DE3826767C2

DE3826767C2 -

Info

Publication number: DE3826767C2
Application number: DE19883826767
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 5982 Neuenrade De Lampe
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Priority date: 1988-08-06
Filing date: 1988-08-06
Publication date: 1993-05-27
Also published as: DE3826767A1

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einer entsprechend dem Oberbegriff des Hauptanspruches konzipierten Sensoreinrichtung aus, die z. B. für eine in Abhängigkeit von Schadstoffen erfolgende Steuerung von zur Belüftung geschlossener Räume vorhandenen, elektrisch verstellbaren Lüftungssystemen vorgesehen ist.

Bei dem Betrieb eines Kraftfahrzeuges besteht allgemein das Problem, daß die Abgase von in der Nähe befindlichen anderen Kraftfahrzeugen über das Lüftungssystem in den Innenraum des selbigen gelangen können, wodurch die Insassen Geruchsbelästigungen oder sogar Gesundheitsbeeinträchtigungen ausgesetzt werden.

Um einen solchen Vorgang zu vermeiden, ist es durch die DE 33 09 547 A1 bekannt, an einer exponierten Stelle des Kraftfahrzeuges ein die Schadstoffkonzentration erfassendes Sensorelement anzuordnen, das über eine zugeordnete Schaltungsanordnung mit elektrisch verstellbaren Lüftungsklappen derart verbunden ist, daß beim Auftritt von Schadstoffspitzen dieselben sofort geschlossen werden.

Zur Erfassung der Schadstoffkonzentration wird dabei als Sensorelement ein Halbleiterbaustein (SiO₂) verwendet, dessen Innenwiderstand sich mit steigender Schadstoffkonzentration verändert. Solche Sensorelemente sind aber mit einer Reihe von Problemen behaftet, und zwar weisen sie einerseits eine hohe Exemplarstreuung auf. Andererseits ergeben sich Änderungen des Grundwiderstandes in Abhängigkeit von der Temperatur sowie Änderungen der Sensibilität in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit als auch Änderungen des Grundwiderstandes und der Sensibilität während der Lebensdauer der Sensoreinrichtung.

Zwecks Kompensation der Exemplarstreuung und des Temperaturganges ist es durch die DE 34 23 848 A1 bekannt, dem Sensorelement eine Widerstandsanordnung mit einem eine dem Temperaturverhalten des Sensorelementes entsprechende Charakteristik aufweisenden PTC- bzw. NTC-Widerstand im Sinne eines Spannungsteilers zuzuordnen, wobei die am Teilerpunkt abgegriffene Sensorspannung ein Maß für die Schadstoffbelastung der Luft ist.

Der Einsatz eines solchen Widerstandes bedingt aber eine räumliche Zuordnung zum Sensorelement, und zwar weil beide Bauteile den selben Temperaturverhältnissen ausgesetzt sein müssen.

Weiterhin ist durch die DE 36 34 786 A1 bereits bekannt, zusätzlich noch die Schaltschwelle der Schaltungsanordnug zu beeinflussen, wobei zu einem festen Spannungsbasiswert ein durch Integration gewonnener Anteil der am Teilerpunkt abgegriffenen Sensorspannung addiert wird. Die Zeitkonstante des Integrationgliedes muß dabei groß genug gegenüber der Änderungsgeschwindigkeit der am Teilerpunkt abgegriffenen Sensorspannung sein, damit Spannungspitzen nicht in die Festlegung der Schaltschwelle eingehen.

Mit einem solchen Aufbau werden zwar alle vorerwähnten Probleme hinsichtlich des Sensorelementes zufriedenstellend gelöst, jedoch ist hierbei noch ein großer Aufwand insbesondere bezüglich des Abgleiches der Schaltungsanordnung zu betreiben.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinrichtung zu schaffen, bei der die zur Kompensation der Exemplarstreuung und des Temperaturganges erforderlichen Mittel vom Sensorelement räumlich getrennt angeordnet werden können und ein automatischer Abgleich möglich ist.

