DE4414594A1 - Sensor zum Zwecke der schadstoffabhängigen Lüftungssteuerung, insbesondere zur Kfz.-Belüftung - Google Patents
Sensor zum Zwecke der schadstoffabhängigen Lüftungssteuerung, insbesondere zur Kfz.-BelüftungInfo
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Description
Es ist bekannt, daß mit Zinndioxidsensoren
insbesondere oxidierbare Gase erkannt werden können,
wie z. B. Kohlenmonoxid, Kohlewasserstoffe und
Wasserstoff.
Dabei wird eine Schicht aus elektrisch leitendem
und beheiztem Zinndioxid durch das Gas anreduziert, was
zu einer Verringerung des Ohm′schen Widerstandes der
Zinndioxidschicht führt.
In zahlreichen Patentanmeldungen ist vorgeschlagen
worden, diese Sensoren einzusetzen, um insbesondere die
Lüftung in Kraftfahrzeugen zu steuern. Dabei wird immer
dann, wenn das Fahrzeug ein Gebiet hoher
Schadstoffkonzentration erreicht, die Lüftung des
Fahrzeuges auf Umluftbetrieb geschaltet, so daß die
unerwünschten Schadstoffe von der Fahrgastkabine
ferngehalten werden.
Die mit Zinndioxidsensoren ausgerüsteten Fahrzeuge
reagieren allerdings weniger auf Dieselabgase, obwohl
diese Abgase subjektiv die Fahrzeuginsassen mehr stören
als beispielsweise Kohlenmonoxid, weil dieses nicht
riechbar ist. Die Ursache für dieses Verhalten liegt im
sogenannten "Maskierungseffekt", weil in Dieselabgasen
im hohen Maße Stickoxide enthalten sind. Stickoxide
oxidieren die durch oxidierbare Gase anreduzierte
Zinndioxidschicht wieder auf, so daß sich die Effekte
aufheben. Da rein angebotene oxidierbare Gase die
Zinndioxidschicht niederohmig machen, reduzierbare Gase
die Zinndioxidschicht hochohmiger machen, herrscht die
Meinung vor, daß ein Zweisensorsystem benötigt wird, um
die Lüftung von Fahrzeugen sinnvoll zu steuern. Dabei
ist ein Sensor für die Detektion oxidierbarer Gase
ausgelegt, der andere Sensor ist für die Detektion
reduzierbarer Gase ausgelegt.
Siehe auch Pat. P ETR
Pat. P. FIGARO Inc. Jpn.
Die hier vorgestellte Erfindung hat sich zur Aufgabe
gemacht, eine Lüftungssteuerung mit nur einem Sensor zu
realisieren, der sowohl auf Diesel- wie auf Ottomotor
abgase anspricht.
Fig. 1 zeigt die typische Anordnung einer
Sensorschaltung. Dabei ist (1) der beheizte Sensor. Der
Außenwiderstand (2) kann auch durch eine Konstantstrom
quelle ersetzt werden. Die Teilerspannung (3) ist eine
Funktion des Sensorwiderstandes (1).
Fig. 2 zeigt den Sensorwiderstand, wenn er mit reinen
Gasen beaufschlagt wird. Impuls (1) ist das Ergebnis
von oxidierbaren Gasen, z. B. von CO. (Kohlenmonoxid).
Impuls (2) ist das Ergebnis von reduzierbaren Gasen,
z. B. von NOx.
Fig. 3 zeigt den sogenannten "Maskierungseffekt", bei
dem ein Gasimpuls (1) aus CO-Gas durch ein Mischgas aus
CO+NOx (2) abgelöst ist. Es ist erkennbar, daß sich der
Widerstand bei Mischgas verringert. Im Extremfall kann
der Widerstand den Sensorwiderstand bei Angebot von
frischer Luft erreichen. In diesem Fall ist Gas
tatsächlich vorhanden, obwohl sich das Sensorsignal
nicht vom Signal des Sensors bei Normalluft
unterscheidet.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß in
Lüftungsanlagen, insbesondere in Kraftfahrzeuganlagen,
mit impulsweisem Auftreten von Luftverunreinigungen
gerechnet werden muß und daß statische Situationen an
sich nicht vorkommen, denn mindestens das Fahrzeug
bewegt sich relativ zur Luft.
