem Sensorsignal beaufschlagte Messsteuerschaltung umfasst hierbei eine Hochfrequenzkomponenten-Unterdrückungsschaltung zur Entfernung der Hochfrequenzkomponenten aus dem eingegebenen Sensorsignal und Bildung eines hochfrequenzkomponentenfreien Signals und bestimmt die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils als Funktion des hochfrequenzkomponentenfreien Signals.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Gassensor eine erste Zelle und eine zweite Zelle auf, wobei die erste Zelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration von Sauerstoff zu erzeugen, und die zweite Zelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer strömenden Gases erzeugt. Hierbei kann die Zelle entweder die erste oder die zweite Zelle sein.
Der Gassensor kann durch ein Laminat aus der Zelle und dem Heizelement gebildet werden.
Der Gassensor kann ferner eine Pumpzelle, eine Sensorzelle und eine Überwachungszelle aufweisen, wobei die Pumpzelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung zu erzeugen, die Sensorzelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer herausströmenden Gases erzeugt und die Überwachungszelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer erzeugt. Hierbei kann die Zelle entweder die Pumpzelle oder die Sensorzelle oder die Überwachungszelle sein.
Die Hochfrequenzkomponenten-Unterdrückungsschaltung dient auch zur Unterdrückung der Hochfrequenzkomponenten von zumindest einem der Sensorsignale, die von der Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle abgegeben werden.
Gemäß einem vierten Aspekt der Offenbarung umfasst das Gaskonzentrations-Messgerät (a) einen Gassensor mit einer Zelle und einem Heizelement, wobei die Zelle einen Festelektrolytkörper aufweist und zur Bildung eines Sensorsignals in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils dient und das Heizelement zur Erwärmung des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und (b) eine Messsteuerschaltung, die zur Durchführung einer Heizelement-Stromversorgungssteuerung ausgestaltet ist, bei der die Stromversorgung des Heizelements zum Anheben der Temperatur des Festelektrolytkörpers auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Signals (PDM-Signals) derart gesteuert wird, dass das Heizelement zyklisch in einen Einschaltzustand und einen Abschaltzustand versetzt wird. Die Messsteuerschaltung tastet hierbei das Sensorsignal zyklisch ab und weist eine Abtastwertverfügbarkeits-Bestimmungsschaltung auf, die bestimmt, ob Abtastwerte des Sensorsignals für die Bestimmung der Konzentration des gegebenen Gasbestandteils unter Berücksichtigung eines elektrischen Störsignalanteils zur Verfügung stehen oder nicht und hierbei festlegt, dass ein bei einer Umschaltung zwischen dem Einschaltzustand und dem Abschaltzustand des Heizelements erhaltener Abtastwert nicht zur Verfügung steht. Sodann bestimmt die Messsteuerschaltung die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils unter Verwendung von Abtastwerten des Sensorsignals, aus denen der als nicht verfügbar festgelegte Abtastwert entfernt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Gassensor eine erste Zelle und eine zweite Zelle, wobei die erste Zelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration von Sauerstoff zu erzeugen, und die zweite Zelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer strömenden Gases erzeugt. Hierbei kann die Zelle entweder die erste oder die zweite Zelle sein.
Der Gassensor kann durch ein Laminat aus der Zelle und dem Heizelement gebildet werden.
Der Gassensor kann ferner eine Pumpzelle, eine Sensorzelle und eine Überwachungszelle aufweisen, wobei die Pumpzelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung zu erzeugen, die Sensorzelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer herausströmenden Gases erzeugt und die Überwachungszelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer erzeugt. Hierbei kann die Zelle entweder die Pumpzelle oder die Sensorzelle oder die Überwachungszelle sein.
Die Abtastwertverfügbarkeits-Bestimmungsschaltung bestimmt außer der Bestimmung der Verfügbarkeit der Abtastwerte des Sensorsignals der Zelle auch, ob die Abtastwerte von zumindest einem der Sensorsignale verfügbar sind oder nicht, die von der Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle abgegeben werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gaskonzentrations-Messgeräts,
2 eine Längsschnittansicht eines Gassensors, der bei dem Gaskonzentrations-Messgerät gemäß 1 Verwendung findet,
3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III gemäß 2,
4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV gemäß 2,
5 ein Schaltbild des Aufbaus eines Tiefpassfilters,
6 ein Ablaufdiagramm eines Hauptprogramms zur Bestimmung der Gaskonzentration und Steuerung der Stromversorgung eines Heizelements,
7 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Bestimmung der Gaskonzentration,
8 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Verarbeitung eines Sensor-Ausgangssignals zur Verringerung oder Unterdrückung von dem Sensor-Ausgangsignal hinzugefügten elektrischen Störsignalanteilen,
9 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Begrenzung von Änderungen des Sensor-Ausgangssignals,
10 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Glättung des Sensor-Ausgangssignals,
11 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Bestimmung gleitender Mittelwerte des Sensor-Ausgangssignals,
12 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Bestimmung der Impedanz eines Gassensors,
13 ein Ablaufdiagramm eines Unterprogramms zur Erzeugung eines Stromversorgungssignals mit gesteuerter Einschaltdauer bzw. gesteuertem Tastverhältnis für ein Heizelement,
14 Signalverläufe, die einen Einschalt-Abschaltvorgang des Heizelements, ein Sensor-Ausgangssignal, einen Abtastzyklus des Sensor-Ausgangssignals, das Ausgangssignal eines Tiefpassfilters sowie den zeitlichen Bereich der gleitenden Mittelwertbildung veranschaulichen,
15 ein Ablaufdiagramm eines Alternativprogramms zur Unterdrückung elektrischer Störsignalanteile des Sensor-Ausgangssignals,
16 eine Längsschnittansicht eines in Bezug auf den Gassensor gemäß 2 andersartigen Gassensors, der bei dem Gaskonzentrations-Messgerät gemäß 1 Verwendung finden kann, und
17 eine Längsschnittansicht eines in Bezug auf den Gassensor gemäß 2 andersartigen Gassensors, der bei dem Gaskonzentrations-Messgerät gemäß 1 Verwendung finden kann.

In den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauteile bzw. Bauelemente in verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist insbesondere in 1 ein Gaskonzentrations-Messgerät gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht, das im wesentlichen aus einem Gassensor 1 und einer Messsteuerschaltung 2 besteht. Der Gassensor 1 ist z.B. im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet und den von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgasen ausgesetzt. Die Messsteuerschaltung 2 ist dagegen im Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs angeordnet und mit dem Gassensor 1 über eine Leitung verbunden. Die Messsteuerschaltung 2 umfasst einen Mikrocomputer 28, der auf die Ausgangssignale des Gassensors 1 zur Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff (O₂) und Stickoxiden (NOx) in den Abgasen der Brennkraftmaschine anspricht.
Wie den 2 bis 4 deutlich zu entnehmen ist, wird der Gassensor 1 von einer Schichtanordnung bzw. einem Laminat aus Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytschichten 111 und 112 aus Zirkondioxid, Isolierschichten 113 und 114 aus Aluminiumoxid sowie einer aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid oder einem Festelektrolytmaterial wie Zirkondioxid bestehenden Schicht 115 gebildet, die in der Dickenrichtung des Gassensors 1 in Form einer rechteckigen Platte übereinanderliegend angeordnet sind. Die zwischen den Festelektrolytschichten 111 und 112 angeordnete Isolierschicht 114 ist mit einer Ausnehmung zur Bildung von zwei Gaskammern 101 und 102 versehen, die miteinander über eine Durchlassöffnung 103 in Verbindung stehen und nachstehend auch als erste und zweite Kammer bezeichnet sind. Die erste Kammer 101 und die zweite Kammer 102 sind in der Längsrichtung des Gassensors 1 angeordnet. Hierbei ist die in der Nähe eines (umgebungsluftseitigen) Basisbereichs des Gassensors 1 angeordnete zweite Kammer 102 doppelt so groß wie die in der Nähe eines (messgasseitigen) Kopfbereichs des Gassensors 1 angeordnete erste Kammer 101.
