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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Sensorzelle zur Abgas-Analyse, wie sie in bekannter Weise in den Abgastrakten von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden. DOLLAR A Um ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, die auch unter Verwendung der vorteilhaften pulsweitengesteuerten Regelung des Heizelementes in jedem Betriebszustand eines Sensors zuverlässige Messergebnisse liefert, wird vorgeschlagen, dass eine elektrische Referenz eines jeweiligen Sensors im Wesentlichen synchron mit dem arithmetischen Mittelwert der Versorgungsspannung des elektrischen Heizelementes verändert wird.The present invention relates to a method and an apparatus for operating a sensor cell for exhaust gas analysis, as they are used in a known manner in the exhaust tracts of internal combustion engines. DOLLAR A In order to provide a method and a corresponding device, which also provides reliable measurement results using the advantageous pulse width-controlled control of the heating element in each operating state of a sensor, it is proposed that an electrical reference of each sensor substantially synchronous with the arithmetic mean of the supply voltage the electric heating element is changed.
    公开号:DE102004018871A1
    申请号:DE200410018871
    申请日:2004-04-19
    公开日:2005-11-10
    发明作者:Torsten Reitmeier
    申请人:Siemens AG；
    IPC主号:G01N27-406
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtungzum Betreiben einer Sensorzelle zur Abgas-Analyse, wie sie in bekannter Weisein den Abgastrakten von Verbrennungskraftmaschinen zur Regelungund Reduzierung eines Schadstoffausstoßes eingesetzt werden. Hierdienen derartige Abgas-Analyse-Sensorzellen der Bestimmung einesGehaltes von Stickoxiden und sonstiger umweltschädlicher Gase, die Bestandteileeines Abgasgemisches sind. Fürdie Regelung werden aus den elektrischen Ausgangssignalen dieserSensoren die erforderlichen Regelgrößen aufbereitet.TheThe present invention relates to a method and an apparatusfor operating a sensor cell for exhaust gas analysis, as known in the artin the exhaust tracts of internal combustion engines for regulationand reducing pollutant emissions are used. HereSuch exhaust gas analysis sensor cells serve to determine aContent of nitrogen oxides and other environmentally harmful gases, the constituentsan exhaust gas mixture are. Forthe regulation will be from the electrical output signals of thisSensors prepare the required control variables.
    [0002] Als λ-Sonden undStickoxid- bzw. NOx-Sensoren fürKraftfahrzeugabgase haben sich elektrisch beheizte Keramiksondenbewährt.Als keramisches Material wird im Wesentlichen Zirkoniumoxid ZrO2 verwendet, das im Betrieb durch eine elektrischeWiderstandsheizung auf Temperaturen zwischen 300 bis 850°C aufgeheiztwird.As λ probes and nitrogen oxide or NOx sensors for automotive exhaust gases electrically heated ceramic probes have proven. The ceramic material used is essentially zirconium oxide ZrO 2 , which is heated to temperatures between 300 and 850 ° C. during operation by electrical resistance heating.
    [0003] OhneBeschränkungder Erfindung auf diesen besonderen Anwendungsfall wird im folgendem nurauf keramische Breitbandsonden eingegangen, wie sie als λ- und Stickoxid-Sensorenin der Kraftfahrzeugtechnik zur Regelung des Schadstoffausstoßes verwendetwerden. Bei im Wesentlichen gleichen Aufbau von λ- und Stickoxid-Sensoren werden diese Sondenbzw. Sensoren im Abgastrakt derart angeordnet, dass λ-Sensorenvor einem Katalysator und Stickoxid-Sensoren hinter einem Katalysatorim Abgastrakt angeordnet sind. Eine Breitband-Sonde misst im Gegensatzzu den nicht weiter betrachteten Finger-, Planar- oder Widerstands-Sprungsonden nichtnur bei einem Bereich um λ ≈ 1, sondernkontinuierlich übereinen weiten λ-Bereichder Gemische von fett bis mager. Breitbandsonden besitzen dazu zweiZellen, nämlicheine so genannte Pumpzelle und eine Konzentrationszelle, die auchals Sensorzelle oder Nernst-Zelle bezeichnet wird. Daher ist eineentsprechende Regelung auf der Basis eines Ausgangssignals einerBreitbandsonde in der Lage, stetig jedes gewünschte Luftverhältnis λ im Brennraumeiner Verbrennungskraftmaschine herzustellen.Withoutrestrictionthe invention to this particular application will be in the following onlyon broadband ceramic probes, such as λ and nitric oxide sensorsused in automotive technology for controlling the emission of pollutantsbecome. With essentially the same structure of λ and nitrogen oxide sensors, these probes becomeor sensors arranged in the exhaust system such that λ sensorsin front of a catalyst and nitrogen oxide sensors behind a catalystare arranged in the exhaust tract. A broadband probe measures in contrastnot to the not further considered Finger, Planar or resistance jump probes notonly at a range around λ ≈ 1, butcontinuously overa wide λ rangethe mixtures from fat to lean. Broadband probes have twoCells, namelya so-called pump cell and a concentration cell, toois referred to as a sensor cell or Nernst cell. Therefore, one iscorresponding control on the basis of an output signal of aBroadband probe capable of steadily any desired air ratio λ in the combustion chamberto produce an internal combustion engine.