Weiter nutzt die Erfindung die Tatsache, daß der Sensor
auf Provokation mit einem Gas typisch relativ schnell
reagiert. (Adsorptionsphase). Der ursprüngliche Wert
wird dagegen erst in einer Zeit erreicht, die typisch
3-5 mal so groß ist. (Desorptionsphase). Fig. 4 zeigt
die Zusammenhänge: Der Ursprungswert (1) wird aufgrund
eines Gasimpulses verlassen und der Sensor wird
niederohmiger (2), wobei ein bestimmtes Verhältnis des
Widerstandes zur Zeit besteht. In der Desorptionsphase
(3) ist dieses Verhältnis deutlich kleiner. Bei
Beaufschlagung mit einem reduzierbaren Gas gibt es
erneut einen relativ großen Quotienten (4) in der
Adsorptionsphase, während auch hier in der
Desorptionsphase (5) der Quotient deutlich kleiner ist.
Das Vorzeichen des Quotienten ist bei reduzierbaren und
oxidierbaren Gasen jeweils umgekehrt. In der
Adsorptionsphase erzeugt ein Impuls mit
- - oxidierbaren Gasen einen negativen Quotienten
- - reduzierbaren Gasen einen positiven Quotienten.
In der Desorptionsphase sind die Vorzeichen umgekehrt.
Da typisch die Steilheit der Impulse, also der
Quotient, in der Adsorptions- und Desorptionsphase
unterschiedlich sind, wird erfindungsgemäß folgende
Regel aufgestellt:
- 1. Wird eine Änderung des Sensorwiderstandes mit neg. Quotienten <yx festgestellt, ist der Sensor mit einem oxidierbaren Gas beaufschlagt worden.
- 2. Wird eine Änderung des Sensorwiderstandes mit pos. Quotienten <xy festgestellt, ist der Sensor mit einem reduzierbaren Gas beaufschlagt worden.
Diese Regeln gelten für jede Änderung des
Widerstandswertes, unabhängig vom absoluten Wert des
Sensorwiderstandes.
Ein üblicher Zinndioxid-Gassensor ist so ausgelegt,
daß er eine maximale Ansprechempfindlichkeit gegenüber
oxidierbaren Gasen hat und für reduzierbare Gase
relativ unempfindlich ist. Für den Einsatz in der
erfindungsgemäßen Applikation ist ein Zinndioxidsensor
dagegen so ausgelegt worden, daß die Empfindlichkeit
für oxidierbare und reduzierbare Gase einander etwa
entsprechen, was nach dem Stande der Technik diese
Sensoren besonders anfällig für den vorstehend
beschriebenen Maskierungseffekt machen würde.
Eine Meßfahrt im Straßenverkehr zeigt die Fig. 5. Am
Anfang wird der Sensor mit oxidierbaren Gasen
(Ottomotoren) beaufschlagt. (1). Nach dem Ende der
Gaseinwirkung, weit vor Erreichen der Sättigung,
verschwindet das Gas und der Sensor desorbiert. (2).
Während der Desorptionsphase wird der Sensor mit
Dieselabgasen provoziert (2), die reduzierbare Gase
(NO und NOx) enthalten. Es ist erkennbar, daß die
Richtung der Widerstandsänderung zwar beibehalten wird,
der Änderungsbetrag zur Zeit (Quotient) sich deutlich
erhöht. Der Desorptionsphase (4) folgt eine kleine
Provokation mit einer geringen Konzentration
oxidierbarer Gase und unmittelbar (5) ein erheblicher
wenn auch kurzzeitiger Stoß reduziebarer Gase aus
einem LKW. Im weiteren Verlauf sind deutlich die
Desorptionsphasen (6) und die Provokation mit
oxidierbaren Gasen (8) und die Provokationen mit
reduzierbaren Gasen (9) aus dem Gradientenverlauf und
der Steilheit des Änderungsbetrages zu erkennen.