An der Außenseite der Festelektrolytschichten 111 und 112 sind jeweils Luftkanäle 104 und 105 ausgebildet, die mit der Atmosphäre (Umgebungsluft) auf der Seite des Basisbereichs des Gassensors 1 in Verbindung stehen. Der erste Luftkanal 104 verläuft über die Festelektrolytschicht 112 hinweg über der ersten Kammer 102, während der zweite Luftkanal 105 über die Festelektrolytschicht 111 hinweg über der zweiten Kammer 102 verläuft. Die Anbringung des Gassensors 1 in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs wird mit Hilfe einer Halterung derart vorgenommen, dass der Gassensor 1 einerseits teilweise in ein Abgasrohr hineinragt und andererseits über die Luftkanäle 104 und 105 mit der Atmosphäre (Umgebungsluft) in Verbindung steht.
Die Festelektrolytschicht 111 ist mit einem in die erste Kammer 101 führenden Nadelloch 106 versehen. Hierbei ist auf der Festelektrolytschicht 111 eine poröse Diffusionsschicht 116 zur Verhinderung des Eindringens von feinen Abgaspartikeln in die erste Kammer 101 ausgebildet. Das Nadelloch 106 dient zum Einleiten der an der Außenseite der porösen Diffusionsschicht 116 vorbeiströmenden Messgase in die erste Kammer 101.
Die Festelektrolytschicht 112 ist auf ihren gegenüberliegenden Oberflächen mit einer der ersten Kammer 101 ausgesetzten Elektrode 121 und einer dem Luftkanal 104 ausgesetzten Elektrode 122 versehen und bildet zusammen mit diesen Elektroden 121 und 122 eine Pumpzelle 1a. Die der ersten Kammer 101 ausgesetzte Elektrode 121 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. reaktionsunfähig ist und somit NOx kaum aufspaltet.
Auf den gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 111 sind zwei Elektrodenpaare aus Elektroden 125, 123 und 124 ausgebildet. Wie 4 zu entnehmen ist, ist hierbei die dem Luftkanal 105 ausgesetzte Elektrode 125 gemeinsam für die beiden anderen Elektroden 123 und 124 vorgesehen. Die Festelektrolytschicht 111 bildet zusammen mit den Elektroden 123 und 125 eine Überwachungszelle 1b und zusammen mit den Elektroden 124 und 125 eine Sensorzelle 1c. Die der zweiten Kammer 102 ausgesetzte Elektrode 123 der Überwachungszelle 1b besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. reaktionsunfähig ist und somit NOx kaum aufspaltet. Die der zweiten Kammer 102 ausgesetzte Elektrode 124 der Sensorzelle 1c besteht hingegen aus einem Edelmetall wie Pt, das in Bezug auf NOx aktiv bzw. reaktionsfähig ist und somit zur Aufspaltung von NOx dient.
In die zusammen mit der Festelektrolytschicht 112 den Luftkanal 104 festlegende Schicht 115 ist ein aus Pt bestehendes Leitermuster eingebettet, das als Heizelement 13 zur Erwärmung des gesamten Gassensors 1 auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur dient. Das Heizelement 13 wird zur Erzeugung von Joule'scher Wärme elektrisch betrieben.
Die in der vorstehend beschriebenen Weise außerhalb des Gassensors 1 vorbeiströmenden Abgase der Brennkraftmaschine gelangen über die poröse Diffusionsschicht 116 und das Nadelloch 106 in die erste Kammer 101. Durch Anlegen einer Spannung an die Pumpzelle 1a über die Elektroden 121 und 122, wobei die Elektrode 122 mit dem positiven Anschluss einer Spannungsquelle verbunden ist, wird eine Dissoziation oder Ionisation von in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffmolekülen herbeigeführt, sodass Sauerstoff (O₂) aus der ersten Kammer 101 herausgepumpt und in den Luftkanal 104 hineingepumpt wird. Wenn die Konzentration von Sauerstoff (O₂) in der ersten Kammer 101 unter einem gewünschten Wert liegt, wird die an die Pumpzelle 1a angelegte Spannung umgekehrt, um Sauerstoffmoleküle aus dem Luftkanal 104 in die erste Kammer 101 hinein zu pumpen und auf diese Weise die Konzentration von Sauerstoff (O₂) innerhalb der ersten Kammer 101 konstant zu halten. Die Bestimmung der Konzentration von Sauerstoff (O₂) innerhalb der ersten Kammer 101 kann erfolgen, indem die angelegte Spannung innerhalb eines Grenzstrombereichs gehalten und hierbei der von der Pumpzelle 1a erzeugte Strom gemessen wird. Wie vorstehend beschrieben, findet durch die Elektrode 121 der Pumpzelle 1a keine nennenswerte Aufspaltung von NOx statt, sodass die NOx-Gase innerhalb der ersten Kammer 101 verbleiben.
Die in die erste Kammer 101 gelangten Abgase diffundieren in die zweite Kammer 102. Die in den Abgasen befindlichen O₂-Moleküle werden nämlich von der Pumpzelle 1a normalerweise nicht vollständig dissoziiert, sodass O₂-Restmoleküle in die zweite Kammer 102 gelangen und die Überwachungszelle 1b und die Sensorzelle 1c erreichen.
Durch Anlegen einer gegebenen Spannung an die Überwachungszelle 1b und die Sensorzelle 1c, wobei die gemeinsame Elektrode 125 mit dem positiven Anschluss der Spannungsquelle verbunden ist, wird eine Aufspaltung der in der zweiten Kammer 102 befindlichen Gase herbeigeführt, sodass Sauerstoffionen in den Luftkanal 105 abgeführt und dadurch Grenzströme in der Überwachungszelle 1b und der Sensorzelle 1c erzeugt werden. Der vorstehend beschriebene Umstand, dass nur die Elektrode 124 der der zweiten Kammer 102 ausgesetzten Elektroden 123 und 124 mit NOx reaktionsfähig ist, hat zur Folge, dass der über die Sensorzelle 1c fließende Strom größer als der über die Überwachungszelle 1b fließende Strom ist, und zwar um einen Wert, der der bei der Dissoziation oder Aufspaltung von NOx an der Elektrode 124 der Sensorzelle 1c entstehenden Menge an Sauerstoffionen entspricht. Die Konzentration von NOx in den Abgasen lässt sich daher bestimmen, indem die Differenz zwischen den über die Überwachungszelle 1b und die Sensorzelle 1c fließenden Strömen ermittelt wird. In der EP 987 546 A2 der Anmelderin ist bereits eine Steuerung des Betriebs eines Gassensors dieser Art offenbart, worauf im Rahmen der nachstehenden Beschreibung Bezug genommen wird.
Gemäß 1 umfasst die Messsteuerschaltung 2 eine mit der Pumpzelle 1a verbundene Pumpzellen-Steuerschaltung 2a, eine mit der Sensorzelle 1c verbundene Sensorzellen-Steuerschaltung 2c, eine mit der Überwachungszelle 1b verbundene Überwachungszellen-Steuerschaltung 2b sowie eine mit dem Heizelement 13 verbundene Heizelement-Steuerschaltung 2d.
Die Pumpzellen-Steuerschaltung 2a, die Sensorzellen-Steuerschaltung 2c und die Überwachungszellen-Steuerschaltung 2b weisen eine jeweilige Spannungszuführungsschaltung 211, 213 bzw. 212 auf, die zum jeweiligen Anlegen von Spannungen an die Elektroden 121 und 122 der Pumpzelle 1a, die Elektroden 124 und 125 der Sensorzelle 1c bzw. die Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b dienen. Die Pumpzellen-Steuerschaltung 2a, die Sensorzellen-Steuerschaltung 2c und die Überwachungszellen-Steuerschaltung 2b umfassen außerdem einen jeweiligen Stromdetektor 221, 223 bzw. 222, der zur jeweiligen Messung des über die Elektroden 121 und 122 der Pumpzelle 1a, des über die Elektroden 124 und 125 der Sensorzelle 1c bzw. des über die Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b fließenden Stroms dient. Die Ausgangssignale des Stromdetektors 221 der Pumpzellen-Steuerschaltung 2a und des Stromdetektors 222 der Überwachungszellen-Steuerschaltung 2b werden über in der Schaltungsanordnung ausgebildete Tiefpassfilter 241 und 242 dem Mikrocomputer 28 zugeführt und von Analog/Digital-Umsetzern A/D zur Bildung eines Pumpzellenstroms und eines Überwachungszellenstroms abgetastet.
Außerdem umfasst die Messsteuerschaltung 2 einen NOx-Signaldetektor 23, dem die Ausgangssignale des Stromdetektors 223 der Sensorzelle 1c und des Stromdetektors 222 der Überwachungszelle 1b zugeführt werden. Der NOx-Signaldetektor 23 dient zur Bildung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Stromdetektoren 223 und 222, die wiederum über ein in der Schaltungsanordnung ausgebildetes Tiefpassfilter 243 dem Mikrocomputer 28 zugeführt und von einem Analog/DigitalUmsetzer A/D zur Bildung eines NOx-Stroms abgetastet wird.