Erfindungsgemäß wird das Problem durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Bei einem solchen Aufbau einer unter anderem einen Analog/Digital-Wandler und einen Mikrocomputer aufweisenden Sensoreinrichtung ist sehr vorteilhaft, daß keine Vorauswahl der einzelnen Sensorelemente und eine Abstimmung der damit kooperierenden Bauteile erforderlich ist.

Durch die DE-OS 30 16 985 ist zwar eine auf eine physikalische Größe ansprechende Sensoreinrichtung bekannt, die mit einem Mikroprozessor versehen ist, der einerseits mit einem an einem Sensorgebilde angeschlossenen Analog/Digital-Wandler und andererseits mit einer dem Sensorgebilde zugeordneten Widerstandsgruppe verbunden ist. Die Verbindung des Mikrocomputers mit der Widerstandsgruppe ist aber nur zur Messung des elektrischen Parameters der Widerstandsgruppe vorgesehen und nicht zur Veränderung des Widerstandswertes derselben.

Darüber hinaus ist zwar auch durch die DE-Z "messen prüfen automatisieren" 1988, Heft 5, Seiten 250-257 der Einsatz von Mikroprozessoren in Gasanalysegeräten bekanntgeworden, jedoch sind die dort aufgeführten Gegebenheiten nicht relevant im Zusammenhang mit Sensoreinrichtungen der eingangs erwähnten Art. Dabei wird nämlich eine Absolutwertmessung einzelner Gase in einem Gasgemisch durchgeführt, wobei aufgrund der bestehenden Anforderungen kein aus einem Halbleiter bestehendes einfaches Sensorelement, sondern eine komplexere Ausführung verwendet wird. Das als Wheatstone-Brücke aufgebaute Sensorgebilde arbeitet nach dem Prinzip einer Wärmeleitfähigkeitsanalyse. Abgesehen davon, daß diese Meßmethode mit der dem erfindungsgemäßen Gegenstand zugrundeliegenden Meßmethode nicht vergleichbar ist, soll bei dieser Ausführungsform eine sensornahe Elektronik zur Anwendung gelangen, die beim erfindungsgemäßen Gegenstand gerade vermieden werden soll. Der bei dieser bekannten, relativ komplizierten Meßanordnung zur Anwendung gelangende Mikrocomputer ist hauptsächlich für die Automatisierung von Bedienungs- und Betriebsvorgängen vorgesehen. Die Schaltungen, die hier zur Kompensation von Temperatur und Luftfeuchtigkeit vorgeschlagen werden, sind in keiner Weise mit einem von einem Mikrocomputer schaltbaren Spannungsteiler vergleichbar, und zwar sollen dabei temperaturstabile, rauscharme Referenzspannungen eingesetzt werden, was bei dem erfindungsgemäßen Gegenstand nicht erforderlich ist. Des weiteren ist die dort vorhandene Digital-Elektronik speziell für das als Wheatstone-Brücke ausgeführte Sensorgebilde entwickelt, d. h. eine Übertragung auf andere Anwendungsfälle bietet sich nicht an. Außerdem dienen die darin eingesetzten Schalter nicht dazu, einen Spannungsteiler zu schalten, sondern wandeln ein lineares Meßsignal in ein digitales, pulsdauermoduliertes Signal um. Schließlich ist die dort angegebene Linearisierung der Kennlinie bei einem einfachen Halbleiter-Sensorelement nicht erforderlich.

