DE19603395A1 - Sensoreinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einer entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten, zur Erfassung einerseits oxydierbaren und andererseits reduzierbaren Schadstoffen vorgesehenen Sensoreinrichtung aus.

Derartige Sensoreinrichtungen werden z. B. in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um damit die in der näheren Umgebung vorhandenen Benzin- und Dieselabgase zu detektieren und z. B. in Abhängigkeit davon die Lüftung des Kraftfahrzeuges von Zuluftbetrieb automatisch auf einen Umluftbetrieb umzuschalten.

In dieser Hinsicht ist durch die DE 43 12 046 A1 eine Sensoreinrichtung mit einem zur Erfassung von oxydierbaren und einem zur Erfassung von reduzierbaren Schadstoffen vorgesehenen Sensorelement bekanntgeworden. Dabei sind die beiden Sensorelemente jeweils in einem Zweig von jeweils aus zwei Zweigen bestehenden ohmschen Spannungsteilern angeordnet und jeweils über einen zugeordneten, d. h. auf die optimalen Sensivitäten der Sensormaterialien abgestimmten Heizwiderstandes auf eine bestimmte Temperatur einstellbar. Die Spannungsteiler sind einer Schaltungsanordnung zugeordnet, über die ein die Kraftfahrzeuglüftung beeinflussendes, mit Stellmitteln versehenes Aggregat ansteuerbar ist. Problematisch bei einer solchen Sensoreinrichtung ist, daß keine Abgleichmöglichkeiten z. B. bzgl. der Exemplarstreuung oder der Alterung der Sensorelemente vorhanden sind, so daß nicht immer gewährleistet ist, daß die Teilerspannung der beiden Spannungsteiler in einer Größenordnung vorliegt, so daß diese in ihrem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden können.

Außerdem ist durch die DE 38 26 767 C2 eine Sensoreinrichtung bekanntgeworden, bei der die Teilerspannung eines Spannungsteilers durch das Ansteuern unterschiedlich dimensionierter Widerstände einer Widerstandskette veränderbar ausgeführt ist, um z. B. Temperaturgang und Alterungseffekte des Sensorelementes zu kompensieren. Jedoch wird dabei zur Anpassung der Teilerspannung das Sensorsignal unmittelbar herangezogen und in unaufbereiteter Form bis in das Steuergerät geleitet.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung zu schaffen, bei der einerseits die zur Einstellung der Teilerspannung notwendigen unaufbereiteten Sensorsignale nicht bis in das Steuergerät geleitet werden müssen, sondern bei der eine sensorelementenahe Einstellung der Teilerspannung durchführbar ist. Dabei sollen andererseits die durch Gaspulse erzeugten Änderungen der Teilerspannungen ungestört erhalten bleiben und gleichzeitig die beiden Spannungsteiler bei langsamen Veränderungen wie z. B. Temperaturdrift in ihrem optimalen Arbeitsbereich gehalten werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einem solchen Aufbau einer solchen Sensoreinrichtung ist besonders vorteilhaft, daß auch die Möglichkeit, über welche Störgrößen von außen auf die Sensoreinrichtung einwirken können, erheblich vermindert sind. Damit ist gewährleistet, daß die aufbereiteten Signale der beiden Sensorelemente einfach und weitestgehend störungsfrei zum Steuergerät übertragen werden können, und ferner für die Einstellung der Arbeitspunkte der Spannungsteiler keine Kapazität des Mikrocomputers im Steuergerät belegt wird.

Weitere besonders günstige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind in den Unteransprüchen angegeben und werden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht eine solche Sensoreinrichtung im wesentlichen aus zwei Sensorelementen S1, S2 welche mittelbar über die Ausgänge von zwei Verstärkerstufen V1, V2 mit einem einzigen Eingang einer andererseits an ein Steuergerät S angeschlossenen A/D-Wandlerstufe W verbunden sind. Dem Eingang der A/D-Wandlerstufe W wird somit ein durch Überlagerung der beiden Ausgangssignale der beiden Verstärkerstufen V1, V2 gebildetes Signal über eine einzige Leitung zugeführt.