Wie in 5 dargestellt ist, werden die Tiefpassfilter 241 bis 243 jeweils von einer aus einem Widerstand 31 und einem Kondensator 32 bestehenden Integratorschaltung gebildet, die zur Unterdrückung der Hochfrequenzkomponenten eines Eingangssignals dient. Alternativ können die Tiefpassfilter 241 bis 243 auch jeweils aus einem Widerstand und einer Induktivität bestehen oder von einem einen Operationsverstärker verwendenden aktiven Filter gebildet werden. Die Ausgangssignale der Tiefpassfilter 241 bis 243 werden nachstehend auch als Sensorsignale bezeichnet.
Die Heizelement-Steuerschaltung 2d umfasst eine Heizelement-Treiberschaltung 25, einen Heizelement-Stromdetektor 26 sowie einen Heizelement-Spannungsdetektor 27. Die Heizelement-Treiberschaltung 25 wird mittels eines pulsbreitenmodulierten bzw. pulsdauermodulierten Signals gesteuert, das vom Mikrocomputer 28 zur Steuerung der Stromversorgung des Heizelements 13 erzeugt wird und nachstehend vereinfacht als PDM-Signal bezeichnet ist. Der Heizelement-Stromdetektor 26 dient zur Messung des durch das Heizelement 13 fließenden Stroms und führt dem Mikrocomputer 28 über einen Analog/Digital-Umsetzer A/D ein entsprechendes Signal zu. Der Heizelement-Spannungsdetektor 27 dient zur Messung der an den Anschlüssen des Heizelements 13 anliegenden Spannung und führt dem Mikrocomputer 28 über einen Analog/Digital-Umsetzer A/D ein entsprechendes Signal zu. Der Mikrocomputer 28 verwendet die Ausgangssignale des Heizelement-Spannungsdetektors 27 und des Heizelement-Stromdetektors 26 zur Regelung der Stromversorgung des Heizelements 13 über die Heizelement-Treiberschaltung 25 in Form einer entsprechenden Rückkopplung. Hierbei wird die Zeitdauer, während der das Heizelement 13 innerhalb eines PDM-Steuerzyklus mit Strom versorgt wird (d.h., die relative Einschaltdauer) als Funktion der Ausgangssignale des Heizelement-Stromdetektors 26 und des Heizelement-Spannungsdetektors 27 zur Regelung der vom Heizelement 13 erzeugten Wärmemenge vergrößert oder verkleinert.
Die Messsteuerschaltung 2 dient außerdem zur Bestimmung der Impedanzen der Pumpzelle 1a, der Überwachungszelle 1b sowie der Sensorzelle 1c. In der Praxis erfolgt diese Bestimmung durch Messung der Impedanz zwischen den Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b, die nachstehend als Sensorimpedanz ZAC bezeichnet ist. Die Messung dieser Sensorimpedanz ZAC erfolgt durch kurzzeitige (z.B. für einige 10 oder einige 100 µs erfolgende) Verschiebung einer in die Spannungszuführungsschaltung 212 eingegebenen Steuerspannung entweder zur positiven oder zur negativen Seite und Messung der sich ergebenden Änderung des zwischen den Elektroden 123 und 125 der Überwachungszelle 1b erzeugten Überwachungszellenstroms mit Hilfe des Stromdetektors 222. Die Änderung der an der Überwachungszelle 1b anliegenden Spannung wird von einem in der Schaltungsanordnung ausgebildeten (nicht dargestellten) Tiefpassfilter der Spannungszuführungsschaltung 212 unter Hinzufügung einer vorgegebenen Wechselspannungskomponente geglättet, wodurch das Auftreten einer von einer kapazitiven Komponente der Überwachungszelle 1b herrührenden übermäßigen Stromspitze im Überwachungszellenstrom zur Verbesserung der Messgenauigkeit der Sensorimpedanz ZAC vermieden wird. Der Mikrocomputer 28 überwacht somit die Änderung der an die Überwachungszelle 1b angelegten Spannung und die sich daraus ergebende Änderung des Überwachungszellenstroms zur Bestimmung der Sensorimpedanz ZAC.
Nachstehend werden Betrieb und Wirkungsweise dieses Ausführungsbeispiels des Gaskonzentrations-Messgeräts unter Bezugnahme auf die 6, 7, 8, 9, 10, 11 und 12 näher beschrieben, die vom Mikrocomputer 28 auszuführende Programme veranschaulichen.
6 zeigt das Hauptprogramm, das vom Mikrocomputer 28 beim Einschalten der Messsteuerschaltung 2 auszuführen ist.
Nach Eintritt in das Programm geht der Ablauf auf einen Schritt 101 über, bei dem bestimmt wird, ob eine vorgegebene Zeitdauer Ta seit der vorherigen Messung der Konzentration von Gasen (d.h., O₂ und NOx) verstrichen ist oder nicht. Diese vorgegebene Zeitdauer Ta entspricht einem Messzyklus der Gaskonzentration und beträgt z.B. 4 ms. Wenn hier im Schritt 101 das Ergebnis NEIN erhalten wird, wiederholt das Programm den Schritt 101. Wenn dagegen das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 102 zur Messung der Gaskonzentration über.
Wie in 7 veranschaulicht ist, geht der Ablauf nach Eintritt in den Schritt 102 auf einen Schritt 201 über, bei dem der Mikrocomputer 28 über einen Digital/Analog-Umsetzer eine Steuerspannung in die Spannungszuführungsschaltung 211 eingibt, um an die Pumpzelle 1a eine Spannung als Funktion eines momentanen Wertes des Pumpzellenstroms anzulegen. Die Steuerspannung wird durch einen Abfragevorgang unter Verwendung eines in einem Festspeicher des Mikrocomputers 28 gespeicherten Kennfeldes bestimmt. Außerdem gibt der Mikrocomputer 28 Steuerspannungen an die Spannungszuführungsschaltungen 212 und 213 der Überwachungszelle 1b und der Sensorzelle 1c ab, wodurch an die Überwachungszelle 1b und die Sensorzelle 1c jeweils eine Spannung angelegt wird. Das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 242 dient hierbei zur Bestimmung der an die Überwachungszelle 1b anzulegenden Spannung sowie zu einer anderen Steuerung, die vom Mikrocomputer 28 durchgeführt wird.
Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 202 über, bei dem die Ausgangssignale der Pumpzelle 1a, der Überwachungszelle 1b und der Sensorzelle 1c bzw. die von den Tiefpassfiltern 241 bis 243 abgegebenen Sensorsignale in der vorstehend beschriebenen Weise von den Analog/Digital-Umsetzern abgetastet werden. Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 203 über, bei dem die im Schritt 202 abgetasteten Sensorsignale in Signale umgesetzt werden, die die Konzentration von Sauerstoff (O₂) und NOx in der vorstehend beschriebenen Weise angeben.
In den folgenden Schritten wird das vom NOx-Signaldetektor 23 über das Tiefpassfilter 243 abgegebene Sensorsignal verarbeitet, das bei der Bestimmung der Konzentration von NOx empfindlicher auf elektrische Störsignalanteile reagiert als das von der Pumpzelle 1a abgegebene Sensorsignal. Natürlich können auch die von der Pumpzelle 1a und der Überwachungszelle 1b über die Tiefpassfilter 241 und 242 abgegebenen Sensorsignale der gleichen Verarbeitung unterzogen werden.
Im einzelnen geht hierbei in der in 8 veranschaulichten Weise der Ablauf nach Eintritt in den Schritt 203 auf einen Schritt 301 über, bei dem die von der Überwachungszelle 1b und der Sensorzelle 1c abgegebenen und im Schritt 202 abgetasteten Sensorsignale jeweils einer nachstehend näher beschriebenen Änderungsbegrenzung unterzogen werden.
9 veranschaulicht diesen Änderungsbegrenzungsvorgang, der im Schritt 301 gemäß 8 auszuführen ist. Bei den nachfolgenden Schritten bezeichnet „X“ allgemein den Wert des Sensorsignals, während „X_i“ den Wert des im laufenden Programmzyklus abgeleiteten Sensorsignals und „X_i-1“ den Wert des in einem vorherigen Programmzyklus abgeleiteten Sensorsignals bezeichnen.