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

Fig. 1 den schaltungsmäßigen Aufbau einer Sensoreinrichtung,

Fig. 2a ein zugehöriges Spannungsdiagramm,

Fig. 2b einen Ausschnitt des Spannungsdiagrammes.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht die in Abhängigkeit von extern auftretenden, insbesondere gasförmigen Schadstoffspitzen eine Beeinflussung eines elektrisch betreibbaren Aggregates A vornehmende, vorzugsweise zur Steuerung von in Kraftfahrzeugen vorhandenen, elektrisch verstellbaren Lüftungsklappen vorgesehene Sensoreinrichtung im wesentlichen aus einem mit dem Aggregat A verbundenen Mikrocomputer µC sowie einem daran angeschlossenen Sensorelement Rs. Das aus einem Halbleiter (SiO₂) hergestellte, an einer für eine einwandfreie Erfassung von gasförmigen Schadstoffen prädestinierten Stelle z. B. hinter dem Kühler eines Kraftfahrzeugmotors anzuordnende Sensorelement Rs ist dabei einerseits an einer stabilisierten Versorgungsspannung Vcc angeschlossen und anderseits mit einer Widerstandsanordnung R1-Rn im Sinne eines Spannungsteilers verbunden. An dem die Sensorspannung Us aufweisenden Teilerpunkt Tp des Spannungsteilers ist der Mikrocomputer über einen Analog/Digital-Wandler A/D mit Eingängen IN1-INn angeschlossen. Weiterhin weist der Mikrocomputer µC Ausgänge OUT1-OUTn auf, die jeweils mit der Basis eines Transistors T1-Tn verbunden sind. Die Transistoren T1-Tn liegen dabei jeweils mit ihrem Emitter an Masse und sind mit ihrem jeweiligen Kollekter an jeweils einem der parallel geschalteten, unterschiedlich ausgelegten Widerstände der Widerstandsanordnung R1-Rn angeschlossen.

Auf Grund dieser Anordnung ist es möglich, durch Auswahl eines oder mehrerer Widerstände ein großes Widerstandsspektrum abzudecken und damit eine einwandfreie Kompensation der Exemplarstreuung, des Alterungseffektes sowie des mit der Temperatur und der Luftfeuchtigkeit sich verändernden Widerstandwertes des damit kooperierenden Sensorelementes Rs zu erzielen.

Die Auswahl erfolgt dabei so, daß die Sensorspannung Us am Teilerpunkt Tp anfangs etwa auf die halbe Versorgungsspannung Vcc eingestellt wird.

Während der Initialisierungsphase der Sensoreinrichtung wird über die Transistoren T1-Tn ein aus zumindest einem der Widerstände R1-Rn gebildeter Widerstandwert gegen Masse geschaltet, mit dem es gelingt, die zwischen einem Minimalwert Us_min und einem Maximalwert Us_max schwankende Sensorspannung Us in den optimalen Arbeitspunkt zu bringen. Dieser ergibt sich bei einem dem Widerstandswert des Sensorelementes Rs entsprechenden Widerstandswert, d.h. der halben Versorgungsspannung Vcc, wobei eine bestimmte Schadstoffmenge eine maximale Auslenkung der Sensorspannung bewirkt. Dieser Vorgang wird nach der ca. 1,5 Minuten dauernden Aufheizphase der Sensoreinrichtung durchgeführt.

Im weiteren Betrieb erfolgt eine Nachführung der Sensorspannung Us. Um dies zu erreichen, wird die über den Analog/Digital-Wandler A/D in digitalisierter Form zugeführte Sensorspannung Us in den Mikrocomputer µC eingelesen und in einem vorgegebenen Zeitraum INT von z. B. 5 Minuten (Meßintervall) die minimale Sensorspannung Us_min ermittelt, die mit den Arbeitsbereich definierenden fest einprogrammierten Spannungsgrenzwerten U_max und U_min verglichen wird, wobei eine Anpassung dann gegeben ist, wenn U_minUs_minU_max ist. Aus der während des Meßintervalles ermittelten minimalen Sensorspannung Us_min wird ein Spannungsbasiswert Usb abgeleitet, der in den die veränderliche Schaltschwelle repräsentierenden zweiten Signalwert S2 wie folgt eingeht.

Wenn S2Uf ist, dann wird S2=Uf gesetzt.

Dabei bedeuten

Az = Anzahl der Messungen während eines Meßintervalls INT,
K = konstanter Faktor,
Uf = vorgegebener Spannungsfestwert.

Durch diese Maßnahmen werden sowohl die Exemplarstreuung des Sensor-Grundwiderstandes als auch der Temperaturgang und der Alterungseffekt ausgeglichen.

