JP4306809B2 - ガスセンサの運転方法 - Google Patents

Description

従来技術
本発明は、電気ヒータにより加熱可能なイオン伝導性セラミック内に配置された２つのセンサ電極を備えたガスセンサの運転方法であって、センサ電極の出力信号がその下流側に設けられた評価回路において評価される、ガスセンサの運転方法に関するものである。
このようなセラミック・ガスセンサは従来から既知である。このセラミック・ガスセンサは、有害排気ガスの検出、たとえば自動車排気ガスまたは燃焼排出ガスの検出に使用される。イオン伝導性セラミック、たとえば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）は、正常な機能を保証するために加熱されなければならない。ヒータは、たいていの場合に、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなる絶縁層内に埋め込まれている。しかしながら、とくに温度が高い場合、ヒータからセンサ電極に至る漏れ抵抗が数メガオームのオーダーとなるので、ヒータの絶縁が問題となる。この場合、ヒータから逃げた漏れ電流が本来の測定電流に重ね合わされ、かつこのようなガスセンサにおける測定電流は数マイクロアンペアにすぎないので、この漏れ電流が比較的大きなエラーの原因となる。
ガスセンサにおいては、更に大きな典型的な偏差および大きな経時変化が発生するので、漏れ電流は固定の補正量によって簡単に補償することはできない。
この理由から、たとえば測定電流の測定のために絶縁増幅装置を使用することが既知である。これにより、本来の測定回路は電位的に分離されて運転され、かつ測定値は切り離されてさらに信号処理するために伝送される。電位的分離は、たとえば、変圧器によりまたはオプトエレクトロニクス方式で行われる。この場合、漏れ電流が流れ出すことがなく、したがって漏れ電流は消滅する。この結果、希望の測定電流のみが測定される。この測定方法においては、組み込みできないまたは組み込むことがきわめて困難な高価な構造部品に高い費用がかかることが欠点である。
欧州特許第０４０３６１５号から更に、λセンサのエラー状態を検出し、かつエラー状態が検出されたときに出力されるエラー信号の結果として手段を講じるための方法および装置が既知であり、この方法および装置においては、λセンサの運転中における多くのエラー状態が相関法により確実に診断される。ヒータの運転中にのみ分路が存在するので、この測定方法においては、エラー状態を検出するためにセンサ・ヒータが遮断される。すなわち、センサ・ヒータを遮断した場合は、分路電圧が存在せず、したがって測定結果の誤差が存在しないからである。ヒータを投入したときの測定センサ電圧とヒータを遮断したときの測定センサ電圧との間の差は、分路電圧を与える。この方法は、比較的費用がかかり、かつかなり大規模な回路を必要とする。
したがって、技術的にできるだけ少ない費用で、測定電流のできるだけ正確な測定すなわち漏れ電流に基づく外乱の十分な排除を可能にする、この種類のガスセンサの運転方法を提供することが本発明の課題である。
発明の利点
この課題は、冒頭記載のタイプのガスセンサの運転方法において、ヒータにパルス幅変調加熱電圧信号を加えること、およびセンサ電極の出力信号に、本質的にパルス幅変調加熱電圧信号に対してプッシュプル形状にかつ反転して形成されている補償信号を重ね合わせることとにより解決される。
パルス幅変調加熱電圧信号を加えること、およびセンサ電極の出力信号に、本質的にパルス幅変調加熱電圧信号に対してプッシュプル信号を示す補償電流を重ね合わせることにより、加熱電圧によりセンサ信号に結合される外乱信号を、とくに簡単な方法で排除することができる。この外乱信号は、本来本質的に容量結合ピークを含むパルス幅変調加熱電圧信号の形状を有し、かつこの加熱電圧信号に対してプッシュプル信号としてすなわち反転信号として形成された補償信号により十分に補償される
