專利名稱：測(cè)定線性氧探頭內(nèi)阻的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分特征的測(cè)定內(nèi)燃機(jī)線性氧探頭(拉姆達(dá)探頭)內(nèi)阻的裝置。
安排在內(nèi)燃機(jī)的排氣管路中探測(cè)輸入到內(nèi)燃機(jī)中的油氣混合物的線性拉姆達(dá)探頭的擴(kuò)散壁壘的動(dòng)態(tài)阻抗，可以表示成具有多個(gè)RC支路的溫度相關(guān)的復(fù)阻抗，具有溫度依從性，這導(dǎo)致?lián)Q算比也就是測(cè)量結(jié)果的誤差。借助于安裝在拉姆達(dá)探頭中的熱電偶通過(guò)測(cè)量探頭的溫度并且把溫度控制為恒定的值(例如750℃)以解決這個(gè)問(wèn)題。出于成本考慮在此不用獨(dú)立的熱電偶測(cè)量溫度；而是代之以測(cè)量強(qiáng)溫度依從性的拉姆達(dá)探頭內(nèi)阻Rpvs。
測(cè)定線性氧探頭(拉姆達(dá)探頭)內(nèi)阻的公知的裝置在探頭連接端Vs+施加例如500μApp(峰對(duì)峰)值并且頻率是3kHz的交變電流。在內(nèi)阻Rpvs上降有交變電壓信號(hào)。例如Rpvs＝100Ω500μApp*100Ω＝50mVpp。把該交變信號(hào)放大再整流然后可以輸入到微處理器的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器用于氧探頭的溫度控制。
在加熱的階段探頭阻抗Rpvs非常高(在200℃約1MΩ)，從而相應(yīng)地下降在其上的交變電壓信號(hào)的幅度大(最大達(dá)5Vpp)為了能夠較早地測(cè)定內(nèi)阻Rpvs，放大器(Rpvs_Amp)應(yīng)當(dāng)有較小的放大倍數(shù)。典型的測(cè)量范圍是0...24*R0(范圍2冷探頭)，其中R0相應(yīng)于額定的(設(shè)定的)探頭阻抗(例如750℃時(shí)100Ω)。在正常運(yùn)行時(shí)要求較大的測(cè)量范圍，例如0...6R0(范圍1熱探頭)。
公知的實(shí)施中通過(guò)在放大器(Rpvs_Amp)中轉(zhuǎn)換放大倍數(shù)改變測(cè)量范圍，例如*4(加熱階段，范圍2)和*16(正常運(yùn)行，范圍1)。因此(在放大和整流后)對(duì)探頭內(nèi)阻Rpvs的值在輸出電壓中在0...4.8V的范圍內(nèi)改變。如果再加上0.1V的失調(diào)電壓，輸出電壓表現(xiàn)0.1V...4.9V的輸出電壓范圍。這樣的電壓范圍可以用整流器處理(工作電壓5V)并且充分地利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的范圍。
然而該解決方案的嚴(yán)重缺點(diǎn)是在加熱階段交變電壓信號(hào)的幅度大(最大5Vpp)。這對(duì)一些探頭類型可能導(dǎo)致陶瓷損壞(所謂的燒黑)，從而不能夠接受。典型的最高值是約2Vpp。與此相應(yīng)地只有充分熱的低阻值的探頭才能夠切入交變電壓。
為了在這種情況下還可以監(jiān)測(cè)加熱階段，借助于觀察泵電流Ip(如果探頭阻值充分，就可以有泵電流流過(guò)，并且Ip控制穩(wěn)定)。然而此方法卻不準(zhǔn)確，而且還關(guān)系到微控制器中用很高成本的軟件。
另一個(gè)問(wèn)題在于，在開關(guān)起動(dòng)時(shí)振蕩器應(yīng)當(dāng)停止。其輸出處于0V或者5V。在該時(shí)刻非常高阻值的探頭連接端Vs+通過(guò)電阻Rv和電容Cv與振蕩器輸出連接。因?yàn)殡娙軨v放電，探頭連接端Vs+的電位跟隨振蕩器輸出的電位并且也是0V或者5V。
