KR101523117B1

KR101523117B1 - 센서 소자의 작동을 검사하기 위한 장치

Info

Publication number: KR101523117B1
Application number: KR1020107010505A
Authority: KR
Inventors: 클라우디우스 베포트; 우베 뤼더스
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2015-05-26
Also published as: US8330470B2; EP2208060A1; US20110012630A1; JP5069796B2; JP2011503566A; EP2208060B1; CN101855545A; CN101855545B; DE102008011231A1; WO2009062896A1; KR20100096087A

Abstract

본 발명은 가스 혼합물 내 가스 성분들의 농도, 특히 내연기관 배기가스 내 가스 성분들의 농도를 검출하기 위한, 외부 펌프 전극(APE) 및 내부 펌프 네른스트 전극(IPE)을 구비한 센서 소자(100)의 작동을 검사하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치에서는 외부 펌프 전극(APE) 전방에 측정 저항(Rm) 및 상기 측정 저항에 병렬 접속된 트리밍 저항(Rtrim)이 제공되며, 펌프 전류원에 의해 펌프 전류(Ip)가 외부 펌프 전극으로 인가될 수 있으며, 측정 저항(Rm)을 거쳐 유입되는 측정 전압(Um)이 측정 및 평가 장치(200)에 의해 검출될 수 있다. 상기 장치는, 측정 저항(Rm)에 직렬로 제어 가능 스위치 수단(S)이 배치되고, 이 스위치 수단은 사전 설정 가능한 시간 동안 하이 임피던스 상태로 스위칭될 수 있고, 그동안 측정 및 평가 장치에서 측정 저항에서의 전압이 검출 및 평가되며, 사전 설정 가능한 전압 임계치를 초과할 경우 에러 송출이 실시되는 것을 특징으로 한다.

Description

센서 소자의 작동을 검사하기 위한 장치{DEVICE FOR CHECKING THE OPERABILITY OF A SENSOR ELEMENT}

본 발명은 청구항 제1항의 카테고리에 따른, 가스 혼합물 내 가스 성분들의 농도를 측정하기 위한, 특히 내연기관 배기가스 내 가스 성분들의 농도를 측정하기 위한 센서 소자의 작동을 검사하기 위한 방법에 관한 것이다.

종래 기술에는 다양한 농도 프로브들이 공지되어 있다. 특성곡선이 람다 = 1에서 상기 람다 = 1의 값을 검출하는 데 이용되는 급격한 점프를 갖는 이른바 쌍안정 프로브(bistable probe) 외에도, 소위 광대역 람다 프로브가 존재한다. "보쉬 자동차공학 핸드북(Bosch Kraftfahrtechnisches Taschenbuch)" 제25판, 2003/10월, 134쪽에 광대역 람다 프로브 및 그러한 광대역 람다 프로브를 구동하기 위한 회로 장치의 예가 나와 있다. 그러한 다중층 세라믹 기반 프로브는 실질적으로 전기 도금 셀로서 작용하는 종래의 농도 프로브(네른스트 프로브)와 제한 전류 셀 또는 "펌프" 셀의 조합으로 구성된다. 펌프 셀에는 외부로부터 전압이 인가된다. 그 전압이 충분히 크면, 프로브 양측의 산소 농도차에 비례하는 이른바 제한 전류가 생성된다. 상기 전류에 의해 - 극성에 따라 - 산소 이온이 운반된다. 전자 제어 회로로 구현된 회로 장치에 의해, 농도 프로브에는 배기가스로부터 펌프 셀에 의해 매우 좁은 확산 갭을 통해 언제나 정확히 상기 농도 프로브에서 람다 = 1인 상태가 될 정도의 양의 산소가 공급되는 것이 보장된다. 배기가스 내 공기 과잉 시, 이른바 희박 영역에서는 산소가 펌핑 아웃되고, 배기가스의 잔여 산소 함량이 낮은 경우, 즉 농후 영역에서는 펌프 전압의 역전에 의해 산소가 공급된다. 이때, 펌프 전류가 프로브의 송출 신호를 생성한다.

그러한 평면형 광대역 람다 프로브의 조정은 전류 분배기를 통해 이루어진다. 이를 위해 예컨대 DE 201 06 750 U1에 공지된 것과 같은 프로브의 플러그 커넥터 내에 트리밍 저항이 배치되고, 이 저항은 바람직하게 제어 장치의 부분인 측정 저항에 병렬로 접속된다. 높은 제한 전류를 갖는 확산 배리어의 경우, 트리밍 저항은 로우 임피던스 상태로 유지된다. 제한 전류가 낮으면, 확산 배리어 내에서 레이저에 의해 컷팅이 실시됨으로써 저항이 증가한다. 상기 저항에 의해 펌프 전류-농도 특성곡선이 회전함으로써, 트리밍점 외에 다른 모든 점들도 목표 특성곡선상에 놓인다.

