KR20030070107A - 선형 산소 프로브의 내부 저항을 측정하는 장치 - Google Patents

선형 산소 프로브의 내부 저항을 측정하는 장치 Download PDF

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KR20030070107A
KR20030070107A KR10-2003-7009417A KR20037009417A KR20030070107A KR 20030070107 A KR20030070107 A KR 20030070107A KR 20037009417 A KR20037009417 A KR 20037009417A KR 20030070107 A KR20030070107 A KR 20030070107A
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슈테판 볼츠
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명에 따른 장치는 분압기(Rv1, Rv2)를 포함하며, 프로브 가열기가 스위치 온되는 경우 프로브 내부 저항(Rpvs)에 비례하는 전압(VRpvs)이 사전 설정된 설정값(set) 이하로 떨어질 때까지 상기 분압기의 2 개의 단자에 서로 반대되는 위상 위치(영역 2)를 갖는 발진기 신호가 공급된다. 이 때, 상기 시점에서부터 발진기(OSZ)의 출력 신호가 동일한 위상 위치(영역 1)를 가진 분압기(Rv1, Rv2)의 양 단자에 공급됨으로써 진폭 전환(진폭 증대)의 효과가 야기된다.

Description

선형 산소 프로브의 내부 저항을 측정하는 장치{DEVICE FOR DETERMINING THE INTERNAL RESISTANCE OF A LINEAR OXYGEN PROBE}
내연 기관에 공급되는 연료/공기 혼합물을 검출하기 위해 내연 기관의 배기 가스관 내에 위치하며, 다수의 RC 섹션을 가진 온도 의존적 복소 리액턴스라고도 불리는, 선형 람다 프로브의 확산 배리어의 동적 저항은 변환 비율, 즉 측정 결과에 오류를 일으키는 온도 의존성을 나타낸다. 이는 프로브 온도의 측정을 통해, 그리고 람다 프로브 내에 장착된 가열 소자를 이용한 일정한 값(예: 750℃)으로의 조정을 통해 일어난다. 이 때, 비용 절감의 이유에서 온도 측정을 위한 별도의 열전소자가 생략되고, 그 대신 람다 프로브의 온도 의존성이 높은 내부 저항(Rpvs)이 측정된다.
공지되어 있는 선형 산소 프로브(람다 프로브)의 내부 저항(Rpvs) 측정 방법은 프로브 단자(Vs+)에 공급하기 위한, 예컨대 500㎂pp(peak-peak)의 교류 전류 및 3kHz의 주파수를 발생시키는 것이다. 내부 저항(Rpvs)에서는 교류 전압 신호가 저하된다. Rpvs = 100Ω일 때, 500㎂pp * 100Ω= 50mVpp 이다. 상기 교류 전압 신호는 증폭 및 정류된 다음, 산소 프로브의 온도 조절을 위해 마이크로프로세서의 아날로그/디지털 변환기에 공급될 수 있다.
프로브 저항(Rpvs)은 가열 단계동안 높은 임피던스(200℃에서 약 1MΩ)를 가지고, 상기 프로브 저항에서 저하된 교류 전압 신호의 진폭이 상응하게 커진다(최대 5Vpp).
내부 저항(Rpvs)이 조기에 검출될 수 있도록 하기 위해, 증폭기(Rpvs-Amp)의 증폭도가 낮아야 한다. 일반적인 측정 범위는 0 ...24*R0 (영역 2: 냉 프로브(cold probe))가 될 수 있고, 여기서 R0는 표준 (설정) 프로브 저항(예: 750℃에서 100Ω)에 해당된다. 표준 동작에서는 측정 범위가 더 넓게 확산되어야 한다(예: 0 ...6*R0)(영역 1: 온 프로브(warm probe)).
공지되어 있는 실시예에서는 증폭기(Rpvs_Amp) 내에서의 증폭이 예컨대 *4(가열 단계, 영역 2) 및 *16(표준 동작, 영역 1)으로 전환됨으로써 측정 범위의 변동이 이루어진다. 그로 인해 (증폭 및 정류 이후) 프로브 내부 저항(Rpvs)의 값이 0...4.8V의 범위에 속하는 출력 전압으로 변환된다. 상기 직류 전압에 0.1V의 오프셋 전압이 부가되면, 0.1V...4.9V의 출력 전압 범위가 생성된다. 이 전압 범위는 정류기에서 처리될 수 있고(동작 전압 5V), 아날로그/디지털 변환기의 영역을 이용할 수 있다.