Dies nutzend schlägt die Erfindung vor, das Vorliegen
einer Gaskonzentration und die dadurch erwünschte
Beeinflussung der Lüftungsanlage dadurch zu erkennen,
daß beim Auftreten eines Änderungsbetrages mit einer
Steilheit <x, unabhängig vom Vorzeichen dieses
Änderungsbetrages, ein Schaltimpuls erzeugt wird.
Es ist vorstellbar, daß sich eine Gaskonzentration sehr
langsam und ausnahmsweise nicht impulsförmig aufbaut.
In diesem Fall wird ein Schaltkriterium nach Fig. 6
erfindungsgemäß vorgeschlagen. Aus dem
rechnerischen Durchschnittswert des Sensorsignals
(Integral) errechnet sich ein durchschnittlicher
Pegel (1). Um diesen Wert herum wird ein Band
definiert, das sich zwischen den Werten (2) und (3)
befindet. Die Werte 2, 3 ergeben sich als positive oder
negative proportionale oder absolute Abweichung vom
Integral des durchschnittlichen Sensorwertes. Als
weiteres Schaltkriterium wird daher folgende
erfindungsgemäße Regel festgelegt:
Ein Schaltsignal wird immer dann erzeugt, wenn sich das aktuelle Sensorsignal außerhalb des festgelegten Bandes (6) im Bereich (4, 5) befindet.
Ein Schaltsignal wird immer dann erzeugt, wenn sich das aktuelle Sensorsignal außerhalb des festgelegten Bandes (6) im Bereich (4, 5) befindet.
Es ist außerordentlich wichtig, daß das Signal zum
öffnen der Lüftungsklappen definiert zu einem Zeitpunkt
erzeugt wird, ab dem die Luftqualität außerhalb des
Fahrzeuges akzeptabel ist. Hier sind verschiedene
Methoden vorgeschlagen worden, die nicht immer zu einem
günstigen Ergebnis führen:
- 1. Die Größe eines durch Gaseinwirkung ausgelösten Impulses ist Maß für die Schließzeit der Lüftung. Ungünstig ist bei dieser Lösung wie folgt:
- a) Kurzzeitige Luftverschmutzung, hinter einer Ampel z. B., erzeugt u. a. eine lange Schließzeit, die vollkommen unangemessen ist, weil das Fahrzeug in dieser Zeit z. B. den vorausfahrenden LKW schnell überholt hat.
- b) Langfristige Luftverschmutzungen, z. B. in einer Tunnelsituation, erzeugen bei Einfahrt in den Tunnel eine impulsproportionale Schließzeit, die wahrscheinlich mitten in der extrem verschmutzten Tunnelluft die Klappe unvermittelt öffnet.
Um diesem Mangel abzuhelfen, schlägt die Erfindung eine
Methode nach Fig. 7 vor:
Ausgehend von einem Normalwert (1) wird die Klappe bei Beginn (8) eines Änderungsbetrages (2) geschlossen. Der Scheitelpunkt wird erreicht und dadurch von einem zentralen Auswerte- und Steuergerät erkannt, daß sich das Vorzeichen des Gradienten ändert. Dabei wird der Sensorpegel im Moment der Vorzeichenumkehr gespeichert. Wenn der Pegel in der Desorptionsphase von diesem Wert einen frei definierbaren Wert (4) entfernt ist, wird die Umluftklappe geöffnet. Vorher wird allerdings von der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit geprüft, ob sich der Pegel innerhalb (Fig. 6, 6) befindet.
Ausgehend von einem Normalwert (1) wird die Klappe bei Beginn (8) eines Änderungsbetrages (2) geschlossen. Der Scheitelpunkt wird erreicht und dadurch von einem zentralen Auswerte- und Steuergerät erkannt, daß sich das Vorzeichen des Gradienten ändert. Dabei wird der Sensorpegel im Moment der Vorzeichenumkehr gespeichert. Wenn der Pegel in der Desorptionsphase von diesem Wert einen frei definierbaren Wert (4) entfernt ist, wird die Umluftklappe geöffnet. Vorher wird allerdings von der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit geprüft, ob sich der Pegel innerhalb (Fig. 6, 6) befindet.
