Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zu Grunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beheben und
ein Gaskonzentrationsmessgerät
anzugeben, das zur Gewährleistung
einer hohen Messgenauigkeit bzw. eines hohen Auflösungsvermögens bei
der Messung einer Gaskonzentration über einen gewünschten
weiten Bereich ausgestaltet ist.
Diese Aufgabe wird mit den den Patentansprüchen angegebenen
Mitteln gelöst.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung
der Erfindung wird ein Gaskonzentrationsmessgerät angegeben, das zur Bestimmung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs im Rahmen einer Luft/Kraftstoff-Gemischregelung dienen
kann. Dieses Gaskonzentrationsmessgerät umfasst (a) einen Gaskonzentrationssensor
mit einem aus einem Festelektrolytmaterial bestehenden Sensorelement,
das zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Funktion der Konzentration
eines vorgewählten
Bestandteils von Gasen über
einen gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich ausgestaltet
ist, und (b) eine einen Strommesswiderstand, eine Vielzahl von Verstärkern und
Analog/Digital-Umsetzer aufweisende Sensorschaltung zum Anlegen
einer Spannung an das Sensorelement, bei der der Strommesswiderstand
zur Messung eines über das
Sensorelement fließenden,
beim Anlegen der Spannung an das Sensorelement erzeugten Stromsignal
dient und die Verstärker
unterschiedliche vorgegebene Verstärkungsfaktoren aufweisen, das
von dem Strommesswiderstand gemessene Stromsignal verstärken und
das verstärkte
Stromsignal den Analog/Digital-Umsetzern zur Bestimmung der Konzentration
des vorgewählten
Gasbestandteils in einer Vielzahl von Messbereichen zuführen, die
jeweils innerhalb des gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereichs
festgelegt sind.
Diese Verstärkung des Stromsignals führt zu einer
Vergrößerung des
Pegels der den Analog/Digital-Umsetzern zugeführten Signale entweder in positiver
oder negativer Richtung, wodurch ein höheres Auflösungsvermögen bei der Bestimmung der
Konzentration des Gasbestandteils erhalten wird. Die Verwendung
eines jeweiligen Verstärkers
in jedem der über
den gesamten breiten Gaskonzentrationsmessbereich hinweg festgelegten
Messbereiche ermöglicht
ein unabhängiges
Arbeiten der Verstärker
in der jeweils gewünschten
Weise, wodurch sich das Auflösungsvermögen in jedem
der Messbereiche vergrößern lässt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst die Vielzahl der Messbereiche einen ersten Messbereich
und einen zweiten Messbereich, der enger als der erste Messbereich ist.
Die Vielzahl der Verstärker
umfasst einen ersten Verstärker
mit dem Verstärkungsfaktor
m, der zur Erzeugung eines Breitband-Ausgangssignals zur Bestimmung
der Konzentration des vorgewählten
Gasbestandteils in dem ersten Messbereich dient, und einen zweiten
Verstärker
mit dem Verstärkungsfaktor n,
der zur Erzeugung eines Schmalband-Ausgangssignals zur Bestimmung
der Konzentration des vorgewählten
Gasbestandteils in dem zweiten Messbereich dient, wobei der Verstärkungsfaktor
m kleiner als der Verstärkungsfaktor
n ist, wodurch das Auflösungsvermögen im zweiten
Messbereich in erheblichem Maße
vergrößert wird.
Die Vielzahl der Messbereiche kann
einen die Gesamtheit des gegebenen breiten Gaskonzentrationsmessbereichs
einnehmenden Gesamtmessbereich und einen einen Teil des Gesamtmessbereichs
einnehmenden Teilmessbereich umfassen. Der erste Verstärker dient
dann zur Erzeugung des Breitband-Ausgangssignals, das zur Bestimmung der
Konzentration des vorgegebenen bzw. vorgewählten Gasbestandteils innerhalb
des Gesamtmessbereichs Verwendung findet, während der zweite Verstärker zur
Erzeugung des Schmalband-Ausgangssignals dient, das zur Bestimmung
der Konzentration des vorgegebenen bzw. vorgewählten Gasbestandteils innerhalb
des Teilmessbereichs verwendet wird.
Das Gaskonzentrationsmessgerät kann außerdem eine
Widerstandsmessschaltung umfassen, die zur Änderung einer Spannung oder
eines Stroms, die in Form einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms
an das Sensorelement angelegt werden, und Messung der sich ergebenden
Spannungsänderung
oder der sich ergebenden Stromänderung über den
Strommesswiderstand zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements
ausgestaltet ist.
Das Sensorelement kann dahingehend
ausgestaltet sein, dass die Stromänderung zur Bestimmung des
Widerstandswertes des Sensorelements größer als das Stromsignal ist.
Das Sensorelement kann von einer Schichtanordnung
aus einer Festelektrolytplatte, einer Diffusionsschicht und einer
Isolierschicht mit einer darin ausgebildeten Sauerstoff-Referenzkammer gebildet
werden.
Das Sensorelement kann zur Messung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eines verbrannten Gases über
den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet
sein.
Das Sensorelement kann zur Messung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eines verbrannten Gases über
den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet
sein, wobei der Teilmessbereich das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis einschließen kann.
Alternativ kann das Sensorelement
von einer Schichtanordnung aus einer Pumpzelle, die zum Hineinpumpen
von Sauerstoff in eine in dem Sensorelement ausgebildete und mit
den Gasen gefüllte
Gaskammer und Abpumpen des Sauerstoffs aus der mit den Gasen gefüllten Gaskammer
dient, und einer Sauerstoffsensorzelle gebildet werden, die zur
Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration von in den
Gasen enthaltenem Sauerstoff dient. Die Sensorschaltung steuert
hierbei die Pumpzelle derart, dass das von der Sauerstoffsensorzelle
abgegebene Signal auf einem gegebenen Wert gehalten wird.
Die Sensorschaltung ist zur Erzeugung
einer Spannung als Funktion des Innenwiderstands des Sensorelements
ausgestaltet.
Der Gaskonzentrationssensor kann
von einem Luft/Kraftstoff-Sensor
gebildet werden, der zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eines verbrannten Gases über
den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet
ist.
Alternativ kann das Sensorelement
eine Vielzahl von Zellen aus einem Festelektrolytmaterial umfassen,
von denen eine Zelle eine erste Zelle bildet, die zum Hineinpumpen
von Sauerstoff in eine in dem Sensorelement ausgebildete und mit
den Gasen gefüllte
Gaskammer oder Abpumpen von Sauerstoff aus der mit den Gasen gefüllten Gaskammer
dient, und eine weitere Zelle eine zweite Zelle bildet, die zur Erzeugung
eines Signals als Funktion der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils
dient, in den von der ersten Zelle Sauerstoff hineingepumpt oder aus
dem von der ersten Zelle Sauerstoff abgepumpt worden ist.
Jeder Verstärker ist mit dem Strommesswiderstand
derart verbunden, dass die an den Endanschlüssen des Strommesswiderstands
auftretende Spannung an den positiven und den negativen Eingang
eines Operationsverstärkers
angelegt wird. Die Sensorschaltung weist hierbei einen Rückkopplungsstromkreis
für jeden
Verstärker
auf, wobei in jedem Rückkopplungsstromkreis
ein Operationsverstärker zur
Unterdrückung
des Rückkopplungsstroms
eines entsprechenden Verstärkers
angeordnet ist.
Der Strommesswiderstand weist einen
ersten und einen zweiten Anschluss auf. Hierbei ist die Sensorschaltung
zum Anlegen einer festen Bezugsspannung an den ersten Anschluss des
Strommesswiderstands, Änderung
entweder der Spannung oder des Stroms, die dem Sensorelement zugeführt wird, in
Form einer Wechselspannung oder in Form eines Wechselstroms und
Messung der sich ergebenden, am zweiten Anschluss auftretenden Spannung
zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements ausgestaltet
und weist einen Schalter auf, der zur Unterbrechung und Herstellung
der Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss und den Verstärkern dient.
Der Schalter unterbricht die Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss
und den Verstärkern
zur Unterdrückung
unerwünschter Änderungen der
Ausgangssignale der Verstärker
während
der Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements.
Die Sensorschaltung kann einen zwischen dem
Schalter und den Verstärkern
angeordneten Kondensator aufweisen, durch den die unmittelbar vor
dem Öffnen
des Schalters auftretende Spannung aufrecht erhalten wird.
Die Sensorschaltung kann ferner Begrenzerschaltungen
aufweisen, die zu den Ausgängen
der Verstärker
führenden
jeweiligen Ausgangsleitungen zugeordnet und jeweils derart ausgestaltet
sind, dass das Ausgangssignal eines jeweiligen Verstärkers innerhalb
des Betriebsspannungsbereichs eines entsprechenden Analog/Digital-Umsetzers
gehalten wird.
Die Begrenzerschaltungen können jeweils eine
Diode und eine Konstantspannungsquelle aufweisen, wobei die Diode
an ihren Endanschlüssen mit
der Ausgangsleitung eines entsprechenden Verstärkers verbunden ist und die
Konstantspannungsquelle in Durchlassrichtung von der Ausgangsleitung zu
der Konstantspannungsquelle eine Konstantspannung erzeugt, die im
wesentlichen mit der maximalen Betriebsspannung eines entsprechenden
Analog/Digital-Umsetzers identisch ist.
Alternativ können die Begrenzerschaltungen jeweils
einen PNP-Transistor und eine Konstantspannungsquelle aufweisen,
wobei der PNP-Transistor über
seinen Emitter mit der Ausgangsleitung eines entsprechenden Verstärkers und über seine
Basis mit der Konstantspannungsquelle verbunden ist und die Konstantspannungsquelle
eine Konstantspannung erzeugt, die mit der maximalen Betriebsspannung
eines entsprechenden Analog/Digital-Umsetzers im wesentlichen identisch
ist. Die Begrenzerschaltungen sind hierbei jeweils derart ausgestaltet, dass
die an der Basis des PNP-Transistors
auftretende Eingangsspannung mit einem Wert identisch ist, der durch
Subtraktion des Basis-Emitter-Spannungsabfalls
des PNP-Transistors von der von der Konstantspannungsquelle erzeugten
Konstantspannung erhalten wird.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung umfasst das Gaskonzentrationsmessgerät (a) einen
Gaskonzentrationssensor mit einem aus einem Festelektrolytmaterial
bestehenden Sensorelement, das zur Erzeugung eines elektrischen
Signals als Funktion der Konzentration eines vorgewählten Bestandteils
von Gasen über
einen gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich ausgestaltet
ist, und (b) eine einen Strommesswiderstand, zumindest einen Verstärker und
Analog/Digital-Umsetzer aufweisende Sensorschaltung zum Anlegen
einer Spannung an das Sensorelement, bei der der Strommesswiderstand
zur Messung eines über
das Sensorelement fließenden,
beim Anlegen der Spannung an das Sensorelement erzeugten Stromsignals
dient und der Verstärker
einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor
aufweist, das von dem Strommesswiderstand gemessene Stromsignal
verstärkt
und das verstärkte Stromsignal
einem der Analog/Digital-Umsetzer zur Bestimmung der Konzentration
des vorgewählten Gasbestandteils
in einer Vielzahl von Messbereichen zuführt, die jeweils innerhalb
des gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereichs festgelegt
sind, wobei die Sensorschaltung das Stromsignal zur Bestimmung der
Konzentration des vorgewählten
Gasbestandteils in einem anderen der Messbereiche direkt einem weiteren
Analog/Digital-Umsetzer zuführt, ohne
es über
den Verstärker
zu leiten.