Zunächst wird in einem Schritt 401 bestimmt, ob eine Änderung des Wertes X des Sensorsignals, d.h., der Absolutwert der Differenz zwischen den Werten X_i und X_i-1, gleich einem vorgegebenen oberen Änderungsgrenzwert ΔX oder größer ist oder nicht. Wenn hierbei das Ergebnis NEIN (d.h., | X_i - X_i-1 | < ΔX) erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 402 über, bei dem der Wert X_i als der in diesem Programmzyklus erhaltene Wert des Sensorsignals festgelegt wird. Wenn dagegen das Ergebnis JA (d.h., | X_i - X_i-1 | ≥ ΔX) erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 403 über, bei dem einer der Werte X_i-1 ± ΔX als der in diesem Programmzyklus erhaltene Wert des Sensorsignals festgelegt wird. Wenn hierbei im einzelnen X_i ≥ X_i-1 ist, was bedeutet, dass der Wert X_i in diesem Programmzyklus größer als der Wert X_i-1 im vorherigen Programmzyklus geworden und der obere Änderungsgrenzwert ΔX überschritten ist, wird der Wert X_i-1 + ΔX als der in diesem Programmzyklus erhaltene Wert X_i des Sensorsignals festgelegt. Wenn dagegen X_i ≤ X_i-1 ist, was bedeutet, dass der Wert X_i in diesem Programmzyklus kleiner als der Wert X_i-1 des vorherigen Programmzyklus geworden und der obere Änderungsgrenzwert ΔX überschritten ist, wird der Wert X_i-1 - ΔX als der in diesem Programmzyklus erhaltene Wert X_i des Sensorsignals bestimmt. Wenn somit im Schritt 301 gemäß 8 die Änderung des Wertes X des Sensorsignals größer als der obere Änderungsgrenzwert ΔX ist, wird dieser Wert X dahingehend korrigiert, dass er innerhalb des Bereiches von ± ΔX liegt.
Nach einem Schritt 402 oder 403 geht der Ablauf sodann auf einen Schritt 302 gemäß 8 über, bei dem ein Glättungsvorgang erfolgt.
10 zeigt diesen, im Schritt 302 ausgeführten Glättungsvorgang. Nach Eintritt in den Schritt 302 gemäß 8 geht der Ablauf im einzelnen auf einen Schritt 501 gemäß 10 über, bei dem ein Glättungswert Y mit Hilfe folgender Gleichung berechnet wird: $Y_{i} = Y_{i - 1} (n - 1) /n + X_{i} x1/n$
wobei Y_i einen im laufenden Programmzyklus verwendeten Glättungswert, Y_i-1 einen im vorherigen Programmzyklus verwendeten Glättungswert und n eine natürliche Zahl bezeichnen, die experimentell in Bezug auf die Glättungswirkung vorgegeben ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt z.B. n = 2.
Nach dem Schritt 501 geht der Ablauf auf einen Schritt 303 gemäß 8 über, bei dem eine gleitende Mittelwertbildung erfolgt.
Nach Eintritt in den Schritt 303 geht der Ablauf auf einen Schritt 601 gemäß 11 über, bei dem der Glättungswert Y_i in einem Pufferspeicher für gleitende Mittelwertdaten abgespeichert wird. Dieser Pufferspeicher für gleitende Mittelwertdaten dient zur Speicherung einer Folge von Glättungswerten Y, die kurzzeitig in einem festen Zeitintervall (d.h., in einem vorgegebenen Zeitbereich für die Bildung von gleitenden Mittelwertdaten) aufeinanderfolgend abgeleitet werden. Wenn somit in diesem Programmzyklus der Glättungswert Y_i erhalten wird, löscht der Pufferspeicher für die gleitenden Mittelwertdaten einen der zuerst gespeicherten Glättungswerte Y und ersetzt ihn durch den Glättungswert Y_i in der gleiche Weise wie bei einem typischen Verfahren zur gleitenden Mittelwertbildung.
Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 602 über, bei dem ein Mittelwert der in dem Pufferspeicher für gleitende Mittelwertdaten gespeicherten Glättungswerte Y zur Bildung eines gleitenden Mittelwertes in diesem Programmzyklus bestimmt wird.
Nach Beendigung dieser Verarbeitungsvorgänge des vom NOx-Signaldetektor 23 über das Tiefpassfilter 243 abgegebenen Sensorsignals wird der erhaltene gleitende Mittelwert im Schritt 203 gemäß 7 zur Bestimmung der Konzentration von NOx verwendet.
Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 204 über, bei dem ein die Konzentration von NOx angebendes Signal sowie ein unter Verwendung des Ausgangssignals der Pumpzelle 1a bestimmtes, die Konzentration von O₂ angebendes Signal über einen seriellen Ausgang des Mikrocomputers 28 abgegeben werden.
Nach dem Schritt 204 kehrt der Ablauf zum Programm gemäß 6 zurück und geht auf einen Schritt 103 über, bei dem bestimmt wird, ob eine vorgegebene Zeitdauer Tb seit der vorherigen Messung der Sensorimpedanz ZAC verstrichen ist oder nicht. Diese vorgegebene Zeitdauer Tb entspricht einem Messzyklus der Sensorimpedanz ZAC und wird z.B. in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine festgelegt. Bei einem normalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, bei dem die Änderung des Luft/Kraftstoffverhältnisses relativ gering ist, ist z.B. Tb = 2 s. Bei einem Startvorgang oder bei Übergangsbetriebszuständen der Brennkraftmaschine, bei denen starke Änderungen des Luft/Kraftstoffverhältnisses auftreten, ist dagegen Tb = 128 ms.
Wenn im Schritt 103 das Ergebnis JA erhalten wird, geht der Ablauf auf einen Schritt 104 über, bei dem die Sensorimpedanz ZAC in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt wird. Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 105 über, bei dem die Stromversorgung des Heizelements 13 gesteuert wird. Wenn im Schritt 103 dagegen das Ergebnis NEIN erhalten wird, kehrt der Ablauf zum Schritt 101 zurück. Die im Schritt 104 und im Schritt 105 erfolgenden Vorgänge werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 12 und 13 im einzelnen beschrieben.
Nach Eintritt in den Schritt 104 geht der Ablauf auf einen Schritt 701 gemäß 12 über, bei dem der Pegel der an die Spannungszuführungsschaltung 212 der Überwachungszellen-Steuerschaltung 1b angelegten Steuerspannung für eine kurze Zeitdauer zur Änderung der an der Überwachungszelle 1b anliegenden Spannung V verschoben wird. Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 702 über, bei dem die Änderung ΔV der Überwachungszellen-Klemmenspannung V und der sich ergebenden Änderung ΔI des Überwachungszellenstroms gemessen werden. Anschließend geht der Ablauf auf einen Schritt 703 über, bei dem die Sensorimpedanz ZAC unter Verwendung der Spannungsänderung ΔV und der Stromänderung ΔI gemäß der Beziehung ZAC = ΔV / ΔI berechnet wird. Der Ablauf kehrt sodann zum Programm gemäß 6 zurück. Die Sensorimpedanz ZAC hängt von der Temperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 ab und verringert sich bei einem Temperaturanstieg. Wenn somit die Temperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 auf die Aktivierungstemperatur ansteigt, wird hierdurch das Fließen von Sauerstoffionen durch die Festelektrolytschichten 111 und 112 erleichtert.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 13 die im Schritt 105 gemäß 6 erfolgende Steuerung der Stromversorgung des Heizelements 13 näher beschrieben.
Zunächst wird in einem Schritt 801 ermittelt, ob eine Bedingung für den Beginn der Steuerung der Stromversorgung des Heizelements 13 erfüllt ist oder nicht. Hierbei wird z.B. ermittelt, ob die Sensorimpedanz ZAC gleich einem vorgegebenen Schwellenwert (von z.B. 50 Ω) oder größer ist oder nicht. Dieser Schwellenwert ist ein wenig höher als eine Sollimpedanz festgelegt, die der Aktivierungstemperatur der Festelektrolytschichten entspricht. Normalerweise ist die Temperatur des Gassensors 1 unmittelbar nach einem Starten der Brennkraftmaschine relativ niedrig, sodass eine hohe Sensorimpedanz ZAC vorliegt. In diesem Falle wird im Schritt 801 bestimmt, dass die Steuerung der Stromversorgung des Heizelements 13 einzusetzen hat.
