JP4327843B2 - ガスセンサの駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、独立請求項の上位概念に記載のガスセンサの駆動装置に関する。

専門書「Otto-Motor-Management/Bosch」、VerlagVieweg,1.Aufl.,1998,pp.22-23には、広帯域ラムダセンサが記載されており、このラムダセンサは、拡散バリアを介してガス室と接続されたセンサ室を有する。センサ室には内部ポンプ電極が配置されており、このポンプ電極は外部ポンプ電極、およびポンプ電極間にある酸素イオン透過性の電解質と共にポンプセルを形成する。ポンプセルによりガスの酸素イオンをセンサ室から、またはセンサ室へ電解質を通してポンピングすることができる。

ポンプセルの他に測定セルが、内部ポンプ電極と基準ガス電極との間に設けられている。ここでは内部ポンプ電極と基準ガス電極との間に同様に、酸素イオン透過性の電解質が配置されている。測定セルはネルンストセルに相応する。ネルンストセルでは、熱力学的平衡状態で内部ポンプ電極と空気基準電極との間に形成される電位差が、センサ室にある被検ガスの分圧と基準空気中の被検ガスの分圧との比の対数に比例する。

アナログ回路技術で実現される回路構成の役目は、センサ室中の酸素分圧を調整して、ネルンスト電位が一定の所定値に留まるようにすることである。この回路構成はこの目的のために、外部ポンプ電極に印加される電気的ポンプ電流を変化させる。ポンプ電流の極性と大きさは、どれだけの大きさで所定のネルンスト電位を上回るか、または下回るかに依存する。調整されるポンプ電流は動作抵抗に電圧として発生し、この電圧が被検ガスの濃度に対する尺度となる。

DE3625071A1には、イオン伝導性を変化するセンサの駆動方法、並びにこの方法を実施するための装置が記載されている。ここではセンサに、周期的に経過する過程で、定電流源から送出される電流がパルス状に印加される。センサに生じる電圧は、センサが曝される相対的空気湿度に対する尺度である。電流をパルス状に供給することで、センサ電極における分極作用が回避される。交互の極性を有することのできる定電流を使用することにより、センサ素子に発生するセンサ電圧を簡単に評価することができる。

本発明の課題は、簡単に実現される回路装置を含み、ドリフトおよびオフセットの少ない正確な測定を大なうことのできる、ガスセンサの駆動装置を提供することである。

この課題は、独立請求項に記載の構成によって解決される。

発明の利点
本発明によれば、ポンプ電流を提供するための定電流源が設けられている。第1の択一的実施例では、定電流源は設定可能な複数の電流レベルに調整可能である。場合により第1の実施例に付加的に設けることのできる第2の択一的実施例によれば、定電流源はスイッチオンフェーズとスイッチオフフェーズによるクロッキング動作を行う。
本発明の装置はデジタル回路技術で実現することができる。このことによりポンプ電流および測定信号を比較的正確に検出することができる。アナログ回路技術では面倒な手段によってのみ押さえ込むことのできる、ドリフトとオフセットによるエラーがほぼ回避される。さらにポンプ電流の検出はガスセンサの電気的キャパシタンスに依存しない。

本発明による装置により、第1の実施例に従い定電流の種々異なる大きさを設定することができる。測定すべきガスの濃度が観察される測定時間内で変化しないか、またはほとんど変化しない定常動作状態では、回路装置内で既知の定電流がポンプ電流と同じである。通常の非定常状態では、時間的に設定された測定窓にわたる簡単な平気値形成によりポンプ電流を得ることができる。平均値形成はとりわけ簡単に実現される。なぜなら、設定された定電流が流れる時間も、回路装置内の定電流の大きさも共に既知だからである。

スイッチオンフェーズとスイッチオフフェーズによるクロック動作が行われる第2の実施例によれば、平均ポンプ電流の設定はスイッチオンフェーズおよび/またはスイッチオフフェーズの持続時間の変化により可能である。第2の実施例により、極端な場合には１つだけの設定レベルを有する定電流源が実現される。