Diese Verstärkung des Stromsignals führt zu einer
Vergrößerung des
Pegels des dem Analog/Digital-Umsetzer zugeführten Signals entweder in positiver
oder in negativer Richtung, wodurch sich das Auflösungsvermögen bei
der Bestimmung der Konzentration des Gasbestandteils vergrößert. Der
Verstärker
kann einen gewünschten
Verstärkungsfaktor aufweisen,
wodurch eine Vergrößerung des
Auflösungsvermögens in
einem gewünschten
Bereich der Messbereiche ermöglicht
wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst die Vielzahl der Messbereiche einen ersten
Messbereich und einen zweiten Messbereich, der enger als der erste
Messbereich ist, wobei der Verstärker
zur Erzeugung eines Schmalband-Ausgangssignals dient, das zur Bestimmung
der Konzentration des vorgewählten
Gasbestandteils in dem zweiten Messbereich verwendet wird, und die
Sensorschaltung zur Bestimmung der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils
in dem ersten Messbereich ein Breitband-Ausgangssignal direkt dem
weiteren Analog/Digital-Umsetzer zuführt.
Alternativ kann die Vielzahl der
Messbereiche einen die Gesamtheit des gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereichs einnehmenden Gesamtmessbereich
und einen einen Teil des Gesamtmessbereichs einnehmenden Teilmessbereich umfassen,
wobei der Verstärker
zur Erzeugung eines Schmalband-Ausgangssignals dient, das zur Bestimmung
der Konzentration des vorgewählten
Gasbestandteils in dem Teilmessbereich verwendet wird, und die Sensorschaltung
zur Bestimmung der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils in dem Gesamtmessbereich
ein Breitband-Ausgangssignal direkt
dem weiteren Analog/Digital-Umsetzer zuführt.
Das Gaskonzentrationsmessgerät kann außerdem eine
Widerstandsmessschaltung umfassen, die zur Änderung einer Spannung oder
eines Stroms, die in Form einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms
an das Sensorelement angelegt werden, und Messung der sich ergebenden
Spannungsänderung
oder der sich ergebenden Stromänderung über den
Strommesswiderstand zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements
ausgestaltet ist.
Das Sensorelement kann dahingehend
ausgestaltet sein, dass die Stromänderung zur Bestimmung des
Widerstandswertes des Sensorelements größer als das Stromsignal ist.
Das Sensorelement kann von einer Schichtanordnung
aus einer Festelektrolytplatte, einer Diffusionsschicht und einer
Isolierschicht mit einer darin ausgebildeten Sauerstoff-Referenzkammer gebildet
werden.
Das Sensorelement kann hierbei zur
Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eines verbrannten Gases über
den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet sein.
Alternativ kann das Sensorelement
von einer Schichtanordnung aus einer Pumpzelle, die zum Hineinpumpen
von Sauerstoff in eine in dem Sensorelement ausgebildete und mit
den Gasen gefüllte
Gaskammer und Abpumpen des Sauerstoffs aus der mit den Gasen gefüllten Gaskammer
dient, und einer Sauerstoffsensorzelle gebildet werden, die zur
Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration von in den
Gasen enthaltenem Sauerstoff dient, wobei die Sensorschaltung die
Pumpzelle derart steuert, dass das von der Sauerstoffsensorzelle
abgegebene Signal auf einem gegebenen Wert gehalten wird.
Die Sensorschaltung ist auch zur
Erzeugung einer Spannung als Funktion des Innenwiderstands des Sensorelements
ausgestaltet.
Der Gaskonzentrationssensor kann
von einem Luft/Kraftstoff-Sensor
gebildet werden, der zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eines verbrannten Gases über
den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet
ist.
Alternativ kann das Sensorelement
eine Vielzahl von Zellen aus einem Festelektrolytmaterial umfassen,
von denen eine Zelle eine erste Zelle bildet, die zum Hineinpumpen
von Sauerstoff in eine in dem Sensorelement ausgebildete und mit
den Gasen gefüllte
Gaskammer oder Abpumpen von Sauerstoff aus der mit den Gasen gefüllten Gaskammer
dient, und eine weitere Zelle eine zweite Zelle bildet, die zur Erzeugung
eines Signals als Funktion der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils
dient, in den von der ersten Zelle Sauerstoff hineingepumpt oder aus
dem von der ersten Zelle Sauerstoff abgepumpt worden ist.
Der Verstärker ist mit dem Strommesswiderstand
derart verbunden, dass die an den Endanschlüssen des Strommesswiderstands
auftretende Spannung an den positiven und den negativen Eingang
eines Operationsverstärkers
angelegt wird. Die Sensorschaltung weist einen Rückkopplungsstromkreis für den Verstärker auf,
wobei in dem Rückkopplungsstromkreis
ein Operationsverstärker
zur Unterdrückung
des Rückkopplungsstroms
des Verstärkers angeordnet
ist.
Der Strommesswiderstand weist einen
ersten und einen zweiten Anschluss auf. Hierbei ist die Sensorschaltung
zum Anlegen einer festen Bezugsspannung an den ersten Anschluss
des Strommesswiderstands, Änderung
entweder der Spannung oder des Stroms, die dem Sensorelement zugeführt wird, in
Form einer Wechselspannung oder in Form eines Wechselstroms und
Messung der sich ergebenden, am zweiten Anschluss auftretenden Spannung
zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements ausgestaltet
und weist einen Schalter auf, der zur Unterbrechung und Herstellung
der Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss und dem Verstärker dient.
Der Schalter unterbricht die Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss
und dem Verstärker
zur Unterdrückung
einer unerwünschten Änderung
des Ausgangssignals des Verstärkers
während der
Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements.
Die Sensorschaltung kann einen zwischen dem
Schalter und dem Verstärker
angeordneten Kondensator aufweisen, durch den die unmittelbar vor
dem Öffnen
des Schalters auftretende Spannung aufrecht erhalten wird.
Die Sensorschaltung kann eine Begrenzerschaltung
aufweisen, die einer zum Ausgang des Verstärkers führenden Ausgangsleitung zugeordnet und
derart ausgestaltet ist, dass das Ausgangssignal des Verstärkers innerhalb
des Betriebsspannungsbereichs eines entsprechenden Analog/Digital-Umsetzers
gehalten wird.
Die Begrenzerschaltung kann eine
Diode und eine Konstantspannungsquelle aufweisen, wobei die Diode
an ihren Endanschlüssen
mit der Ausgangsleitung des Verstärkers verbunden ist und die Konstantspannungsquelle
in Durchlassrichtung von der Ausgangsleitung zu der Konstantspannungsquelle
eine Konstantspannung erzeugt, die im wesentlichen mit der maximalen
Betriebsspannung eines entsprechenden Analog/Digital-Umsetzers identisch
ist.
Alternativ kann die Begrenzerschaltung
einen PNP-Transistor und eine Konstantspannungsquelle aufweisen,
wobei der PNP-Transistor über seinen
Emitter mit der Ausgangsleitung des Verstärkers und über seine Basis mit der Konstantspannungsquelle
verbunden ist und die Konstantspannungsquelle eine Konstantspannung
erzeugt, die mit der maximalen Betriebsspannung eines entsprechenden Analog/Digital-Umsetzers
im wesentlichen identisch ist. Die Begrenzerschaltung ist hierbei
derart ausgestaltet, dass die an der Basis des PNP-Transistors auftretende
Eingangsspannung mit einem Wert identisch ist, der durch Subtraktion
des Basis-Emitter-Spannungsabfalls des PNP-Transistors von der von der Konstantspannungsquelle
erzeugten Konstantspannung erhalten wird.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung
der Erfindung umfasst das Gaskonzentrationsmessgerät (a) einen
Gaskonzentrationssensor mit einem aus einem Festelektrolytmaterial
bestehenden Sensorelement, das zur Erzeugung eines elektrischen
Signals als Funktion der Konzentration eines vorgewählten Bestandteils
von Gasen über
einen gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich ausgestaltet
ist, und (b) eine einen Strommesswiderstand, einen Verstärker und
einen Analog/Digital-Umsetzer aufweisende Sensorschaltung zum Anlegen
einer Spannung an das Sensorelement, bei der der Strommesswiderstand
zur Messung eines über
das Sensorelement fließenden,
beim Anlegen der Spannung an das Sensorelement erzeugten Stromsignals
dient und der Verstärker
einen vorgegebenen Verstärkungsfaktor
aufweist, das von dem Strommesswiderstand gemessene Stromsignal
verstärkt
und das verstärkte Stromsignal
dem Analog/Digital-Umsetzer zur Bestimmung der Konzentration des
vorgewählten
Gasbestandteils in einer Vielzahl von Messbereichen zuführt, die
jeweils innerhalb des gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereichs
festgelegt sind.
Diese Verstärkung des Stromsignals führt zu einer
Vergrößerung des
Pegels des dem Analog/Digital-Umsetzer zugeführten Signals entweder in positiver
oder in negativer Richtung, wodurch sich das Auflösungsvermögen bei
der Bestimmung der Konzentration des Gasbestandteils vergrößert. Der
Verstärker
kann hierbei einen gewünschten
Verstärkungsfaktor
aufweisen, wodurch sich das Auflösungsvermögen im gewünschten
Maße vergrößern lässt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann das Gaskonzentrationsmessgerät außerdem eine Widerstandsmessschaltung
aufweisen, die zur Änderung
einer Spannung oder eines Stroms, die in Form einer Wechselspannung
oder eines Wechselstroms an das Sensorelement angelegt werden, und
Messung der sich ergebenden Spannungsänderung oder der sich ergebenden
Stromänderung über den
Strommesswiderstand zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements
ausgestaltet ist.
Das Sensorelement kann dahingehend
ausgestaltet sein, dass die Stromänderung zur Bestimmung des
Widerstandswertes des Sensorelements größer als das Stromsignal ist.
Das Sensorelement kann von einer Schichtanordnung
aus einer Festelektrolytplatte, einer Diffusionsschicht und einer
Isolierschicht mit einer darin ausgebildeten Sauerstoff-Referenzkammer gebildet
werden.
Das Sensorelement kann zur Messung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eines verbrannten Gases über
den gegebenen breiten Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet
sein.
Alternativ kann das Sensorelement
von einer Schichtanordnung aus einer Pumpzelle, die zum Hineinpumpen
von Sauerstoff in eine in dem Sensorelement ausgebildete und mit
den Gasen gefüllte
Gaskammer und Abpumpen des Sauerstoffs aus der mit den Gasen gefüllten Gaskammer
dient, und einer Sauerstoffsensorzelle gebildet werden, die zur
Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration von in den
Gasen enthaltenem Sauerstoff dient. Die Sensorschaltung steuert
hierbei die Pumpzelle derart, dass das von der Sauerstoffsensorzelle
abgegebene Signal auf einem gegebenen Wert gehalten wird.
Die Sensorschaltung ist auch zur
Erzeugung einer Spannung als Funktion des Innenwiderstands des Sensorelements
ausgestaltet.
Der Gaskonzentrationssensor kann
von einem Luft/Kraftstoff-Sensor
gebildet werden, der zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eines verbrannten Gases über
den gegebenen Gaskonzentrations-Messbereich hinweg ausgestaltet
ist.
Das Sensorelement kann eine Vielzahl
von Zellen aus einem Festelektrolytmaterial umfassen, von denen
eine Zelle eine erste Zelle bildet, die zum Hineinpumpen von Sauerstoff
in eine in dem Sensorelement ausgebildete und mit den Gasen gefüllte Gaskammer
oder Abpumpen von Sauerstoff aus der mit den Gasen gefüllten Gaskammer
dient, und eine weitere Zelle eine zweite Zelle bildet, die zur
Erzeugung eines Signals als Funktion der Konzentration des vorgewählten Gasbestandteils
dient, in den von der ersten Zelle Sauerstoff hineingepumpt oder
aus dem von der ersten Zelle Sauerstoff abgepumpt worden ist.
Der Verstärker ist mit dem Strommesswiderstand
derart verbunden, dass die an den Endanschlüssen des Strommesswiderstands
auftretende Spannung an den positiven und den negativen Eingang
eines Operationsverstärkers
angelegt wird. Die Sensorschaltung weist hierbei einen Rückkopplungsstromkreis
für den
Verstärker
auf, wobei in dem Rückkopplungsstromkreis
ein Operationsverstärker zur
Unterdrückung
des Rückkopplungsstroms
des Verstärkers
angeordnet ist.