但是此值在正常工作范圍之外。圖中未示出的診斷電路把此識(shí)別為對(duì)地或者對(duì)電池電壓的短路并且報(bào)告為(不存在的)故障(視在故障)并且，這必須通過(guò)高成本的軟件措施抑制。
本發(fā)明的任務(wù)是創(chuàng)造一種測(cè)定線性氧探頭的內(nèi)阻的裝置，在所述的裝置中在加熱階段振蕩器也接在分析電路上，并且在該階段中交變電壓的信號(hào)的幅度保持在其設(shè)定范圍內(nèi)并且提供探頭內(nèi)阻的測(cè)量值。
根據(jù)本發(fā)明該任務(wù)通過(guò)具有權(quán)利要求1所述特征的裝置完成。
首先借助于示意圖詳細(xì)地說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例。附圖中

圖1示出一種公知的裝置，用于運(yùn)行具有公知的測(cè)定探頭內(nèi)阻Rpvs的裝置的線性拉姆達(dá)探頭，圖2示出根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)定探頭內(nèi)阻Rpvs的裝置，圖3示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的振蕩器輸出信號(hào)，圖4示出輸出信號(hào)VRpvs與探頭內(nèi)阻Rpvs的關(guān)系，圖5示出在放大倍數(shù)范圍2中(加熱階段)輸出信號(hào)VRpvs和在探頭上的電壓，而圖6示出在放大倍數(shù)范圍1中(正常工作)輸出信號(hào)VRpvs和在探頭上的電壓。
圖1示出一種公知的裝置，用于運(yùn)行具有公知的測(cè)定探頭內(nèi)阻Rpvs的裝置的線性拉姆達(dá)探頭。
左上方為探頭，具有-標(biāo)定電阻Rc(連接端為Rc、Vp+)，-具有等效電阻Rip和極化電壓Vp的泵電池(連接端Vp+、Vp-)，和-具有能斯脫電壓Vs和探頭內(nèi)阻Rpvs的測(cè)量電池(連接端Vs+、Vs-)在探頭下是公知的分析電路(IP控制)具有-差分放大器(Diff_Amp)，-參照電壓源(Vref)，-控制放大器(PID)，
-中心電壓源(Vm)，-泵電流源(Ip_Source)和-并聯(lián)電阻Rp。
探頭和分析電路的右邊用虛線框示出的是公知的測(cè)量探頭內(nèi)阻Rpvs的裝置，具有振蕩器OSZ、電阻Rv、退耦電容器Cv及放大器Rpvs_Amp和整流器GLR。
拉姆達(dá)探頭和其分析電路在原理上是公知的，因此不作進(jìn)一步說(shuō)明。
為了測(cè)量探頭內(nèi)阻Rpvs在探頭上施加振蕩器OSZ產(chǎn)生的測(cè)量信號(hào)，例如500μApp(峰對(duì)峰)頻率為3kHz的方波交變信號(hào)。通過(guò)高阻值電阻Rv和退耦電容Cv把所述信號(hào)輸送到拉姆達(dá)探頭的第一連接端Vs+。在例如正好100Ω的內(nèi)阻Rpvs上，于是出現(xiàn)500μApp*100Ω＝500mVpp的方波電壓。用放大器Rpvs_Amp放大此方波電壓并且用整流器GLR整流，于是向圖中未示的微處理器輸送直流電壓VRpvs作為拉姆達(dá)探頭的溫度控制的控制信號(hào)。這種電路的缺點(diǎn)已經(jīng)在上文中進(jìn)行了說(shuō)明。
圖2在虛線框中示出根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)定探頭內(nèi)阻Rpvs的裝置。在此電路中還是具有如圖1所示的振蕩器OSZ、放大器Rpvs_Amp、整流器GLR和退耦電容器Cv。