Um eine analoge Differentation und Überlagerung der Sensorsignale der beiden Sensorelemente S1, S2 bei Verwendung eines einfach aufgebauten Steuergerätes S durchführen zu können, sind die Sensorwiderstände RS1, RS2 der beiden Sensorelemente S1, S2 jeweils in einen Spannungsteiler TP1, TP2 integriert. Damit sich beim Auftreten von dieseltypischen bzw. benzintypischen Abgaskomponenten Spannungsänderungen mit denselben Vorzeichen an den beiden Spannungsteilern TP1, TP2 ergeben, ist das für die Erfassung der oxydierbaren Schadstoffe (Benzinabgase) vorgesehene Sensorelement S1 mit seinem Sensorwiderstand RS1 in dem an Masse liegenden Zweig des einen Spannungsteilers TP1 und das für die Erfassung der reduzierbaren Schadstoffe (Dieselabgase) vorgesehene Sensorelement S2 mit seinem Sensorwiderstand RS2 in dem an Versorgungsspannung U_B liegenden Zweig des anderen Spannungsteilers TP2 angeschlossen. Um eine optimale Arbeitstemperatur der beiden Sensorwiderstände RS1, RS2 zu gewährleisten, ist jedem der beiden Sensorwiderstände RS1, RS2 ein auf seine Arbeitstemperatur abgestimmter Heizwiderstand RH1, RH2 zugeordnet. Zur weiteren Verarbeitung der Sensorsignale werden die Teilerspannungen U_T jeweils von einem Impedanzwandler IPW1, IPW2 entkoppelt. Im Nachgang werden die entkoppelten Sensorsignale einerseits jeweils einer analogen Reglerschaltung R1, R2 und andererseits jeweils einer als Wechselspannungsverstärker ausgebildeten Verstärkerstufe V1, V2 zugeführt.

Die beiden Reglerschaltungen R1, R2 werden dazu benutzt, um die Teilerspannungen U_T der beiden Spannungsteiler TP1, TP2 über einen zugeordneten Reglerwiderstand RR1, RR2 auf ihren optimalen, etwa bei 1/2 U_B liegenden Arbeitsbereich einzustellen. Bei den beiden Reglerschaltungen R1, R2 wird jeweils mittels eines Integrators I1, I2 innerhalb einer bestimmten Zeitkonstanten der Mittelwert der Teilerspannung U_T gebildet. Die gemittelte Teilerspannung wird mit einem vorgegebenen Sollwert U_TS verglichen und die Regelabweichung durch zwei weitere Verstärker V12, V22 verstärkt und zur Einstellung des Arbeitsbereiches des jeweils zugehörigen Spannungsteilers TP1, TP2 benutzt. Eine beide Reglerschaltungen R1, R2 versorgende erste Referenzspannungsquelle Q1 stellt dabei den Sollwert U_TS der Teilerspannung U_T zur Verfügung.

Damit bleiben die durch die Gaspulse (Dieselabgase, Benzinabgase) erzeugten schnellen Änderungen der Teilerspannung U_T ungestört erhalten und gleichzeitig werden die beiden Spannungsteiler TP1, TP2 bei langsamen Veränderungen wie z. B. Temperaturdrift in ihrem optimalen Arbeitsbereich gehalten. Vorteilhaft dabei ist, daß diese Regelung geschieht, ohne daß von außen in-die Schaltung der Sensoreinrichtung eingegriffen werden muß. D.h. die analogen Reglerschaltungen RS1, RS2 sind zum Einstellen und Halten des optimalen Arbeitsbereiches für die beiden Spannungsteiler TP1, TP2 in unmittelbarer Nähe des jeweilige Sensorelementes S1, S2 angeordnet, so daß nur entsprechend aufbereitete Sensorsignale störungsfrei zum Steuergerät S übertragen werden.

Bei der vorliegenden Anwendung der Sensorelemente S1, S2 zur schadstoffabhängigen Steuerung von Umluftklappen eines Kraftfahrzeuges werden keine statischen Schadstoffpegel gemessen, sondern nur die durch relativ kurze Schadstoffpulse bedingten Änderungen in der Luftqualität erfaßt. Hierzu werden vorteilhaft die Änderungen der Teilerspannungen U_T an den beiden Spannungsteilern TP1, TP2 herangezogen, welche ein Maß für die Schadstoffpulse darstellen. Durch geeignet dimensionierte, als Wechselspannungsverstärker ausgebildete Verstärkerstufen V1, V2 wird der Gleichspannungsanteil vom Sensorsignal abgekoppelt und es werden nur die Wechselanteile mit einem geeigneten Verstärkungsfaktor transformiert. Eine weitere Referenzspannungsquelle Q2 stellt dabei eine Bezugsspannung zur Verfügung, die verhindert, daß die Ausgänge der Verstärkerstufen V1, V2 bei negativen Spannungspulsen in die untere Begrenzung gelangen können.