Eine räumliche Zuordnung zwischen Sensorelement Rs und Widerstandsanordnung R1-Rn ist somit nicht erforderlich, so daß diese Bauteile zusammen mit dem Mikrocomputer µC unter günstigen Verhältnissen z. B. im Innenraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet werden können.

Zwecks Anpassung der Sensoreinrichtung an unterschiedliche Empfindlichkeiten des Sensorelementes Rs wird während des Meßintervalles INT der Mittelwert Um des sich verändernden Spannungsanteiles der Sensorspannung Us ermittelt (siehe Fig. 2a). Dieser wird durch Addition von in bestimmten Zeitabständen Δt während des Meßintervalles INT ermittelten Werten der Sensorspannung Us und durch Division des sich ergebenden Summenwertes durch die Anzahl der Messungen sowie durch Substraktion des aus der minimalen Sensorspannung Us_min abgeleiteten Spannungsbasiswertes Usb vom daraus resultierenden Durchschnittwert gebildet. Der Mittelwert Um gibt Auskunft über die Empfindlichkeit des jeweiligen Sensorelementes Rs, und zwar bringt ein empfindliches Sensorelement Rs einen hohen Mittelwert Um mit sich. Wird vom Mikrocomputer µC ein empfindliches Sensorelement Rs detektiert, so wird die als zweiter Signalwert S2 sich darstellende Schaltschwelle der Schaltungsanordnung höher als bei einem unempfindlichen Sensorelement Rs.

Für das erste Meßintervall nach der Aufheizphase wird nur der Spannungsfestwert Uf als Schaltkriterium herangezogen, und zwar weil das Sensorelement Rs noch nicht seine Arbeitstemperatur erreicht hat und somit noch relativ unempfindlich ist. In diesem Meßintervall wird dann die Empfindlichkeit bestimmt und die Schaltschwelle für das nächste Meßintervall korrigiert.

Der hierzu erforderliche erste interne Rechenwert S1 ergibt sich wie folgt:

S1(t)* = S1(t-1)* + [Us (t)* - Us (t-1)*].

Wird S1S2, so wird S1=0, und zwar um eine Anpassung an einen steigenden Schadstoffgrundpegel zu erhalten.

Diese zur Bestimmung des ersten Rechenwertes S1 erforderlichen Messungen (siehe Fig. 2b) werden in sehr viel kürzeren Zeitabständen Δt* vorgenommen als die zur Ermittlung des Mittelwertes Um des sich verändernden Spannungsanteiles der Sensorspannung Us notwendigen Messungen, die in Zeitabständen Δt erfolgen, d.h Δt ist etwa 10Δt*.

Bei der Beeinflussung von in Kraftfahrzeugen vorhandenen Lüftungsklappen kann das Problem auftreten, daß von dem Sensorelement Rs eine relativ hohe Schadstoffbelastung in der unmittelbaren Umgebung festgestellt wird und damit eine Schließung der Lüftungsklappen initiiert wird. Da die heutigen Kraftfahrzeuge hinsichtlich ihres Innenraumes relativ dicht verschlossen sind, würde nach einer von der Anzahl der Insassen und der Größe des Inneraumes abhängigen Zeit ein Luftmangel auftreten und damit eine Gefährdung der Insassen hervorgerufen.

Um dies zu verhindern, wird die Dauer der Schließung der Lüftungsklappen von der auftretenden Schadstoffbelastung abhängig gemacht, d. h., der erste Signalwert S1 wird in bestimmten Zeitabständen, z. B. alle 500 ms, um einen bestimmten Betrag dekrementiert. Damit ist gewährleistet, daß die Lüftungsklappen in der Regel nicht über einen größeren Zeitraum geschlossen bleiben.

Falls durch äußere Einflüsse oder Defekte die vorstehend erwähnte Maßnahme nicht zur Ausführung gelangt, so wird über ein im Mikrocomputer realisiertes Zeitglied das Lüftungssystem für eine vorgegebene Zeit zwangsweise in Betrieb genommen.