Wenn im Schritt 801 das Ergebnis JA erhalten wird, was bedeutet, dass die Steuerung der Stromversorgung des Heizelements 13 einzusetzen hat, geht der Ablauf auf einen Schritt 802 über, bei dem die relative Einschaltdauer des nachstehend auch als Heizelement-Stromversorgungssteuersignal bezeichneten und zum Durchschalten und Sperren eines Transistors in der Heizelement-Treiberschaltung 25 dienenden PDM-Signals vergrößert wird, um die Temperatur des Gassensors 1 rasch auf einen dem vorstehend beschriebenen Schwellenwert entsprechenden Sollwert zu erhöhen. Der Ablauf geht dann auf einen Schritt 803 über, bei dem die relative Einschaltdauer des PDM-Signals mit Hilfe eines vorgegebenen oberen Grenzwertes gesichert wird. Dieser Vorgang ist in der US-Patentanmeldung US 2002 / 0 179 443 A1 der Anmelderin offenbart, worauf im Rahmen der nachstehenden Beschreibung Bezug genommen wird.
Wenn dagegen die Temperatur des Gassensors 1 bereits angestiegen ist, wird im Schritt 801 das Ergebnis NEIN erhalten. Der Ablauf geht dann auf einen Schritt 804 über, bei dem die Sensorimpedanz ZAC durch Rückkopplung wie bei einer typischen PI-Regelung geregelt wird. Hierbei wird die Differenz zwischen der Sensorimpedanz ZAC und der Sollimpedanz mit einem gegebenen Verstärkungsfaktor zur Bestimmung des Proportionalwertes multipliziert, während die bisher akkumulierten Impedanzdifferenzen mit einem gegebenen Verstärkungsfaktor zur Bestimmung des Integralwertes multipliziert werden. Die relative Einschaltdauer des PDM-Signals wird dann unter Verwendung des Proportionalwertes und des Integralwertes bestimmt. Die Bestimmung der relativen Einschaltdauer (Tastverhältnis) kann auch unter Verwendung von Maßnahmen erfolgen, wie sie in der vorstehend genannten US-Patentanmeldung US 2002 / 0 179 443 A1 offenbart sind. Der Ablauf geht dann auf einen Schritt 805 über, bei dem die relative Einschaltdauer (Tastverhältnis) des PDM-Signals mit Hilfe eines gegebenen oberen Grenzwertes gesichert wird.
Anstelle der Sensorimpedanz ZAC können auch die Admittanz, d.h., der Kehrwert der Impedanz ZAC, und ein die Temperatur der Festelektrolytschichten 111 und 112 angebender Parameter Verwendung finden. Weiterhin kann eine Umschaltung zwischen der Impedanz ZAC und der Admittanz als Funktion der Temperatur des Gassensors 1 (d.h., des Aktivierungsgrades der Festelektrolytschichten 111 und 112) vorgenommen werden.
Nachstehend wird näher auf den Zeitbereich der gleitenden Mittelwertbildung eingegangen, in dem die Glättungswerte Y zur Bestimmung des gleitenden Mittelwertes im Schritt 303 gemäß 8 aufeinanderfolgend abgetastet und in dem Pufferspeicher für gleitende Mittelwertdaten abgespeichert werden.
14 zeigt im Rahmen eines durch das der Heizelement-Treiberschaltung 25 zugeführte PDM-Signal gegebenen periodischen PDM-Steuerzyklus eine Einschaltzeit, während der das Heizelement 13 mit Strom versorgt wird, sowie eine Abschaltzeit, während der die Stromversorgung des Heizelements 13 unterbrochen ist, das Sensorsignal (z.B. das Ausgangssignal des NOx-Signaldetektors 23) sowie die Sensorsignal-Abtastzeiten, bei denen das Sensorsignal von dem Analog/Digital-Umsetzer des Mikrocomputers 28 abgetastet wird. Bei dem dargestellten Beispiel wird das Sensorsignal in einem PDM-Steuerzyklus (d.h., in einem Intervall von Einschaltzeit zu Einschaltzeit des PDM-Signals) zweiunddreissig-fach (32) abgetastet. Der Pufferspeicher für die gleitenden Mittelwertdaten besitzt eine der Anzahl der Abtastwerte des Sensorsignals bei einem PDM-Steuerzyklus entsprechende Anzahl von Speicherplätzen. Der gleitende Mittelwert wird somit unter Verwendung der Abtastwerte des Sensorsignals bestimmt, die in einem mit dem PDM-Steuerzyklus synchronisierten Zeitintervall erhalten werden.
Die in dem Pufferspeicher für die gleitenden Mittelwertdaten gespeicherten 32 Glättungswerte Y enthalten somit Werte, die bei der Umschaltung des Heizelements 13 vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand und vom Einschaltzustand in den Abschaltzustand abgetastet worden sind. Hierdurch lassen sich die nachstehend näher beschriebenen Vorteile erzielen.
Nachstehend wird auf eine typische gleitende Mittelwertbildung bei diesem Ausführungsbeispiel näher eingegangen.
Wenn ein gleitender Mittelwert einer Folge von über ein beliebiges festes Zeitintervall hinweg erhaltenen Abtastwerten des Sensorsignals berechnet wird, werden die in dem Sensorsignal enthaltenen elektrischen Störsignalanteile im wesentlichen lediglich als Funktion des Zeitintervalls unterdrückt. Diese Maßnahme eignet sich jedoch nicht zur Bestimmung der Konzentration von Spuren eines in den Abgasen der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs enthaltenen Gases wie NOx unter Berücksichtigung von elektrischen Störsignalanteilen, die bei den Einschalt-Abschaltvorgängen des Heizelements 13 unter Verwendung des PDM-Signals entstehen. So kann sich z.B. die Anzahl der Abtastwerte des Sensorsignals, denen bei der Umschaltung des Heizelements 13 vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand Störsignalanteile hinzugefügt werden, von der Anzahl der Abtastwerte unterscheiden, denen bei der Umschaltung des Heizelements 13 vom Einschaltzustand in den Abschaltzustand Störsignalanteile hinzugefügt werden. Die bei der Umschaltung des Heizelements 13 vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand erzeugten Störsignalanteile haben zwar den umgekehrten Pegel der bei der Umschaltung des Heizelements 13 vom Einschaltzustand in den Abschaltzustand erzeugten Störsignalanteile, jedoch werden in diesem Fall einige Störsignalanteile im Sensorsignal verbleiben, ohne vollständig unterdrückt bzw. ausgelöscht zu werden, was eine verringerte Messgenauigkeit bei der Bestimmung der Konzentration von NOx zur Folge hat.
Bei diesem Ausführungsbeispiel stimmt der Zeitbereich der gleitenden Mittelwertbildung mit der Zeitdauer zwischen einer Umschaltung vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand und einer darauffolgenden Umschaltung vom Einschaltzustand in den Abschaltzustand des Heizelements 13 überein. Die bei der Umschaltung des Heizelements 13 vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand erzeugten Störsignalanteile werden daher von den bei der Umschaltung des Heizelements 13 vom Einschaltzustand in den Abschaltzustand erzeugten Störsignalanteilen vollständig aufgehoben bzw. ausgeglichen, sodass die dem Sensorsignal hinzugefügten Störsignalanteile vor der Bestimmung der Konzentration von NOx unterdrückt werden.
Der Zeitbereich der gleitenden Mittelwertbildung ist nicht zwangsläufig identisch mit dem Zeitintervall von Einschaltzeit zu Einschaltzeit des PDM-Signals, sondern kann in Form einer natürlichen Zahl auch ein Vielfaches des Zeitintervalls von Einschaltzeit zu Einschaltzeit sein. Der Zeitbereich der gleitenden Mittelwertbildung wird somit auf eine Zeitdauer eingestellt, bei der die Anzahl der Abtastwerte des Sensorsignals, die während der Zeitperiode erhalten werden, während der die bei der Umschaltung des Heizelements 13 vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand entstehenden Störsignalanteile dem Sensorsignal hinzugefügt werden, mit der Anzahl der Abtastwerte übereinstimmt, die während der Zeitperiode erhalten werden, während der die beim Umschaltvorgang des Heizelements 13 vom Einschaltzustand in den Abschaltzustand entstehenden Störsignalanteile dem Sensorsignal hinzugefügt werden.