프로브는 관련 라인들을 통해 예컨대 제어 장치의 부분인 평가 회로 장치와 연결된다.

프로브 공급 라인의 단선은 종래 기술로부터 공지된 센서 소자들과 스위칭 장치들에 의해서는 원활하게 인지될 수 없다. 온 보드 진단 II(OBD II)의 규정에 따르면, 현재 모든 배기가스 관련 부품의 지속적인 감시가 필요하다. 특히 람다 프로브 및 상기 람다 프로브의 프로브 라인들도 지속적으로, 예컨대 매 500ms의 주기로 감시되어야 한다. 이때, 차량 구동 중에 이론상 발생할 수 있는 케이블 단선이 존재하는지의 여부도 감시되어야 한다.

따라서 본 발명의 과제는, 전술한 유형의 케이블 단선을 인지할 수 있도록 하며 센서 소자, 특히 광대역 람다 프로브의 작동을 감시하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

이러한 과제는 상기 카테고리에 따른 유형의 센서 소자의 작동을 검사하기 위한 장치를 통해 청구항 제1항의 특징들에 의해 해결된다. 본 발명의 기본 구상은, 갑작스런 상태 변화 시에도 분명하지 않을 수 있는 프로브 신호들의 검증을 수행하지 않고도 접속 센서 소자에서의 부하 감소를 검출하는 것이다.

이를 위해 본 발명은, 측정 저항에 직렬로 제어 가능한 스위치 수단을 배치하고, 상기 스위치 수단은 사전 설정 가능한 시간 동안 하이 임피던스 상태로 스위칭될 수 있으며, 상기 시간 동안 측정 저항에서의 전압이 측정 및 평가 장치에서 검출되고 평가되며, 사전 설정 가능한 임계값이 초과된 경우 에러 송출이 수행되는 것을 제안한다. 상기 스위치 수단에 의해 측정 저항이 어느 정도 차단되고, 그로 인해 케이블 단선 시에도 계속해서 전류가 프로브로 흐를 수 있는 현상이 방지되는데, 이는 측정 저항이 트리밍 저항과 실질적으로 동일한 값을 갖기 때문이다.

종속 청구항들에 기술된 조치들에 의해 독립 청구항에 제시된 회로 장치의 바람직한 개선 및 향상이 가능하다.

한 바람직한 실시예에서는, 스위치 수단이 간단하게 제어될 수 있는 반도체 스위치, 특히 트랜지스터이다. 또한 바람직하게는, 상기 반도체 스위치가 예컨대 제어 장치의 일부일 수 있는 집적 회로의 부분으로서 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예는 도 1에 도시되며, 하기에서 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략도이다.

도 1에는 가스 혼합물 내 가스 성분들의 농도, 특히 내연기관 배기가스 내 가스 성분들의 농도를 측정하기 위한 센서 소자의 작동을 검사하기 위한 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 센서 소자(100)는 네른스트 셀(110) 및 펌프 셀(120)을 포함한다. 도 1에서 네른스트 셀 및 펌프 셀은 각각 그의 등가 회로도로써, 즉 네른스트 셀은 전압원 및 내부 저항(R_in)으로써, 그리고 펌프 셀은 전압원 및 내부 저항(R_ip)으로써 도시되어 있다. 광대역 람다 프로브는 저항(R_H)으로써 개략적으로 도시된 가열기를 더 포함한다. 상기 가열기에 의해 프로브가 프로브의 규정에 따른 작동이 가능한 온도에 도달할 때까지 가열된다. 실질적인 프로브(101)는 가열기용 접속 핀(H1, H2), 네른스트 셀용 접속 핀(R, IPE) 및 펌프 셀용 접속 핀(APE, IPE)을 포함하는 하우징 내에 배치된다. 내부 펌프 전극의 전극과 네른스트 전극은 동일하다. 센서 소자는 외부 펌프 전극(APE)과 프로브 핀(RT) 사이에 배치된 트리밍 저항(R_trim)을 더 포함한다.