補償信号の重ね合わせは、純原理的に種々の方法で行うことができる。有利な実施態様は、センサ電極の出力信号が評価回路に供給される前に、補償信号がセンサ電極の出力信号に重ね合わされるように設計されている。この場合、重ね合わせは回路技術的に簡単に形成可能なアナログ方式で行ってもよく、このときは予め補償された信号のみが評価回路内で処理されなければならない。
他の有利な実施態様においては、補償信号が評価回路の出力信号に重ね合わされるように設計されている。この場合、重ね合わせは、同様に、回路技術的に簡単に形成可能なアナログ方式ですなわち加算により行ってもよい。
他の有利な実施態様においては、補償信号は、評価回路内で好ましくはディジタル方式でセンサ信号に重ね合わされるように設計されている。この実施態様はとくに、従来から存在する評価回路を補償信号の処理のために利用できるので、補償信号の重ね合わせのために追加回路部分を必要としないという利点を有している。
パルス幅変調加熱電圧信号に関しては、以上においてはまだ詳細説明がなされていない。とくに外乱信号を更に低減させることを可能にするとくに有利な実施態様は、パルス幅変調加熱電圧信号が平担に伸長する傾斜を有するように設計されている。パルス幅変調加熱電圧信号のこの平担に伸長する、すなわち緩やかに上昇しかつ緩やかに低下する傾斜により、言い換えると、平坦な傾斜を有するパルス幅変調加熱電圧がサイクル発生されることにより、のちに詳細に説明するように、外乱を形成する加熱電圧信号内の高周波が回避されることはとくに有利である。
平担に伸長する傾斜を有するこのような加熱電圧信号の発生は種々の方法で行うことができる。有利な実施態様は、平担に伸長する傾斜を有するパルス幅変調加熱電圧信号がＭＯＳＦＥＴスイッチにより発生され、ＭＯＳＦＥＴスイッチのゲート・リード線内に前置抵抗が配置されているように設計されている。ＭＯＳＦＥＴスイッチのゲート・リード線内のこの前置抵抗により、ゲート容量と共にＲＣ低域フィルタが形成され、ＲＣ低域フィルタは、パルス幅変調加熱電圧信号の緩やかなスイッチング、したがって信号内の高周波部分の低減を可能にする。
図面
本発明の他の特徴および利点が幾つかの実施態様に関する以下の説明ならびに図面により明らかである。
図面において、
図１は、ガスセンサの動作回路に基づく本発明によるガスセンサの運転方法の第１の実施態様を略図で示し、
図２は、ガスセンサの動作回路に基づく本発明によるガスセンサの運転方法の他の実施態様を略図で示し、
図３は、ガスセンサの動作回路に基づく本発明によるガスセンサの運転方法のさらに他の実施態様を略図で示し、および
図４は、それ自体既知のガスセンサを略図で示す。
実施態様の説明
図４に略図で示した、たとえばＣＯ，ＮＯ，炭化水素、またはその他の排出ガスを検出するためのガスセンサは２つのセンサ電極１２，１３を含み、２つのセンサ電極１２，１３は、それぞれ電解質、たとえば酸化ジルコニウムＺｒＯ₂およびセンサ材料、たとえばドーピングされた酸化チタン内に埋め込まれている。ガスセンサの正常な運転のために、ガスセンサは、たとえばＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁層４１内に蛇行状に埋め込まれているヒータ４０により加熱されなければならない。図４に示した実施態様において、担体は、たとえば酸化ジルコニウムからなり、ヒータがその中に埋め込まれている酸化アルミニウム層４１は、たとえばシルクスクリーン印刷技術により形成される。
しかしながら更に、担体それ自体を酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃から構成してもよい。この場合、Ａｌ₂Ｏ₃は導電性ではないので、ヒータを各々埋め込む必要がないことは明らかである。
高温になると酸化ジルコニウムの導電性はさらに増加することから、とくに高温においてはヒータを完全に絶縁することができないので、セラミック基板または電解質層およびセンサ材料層内のイオン伝導性、または電子伝導性に基づく残留伝導性により、センサ信号内に加熱電圧の外乱結合が形成される。
図１ないし図３にガスセンサの動作回路が略図で示されている。これらの図において、ヒータ４０は抵抗Ｒ_Hとして示されている。更にセンサ電極１２，１３から発生するセンサ信号Ｕ_Senに外乱信号