フレキシブルな解決手段では、第1実施例と第2実施例を組み合わせる。組み合わせることにより、定電流の大きさと、スイッチオフフェーズおよび/またはスイッチオフフェーズの持続時間をフレキシブルに設定することができる。本発明によるガスセンサの駆動装置は制御ループを含んでおり、この制御ループによりポンプ電流の変化が測定電圧に影響を及ぼし、この測定電圧が再びポンプ電流の追従制御を引き起こすから、本発明の手段によって制御特性の最適化が、制御精度と制御速度の点で達成される。

本発明の装置は、標準的インタフェースを介して別の電気制御ユニットから直接応答することができる。ただしこの電気制御ユニットは本発明の対象ではない。ここで付加的な回路手段はほとんど必要ない。本発明の装置で発生する信号はデジタル形式で存在する。従って信号処理をほとんど計算機で実行することができる。このことにより回路装置が小型化され、同時に機能性が向上され、また装置の機能性が変更可能となる。ガスセンサの種々異なる実施形態への適合、またはガスセンサのサンプルばらつきを調整するための適合がソフトウエア的に簡単に行われ、ハードウエアを変更する必要はない。

ガスセンサを駆動するための本発明の装置の有利な改善形態および構成は従属請求項に記載されている。

実施例では、定電流源が正および負の極性を有する定電流を設定することができる。

実施例では、所定の測定時間にわたる平均値形成が行われる。平均値形成により、とりわけ制御過程が発生する非定常過程でのポンプ電流の検出精度が向上する。
測定時間を適合することはローパスフィルタ機能に相当し、これにより同時にポンプ電流の時間的経過を平滑化することができる。

本発明の装置により、ポンプ電流の検出を簡単な計数過程により行うことができる。電流レベルが設定されており、スイッチオンフェーズおよび/またはスイッチオフフェーズの持続時間が設定されていれば、所定の測定時間内でスイッチオンフェーズまたはスイッチオフフェーズの数を計数することにより直接的にポンプ電流に対する尺度が得られる。測定電圧の調整は、定電流源を所定の目標測定電圧と実際測定電圧との比較に依存して制御することにより可能である。アナログ測定電圧は有利にはA/D変換器でデジタル信号変換する。これにより本発明の装置をデジタル回路技術でほぼ実現することができる。

本発明の装置のさらなる改善形態では、ガスセンサが複数のポンプセルを有し、この複数のポンプセルを種々異なる被検ガスに曝すことができる。複数のポンプセルに対してはただ１つの測定セルが必要なだけである。時間的割り当てにより、１つの同じ定電流源が時間シーケンスで、ポンプセル全体にポンプ電流を印加することができる。複数のポンプセルが無電流状態である時間が過度に大きな値であれば、定電流源およびその制御部を相応に多重に設けることができる。付加的なコストはこれにより限界内に留まる。なぜなら、計算機、例えばマイクロプロセッサでの機能は大きなコストなしで多重に実現できるからである。

本発明の装置は、とりわけ内燃機関の排ガス中に配置されるガスセンサの駆動に適する。デジタル化することにより、ガスセンサの使用時に電磁的障害に汚染された環境において格段の利点が得られる。

本発明のガスセンサの駆動装置のさらに有利な改善形態および構成は従属請求項および以下の説明から得られる。

図面
図１は、ガスセンサの断面図である。
図２は、図１に示されたガスセンサを駆動するための本発明の装置のブロック回路図である。
図３ａ〜３ｃは、図２に示された装置に発生する信号経過を時間について示す線図である。

図１はガスセンサ１０の断面図であり、このガスセンサは外部ポンプ電極１１と内部ポンプ電極１２との間に配置されたポンプセル１３を有する。内部ポンプ電極１２はセンサ室１４に配置されており、センサ室には拡散バリア１５を介して測定ガスが供給される。センサ室１４にはさらに内部測定電極１６が配置されており、この内部測定電極はガス基準室２７に配置された外部測定電極１８と共に測定セル１９を形成する。

ポンプ電極端子APEと接続された外部ポンプ電極１１にはポンプ電流Ipが印加される。内部測定電極１６と接続された内部ポンプ電極１２はセンサ室端子ＩＰＥに導かれている。外側測定電極１８は測定信号端子LRに導かれている。

