JPH1090218A - λセンサの内部抵抗の決定装置および方法 - Google Patents

λセンサの内部抵抗の決定装置および方法

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JPH1090218A JP9235689A JP23568997A JPH1090218A JP H1090218 A JPH1090218 A JP H1090218A JP 9235689 A JP9235689 A JP 9235689A JP 23568997 A JP23568997 A JP 23568997A JP H1090218 A JPH1090218 A JP H1090218A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 最小ハードウエア構成を用いてセンサの内部
抵抗を測定する装置及び方法を提供する。 【解決手段】 コンピュータは、可変切換状態を有する
コンピュータポート９と信号入力端７とを有し、信号入
力端に存在する可変の値とその他の所定の固定値とから
λセンサ１の内部抵抗３を計算する。５Ｖ電源の正極が
コンピュータポートと測定抵抗８とを介してλセンサの
正極に結合されている。λセンサの正極は、コンピュー
タの信号入力端の前に設けられたアナログ／ディジタル
変換器６に直接結合されている。λセンサに電源４と抵
抗５とからなる直列回路が並列に接続され、電源４の電
圧はλセンサのネルンスト電圧の約半分の値であり、抵
抗５の抵抗値は運転温度におけるλセンサの内部抵抗の
約半分の値である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ネルンスト形λセ
ンサの内部抵抗を決定する装置及び方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】λセンサの内部抵抗は主として温度の影
響を受け、したがってセンサ温度の代替値として利用さ
れる。センサ温度の検出は種々の目的に有用である。と
くに、たとえばアメリカの環境庁ＣＡＲＢから要求され
ているように、センサ温度の検出によりセンサの加熱の
診断が可能である。種々の内部抵抗の決定方法が既知で
ある。1 つの既知の方法として、両方の信号成分が周波
数フィルタで分離できるようにセンサに必要な周波数と
は異る周波数の交流信号をセンサに印加する方法があ
る。フィルタリングされた後に得られる交流信号の振幅
は、センサの温度、したがってセンサの内部抵抗の関数
であり、したがって温度代替値として適している。
【０００３】欧州特許第３７７６００号から既知の内部
抵抗の決定においては、センサの正極が周期的に測定抵
抗を介してアースに接続される。両方のサイクル期間に
おいて、信号は前置増幅器を介してコンピュータに伝送
され、コンピュータはその信号と回路の既知の値とから
センサの内部抵抗を計算する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】最小ハードウエア構成
を用いてセンサの内部抵抗を測定する装置及び方法を提
供することが本発明の課題である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
る、可変切換状態を有する少なくとも１つのコンピュー
タポートおよび信号入力端を有し、前記信号入力端に存
在する可変の値およびその他の所定の固定値からλセン
サの内部抵抗を計算するコンピュータと、その正極が前
記コンピュータポートおよび測定抵抗を介して前記λセ
ンサの正極と結合されている電源と、前記λセンサの正
極と、前記コンピュータの前記信号入力端の前に設けら
れたアナログ／ディジタル変換器との電気的な直接結合
とを有する、正極を備えたλセンサの内部抵抗の決定装
置によって解決される。
【０００６】また、上記課題は、本発明の上記λセンサ
の内部抵抗の決定装置によりλセンサ内部抵抗を決定す
る方法において、求めるべき内部抵抗が、抵抗ＲＢＥＬ
と、負荷時及び無負荷時のセンサ電圧の差を分子とした
供給電圧及び負荷時のセンサ電圧の差の商との積に比例
するとして計算されることを特徴とする本発明による方
法によって解決される。
【０００７】回路の電流値、電圧値および抵抗値の決定
のために目ざす理想の場合、スイッチング・トランジス
タを介挿しないで、コンピュータポートを介してセンサ
正極と供給電源電圧の正極が直接周期的に接続されるこ
とが行われ得る。
【０００８】この場合、内部抵抗の決定に必要な追加ハ
ードウェアは測定抵抗に限定され、回路のコストに関す
る利点は明らかである。
【０００９】センサの正極がアースに周期的に接続され
るのではなく、供給電源の正極に接続されることがとく
に有利である。センサの正極は基準ガスに面した電極に
より構成され、一方負極は排気ガスに面した電極で構成
されている。基準ガスが注入されたセンサにおいては、
基準ガスはある程度センサ内部への酸素の補給により形
成されねばならない。センサの正極が内部抵抗の決定の
ために供給電圧の正極に接続されることにより、内部抵
抗の決定のために流れる電流が、同時に注入された基準
ガス雰囲気を維持するポンプ電流として動作することに
なる。電流はセンサ電解質内で負の酸素イオンにより運