    [0004] Einevom Prinzip her aus zwei Zellen bestehende Breitband-λ-Sonde steht mit dreiverschiedenen Medien in Kontakt, nämlich Luft aus der Umgebungsowie einem Abgasgemisch und einem λ-Eins-Gemisch. Das λ-Eins-Gemisch wird in der Messkammeraus Abgas und Umgebungsluft durch einen Pumpstrom Ip automatischerzeugt. Dieser Pumpstrom Ip wird als Maß für das Luftverhältnis λ ausgewertet.Um diesen Prozess jedoch überhaupt einleitenzu können,ist die Breitbandsonde zuvor auf eine Mindestbetriebstemperaturvon circa 500 °Czu bringen. Bei dieser Temperatur verliert die Zirkoniumoxid-Keramikihre Eigenschaft als elektrischer Isolator soweit, dass sie für Sauerstoff-Ionendurchlässig wirdund als Festkörper-Elektrolytfür denIonentransport wirkt.A broadband λ probe, which in principle consists of two cells, is in contact with three different media, namely air from the environment and an exhaust gas mixture and a λ-one mixture. The λ-one mixture is automatically generated in the measuring chamber from exhaust gas and ambient air by a pumping current I p . This pumping current I p is evaluated as a measure of the air ratio λ. However, in order to be able to initiate this process, the broadband probe must first be brought to a minimum operating temperature of approximately 500 ° C. At this temperature, the zirconia ceramic loses its property as an electrical insulator to the extent that it becomes permeable to oxygen ions and acts as a solid electrolyte for ion transport.
    [0005] Aufgrunddes geringeren Platzbedarfes sowie einer ökonomischeren Fertigung werdenmoderne Abgassensoren in der Regel mit einer Heizerschicht zum elektrischenAufheizen des Breitbandsensors auf seine Betriebstemperatur ausgestattet, diedirekt auf der Keramik und ohne zusätzliche elektrische Isolation,wie sie beispielsweise durch einen Luftspalt hergestellt werdenkann, angeordnet ist. Das trifft für Bauformen von Planar- oderWiderstands-Sprungsonden, wie auch für keramische Breitbandsensorenzu. Fürderartige Breitbandsensoren auf der Basis einer Zirkoniumoxid-Keramikist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 21 392 A1 ein besondersvorteilhaftes Verfahren zur Steuerung des Heizelements bei der Verwendungals NOx-Sensor offenbart, dass auf der Verwendung eines periodischschaltbaren, pulsweitenmodulierten Stromes mit einstellbarer Pulsweitebasiert. Mit Erreichen seiner Betriebstemperatur weist jedoch dieZirkoniumoxid-Keramik eine nur noch sehr bedingt wirksame elektrischeIsolation des elektrischen Heizelementes zu den Messelektroden desSensors auf. Da hierdurch ein Stromfluss ab Erreichen einer Mindest-Betriebstemperaturnicht mehr effektiv unterbunden werden kann, kann durch den beschriebenen Effektdas Messergebnis des Sensors wesentlich verfälscht werden. Auch eine Verwendungeiner Zwischenschicht aus Aluminiumoxid-Keramik bewirkt bei derBetriebstemperatur eines Sensors keine durchgreifende Verbesserung,da bei steigender Temperatur auch der Widerstand des Al2O3-Materials sehr stark absinkt und damitdie elektrische Isolationswirkung auch dieses Materials.Due to the smaller footprint and a more economical manufacturing modern exhaust gas sensors are usually equipped with a heater layer for electrically heating the broadband sensor to its operating temperature, which is directly on