Das vom NOx-Signaldetektor 23 abgegebene Sensorsignal wird vom Tiefpassfilter 243 geglättet oder verzerrt, wodurch eine auf den unmittelbar nach der Umschaltung des Heizelements 13 zwischen dem Einschaltzustand und dem Abschaltzustand auftretenden zusätzlichen Störsignalanteil zurückzuführende, deutliche, scharfe Änderung des Sensorsignals in einem in 14 veranschaulichten Zeitbereich L₂ verringert wird, der länger als ein Zeitbereich L₁ ist, in dem sich das Ausgangssignal des NOx-Signaldetektors 23 durch den zusätzlichen Störsignalanteil in erheblichem Maße ändert. Auf die hierdurch erzielbaren Vorteile wird nachstehend näher eingegangen.
Wenn das Ausgangssignal des NOx-Signaldetektors 23 vor seiner Eingabe in das Tiefpassfilter 243 direkt von dem Analog/Digital-Umsetzer des Mikrocomputers 28 in einem größeren Zeitintervall als der Zeitbereich L₁ abgetastet wird, kann dies dazu führen, dass Komponenten des Sensorsignals mit Störsignalanteilen nicht abgetastet werden. Die störsignalbedingte Änderung des Ausgangssignals des Tiefpassfilters 243 erstreckt sich jedoch über den im Vergleich zum Zeitbereich L₁ längeren Zeitbereich L₂ , wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der Mikrocomputer 28 Komponenten des Ausgangssignals des Tiefpassfilters 243 nicht abtastet, die Störsignalanteile enthalten.
Die im Schritt 301 gemäß 8 ausgeführte Änderungsbegrenzung dient dazu, die Hinzufügung von Störsignalanteilen zu dem gleitenden Mittelwert des Sensorsignals zu vermeiden, auch wenn die Störsignalanteile bei der Umschaltung vom Abschaltzustand in den Einschaltzustand und bei der Umschaltung vom Einschaltzustand in den Abschaltzustand des Heizelements 13 einen unterschiedlichen Pegel aufweisen, wodurch sich die Genauigkeit der Bestimmung der Konzentration von NOx weiter verbessern lässt. Die Änderungsbegrenzung dient außerdem zur Unterdrückung nachteiliger Auswirkungen von plötzlich erzeugten Störsignalanteilen auf die Bestimmung der Konzentration von NOx.
Außerdem dient auch der im Schritt 302 ausgeführte Glättungsvorgang dazu, die Auswirkungen von dem Sensorsignal hinzugefügten Störsignalanteilen minimal zu halten. Sowohl der Glättungsvorgang als auch die Verwendung des Tiefpassfilters 243 oder eine der beiden Maßnahmen können jedoch auch zur Vereinfachung des Aufbaus der Messsteuerschaltung 2 entfallen. Falls jedoch die Zeitdauer, während der die Störsignalanteile dem Sensorsignal hinzugefügt werden, für die Abtastung der Störsignalanteile durch den Analog/Digital-Umsetzer zu kurz ist, ist es unter Berücksichtigung der angestrebten Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung von NOx sehr zweckmäßig, das Tiefpassfilter 243 mit dem in 5 veranschaulichten analogen Aufbau einzusetzen. Anstelle des Glättungsvorgangs und der Verwendung des Tiefpassfilters 243 können auch die Änderungsbegrenzung und die gleitende Mittelwertbildung entfallen.
Die vorstehend beschriebenen Verarbeitungsvorgänge können auch an den Ausgangssignalen der Pumpzelle 1a und der Überwachungszelle 1b vorgenommen werden, wobei die vorstehend beschriebenen strukturellen Modifikationen auch für die Pumpzelle 1a und die Überwachungszelle 1b zweckmäßig sind.
15 veranschaulicht ein alternatives Programm, das bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung vom Mikrocomputer 28 zur Abtastung des vom Tiefpassfilter 243 abgegebenen Sensorsignals auszuführen ist. Dieses Programm kann auch zur Verarbeitung der von der Pumpzelle 1a und der Überwachungszelle 1b abgegebenen Sensorsignale eingesetzt werden.
Zunächst wird in einem Schritt 901 der Zustand des Heizelements 13 ermittelt. Hierbei wird unter Verwendung des der Heizelement-Treiberschaltung 25 zugeführten PDM-Signals bestimmt, ob sich das Heizelement 13 im Einschaltzustand oder im Abschaltzustand befindet. Wenn hierbei festgestellt wird, dass sich das Heizelement 13 z.B. im Einschaltzustand befindet, wird ein Heizelement-Zustandsbit auf den Wert 1 gesetzt.
Das Programm geht sodann auf einen Schritt 902 über, bei dem das Sensorsignal vom Analog/Digital-Umsetzer abgetastet wird.
Danach geht der Ablauf auf einen Schritt 903 über, bei dem der Zustand des Heizelements 13 in der gleichen Weise wie im Schritt 901 ermittelt wird. Wenn hierbei festgestellt wird, dass sich das Heizelement 13 z.B. im Einschaltzustand befindet, wird ein Heizelement-Zustandsbit auf den Wert 1 gesetzt.
Der Ablauf geht sodann auf einen Schritt 904 über, bei dem bestimmt wird, ob sich der Zustand des Heizelements 13 zwischen den Schritten 901 und 903 verändert hat oder nicht. Diese Bestimmung erfolgt durch Überprüfung der in den Schritten 901 und 903 gesetzten Heizelement-Zustandsbits. Wenn hierbei festgestellt wird, dass sich der Zustand des Heizelements 13 verändert hat, was bedeutet, dass Abtastwerte der Sensorsignale in einer Übergangsperiode erhalten worden sind, während der eine Umschaltung des Heizelements 13 vom Einschaltzustand in den Abschaltzustand oder umgekehrt erfolgt ist, wird das Ergebnis JA erhalten und ein Zeitgeber angesteuert, worauf nachstehend noch näher eingegangen wird. Daraufhin geht der Ablauf auf einen Schritt 906 über, bei dem im vorherigen Programmzyklus erhaltene Abtastwerte des Sensorsignals als in diesem Programmzyklus erhaltene Abtastwerte festgelegt werden.
Wenn dagegen im Schritt 904 das Ergebnis NEIN erhalten wird, was bedeutet, dass sich der Zustand des Heizelements 13 nicht verändert hat, geht der Ablauf auf einen Schritt 905 über, bei dem ermittelt wird, ob eine vorgegebene Zeitdauer seit der letzten Umschaltung zwischen dem Einschaltzustand und dem Abschaltzustand des Heizelements 13 verstrichen ist oder nicht. Diese Bestimmung erfolgt durch Überprüfung, ob der Zählwert des im Schritt 904 eingeschalteten Zeitgebers einen gegebenen Referenzwert erreicht hat oder nicht. Der Referenzwert wird größer als eine minimale Zeitdauer oder gleich einer minimalen Zeitdauer eingestellt, während der die dem Sensorsignal unmittelbar nach der Umschaltung des Heizelements 13 zwischen dem Einschaltzustand und dem Abschaltzustand hinzugefügten Störsignalanteile vollständig verschwinden. Wenn somit hierbei das Ergebnis NEIN erhalten wird, was bedeutet, dass die Störsignalanteile noch nicht vollständig verschwunden sind, geht der Ablauf auf den Schritt 906 über, bei dem die im vorherigen Programmzyklus erhaltenen Abtastwerte des Sensorsignals als die in diesem Programmzyklus erhaltenen Abtastwerte festgelegt werden. Wenn dagegen das Ergebnis JA erhalten wird, was bedeutet, dass die Störsignalanteile bereits vollständig verschwunden sind, geht der Ablauf auf einen Schritt 907 über, bei dem festgelegt wird, dass die in diesem Programmzyklus erhaltenen Abtastwerte des Sensorsignals zur Bestimmung der Konzentration von NOx verwendet werden.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, dient das Programm gemäß 15 dazu, die Störsignalanteile enthaltenden Abtastwerte der Sensorsignale durch in einem vorherigen Programmzyklus erhaltene Abtastwerte von Sensorsignalen ohne Störsignalanteile zu ersetzen und auf diese Weise zu ermöglichen, dass nur die nach dem Verschwinden der Störsignalanteile nach der Umschaltung zwischen dem Einschaltzustand und dem Abschaltzustand des Heizelements 13 erhaltenen Abtastwerte des Sensorsignals zur Bestimmung der Konzentration von NOx verwendet werden.