그러나 가열 단계 동안 교류 전압 신호의 진폭이 크다(최대 5Vpp)는 점이 상기 방법의 중대한 단점이다. 이는 몇몇 프로브 타입의 경우 세라믹 손상(소위 흑화(Blackening))을 일으키기 때문에 도입될 수 없다. 일반적인 최대값은 약 2Vpp이다. 그에 따라 교류 전압 신호는 프로브가 충분히 온기가 있는 경우, 즉 낮은 임피던스를 갖는 경우에만 인가될 수 있다.
그럼에도 불구하고 가열 단계를 감시할 수 있도록 하기 위해서는, 펌프 전류(Ip)의 관찰에 의지하게 된다(프로브가 충분히 낮은 임피던스를 가지면, 펌프 전류(Ip)도 흐를 수 있고, Ip 조정이 안정화된다). 그러나 이 방법은 정확하지 못하고, 마이크로컨트롤러에 소요되는 소프트웨어 비용이 상당히 높다.
회로의 동작이 개시되면 발진기가 멈추어야 한다는 사실 때문에 또 다른 문제가 발생한다. 발진기의 출력은 0V 또는 5V에 인가된다. 이 시점에 매우 높은 임피던스를 갖는 프로브 단자(Vs+)는 저항(Rv) 및 커패시터(Cv)를 통해 발진기 출력에 연결된다. 커패시터(Cv)가 방전되었기 때문에 프로브 단자(Vs+)에서의 전위는 발진기 출력의 전위를 따라 마찬가지로 0V 또는 5V에 인가된다.
그러나 상기 값은 표준 동작 범위를 벗어난 값이다. 여기에는 기술되지 않은 진단 회로가 이를 접지에 따른 단락(short-to-ground) 또는 배터리 전압에 따른 단락(short-to-battery voltage)으로 인식하고, (존재하지 않는) 에러(가상 에러)로서 보고할 수 있으며, 상기 에러는 복잡한 소프트웨어 처리를 통해 삭제되어야 한다.
본 발명은 청구항 1의 전제부의 특징에 따른 내연기관의 선형 산소 프로브(람다 프로브)의 내부 저항을 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 공지된 프로브 내부 저항(Rpvs) 측정 장치를 구비한 선형 람다 프로브를 동작하기 위한 공지된 장치를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 프로브 내부 저항(Rpvs) 측정 장치를 나타낸 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 발진기 출력 신호를 나타낸 그래프이다.
도 4는 프로브 내부 저항(Rpvs)에 따른 출력 신호(VRpvs)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 증폭 영역 2(가열 단계)에서 프로브의 출력 신호(VRpvs) 및 전압을 나타낸 그래프이다.
도 6은 증폭 영역 1(표준 동작)에서 프로브의 출력 신호(VRpvs) 및 전압을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 목적은, 발진기가 가열 단계 동안에도 평가 회로에 접속되고 상기 단계에서 교류 전압 신호의 진폭을 설정 범위 이내로 유지하며 프로브 내부 저항을 위한 측정값을 공급하도록 구성된, 선형 산소 프로브의 내부 저항을 측정하기 위한장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1에 언급된 특징들을 가진 장치를 통해 달성된다.
하기에는 개략적인 도면을 참고로 본 발명에 따른 실시예가 더 자세히 기술된다.
도 1에는 공지된 프로브 내부 저항(Rpvs) 측정 장치를 구비한 선형 람다 프로브를 동작하기 위한 공지된 장치가 도시되어 있다.
좌측 상단에
- 교정 저항(calibration resistor) Rc (단자 Rc, Vp+),
- 대체 저항(Rip) 및 분극 전압(polarizing voltage)(Vp)을 포함하는 펌프 셀 (단자 Vp+, Vp-), 및
- 네른스트 전압(Nernst voltage)(Vs) 및 프로브 내부 저항(Rpvs)을 포함하는 측정 셀 (단자 Vs+, Vs-)을 갖는 프로브가 위치하고 있다.