the ceramic and without additional electrical insulation, as can be prepared for example by an air gap , This applies to designs of planar or resistance jump probes, as well as ceramic wideband sensors. For such broadband sensors based on a zirconium oxide ceramic is in the German Offenlegungsschrift DE 102 21 392 A1 discloses a particularly advantageous method for controlling the heating element when used as a NOx sensor that based on the use of a periodically switchable, pulse width modulated current with adjustable pulse width. Upon reaching its operating temperature, however, the zirconia ceramic on only a very limited effective electrical insulation of the electric heating element to the measuring electrodes of the sensor. As a result, a current flow can no longer be effectively prevented from reaching a minimum operating temperature, the measurement result of the sensor can be significantly falsified by the effect described. A use of an intermediate layer of alumina ceramic causes at the operating temperature of a sensor no radical improvement, since with increasing temperature, the resistance of the Al 2 O 3 material drops very sharply and thus the electrical insulation effect of this material.
    [0006] Aufgabeder vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eineentsprechende Vorrichtung zu schaffen, die auch unter Verwendungder vorteilhaften, pulsweitengesteuerten Regelung des Heizelementesin jedem Betriebszustand eines Sensors zuverlässige Messergebnisse liefert.Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durchein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche dadurchgelöst,dass eine jeweilige elektrische Referenz eines jeweiligen Sensorsim Wesentlichen synchron mit dem arithmetischen Mittelwert der Versorgungsspannungdes elektrischen Heizelementes verändert wird, also eine ElektrodeP+ als Referenz im Fall eines Breitbandsensors bei PWM-geregelterHeizer-Spannung. Dementsprechend sind in einer erfindungsgemäßen VorrichtungMittel zum Bestimmen eines arithmetischen Mittelwer tes oder einesGleichanteiles der pulsweitenmodulierten und geregelten oder insonstiger Weise verändertenEingangsspannung des elektrischen Heizelementes in Verbindung miteiner Schaltung zur Korrektur des Potentials einer Referenz-Elektrodedes Sensors vorgesehen.The object of the present invention is therefore to provide a method and a corresponding device which also provides reliable measurement results using the advantageous, pulse-width-controlled regulation of the heating element in each operating state of a sensor. This object is achieved by a method and an apparatus having the features of the respective independent claims, characterized in that a respective electrical reference of a respective sensor is changed substantially synchronously with the arithmetic mean of the supply voltage of the electric heating element, that is, an electrode P + as reference in Case of broadband sensor with PWM regulated heater voltage. Accordingly, in an inventive device means for determining an arithmetic Mittelwer TES or a DC component of the pulse width modulated and regulated or otherwise modified input voltage of the elec trischen heating element in conjunction with a circuit for correcting the potential of a reference electrode of the sensor provided.