図２は、ガスセンサ１０を駆動するための本発明の装置のブロック回路図である。
ガスセンサ１０の電気的等価回路は、ポンプ電極端子APEと測定信号端子LRとの間にポンプセル電圧UAPEとポンプセル抵抗RAPEを有する。ガスセンサ１０はさらに、測定信号端子LRとセンサ室端子ＩＰＥとの間の測定電圧UＩＰＥｉｓｔと、測定セル抵抗ＲＩＰＥを有する。センサ室端子ＩＰＥは回路アース２０と接続されている。

センサ電圧ULRが印加される測定信号端子LRはサンプリング＆ホールド回路２１と接続されており、サンプリング＆ホールド回路２１にはA/D変換器２２が後置接続されている。A/D変換器２２はデジタル化された測定電圧ＵＩＰＥｉｓｔを比較器２３にさらに供給する。

比較器２３は、デジタル化された測定電圧ＵＩＰＥｉｓｔを目標電圧ＵＩＰＥｓｏｌｌと比較し、差信号２４を決定論理回路２５に出力する。

決定論理回路２５は、第1の切替信号ｓｔ１を第1のスイッチに、第2の切替信号St2を第2のスイッチS2に出力し、さらに計数信号２６をカウンタ２７に出力する。

第1のスイッチS1は正の電圧源Ｕ＋と、そして第2のスイッチは負の電圧源Ｕ−と接続されている。第1のスイッチS1は正の電圧源Ｕ＋を、第2のスイッチS2は負の電圧源Ｕ−を電流源抵抗ＲＩに接続することができる。電流源抵抗RIは、ポンプ電流IPが流れるポンプ電極端子APEと接続されている。サンプリング＆ホールド回路２１と決定論理回路２５を制御するためにクロック発生器２８が設けられており、このクロック発生器はクロック信号TAKTを形成する。

図３ａ〜３ｃは、図２に示された装置に発生する信号経過を時間tについて示す線図である。

図３aは、センサ電圧ULRを時間ｔについて示す。センサ電圧ULRは、測定電圧源ＵＩＰＥｉｓｔの電圧とエラー電圧UFとの重畳により発生する。エラー電圧UFは、ポンプセル抵抗RAPEでの、ポンプ電流Ipに基づく電圧降下によって発生する。スイッチオンフェーズTDの間、ないしはポンプ電流Ipが流れるときに、エラー電圧UFが発生する。スイッチオフフェーズTAの間、ポンプ電流Ipは遮断され、従って測定電圧ＵＩＰＥｉｓｔがセンサ電圧ULRが存在する。

図３ｂは、ポンプ電流Ipを時間ｔについて示す。第1の時点T1と第2の時点T6の間が第1の時間インターバルである。スイッチオンフェーズTDの間に、第1の値I+を有するポンプ電流Ipが発生する。スイッチオフフェーズTAの間、そして第６の時点T6から始まり、測定時間TMで終了する時間間隔の間、ポンプ電流IpはスイッチオンフェーズTDで第2の値Ｉ−に設定される。測定時間TMの発生により、ポンプ電流Ipの大きさは、スイッチオンフェーズTDで再び第1の値I+に変化する。

図３ｃには、クロック信号TAKTが時間tについて示されている。クロック信号TAKTはスイッチオンフェーズTDの間はオンレベルを有し、スイッチオフフェーズTAの間はオフレベルを有する。クロック信号TAKTは周期時間TPを有する。周期時間TPの間にスイッチオフフェーズTDとスイッチオフフェーズTAが発生する。

図１に概略的に示されたガスセンサ１０の、本発明による駆動装置を、図２に示した装置に発生する、図３ａ〜ｃに示した信号経過に基づいて詳細に説明する。 ガスセンサ１０は例えば内燃機関の排ガス中に配置される。ガスセンサ１０はこの適用において、排ガスに含まれるガス成分の濃度を検出する。ここでは例えば残留酸素濃度または窒化酸化物(NOx）濃度が取り扱われる。外部ポンプ電極１１並びに拡散バリア１５は被検ガスに曝される。センサ室１４中のガス濃度はポンプセル１３によるガスイオン搬送によって変化する。濃度は、外部ポンプ電極１１のポンプ電極端子APEに電圧を印加することにより変化する。電圧に基づいてポンプ電流Ipが発生する。

