DE19824383C2

DE19824383C2 - Vorrichtung zur Ermittlung von Luftverunreinigungen

Info

Publication number: DE19824383C2
Application number: DE1998124383
Authority: DE
Inventors: Werner Wallrafen
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-05-30
Filing date: 1998-05-30
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2018-05-31
Also published as: DE19824383A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung von Luftverunreinigungen, insbesondere im Lüftungssystem von Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem resistiven Sensor, dessen elektrischer Widerstand von der Konzentration der Luftverunreinigungen abhängt, sowie einer Schaltung zur Auswertung der Sensorsignale.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus DE 196 38 204 C1 bekannt. Dort wird eine Vorrichtung zur Luftgütemessung beschrieben, bei der ein Spannungssignal von einem für Luftverunreinigungen empfindlichen Sensor in ein Zeitsignal umgewandelt wird. Der Dynamikbereich moderner Sensoren ist derart groß, daß Maßnahmen getroffen werden müssen, um den Meßbereich schaltungstechnisch beherrschen zu können. In DE 196 03 395 A1 wird eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der über eine Schaltung der Meßbereich der Einrichtung an die Kennlinie des verwendeten Schadstoff-Sensors angepaßt wird. Bei einer aus DE 195 27 426 A1 bekannten Schaltungsanordnung zur Luftgütemessung wird der Meßbereich mittels einer Logarithmierschaltung an die Sensorkennlinie angepaßt.

Für eine an den menschlichen Geruchssinn angelehnte Bewertung der Luftgüte ist es häufig erforderlich, mehrere Sensoren mit unterschiedlicher Gasart- Selektivität einzusetzen. In der Praxis hat sich beispielsweise der Einsatz von mindestens zwei Sensoren für reduzierende und oxidierende Gase bewährt.

Die bekannten Vorrichtungen zur Ermittlung von Luftverunreinigungen sind durch die Verwendung hochauflösender Analog/Digital-Wandler sehr teuer und aufwendig herzustellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ermittlung von Luftverunreinigungen anzugeben, die preiswert und einfach herstellbar ist und die mit Sensoren eines großen Dynamikbereichs genau arbeitet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der mindestens eine Sensor Teil eines eine Meßspannung erzeugenden Spannungsteilers ist, daß an dem Spannungsteiler und vorzugsweise an mindestens einem eine Referenzspannung erzeugenden weiteren Spannungsteiler eine gemeinsame Versorgungsspannung anliegt, daß die Meßspannung und die Referenzspannung ersten Eingängen je eines Komparators zuführbar sind, daß jeweils ein zweiter Eingang der Komparatoren mit einer gemeinsamen, rampenförmig verlaufenden Vergleichsspannung beaufschlagt ist, daß die Ausgänge der Komparatoren an Eingänge einer Auswerteschaltung angeschlossen sind, welche die Zeitdauer zwischen Sprüngen der Ausgangsspannung der Komparatoren mißt. Durch die Verwendung von einfachen Komparatoren, statt eines aufwendigen Analog/Digital- Wandlers, wird die Vorrichtung vereinfacht. Die Vergleichsspannung ist von der Schaltung so zu steuern, daß die nichtlineare Kennlinie (Widerstand als Funktion der Gaskonzentration) des verwendeten Sensors auf eine mit einfachen Mitteln auswertbare Kennlinie der Vorrichtung (Zeitdauer als Funktion der Gaskonzentration) abgebildet wird.

Mit Hilfe des aus den gemessenen Zeitdauern erzeugten, den Grad der Luftverunreinigungen kennzeichnendes Signals läßt sich beispielsweise die Umluftklappe eines Kraftfahrzeuges steuern. Bei Auftreten einer Schadstoffwolke wird die Lüftung des Innenraums auf Umluftbetrieb umgestellt.

Steilheiten aufweist und daß der Verlauf der Vergleichsspannung bei denjenigen Werten der Meßspannung große Steilheiten aufweist, bei denen auch die Kennlinie des Sensors große Steilheiten aufweist. Bei einer stetig verlaufenden Sensorkennlinie bewirkt dies eine Reduzierung der Kennlinien- Krümmung. Die resultierende Kennlinie ermöglicht eine hohe Auflösung Über den gesamten Meßbereich und ist mit einfachen Mitteln auswertbar. Bei Verwendung eines Mikroprozessors ist die Generierung beliebiger Vergleichsspannungsverläufe kein Problem und kann im einzelnen dem Fachmann überlassen bleiben.

Damit auch mehrere Gasarten gleichzeitig erkannt werden können, ist in einer ersten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß für jede zu ermittelnde Gasart ein Spannungsteiler mit resistivem Sensor und Komparator vorgesehen ist. Der Schaltungsaufwand steigt bei dieser Vorgehensweise nur unterlinear mit der Anzahl der verschalteten Sensoren, weil der Schaltungsaufwand für die Auswerteschaltung und den Generator für die Vergleichspannung nahezu konstant bleibt.