    [0007] Dervorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Abgassensorenmit einer Heizerschicht, die direkt auf der jeweiligen Keramik ohne Luftspaltaufgetragen ist, Kriechströmezwischen der Heizerschicht und einer Referenz-Elektrode nicht unterbunden werden können, wodurchsich Messfehler mindestens in einem geregelten Heizbetrieb aufgrundder Verschiebung des Referenzpotentials zwangsläufig ergeben. Es hat sich dabeigezeigt, dass ein bedeutender Messfehler im pulsweitenmoduliertenRegelbetrieb der Heizerschicht auftritt, wie es gerade beispielsweisein der DE 102 21 392.5 als dieElektroden gering belastende Betriebsart vorgeschlagen wird. EineLinderung des Problems durch Ausschaltung des Einflusses von elektrischenStrömenzwischen der Heizerschicht und der Referenz-Elektrode kann dadurchbeschritten werden, dass Messungen nur außerhalb eines Aktivitätsintervallsdes pulsweitenmodulierten Heizerspannungssignals vorgenommen werden.Dieser Ansatz vernachlässigtjedoch, dass das Referenzpotential während dieser Vorgänge keinenkonstanten Wert hält,sondern Abklingvorgängemit Zeitkonstanten ablaufen, die groß gegenüber der Länge eines jeweiligen Aktivitätsintervallssind. Da das Potential der Heizerschicht generell größer alsdas Potential an der Referenz-Elektrode des Sensors ist, wird imFall eines Mehrkammer-Breitbandsensors eine O2-Konzentrationdurch Kriechströmedem mittleren Heizpotential angeglichen.The present invention is based on the finding that in exhaust gas sensors with a heater layer, which is applied directly to the respective ceramic without air gap, leakage between the heater layer and a reference electrode can not be prevented, thereby measuring errors at least in a controlled heating operation due to Shift of the reference potential inevitably result. It has been found that a significant measurement error occurs in the pulse width modulated control mode of the heater layer, as it is currently the case, for example DE 102 21 392.5 as the electrodes low-loading mode is proposed. An alleviation of the problem by eliminating the influence of electrical currents between the heater layer and the reference electrode can be achieved by making measurements only outside of an activity interval of the pulse width modulated heater voltage signal. However, this approach neglects that the reference potential does not hold a constant value during these processes, but decays occur with time constants that are large compared to the length of each activity interval. Since the potential of the heater layer is generally larger than the potential at the reference electrode of the sensor, in the case of a multi-chamber broadband sensor, an O 2 concentration is equalized by leakage currents to the mean heating potential.
    [0008] Alsweiterer, in der Literatur noch völlig unbeachteter Fehlereinflussist zudem festzustellen, dass die Batterie- bzw. Versorgungsspannungin einem Kraftfahrzeug lastabhängigist. Spannungsschwankungen könnendamit beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, dass der Antriebfür eineAbgasklappe an dem gleichen Kabelstrang wie der Sensor beziehungsweisedessen Heizerschicht hängt.Gleiches gilt auch fürScheinwerfer oder Blinker, so dass in bestimmten Betriebszuständen durchdie übrige Fahrzeugelektrikund Elektronik der Batteriespannung eine sinusförmige Modulation als zusätzliche Störgröße für den Abgassensoraufgeprägtworden sein kann.Whenfurther, in the literature still completely ignored error influenceIt should also be noted that the battery or supply voltageload-dependent in a motor vehicleis. Voltage fluctuations canthus, for example, be caused by the fact that the drivefor oneExhaust flap on the same cable harness as the sensor orwhose heater layer hangs.The same applies toHeadlamp or turn signal, allowing in certain operating conditions throughthe rest of the vehicle electricsand electronics of the battery voltage sinusoidal modulation as an additional disturbance to the exhaust gas sensorimprintedmay have been.
    [0009] Hiergreift eine erfindungsgemäße Vorrichtungzum Betreiben einer Sensorzelle ein, in dem sie verhindert, dassdie zu messenden Potentiale durch Änderungen der Batteriespannungbeeinflusst werden. Hierzu ist in einer Weiterbildung der Erfindung eineElektrode P+ als elektrische Referenz eines Breitbandsensors miteinem zuvor empirisch ermittelten oder auch berechnetem Korrekturwertsynchron mit dem arithmetischen Mittelwert der Batteriespannungzu verändern.Es wird also ein gewichteter Gleichanteil der veränderlichenBatteriespannung zu dem Potential der elektrischen Referenz-Elektrode addiert.Hereaccesses a device according to the inventionfor operating a sensor cell, in which it preventsthe potentials to be measured by changes in the battery voltageto be influenced. For this purpose, in a further development of the inventionElectrode P + as the electrical reference of a broadband sensor witha previously empirically determined or also calculated correction valuesynchronous with the arithmetic mean of the battery voltageto change.So it becomes a weighted DC component of the variableBattery voltage added to the potential of the electrical reference electrode.
