DE19960731C2 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Abgassonde - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Be­ treiben einer Abgassonde, insbesondere einer NOx-Sonde nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schaltungsanordnungen zum Betreiben von NOx-Sonden sind aus der EP 0 831 322 A2 sowie der DE 198 52 247 A1 be­ kannt.

Solche Abgassonden werden in Kraftfahrzeugen zur Be­ stimmung der Luftzahl und der NO-Werte eingesetzt. Sie werden in den meisten Fällen so betrieben, dass die Po­ tentiale der Elektroden fest geregelt eingestellt und die Pumpströme gemessen werden. Dies kann beispielswei­ se durch in der Elektrochemie übliche sogenannte Poten­ tiostaten geschehen. Eine typische Regelschaltung eines derartigen Potentiostaten geht beispielsweise aus der Veröffentlichung "Electrochemical Methods", A. J. Bard, 1980 - Fig. 13.4.6 - hervor.

Derartige Regelschaltungen weisen mehrere Operations­ verstärker auf, die alle unterschiedliche Offsets auf­ weisen. Diese unterschiedlichen Offsets der Operations­ verstärker führen zu Verfälschungen des Messergebnisses solcher Abgassonden.

Die Offsets der einzelnen Operationsverstärker addieren sich zu einer schwierig zu bestimmenden Summe, die ins­ besondere auch noch temperaturabhängig ist. Zur Erzie­ lung eines genauen Messergebnisses ist daher eine Trim­ mung der einzelnen Operationsverstärker und ihres Tem­ peraturgangs erforderlich.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung zum Betreiben einer Abgassonde der gat­ tungsgemäßen Art so weiterzubilden, dass sie die Ein­ stellung der Potentiale mit einem relativ zueinander sehr kleinen Offset ermöglicht.

Insbesondere soll durch die Schaltungsanordnung das oben beschriebene Abstimmen oder Trimmen der Operati­ onsverstärker vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs beschriebenen Art durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Durch die nur eine Pumpspannungserzeugungsschaltungs­ einheit, die durch ein Schaltmittel jeweils zwischen den einzelnen Pumpelektroden umschaltbar ist und sämt­ liche, an den Pumpelektroden anliegenden Spannungen in Abhängigkeit von jeweiligen Referenzspannungen geregelt erzeugt, sind eventuell auftretende Offsets dieser Pumpspannungserzeugungsschaltungseinheit bei allen an den Pumpelektroden anliegenden Spannungen in gleichem Maße vorhanden und stören das Messergebnis nicht, da in derartigen Abgassensoren nur Differenzen der Pumpströme gemessen werden. Dadurch, dass die Pumpspannungserzeu­ gungsschaltungseinheit zwischen den Pumpelektroden um­ schaltbar ist, und folglich nur ein störender Offset auftreten kann, kann auch jeglicher Temperaturabgleich oder jegliche Trimmung, wie sie bei bekannten Schaltun­ gen aufgrund der für jede Pumpspannung vorgesehenen Schaltungsteile erforderlich ist, entfallen. Darüber hinaus ist die Erzeugung der Pumpspannung durch nur ei­ ne einzige Schaltungseinheit auch im Hinblick auf die Herstellungs- und Montagekosten von Vorteil.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

So weist die Pumpspannungserzeugungsschaltungseinheit vorteilhafterweise einen einzigen Operationsverstärker auf, der jeweils durch das Schaltmittel umschaltbar die Referenzspannungen mit den an den Pumpelektroden anlie­ genden Spannungen vergleicht und Abweichungen der an den Pumpelektroden anliegenden Spannungen von den Refe­ renzspannungen minimiert. Dieser Operationsverstärker ist vorzugsweise ein hochgenauer, abgeglichener und temperaturkompensierter Operationsverstärker, der nur einen geringfügigen Offset aufweist. Eine solche Aus­ bildung der Pumpspannungserzeugungsschaltungseinheit ist neben den technischen Vorteilen, die in einem klei­ nen Offset sowie einer leichten Handhabung bestehen, auch besonders preisgünstig.

Zur Minimierung der Abweichung ist der Ausgang des Ope­ rationsverstärkers vorteilhafterweise jeweils durch das Schaltmittel mit drei, den Pumpelektroden zugeordneten Integratoren verbindbar, welche die von dem Operations­ verstärker ausgegebenen Fehlersignale aufintegrieren. Diesen drei Integratoren sind jeweils drei Strommess­ schaltungen nachgeordnet, welche die in die Pumpelek­ troden fließenden Pumpströme messen und dazu proportio­ nale Spannungswerte ausgeben. Auf diese Weise werden drei Regelkreise geschaffen, wobei eventuell auftreten­ de Offsets der Integratoren und/oder Strommessschaltun­ gen für das mit der Abgassonde zu erzielende Messergeb­ nis unbeachtlich sind. Der einzige fehlerverursachende Offset wird durch die Pumpspannungserzeugungsschal­ tungseinheit in Form des Operationsverstärkers erzeugt. Dieser Offset tritt aber bei allen Regelkreisen in gleicher Weise auf, da der Operationsverstärker durch das Schaltmittel gewissermaßen in die drei Regelkreise eingeschaltet werden kann.