Der Strommesswiderstand weist einen
ersten und einen zweiten Anschluss auf. Hierbei ist die Sensorschaltung
zum Anlegen einer festen Bezugsspannung an den ersten Anschluss
des Strommesswiderstands, Änderung
entweder der Spannung oder des Stroms, die dem Sensorelement zugeführt wird, in
Form einer Wechselspannung oder in Form eines Wechselstroms und
Messung der sich ergebenden, am zweiten Anschluss auftretenden Spannung
zur Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements ausgestaltet
und weist einen Schalter auf, der zur Unterbrechung und Herstellung
der Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss und dem Verstärker dient.
Der Schalter unterbricht die Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss
und dem Verstärker
zur Unterdrückung
einer unerwünschten Änderung
des Ausgangssignals des Verstärkers
während der
Bestimmung des Widerstandswerts des Sensorelements.
Die Sensorschaltung kann einen zwischen dem
Schalter und dem Verstärker
angeordneten Kondensator aufweisen, durch den die unmittelbar vor
dem Öffnen
des Schalters auftretende Spannung aufrecht erhalten wird.
Die Sensorschaltung kann eine Begrenzerschaltung
aufweisen, die einer zum Ausgang des Verstärkers führenden Ausgangsleitung zugeordnet und
derart ausgestaltet ist, dass das Ausgangssignal des Verstärkers innerhalb
des Betriebsspannungsbereichs des Analog/Digital-Umsetzers gehalten
wird.
Die Begrenzerschaltung kann eine
Diode und eine Konstantspannungsquelle aufweisen, wobei die Diode
an ihren Endanschlüssen
mit der Ausgangsleitung des Verstärkers verbunden ist und die Konstantspannungsquelle
in Durchlassrichtung von der Ausgangsleitung zu der Konstantspannungsquelle
eine Konstantspannung erzeugt, die im wesentlichen mit der maximalen
Betriebsspannung des Analog/Digital-Umsetzers identisch ist.
Alternativ kann die Begrenzerschaltung
einen PNP-Transistor und eine Konstantspannungsquelle aufweisen,
wobei der PNP-Transistor über seinen
Emitter mit der Ausgangsleitung des Verstärkers und über seine Basis mit der Konstantspannungsquelle
verbunden ist und die Konstantspannungsquelle eine Konstantspannung
erzeugt, die mit der maximalen Betriebsspannung des Analog/Digital-Umsetzers im wesentlichen
identisch ist. Die Begrenzerschaltung ist hierbei derart ausgestaltet,
dass die an der Basis des PNP-Transistors auftretende Eingangsspannung
mit einem Wert identisch ist, der durch Subtraktion des Basis-Emitter-Spannungsabfalls
des PNP- Transistors
von der von der Konstantspannungsquelle erzeugten Konstantspannung
erhalten wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigen:
1 ein
Schaltbild der Schaltungsanordnung eines Gaskonzentrationsmessgeräts gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
2 eine
Querschnittsansicht eines Sensorelements, das bei dem Gaskonzentrationsmessgerät gemäß 1 Verwendung findet,
3 ein
Beispiel für
ein Klemmenspannungs-Ausgangsstrom-Kennlinienfeld,
das bei der Bestimmung einer an das Sensorelement gemäß 2 anzulegenden Sollspannung
Verwendung findet,
4 eine
grafische Darstellung der Beziehung zwischen einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem
von dem Sensorelement gemäß 2 erzeugten Strom,
5 ein
Schaltbild einer ersten Modifikation einer Sensorsteuerschaltung,
6 ein
Schaltbild einer zweiten Modifikation einer Sensorsteuerschaltung,
7 ein
Schaltbild der Schaltungsanordnung einer Sensorsteuerschaltung eines
Gaskonzentrationsmessgeräts
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
8 ein
Schaltbild der Schaltungsanordnung einer Sensorsteuerschaltung eines
Gaskonzentrationsmessgeräts
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
9 ein
Schaltbild der Schaltungsanordnung einer Sensorsteuerschaltung eines
Gaskonzentrationsmessgeräts
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
10 ein
Schaltbild einer dritten Modifikation der Sensorsteuerschaltung,
11 ein
Schaltbild einer vierten Modifikation der Sensorsteuerschaltung,
12 eine
Querschnittsansicht einer ersten Modifikation des Sensorelements,
13 ein
Schaltbild einer Sensorsteuerschaltung, die bei dem Sensorelement
gemäß 12 Verwendung findet,
14 ein
Schaltbild einer Modifikation der Sensorsteuerschaltung, die bei
dem Sensorelement gemäß 12 Verwendung finden kann,
15 eine
Querschnittsansicht einer zweiten Modifikation des Sensorelements,
16 ein
Schaltbild eines Beispiels für
eine Sensorsteuerschaltung des Standes der Technik, und
17 ein
Schaltbild eines weiteren Beispiels für eine Sensorsteuerschaltung
des Standes der Technik.
In den Zeichnungen, in denen gleiche
Bezugszahlen bzw. Bezugszeichen gleiche Bauelemente und Bauteile
bezeichnen, ist insbesondere in 1 ein
Gaskonzentrationsmessgerät
veranschaulicht, dass zur Messung der ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis angebenden
Konzentration von Sauerstoff (O2) in den
Abgasemissionen der Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ausgestaltet
ist. Die gemessene Konzentration wird dann im Rahmen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelsystems
verwendet, das aus einer elektronischen Motorsteuereinheit ECU und
dergleichen besteht. Das Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelsystem dient zur
Durchführung einer
stöchiometrischen
Verbrennungsregelung, bei der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis im
geschlossenen Regelkreis auf Werte in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eingeregelt wird, sowie zur Durchführung einer sog. Magerregelung, bei
der das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
im geschlossenen Regelkreis auf einen vorgegebenen Magerbereich
eingeregelt wird. Das Gaskonzentrationsmessgerät ist zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
in einem weiten Bereich von einer brennstoffangereicherten Zone
(mit z.B. dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11) bis zu einer
atmosphärischen
Zone (d.h., einer brennstofffreien Zone) ausgestaltet, um zunehmend
verschärfte
Emissionsvorschriften und/oder On-Board-Diagnosevorschriften (OBD-Vorschriften)
zu erfüllen,
oder um einen üblicherweise
im Abgassystem von mit Magerregelung betriebenen Brennkraftmaschinen
angeordneten NOx-Okklusions/Reduktionskatalysator
von NOx-Emissionen zu befreien und das Ausmaß der Verschmutzung bzw. Vergiftung
des NOx-Okklusions/Reduktionskatalysators durch den im Brennstoff
enthaltenen Schwefel minimal zu halten.
Das Gaskonzentrationsmessgerät umfasst einen
Mikrocomputer 20, eine Sensorsteuerschaltung 30 und
einen (nachstehend als Luft/Kraftstoff-Sensor bezeichneten) Sauerstoffsensor
10,
der zur Erzeugung eines Stromsignals als Funktion der Konzentration
von Sauerstoff in Abgasemissionen dient, die in eine in dem Luft/Kraftstoff-Sensor 10 ausgebildete
Gaskammer geführt
worden sind.
Der Luft/Kraftstoff-Sensor
10 umfasst
ein laminiertes Sensorelement
10, das den in
2 dargestellten Sektions- bzw. Schichtaufbau
aufweist. Die Längsabmessungen
des Sensorelements
10 verlaufen in
2 senkrecht zur Zeichenebene, wobei das Sensorelement
10 in
einem Sensorgehäuse
angeordnet und von einer Schutzschicht umgeben ist. Dieser Luft/Kraftstoff-Sensor
10 ist
im Abgasrohr der Brennkraftmaschine angeordnet. Der Aufbau sowie die
betriebliche Steuerung eines Gassensors dieser Art ist im einzelnen
z.B. aus der
EPO 987
546 A2 der Anmelderin bekannt, auf deren Offenbarung Bezug genommen
wird.
Das Sensorelement 10 besteht
aus einer Festelektrolytschicht 11, einer Diffusionswiderstandsschicht 12,
einer Abschirm- oder Deckschicht 13 sowie einer Isolierschicht 14,
die gemäß 2 in Form einer vertikalen
Schichtanordnung laminiert sind. Das Sensorelement 10 ist
mit einer (nicht dargestellten) Schutzschicht umgeben. Die Festelektrolytschicht 11 besteht
aus einem rechteckigen teilstabilisierten Zirkondioxidblatt, an
dessen Oberflächen eine
obere Elektrode 15 und eine untere Elektrode 16 einander
gegenüber
liegend angeordnet sind. Die Diffusionswiderstandsschicht 12 besteht
aus einem porösen
Blatt, das das Hindurchströmen
von Abgasen zur Elektrode 15 erlaubt. Die Abschirmschicht 13 besteht
aus einem kompakten Blatt, das das Hindurchtreten von Abgasen verhindert.
Die Schichten 12 und 13 werden jeweils unter Verwendung
eines Blatts aus einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid, Spinell oder
Zirkondioxid gebildet und besitzen im Vergleich zueinander eine
unterschiedliche mittlere Porosität bzw. Gasdurchlässigkeit.
Die Isolierschicht 14 besteht
aus einem hitzebeständigen
nichtleitenden Hochtemperatur-Werkstoff wie einem Keramikmaterial,
in dem ein Luftkanal 17 ausgebildet ist, in welchem die
Elektrode 16 angeordnet ist. Die Isolierschicht 14 ist
außerdem
mit einem eingebetteten Heizelement 18 versehen. Das Heizelement 18 besteht
aus einem Heizdraht, der von einer Speicherbatterie des Fahrzeugs
zur Erwärmung
des gesamten Sensorelements 10 auf eine gewünschte Aktivierungstemperatur
mit Strom versorgt wird.
Die durch das Abgasrohr der Brennkraftmaschine
mit dem darin angeordneten Sensorelement 10 strömenden Abgase
treten seitlich durch die Diffusionswiderstandsschicht 12 hindurch
und erreichen die Elektrode 15. Bei mageren Abgasen werden
die in den Abgasen enthaltenen Sauerstoffmoleküle durch die Elektrode 15 aufgespalten
oder ionisiert, sodass sie über
die Elektrode 16 in den Luftkanal 17 abgeführt werden.
Wenn die Abgase dagegen fetter als ein vorgegebener Wert sind, werden
die in der im Luftkanal 17 befindlichen Luft enthaltenen
Sauerstoffmoleküle
von der Elektrode 16 ionisiert, sodass sie über die
Elektrode 15 in das Abgasrohr abgeführt werden.
3 zeigt
die Spannungs-Strom-Abhängigkeit
(d.h., ein V-I-Kennlinienfeld)
des Luft/Kraftstoff-Sensors. Die parallel zur Abszisse (d.h., der V-Achse)
verlaufenden gradlinigen Kennlinienabschnitte bezeichnen Grenzstrombereiche,
in denen das Sensorelement 10 einen elektrischen Strom (d.h.,
einen Grenzstrom) als Funktion des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses
(d.h., der Anreicherung oder Abmagerung des Luft/Kraftstoff-Gemisches)
erzeugt. Wenn hierbei das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in den mageren Bereich übergeht,
steigt der vom Sensorelement 10 erzeugte Strom an, während bei
einem Übergang
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
in den fetten Bereich der von dem Sensorelement 10 erzeugte Strom
abfällt.
Eine Kennlinie LX1 bezeichnet eine an das Sensorelement 10 (d.h.,
die Elektroden 15 und 16) anzulegende Sollspannung.
Hierbei entspricht die Steigung der Kennlinie LX1 im wesentlichen
der Steigung einer widerstandsabhängigen Kennlinie, wie dies
auf der linken Seite der Zeichnung veranschaulicht ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Bereich
vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis
zu dem in der Umgebungsluft vorliegenden Luft/Kraftstoff-Verhältnis (d.h.,
dem Umgebungsluftverhältnis) als
Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses festgelegt. Das Sensorelement 10 ist
dahingehend ausgestaltet, dass bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 ein
Strom von – 1,3
mA erzeugt wird, während
ein Strom von 2,5 mA erzeugt wird, wenn die Abgase Luft entsprechen.
Wie in der Beschreibungseinleitung bereits dargelegt ist, entsprechen
diese Stromwerte 1/10 der von dem becherförmigen Luft/Kraftstoff-Sensor
erzeugten Ströme.