상기 프로브 아래에는
- 차동 증폭기 (Diff_Amp),
- 기준 전압원 (Vref),
- AGC 증폭기 (PID),
- 중간 전압원 (Vm),
- 펌프 전류원 (IP_Source) 및
- 병렬 저항 (Rp)을 갖는 공지된 평가 회로(IP 조정기)가 위치하고 있다.
프로브 및 평가 회로의 우측에 점선 테두리로 표시된 부분에는 발진기(OSZ), 저항(Rv), 감결합(decoupling) 커패시터(Cv), 증폭기(Rpvs_Amp) 및 정류기(GLR)를 포함하는, 공지된 프로브 내부 저항(Rpvs) 측정 장치가 도시되어 있다.
람다 프로브와 상기 람다 프로브의 평가 회로는 본래 공지되어 있으므로 자세히 설명하지 않는다.
프로브 내부 저항(Rpvs)의 측정을 위해 발진기(OSZ) 내에서 발생한 측정 신호, 예컨대 500㎂pp(peak-peak)의 구형(rectangular) 교류 전류 및 3kHz의 주파수가 프로브에 공급된다. 하이 임피던스 저항(Rv) 및 감결합 커패시터(Cv)를 통해 상기 신호가 람다 프로브의 제 1 단자(Vs+)에 전달된다. 그러면 예컨대 100Ω이라고 가정될 수 있는 내부 저항(Rpvs)에서 500㎂pp*100Ω= 50mVpp의 구형파 전압이 발생한다. 이 구형파 전압은 증폭기(Rpvs_Amp)에서 증폭되고 정류기(GLR)에서 정류된 다음, 람다 프로브의 온도 조정을 위한 조정 신호로서 직류 전압(VRpvs)의 형태로 도시되지 않은 마이크로프로세서에 공급될 수 있다. 상기 회로의 단점은 위에서 설명하였다.
도 2에는 점선 테두리 안에 본 발명에 따른 프로브 내부 저항(Rpvs) 측정 장치의 회로가 도시되어 있다. 이 회로에는 다시 도 1의 발진기(OSZ), 증폭기(Rpvs_Amp), 정류기(GLR) 및 감결합 커패시터(Cv)가 포함되어 있다.
저항(Rv)은 2 개의 저항(Rv1 및 Rv2)으로 교체되었고, 2 개의 Exor 소자(Exor1 및 Exor2)(예컨대 74HC86 타입의 배타적 OR(exclusive-OR) 소자) 및 전환 스위치(S)가 추가로 제공되었다.
발진기(OSZ)의 출력은 Exor1의 입력(2) 및 Exor2의 입력(3)에 연결되고, 상기 발진기(OSZ) 출력의 출력 신호는 구형파 전류로서 프로브 내부 저항(Rpvs)에 중첩된다. Exor2의 입력(4)은 저전위(기준 전위 GND)에 인가되고, Exor1의 입력(1)은 전환 스위치(S)에 의해 저전위(GND) 또는 고전위(동작 전압 전위 Vcc = 5V)에 인가될 수 있다.
Exor1의 출력은 저항 "Rv1"을 통해, Exor2의 출력은 저항 "Rv2"를 통해 감결합 커패시터(Cv)에 연결되고, 상기 감결합 커패시터(Cv)는 공지된 방식으로 프로브내부 저항(Rpvs)에 연결되어 증폭기(Rpvs_Amp)를 지나 계속해서 정류기(GLR)까지 이른다.
저항 Rv1 및 Rv2는 다음과 같이 규정된다.:
Rv1 = Z/{0.5*(1-N)}, (= 26.67㏀)
Rv2 = Z/{0.5*(1+N)}, (= 16.00㏀)
여기서,
N = 영역 1/ 영역 2 전압비 (예: 0.25)
Z = 전체 저항: Rv1은 Rv2에 병렬로 연결됨 (예: 10㏀).