Bei Provokation mit reduzierbarem Gas (Fig. 7, 5) wird
der Vorgang sinngemäß gehandhabt, wobei bei Erkennen
des Gasimpulses (5) die Klappe geschlossen wird, der
Pegel bei der Steilheitsumkehr (6) gespeichert wird und
die Klappe geöffnet wird, wenn der Differenzpegel (7)
unterschritten wird.
Die typische Auswerteschaltung wird in Fig. 8 gezeigt.
Dabei ist (1) der beheizte Gassensor. Die zentrale
Auswerte- und Steuereinheit (2) enthält einen
integrierten Analog-Digitalwandler. Das in der Einheit
digital gespeicherte Rechenprogramm enthält die
vorstehend beschriebene Logik.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Gedankens und insofern die bevorzugte Lösung ist aus
Fig. 9 zu erkennen. Das vom Sensor (1) stammende
Sensorsignal (3) wird über einen Bandpaß (4) geführt.
Der Bandpaß ist so ausgelegt, daß die Frequenzanteile
durchgelassen werden, die typisch sind für den
Signalverlauf des Sensors, wenn dieser mit Gasimpulsen
provoziert wird. Es ist Lehre dieser Erfindung, daß die
Frequenz sowohl für Impulse oxidierender wie auch
reduzierender Gase gleich ist.
Im Demodulator (5) werden diese Signalanteile
gleichgerichtet und triggern bei entsprechender Größe
einen Komparator mit frei wählbarer Schaltschwelle (6),
womit ein Signal erzeugt wird. Mit der Lehre der
Erfindung wird also immer dann ein Signal gewonnen,
wenn z. B. ein Diesel- oder Ottomotor vor dem mit dem
Sensor ausgerüsteten Fahrzeug Abgase erzeugt. Das
Signal steht am Ausgang des Komparators so lange an,
solange das Signal den Sensor in der Adsorptionsphase
betreibt. In der Praxis ist das beim Betrieb im
Kraftfahrzeug fast immer der Fall, weil die Mehrzahl
der Impulse relativ kurzzeitiger Natur ist. (Im
Bereich weniger Minuten, so daß das Sensorelement nicht
in die Sättigung geführt wird.)
In manchen Situationen ist dies allerdings der Fall:
Immer dann, wenn über einen längeren Zeitraum das Fahrzeug sich in sehr hoch belasteten Umgebungen befindet, wird der Sensor in die Nähe der Sättigung geführt. Damit wird der Quotient der Signaländerung über die Zeit zu eins und es wird nichts mehr übertragen. Ohne weitere Maßnahmen würde sich die Lüftungsklappe wieder öffnen. Da solche Situationen z. B. in Verkehrstunneln, in sehr dichten Staus in Ballungszentren etc. oft ergeben, würde die sehr belastete Außenluft zur Unzeit in den Passagierraum eingelassen. Erfindungsgemäß wird daher auch der statische Signalanteil bewertet. Dazu wird das Sensorsignal (3) über ein RS-Glied (7) mit hoher Zeitkonstante integriert. Am Kondensator bildet sich insofern ein Mittelwert des Sensorsignals aus. Immer dann, wenn sich größere Pegel des Sensorsignals ergeben, bildet sich über dem Ladewiderstand eine Spannung, die einem Komparator (8) zugeführt wird und ein Schaltsignal dann erzeugt, wenn das aktuelle Signal größer ist als der im Kondensator "gespeicherte" Mittelwert.