Um nun auch die Drift der Versorgungsspannung und der Vergleichsspannung, die bei Verwendung einfacher Schaltungen auftreten kann, sicher kompensieren zu können, ist in einer nächsten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß zwei Spannungsteiler zur Erzeugung zweier unterschiedlicher Referenzspannungen vorgesehen sind, denen je ein Komparator zugeordnet ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß eine weitere Referenzspannung der Versorgungsspannung entspricht. Die Referenzspannungen werden über den jeweiligen Komparator wiederum in Referenzzeitdauern umgewandelt, die von der Auswerteschaltung verarbeitet werden.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1: ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2: eine graphische Darstellung der Vergleichspannung und der Aus gangsspannungen der Komparatoren und

Fig. 3 die Meßgrößenverläufe dreier unterschiedlicher Sensoren bei vorge gebenem zeitlichen Verlauf der Gaskonzentration.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Spannungsquelle, welche die Spannung U_r liefert, und zwei Spannungsteilern 1, 2, welche die Meßspannungen U₁ und U₂ erzeugen und welche die Sensoren R_S1 und R_S2 enthalten, deren Widerstand sich beim Auftreten bestimmter Gaskonzentrationen ändert. Zwei weitere Spannungsteiler 3, 4 mit unterschiedlichen aber konstanten Teilerverhältnissen erzeugen die beiden Referenzspannungen U₃ und U₄. Komparatoren 5 bis 8 vergleichen die von einem Spannungsgenerator erzeugte Vergleichspannung U_C mit den von den Spannungsteilern 5 bis 8 erzeugten Spannungen U₁ bis U₂ und erzeugen Ausgangsspannungen E₁ bis E₄ in Abhängigkeit davon, ob die Spannungen U₁ bis U₄ jeweils größer als die Vergleichsspannung U_C sind. Ein Mikrocomputer 10 wird von einem angeschlossenen Quarz 11 getaktet und mißt die Zeitdauern der Ausgangssignale E₁ bis E₄ der Komparatoren 5 bis 8. Der Mikrocomputer 10 liefert in Abhängigkeit von der weiteren Verarbeitung der Signale E₁ und E₄ ein Ausgangssignal A, das die Luftgüte beschreibt.

In Fig. 2 sind die von dem Generator 9 erzeugte Vergleichsspannung U_C und die Ausgangsspannungen der Komparatoren 5 bis 8 dargestellt. Im Bereich geringer Gaskonzentrationen haben die Sensoren R_S1 und R_S2 einen großen Widerstand; im Bereich großer Konzentrationen wird ihr Widerstand klein. Dementsprechend ist die Vergleichsspannung U_C so vorgegeben, daß ihr Verlauf bei kleinen Spannungswerten flach und bei großen Spannungswerten steil ist. Die sich daraus ergebenden Sprünge bei t₁ und t₄ in den Ausgangsspannungen E₁ bis E₄ der Komparatoren folgen im Beispiel in derartigen zeitlichen Abständen, bezogen auf die Referenzzeitdauer t₃-t₄, daß sie von der Gaskonzentration im wesentlichen abhängen. Die Kennlinien der Gassensoren R_S1 und R_S2 werden im wesentlichen auf eine lineare Funktion Konzentration = C.Zeitdauer abgebildet, wobei C eine Konstante ist. Der angeschlossene Mikrocomputer 10 wertet die Differenzzeiten aus und erzeugt ein Steuersignal A, welches das Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes durch die Luftverunreinigungen beschreibt.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in dem der Widerstand über der Zeit aufgetragen ist. Die Kurven R_S, R_S', R_S' sind die Meßgrößenverläufe dreier Sensoren bei einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Konzentration eines Gases. Zu den Zeitpunkten t_S1, t_S2 und t_S3 wird die Gaskonzentration sehr hoch. Die drei Kurven RS, R_S', R_S' unterscheiden sich lediglich im Niveau voneinander. Diese Unterschiede ergeben sich durch Schwankungen oder Änderungen im Herstellprozeß der Sensoren. Aber auch die Kennlinie eines einzelnen Sensors kann beispielsweise durch Temperatureinflüsse in der gezeigten Größenordnung verschieben. Das Niveau der Meßgröße R_S, R_S', R_S' erlaubt daher keine Aussage über den absoluten Wert der Gaskonzentration.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung von Luftverunreinigungen, insbesondere im Lüftungssystem von Kraftfahrzeugen, mit mindestens einem resistiven Sensor, dessen elektrischer Widerstand von der Konzentration der Luftverunreinigungen abhängt, sowie einer Schaltung zur Auswertung der Sensorsignale, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Sensor (R_S, R_S2) Teil eines eine Meßspannung erzeugenden Spannungsteilers (1, 2) ist, daß mindestens eine Referenzspannung (U₃, U₄) ein Teil einer Versorgungsspannung des Spannungsteilers (1, 2) ist, daß die Meßspannung (U₁, U₂) und die Referenzspannung (U₃, U₄) ersten Eingängen je eines Komparators (5 bis 8) zuführbar sind, daß jeweils ein zweiter Eingang der Komparatoren (5 bis 8) mit einer gemeinsamen, periodisch verlaufenden Vergleichsspannung (U_C) beaufschlagt ist, daß die Ausgänge der Komparatoren (5 bis 8) an Eingänge einer Auswerteschaltung (10) angeschlossen sind, welche die Zeitdauer zwischen Sprüngen der Ausgangsspannung (E₁ bis E₄) der Komparatoren mißt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (10) als Mikroprozessor ausgebildet ist und der von dem Mikroprozessor generierte Verlauf der Vergleichsspannung (U_C) bei denjenigen Werten der Meßspannung (U₁, U₂) kleine Steilheiten aufweist, bei denen auch die Kennlinie des Sensors (R_S1, R_S2) kleine Steilheiten aufweist und daß der Verlauf der Vergleichsspannung (U_C) bei denjenigen Werten der Meßspannung (U₁, U₂) große Steilheiten aufweist, bei denen auch die Kennlinie des Sensors (R_S1, R_S2) große Steilheiten aufweist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jede zu ermittelnde Gasart ein Spannungsteiler (1, 2) mit resistivem Sensor (R_S1, R_S2) und Komparator (7, 8) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spannungsteiler (3, 4) zur Erzeugung zweier unterschiedlicher Referenzspannungen (U₃, U₄) vorgesehen sind, denen je ein Komparator (5, 6) zugeordnet ist.