    [0010] Ineiner bevorzugten Ausführungsformwird hierzu das Ansteuersignal der Heizerschicht als pulsweitenmoduliertesSpannungssignal einem RC-Glied zur Ermittlung eines arithmetischenMittelwertes unterworfen. Das Ausgangssignal des RC-Gliedes wird in einemVerstärkermit einem Faktor k verstärktund übereinen Summationspunkt dem Potential der Elektrode P+ zugefügt. Damitergibt sich zwischen der Referenz-Elektrode und der Elektrode P+eine korrigierte Potentialdifferenz, die von den vorstehend aufgeführten Störeinflüssen imWesentlichen befreit worden ist.Ina preferred embodimentFor this purpose, the drive signal of the heater layer as pulse width modulatedVoltage signal to an RC element to determine an arithmeticMean value subjected. The output signal of the RC element is in aamplifierreinforced with a factor kand overadded a summation point to the potential of the electrode P +. In order toresults between the reference electrode and the electrode P +a corrected potential difference resulting from the above mentioned disturbances inHas been essentially freed.
    [0011] Dievorliegende Erfindung ist im Rahmen dieser Beschreibung im Wesentlichenvor dem Hintergrund eines Einsatzes bei Breitbandsensoren in Kraftfahrzeug-Industriedargestellt. Planar- oder Widerstandssprungsonden als Eingangs erwähnte weitereAnwendungsfällesollen jedoch nicht außerAcht gelassen werden. In fürden Fachmann offensichtlicher Weise beeinflusst auch beispielsweisebei einer Widerstandsmessung eine einseitige Potentialverschiebungeines Referenzpotentials ein Messergebnis nachhaltig. Bei dem schonprinzipiell relativ engen Messbereich von Widerstandssprungsondensenken daher die vorstehend exemplarisch und nicht abschließend aufgeführten Fehlereinflussquellendie Zuverlässigkeiteines auf dieser Basis gewonnenen Regelsignals wesentlich.TheThe present invention is essentially within the scope of this descriptionAgainst the background of an application in broadband sensors in the automotive industryshown. Planar or resistance jump probes as input mentioned furtheruse casesbut should not exceptBe left out. In forThe skilled person obviously also influences, for examplein a resistance measurement a one-sided potential shiftof a reference potential a measurement result sustainable. With that alreadyin principle, relatively narrow measuring range of resistance jump probestherefore reduce the above-exemplified and not exhaustively listed sources of errorthe reliabilitya control signal obtained on this basis substantially.
    [0012] WeitereVorteile eines erfindungsgemäßen Verfahrensund einer Vorrichtung zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrenswerden nachfolgend unter Bezug auf die Darstellung eines Ausführungsbeispielsanhand der Zeichnung näherbeschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung:FurtherAdvantages of a method according to the inventionand a device for implementing a method according to the inventionwill be described below with reference to the illustration of an embodimentcloser to the drawingdescribed. In a schematic representation:
    [0013] 1:eine Schnittdarstellung durch einen Breitbandsensor zur λ-Messungmit zugehörigerBeschaltung und 1 : A sectional view through a broadband sensor for λ measurement with associated wiring and
    [0014] 2:ein Blockdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Vorschaltmittels. 2 : A block diagram illustrating a ballast according to the invention.
    [0015] Inden einzelnen Darstellungen der Zeichnung erhalten gleiche Bestandteile,Komponenten und Größen durchgängig diegleichen Bezeichnungen.Inthe individual representations of the drawing receive the same components,Components and sizes throughout thesame names.