Um die vorbeschriebenen aufbereiteten Sensorsignale über eine einzige Leitung einem einzigen Eingang der A/D-Wandlerstufe W zuführen zu können, gelangen diese über die Ausgänge der beiden Verstärkerstufen V1, V2 zum Eingang der Überlagerungsstufe G. Über den Ausgang der Überlagerungsstufe G wird dann das überlagerte und nochmals verstärkte Sensorsignal einem einzigen Eingang der A/D-Wandlerstufe W zugeführt.

Die A/D-Wandlerstufe W stellt ein integrales Bestandteil eines in dem angeschlossenen Steuergerät S befindlichen Mikrocomputers M dar. Das Steuergerät S steht wiederum zur sensorsignalabhängigen Beeinflussung mit einem Stellmittel aufweisenden elektrischen Aggregat A in Verbindung. Der Mikrocomputer verarbeitet das sensorelementenah aufbereitete, als Überlagerungssignal übertragene Sensorsignal mit Hilfe geeigneter Auswertealgorithmen und erzeugt ein schadstoffabhängiges, dem Aggregat A zuzuführendes Steuersignal.

Claims (5)

1. Sensoreinrichtung mit zwei Sensorelementen, wovon das eine zur Erfassung von oxydierbaren und das andere zur Erfassung von reduzierbaren gasförmigen Schadstoffen vorgesehen ist, wobei den beiden jeweils mit ihrem Sensorwiderstand den einen Zweig von jeweils einem einerseits an der Versorgungsspannung und andererseits an Masse angeschlossenen, aus zwei Zweigen bestehenden ohmschen Spannungsteiler bildenden Sensorelementen zur Auswertung der an den beiden Teilerpunkten der Spannungsteiler anstehenden Sensorsignale eine Schaltungsanordnung zugeordnet ist, die für die von den beiden Sensorelementen hervorgerufenen Sensorsignale jeweils eine Differenzierstufe und eine Verstärkerstufe sowie eine gemeinsame A/D-Wandlerstufe und eine derselben nachgeschaltete Steuerstufe zur Beeinflussung eines zugeordneten, mit Stellmitteln versehenen elektrischen Aggregates aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die am Teilerpunkt jedes der beiden Spannungsteiler (TP1, TP2) abgegriffenen Sensorsignale jeweils über eine von einem Impedanzwandler (IPW1, IPW2) gebildete Entkopplungsstufe als Ist-Wert einem Eingang einer analogen, räumlich unmittelbar den zugehörigen Sensorelementen (S1, S2) zugeordneten Regelstufe (R1, R2) zugeführt sind, deren andere Eingänge an einer als Sollwertgeber dienenden gemeinsamen Referenzspannungsquelle (Q1) angeschlossen sind und wobei die Ausgänge der beiden Regelstufen (R1, R2) jeweils mit einem regelbar ausgeführten Widerstand (RR1, RR2) in Verbindung stehen, durch welche jeweils der andere Zweig eines der beiden Spannungsteiler (TP1, TP2) gebildet ist.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorwiderstand (RS1) des einen Sensorelementes (S1) in dem an Masse angeschlossenen Zweig des einen Spannungsteilers (TP1) und der Sensorwiderstand (RS2) des anderen Sensorelementes (S2) in dem an der Versorgungsspannung (U_B) angeschlossenen Zweig des anderen Spannungsteilers (TP2) vorhanden ist.

3. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden jeweils in dem jeweils anderen Zweig der beiden Spannungsteiler (TP1, TP2) angeordneten regelbar ausgeführten Widerstände (RR1, RR2) aus zumindest einem Halbleiter-Bauelement gebildet sind.

4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, daß der Sensorwiderstand (RS1) des für die Erfassung der oxydierbaren Schadstoffe vorgesehenen Sensorelementes (S1) in dem an Masse liegenden Zweig des einen Spannungsteilers (TP1) und der Sensorwiderstand (RS2) des für die Erfassung der reduzierbaren Schadstoffe vorgesehenen Sensorelementes (S2) in dem an der Versorgungsspannung (U_B) angeschlossenen Zweig des anderen Spannungsteilers (TP2) angeordnet ist.

5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an Masse angeschlossene, aus zumindest einem Halbleiter-Bauelement bestehende regelbar ausgeführte Widerstand (RR2) des Spannungsteilers (TP2) im wesentlichen aus einem npn-Transistor und der an der Versorgungsspannung (U_B) liegende, ebenfalls aus zumindest einem Halbleiter-Bauelement bestehende regelbar ausgeführte Widerstand (RR1) des Spannungsteilers (TP1) aus einem pnp-Transistor gebildet ist.