4 veranschaulicht
in Form einer Kennlinie die Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und
dem vom Sensorelement 10 erzeugten Strom I. Die Kennlinie
zeigt, dass bei einer Verschiebung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
zur mageren Seite hin die Stromänderung
je Einheit des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses (d.h., die Steigung
der Kennlinie) abnimmt. Wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis
im Bereich des stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
(14,5) liegt, wird eine Stromänderung
von 0,2 mA erhalten, die einem Luft/Kraftstoff-Verhältnis von 1
entspricht und annähernd
1/10 der Stromänderung bei
dem becherförmigen
Luft/Kraftstoff-Sensor beträgt.
Es sei nun wieder auf 1 Bezug genommen, gemäß der das
vorstehend beschriebene Gaskonzentrationsmessgerät den Mikrocomputer 20 und die
Sensorsteuerschaltung 30 aufweist und die Bestimmung des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
und der Impedanz Zac des Sensorelements 10 (die nachstehend
auch als Sensorelementimpedanz bezeichnet wird) auf der Basis des
Ausgangssignals des Sensorelements 10 herbeigeführt wird.
Der Mikrocomputer 20 besteht
aus einer eine Zentraleinheit CPU, Speicher, Analog/Digital-Umsetzer,
eine E/A-Schnittstelle
usw. umfassenden Recheneinheit, die über die Analog/Digital-Umsetzer von
der Sensorsteuerschaltung 30 als Funktion des Ausgangssignals
des Sensorelements 10 erzeugte analoge Stromsignale erhält und das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
sowie die Sensorelementimpedanz Zac berechnet. Die Analog/Digital-Umsetzer
besitzen z.B. eine Quantisierung bzw. ein Auflösungsvermögen von 10 Bits und arbeiten
in einem Bereich von 0 bis 5 V. Der vom Mikrocomputer 20 berechnete Luft/Kraftstoff-Verhältniswert
wird einer (nicht dargestellten) elektronischen Motorsteuereinheit
ECU zugeführt,
um im Rahmen einer im geschlossenen Regelkreis erfolgenden Regelung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
Verwendung zu finden.
Die Sensorsteuerschaltung 30 umfasst
einen Operationsverstärker 31,
einen Strommesswiderstand 32, eine Bezugsspannungsquelle 33,
einen Operationsverstärker 34,
eine Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 sowie
Operationsverstärker
(Differenzverstärker) 36 und 37.
Die Bezugsspannungsquelle 33 ist mit dem positiven (+)
Anschluss des Sensorelements 10 über den Operationsverstärker 31 und
den Strommesswiderstand 32 verbunden, während die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 mit
dem negativen (-) Anschluss des Sensorelements 10 über den
Operationsverstärker 34 verbunden
ist. Die an einem mit einem Endanschluss des Widerstands 32 verbundenen
(und nachstehend auch als erster Anschluss bezeichneten) Verbindungspunkt
A auftretende Spannung wird auf einem mit der Bezugsspannung Vf
identischen Wert gehalten. Der Sensorelementstrom (d.h., das Ausgangssignal
des Sensorelements 10) fließt über den Strommesswiderstand 32,
wodurch sich die an einem (nachstehend auch als zweiter Anschluss
bezeichneten) Verbindungspunkt B auftretende Spannung verändert. Wenn
z.B. die Abgaswerte im Magerbereich liegen, fließt der Strom vom positiven
zum negativen Anschluss des Sensorelements 10, sodass die
am zweiten Anschluss B auftretende Spannung ansteigt. Wenn dagegen
die Abgaswerte im fetten Bereich liegen, fließt der Strom vom negativen
zum positiven Anschluss des Sensorelements 10, sodass die
am zweiten Anschluss B auftretende Spannung abfällt. Die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 dient zur Überwachung
der Spannung am zweiten Anschluss B und Bestimmung einer an das
Sensorelement 10 anzulegenden Sollspannung in Abhängigkeit
von der überwachten
Spannung, indem z.B. ein Abfragevorgang unter Verwendung der in 3 veranschaulichten Sollspannungskennlinie
LX1 durchgeführt
wird. Die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 steuert
die an einem nachstehend auch als dritter Anschluss bezeichneten
Verbindungspunkt D auftretende Spannung über den Operationsverstärker 34 in
Abhängigkeit
von der Sollspannung. Wenn jedoch die Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
in einem Bereich in der Nähe
des stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts erforderlich
ist, kann die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 die
an das Sensorelement 10 anzulegende Spannung auch auf einem
festen Wert halten.
Mit dem ersten Anschluss A und dem
zweiten Anschluss B des Strommesswiderstands 32 sind jeweils
der Operationsverstärker 36 und
der Operationsverstärker 37 gekoppelt.
Das Ausgangssignal OP1 des Operationsverstärkers 36 wird einem
Analog/Digital-Umsetzer A/D0 des Mikrocomputers 20 zugeführt, während das
Ausgangssignal OP2 des Operationsverstärkers 37 einem Analog/Digital-Umsetzer
A/D1 des Mikrocomputers 20 zugeführt wird. Die Operationsverstärker 36 und 37 sind
parallel geschaltet, wobei der Operationsverstärker 36 den Verstärkungsfaktor 5 aufweist,
während
der Operationsverstärker 37 den
Verstärkungsfaktor 15 aufweist. Die
Operationsverstärker 36 und 37 werden
von der Batterie mit Strom versorgt. Die Ausgangssignale OP1 und
OP2 der Operationsverstärker 36 und 37 (d.h.,
das vom Sensorelement 10 erzeugte Stromsignal) dienen als
Bestimmungssignale zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
im Mikrocomputer 20, d.h., der Mikrocomputer 20 verwendet
die beiden Signale (d.h., die Ausgangssignale OP1 und OP2) zur Bestimmung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses.
Der Operationsverstärker 36 ist
zur Erzeugung des Ausgangssignals OP1 ausgestaltet, das eine Bestimmung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über einen
Messbereich von z.B. dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum Umgebungsluftverhältnis ermöglicht.
Der Operationsverstärker 37 ist zur
Erzeugung des Ausgangssignals OP2 ausgestaltet, das eine Bestimmung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb eines begrenzten Bereichs von z.B. dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis
zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 ermöglicht,
der das stöchiometrische
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
einschließt.
Im Rahmen der nachstehenden Beschreibung wird das Ausgangssignal
OP1 auch als Breitband-Messsignal bezeichnet, während das Ausgangssignal OP2
auch als Schmalband-Messsignal oder als Messsignal für das stöchiometrische Luft/Kraftstoff-Verhältnis bezeichnet
wird.
Der Mikrocomputer
20 lenkt
die an das Sensorelement
10 angelegte Spannung kurzzeitig
ab, um die Sensorelementimpedanz Zac als Funktion der sich hierbei
ergebenden Änderung
des von dem Sensorelement
10 erzeugten Stroms zu bestimmen. Hierbei
spricht die Spannungszuführungs-Steuerschaltung
35 auf
ein vom Mikrocomputer
20 zugeführtes Steuersignal zur Änderung
bzw. Ablenkung der an das Sensorelement
10 angelegten Spannung (d.h.,
der Spannung am Anschluss D) um einen gegebenen Betrag (von z.B.
0,3 V) in positiver und negativer Richtung an. Der Mikrocomputer
20 überwacht
die sich ergebende Spannungsänderung
am Anschluss D über
den Analog/Digital-Umsetzer A/D3.
Durch die Änderung
der Spannung am Anschluss D ändert
sich auch die Spannung am zweiten Anschluss B als Funktion der Impedanz
Zac des Sensorelements
10. Der Mikrocomputer
20 überwacht auch
die Änderung
der Spannung am zweiten Anschluss B über den Analog/Digital-Umsetzer
A/D2 und teilt die am Anschluss D auftretende Spannungsänderung ΔV durch den
Wert ΔI,
der durch Teilung der Spannungsänderung
am zweiten Anschluss B durch den Widerstandswert des Strommesswiderstands
32 erhalten
wird, um auf diese Weise die Sensorelementimpedanz Zac (= ΔV/ ΔI) zu bestimmen. Alternativ
kann die Bestimmung der Sensorelementimpedanz Zac auch erfolgen,
indem der dem Sensorelement
10 zugeführte Strom in Form eines Wechselstroms
abgelenkt und die sich hierbei ergebende Änderung des Stroms oder der
Spannung überwacht wird,
die von dem Sensorelement
10 erzeugt wird. In der am 17.
Juni 2003 veröffentlichten
US-6 578 563 B2 der
Anmelderin ist die Bestimmung der Sensorelementimpedanz Zac beschrieben,
wobei im Rahmen der nachstehenden Beschreibung auf die Offenbarung
dieser Druckschrift Bezug genommen wird.
Die Bestimmung der Sensorelementimpedanz
Zac erfolgt in regelmäßigen Zeitintervallen. Hierbei
führt der
Mikrocomputer 20 der Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 zyklisch
ein Impedanzmessbefehlssignal zu. Außerdem führt der Mikrocomputer 20 auch
eine Steuerung der dem Heizelement 18 zugeführten elektrischen
Leistung durch, um die Sensorelementimpedanz Zac auf einem gegebenen
Sollwert zu halten, damit das Sensorelement 10 in einem
gewünschten
Aktivierungszustand verbleibt, in dem ein korrektes Ausgangssignal
des Sensorelements 10 als Funktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
erzeugt wird.
Nachstehend wird näher auf
das Auflösungsvermögen der
Sensorsteuerschaltung 30 bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eingegangen.
Wie vorstehend beschrieben, liegt
der Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei dem Gaskonzentrationsmessgerät zwischen
dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und
dem Umgebungsluftverhältnis.
Hierbei sind das Sensorelement 10 und die Sensorsteuerschaltung 30 derart
ausgestaltet, dass die nachstehend beschriebenen elektrischen Kennwerte
gegeben sind. Wenn in den Abgasen das Umgebungsluftverhältnis vorliegt,
erzeugt das Sensorelement 10 einen Strom von 2,5 mA. Bei dem
Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 erzeugt
das Sensorelement 10 einen Strom von – 1,3 mA. Bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 erzeugt
das Sensorelement 10 einen Strom von – 0,79 mA. Bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 erzeugt
das Sensorelement 10 einen Strom von 0,884 mA. Die Wechselstromimpedanz
Zac beträgt
28 Ω. Die
zur Messung der Impedanz Zac erzeugte Spannungsänderung beträgt ± 0,3 V.
Der Widerstandswert des Strommesswiderstands beträgt 185 Ω, während die Bezugsspannung
Vf 2,5 V beträgt.
Die Operationsverstärker 36 und 37 werden
von der gleichen Spannungsquelle angesteuert, wobei eine Begrenzung auf
5 V erfolgt, sodass sie Ausgangssignale nur im Bereich von 0 bis
5 V abgeben.
Der Operationsverstärker 36 ist
somit dahingehend ausgestaltet, dass er einen Messbereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis
zum Umgebungsluftverhältnis
aufweist und bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses sowie des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 jeweils
das nachstehende Ausgangssignal abgibt:
OP1 = 2,5 V + 185 Ω·2, 5 mA·5 = 4,
8125 V
OP1 = 2,5 V + 185 Ω·(- 1,3
mA)·5
= 1, 2975 V
Der Operationsverstärker 37 ist
dagegen dahingehend ausgestaltet, dass er einen Messbereich vom
Luft/Kraftstoff-Verhältniswert
12 bis zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 aufweist
und bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 bzw.
dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 jeweils
das nachstehende Ausgangssignal abgibt:
OP2 = 2,5 V + 185 Ω·0,884
mA·15
= 4,9531 V
OP2 = 2,5 V + 185 Ω·(- 0,79 mA)·15 = 0,30775
V
Innerhalb des vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert
11 bis zum Umgebungsluftverhältnis
reichenden Messbereichs liegt somit das Ausgangssignal OP1 des Operationsverstärkers 36 innerhalb
des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5V) des Analog/Digital-Umsetzers
A/D0. Der Operationsverstärker 36 ist somit
in der Lage, ein Ausgangssignal abzugeben, das genau innerhalb des
größeren bzw.
breiteren Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses liegt. Innerhalb des
vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis
zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 reichenden Messbereichs
liegt das Ausgangssignal OP2 des Operationsverstärkers 37 innerhalb
des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5V) des Analog/Digital-Umsetzers
A/D1. Der Operationsverstärker 37 ist somit
in der Lage, ein Ausgangssignal abzugeben, das genau innerhalb des
im Bereich des stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
definierten begrenzten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
liegt.