상기 장치는 다음과 같이 동작한다.
동작 전압(Vcc = 5V)이 스위치 온되면, 냉각 상태에서는 Rpvs>100㏀이기 때문에 먼저 프로브 가열기가 작동되고 영역 2가 선택된다. Exor1의 입력(1)이 고전위 = 5V에 인가된다. Exor1은 인버터로서 동작하고, Exor2는 비반전 버퍼로서 동작한다. 즉, Exor1과 Exor2는 반대 위상에서 동작한다. 반대 위상 위치를 갖는(즉, Exor1 = Low(0V), Exor2 = High(+5V) 또는 그 반대) 이들의 출력부에서 3kHz의 구형파 신호가 발생한다.
이 경우, 저항 Rv1과 Rv2는 10㏀의 내부 저항을 가진 분압기를 형성한다. Rv1과 Rv2의 연결 지점에서 - 저항 분배기 비율에 따라 - Vcc[Rv1/(Rv1+Rv2)] = 1.87V 이거나 Vcc[Rv2/(Rv1+Rv2)] = 3.13V = 1.25Vpp인(도 3 참조: 영역 2) 교류 전압이 발생한다. 그에 상응하게 프로브 내부 저항(Rpvs)으로 흘러 들어가는 교류 전류가 결정된다.
상기 두 저항(Rv1 및 Rv2)의 연결 지점, 즉 분압기의 탭에서의 출력 교류 전압은 예컨대 무부하 동작시 3.13V와 1.87V = 1.25Vpp 사이에 놓이거나, 또는 Rpvs의 값에 따라 - Rpvs의 온도의 함수로서 - 상응하게 더 낮아진다.
상기 값은 감결합 커패시터(Cv)를 통해 증폭기(Rpvs_Amp)의 입력에 공급된다. 그로 인해 회로의 잘못된 에러 검출이 방지된다.
영역 2에서 프로브 내부 저항(Rpvs)이 사전 설정된 값 이하로, 예컨대 600Ω으로 감소되면(또는 출력 신호(VRpvs)가 상응하는 전압값으로 저하되면), 스위치(S)에 의해 Exor1의 입력(1)이 고전위에서 저전위로 전환되고, 그에 따라 영역 1로 전환된다. 즉, 증폭이 계수 4만큼 증대된다.
이제 Exor1의 입력(1)에는 저전위(GND = 0V)가 인가된다. Exor1 및 Exor2는 모두 비반전 버퍼로서 동위상 모드로 동작한다. 즉, 동위상 상태에 있는 이들의 출력에서 3KHz-구형파 신호(무부하 동작시 5Vpp)가 나타난다. 상기 두 출력부 모두 동시에 저전위 또는 고전위에 연결된다. 저항 Rv1 및 Rv2는 병렬로 연결된 것처럼 보인다(Rv1=16㏀, Rv2=26.67㏀, 공통 저항 Rv1∥Rv2=10㏀). 그에 상응하게 상기 저항들을 통해 5Vpp/10㏀=500㎂pp의 교류 전류가 프로브 저항(Rpvs) 내로 흐른다. 그 결과, 5Vpp의 교류 전압이 발생한다(도 3: 영역 1).
직류 전압의 감결합을 위해 삽입되는 감결합 커패시터(Cv)에 의해 10㏀의 내부 저항 및 1.25Vpp(영역 2) 또는 5Vpp(영역 1)의 무부하 전압으로 프로브 내부 저항에 교류 전압원이 인가된다.
전환 스위치(S)는 영역 2에서 사전 설정된 설정값(set)과 출력 전압(VRpvs)을 비교하는 비교기(K)에 의해 전환된다. VRpvs>set인 동안에는 출력(1)이 고전위에 계속 인가되고, VRpvs<set이 되면 출력(1)은 저전위로 전환된다. 프로브 내부 저항(Rpvs)이 출력 신호(VRpvs)에 의해 100Ω/750℃로 조정되는 경우, 상기 출력(1)은 동작 전압이 차단될 때까지 상기 상황을 유지한다.