ガスセンサ１０はさらに、内部電極ｊ１６と外部電極１８との間に形成された測定セル１９を有する。測定セル１９によりセンサ室１４中の被検ガス濃度を、測定セル１９に発生するガスイオン流に基づいて測定することができる。測定セル１９の電圧は測定電圧UIPEistであり、この電圧をネルンスト電位と称する。ネルンスト電位を形成するための前提は、被検ガスのガス成分間が熱力学的に平衡状態であることである。濃度測定は、ガス基準室１７に発生するガス濃度に対して行われる。ここでこの基準室には例えば空気が充填されている。

ガス基準室１７における被測定ガスの濃度がセンサ室１４の濃度よりも高いことを前提にすれば、図２に示したガスセンサ１０の等価回路が成り立つ。前記の条件の下で、測定信号端子LRに発生する電位は、ポンプ電極端子APEに発生する電位より低いが、センサ室端子IPEに発生する電位よりは高い。この電位は、ガスセンサ１０の等価回路に示された電圧源により検出される。電圧源の電圧、従って測定電圧ＵＩＰＥｉｓｔ並びにUAPEのポンプセル電圧は、測定セル１９ないしポンプセル１３での電位差によって決められる。この電位差はポンプ電流Ipにより調整することができる。

図2に示された装置役目は有利には、測定電圧UIPEistを目標電圧UIPEsollに調整することである。目標電圧UIPEsollは、内燃機関の排ガス中の残留酸素濃度を熱力学的平衡状態で検出するガスセンサの場合、例えば次の値に設定される。すなわち、空気数の領域でラムダが少なくとも近似的に1であり、酸素濃度ないしは酸素分圧が数10乗だけ変化する値に設定される。相応にして測定電圧ＵＩＰＥｉｓｔは大きく変化する。目標電圧UIPEsollは例えば450mVの値に設定される。

図3aに示された、測定信号端子LRから取り出されるセンサ電圧ULRは、有利にはスイッチオフフェーズTAの間に検出される。ポンプ電流IpのスイッチオフフェーズTAの間は、測定セル抵抗RIPEにおけるポンプ電流Ipに起因するエラー電圧UFによる電圧の錯誤はなくなる。センサ電圧ULRのサンプリングは、クロック信号TAKTにより制御されるサンプリング＆ホールド回路21により行われる。このサンプリング＆ホールド回路21にはA/D変換器22が後置接続されている。

択一的にサンプリング＆ホールド回路21とA/D変換器22を装置内で置換することができる。これにより測定信号UIPEを直接、A/D変換することができる。

デジタル化された測定電圧ＵＩＰＥｉｓｔは比較器23で目標電圧UIPEsollと比較される。差に依存して差信号24が決定論理回路25に出力される。決定論理回路25は、第1の切替信号St1と第2の切替信号St2により、第1スイッチS1または第2スイッチS2を制御する。正の電圧源U+に接続された第1のスイッチS1の閉鎖により、電流源抵抗Riが所定の振幅I+を備えるポンプ電流Ipに接続される。この振幅I+は図3bに示されており、第1の時点T1と第6の時点T6との間にある時間間隔内で発生する。第１の制御信号St1、およびひいては第1の値I+を備えるポンプ電流IpはスイッチオンフェーズTDの間に発生する。図示の実施例では、第1の時点T1と第6の時点T6との間に5つのスイッチオンフェーズTDが設けられている。

図示の実施例では、正と負の電圧源U+,U-と、電流源抵抗Riを備える装置が切り替え可能な定電流源を形成する。図示の構成の代わりに、ポンプ電流を正確に設定できるように定電流源を複雑に構成することもできる。電流源抵抗Riが正および負の電圧源U+,U-の内部抵抗およびポンプセル抵抗Riよりも格段に高抵抗であることを前提にすれば、ポンプ電流Ipは実質的に、正または負の電圧源U+,U-の電圧と電流抵抗Riによって決められる。単にポンプ電流Ipの大きさだけが設定されているのなら、定電流源を図3bに示した電流レベルI+,I-に設定することができる。正および負の電圧源U+,U-の電圧および/または電流源抵抗Riの抵抗値を変化することにより、種々異なる電圧レベルを設定することができる。