Wenn die Analog/Digital-Umsetzer
A/D0 und A/D1 jeweils von einem 10 Bit-Analog/Digital-Umsetzer gebildet
werden, lässt
sich die Messwertauflösung
in dem Bereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum
Umgebungsluftverhältnis
numerisch folgendermaßen
ausdrücken:
(4,8125 – 1,2975)/5
V·1024
= 720
Es zeigt sich somit, dass die Messwertauflösung des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
den 5-fachen Wert (720/144 = 5) der bei der bekannten Schaltungsanordnung
gemäß 16 erzielbaren Messwertauflösung aufweist.
Wenn die dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 1 in
der Nähe
des stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
entsprechende Stromänderung 0,2
mA beträgt,
ergibt sich eine Messwertauflösung des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
von
0,2 mA·185 Ω·15/5 V·1024 =
114
Hierbei entspricht die Auflösung einem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert
von 0,009/Bit geringster Wertigkeit, womit eine zur Erzielung einer
Regelung mit hoher Auflösung
in der Nähe
des stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
erforderliche Bedingung erfüllt
ist, die darin besteht, dass die Auflösung hier z.B. unter einem
Luft/Kraftstoff-Verhältniswert
von 0,01 liegen sollte.
Die Sensorelementimpedanz Zac wird
in der vorstehend beschriebenen Weise unter Verwendung der an dem
zweiten Anschluss B und dem Anschluss D gemäß 1 auftretenden Spannungsänderungen
bestimmt. Die Sensorsteuerschaltung 30 ist derart ausgestaltet,
dass die am Anschluss B und am Anschluss D bei der Bestimmung der
Impedanz Zac auftretenden Spannungen innerhalb des Betriebsspannungsbereichs
(0 bis 5V) der Analog/Digital-Umsetzer
A/D2 und A/D3 liegen. Wenn in den Abgasen bei der Messung der Impedanz
Zac das Umgebungsluftverhältnis
bzw. der Luft/Kraftstoff-Verhältniswert
11 vorliegt, nimmt die am zweiten Anschluss B auftretende Spannung
jeweils den nachstehend wiedergegebenen Wert an, der sich aus der
Spannungsänderung
am Anschluss D in positiver Richtung ergibt und unter der maximalen
Betriebsspannung des Analog/Digital-Umsetzers A/D2 liegt:
Spannung
an B = 2,9625 V + 185 Ω·(0,3 V/28 Ω) = 4,9446
V
Spannung an B = 2,2595 V + 185 Ω·(0,3 V/28 Ω) = 4,2416
V
Wenn die am Anschluss B auftretende
Spannung in negativer Richtung verändert wird und eine entsprechende
Spannungsänderung
am Anschluss D in negativer Richtung auftritt, nimmt die Spannung am
Anschluss B den nachstehenden Minimalwert an (bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11):
Spannung
an B = 2,2595 V + 185 Ω·(- 0,3
V/28 Ω)
= 0,2774 V
Wenn die am Anschluss D auftretende
Spannung zur Messung der Impedanz Zac in positiver und negativer
Richtung abgelenkt wird, liegt somit die sich ergebende, am Anschluss
B auftretende Spannung innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis
5V) des Analog/Digital-Umsetzers
A/D2. Dies ermöglicht
eine Messung der Impedanz Zac mit hoher Auflösung.
Das Gaskonzentrationsmessgerät gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
besitzt somit die nachstehend zusammengefassten vorteilhaften Eigenschaften.
Das von dem Sensorelement 10 erzeugte und über den
Strommesswiderstand 32 geführte Stromsignal wird von den
unterschiedliche Verstärkungsfaktoren
aufweisenden Operationsverstärkern 36 und 37 verstärkt und
sodann dem Mikrocomputer 20 über die Analog/Digital-Umsetzer
A/DO und A/D1 zugeführt.
Die Pegel der den Analog/Digital-Umsetzern A/D0 und A/D1 zugeführten Signale
werden entweder in Richtung des positiven oder in Richtung des negativen
Potentials erweitert, wodurch sich eine verbesserte Auflösung bei
der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
ergibt. Die Operationsverstärker 36 und 37 sind
zwei verschiedenen Messbereichen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
zugeordnet, wodurch eine für
den jeweiligen Bereich geeignete Verstärkung ermöglicht wird, was zu einer höheren Messgenauigkeit
bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über einen gewünschten größeren Bereich
von fetten zu mageren Werten hin führt. Die Genauigkeit oder Auflösung bei
der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses kann bei jedem der
beiden Messbereiche des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses verändert werden.
Dieses Ausführungsbeispiel des Gaskonzentrationsmessgeräts eignet
sich insbesondere für eine
Verwendung in Verbindung mit einem laminierten Sensorelement. Bei
dem vorstehend beschriebenen laminierten Aufbau des Sensorelements 10 tritt nämlich bei
der Messung der Impedanz Zac eine größere Stromänderung im Sensorelement 10 als
bei der Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf, was eine Unsymmetrie
des Stroms zur Folge hat. Auch in diesem Fall kann jedoch mit Hilfe
dieses Ausführungsbeispiels
des Gaskonzentrationsmessgeräts
die gewünschte
Auflösung
bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses in jedem der Messbereiche
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
aufrecht erhalten werden.
Der Operationsverstärker 37 für den begrenzten
Messbereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis zum
Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 20,
der innerhalb des Breitband-Messbereichs vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert
11 bis zum Umgebungsluftverhältnis
liegt, besitzt einen höheren
Verstärkungsfaktor,
wodurch ein verbessertes Auflösungsvermögen bei
der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
in dem begrenzten Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
erhalten wird. Da der begrenzte Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
das stöchiometrische
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
einschließt,
ergibt sich insbesondere in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eine höhere
Messwertauflösung,
wodurch eine stöchiometrische
Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit hohem Auflösungsvermögen ermöglicht wird.
Bei Verwendung des Operationsverstärkers 37 mit
dem Verstärkungsfaktor 15 nimmt
dessen Ausgangssignal OP2 bei Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses
bzw. des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts
11 jeweils den folgenden Wert an:
OPi = 2,5 V + 185 Ω·2, 5 mA·15 = 9,
4375 V
OP2 = 2,5 V + 185 Ω·(- 1,
3 mA)·15
= 1, 1075 V
Diese Werte liegen außerhalb
des Betriebsspannungsbereichs von 0 bis 5 V des Analog/Digital-Umsetzers
A/D1. Der Operationsverstärker 37 wird
von der im Fahrzeug angeordneten Batterie mit Strom versorgt, sodass
er keine negative Spannung abgeben kann. Zur Vermeidung dieses Problems weist
dieses Ausführungsbeispiel
des Gaskonzentrationsmessgeräts
zwei Messkanäle
für das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
auf. Der Operationsverstärker 37 dient
daher zur Aufrechterhaltung eines hohen Auflösungsvermögens bei der Bestimmung des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb des begrenzten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses,
während der
Operationsverstärker 36 zur
Aufrechterhaltung eines hohen Auflösungsvermögens innerhalb eines Bereichs
dient, der sich über
den von dem Operationsverstärker 37 verarbeiteten
begrenzten Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses hinaus erstreckt.
Die Sensorsteuerschaltung 30 kann
in der in 5 oder in 6 veranschaulichten Weise
modifiziert werden. Hierbei sind die Verbindungen des Anschlusses
B und des Anschlusses D mit dem Mikrocomputer 20 mit den
Verbindungen gemäß 1 identisch, sodass sie
in diesen Figuren nicht enthalten sind.
Während
bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 die zwischen den Anschlüssen A und
B anstehende, am Strommesswiderstand 32 abfallende Potentialdifferenz
von den Operationsverstärkern 36 und 37 jeweils
verstärkt
wird, sind bei der Schaltungsanordnung gemäß 5 die Operationsverstärker 36 und 37 zur
Verstärkung
der Potentialdifferenz zwischen der Bezugsspannung Vf und der am Anschluss
B auftretenden Spannung ausgestaltet. Hierbei ist die am Anschluss
A auftretende Spannung mit der Referenzspannung Vf identisch. Die
Sensorschaltung 30 ist daher dahingehend ausgestaltet, dass
die Referenzspannung Vf den Operationsverstärkern 36 und 37 über den
Operationsverstärker 38 zugeführt wird.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 1 werden die Ausgangssignale
der Operationsverstärker 36 und 37 auf
den Anschluss A rückgekoppelt, sodass
Rückkopplungsströme über den
Strommesswiderstand 32 fließen, was zu einem Fehler bei
der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führen kann. Bei der Schaltungsanordnung
gemäß 5 ist daher der Operationsverstärker 38 im
Stromrückkopplungskreis
zur Unterdrückung
der Rückkopplungsströme der Operationsverstärker 36 und 37 angeordnet,
wodurch der vorstehend beschriebene Fehler beseitigt und die gewünschte Auflösung bzw. Genauigkeit
bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses aufrecht erhalten
wird. Üblicherweise
wird die Bezugsspannung Vf durch eine an zwei Widerständen abfallende
Teilspannung gebildet. In einem solchen Fall würden die Rückkopplungsströme der Operationsverstärker 36 und 37 eine
unerwünschte Änderung
der Bezugsspannung Vf zur Folge haben. Der Operationsverstärker 38 ist zur
Unterdrückung
einer solchen Spannungsänderung
im Stromrückkopplungskreis
angeordnet. Wenn jedoch die Bezugsspannung Vf primär gebildet
und z.B. von einer Spannungsquelle abgegeben wird, kann der Operationsverstärker 38 in
der Sensorsteuerschaltung 30 entfallen.
Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß 6 umfasst einen Schalter 39,
der zwischen dem Anschluss B und den Operationsverstärkern 36 und 37 angeordnet
ist. Der Schalter 39 wird abgeschaltet bzw. geöffnet, wenn
die Messung der Impedanz Zac erfolgen soll. Die zur Messung der
Impedanz Zac erfolgende Ablenkung der an das Sensorelement 10 angelegten
Spannung führt
nämlich
zu einer Änderung
des über
den Strommesswiderstand 32 fließenden Stroms, was eine unerwünschte Änderung
der Ausgangssignale der Operationsverstärker 36 und 37 zur
Folge hat, die wiederum zu einem Fehler bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses führt. Wenn
somit die Messung der Impedanz Zac erfolgen soll, wird der Schalter 39 zur
Vermeidung eines solchen Fehlers geöffnet.
Weiterhin kann die Sensorsteuerschaltung 30 einen
Kondensator 40 aufweisen, der den Pegel des von dem Sensorelement 10 unmittelbar
vor der Öffnung
des Schalters 39 d.h., vor der Messung der Impedanz Zac
erzeugten Stromsignals aufrecht erhält. Hierdurch wird die Bestimmung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
auch während
der Messung der Impedanz Zac ermöglicht.
7 zeigt
eine Sensorsteuerschaltung 30 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, die dem ersten Ausführungsbeispiel in Bezug auf
die Verwendung der beiden Kanäle
zur Ausgabe der Bestimmungssignale des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
an den Mikrocomputer 20 ähnlich ist, jedoch das unterschiedliche
Merkmal aufweist, dass nur in einem der beiden Kanäle ein Operationsverstärker angeordnet
ist. Hierbei wird eines der von dem Sensorelement 10 erzeugten
Signale (d.h., das dem Analog/Digital-Umsetzer A/D0 gemäß 1 zugeführte Breitband-Messsignal)
direkt dem Mikrocomputer 20 über den zur Bestimmung des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
in dem Breitband-Messbereich verwendeten Kanal zugeführt, während ein
weiteres Signal (d.h., das dem Analog/Digital-Umsetzer A/D1 gemäß 1 zugeführte Signal für den stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnismessbereich)
dem Mikrocomputer 20 über
einen Operationsverstärker 41 und den
zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des begrenzten
Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
verwendeten Kanal zugeführt
wird. Dieser Operationsverstärker 41 besitzt den
Verstärkungsfaktor 15.