16 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Messsteuerschaltung 2, bei der der in der Überwachungszelle 1b erzeugte Überwachungszellenstrom Im in den Mikrocomputer 28 eingegeben und die an die Pumpzelle 1a anzulegende Spannung durch Rückkopplung derart bestimmt werden, dass der Überwachungszellenstrom Im mit einem gegebenen Referenzwert übereinstimmt.
17 zeigt einen Gassensor anderer Art, bei der die Messsteuerschaltung 2 Verwendung finden kann.
Der Gassensor umfasst einen Grundaufbau in Form einer Schichtanordnung oder eines Laminats 14 aus Sauerstoffionen leitenden Festelektrolytschichten 151, 152 und 153, die aus Zirkondioxid bestehen, einer Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154, die aus einem Isoliermaterial wie porösem Aluminiumoxid besteht, und einer Schicht 155, die aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxid und einem Festelektrolytmaterial besteht.
Die Festelektrolytschicht 152 und die Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154 bilden eine gemeinsame Schicht, die zwischen den Festelektrolytschichten 151 und 153 angeordnet ist. Die Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154 ist näher am Kopfteil des Gassensors angeordnet, während die Festelektrolytschicht 152 näher am Basisteil des Gassensors angeordnet ist. Die Festelektrolytschicht 152 und die Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154 sind mit Ausnehmungen zur Bildung einer ersten Kammer 141 und einer zweiten Kammer 142 versehen, die in Längsrichtung des Gassensors angeordnet sind. Die Gasdiffusionsraten-Begrenzungsschicht 154 dient zum Einleiten von Messgasen in die erste Kammer 141 und zur Herstellung einer Gasverbindung zwischen der ersten Kammer 141 und der zweiten Kammer 142.
Die Schicht 155 bildet einen Luftkanal 143 zwischen sich und der Festelektrolytschicht 153. Dieser Luftkanal 143 verläuft über der ersten Kammer 141 und der zweiten Kammer 142 und steht mit der Atmosphäre (Umgebungsluft) in Verbindung. Wenn der Gassensor im Abgasrohr der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist, führt der Luftkanal 143 in den Außenbereich des Abgasrohrs.
An den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 151 sind Elektroden 161 und 162 zur Bildung einer Pumpzelle 1d angebracht. Die der ersten Kammer 141 ausgesetzte Elektrode 161 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist und somit NOx kaum aufspaltet.
An den einander gegenüberliegenden Oberflächen der Festelektrolytschicht 153 sind Elektroden 163 und 165 zur Bildung einer Überwachungszelle 1e angebracht. Hierbei ist die Elektrode 163 der ersten Kammer 141 ausgesetzt, während die Elektrode 165 dem Luftkanal 143 ausgesetzt ist. Die der ersten Kammer 141 ausgesetzte Elektrode 163 besteht aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist. Die Elektrode 165 erstreckt sich bis zur zweiten Kammer 142 und dient in einer nachstehend noch näher beschriebenen Weise als gemeinsame Elektrode für die Sensorzelle 1f und eine zweite Pumpzelle 1g.
An der der zweiten Kammer 142 ausgesetzten Oberfläche der Festelektrolytschicht 153 ist eine Elektrode 164 angebracht, die zusammen mit der gemeinsamen Elektrode 165 die Sensorzelle 1f bildet.
An der der zweiten Kammer 142 ausgesetzten Oberfläche der Festelektrolytschicht 151 ist eine Elektrode 166 angebracht, die zusammen mit den Festelektrolytschichten 151 bis 153 und der Elektrode 165 die zweite Pumpzelle 1g bildet.
Die der zweiten Kammer 142 ausgesetzte Elektrode 164 der Sensorzelle 1f besteht aus einem Edelmetall wie Pt, das mit NOx reaktionsfähig ist und somit eine Aufspaltung oder Ionisierung von NOx herbeiführt. Die Elektrode 166 der zweiten Pumpzelle 1g besteht dagegen aus einem Edelmetall wie Au-Pt, das in Bezug auf NOx inaktiv bzw. nicht reaktionsfähig ist.
In die Schicht 155 ist ein Leitermuster eingebettet, das als Heizelement 17 zur Erwärmung des gesamten Gassensors auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur dient. Das Heizelement 17 wird zur Erzeugung von Joule'scher Wärme elektrisch betrieben.
Die Überwachungszelle 1e erzeugt eine Quellenspannung (EMK) als Funktion der Konzentration von O₂ in der ersten Kammer 141. Die Messsteuerschaltung 2 überwacht das Ausgangssignal der Überwachungszelle 1e und steuert die an die Pumpzelle 1d angelegte Spannung zum Hereinpumpen von Sauerstoffmolekülen aus dem Außenbereich des Gassensors in die erste Kamme 141 oder zum Herauspumpen von Sauerstoffmolekülen aus der ersten Kammer 141 in den Außenbereich des Gassensors derart, dass die Ausgangsspannung der Überwachungszelle 1e mit einer gegebenen Referenzspannung in Übereinstimmung gebracht wird, d.h., derart, dass die Konzentration von O₂ in der ersten Kammer 141 auf einem niedrigeren Wert gehalten wird. Dies führt auch zu einer Verringerung der Konzentration von O₂ innerhalb der zweiten Kammer 142 auf im wesentlichen den gleichen Wert wie in der ersten Kammer 141.
Die in der zweiten Kammer 142 verbleibenden Sauerstoffmoleküle werden durch die zweite Pumpzelle 1g in den Außenbereich des Gassensors abgeführt. Die Elektrode 164 der Sensorzelle 1f dient zur Dissoziation von NOx und zur Erzeugung eines elektrischen Stroms als Funktion der Konzentration von NOx in der zweiten Kammer 142.
Die Erfindung kann auch bei einem Gassensor anderer Art Anwendung finden, der zur Messung von Kohlenwasserstoffen (HC) und/oder Kohlenmonoxid (CO) ausgestaltet ist, oder kann bei einzelligen Gassensoren verwendet werden, die zur alleinigen Messung der Konzentration von O₂ ausgestaltet sind. Außerdem kann die Erfindung auch bei Gassensoren Anwendung finden, die anders als die Gassensoren gemäß den 2, 16 und 17 kein in den Gassensor eingebettetes Heizelement aufweisen.
Ferner kann die Erfindung auch bei Gassensoren Anwendung finden, bei denen die Stromversorgung des Heizelements mit Hilfe eines anderen Impulssignals als dem PDM-Signal gesteuert wird.
Die vorstehend beschriebene gleitende Mittelwertbildung wird in einem Zyklus durchgeführt, der mit dem Abtastzyklus der Sensorsignale identisch ist, kann jedoch alternativ auch in einem dem Zeitbereich der gleitenden Mittelwertbildung äqivalenten Zeitintervall durchgeführt werden, sodass sich die Zeitabschnitte, in denen die Mittelwertbildung von Abtastwerten des Sensorsignals erfolgt, nicht überdecken.
Im Rahmen der Erfindung sind natürlich weitere Modifikationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich. So werden bei dem vorstehend beschriebenen Gassensor 1 die Ausgangssignale der Pumpzelle 1a, der Sensorzelle 1c und der Überwachungszelle 1b durch Anlegen einer Spannung an die jeweilige Zelle erzeugt, jedoch kann der Gassensor alternativ auch als eine EMK erzeugender Gassensor bekannter Art ausgestaltet sein, bei dem jeweils von der Pumpzelle 1a, der Sensorzelle 1c und der Überwachungszelle 1b eine Quellenspannung (EMK) als Funktion der Konzentration einer entsprechenden Gaskomponente erzeugt wird.
Durch die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lässt sich somit ein störsignalfreier (rauscharmer) Schaltungsaufbau eines Gaskonzentrations-Messgeräts erhalten. Das Gaskonzentrations-Messgerät umfasst eine Steuerschaltung und einen Gassensor mit einem Festelektrolytkörper, einer Zelle und einem zur Erwärmung des Festelektrolytkörpers auf eine Aktivierungstemperatur dienenden Heizelement. Die Steuerschaltung ist derart ausgelegt, dass durch die Einschalt-Abschaltvorgänge des Heizelements entstehende Störsignalanteile des Sensor-Ausgangssignals unterdrückt oder aufgehoben werden.