負の電圧源U-と接続された第2のスイッチS2が閉鎖すると電流源抵抗Riとの接続に、ポンプ電流Ipの第2の値I-が発生する。この状況は図3bに、第６の時点と測定時間TMとの間に示されている。この時間間隔の間に、例えば図示された４つのスイッチオンフェーズTDが発生する。図示の実施例では、第６の時点T6で差信号２４が、デジタル化された測定電圧UIPEistが目標電圧UIPEsollを上回っていることをシグナリングする。これにより時点T6に続く周期時間TPで第1の切替信号St1が取り下げられ、第2の切替信号St2がスイッチオンフェーズTDの間に、第2のスイッチS2を閉鎖するため出力される。測定時間TMの発生により、差信号２４は再び変化する。測定時間TMの発生により制御器発振は終了する。制御器の構成を帰れば、別の特性が生じる。

回路要素はほとんどがデジタルで実現されているので、ポンプ電流Ipの簡単な検出が可能である。定電流源の電流の第1と第2の値I+,I-は、正と負の電圧源U+,U-の電圧と、電流源抵抗Riの大きさにより設定される。ポンプ電流Ipは、図3bに示したスイッチオンフェーズTDの簡単な計数過程により検出することができ、有利にはポンプ電流Ipの第1と第2の値の絶対値I+,I-は同じ大きさである。計数は、第1の時点T1と第６の時点T6の間で発生するスイッチオンフェーズTDの計数と、第６の時点T6と測定時間TMの間で発生するスイッチオンフェーズTDの計数によって行われる。引き続き差が形成される。

図示の実施例では、差形成が行われる測定時間TMがたまたま制御器発振と同じである。しかし測定時間TMは制御器発振に依存しないで設定することができる。測定時間TMは、平均値形成に対する積分時間を指示する。平均値形成の結果は、外部ポンプ電極11に印加される平均ポンプ電流Ipである。ポンプ電流Ipは被検ガスの濃度に対する直接的尺度である。なぜならポンプ電流Ipは、一定に保持された測定電圧UIPEistに依存して制御されるからである。平均値形成は滑らかに行うことができる。

滑らかな平均値形成とは、例えば各時点T1〜T9で電流パルスが、同じように進行する測定時間TMまでそれぞれ加算されることを意味する。

平均ポンプ電流Ipを検出する際の分解能は、測定時間TMの設定により調整される。例えば周期時間TPが0.1msに、測定時間TMが10msに設定されれば、分解能TM/TP=100である。従って平均ポンプ電流Ipは、最大可能平均ポンプ電流ＩＰの1/100ステップで分解することができる。最大可能平均ポンプ電流値は、100*U+*TD・Riないしは100*U-*TD/Riとすることができる。

スイッチオンフェーズTDおよび/または第1および/または第2の値I+,I-の段階的に変化することより、精度および速度、並びに制御の安定性の点で制御特性が最適化される。

改善形態では、定電流源U+,S1,U-,Riが多段に、とりわけ２つの極性に対して多段に構成される。差信号２４が測定電圧UIPEistと目標電圧UIPEsollとの間で比較的大きな差を指示する場合、１つまたは複数のスイッチオンフェーズTDに対して、差が比較的に小さい場合よりも大きな電流量を設定することができる。

別の改善形態では、スイッチオンフェーズTDおよび/または周期時間TPが可変に設定される。この場合、測定電圧UIPEistと目標電圧UIPEsollとの間の差が比較的に大きければ、まず１つまたは複数の周期時間TPに対して、差が比較的に小さい場合よりも長いスイッチオンフェーズTDを設定することができる。

前記改善形態を組み合わせることもできる。この場合、ポンプ電流Ipの値I+,I-の変化と、スイッチオンフェーズTDおよび/または周期時間TPの変化とによって、ポンプ電極に供給される電荷量を、積Ip*TDに従い周期時間TP内で可変に設定することができる。

さらなる改善形態では、カウンタ２７でのスイッチオンフェーズTDの計数の際に、他方の値I+,I-へのポンプ電流の変化と、スイッチオンフェーズTDの持続時間の変化が考慮される。