Nachstehend wird auf das Auflösungsvermögen dieses
Ausführungsbeispiels
der Sensorsteuerschaltung 30 bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
näher eingegangen.
Der Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
liegt bei diesem Ausführungsbeispiel
der Sensorsteuerschaltung 30 wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels
zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und dem
Umgebungsluftverhältnis. Die
anderen elektrischen Kennwerte des Sensorelements 10 und
der Sensorsteuerschaltung 30 entsprechen denjenigen des
ersten Ausführungsbeispiels.
Das Breitband-Messsignal wird von
der am Anschluss B auftretenden Spannung gebildet, die bei Vorliegen
des Umgebungsluftverhältnisses
bzw. des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 jeweils
folgenden Wert annimmt:
Spannung an B = 2,5 V + 185 Ω·2,5 mA
= 2,9625 V
Spannung an B = 2,5 V + 185 Ω·(- 1,3 mA) = 2,2595 V
Der Operationsverstärker 41 ist
für einen Messbereich
von dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis
zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 ausgestaltet
und gibt ein Ausgangssignal OP3 ab, das bei dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 bzw.
dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert
11 jeweils folgenden Wert annimmt:
OP3 = 2,5 V + 185 Ω·0,884
mA·15
= 4,9531 V
OP3 = 2,5 V + 185 Ω·(- 0, 79 mA)·15 = 0,
30775 V
Das von der Sensorsteuerschaltung 30 direkt
dem Mikrocomputer 20 ohne Zwischenschaltung eines Operationsverstärkers zugeführte Signal
liegt somit innerhalb des Betriebsspannungsbereichs (0 bis 5V) des
Analog/Digital-Umsetzers A/D0, wodurch eine hohe Auflösung bei
der Bestimmung des Breitband-Messbereichs für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gewährleistet
ist. Das von der Sensorsteuerschaltung 30 über den
Operationsverstärker 41 zugeführte Signal,
d.h., das Ausgangssignal OP3, liegt ebenfalls innerhalb des Betriebsspannungsbereichs
(0 bis 5V V) des Analog/Digital-Umsetzers A/D1, wodurch ein hohes
Auflösungsvermögen bei
der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb des begrenzten Messbereichs im Bereich des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
gewährleistet
wird.
Wenn die Analog/Digital-Umsetzer
A/D0 und A/D1 jeweils von einem 10 Bit-Analog/Digital-Umsetzer gebildet
werden, lässt
sich die Messwertauflösung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb des Bereichs von dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis
zum Umgebungsluftverhältnis
in numerischer Form wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels folgendermaßen ausdrücken:
(2,9625 – 2,2595)/5
V·1024
= 144
Die Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
ist somit im wesentlichen identisch mit der Messwertauflösung der
Schaltungsanordnung gemäß 16.
Wenn die dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 1 in
der Nähe
des stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
entsprechende Stromänderung 0,2
mA beträgt,
ergibt sich eine Messwertauflösung des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
von
0,2 mA·185 Ω·15/5 V·1024 =
114
In diesem Fall ergibt sich ein Auflösungsvermögen in Werten
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses von
0,009/Bit geringster Wertigkeit, womit eine zur Erzielung einer
Regelung mit hohem Auflösungsvermögen in der
Nähe des
stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
erforderliche Bedingung erfüllt
ist, die darin besteht, dass das Auflösungsvermögen hier nicht unter z.B. einem
Luft/Kraftstoff-Verhältniswert von
0,01 liegen sollte.
Die Sensorelementimpedanz Zac wird
wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels
unter Verwendung der an den Anschlüssen B und D auftretenden Spannungsänderungen
bestimmt. Die Sensorsteuerschaltung 30 ist hierbei dahingehend
ausgestaltet, dass die an den Anschlüssen B und D bei der Bestimmung
der Impedanz Zac auftretenden Spannungen innerhalb des Betriebsspannungsbereichs
(0 bis 5V V) der Analog/Digital-Umsetzer A/D2 und A/D3 liegen.
Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
kann außerdem
in der in 5 oder in 6 veranschaulichten Weise
modifiziert werden.
Hierbei kann die Sensorsteuerschaltung
dahingehend ausgestaltet werden, dass bei ihr die Schaltungsanordnung
gemäß 5 zur Verstärkung einer
Potentialdifferenz zwischen der Bezugsspannung Vf und der am Anschluss
B auftretenden Spannung über
den Operationsverstärker 41 Verwendung findet.
Alternativ kann die Sensorsteuerschaltung 30 unter Verwendung
der Schaltungsanordnung gemäß 6 dahingehend ausgestaltet
werden, dass bei ihr der Schalter 39 und der Kondensator 40 in
dem vom Anschluss B des Strommesswiderstands 32 zu einem
Verbindungspunkt des Operationsverstärkers 41 verlaufenden
Stromkreis angeordnet und ein zu dem Analog/Digital-Umsetzer A/D0 des
Mikrocomputers 20 führender
Breitband-Messausgangskanal
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
vorgesehen sind, um die Ausgabe einer unerwünschten Änderung des über den
Strommesswiderstand 32 fließenden Stroms während der
Messung der Impedanz Zac zu vermeiden.
8 zeigt
eine Sensorsteuerschaltung 30 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet,
dass das Breitband-Messsignal über
einen Kanal ausgegeben wird, der einen Operationsverstärker 42 mit
dem Verstärkungsfaktor 5 aufweist.
Nachstehend wird näher auf
das Auflösungsvermögen dieses
Ausführungsbeispiels
der Sensorsteuerschaltung 30 bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
eingegangen.
Der Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
liegt bei diesem Ausführungsbeispiel
der Sensorsteuerschaltung 30 wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels
zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und dem
Umgebungsluftverhältnis. Die
anderen elektrischen Kennwerte des Sensorelements 10 und
der Sensorsteuerschaltung 30 entsprechen denjenigen des
ersten Ausführungsbeispiels.
Das Breitband-Messsignal in Form
des Ausgangssignals OP4 des Operationsverstärkers 42 nimmt bei
Vorliegen des Umgebungsluftverhältnisses bzw.
des Luft/Kraftstoff-Verhältniswerts 11 jeweils
folgenden Wert an:
OP4 = 2,5 V + 185 Ω·2, 5 mA·5 = 4,8125 V
OP4 = 2,5
V + 185 Ω·(- 1,35
mA)·5
= 1,2975 V
Wenn der Analog/Digital-Umsetzer
von einem 10 Bit-Analog/Digital-Umsetzer
gebildet wird, lässt
sich die Messwertauflösung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
in dem Bereich vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum
Umgebungsluftverhältnis
in numerischer Form wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausdrücken:
(4,8125 – 1,2975)/5
V·1024
= 720
Es zeigt sich somit, dass die Messwertauflösung des
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
den 5-fachen Wert (720/144 = 5) der Messwertauflösung bei der bekannten Schaltungsanordnung
gemäß 16 aufweist.
Wenn die dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 1
entsprechende Stromänderung
in der Nähe
des stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
0,2 mA beträgt,
ergibt sich eine Messwertauflösung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
von
0,2 mA·185 Ω·5/5 V·1024 =
37
In diesem Fall beträgt das Auflösungsvermögen in Luft/Kraftstoff-Verhältniswerten
0,03/Bit geringster Wertigkeit, was in der Nähe des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
ein wenig geringer als bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel,
jedoch höher
als das Auflösungsvermögen der
bekannten Schaltungsanordnung gemäß 16 ist.
Die Sensorelementimpedanz Zac wird
wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels
unter Verwendung der an den Anschlüssen B und D auftretenden Spannungsänderungen
bestimmt. Die Sensorsteuerschaltung 30 ist hierbei dahingehend
ausgestaltet, dass die an den Anschlüssen B und D bei der Bestimmung
der Impedanz Zac auftretenden Spannungen innerhalb des Betriebsspannungsbereichs
(0 bis 5V V) der Analog/Digital-Umsetzer A/D2 und A/D3 liegt.
Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß diesem
dritten Ausführungsbeispiel
kann außerdem
in der in 5 oder in 6 veranschaulichten Weise modifiziert
werden.
Hierbei kann die Sensorsteuerschaltung 30 unter
Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß 5 zur Verstärkung der Potentialdifferenz
zwischen der Bezugsspannung Vf und der Spannung am Anschluss B über den
Operationsverstärker 42 ausgestaltet
werden. Alternativ kann die Sensorsteuerschaltung 30 unter
Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß 6 durch Anordnung des Schalters 39 und
des Kondensators 40 in dem vom Anschluss B des Strommesswiderstands 32 zum
Operationsverstärker 42 verlaufenden
Stromkreis dahingehend ausgestaltet werden, dass die Ausgabe einer unerwünschten Änderung
des über
den Strommesswiderstand 32 fließenden Stroms während der
Messung der Impedanz Zac vermieden wird.
9 zeigt
eine Sensorsteuerschaltung 30 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Bei dem ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel
ist der Strommesswiderstand 32 jeweils mit dem positiven
Anschluss des Sensorelements 10 verbunden, während die
Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 mit
dem negativen Anschluss des Sensorelements 10 verbunden
ist. Die Schaltungsanordnung dieses vierten Ausführungsbeispiels ist dagegen
dahingehend ausgestaltet, dass der Strommesswiderstand 32 mit
dem negativen Anschluss des Sensorelements 10 und die Spannungszuführungs-Steuerschaltung 35 mit
dem positiven Anschluss des Sensorelements 10 verbunden sind.
Da gleiche Bezugszahlen die gleichen Bauelemente wie im Fall der
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
bezeichnen, erübrigt
sich eine erneute detaillierte Beschreibung dieser Bauelemente.
Die Schaltungsanordnung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
kann auch jeweils in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel
gemäß 7 und dem dritten Ausführungsbeispiel
gemäß 8 Verwendung finden.
Die zur Messung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
verwendete Spannung sowie die zur Messung der Impedanz Zac verwendete
Wechselspannungsänderung
werden dem positiven Anschluss des Sensorelements 10 über den
Operationsverstärker 34 zugeführt. Bei
mageren Abgasen fließt
der Strom über
den Strommesswiderstand 32 in der Richtung vom Anschluss
D zum Anschluss E, wodurch die Spannung am Anschluss E unter die
am Anschluss D auftretende Spannung abfällt. Wenn dagegen fette Abgase
vorliegen, fließt
der Strom über
den Strommesswiderstand 32 in der Richtung vom Anschluss
E zum Anschluss D, wodurch die Spannung am Anschluss E über die
am Anschluss D auftretende Spannung hinaus ansteigt. Dies hat zur
Folge, dass der Pegel des von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis abhängigen Potentials
invertiert wird, sodass Rückkopplungsströme der Operationsverstärker 36 und 37 zum Anschluss
E fließen.
Diese Rückkopplungsströme werden
von dem Operationsverstärker 31 unterdrückt, sodass
sie den über
den Strommesswiderstand 32 fließenden Strom nicht beeinflussen.
Auf diese Weise entfällt
das Erfordernis für
einen zusätzlichen
Operationsverstärker
wie den Operationsverstärker 38 gemäß 5 und 6 zur Unterdrückung der Rückkopplungsströme, wodurch
sich ein vereinfachter Schaltungsaufbau ergibt.
Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
kann auch unter Verwendung der Schaltungsanordnung gemäß 6 durch Anordnung des Schalters 39 und
des Kondensators 40 in dem vom Anschluss E zu den Operationsverstärkern 36 und 37 verlaufenden
Stromkreis dahingehend ausgestaltet werden, dass die Ausgabe einer unerwünschten Änderung
des über
den Strommesswiderstand 32 bei der Messung der Impedanz
Zac fließenden
Stroms vermieden wird.