비교기(K)는 집적 회로, 예컨대 테두리로 표시된 마이크로프로세서()의 일부이다. 이러한 집적 회로에서는 점선 테두리 내에 존재하는 장치도, 적어도 부분적으로, 집적될 수 있고, 또는 도 1에 도시된 전체 평가 회로도 집적될 수 있다. 동작 전압이 스위치 온되면(동작 시작), 전환 스위치(S)가 Exor1의 입력(1)을 고전위(영역 2)에 연결하는 방식으로 명령(Anf)에 의해 비교기가 세팅된다.
도 3은 영역 1(5Vpp) 및 영역 2(1.25Vpp)에서의 발진기 출력 신호를 나타낸 그래프이다.
도 4는 프로브 내부 저항(Rpvs) 및 증폭기(Rpvs_Amp)의 입력에서 강하되는 전압의 신호 진폭을 프로브 내부 저항(Rpvs)의 함수로서 나타낸 그래프이다. 프로브 내부 저항(Rpvs)은 온도(T)가 20℃일 때 100㏀을 훨씬 넘는 값을 가지며, T200℃일 때 약 100㏀의 값을 가진다(그래프의 우측). 이 경우, 약 1.16Vpp, 최대 1.25Vpp의 전압이 증폭기 입력에 인가된다.
프로브 내부 저항(Rpvs)이 온도 조정이 실시되는(그래프 좌측의 영점 부근), 상기 프로브 내부 저항의 표준값(T=750℃일 때 100Ω)에 인가되면, 증폭기 입력에는 약 0.35Vpp의 전압이 인가된다. 온도(T)는 저항값이 감소함에 따라, 즉 가로축의 우측에서 좌측으로 가면서 상승한다.
도 5는 영역 2의 경우 프로브 내부 저항(Rpvs) 및 증폭기(Rpvs_Amp)의 입력에서의 신호 진폭 (상단), 그리고 그 아래에는 정류기(GLR)의 출력에서 탭핑될 수 있는 직류 전압(VRpvs)을 각각 나타낸 그래프이다(도 4 참조). 프로브 온도(T)가 20℃이고 Rpvs>>100㏀인 동작 시작 지점으로부터 출발하여 증폭기 출력이 먼저 포화 상태에 이르고, 프로브가 가열되어 점점 온도가 올라간다. 프로브 내부 저항(Rpvs)이 2.4㏀보다 작으면(상단), 출력 전압(VRpvs)은 감소한다(하단). Rpvs ≤600Ω이면, 영역 1로 전환된다(도 6).
도 6에는 영역 1, 즉 프로브 내부 저항을 Rpvs=100Ω으로 조정하기 위해 프로브를 가열하기 위한 고유 조정 영역의 경우, 상단에 프로브에서의 신호 진폭이, 그리고 하단에는 출력에서 탭핑될 수 있는 직류 전압(VRpvs)이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 회로는 다음과 같은 장점들을 갖는다.
- 영역 1과 영역 2의 증폭 전환이 교류 전압 신호의 진폭 전환에 의해 이루어진다:
영역 1: 0....6R0 (표준 동작); 진폭 = 5Vpp
영역 2: 0...24R0 (프로브의 스타트 업); 진폭 = 5Vpp/4 = 3.12V - 1.87V=
±0.625V = 1.25Vpp, 도 3 참조
(R0 = 750℃에서 Rpvs = 100Ω)
- 상기 영역들은 2 개의 저항에 의해 매우 간단하게 정의될 수 있다.
- 소오스 저항은 -영역과 상관없이- 항상 일정하다.
- 회로는 간단하게 집적될 수 있고, 또는 표준 부품들을 사용하여 제조될 수있다.
- 냉 프로브에서 ±2V(4Vpp)의 최대 허용 프로브 전압이 더 이상 초과되지 않는다.