搬され、負の酸素イオンは、正極にすなわち排気ガスか
ら基準雰囲気に注入される。
【００１０】時間ラスタの変更により、基準ガスが注入
されたセンサおよび空気基準のセンサの場合における診
断の目的から希望する内部抵抗の決定と、ならびに基準
ガスが注入されたセンサに対する周期的なポンプ電流制
御とが実施できることはとくに有利である。したがっ
て、本発明の装置による診断は、両方のセンサ形式に対
しハードウェアを変更することなく使用できる。したが
って、最初空気基準で開発された診断のためのセンサ
は、センサ形式を切り換えるか、場合によっては付随的
にポート操作のソフトウェア範囲を変更することが必要
である。
【００１１】さらに、正確な測定の意味で、センサの電
圧値を読み取る走査時点を狭い公差に固定できることは
有利である。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に本発明を図面により説明す
る。
【００１３】図１において、参照番号１は排気ガスセン
サの等価回路を示し、それは、ネルンスト（Ｎｅｒｎｓ
ｔ）電圧ＵＳを供給する原電源２と、Ｒｉの内部抵抗３
を有する。センサ１のネルンスト電圧の約半分、すなわ
ち約４５０ミリボルトを供給する電源４と、センサ１の
増大する加熱の結果使用可能になったときのセンサ１の
内部抵抗の値に対応する抵抗５とからなる直列回路がセ
ンサ１に並列に接続されている。センサ１の正極は、ア
ナログ／ディジタル変換器（ＡＤＣ）６を介してコンピ
ユータ入力端７に接続されている。さらに、正極は、Ｒ
ＢＥＬの測定抵抗または負荷抵抗８とコンピュータポー
ト９とを介してたとえば５ボルトの供給電源に接続され
ている。例として図２にその時間線図が示されているよ
うに、コンピュータ内部信号ＢＲＩＰＵＶによりコンピ
ュータポートは前記接続を開閉する。図に示すように、
接続はポートによって例えば周期的な５秒ごとに約１０
ミリ秒間閉じられる。
【００１４】この時間ラスタは次の背景に基づいてい
る。センサ信号の測定は１０ミリ秒の時間ラスタ内で実
施される。したがって、３ないし５秒ごとに、コンピュ
ータポートが前記接続を約１０ミリ秒間閉じている間に
負荷の測定を行うことが好ましい。この時間ラスタの場
合、規則的な測定の脱落数はマイナスには作用しない。
【００１５】図３は、アナログ／ディジタル変換器（Ａ
ＤＣ）に供給される、得られたセンサ電圧の電圧線図
（カーブ１）を、測定パルス、負荷パルスまたはポンプ
パルス（カーブ２）および測定時点が読み取れるカーブ
３と共に示している。値は新しいセンサに対し２４０オ
ームの内部抵抗において求められている。カーブ１は測
定パルスの負荷により最初は電圧跳躍形の抵抗（オーミ
ック）特性を示し、次いで指数関数的に上昇する容量特
性を示す。このことから、センサの電圧値を測定パルス
の最初で読み取るか最後で読み取るか、即ち測定時点は
Ｒｉの値にかなりの影響を与えることがわかる。したが
って、正確な測定のためにセンサ電圧値を読み取るため
の走査時点３ａを狭い公差で設定することが好ましい。
実験により、試験パルスの開始から約３ミリ秒後が最適
な時点として確認された。
【００１６】比例的な跳躍の高さのみを測定することが
理想的である。しかし、この方法は、センサ信号が場合
によっては電磁的な外乱の侵入を抑制するために事前に
フィルタリングされ、そのため測定値を検出する前にこ
のフィルタリングが行われる過渡時間を待たなければな
らないので、実際の運転においては不可能である。
【００１７】図４は、かなり高い内部抵抗（２．４キロ
オーム）に対する、すなわちより低温のセンサに対する
図３に対応する線図を示す。
【００１８】両方のセンサ電圧カーブから、センサが測
定パルスのターンオフ後に前の電位に再び戻るために必
要な回復時間が明らかに認められる。この回復効果のた
めに約３０ミリ秒の間はセンサ電圧の測定または場合に
よってはその補正を行わないほうがよい。
【００１９】求めるべき内部抵抗は、抵抗ＲＢＥＬと、
負荷時および無負荷時のセンサ電圧の差を分子とする供
給電圧（たとえば５Ｖ）および負荷時のセンサ電圧の差
の商との積に比例する。
【００２０】図５は、本発明のとくに有利な使用例とし
て基準ガスが注入されたセンサを示す。
【００２１】図５は、壁５．１によって図示した排気管
内の排気ガスセンサ５．２の断面を示す。この壁は内燃
機関の排気ガス（左側）を周囲空気（右側）から分離し
ている。排気ガスセンサは、その排気ガス側の部分内
に、排気ガスに露出されている測定電極５．４と基準電
極５．５との間に固体電解質５．３を有している。基準
電極５．５と結合している基準ガス容積５．６は、排気
ガスとも周囲空気とも直接に接触はしていない。基準ガ
ス容積内に発生するおそれのある過剰圧力は、周囲空気
との間接的な結合、たとえば多孔質に構成された測定リ
ード５．１０を通じて解放される。
【００２２】安定した基準ガス雰囲気を維持するため
に、時間的に平均して、生じた酸素消費を上回る酸素を
ポンプ電流Ｉｐによって供給することが重要である。こ
の消費は、電圧ＵＳ＝Ｕｎの測定において、電圧測定を
測定抵抗を介して電流測定で行う場合に必ず発生する。
排気ガスセンサの出力電圧Ｕｎの１ボルトの大きさの電
圧の測定の場合には普通メガオーム範囲の抵抗が使用さ
れる。その結果、マイクロアンペア範囲の測定電流が流
