DE19907947B4

DE19907947B4 - Schaltung für einen NOx-Meßaufnehmer

Info

Publication number: DE19907947B4
Application number: DE19907947A
Authority: DE
Inventors: Tim Walde; Eric Chemisky
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 1999-02-24
Publication date: 2004-01-29
Anticipated expiration: 2019-02-25
Also published as: US6300753B1; DE19907947A1

Abstract

Schaltung für einen eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassenden Meßaufnehmer (1) mit einer ersten Meßzelle (4) und einer zweiten Meßzelle (8), die mit der ersten Meßzelle (4) verbunden ist, wobei die Meßzellen (4,8) in einem Festkörperelektrolyten (2) liegen, welche Schaltung aufweist
– eine erste Schaltungsanordnung, die unter Abgriff einer als erste Führungsgröße dienenden ersten Nernstspannung (V0) in der ersten Meßzelle (5) eine andere Sauerstoffkonzentration als im zu messenden Gas einstellt,
– eine zweite Schaltungsanordnung, die unter Abgriff einer als zweite Führungsgröße dienenden zweiten Nernstspannung (V1) in der zweiten Meßzelle (8) eine andere Sauerstoffkonzentration als in der ersten Meßzelle (4) einstellt,
– eine dritte Schaltungsanordnung, die unter Abgriff einer als dritte Führungsgröße dienenden, dritten Nernstspannung (V2) einen Pump-Strom (IP2) aus Sauerstoffionen, die aus NOx stammen, aus der zweiten Meßzelle (8) heraus treibt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der abgegriffenen Nernstspannungen (V0, V1, V2) einem digitalen Regler (C0, C1, C2) über eine Konditionierschaltung (K0, K1, K2) zugeführt ist, die die abgegriffene Nernstspannung (V0, V1, V2) so verschiebt und verstärkt, daß am Regler (C0, C1, C2) die Führungsgröße in einem Bereich um die Regellage des Reglers (C0, C1, C2) herum anliegt und das Bezugspotential der so konditionierten Nernstspannung dem des digitalen Reglers (C0, C1, C2) gleicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung für einen NOx-Meßaufnehmer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung der NOx-Konzentration in einem Gas, z.B. im Abgas einer Brennkraftmaschine, ist es bekannt, einen Dickschicht-Meßaufnehmer zu verwenden. Ein solcher Meßaufnehmer ist beispielsweise in der EP 0 831 322 A2 und auch in der Veröffentlichtung N. Kato et al., „Thick Film ZrO₂ NOx Sensor for the Measurement of Low NOx Concentration", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 980170, 1989, oder in N. Kato et al., „Performance of Thick Film NOx Sensor on Diesel and Gasoline Engines", Society of Automotive Engineers, Veröffentlichung 970858, 1997, beschrieben. Dieser Meßaufnehmer weist zwei Meßzellen auf und besteht aus einem Sauerstoffionen leitenden Zirkoniumoxid. Er verwirklicht folgendes Meßkonzept: In einer ersten Meßzelle, der das zu messende Gas über eine Diffusionsbarriere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sauerstoffionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In einer zweiten Meßzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Die Zersetzung von NOx an einer Meßelektrode führt zu einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom, der ein Maß für die NOx-Konzentration ist. Der gesamte Meßaufnehmer wird dabei mittels eines elektrischen Heizers auf eine erhöhte Temperatur, z.B. 750°C, gebracht.

Ein Messaufnehmer zur Messung der NOx-Konzentration etwas anderer Gattung ist aus der EP 0 845 670 A1 bekannt. Dieser Messaufnehmer weist ebenfalls zwei Messzellen auf. In der ersten Messzelle, der das zu messende Gas über eine Diffusionsbarriere zugeführt wird, wird mittels eines ersten Sau erstoffionen-Pumpstroms eine erste Sauerstoffkonzentration eingestellt, wobei keine Zersetzung von NOx stattfinden soll. In der zweiten Messzelle, die über eine Diffusionsbarriere mit der ersten verbunden ist, wird der Sauerstoffgehalt mittels eines zweiten Sauerstoffionen-Pumpstroms weiter abgesenkt. Bei diesem Messaufnehmer wird der zweite Sauerstoff-Pumpstrom unmittelbar dazu verwendet, die NOx-Konzentration des zu untersuchenden Gases zu messen.