    [0016] 1 zeigteinen Schnitt durch einen prinzipiellen Aufbau eines Messaufnehmers,der je nach konkreter Ausgestaltung die NOx-Konzentration von Verbrennungsproduktenin einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, oder eine entsprechendeLuftzahl λ erfassenkann. Der dargestellte Messaufnehmer ist als Sensor 1 ausgebildetund besteht im Wesentlichen aus einem Festkörper-Elektrolyten 2,hier Zirkoniumdioxid ZrO2. Wie in der Darstellungvon 1 durch die stets gleiche Schraffur angedeutet, wirddurch einen schichtweisen Aufbau eine innere Struktur mit separatenKammern beziehungsweise Messzellen 3, 4, 5 geschaffen,die jeweils überzugehörigeKanäle 3a, 4a, 5a zugängig sind.Der gesamte keramische Sensor 1 wird durch eine elektrischeHeizerschicht 6 auf Betriebstemperatur gebracht, wobei essich bei dem Ansteuersignal der Heizerschicht 6 um einepulsweitenmodulierte und getaktete Spannung VPWM handelt. 1 shows a section through a basic structure of a sensor, depending on the specific embodiment of the NOx concentration of combustion products in an exhaust tract of an internal combustion engine, or a corresponding air number λ can capture. The sensor shown is as a sensor 1 formed and consists essentially of a solid electrolyte 2 , here zirconium dioxide ZrO 2 . As in the presentation of 1 indicated by the same hatching, an internal structure with separate chambers or measuring cells is by a layered structure 3 . 4 . 5 created, each with associated channels 3a . 4a . 5a are accessible. The entire ceramic sensor 1 is through an electric heater layer 6 brought to operating temperature, wherein it is in the drive signal of the heater layer 6 is a pulse width modulated and clocked voltage V PWM .
    [0017] BeiBetriebstemperaturen von circa 700°C kann auch eine zusätzlich eingefügte Isolationsschicht 7 ausAl2O3-Keramik denFluss von Kriechströmenvon dem höherenPotential der Heizerschicht hin zu niederen Potentialen innerhalbdes Sensors 1 nicht verhindern. Potentialmesspunkte sindim Bereich jeder der Zellen 3, 4, 5 alsElektroden Ref, P–,P+, M1 und M2 angeordnet. Durch die in Form des gebogenen Pfeilsdargestellten Kriechströmeund die damit einhergehenden Potentialverschiebungen wird die Messgenauigkeitder Sensorzelle 1 im Zuge ihrer eigentlichen Messtätigkeitwesentlich gestört,wie nachfolgend beschrieben wird: Aus dem nicht weiter dargestelltenAbgastrakt wird Verbrennungsgasgemisch A über den Kanal 4a der erstenMesszelle 4 zugeführt. Über denKanal 5a gelangt bei Einschaltung des Sensors 1 einekleine Gasmenge in die im Übrigengeschlossene Zelle 5. Hier werden über die Elektroden M1, M2 unterVermittlung der dargestellten externen Beschaltung mit Strom- und SpannungsquellenO2–-Ionendurch das umgebende Festkörper-Elektrolyt gepumpt. Dementsprechend wird die Zelle 5 auchals Pumpzelle bezeichnet. Die Zelle 3 ist über denKanal 3a mit Umgebungsluft U beziehungsweise unverbrauchterAußenluftmit einem Sauerstoffanteil von 21 % versorgt und dient gegenüber dermit Abgasgemisch A gefülltenSensorzelle 4 als Referenzzelle.At operating temperatures of around 700 ° C, an additional insulation layer can be added 7 From Al 2 O 3 ceramic the flow of leakage currents from the higher potential of the heater layer to low potentials within the sensor 1 do not prevent. Potential measuring points are in the range of each of the cells 3 . 4 . 5 arranged as electrodes Ref, P-, P +, M1 and M2. Due to the leakage currents shown in the form of the curved arrow and the associated potential shifts, the measuring accuracy of the sensor cell 1 significantly disturbed in the course of their actual measurement activity, as described below: From the exhaust tract, not shown, combustion gas mixture A via the channel 4a the first measuring cell 4 fed. About the channel 5a arrives when the sensor is switched on 1 a small amount of gas in the otherwise closed cell 5 , Here, O 2 ions are pumped through the surrounding solid-state electrolyte via the electrodes M 1, M 2 , mediating the illustrated external wiring with current and voltage sources. Accordingly, the cell becomes 5 also referred to as pumping cell. The cell 3 is over the channel 3a supplied with ambient air U or unused outside air with an oxygen content of 21% and serves with respect to the filled with exhaust gas mixture A sensor cell 4 as a reference cell.