別の改善形態では、ガスセンサ10が1つのポンプセル13だけでなく複数のポンプセルを有する。個々のポンプセルには時間シーケンスで定電流源U+,S1,U-,S2,Riからポンプ電流Ipが印加される。しかし複数の定電流源をポンプ電流源13の数に応じて設けることもできる。サンプリング＆ホールド回路21による測定電圧UIPEistのサンプリング中に、ガスセンサ10での電圧降下を回避するため、スイッチオフフェーズTAがすべてのポンプセルに対して同時に発生するよう注意すべきである。

図１は、ガスセンサの断面図である。 図２は、図１に示されたガスセンサを駆動するための本発明の装置のブロック回路図である。 図３ａ〜３ｃは、図２に示された装置に発生する信号経過を時間について示す線図である。

Claims (10)

1. センサ室(14)を有するガスセンサ(10)の駆動装置であって、
   該センサ室には拡散バリア(15)を介して被検ガスが供給され、
   該ガスセンサは、センサ室(14)と被検ガスとの間に配置された少なくとも1つのポンプセル(13)と、センサ室(14)と基準ガス室(17)との間に配置された測定セル(19)とを有し、
   当該装置では、ポンプセル(13)の、被検ガスに曝される外部ポンプ電極(11)に、基準ガス室(17)に配置された測定電極(18)により検出される測定電圧(UIPEist)に比例するポンプ電流(Ip)が印加される形式の駆動装置において、
   前記ポンプ電流(Ip)を形成するための定電流源（U+,S1,U-,S2,Ri)が設けられており、
   前記定電流源（U+,S1,U-,S2,Ri)は、正および負の極性(I+、I-)のポンプ電流(Ip)を設定し、
   前記定電流源（U+, S1, U-, S2, Ri)は、スイッチオンフェーズ(TD)とスイッチオフフェーズ(TA)により交互に動作し、
   スイッチオフフェーズ(TD)および/またはスイッチオフフェーズ(TA)の持続時間は設定可能であり、
   比較器(23)により、測定電圧(UIPEist, UIPEistd)と目標電圧(UIPEsoll)との間の差を表す差信号(24)が形成され、
   前記測定電圧が前記目標電圧を上回る場合、負のポンプ電流(I-)が調整され、下回る場合、正のポンプ電流(I+)が調整される、
   ことを特徴とする駆動装置。
2. 請求項１記載の装置において、前記定電流源(U+,S1,U-,Ri)は２つの極性に対して多段に構成されており、
   前記差信号(24)が測定電圧(UIPEist)と(目標電圧UIPEsoll)との間で比較的大きな差を指示する場合、１つまたは複数のスイッチオンフェーズ(TD)に対して、差が比較的に小さい場合よりも大きな電流量を設定する装置。
3. 請求項１または２記載の装置において、前記スイッチオンフェーズ(TD)および/または周期時間(TP)は可変に設定され、
   測定電圧(UIPEist)と目標電圧(UIPEsoll)との間の差が比較的に大きければ、１つまたは複数の周期時間(TP)に対して、差が比較的に小さい場合よりも長いスイッチオンフェーズ(TD)を設定する装置。
4. 請求項１から３までのいずれか一項記載の装置において、前記ポンプ電流(Ip)の値(I+,I-)の変化と、スイッチオンフェーズ(TD)および/または周期時間(TP)の変化とによって、前記ポンプ電極に供給される電荷量を、積Ip*TDに従い周期時間(TP)内で可変に設定する装置。
5. 請求項１から４までのいずれか一項記載の装置において、平均ポンプ電流(Ip)を検出するために、所定の測定時間(TM)にわたる平均値形成を行う装置。
6. 請求項１から５までのいずれか一項記載の装置において、測定電圧(UIPEist)は、スイッチオフフェーズ(TA)中に検出される装置。
7. 請求項１から６までのいずれか一項記載の装置において、複数のポンプセル(13)がガスセンサ(10)に設けられており、
   ポンプセル(13)の各外部電極(11)にはポンプ電流(Ip)が印加される装置。
8. 請求項１から７までのいずれか一項記載の装置において、ガスセンサ(10)の基準ガス室(17)には空気が存在する装置。
9. 請求項８記載の装置において、目標電圧(UIPEsoll)は、300mVから700mVの値に設定されている装置。
10. 請求項１記載の装置において、ガスセンサ(10)は排ガスセンサとして構成されており、
    外部電極(11)および拡散バリア(15)は排ガスに曝される装置。

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