Diese vorbekannten Messaufnehmer enthalten jeweils eine elektrische Schaltung zum Messen und Steuern der Sauerstoffionen-Pumpströme. Hierbei wird zum Einstellen der Sauerstoffionen-Pumpströme in den jeweiligen Meßzellen die Nernstspannung abgegriffen. Üblicherweise werden für die Regler digitale Mikrocontroller verwendet. Dabei sind für eine Nernstspannung zwei A/D-Ports am A/D-Wandler des Mikrocontrollers erforderlich, da die Span nung nur gegenüber dem Bezugspotential des Mikrocontrollers gemessen werden kann. Das heißt, üblicherweise wird die Spannung an der Meßelektrode gegenüber dem Bezugspotential des Mikrocontrollers gemessen. Weiter wird die Spannung an der Referenzelektrode gegenüber dem Bezugspotential des Mikrocontrollers gemessen. Aus diesen beiden Spannungen wird durch Differenzbildung die Nernstspannung erhalten. Bei Verwendung eines 8-Bit-Wandlers und 5 V Hub beträgt die Auflösung dann 20 mV. Diese Genauigkeit der Erfassung der Führungsgröße ist im Regelkreis jedoch nicht ausreichend. Es sind deshalb relativ teuere und nur in wenigen Modellen zur Verfügung stehende Mikrocontroller mit 10-Bit-Wandlern erforderlich, so daß die Auswahl für die Produktion bzw. Auslegung eingeschränkt ist.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltung für einen eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassenden Meßaufnehmer anzugeben, bei der die sich mit der Erfassung der Nernstspannung ergebenden Schwierigkeiten und Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnet Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird die abgegriffene Nernstspannung mit einer Konditionierschaltung aufbereitet, bevor sie dem Mikrocontroller zugeführt wird. Diese Konditionierschaltung verstärkt die Nernstspannung und verschiebt sie so, daß sie dem A/D-Port des digitalen Reglers in einem Bereich um die Regellage herum zugeführt wird. Bei einer Verstärkung von beispielsweise Faktor 10, wird der interessierende Bereich von ca. 500 mV auf 5 V gespreizt und verschoben. Dadurch kann auch mit einem 8-Bit-Wandler eine Auflösung von beispielsweise 2 mV erreicht werden, was für die Führungsgröße ausreichend ist. Vorteilhafterweise wird die Konditionierschaltung als Analogschaltung ausgebildet, die sowohl die Differenzbildung aus der an der Meßelektrode und der Referenzelektrode anliegenden Spannung als auch die Verschiebung und die Ver stärkung vornimmt. Je nach Ausbildung dieser Schaltung wird die Verschiebung in Richtung positiver oder negativer Spannung bewirkt.

Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß zum einen ein A/D-Port am A/D-Wandler des digitalen Reglers eingespart werden kann, zum anderen ein kostengünstiger 8-Bit-Wandler ausreichend ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer Brennkraftmaschine, bei der ein NOx-Meßaufnehmer Anwendung finden kann,
2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen NOx-Meßaufnehmer mit schematisch dargestellter Schaltung und
3 einen vereinfachten Schaltplan einer Konditionierschaltung.
In 2 ist ein Schnitt durch einen NOx-Meßaufnehmer 1 schematisch dargestellt. Dieser Meßaufnehmer 1 wird in der in 1 dargestellten Vorrichtung als Meßaufnehmer 24 zur Bestimmung der NOx-Konzentration im Abgastrakt 27 einer Brennkraftmaschine 20 verwendet. Dazu werden die Meßwerte des NOx-Meßaufnehmers 24 von einer Steuereinheit 23 ausgelesen, die mit dem NOx-Meßaufnehmer 24 verbunden ist, und dem Betriebssteuergerät 25 der Brennkraftmaschine 20 zugeführt, das ein Kraftstoffzuführsystem 21 der Brennkraftmaschine 20 so ansteuert, daß ein NOx-reduzierender Katalysator 28, der in diesem Fall stromauf des NOx-Meßaufnehmers 24 im Abgastrakt 27 der Brennkraftmaschine 20 liegt, optimales Betriebsverhalten zeigt.
Der Meßaufnehmer 24, 1 ist in 2 detaillierter dargestellt. Der aus einem Festkörperelektrolyten 2, in diesem Fall ZrO₂ bestehende Meßaufnehmer 1 nimmt über eine Diffusionsbarriere 3 das zu messende Abgas auf, dessen NOx-Konzentration bestimmt werden soll. Das Abgas diffundiert dabei durch die Diffusionsbarriere 3 in eine erste Meßzelle 4.
Zum Bestimmen des Sauerstoffgehalts in dieser Meßzelle 4 wird eine Nernstspannung V0 zwischen einer ersten Elektrode 5 und einer Umgebungsluft ausgesetzten Referenzelektrode 11 gemessen. Die Erfassung der Nernstspannung V0 wird noch genauer beschrieben werden. Dabei ist die Referenzelektrode 11 in einem Luftkanal 12 angeordnet, in den über eine Öffnung 14 Umgebungsluft gelangt.
Mit der Nernstspannung V0 als Führungsgröße regelt ein als digitaler Regler CO dienender 8-Bit-Mikrocontroller über eine Stellspannung eine spannungsgesteuerte Stromquelle UI0, die einen ersten Sauerstoffionen-Pumpstrom IPO durch den Festkörperelektrolyten 2 des Meßaufnehmers 1 zwischen der ersten Elektrode 5 und einer Außenelektrode 6 treibt.
Die so ausgebildete erste Schaltkreisanordnung stellt somit in der ersten Meßzelle 4 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein.
Die zweite Meßzelle 8 ist mit der ersten Meßzelle 4 über eine weitere Diffusionsbarriere 7 verbunden. Durch diese Diffusionsbarriere 7 diffundiert das in der ersten Meßzelle 4 vorhandene Gas in die zweite Meßzelle B. In der zweiten Meßzelle 8 wird über eine ähnliche Schaltkreisanordnung eine zweite Sauerstoffkonzentration eingestellt. Dazu wird zwischen einer zweiten Elektrode 9 und der Referenzelektrode 11 eine zweite Nernstspannung abgegriffen. Die Einzelheiten des Nernstspan nungsabgriffes werden nachstehend noch erläutert werden. Mit der zweiten Nernstspannung V1 als Führungsgröße regelt ein digitaler Regler Cl, der beispielsweise in dem für Regler CO verwendeten 8-Bit-Mikrocontroller verwirklicht werden kann, mittels einer zweiten Stellspannung eine zweite spannungsgesteuerte Stromquelle UI1, die einen zweiten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP1 aus der zweiten Meßzelle 8 hinaustreibt.
Diese zweite Schaltkreisanordnung stellt somit in der zweiten Meßzelle 8 eine vorbestimmte Sauerstoffkonzentration ein, die anders ist als die in der ersten Meßzelle 4. Diese Sauerstoffkonzentration wird dabei so gewählt, daß NOx von den ablaufenden Vorgängen nicht betroffen ist, insbesondere keine Zersetzung stattfindet.
Das NOx wird nun an der Meßelektrode 10, die katalytisch ausgestaltet sein kann, in einem dritten Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 von der Meßelektrode 10 zur Außenelektrode 6 hin gepumpt. Da der Restsauerstoffgehalt in der Meßzelle 8 ausreichend abgesenkt ist, wird dieser Sauerstoffionen-Pumpstrom IP2 im wesentlichen nur von Sauerstoffionen getragen, die aus der Zersetzung von NOx an der Meßelektrode 10 stammen. Zum Treiben des Pumpstromes IP2 wird eine dritte Nernstspannung V2 zwischen der Meßelektrode 10 und der Referenzelektrode 11 abgegriffen. Die Einzelheiten dieses Nernstspannungsabgriffes werden nachstehend noch erläutert werden. Mit dieser dritten Nernstspannung V2 als Führungsgröße regelt ein Regler C2 über eine dritte Stellspannung eine dritte spannungsgesteuerte Stromquelle UI2, die den Pumpstrom IP2 treibt, der ein Maß für die NOx-Konzentration in der Meßzelle 8 und somit im zu messenden Abgas ist.
Diese dritte Schaltungsanordnung treibt somit den den Meßstrom darstellenden Pumpstrom aus Sauerstoffionen aus der zweiten Meßzelle 8 heraus.
Beim Abgriff der Nernstspannungen V0, V1, V2 werden diese an eine Konditionierschaltung geleitet, die dem jeweiligen A/D-Port des Mikrocontrollers vorgeschaltet ist. Dabei ist für jeden A/D-Port eine Konditionierschaltung vorgesehen. Diese Schaltung ist in 3 genauer dargestellt.
Über einen Widerstand 39 wird die jeweilige Elektrode 5, 9, 10 an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 35 angeschlossen. Dieser nicht-invertierende Eingang ist weiter über einen Widerstand 38 mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 35 rückgekoppelt. Die Referenzelektrode 11 wird über einen Widerstand 34 an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 35 angeschlossen.
Am Ausgang 40 liegt dann die verstärkte und verschobene Spannung an, die sich folgendermaßen aus der Spannung zwischen der Elektrode und der Referenzelektrode ergibt: U = V0 ⨯ G + 0.
In dieser Gleichung bezeichnet V0 die Nernstspannung, U die Ausgangsspannung, G die Verstärkung und 0 die Offsetverschiebung. Die Schaltung transformiert somit einen kleinen Bereich der Nernstspannung in einen Bereich von beispielsweise 0 bis 5 V. Dieser kleine Bereich der Nernstspannung, der sozusagen „ausgeschnitten" wird, liegt um den Sollwert der die Führungsgröße darstellenden Nernstspannung herum.
Dadurch kann mit einer Standardkonfiguration mit einem 8-Bit-A/D-Wandler bei einer maximalen Spannung von 5 V statt einer Auflösung von 20 mV, die sich ergäbe, wenn man die Nernstspannung direkt messen würde, durch geeignete Schaltungsdimensionierung beispielsweise eine Nernstspannungsauflösung von 0,4 mV erreicht werden.
Werden folgende Widerstandswerte verwendet,