が重ね合わされ、外乱信号

は上記のように加熱電圧の結合により発生する。図１ないし図３に略図で示すように、外乱は有限の寄生インピーダンスＺで示すことができる。このインピーダンスＺは破線により略図で示した抵抗３からなるきわめて多数の個別インピーダンスにより形成される。これらのインピーダンスを介して、ヒータは種々の高い外乱電圧をセンサ電極１２，１３の種々の位置に結合させ、これにより本来のセンサ信号Ｕ_Senに外乱信号

が重ね合わされる

この信号は評価回路７において処理され、評価回路７はこの信号をさらに処理するために測定信号Ｕ_Messを出力する。
上記の外乱を十分に低減するために、ここでは以下のような方法が行われる。
ヒータにパルス幅変調信号Ｕ_PWMを加えかつセンサ電極の出力信号Ｕ_Senに補償信号Ｕ_Kompを重ね合わせ、補償信号Ｕ_Kompは本質的にパルス幅変調加熱電圧信号Ｕ_PWMに対してプッシュプル形状に（すなわち反転して）形成されている。この重ね合わせにより信号の外乱部分

は低減される。図１に示すように、この重ね合わせは評価回路７の前で補償信号Ｕ_PWMの加算により行うことができる。
図２に示す回路においては、補償信号は評価回路の出力信号に加算により重ね合わされる。
これらの両方の場合において、重ね合わせはアナログ方式で行われる。
図３に示す実施態様において、補償信号は、ディジタル方式でセンサ信号の評価回路７内で重ね合わされる。この場合、追加回路部分は必要ではない。補償信号の重ね合わせは評価回路７の一体構成部分として行われ、評価回路７は、たとえばマイクロコンピュータを含んでいてもよく、したがって重ね合わせはプログラム技術的な方法で行うことができる。
パルス幅変調加熱電圧信号は更に、それが平担に、すなわち時間の関数として緩やかに上昇および低下する傾斜を有するように形成されている。このように緩やかに上昇および低下する傾斜は、急速に上昇および低下する傾斜よりも外乱の原因となる高周波成分をより少なく有しているにすぎない（フーリェ変換）。いわゆるより高い周波数を有する寄生インピーダンスＺの容量部分は、抵抗が小さくしたがって外乱信号を通しやすいので、外乱電圧を低下するためには加熱電圧信号Ｕ_PWM内の高周波は回避されるべきである。
パルス幅変調加熱電圧信号Ｕ_PWMは、たとえばＭＯＳＦＥＴスイッチによりサイクル発生することができる。この場合、ＭＯＳＦＥＴスイッチのゲート・リード線内に前置抵抗が設けられ、この前置抵抗は、ゲート容量と共にＲＣ低域フィルタを形成する。この低域フィルタは、パルス幅変調加熱電圧の緩やかなスイッチングを行い、したがって信号内の高周波成分を低減させる。
上記の方法により、ガス濃度がとくに低い場合に発生するきわめて小さいセンサ電流においても、外乱信号は技術的に比較的少ない費用で低減される。これにより、センサ信号Ｕ_Senの測定は簡単になりないし初めて可能となる。

Claims (6)

1. 電気ヒータにより加熱可能なイオン伝導性セラミック内に配置された２つのセンサ電極（１２，１３）を備えたガスセンサの運転方法であって、前記センサ電極の出力信号（Ｕ_Sen）がセンサ電極（１２，１３）の下流側に設けられた評価回路（７）において評価される、ガスセンサの運転方法において、
   ヒータ（４０）にパルス幅変調加熱電圧信号（Ｕ_PWM）を加えること、および
   前記センサ電極の出力信号（Ｕ_Sen）に、パルス幅変調加熱電圧信号（Ｕ_PWM）に対してプッシュプル形状にかつ反転して形成されている補償信号（Ｕ_Komp）を重ね合わせること、を特徴とするガスセンサの運転方法。
2. 前記センサ電極の出力信号（Ｕ_Sen）が評価回路（７）に供給される前に、補償信号（Ｕ_Komp）が前記センサ電極の出力信号（Ｕ_Sen）に重ね合わされることを特徴とする請求項１の方法。
3. 補償信号（Ｕ_Komp）が評価回路（７）の出力信号に重ね合わされることを特徴とする請求項１の方法。
4. 補償信号（Ｕ_Komp）が、評価回路（７）において、ディジタル方式でセンサ信号（Ｕ_Sen）に重ね合わされることを特徴とする請求項１の方法。
5. パルス幅変調加熱電圧信号（Ｕ_PWM）が、傾斜した立ち上がり端及び立ち下がり端を備えるパルス形状を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの方法。
6. パルス幅変調加熱電圧信号（Ｕ_PWM）が、ＭＯＳＦＥＴスイッチにより発生され、該ＭＯＳＦＥＴスイッチのゲート・リード線内に前置抵抗が配置されていることを特徴とする請求項５の方法。

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