Claims (4)

  1. 내연기관의 선형 산소 프로브의 내부 저항(Rpvs)을 측정하기 위한 장치로서, 감결합 커패시터(Cv)를 통해 프로브 단자(Vs+)를 지나 프로브 내부 저항(Rpvs)에 인가되고, 증폭기(Rpvs_Amp)에서 증폭된 다음 정류되어 프로브 가열기용 조정 신호로서 상기 프로브 내부 저항(Rpvs)에 비례하는 전압(VRpvs)을 발생시키는 교류 전류를 발생시키기 위한 발진기(OSZ)를 구비한 내연기관의 선형 산소 프로브의 내부 저항(Rpvs)을 측정하기 위한 장치에 있어서,
    상기 발진기(OSZ)의 출력 신호가 공급되는 2 개의 단자를 가진 분압기(Rv1, Rv2)가 제공되고, 상기 분압기의 탭에서는 상기 프로브 내부저항(Rpvs)을 통해 흐르는 교류 전류를 일으키는 전압이 발생하며,
    상기 발진기(OSZ)의 출력 신호는 서로 반대 위상 위치를 가진 상태로(영역 2) 동작 전압이 스위치 온되는 시점부터 상기 분압기의 양 단자(Rv1, Rv2)에 공급되고, 그 결과 상기 프로브 내부 저항(Rpvs)에 비례하는 증폭기(Rpvs_Amp)의 출력에서의 전압(VRpvs)이 사전 설정된 설정값(set) 이하로 떨어질 때까지 산소 프로브가 가열되며,
    이 시점부터 상기 발진기(OSZ)의 출력 신호가 동일한 위상 위치(영역 1)를 가진 상태로 상기 분압기의 양 단자(Rv1, Rv2)에 공급되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 선형 산소 프로브의 내부 저항(Rpvs)을 측정하기 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    한 쪽 입력(1)은 전환 스위치(S)를 통해 동작 전압의 고전위(Vcc) 또는 저전위(GND)에 연결될 수 있고, 다른 한 쪽 입력(2)은 상기 발진기(OSZ)의 출력에 연결되는 제 1 배타적 OR 소자(Exor1)가 제공되고,
    한 쪽 입력(3)은 상기 발진기(OSZ)의 출력에 연결되고, 다른 한 쪽 입력(4)은 저전위(GND)에 연결되는 제 2 배타적 OR 소자(Exor2)가 제공되며,
    상기 제 1 배타적 OR 소자(Exor1)의 출력은 제 1 저항(Rv1)과 제 2 저항(Rv2)을 직렬로 연결하여 구성한 분압기를 통해 상기 제 2 배타적 OR 소자(Exor2)의 출력에 연결되고,
    상기 분압기의 탭, 즉 상기 두 저항(Rv1, Rv2)의 접합부는 상기 감결합 커패시터(Cv)를 통해 상기 프로브 단자(Vs+) 및 상기 증폭기(Rpvs_Amp)의 입력에 연결되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 선형 산소 프로브의 내부 저항(Rpvs)을 측정하기 위한 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 출력 전압(VRpvs), 사전 설정된 설정값(VRpvs) 및 명령(Anf)을 공급받는 비교기(K)가 제공되고,
    상기 비교기(K)는 동작 시작시 동작 전압이 스위치 온될 때 출력 전압(VRpvs)이 설정값(set)을 초과하는 동안 상기 제 1 배타적 OR 소자(Exor1)의 입력(1)을 전환 스위치(S)를 통해 상기 동작 전압의 고전위(Vcc)에 연결하며(영역2),
    상기 비교기(K)는 영역 2에서 상기 출력 전압(VRpvs)이 설정값(set) 이하로 떨어지자마자 상기 제 1 배타적 OR 소자(Exor1)의 입력(1)을 전환 스위치(S)를 통해 상기 동작 전압의 저전위(GND)에 인가하는(영역 1) 것을 특징으로 하는, 내연기관의 선형 산소 프로브의 내부 저항(Rpvs)을 측정하기 위한 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 설정값(set)은 상기 전환 스위치(S)가 고전위(Vcc)로부터 저전위(GND)로 전환됨에 따라 상기 출력 전압(VRpvs)이 상기 고전위(Vcc)보다 작도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 내연기관의 선형 산소 프로브의 내부 저항(Rpvs)을 측정하기 위한 장치.
KR10-2003-7009417A 2001-01-16 2002-01-14 선형 산소 프로브의 내부 저항을 측정하는 장치 KR20030070107A (ko)

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