Widerstand	Wert in Ω
34	20 k
36a	124 k
36b	nc
37a	140 k
37b	nc
38	1 M
39	20 k

beträgt der Meßbereich 350 mV – 450 mV.
Da nur der für die Regelung bedeutende Bereich der Nernstspannung erfaßt wird, wird die Auflösung der Nernstspannung in der Umgebung des Sollwertes dieser Führungsgröße erhöht. Außerhalb dieses Wertes liefert der A/D-Wandler den oberen bzw. unteren Maximalwert, was aber für die Regelungsaufgabe nicht schädlich ist.
Der Bereich um den Sollwert der Nernstspannung, der von der Schaltung verstärkt wird, hängt von der Dimensionierung der Widerstände 34, 39, 38 und 37 ab. Es ist ein Bereich von 5 mV –1 V bei einem Verstärkungsfaktor von 5 bis 1000 vorteilhaft.
Je nachdem ob die Widerstände 36b und 37b oder 36a und 37a (in der 3 gestrichelt bzw. durchgezogen gezeichnet) bestückt werden, kann die Offsetverschiebung positiv oder negativ eingestellt werden. An den Ausgangsknoten 41 bzw. 42 der in 3 dargestellten Schaltung kann die jeweilige Spannung an der Elektrode 5, 9, 10 bzw. der Referenzelektrode 11 gegenüber dem Bezug des Mikrocontrollers abgegriffen werden; dies kann für Prüfzwecke vorteilhaft sein.

Claims

Schaltung für einen eine NOx-Konzentration in einem Gas erfassenden Meßaufnehmer (1) mit einer ersten Meßzelle (4) und einer zweiten Meßzelle (8), die mit der ersten Meßzelle (4) verbunden ist, wobei die Meßzellen (4,8) in einem Festkörperelektrolyten (2) liegen, welche Schaltung aufweist – eine erste Schaltungsanordnung, die unter Abgriff einer als erste Führungsgröße dienenden ersten Nernstspannung (V0) in der ersten Meßzelle (5) eine andere Sauerstoffkonzentration als im zu messenden Gas einstellt, – eine zweite Schaltungsanordnung, die unter Abgriff einer als zweite Führungsgröße dienenden zweiten Nernstspannung (V1) in der zweiten Meßzelle (8) eine andere Sauerstoffkonzentration als in der ersten Meßzelle (4) einstellt, – eine dritte Schaltungsanordnung, die unter Abgriff einer als dritte Führungsgröße dienenden, dritten Nernstspannung (V2) einen Pump-Strom (IP2) aus Sauerstoffionen, die aus NOx stammen, aus der zweiten Meßzelle (8) heraus treibt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der abgegriffenen Nernstspannungen (V0, V1, V2) einem digitalen Regler (C0, C1, C2) über eine Konditionierschaltung (K0, K1, K2) zugeführt ist, die die abgegriffene Nernstspannung (V0, V1, V2) so verschiebt und verstärkt, daß am Regler (C0, C1, C2) die Führungsgröße in einem Bereich um die Regellage des Reglers (C0, C1, C2) herum anliegt und das Bezugspotential der so konditionierten Nernstspannung dem des digitalen Reglers (C0, C1, C2) gleicht.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konditionierschaltung (K0, K1, K2) einen Operationsverstärker (35) aufweist, dessen invertierender Eingang einerseits über einen Widerstand (39) an eine Elektrode (5, 9, 10) zum Abgriff des einen Potentials angeschlossen ist und andererseits über einen Widerstand (38) zum Ausgang des Operationsverstärkers (35) rückgekoppelt ist, dessen nicht-invertierender Eingang einerseits über einen Widerstand (34) an die Referenzelektrode angeschlossen ist und andererseits über einen Widerstand (36a) auf Erde gelegt ist, so daß am Ausgang (40) der Konditionierschaltung (K0, K1, K2), der mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (35) verbunden ist, die konditionierte Nernstspannung anliegt.
Schaltung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zu dem Regler (C0, C1, C2) gehörenden A/D-Wander die von der Konditionierschaltung (K0, K1, K2) konditionierte Nernstspannung mit 8-Bit-Auflösung analog/digital wandelt.