由兩個(gè)電阻Rv1和Rv2代替電阻Rv并且附加地設(shè)有兩個(gè)異或門電路Exor1和Exor2(異或門電路，例如74HC86型)和轉(zhuǎn)換開關(guān)S。
其輸出信號(hào)作為方波電流向探頭內(nèi)阻施加的振蕩器OSZ的輸出連接Exor1的輸入2和Exor2的輸入3。Exor2的輸入4在低電位(參照電位GND)，而Exor1的輸入1可通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)S放在低電位(GND)或者高電位(工作電壓電位Vcc＝5V)。
Exor1的輸出經(jīng)電阻Rv1、Exor2的輸出經(jīng)電阻Rv2與退耦電容Cv連接，所述退耦電容Cv以公知的方式連接探頭內(nèi)阻Rpvs并且通到放大器Rpvs_Amp并且進(jìn)一步通到整流器GLR。
電阻Rv1和Rv2如下確定Rv1＝Z/{0.5*(1-N)}，(＝26.67kΩ)，Rv2＝Z/{0.5*(1+N)}，(＝16.00kΩ)，式中N＝電壓比范圍1/范圍2(例如0.25)，Z＝總電阻Rv1與Rv2并聯(lián)(例如10kΩ)。
該裝置以如下方式工作在接通工作電壓Vcc＝5V時(shí)首先接通探頭加熱器并且選擇范圍2，因?yàn)樵诶錉顟B(tài)下Rpvs＞100kΩ。Exor1的輸入1處于高電位＝5V。Exor1作為反相器工作，Exor2作為不反相的緩沖器；Exor1和Exor2反相位地工作。在其輸出上出現(xiàn)相反相位的3kHz方波信號(hào)，也就是輸出Exor1＝低(0V)，輸出Exor2＝高(+5V)或者反之。
在此情況下，電阻Rv1和Rv2構(gòu)成內(nèi)阻為10kΩ的分壓器。在Rv1和Rv2的連接點(diǎn)得出交變電壓，取決于電阻分壓比，所述交變電壓要么為Vcc[Rv1/(Rv1+Rv2)]＝1.87V要么為Vcc[Rv2/(Rv1+Rv2)]＝3.13V＝1.25Vpp(見(jiàn)圖3范圍2)。相應(yīng)地確定了在探頭內(nèi)阻Rpvs中流動(dòng)的交變電流。
兩個(gè)電阻Rv1和Rv2的連接點(diǎn)上也就是分壓器抽頭上的輸出交變電壓，在空轉(zhuǎn)時(shí)處于例如3.13V和1.87V＝1.25Vpp之間或者視Rpvs的值而相應(yīng)地降低，這取決于其溫度。
經(jīng)過(guò)退耦電容Cv把該值輸送到放大器Rpvs_Amp的輸入。由此避免錯(cuò)誤的故障識(shí)別。
如果探頭內(nèi)阻Rpvs在范圍2中下降到預(yù)定值以下，例如下降到600Ω(例如輸出信號(hào)VRpvs下降到相應(yīng)的電壓值)，Exor1的輸入1通過(guò)開關(guān)S從高電位切換到低電位并且從而切換到區(qū)域1，也就是把放大倍數(shù)提高4倍。
現(xiàn)在Exor1的輸入1處在低電位GND＝0V。Exor1和Exor2都作為不反相的緩沖器同相地工作，就是說(shuō)，在其輸出出現(xiàn)同相的3kHz方波信號(hào)(空載5Vpp)要么雙方在低電位，要么雙方在高電位。電阻Rv1和Rv2表現(xiàn)為并聯(lián)連接，Rv1＝16kΩ，Rv2＝26.67kΩ，總電阻Rv1‖Rv2＝10kΩ。相應(yīng)于通過(guò)它在探頭電阻Rpvs中流過(guò)5Vpp/10kΩ＝500μApp的交變電流。這得到5Vpp的交變電壓(圖3范圍1)。
通過(guò)用作直流電壓退耦嵌入的退耦電容Cv在探頭內(nèi)阻上有一個(gè)內(nèi)阻為10kΩ空載電壓為1.25Vpp(范圍2)或者5Vpp(范圍1)的交變電壓源。