Das Schaltmittel ist vorzugsweise in CMOS-Technik aus­ geführt.

Es wird vorteilhafterweise durch einen Taktgeber peri­ odisch mit einer vorzugsweise im Kilohertzbereich lie­ genden Frequenz betrieben, so dass der Operationsver­ stärker im Kilohertzbereich in die drei Regelkreise zur Erzeugung der jeweiligen Pumpspannung an den einzelnen Elektroden umgeschaltet wird.

Zeichnung

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Schnittdarstellung eines als Abgassonde verwendeten NOx- Doppelkammersensors;

Fig. 2 schematisch das Schaltbild einer Schaltungs­ anordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 schematisch das Schaltbild eines Integrators der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanord­ nung und

Fig. 4 schematisch einen Strommessverstärker der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Eine Abgassonde in Form eines NOx-Doppelkammersensors, dargestellt in Fig. 1, weist zwei in einem Festelektro­ lytkörper 11 angeordnete Pumpkammern 1, 2 auf, die über Diffusionsbarrieren 3, 4 untereinander und mit dem Ab­ gas 5 verbunden sind. Eine dritte Kammer 6 ist mit der Umgebungsluft verbunden und enthält eine Luftreferenze­ lektrode 7.

In der ersten Pumpkammer 1 wird der Sauerstoff mit der Sauerstoffpumpelektrode 8 abgepumpt, hierzu wird auch eine zweite Sauerstoffpumpelektrode 9 in der ersten und/oder zweiten Pumpkammer 1 oder 2 eingesetzt. Hinter oder unter der zweiten Sauerstoffpumpelektrode 9 ist eine NOx-Pumpelektrode 10 angeordnet, mit der Stickoxi­ de abgepumpt werden. Die Pumpelektroden 8, 9, 10 sind in dem Festelektrolytkörper 11 angeordnet, der bei­ spielsweise aus ionenleitendem Zirkonoxid bestehen kann.

Ein isolierter Heizer mit Isolierschicht 12 ist an der Unterseite des Sensors angeordnet. Die Potentiale der Pumpelektroden 8, 9, 10 werden durch eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) elektrische Regelschaltung auf fe­ ste Werte gegenüber der Luftreferenzelektrode 7 einge­ stellt. Eine mögliche Einstellung kann beispielsweise folgendermaßen vorgenommen werden:
Sauerstoffpumpelektrode 8: Bezugspunkt 0 V,
Luftreferenzelektrode 7: +300 mV,
Sauerstoffpumpelektrode 9: -100 mV,
NOx-Pumpelektrode 10: -105 mV.

Bei Abgassonden dieser Bauart ist es zweckmäßig, die Potentiale durch Elektroden fest geregelt einzustellen und die Pumpströme zu messen. Dies geschieht durch die im folgenden in Verbindung mit Fig. 2 zu erläuternde Schaltung.

Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltungsanord­ nung zum Betreiben des in Fig. 1 dargestellten NOx- Doppelkammersensors. In Fig. 2 bedeuten die Abkürzun­ gen:
APE: äussere Pumpelektrode 13,
NOMESS: NO-Pumpelektrode 10,
O2MESS: Sauerstoffpumpelektrode 9,
LR: Luftreferenzelektrode 7,
IPE: Sauerstoffpumpelektrode 8.

An den invertierenden Eingang eines Operationsverstär­ kers 210 werden über ein Schaltmittel 222, das bei­ spielsweise in CMOS-Technik ausgeführt sein kann, peri­ odisch drei Spannungssollwerte, von z. B. 300 mV, -100 mV und -105 mV angelegt. Die Spannungssollwerte werden durch eine präzise Spannungsquelle 230, z. B. eine Band- gap-Referenz mit Spannungsteiler R2, R3, R4, wie in Fig. 2 dargestellt, erzeugt. Der Operationsverstärker 210 vergleicht die Spannungssollwerte mit Istwerten an den Elektroden LR, O2MESS und NOMESS. Die Auswahl des Istwerts erfolgt synchron zur Auswahl des Sollwerts ebenfalls über ein Schaltermittel, welches die Istwerte an den Elektroden an den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 210 schaltet. Das am Ausgang des Operationsverstärkers 210 anliegende verstärkte Fehlersignal gelangt über ein weiteres, synchron arbei­ tendes Schaltermittel 223 zu jeweils einem von drei In­ tegratoren 241, 242, 243, welche das Fehlersignal auf­ integrieren.