트리밍 저항(R_trim)은 측정 저항(R_m)과 함께 전류 분배기를 형성하며, 상기 전류 분배기에 의해 광대역 람다 프로브의 특성곡선의 조정이 실시된다. 트리밍 저항(R_trim)은 바람직하게 프로브의 플러그 커넥터 내에 배치된다. 예컨대 높은 제한 전류를 갖는 확산 배리어의 경우 트리밍 저항(R_trim)은 로우 임피던스 상태로 유지된다. 그에 반해 제한 전류가 낮으면 트리밍 저항(R_trim) 내에 저항값을 높이는 레이저 절개부가 본래 공지된 방식으로 제공된다. 이와 같이 공지된 방식으로 특성곡선이 회전됨에 따라, 트리밍점 외에 다른 모든 점들도 목표 특성곡선 상에 놓이게 된다. 이러한 유형의 센서에서는 네른스트 셀 내에 네른스트 전압이 형성될 때까지 전류(도 1에 펌프 전류원으로서 도시된 펌프 전류 I_p)가 프로브 핀(RT)을 통해 펌프 셀 내로 인가된다. 프로브 핀(RT)은 람다 프로브 평가 회로(200)에 접속된다. 조정된 전류(I_p)는 배기가스-공기 혼합물의 조성에 대한 척도이다. 상기 전류는 트리밍 저항(R_trim)뿐만 아니라 그에 병렬 접속된, 평가 회로(200)의 측정 저항(R_m)을 통해서도 프로브(100) 내로 흐른다. 공기비, 즉 람다값의 측정을 위해 측정 저항(R_m)에서의 전압 강하(U_m)가 평가된다.

이제 케이블 단선이 발생하면, 예컨대 프로브 핀(RT)에서 프로브 라인의 균열이 발생하면, 예컨대 제어 장치의 부분인 평가 회로(200)에서 측정 저항(R_m)이 계속 수신되어 전류가 계속해서 흐를 수 있다. 이제 트리밍 저항(R_trim)의 값이 측정 저항(R_m)의 값과 동일한 범위 내에 놓이므로, 이 경우 트리밍 저항(R_trim)의 결핍 및 그와 더불어 케이블 단선이 명백하게 추론될 수 없다. 따라서 케이블 단선을 명백히 인지할 수 있도록 하기 위해, 본 발명에서는 로우 임피던스 스위치(S)를 통해 측정 저항(R_m)을 차단하는 방법을 제안한다. 이를 위해 측정 저항(R_m)에 직렬로 배치된 스위치(S)가 하이 임피던스 상태로 스위칭된다. 이 경우 단선으로 인해 트리밍 저항(R_trim)이 결핍된 상태에서 전류를 계속해서 인가하려고 하면, 부하 감소 없이는 도달할 수 없는 임계치가 초과될 때까지 프로브 핀(RT)에서의 전압이 계속 증가한다. 따라서 전압 측정을 통해 부하 강하를 명백하게 추론할 수 있다.

그러므로 프로브 핀(RT)에서의 부하 감소를 추론하기 위해 스위치(S)는 사전 설정 가능한 시간에 걸쳐 하이 임피던스 상태로 스위칭되고, 상기 시간 내에 측정 전압(U_m)을 검출한다. 상기 측정 전압이 한계값에 근접하여 사전 설정 가능한 임계값을 초과하면, 부하 감소가 추론된다.

스위치(S)는 예컨대 트래지스터에 의해 구현될 수 있는 반도체 스위치일 수 있으며, 이때 상기 트랜지스터는 회로 장치(200)의 부분이면서 특히 엔진 제어 장치의 부분일 수 있는 집적 회로의 트랜지스터일 수도 있다.

Claims

가스 혼합물 내 가스 성분들의 농도를 검출하기 위한, 외부 펌프 전극 및 내부 전극 또는 네른스트 전극을 구비한 센서 소자(100)의 작동을 검사하기 위한 장치이며, 외부 펌프 전극(APE)과 프로브 핀(RT) 사이에 측정 저항(R_m) 및 상기 측정 저항에 병렬 접속된 트리밍 저항(R_trim)이 제공되며, 펌프 전류원에 의해 펌프 전류(I_p)가 외부 펌프 전극으로 인가될 수 있으며, 외부 펌프 전극(APE)과 프로브 핀(RT) 사이에서 생성되는 측정 전압(U_m)이 측정 및 평가 장치(200)에 의해 검출될 수 있는, 센서 소자 작동의 검사 장치에 있어서,
측정 저항(R_m)에 직렬로 제어 가능 스위치 수단(S)이 배치되고, 이 스위치 수단은 사전 설정 가능한 시간 동안 하이 임피던스 상태로 스위칭될 수 있고, 그 동안 측정 및 평가 장치에서 측정 저항에서의 전압이 검출 및 평가되며, 사전 설정 가능한 전압 임계치를 초과할 경우 에러 송출이 실시되는 것을 특징으로 하는, 센서 소자 작동의 검사 장치.
제1항에 있어서, 스위치 수단(S)은 반도체 스위치인 것을 특징으로 하는, 센서 소자 작동의 검사 장치.
제2항에 있어서, 반도체 스위치는 집적 회로의 부분인 것을 특징으로 하는, 센서 소자 작동의 검사 장치.