切換轉(zhuǎn)換開關(guān)S的切換作用比較器K，所述比較器2在范圍2中把輸出電壓VRpvs與預(yù)定的設(shè)定值比較。只要VRpvs＞設(shè)定值，輸出1就保持高電位；如果VRpvs＜設(shè)定值輸出1切換到低電位(范圍1)。然后它固定在此位置，其中把探頭內(nèi)阻通過(guò)輸出信號(hào)VRpvs控制到100Ω/750℃，直到關(guān)閉工作電壓。
比較器K是集成電路、例如用方框代表的微處理器μP的一部分。在此集成電路中還可以集成虛線方框內(nèi)的裝置，或者集成至少部分的或者全部地在圖1中示出的分析電路。在接入工作電壓(工作開始)時(shí)通過(guò)指令A(yù)nf把比較器定置為使轉(zhuǎn)換開關(guān)S把Exor1的輸入1連接到高電位(范圍2)。
圖3示出在范圍1(5Vpp)和范圍2(1.25Vpp)的振蕩器輸出信號(hào)。
圖4示出降在探頭內(nèi)阻Rpvs及放大器Rpvs_Amp的輸入上的信號(hào)幅度s與探頭內(nèi)阻Rpvs的關(guān)系。探頭Rpvs的內(nèi)阻在溫度T＝20℃時(shí)的值＞＞100kΩ在T≈200℃時(shí)約為100kΩ(圖表右側(cè))；于是在放大器輸入上有約1.16Vpp，最高1.25Vpp的電壓。
如果探頭內(nèi)阻Rpvs在溫度控制達(dá)到的750℃下為其額定值100Ω(在圖表左側(cè)零點(diǎn)附近)，在放大器輸入上有約為0.35Vpp的電壓。溫度T上升伴隨著電阻值的下降，也就是從坐標(biāo)的右移動(dòng)到坐標(biāo)左。
圖5示出相應(yīng)于范圍2中，見(jiàn)圖4，在探頭內(nèi)阻Rpvs及放大器Rpvs_Amp(上)的輸入上的信號(hào)幅度，和可在整流器GLR的輸出上引出的直流電壓VRpvs。從探頭溫度T＝20℃內(nèi)阻Rpvs＞＞100kΩ的工作開始出發(fā)，首先放大器輸出飽和，加熱探頭溫度上升。如果探頭內(nèi)阻＜2.4kΩ(上)，于是輸出電壓VRpvs下降(下)。如果Rpvs＜600Ω，于是切換到區(qū)域1，見(jiàn)圖6。
圖6上方示出在范圍1內(nèi)在探頭上的信號(hào)幅度，在下方示出可在輸出引出的直流電壓VRpvs，所述的范圍1是對(duì)于探頭加熱，以把探頭內(nèi)阻控制到100Ω的本來(lái)的控制范圍。
本發(fā)明的電路具有以下的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)交變電壓信號(hào)的幅度轉(zhuǎn)換進(jìn)行范圍1和范圍2的放大倍數(shù)轉(zhuǎn)換范圍10...6R0(正常工作)；幅度＝5Vpp。
范圍20...24R0(探頭高載)；幅度＝5Vpp/4＝3.12V-1.78V＝±0.625V＝1.25Vpp，參見(jiàn)圖3(R0＝Rpvs(750℃時(shí))＝100Ω)。
-用兩個(gè)電阻非常簡(jiǎn)單地確定所述范圍。
-源內(nèi)阻與范圍無(wú)關(guān)總是恒定。
-電路簡(jiǎn)單地集成，或者說(shuō)可以用標(biāo)準(zhǔn)元件制造。
-在冷探頭不會(huì)再超過(guò)±2V(4Vpp)的最高允許探頭電壓。
權(quán)利要求
1.裝置，用于測(cè)定內(nèi)燃機(jī)的線性氧探頭內(nèi)阻(Rpvs)，具有振蕩器(OSZ)用于產(chǎn)生交變電流，所述交變電流通過(guò)退耦電容(Cv)經(jīng)探頭連接端(Vs+)輸入到探頭內(nèi)阻(Rpvs)，并且所述交變電流在放大器(Rpvs_Amp)中被放大接著被整流，產(chǎn)生與探頭內(nèi)阻(Rpvs)成比例的電壓(VRpvs)作為探頭加熱的控制信號(hào)，其特征在于，設(shè)有分壓器(Rv1、Rv2)，向其兩個(gè)連接端上輸入振蕩器(OSZ)的輸出信號(hào)，所述輸出信號(hào)在其抽頭上產(