Die Sensorsteuerschaltung 30 kann
auch in der nachstehend beschriebenen Weise modifiziert werden.
Bei den Schaltungsanordnungen gemäß den 1 und 7 kann
nämlich
eine 5 V übersteigende
und damit die Betriebsspannung des Analog/Digital-Umsetzers A/D1 überschreitende
Spannung über den
Operationsverstärker 37 oder 41 mit
dem Verstärkungsfaktor 15 abgegeben
werden, was zu einem Sperren des Analog/Digital-Umsetzers führt. Zum
Schutz des Analog/Digital-Umsetzers ist daher eine Begrenzung des
Ausgangssignals des Operationsverstärkers 37 oder 41 auf
einen in der Nähe
der maximalen Betriebsspannung des Analog/Digital-Umsetzers liegenden
Wert zweckmäßig. Eine
solche Begrenzung kann durch Verwendung von 5 V-Begrenzerschaltungen erfolgen, wie dies
nachstehend unter Bezugnahme auf 10 beschrieben
ist.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 10 sind mit den Ausgängen der
Operationsverstärker 36 und 37 Klemm-
oder Begrenzerschaltungen 51 und 52 verbunden.
Die Begrenzerschaltung 51 besteht aus Dioden 51a und 51b sowie
einem Widerstand 51c, während
die Begrenzerschaltung 52 in ähnlicher Weise aus Dioden 52a und 52b sowie
einem Widerstand 52c besteht. Die Diode 51a der
Begrenzerschaltung 51 ist mit einem Anschluss P der zu dem
Ausgabekanal für
das Breitband-Messsignal führenden
Ausgangsleitung des Operationsverstärkers 36 verbunden
und in Durchlassrichtung mit einer Konstantspannungsquelle Vcc (von
5 V, d.h., der maximalen Betriebsspannung der Analog/Digital-Umsetzer
A/D0 und A/D1 des Mikrocomputers 20) gekoppelt. Wenn der
Spannungsabfall an der Diode 51a 0,7 V beträgt, wird
die am Anschluss P auftretende Spannung auf einem Maximalwert von
5 V + 0,7 V gehalten. Die Begrenzerschaltung 52 ist in
Bezug auf ihren Aufbau mit der Begrenzerschaltung 51 identisch,
sodass sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt. Auf diese Weise werden
die Ausgangssignale der Operationsverstärker 36 und 37 auf
einen in der Nähe
der maximalen Betriebsspannung der Analog/Digital-Umsetzer A/D0
und A/D1 des Mikrocomputers 20 liegenden Wert begrenzt.
Anstelle der Begrenzerschaltungen 51 und 52 können auch
die Begrenzerschaltungen 53 und 54 gemäß 11 Verwendung finden. Die
Begrenzerschaltung 53 besteht aus einem PNP-Transistor 53a, einer
Diode 53b sowie Widerständen 53c und 53d, während die
Begrenzerschaltung 54 in ähnlicher Weise aus einem PNP-Transistor 54a,
einer Diode 54b sowie Widerständen 54c und 54d besteht.
Der Transistor 53a der Begrenzerschaltung 53 ist über seinen
Emitter mit einem Anschluss Q der mit dem Ausgabekanal für das Breitband-Messsignal verbundenen
Ausgangsleitung des Operationsverstärkers 36 und über seine
Basis mit einer Bezugsspannungs-Zuführungsschaltung verbunden,
die von einer Konstantspannungsquelle Vcc (5V), der Diode 53b und
dem Widerstand 53c gebildet wird. Die Diode 53b ist
hierbei mit der Konstantspannungsquelle Vcc in Sperrrichtung verbunden.
Wenn der Spannungsabfall an der Diode 53b 0,7 V beträgt, wird
die der Basis des Transistors 53a zugeführte Spannung auf 4,3 V gehalten.
Wenn der Emitter-Basis-Spannungsabfall
am Transistor 53a 0,7 V beträgt, wird der Anschluss Q auf
annähernd
5 V gehalten. Der Aufbau der Begrenzerschaltung 54 ist
mit dem Aufbau der Begrenzerschaltung 53 identisch, sodass
sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt. Auf diese Weise werden
die Ausgangssignale der Operationsverstärker 36 und 37 somit
auf in der Nähe
der maximalen Betriebsspannung der Analog/Digital-Umsetzer A/D0
und A/D1 des Mikrocomputers 20 liegende Werte begrenzt.
Die Sensorsteuerschaltung 30 gemäß dem ersten,
dem zweiten und dem vierten Ausführungsbeispiel
ist zwar dahingehend ausgestaltet, dass zwei Messbereiche des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses vorgesehen
sind, nämlich
der vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis
zum Umgebungsluftverhältnis
reichende Breitband-Messbereich und der vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis
zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 reichende
Schmalband-Messbereich,
jedoch können
auch drei oder mehr Messbereiche für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis vorgesehen werden.
Alternativ können
der Breitband-Messbereich und der Schmalband-Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
auch durch andere Werte als die vorstehend beschriebenen Luft/Kraftstoff-Verhältniswerte
definiert sein. So kann z.B. einer der beiden Bereiche zwischen
den Luft/Kraftstoff-Verhältniswerten 11 und 22 liegen,
während
der andere Bereich zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 und
dem Umgebungsluftverhältnis
liegt.
Zusätzlich können sich die beiden Bereiche auch
teilweise überdecken
oder voneinander getrennt sein.
Hierbei kann die Sensorsteuerschaltung 30 einen
ersten Verstärker,
der einen Verstärkungsfaktor
m aufweist und zur Erzeugung eines ersten Messsignals zur Bestimmung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb eines ersten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
dient, und einen zweiten Verstärker
umfassen, der einen Verstärkungsfaktor
n (> m) aufweist und
zur Erzeugung eines zweiten Messsignals zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb eines in Bezug auf den ersten Messbereich des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
unterschiedlichen zweiten Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
dient.
Die Sensorsteuerschaltung 30 führt bei
jedem Ausführungsbeispiel
zwar die Bestimmung der Sensorelementimpedanz Zac als Funktion der Änderung
des von dem Sensorelement 10 erzeugten und von dem Widerstand 32 gemessenen
Stroms durch, kann jedoch auch dahingehend ausgestaltet sein, dass
die von dem Sensorelement 10 erzeugte Stromänderung
oder Spannungsänderung
ohne Verwendung des Widerstands 32 gemessen wird oder kann alternativ
auch dahingehend ausgestaltet sein, dass keine Messung der Sensorelementimpedanz
Zac erfolgt.
Ferner kann die Sensorsteuerschaltung 30 auch
in Verbindung mit einem Sensorelement anderer Art als das in 2 dargestellte Sensorelement Verwendung
finden, wobei z.B. das in 12 veranschaulichte
Sensorelement 60 in Betracht gezogen werden kann. Das Sensorelement 60 umfasst
zwei Festelektrolytschichten 61 und 62. An den
einander gegenüber
liegenden Oberflächen
der Festelektrolytschicht 61 sind Elektroden 62 und 64 angebracht, während an
den einander gegenüber
liegenden Oberflächen
der Festelektrolytschicht 62 in ähnlicher Weise Elektroden 65 und 66 angebracht
sind. Die Elektroden 63, 64 und 65 sind
in der Zeichnung zwar in Form von rechten und linken separaten Elementen dargestellt,
werden in der Praxis jedoch von einer einzigen Platte mit einem
in der Zeichnung in Querrichtung verlaufenden (nicht dargestellten)
Verbindungsabschnitt gebildet.
Die Festelektrolytschicht
61 und
die Elektroden
63 und
64 bilden die sog. Pumpzelle
71,
während die
Festelektrolytschicht
62 und die Elektroden
65 und
66 eine
Sauerstoffsensorzelle
72 bilden. Das Sensorelement
60 umfasst
außerdem
eine Gaseinlassöffnung
67, über die
Abgase der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eintreten, sowie
eine poröse
Diffusionsschicht
68, einen Luftkanal
69 und ein Heizelement
70.
Der Aufbau und die Wirkungsweise eines Sensorelements dieser Art
sind z.B. in der
US 6
295 862 B1 der Anmelderin beschrieben, auf deren Offenbarung
im Rahmen der nachstehenden Beschreibung Bezug genommen wird.
Das an der Elektrode 66 der
Sauerstoffsensorzelle 72 auftretende Potential wird dem
negativen (-) Eingang eines Vergleichers 82 zugeführt. Der
positive (+) Eingang des Vergleichers 82 wird mit einer Bezugsspannung
Vref beaufschlagt. Zwischen der Elektrode 63 der Pumpzelle 71 und
dem Ausgang des Vergleichers 82 ist ein Strommesswiderstand 83 angeordnet.
Das Sensorelement 60 gibt elektrische Signale als Sensorausgangssignale über Anschlüsse A und
B ab, die mit den Endanschlüssen
des Widerstands 83 verbunden sind.
Die Sauerstoffsensorzelle 72 erzeugt
eine Quellenspannung (EMK) mit zwei diskreten Werten (von z.B. 0
V und 0,9 V) in Abhängigkeit
davon, ob sich der jeweilige Abgaszustand auf der fetten Seite oder
der mageren Seite des stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
befindet. Wenn der Abgaszustand im mageren Bereich liegt, erzeugt
die Sauerstoffsensorzelle 72 eine niedrigere Quellenspannung
(EMK), sodass der Pegel des Ausgangssignals des Vergleichers 82 (d.h.,
die am Anschluss B auftretende Spannung) ansteigt. Dies hat zur
Folge, dass über
den Strommesswiderstand 83 ein Strom in der Richtung vom
Anschluss B zum Anschluss A fließt. Wenn dagegen der Abgaszustand
im fetten Bereich liegt, erzeugt die Sauerstoffsensorzelle 72 eine
höhere
Quellenspannung (EMK), sodass der Pegel des Ausgangssignals des
Vergleichers 82 (d.h., die am Anschluss B auftretende Spannung)
abfällt.
Dies hat zur Folge, dass über
den Strommesswiderstand 83 ein Strom in der Richtung vom
Anschluss A zum Anschluss B fließt. Die Sauerstoffsensorzelle 72 wird
in diesem Zusammenhang auch als Quellenspannungszelle oder Sauerstoffkonzentrations-Messzelle
bezeichnet.
13 zeigt
eine Sensorsteuerschaltung 80 mit einem Luft/Kraftstoff-Sensor,
bei dem das Sensorelement 60 gemäß 12 Verwendung findet.
Die Sensorsteuerschaltung 80 umfasst
eine Bezugsspannungsquelle 81, Operationsverstärker 82, 85 und 86 sowie
eine Bezugsspannungs-Generatorschaltung 84. Die Bezugsspannungsquelle 81 ist mit
einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Sauerstoffsensorzelle 72 und
der Pumpzelle 71 gekoppelt. Hierbei bilden die Sauerstoffsensorzelle 72 und die
Pumpzelle 71 zusammen mit dem Operationsverstärker 82 und
dem Widerstand 83 einen geschlossenen Stromkreis bzw. Regelkreis.
Die Bezugsspannungs-Generatorschaltung 84 dient zum Anlegen
einer Bezugsspannung Vref (von z.B. 0,45 V) an den nichtinvertierenden
Eingang (+) des Operationsverstärkers 82.
Bei mageren Abgasen fließt
der Strom in der vorstehend beschriebenen Weise in der Richtung vom
Anschluss B zum Anschluss A über
den Strommesswiderstand 83. Bei fetten Abgasen fließt dagegen
der Strom in der Richtung vom Anschluss A zum Anschluss B über den
Strommesswiderstand 83. Die Sensorsteuerschaltung 80 umfasst
außerdem
einen (nicht dargestellten) Rückkopplungskreis,
der die an die Pumpzelle 71 angelegte Spannung derart steuert,
dass die Ausgangsspannung der Sauerstoffsensorzelle 72 auf
einen Sollwert eingeregelt wird. Die Regelung ist an sich bekannt,
sodass sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt.