れる。電解質ではこの電流は酸素イオンとして基準ガス
容積から搬出され、基準ガス容積の酸素濃度は測定によ
って低下する。
【００２３】測定パルスは、時間的に平均して、必要な
ポンプ電流を供給するようにその高さと継続時間が決定
される。
【００２４】２００ミリ秒ごとに１０ミリ秒間与えられ
る１ミリアンペアの測定パルスは、典型的な自動車両へ
の使用に対して十分な２５マイクロアンペアの時間平均
ポンプ電流を発生させる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置を示す。
【図２】コンピュータポート操作の時間ラスタの説明図
を示す。
【図３】測定／ポンプパルスとそれに対応するセンサ電
圧の時間線図を示す。
【図４】内部抵抗がかなり高いとき、すなわちより低温
のセンサに対する図３に対応する時間線図を示す。
【図５】本発明によりとくに効果を発揮する注入基準ガ
ス式センサを示す。
【符号の説明】
１ センサ ２ 原電源 ３ 内部抵抗 ４ 電源 ５ 抵抗 ５．１ 壁 ５．２ 排気ガスセンサ ５．３ 固体電解質 ５．４ 測定電極 ５．５ 基準電極 ５．６ 基準ガス容積 ５．１０ 測定リード ６ アナログ／ディジタル変換器 ７ コンピュータ入力端 ８ 測定または負荷抵抗 ９ コンピュータポート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エーリヒ・ユンギンガー ドイツ連邦共和国 70191 シュトゥット ガルト，フリードリヒ−エーバート−シュ トラーセ 50 (72)発明者 ロター・ラフ ドイツ連邦共和国 71686 レムゼック, ヴンネンシュタインシュトラーセ 24

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 可変切換状態を有する少なくとも１つの
    コンピュータポートおよび信号入力端を有し、前記信号
    入力端に存在する可変の値およびその他の所定の固定値
    からλセンサの内部抵抗を計算するコンピュータと、 その正極が前記コンピュータポートおよび測定抵抗を介
    して前記λセンサの正極と結合されている電源と、 前記λセンサの正極と、前記コンピュータの前記信号入
    力端の前に設けられたアナログ／ディジタル変換器との
    電気的な直接結合とを有する、正極を備えたλセンサの
    内部抵抗の決定装置。
  2. 【請求項２】 前記コンピュータポートの切替状態が、
    前記電源及びλセンサの正極の接続が周期的に開閉する
    ように所定の時間ラスタ内で周期的に変化されることを
    特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記λセンサに電源と抵抗とからなる直
    列回路が並列に接続され、前記電源は前記λセンサのネ
    ルンスト電圧の約半分の電圧に相当し、前記抵抗は運転
    温度における前記λセンサの内部抵抗の約半分の値に相
    当することを特徴とする請求項２記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記コンピュータポートの出力能力を考
    慮した測定電流強度が０．５ないし１ミリアンペアの範
    囲で与えられるように供給電圧および負荷抵抗が選定さ
    れることを特徴とする請求項２記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記コンピュータポートが３ないし５秒
    ごとに約５ないし２０ミリ秒の間接続さることを特徴と
    する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
  6. 【請求項６】 基準ガスが注入されるセンサの場合、負
    荷パルスの継続時間が、基準ガス雰囲気への周期的な酸
    素の補給のために十分であるように前記コンピュータポ
    ートが制御されることを特徴とする請求項１ないし５の
    いずれか一項に記載の装置。
  7. 【請求項７】 ポンプ電流が時間平均で１０ないし５０
    マイクロアンペアに設定されるように前記コンピュータ
    ポートが開閉されることを特徴とする請求項６記載の装
    置。
  8. 【請求項８】 前記コンピュータポートが約２００ミリ
    秒ごとに５ないし２０ミリ秒の間接続されることを特徴
    とする請求項７記載の装置。
  9. 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれか一項に記載
    の装置によりλセンサ内部抵抗を決定する方法におい
    て、 求めるべき内部抵抗が、抵抗ＲＢＥＬと、負荷時及び無
    負荷時のセンサ電圧の差を分子とした供給電圧及び負荷
    時のセンサ電圧の差の商との積に比例するとして計算さ
    れることを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 負荷時のセンサの電圧が、試験パルス
    の開始から約１ないし５ミリ秒後である走査時点におい
    て読み取られることを特徴とする請求項９記載の方法。
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