Immer dann, wenn über einen längeren Zeitraum das Fahrzeug sich in sehr hoch belasteten Umgebungen befindet, wird der Sensor in die Nähe der Sättigung geführt. Damit wird der Quotient der Signaländerung über die Zeit zu eins und es wird nichts mehr übertragen. Ohne weitere Maßnahmen würde sich die Lüftungsklappe wieder öffnen. Da solche Situationen z. B. in Verkehrstunneln, in sehr dichten Staus in Ballungszentren etc. oft ergeben, würde die sehr belastete Außenluft zur Unzeit in den Passagierraum eingelassen. Erfindungsgemäß wird daher auch der statische Signalanteil bewertet. Dazu wird das Sensorsignal (3) über ein RS-Glied (7) mit hoher Zeitkonstante integriert. Am Kondensator bildet sich insofern ein Mittelwert des Sensorsignals aus. Immer dann, wenn sich größere Pegel des Sensorsignals ergeben, bildet sich über dem Ladewiderstand eine Spannung, die einem Komparator (8) zugeführt wird und ein Schaltsignal dann erzeugt, wenn das aktuelle Signal größer ist als der im Kondensator "gespeicherte" Mittelwert.
Entsprechend der Zeitkonstante des RC-Gliedes (7) wird
bei vorgenannten Situationen mit einem dauerhaft hohen
Schadstoffpegel durch diese Maßnahme eine sichere
Schließung der Klappe erreicht. Es ist erwünscht, daß
die Lüftung nach einer bestimmten Zeit auf jeden Fall
wieder öffnet, weil anderenfalls, bedingt durch den
Sauerstoffverbrauch der Passagiere des Fahrzeuges und
durch deren Feuchtigkeits- und Stoffwechselproduktion
die Luftqualität im Fahrzeug ebenfalls rapide
nachlassen wird.
Die Signale der Komparatoren (6, 8) werden miteinander
verknüpft (9) und als Ausgangssignal (10)
herausgegeben.
In der bevorzugten Lösung wird zur Realisierung des
erfindungsgemäßen Gedankens eine
microprozessorgesteuerte Lösung eingesetzt werden.
Dabei werden Schaltungsfunktionen, die vorstehend mit
analogen Funktionsgruppen erläutert wurden, rechnerisch
nachgebildet. Insbesondere wird die Ausführung nach Fig.
9 und nach Fig. 7 miteinander verknüpft.
Als Sensorelement wurden erfolgreich Metalloxidsensoren
aus Zinn-, Zink-, oder Eisenoxid eingesetzt, welche
mit Übergangsmetallen dotiert waren. Erfindungsgemäß
wird der Sensor mit einer geringen Temperatur betrieben
von < 200 Grad Celsius. Dabei verringert sich die
Empfindlichkeit gegenüber oxidierbaren Gasen
signifikant. Die Empfindlichkeit gegenüber
reduzierbaren Gasen bleibt bestehen. Ergebnismäßig wird
ein auswertebares Verhältnis der jeweiligen Gastypen
zueinander erreicht, welches den vorstehend
beschriebenen Auswerte-Algorithmus möglich macht.
Die Lehre der Erfindung kann mit weiteren als den
angegebenen Möglichkeiten ausgestaltet werden. Immer
jedoch wird der erfindungsgemäße Gedanke genutzt, die
jeweiligen positiven oder negativen Pegelsprünge
auszuwerten, die sich durch ihr zeitliches Verhalten
erkennbar machen.
In der bevorzugten Lösung wird das Sensorelement und
die als ASIC vorliegende Auswerteschaltung nach Fig. 8
in das gleiche Gehäuse integriert. Die Schutzkappe des
Gehäuses besteht aus einem gasdurchlässigem Kunststoff,
z. B. einer TEFLON-MEMBRAN. Dadurch wird eine sehr
kompakte und preiswerte Bauform erreicht und die
Unabhängigkeit gegenüber Luftströmungen und
partikelförmigen Verschmutzungen wird nachhaltig
erhöht.