Der Operationsverstärker 85 besitzt
den Verstärkungsfaktor 5 und
ist mit den Anschlüssen
A und B des Widerstands 83 verbunden. Der Operationsverstärker 85 dient
zur Erzeugung des Breitband-Messsignals, das zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb des z.B. vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum
Umgebungsluftverhältnis
reichenden Breitband-Messbereichs (d.h., innerhalb des gesamten
Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses) Verwendung findet. Der
Operationsverstärker 86 besitzt
den Verstärkungsfaktor 15 und
ist mit den Anschlüssen
A und B des Widerstands 83 verbunden. Der Operationsverstärker 86 dient
zur Erzeugung des Messsignals für den
stöchiometrischen
Luft/Kraftstoff-Messbereich, das
zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb
des z.B. vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis
zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 reichenden
und das stöchiometrische
Luft/Kraftstoff-Verhältnis einschließenden Schmalband-Messbereichs
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
Verwendung findet.
Mit Hilfe der Sensorsteuerschaltung 80 lässt sich
wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels der
Vorteil erzielen, dass die Messwertauflösung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über den
gesamten Messbereich von Luft/Kraftstoff-Verhältniswerten hinweg verbessert
wird.
Bei der Sensorsteuerschaltung 80 verändern sich
die beiden an den Anschlüssen
A und B auftretenden Spannungen. In 14 ist
eine Schaltungsanordnung veranschaulicht, die dahingehend ausgestaltet
ist, dass die an einem der Anschlüsse A und B auftretende Spannung
auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Bei der Sensorsteuerschaltung 90 wird
eine mit einer Referenzspannung Vf1 (von z.B. 3 V) identische Spannung
an den gemeinsamen Anschluss der Pumpzelle 71 und der Sauerstoffsensorzelle 72 über einen
Operationsverstärker 93 angelegt.
Die am Anschluss B auftretende Spannung wird daher auf 3 V gehalten.
Die Sensorsteuerschaltung 90 umfasst ebenfalls einen aus
der Sauerstoffsensorzelle 72, einer Rückkopplungsschaltung 91 und
einem Strommesswiderstand 92 bestehenden geschlossenen Stromkreis
bzw. Regelkreis. Die Rückkopplungsschaltung 91 ist
hierbei zur Erzeugung einer Referenzspannung Vf2 von z.B. 2,55 V
ausgestaltet.
Nachstehend wird die Wirkungsweise
der Sensorsteuerschaltung 90 anhand eines Beispiels näher beschrieben,
bei dem davon ausgegangen wird, dass fette Abgase vorliegen.
Wenn fette Abgase vorliegen, erzeugt
die Sauerstoffsensorzelle 72 eine Quellenspannung (EMK)
und hebt hierdurch die Spannung am Anschluss C1 auf bis zu 3,45
V an, sodass das Potential am Anschluss C2 der Rückkopplungsschaltung 91 abfällt. Dies
führt wiederum
zu einem Anstieg des Ausgangssignals der Rückkopplungsschaltung 91 und
damit der Spannung am Anschluss A. Der Strom fließt somit
in der Richtung vom Anschluss A zum Anschluss B über den Strommesswiderstand 83.
Wenn dagegen magere Abgase vorliegen, fließt der Strom in der Richtung
vom Anschluss B zum Anschluss A über
den Strommesswiderstand 83.
Die Sensorsteuerschaltung 90 umfasst
außerdem
Operationsverstärker 94 und 95,
die mit den Anschlüssen
A und B des Strommesswiderstands 92 verbunden sind. Der
Operationsverstärker 94 besitzt den
Verstärkungsfaktor 5 und
dient zur Erzeugung des Breitband-Messsignals, das zur Bestimmung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb des z.B. vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 11 bis zum
Umgebungsluftverhältnis
reichenden Breitband-Messbereichs des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
(d.h., dem Gesamtbereich der Luft/Kraftstoff-Verhältniswerte) Verwendung
findet. Der Operationsverstärker 95 besitzt
den Verstärkungsfaktor 15 und
dient zur Erzeugung des Messsignals für den stöchiometrischen Luft/Kraftstoff-Messbereich,
das zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses innerhalb des z.B.
vom Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 12 bis
zum Luft/Kraftstoff-Verhältniswert 22 reichenden
und das stöchiometrische
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
einschließenden Schmalband-Messbereichs
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
Verwendung findet.
Mit Hilfe der Sensorsteuerschaltung 90 lässt sich
wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels der
Vorteil erzielen, dass eine höhere
Messwertauflösung
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses über den
Gesamtbereich der Luft/Kraftstoff-Verhältniswerte
hinweg erhalten wird.
In 15 ist
ein weiteres Sensorelement 100 veranschaulicht, das bei
jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des Gaskonzentrationsmessgeräts Verwendung
finden kann.
Das Sensorelement 100 umfasst
drei Festelektrolytschichten 101, 102 und 103.
An den einander gegenüber
liegenden Oberflächen
der Festelektrolytschicht 101 sind Elektroden 104 und 105 angebracht, während an
den einander gegenüber
liegenden Oberflächen
der Festelektrolytschicht 102 in ähnlicher Weise Elektroden 106 und 107 angebracht
sind. Die Festelektrolytschicht 101 und die Elektroden 104 und 105 bilden
zusammen eine Pumpzelle 111, während die Festelektrolytschicht 102 und
die Elektroden 106 und 107 eine Sauerstoffsensorzelle 112 bilden. Die
Festelektrolytschicht 103 bildet eine Wand, in der eine
Sauerstoff-Referenzkammer 108 ausgebildet ist. Das Sensorelement 100 ist
wie das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel in Form einer Schichtanordnung
aufgebaut und umfasst außerdem eine
poröse
Diffusionsschicht 109 sowie eine Gaskammer 110,
in die die Abgase der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eintreten.
Die Wirkungsweise der Sauerstoffsensorzelle 112 entspricht
der Wirkungsweise der Sauerstoffsensorzelle 72 gemäß 12.
Das an der Elektrode 107 der
Sauerstoffsensorzelle 112 auftretende Potential wird dem
negativen (-) Eingang eines Vergleichers 113 zugeführt, während dem
positiven (+) Eingang des Vergleichers 113 eine Bezugsspannung
Vref zugeführt
wird. Zwischen der Elektrode 104 der Pumpzelle 111 und
dem Ausgang des Vergleichers 113 ist ein Strommesswiderstand 114 angeordnet.
Das Sensorelement 100 gibt elektrische Signale als Sensorausgangssignale über Anschlüsse A und
B ab, die mit den Endanschlüssen
des Widerstands 114 verbunden sind.
Die Zweizellen-Sensorelemente 60 und 100 gemäß den 12 und 15 sind zur Steuerung der an die Sauerstoffsensorzellen 72 und 112 angelegten Spannung
für eine
in einem Zyklus erfolgende Messung des Innenwiderstands der Sauerstoffsensorzellen 72 und 112 ausgestaltet.
Wenn z.B. bei dem Sensorelement 100 ein Innenwiderstands-Messzyklus einsetzt,
wird die Sauerstoffsensorzelle 112 zur Erzeugung eines
vorgegebenen Stroms angesteuert, was zu einer Änderung der Spannung an der
Sauerstoffsensorzelle 112 in Abhängigkeit von deren Innenwiderstand
führt.
Die Sensorsteuerschaltung 30 überwacht diese Spannungsänderung
zur Bestimmung des Innenwiderstands der Sauerstoffsensorzelle 112.
Hierbei steuert die Sensorsteuerschaltung 30 die Sauerstoffsensorzelle 112 zur
Erzeugung eines Konstantstroms mit umgekehrter Polarität zu der in
der Sauerstoffsensorzelle 112 auftretenden Quellenspannung
(EMK) für
eine vorgegebene Zeitdauer an und misst die Änderung der an der Sauerstoffsensorzelle 112 auftretenden
Spannung. Die Sensorsteuerschaltung 30 kann auch in ähnlicher
Weise eine an der Pumpzelle 111 auftretende Spannungsänderung
zur Bestimmung des Innenwiderstands der Pumpzelle 111 messen.
Nach Beendigung der Messung des Innenwiderstands kann die Sensorsteuerschaltung 30 einen
Strom mit der umgekehrten Polarität in Bezug zu dem zur Messung
des Innenwiderstands erzeugten Strom für eine vorgegebene Zeitdauer
erzeugen, um das Sensorelement 100 schnell in einen Zustand
zurück
zu führen,
der die Messung der Sauerstoffkonzentration (O2)
erlaubt.
So kann z.B. die Messung des Innenwiderstands
der Sauerstoffsensorzelle 112 erfolgen, indem ein Wechselstrom-Impulssignal mit
einer konstanten Frequenz (von z.B. einigen kHz) an die Sauerstoffsensorzelle 112 angelegt
und die Änderung der
an der Sauerstoffsensorzelle 112 auftretenden Spannung überwacht
wird, die eine Funktion des Innenwiderstands der Sauerstoffsensorzelle 112 darstellt.
Bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
des Gaskonzentrationsmessgeräts
kann ein Verbund- oder Komposit-Gaskonzentrationssensor Verwendung
finden, der eine erste und eine zweite Zelle aufweist, die jeweils
aus einem Festelektrolytkörper
bestehen. Die erste Zelle dient als Pumpzelle zum Herauspumpen von
Sauerstoffmolekülen
aus einer in dem Sensorkörper
ausgebildeten ersten Gaskammer oder Hineinpumpen von Sauerstoffmolekülen in die
erste Gaskammer und Abgabe eines die Konzentration der gepumpten
Sauerstoffmoleküle
angebenden Signals. Die zweite Zelle dient als Sensorzelle zur Erzeugung
eines Signals, das die Konzentration eines vorgewählten Bestandteils
von aus der ersten Gaskammer in eine zweite Gaskammer strömenden Gasen
angibt. Ein solcher Komposit-Gaskonzentrationssensor kann z.B. zur Messung
der in den Abgasen von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen enthaltenen NOx-Konzentration
dienen. Weiterhin kann der Komposit-Gaskonzentrationssensor auch
eine als Überwachungszelle
oder als zweite Pumpzelle dienende dritte Zelle zur Messung der
Konzentration von in der zweiten Gaskammer verbleibenden Sauerstoffmolekülen aufweisen.
Alternativ kann der Gaskonzentrationssensor
auch zur Messung der Konzentration von HC oder CO in den Abgasen
von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen ausgestaltet sein. Die Messung
der Konzentration von HC oder CO wird hierbei durch Abpumpen überschüssigen Sauerstoffs
(O2) aus der ersten Gaskammer unter Verwendung
der Pumpzelle sowie durch Aufspaltung von HC oder CO in den in die
zweite Gaskammer eintretenden Gasen unter Verwendung der Sensorzelle
zur Bildung eines die Konzentration von HC oder CO angebenden elektrischen
Signals erzielt.
Alternativ kann das vorstehend beschriebene
Gaskonzentrationsmessgerät
natürlich
auch zur Messung der Konzentration eines anderen Gases als eines
vorgewählten
Bestandteils der Abgasemissionen von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen
Verwendung finden.
Das vorstehend in Verbindung mit
einer Regelung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses bei Brennkraftmaschinen
von Kraftfahrzeugen beschriebene Gaskonzentrationsmessgerät umfasst
somit ein in Form einer Schichtanordnung aufgebautes laminiertes
Sensorelement sowie eine Sensorschaltung. Die Sensorschaltung weist
einen Strommesswiderstand, zumindest einen Verstärker und Analog/Digital-Umsetzer
auf. Der Strommesswiderstand dient zur Messung eines über das
Sensorelement fließenden Stromsignals,
das bei Anlegen einer Spannung an das Sensorelement erzeugt wird.
Der Verstärker dient
zur Verstärkung
des Stromsignals für
dessen Zuführung
zu einem der Analog/Digital-Umsetzer zur Bestimmung der Konzentration
des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
innerhalb eines Messbereichs aus einer Vielzahl von Messbereichen,
die innerhalb eines breiten Gaskonzentrationsmessbereichs festgelegt
sind. Die Verstärkung
des Stromsignals führt zu
einer Vergrößerung des
Pegels des Eingangssignals für
den Analog/Digital-Umsetzer, wodurch das Auflösungsvermögen bei der Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses
verbessert wird.