    [0018] Ausder schematischen Darstellung von 1 wird deutlich,dass die Elektrode Ref in der Zelle 3 das Bezugspotentialfür sämtlicheSpannungsmessungen darstellt. Damit wirken sich auch Verfälschungen ΔV durch Kriechströme und entsprechendeVerschiebungen dieses Referenzpotentials VRef alsprinzipieller Fehler auf sämtlicheSpannungs- und Strommessungen aus, auf deren Grundlage schließlich eineNOx-Gehalt oder ein λ-Wert bestimmt werden.From the schematic representation of 1 it becomes clear that the electrode Ref in the cell 3 represents the reference potential for all voltage measurements. Thus, distortions ΔV by leakage currents and corresponding shifts of this reference potential V Ref as a fundamental error also affect all voltage and current measurements, on the basis of which finally a NOx content or a λ value are determined.
    [0019] 2 zeigtnun ein Kompensationsverfahren zur Eliminierung der vorstehend beschriebenen Fehler,das in Form eines Vorschaltmittels 9 umgesetzt wird. DemVorschaltmittel 9 wird als Eingangssignal das pulsweitenmodulierteund getaktete Steuersignal VPWM des Heizelementes 6,zugeführt.Ein RC-Glied bestimmt aus diesem Steuersignal VPWM einenarithmetischen Mittelwert, der als Gleichanteil des Steuersignals über einenVerstärker 10 miteinem Gewichtungsfaktor k versehen zur Kompensation der Potentialverschiebungan der Referenz-Elektrode Ref dem Potential der Elektrode P+ hinzuaddiertwird. Dadurch ist die Potentialdifferenz zwischen Referenz-ElektrodeRef und der Elektrode P+ um den die Messung verfälschenden Gleichanteil bereinigtworden. 2 now shows a compensation method for eliminating the errors described above, in the form of a ballast 9 is implemented. The ballast 9 is input signal as the pulse width modulated and clocked control signal V PWM of the heating element 6 , fed. An RC element determines from this control signal V PWM an arithmetic mean value which is a direct component of the control signal via an amplifier 10 provided with a weighting factor k to compensate for the potential shift at the reference electrode Ref the potential of the electrode P + is added. As a result, the potential difference between the reference electrode Ref and the electrode P + has been adjusted by the dc component which falsifies the measurement.
    [0020] DerKorrekturwert k wird zuvor entweder empirisch ermittelt in Versuchen,er kann jedoch auch errechnet werden. Zur empirischen Ermittlungkann ein relativ einfacher Test in einem Labormessplatz dadurchdurchgeführtwerden, dass an einem Sensor bei gleich bleibenden Werten für NOx oderdie Luftzahl λ beispielsweisemit definierten Sprüngenbelastete Versorgungsspannungen Ubat bzw.pulsweitenmodulierte Heizersteuerspannungen VPWM zugefügt werden.Aus den Signaländerungenwerden Zeitkonstanten τ ineinem Bereich zwischen 3 bis 4 Sekunden ermittelt. Daraus wird einKalibrierungsmaß gewonnen,dass gegen schnelle und periodische Störungen in einem Bereich von Δt ungefähr 1 Sekunde effektiveinsetzbar ist.The correction value k is previously determined either empirically in experiments, but it can also be calculated. For empirical determination, a relatively simple test in a laboratory measuring station can be carried out by adding supply voltage U bat or pulse width modulated heater control voltage V PWM to a sensor at constant values for NOx or the air ratio λ, for example with defined jumps. From the signal changes time constants τ are determined in a range between 3 to 4 seconds. From this, a calibration measure is obtained which is effectively usable against fast and periodic disturbances in a range of Δt for about 1 second.
    [0021] Damitwird durch ein erfindungsgemäßes Verfahrenund eine entsprechende Umsetzung ein insgesamt ruhiges NOx-Signalauch bei größeren Batteriespannungsschwankungenim dynamischen Bereich erzielt. Hieraus ergibt sich eine höhere Genauigkeitbesonders fürein binäres λ-Signal imstationärenBereich bei genauerer Einhaltung der für die Lebensdauer eines vorstehendbeschriebenen Sensors 1 wichtigen Größen.As a result, an overall quiet NOx signal is achieved by a method according to the invention and a corresponding conversion, even with larger battery voltage fluctuations in the dynamic range. This results in a higher accuracy especially for a binary λ signal in the stationary area with more accurate compliance with the life of a sensor described above 1 important sizes.