Claims (6)
1. Apparat und Verfahren zur Steuerung von
Lüftungsanlagen, insbesondere zur Steuerung der
Lüftungsklappen von Fahrzeugen mit dem Ziel, die
Lüftungsklappen dann zu schließen, wenn sich außerhalb
des Fahrzeuges erhöhte Schadstoffkonzentrationen
detektieren lassen und dann wieder zu öffnen, wenn die
Schadstoffkonzentration außerhalb des Fahrzeuges auf
akzeptable Konzentrationen vermindert hat, wobei ein
einziger Metalloxidsensor sowohl Abgase von Diesel- wie
auch von Ottomotoren und Zweitaktmotoren detektiert,
wobei als zentrale Steuer- und Auswerteeinheit ein
programmierter Mikroprozessor eingesetzt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß von der zentralen Steuer-
und Auswerteeinheit der Änderungsbetrag der Sensorwerte
über die Zeit ermittelt wird und dann ein Schaltsignal
erzeugt wird, wenn der Quotient unabhängig vom
Vorzeichen einen festgelegten Wert überschreitet
und daß entspr. Fig. 6 aus den Sensorwerten ein
Mittelwert über eine bestimmte Zeit gebildet wird und
daß oberhalb und unterhalb dieses Mittelwert ein durch
Proportional zu- oder -abschlag bzw. durch
Addition/Substraktion eines Absolutwertes definiertes
Band gebildet wird und ein Schaltsignal immer dann
erzeugt wird, wenn der aktuelle Sensorwert sich
außerhalb dieses Bandes befindet.
2. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß entspr. Fig. 9 das Sensorsignal (3)
und die darin enthaltenen Wechselspannungsanteile über
einen Bandpaß (4) geleitet werden, der auf eine Frequenz
abgestimmt ist, die vom Sensor bei Provokation mit
Schadgasen abgegeben wird. Aus diesem Signalanteil wird
ein Schaltsignal (10) generiert. Dieses Schaltsignal
wird logisch verknüpft (9) mit einem Signal, welches
nach Anspr. 1 aus der Differenz zwischen aktuellem
Signal und Mittelwert erzeugt wird. Der Befehl zur
Rücknahme des Schaltsignals erfolgt dann, wenn sowohl
der aktuelle Sensorwert den Mittelwert wieder
unterschreitet oder wenn keine im geforderten
Frequenzband liegenden Signalanteile detektiert werden
können. Die Signalverarbeitung erfolgt analogtechnisch
oder mathematisch/digital in einem Microprozessor.
3. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Schaltsignal zur Öffnung der
Lüftungsklappen immer dann erzeugt wird, wenn
entsprechend Fig. 7 ein Einschaltkriterium erreicht
worden war, weil der Änderungsbetrag des Sensorsignals
über die Zeit einen bestimmten Absolutwert
überschritten hatte wobei die zentrale Steuer- und
Auswerteeinheit Richtung der Signaländerung und den
Pegel um Moment der Steigungsumkehr speichert und das
Schaltsignal zum Öffnen der Lüftungsklappen dann
ausgelöst wird, wenn das aktuelle Sensorsignal sich um
einen bestimmten Betrag in Gegenrichtung zur
gespeicherten Steigungsrichtung vom Pegel im Moment der
Steigungsumkehr entfernt hat, sofern sich das
Sensorsignal innerhalb des Bandes (Fig. 6; 4, 5)
befindet.
4. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ,als Gassensor ein beheiztes
Sensorelement aus Metalloxid eingesetzt wird, welches
durch Dotation mit Übergangsmetallen und durch Wahl
einer Temperatur < 250 Grad Celsius so betrieben wird,
daß das Verhältnis der jeweiligen Widerstandsänderungen
mit oxidierbaren Gasen bzw. mit reduzierbaren Gasen
sich weitestgehends entspricht.
5. Apparat und Verfahren nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß als Metalloxid Zinndioxid
eingesetzt wird.
6. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Sensorelement und eine
Auswerteschaltung nach Fig. 8 in ein Gehäuse
integriert sind, welches eine Kappe aus
gasdurchlässigem Kunststoff aufweist.
Priority Applications (22)
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DE4436938A DE4436938A1 (de) | 1994-04-27 | 1994-10-15 | Nässe- und windgeschützter Gassensor |
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