chǎn)生引起流過(guò)探頭內(nèi)阻(Rpvs)的交變電流的電壓，在于，從接通工作電壓起就以彼此相反的相位(范圍2)向分壓器(Rpvs1、Rpvs2)的兩連接端輸送振蕩器(OSZ)的輸出信號(hào)，由此加熱氧探頭，直到放大器(Rpvs_Amp)輸出上的與探頭內(nèi)阻(Rpvs)成比例的電壓(VRpvs)超過(guò)預(yù)定的設(shè)定值，并且在于，從此時(shí)刻起以相同的相位(范圍1)向分壓器(Rpvs1、Rpvs2)的兩連接端輸送振蕩器(OSZ)的輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，設(shè)有第一異或門電路(Exor1)，其一個(gè)輸入(1)可以經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(S)連接工作電壓的高電位(Vcc)或者低電位(GND)，并且其另一輸入(2)連接振蕩器(OSZ)的輸出，在于，設(shè)有第二異或門電路(Exor2)，其一個(gè)輸入(3)可以連接振蕩器(OSZ)的輸出，并且其另一輸入(4)連接低電位(GND)，在于，第一異或門電路(Exor1)的輸出經(jīng)過(guò)由第一電阻(Rpvs1)和第二電阻(Rpvs2)的串聯(lián)電路構(gòu)成的分壓器與第二異或門電路(Exor2)的輸出連接，并且在于，分壓器的抽頭，也就是兩個(gè)電阻(Rpvs1、Rpvs2)的連接點(diǎn)經(jīng)退耦電壓(Vc)連接探頭連接端(Vsc+)和放大器(Rpvs_Amp)的輸入。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征在于，設(shè)有比較器(K)，向該比較器(K)輸送輸出電壓(VRpvs)、預(yù)定的設(shè)定值(VRpvs)，和指令(Anf)，并且當(dāng)工作開始接入工作電壓時(shí)，且只要輸出電壓(VRpvs)大于設(shè)定值時(shí)，比較器(K)就使第一異或門電路(Exor1)的輸入(1)經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(S)連接工作電壓的高電位(Vcc)，范圍2，并且處于范圍2的輸出電壓(VRpvs)一旦低于所述設(shè)定值，比較器(K)就立即使第一異或門電路(Exor1)的輸入(1)經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(S)處于工作電壓的低電位(GND)，范圍1。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，把所述設(shè)定值選擇得使在轉(zhuǎn)換開關(guān)(S)從高電位(Vcc)切換到低電位(GND)以后們，輸出電壓(VRpvs)低于高電位(Vcc)。
全文摘要
裝置具有分壓器(Rv1、Rv2)，其兩個(gè)連接端上以彼此相反的相位輸入振蕩器的信號(hào)(范圍2)，直到通過(guò)接入的探頭加熱使與探頭內(nèi)阻(Rpvs)成比例的電壓(VRpvs)超過(guò)預(yù)定的設(shè)定值，其中，從此時(shí)刻起以相同的相位(范圍1)向分壓器(Rpvs1、Rpvs2)的兩連接端輸送振蕩器(OSZ)的輸出信號(hào)，這使得進(jìn)行幅度切換(放大)。
文檔編號(hào)G01R27/02GK1486427SQ02803736
公開日2004年3月31日 申請(qǐng)日期2002年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月16日
發(fā)明者S·波爾茨, S 波爾茨 申請(qǐng)人:西門子公司