Ein Schaltungsbeispiel eines solches Integrators ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, es wird beispielsweise durch einen Operationsverstärker in Integratorschaltung realisiert. Die an dem in Fig. 3 dargestellten nichtin­ vertierenden Eingang anliegende Referenzspannung U_R ist eine geeignet zu wählende feste Gleichspannung. An den Ausgängen der Integratoren 241, 242, 243 sind Strom­ messschaltungen 251, 252, 253 angeordnet, welche die in die Sensorelektroden APE, NOMESS und O2MESS fließenden Ströme messen und dazu proportionale Spannungswerte U_APE, U_NO und U_O2 liefern. Eine Schaltung für eine solche Strommessspannung ist schematisch in Fig. 4 darge­ stellt, sie kann wiederum durch Operationsverstärker realisiert werden.

Die Schaltermittel 221, 222 und 223 sind durch einen Taktgeber umschaltbar, der die periodische Umschaltung mit einer Frequenz, die typischerweise im Kilohertzbe­ reich liegt, bewirkt. Der Hauptvorteil der obenbe­ schriebenen Schaltungsanordnung liegt darin, dass sich Offsets der Operationsverstärker innerhalb der Integra­ toren 241, 242, 243 sowie der Strommessschaltungen 251, 252, 253 auf die Regelung der Spannungen an den Elek­ troden LR, O2MESS und NOMESS nicht auswirken. Nur die Offsetspannung des Regelverstärkers in Form des Opera­ tionsverstärkers 210 wirkt sich auf die Spannungen an diesen drei Elektroden in gleicher Weise aus, da der Operationsverstärker 10 durch die getaktet synchron be­ triebenen Schaltermittel 221, 222, 223 an sämtlichen drei Elektroden erzeugt und ein Offset, der auf alle Elektroden in gleicher Weise einwirkt, bezüglich der Funktion der Abgassonde unkritisch ist, da nur Diffe­ renzen der erfassten Signale von Bedeutung sind.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Abgasson­ de, insbesondere eines NOx-Doppelkammersensors, mit einem beheizbaren Festelektrolytkörper (11), in dem wenigstens zwei Pumpkammern (1; 2), die durch Diffusionsbarrieren (3; 4) von dem Abgas und voneinander getrennt sind, und eine dritte Kammer (6), die mit der Atmosphäre verbunden ist, ange­ ordnet sind, wobei wenigstens eine äußere Pumpe­ lektrode (13) dem Abgas ausgesetzt, wenigstens ei­ ne erste Sauerstoffpumpelektrode (8) in der ersten Pumpkammer (1), wenigstens eine zweite Sauerstoff­ pumpelektrode (9) in der ersten und/oder zweiten Pumpkammer (1; 2), wenigstens eine Stickoxyd- Pumpelektrode (10) in der zweiten Pumpkammer (2) sowie eine Luftreferenzelektrode (7) in der drit­ ten Kammer (6) angeordnet sind, umfassend Schal­ tungsmittel, durch die die Elektroden (8; 9; 10; 13) jeweils mit vorggebbaren Spannungen beauf­ schlagbar sind und welche einen ersten Sauerstoff­ pumpstrom zwischen der äußeren Pumpelektrode (13) und der ersten Sauerstoffpumpelektrode (8), einen zweiten Sauerstoffpumpstrom zwischen der äußeren Pumpelektrode (13) und der zweiten Sauerstoffpum­ pelektrode (9) und einen Stickoxyd-Pumpstrom zwi­ schen der äußeren Elektrode (13) und der Stickoxyd-Pumpelektrode (10) geregelt erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel durch nur eine Pumpspannungserzeugungsschaltungs­ einheit (230; 210; 241, 242, 243) gebildet werden, die durch ein Schaltmittel (221, 222, 223; 251, 252, 253) jeweils zwischen die einzelnen Pumpelek­ troden (8; 9; 10; 13) schaltbar ist und sämtliche, an den Pumplektroden (8; 9; 10; 13) anliegenden Spannungen in Abhängigkeit von jeweiligen Refe­ renzspannungen geregelt erzeugt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Pumpspannungserzeugungs­ schaltungseinheit (230; 210; 241, 242, 243) einen Operationsverstärker (210) aufweist, der jeweils durch das Schaltmittel (221, 222, 223) umschaltbar die Referenzspannungen mit den an den Pumpelektro­ den (8; 9; 10; 13) anliegenden Spannungen ver­ gleicht und Abweichungen der an den Pumpelektroden (8, 9; 10; 13) anliegenden Spannungen von der Re­ ferenzspannung minimiert.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Ausgang des Operationsver­ stärkers (210) jeweils durch das Schaltmittel (221, 222, 223)) mit drei, den Pumpelektroden zu­ geordneten Integratoren (241, 242, 243) verbindbar ist, welche die von dem Operationsverstärker (210) ausgegebenen Fehlersignale aufintegrieren, und dass den drei Integratoren (241, 242, 243) jeweils drei Strommessschaltungen (251, 252, 253) nachge­ ordnet sind, die die in die Pumpelektroden (8; 9; 10; 13) fließenden Pumpströme messen und dazu pro­ portionale Spannungswerte ausgeben.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (221, 222, 223) in CMOS-Technik ausgeführt ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel (221, 222, 223) durch einen Taktgeber periodisch mit einer vorzugsweise im kHz-Bereich liegenden Frequenz umschaltbar ist.