Claims

Gaskonzentrations-Messgerät, gekennzeichnet durch - einen Gassensor (1) mit einer Zelle und einem Heizelement (13), wobei die Zelle einen Festelektrolytkörper aufweist und zur Bildung eines Sensorsignals in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils dient und das Heizelement zur Erwärmung des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und - eine Messsteuerschaltung (2) zur Durchführung einer Heizelement-Stromversorgungssteuerung und einer Mittelwertbildung, wobei durch die Heizelement-Stromversorgungssteuerung die Stromversorgung des Heizelements zum Anheben der Temperatur des Festelektrolytkörpers auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur des Festelektrolytkörpers gesteuert wird, wobei - die Heizelement-Stromversorgungssteuerung die Stromversorgung des Heizelements unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Signals (PDM-Signals) derart steuert, dass das Heizelement zyklisch in einen Einschaltzustand und einen Abschaltzustand versetzt wird, - die Messsteuerschaltung Abtastwerte des Sensorsignals in einem gegebenen Abtastintervall bildet, das kürzer ist als ein PDM-Steuerzyklus, - die Mittelwertbildung einen Vorgang einer gleitenden Mittelwertbildung durchführt, um die Abtastwerte des vom Gassensor ausgegebenen Sensorsignals während eines gegebenen Mittelwertbildungs-Zeitbereichs zu mitteln, so dass eine erste Komponente des Sensorsignals, die einen von einer Änderung der Stromversorgung des Heizelements herrührenden zusätzlichen Störsignalanteil enthält, eine zweite Komponente des Sensorsignals, die ebenfalls einen von einer Änderung der Stromversorgung des Heizelements herrührenden Störsignalanteil enthält und in Bezug auf die erste Komponente einen umgekehrten Pegel aufweist, zur Bildung eines Mittelwertes aufhebt, wobei der gegebene Mittelwertbildungs-Zeitbereich als Funktion des PDM-Steuerzyklus gewählt ist, und - die Messsteuerschaltung die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils unter Verwendung des Mittelwertes bestimmt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung den Vorgang einer gleitenden Mittelwertbildung nach Durchführung eines Glättungsvorgangs durchführt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwertbildungs-Zeitbereich identisch mit einem Zeitintervall ist, das mit der Vorderflanke einer Einschaltzeit beginnt, während der sich das Heizelement im Einschaltzustand befindet, und mit der abfallenden Flanke einer Abschaltzeit endet, während der sich das Heizelement im Abschaltzustand befindet.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwertbildungs-Zeitbereich ein eine natürliche Zahl darstellendes Vielfaches einer Periode des PDM-Signals ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode des PDM-Signals ein eine natürliche Zahl darstellendes Vielfaches des Abtastzyklus des Sensorsignals ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsteuerschaltung eine Hochfrequenzkomponenten-Unterdrückungsschaltung zur Entfernung von Hochfrequenzkomponenten aus dem vom Gassensor abgegebenen Sensorsignal umfasst.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor eine erste Zelle und eine zweite Zelle aufweist, wobei die erste Zelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration von Sauerstoff zu erzeugen, und die zweite Zelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer strömenden Gases erzeugt, und dass die Zelle entweder die erste oder die zweite Zelle ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor durch ein Laminat aus der Zelle und dem Heizelement gebildet wird.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor eine Pumpzelle (1a), eine Sensorzelle (1c) und eine Überwachungszelle (1b) aufweist, wobei die Pumpzelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung zu erzeugen, die Sensorzelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer herausströmenden Gases erzeugt und die Überwachungszelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer erzeugt, und dass die Zelle entweder die Pumpzelle oder die Sensorzelle oder die Überwachungszelle ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelwertbildung außer zur Mittelung des Sensorsignals der Zelle auch zur Mittelung zumindest eines der Sensorsignale dient, die von der Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle abgegeben werden.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Sensorsignal beaufschlagte Messsteuerschaltung eine Hochfrequenzkomponenten-Unterdrückungsschaltung zur Entfernung der Hochfrequenzkomponenten aus dem eingegebenen Sensorsignal und Bildung eines hochfrequenzkomponentenfreien Signals aufweist und die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils als Funktion des hochfrequenzkomponentenfreien Signals bestimmt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor eine erste Zelle und eine zweite Zelle aufweist, wobei die erste Zelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration von Sauerstoff zu erzeugen, und die zweite Zelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer strömenden Gases erzeugt, und dass die Zelle entweder die erste oder die zweite Zelle ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor durch ein Laminat aus der Zelle und dem Heizelement gebildet wird.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor eine Pumpzelle, eine Sensorzelle und eine Überwachungszelle aufweist, wobei die Pumpzelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung zu erzeugen, die Sensorzelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer herausströmenden Gases erzeugt und die Überwachungszelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer erzeugt, und dass die Zelle entweder die Pumpzelle oder die Sensorzelle oder die Überwachungszelle ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzkomponenten-Unterdrückungsschaltung außer zur Unterdrückung der Hochfrequenzkomponenten des Sensorsignals der Zelle auch zur Unterdrückung der Hochfrequenzkomponenten von zumindest einem der Sensorsignale dient, die von der Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle abgegeben werden.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Änderung des Pegels eines der in einem laufenden Abtastzyklus des Sensorsignals erhaltenen Abtastwerte in Bezug auf einen der in einem vorherigen Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, der im laufenden Abtastzyklus erhaltene Abtastwert auf einen Wert korrigiert wird, der innerhalb eines sich über die Abtastwerte des vorherigen Abtastzyklus erstreckenden Bereichs liegt.
Gaskonzentrations-Messgerät, gekennzeichnet durch - einen Gassensor (1) mit einer Zelle und einem Heizelement (13), wobei die Zelle einen Festelektrolytkörper aufweist und zur Erzeugung eines Sensorsignals in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines gegebenen Gasbestandteils dient und das Heizelement zur Erwärmung des Festelektrolytkörpers auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur des Festelektrolytkörpers vorgesehen ist, und - eine Messsteuerschaltung (2), die zur Durchführung einer Heizelement-Stromversorgungssteuerung ausgestaltet ist, bei der die Stromversorgung des Heizelements unter Verwendung eines pulsbreitenmodulierten Signals (PDM-Signals) derart gesteuert wird, dass das Heizelement zyklisch in einen Einschaltzustand und einen Abschaltzustand versetzt wird, wobei die Messsteuerschaltung das Sensorsignal zyklisch abtastet und die Konzentration des gegebenen Gasbestandteils unter Verwendung der jeweiligen Abtastwerte des Sensorsignals bestimmt, wenn die Änderung des Pegels eines der in einem laufenden Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte in Bezug auf einen der in einem vorherigen Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte größer als ein vorgegebener Grenzwert ist, und der im laufenden Abtastzyklus erhaltene Abtastwert auf einen Wert korrigiert wird, der innerhalb eines sich über die Abtastwerte des vorherigen Abtastzyklus erstreckenden Bereichs liegt.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor eine erste Zelle und eine zweite Zelle aufweist, wobei die erste Zelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration von Sauerstoff zu erzeugen, und die zweite Zelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer strömenden Gases erzeugt, und dass die Zelle entweder die erste oder die zweite Zelle ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor durch ein Laminat aus der Zelle und dem Heizelement gebildet wird.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor eine Pumpzelle (1a), eine Sensorzelle (1c) und eine Überwachungszelle (1b) aufweist, wobei die Pumpzelle in dem in eine Gaskammer eingetretenen Gas enthaltenen Sauerstoff aus der Gaskammer herauspumpt oder Sauerstoff aus dem Außenbereich der Gaskammer in die Gaskammer hineinpumpt, um ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung zu erzeugen, die Sensorzelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration eines vorgegebenen Bestandteils des aus der Gaskammer herausströmenden Gases erzeugt und die Überwachungszelle ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Signaländerung als Funktion der Konzentration des Restsauerstoffs in der Gaskammer erzeugt, und dass die Zelle entweder die Pumpzelle oder die Sensorzelle oder die Überwachungszelle ist.
Gaskonzentrations-Messgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsteuerschaltung außer dem Sensorsignal der Zelle auch zumindest eines der Sensorsignale der Pumpzelle, der Sensorzelle und der Überwachungszelle abtastet, wobei, wenn eine Änderung des Pegels eines der in einem laufenden Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte des zumindest einen der Sensorsignale in Bezug auf einen der in einem vorherigen Abtastzyklus erhaltenen Abtastwerte größer als der vorgegebene Grenzwert ist, der abgetastete Wert im laufenden Abtastzyklus auf einen Wert korrigiert wird, der innerhalb eines sich über die Abtastwerte des vorherigen Abtastzyklus erstreckenden Bereiches liegt.