    λλ Luftzahlair ratio NOxNOx Stickoxidnitrogen oxide AA VerbrennungsgasgemischCombustion gas mixture UU Umgebungsluftambient air kk Gewichtsfaktorweight factor M1M1 Elektrodeelectrode M2M2 Elektrodeelectrode P+P + Elektrodeelectrode P–P- Elektrodeelectrode RefRef Referenzelektrodereference electrode VRef V RefPotentialder Referenzelektrodepotentialthe reference electrode VPWM V PWMSteuerspannungcontrol voltage ΔV.DELTA.V Potentialverfälschungpotential corruption 11 keramischerBreitbandsensorceramicBroadband sensor 22 Festkörper-ElektrolythSolid-Elektrolyth 33 Messzellen/SensorzelleMeasuring cells / sensor cell 3a3a Kanalchannel 44 Messzellen/PumpzelleMeasuring cells / pump cell 4a4a Kanalchannel 55 Messzellen/ReferenzzelleMeasuring cells / reference cell 5a5a Kanalchannel 66 Heizerschichtheater layer 77 Isolationsschichtinsulation layer 88th99 Vorschaltmittelballasting 1010 Verstärkeramplifier
    权利要求:
    Claims (5)
    [1]
    Verfahren zum Betreiben einer elektrisch durchein Heizelement (6) beheizten, keramischen Abgas-Analyse-Sensorzelle, dadurchgekennzeichnet, dass eine elektrische Referenz (Ref) des Sensors(1) im Wesentlichen synchron mit dem arithmetischen Mittelwertder Versorgungsspannung (VPWM) des elektrischenHeizelementes (6) verändert wird.Method for operating an electric by a heating element ( 6 ), heated, ceramic exhaust gas analysis sensor cell, characterized in that an electrical reference (Ref) of the sensor ( 1 ) substantially in synchronism with the arithmetic mean of the supply voltage (V PWM ) of the electric heating element ( 6 ) is changed.
    [2]
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass eine Elektrode P+ als Referenz im Fall eines Breitbandsensors(1) bei PWM-geregelter Heizer-Spannung (VPWM)nachgeregelt wird.A method according to claim 1, characterized in that an electrode P + as a reference in the case of a broadband sensor ( 1 ) is readjusted at PWM-regulated heater voltage (V PWM ).
    [3]
    Vorrichtung zum Betreiben einer keramischen Abgas-Analyse-Sensorzelle, diedurch ein Heizelement (6) elektrisch beheizbar ist, dadurchgekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zur Durchführung einesVerfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildetist, indem Mittel (9) zum Bestimmen eines arithmetischenMittelwertes oder eines Gleichanteiles einer pulsweitenmoduliertenund geregelten oder in sonstiger Weise veränderten Eingangsspannung (VPWM) des elektrischen Heizelementes (6)in Verbindung mit einer Schaltung zur Korrektur des Potentials einerReferenz-Elektrode (Ref) des Sensors (1) vorgesehen ist.Device for operating a ceramic exhaust gas analysis sensor cell, which is heated by a heating element ( 6 ) is electrically heated, characterized in that the device ( 1 ) for performing a method according to one or more of the preceding claims, by means ( 9 ) for determining an arithmetic mean value or a DC component of a pulse-width-modulated and regulated or otherwise modified input voltage (V PWM ) of the electrical heating element ( 6 ) in conjunction with a circuit for correcting the potential of a reference electrode (Ref) of the sensor ( 1 ) is provided.
    [4]
    Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurchgekennzeichnet, dass als Schaltung zur Korrektur des Potentialsein Verstärker(10) vorgesehen ist.Device according to the preceding claim, characterized in that as a circuit for correcting the potential, an amplifier ( 10 ) is provided.
    [5]
    Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurchgekennzeichnet, dass als Schaltung zum Bestimmen eines arithmetischenMittelwertes oder eines Gleichanteiles der Eingangsspannung (VPWM) ein RC-Glied vorgesehen ist.Device according to the preceding claim, characterized in that a RC element is provided as a circuit for determining an arithmetic mean value or a DC component of the input voltage (V PWM ).
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    法律状态:
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    2010-02-18| 8339| Ceased/non-payment of the annual fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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