Claims

1. Sensoreinrichtung zur Beeinflussung eines elektrisch verstellbaren Aggregates, wobei eine einerseits mit dem Aggregat elektrisch verbundene und andererseits an einem aus dem Widerstand eines zur Erfassung von Schadstoffbelastungen, insbesondere gasförmiger Art, vorgesehenen Sensorelementes und einer zugeordneten Widerstandsanordnung bestehenden Spannungsteiler angeschlossene Schaltungsanordnung vorhanden ist und wobei die Schaltungsanordnung eine in Abhängigkeit des von dem Sensorelement gelieferten Signals veränderbare Schaltwelle aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Teilerpunkt (Tp) des Spannungsteilers an dem Analogeingang eines Analog/Digital-Wandlers (A/D) angeschlossen ist, dessen Digitalausgang mit Eingängen (IN1-INn) eines Mikrocomputers (µC) verbunden ist,
daß der Mikrocomputer (µC) die über die Eingänge (IN1-INn) zugeführte digitalisierte Sensorspannung (Us) in einen ersten internen Signalwert (S1) umwandelt und diesen mit einem die veränderbare Schaltwelle repräsentierenden zweiten internen Signalwert (S2) vergleicht, wobei der Mikrocomputer (µC) sowohl die sich in einem vorgebbaren Zeitabschnitt (Δt*) ergebenden Änderungen (ΔU) der Sensorspannung (Us) erfaßt, um daraus den ersten Signalwert (S1) zu bilden, sobald die Änderung (ΔU) der Sensorspannung (Us) einen vorgebbaren Festwert (Uf) überschreitet, als auch den zweiten Signalwert (S2) durch Addition des vorgegebenen Festwertes (Uf) zu einem Mittelwert (Um) des sich verändernden Spannungsanteils der Sensorspannung (Us) bildet,
daß jeder Ausgang (OUT1-OUTn) des Mikrocomputers (µC) über je ein Schaltelement (T1-Tn) mit je einem zugeordneten Widerstand (R1-Rn) des Spannungsteilers verbunden ist und der entsprechende Widerstand (R1-Rn) über das zugehörige Schaltelement (T1-Tn) an Masse legbar ist
und daß die Einfügung mindestens eines der Widerstände (R1-Rn) in Abhängigkeit von der Sensorspannung (Us) in die Schaltungsanordnung erfolgt.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ausgang (OUT1-OUTn) des Mikrocomputers (µC) mit jeweils der Basis von jeweils einem Schalttransistor (T1-Tn) verbunden ist, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor über den jeweils zugeordneten Widerstand (R1-Rn) mit dem Widerstand des Sensorelementes (Rs) verbunden ist.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (µC) ausgangsseitig mit einem Demultiplexglied verbunden ist, das ausgangsseitig mit jeweils der Basis von jeweils einem Schalttransistor (T1-Tn) verbunden ist, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Kollektor über den jeweils zugeordneten Widerstand (R1-Rn) mit dem Widerstand des Sensorelementes (Rs) verbunden ist.

4. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verändernde Mittelwert (Um) durch Addition von in bestimmten Zeitabständen (Δt) über einen vorgegebenen Zeitraum (INT) ermittelten Werten der Sensorspannung (Us) und Division des sich ergebenden Summenwertes durch die Anzahl der Messungen sowie Subtraktion eines aus dem Minimalwert (Us_min) der in bestimmten Zeitabständen (Δt) über einen vorgegebenen Zeitraum (INT) ermittelten Werten der Sensorspannung (Us) abgeleiteten Spannungsbasiswertes (Usb) vom daraus resultierenden Durchschnittswert gebildet ist.

5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert (Um) durch eine Division durch einen konstanten Faktor (K) modifizierbar ist.

6. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (µC) ein Zeitglied aufweist, das einen bestimmten Zeitabstand festlegt, nach dem der erste Signalwert (S1) jeweils um einen bestimmten Betrag dekrementiert wird.