專利名稱：寬帶拉姆達傳感器的分析和控制單元的制作方法
寬帶拉姆達傳感器的分析和控制單元 本發(fā)明涉及寬帶拉姆達傳感器的分析和控制單元。 現(xiàn)有技術為了達到現(xiàn)在所要求的機動車排放限值，使用了規(guī)定的三元催化轉換器。其用 于大大降低廢氣成分一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物。其由一種陶瓷體組成，該陶 瓷體具有許多小的孔道并設置有貴金屬涂料，這些貴金屬涂料具有實際的催化劑功能。 如果廢氣掠過熱的催化劑表面，所述的廢氣成分則分解為無害的化合物水、氮和二氧化碳。為了使所述的廢氣相互反應，發(fā)動機需要平衡的化學計量混合物，該混合物既 不允許是富的也不允許是貧的。這通過采用一種拉姆達傳感器來保證，其中該拉姆達傳 感器測量廢氣中的氧含量并將其通知給一個控制設備。該控制設備然后比如如此來影響 噴射裝置，使得該噴射裝置來提供當前所需的混合物。用作混合物比例傳感器的氧傳感器在US-A-4,568,443中被公開。在該氧傳感器 中，傳感器的測量元件構造有一個內部氣體擴散室，該氣體擴散室與外部空間相通，外 部空間包含有要測量的氣體。該測量元件具有一個測量裝置，該測量裝置用于確定在內 部氣體擴散室中氣氛或者說氣體的氧濃度，在該氣體擴散室中有在預定擴散阻力下導入 的測量氣體。該測量裝置輸出一個輸出信號，該輸出信號指示了氧濃度。此外該測量元 件還具有氧泵裝置，該氧泵裝置利用與該測量裝置的輸出信號有關的泵電流而被驅動， 使得在該氣體擴散室中的氧濃度被保持為一個預定的值。傳輸給該氧泵裝置的泵電流被 采集了一個參數(shù)，該參數(shù)描述了測量氣體的氧濃度、也即通過空氣/燃料混合物的燃燒 而產(chǎn)生的廢氣。在DE 198 38 466 Al中公開了用于控制測量探頭、以確定氣體混合物中、尤其 內燃機廢氣中氧濃度的一種方法。在此與氧濃度相對應的、由能斯脫測量元件所提供的 檢測電壓由一個電路配置轉換為泵單元的泵電壓。按照氣體混合物中的氧含量，一個陽 極的或陰極的總電流流過該泵單元。在該測量探頭穩(wěn)定運行時，其中在一個可選的時間 段上在該測量探頭中流過一個陽極的極限電流，給該泵單元和/或該能斯脫測量元件如 此施加了至少一個與所測量的檢測電壓無關地或者與產(chǎn)生的泵電流無關而提供的電壓脈 沖，使得進行該測量探頭的去極化。在DE 101 45 804 B4中公開了用于運行一種氮氧化物傳感器以確定氣體混合物 中、尤其機動車廢氣后處理時氮氧化物濃度的方法。在泵單元的內部泵電極與外部泵電 極之間施加了影響泵電流的一個泵電壓。借助該泵電壓，在第一測量室中通過氧氣的泵 入或泵出來調節(jié)一個恒定的氧氣分壓力。該泵電壓被如此來控制，使得在濃度單元的電 極上調節(jié)一個恒定的電壓值。在第二測量室中所設置的NOx敏感的第三電極作為第二 泵單元而被運行，在該第二泵單元中調節(jié)一個極限泵電流，該極限泵電流指示了 NOx濃 度。在一個測量時間窗口內該泵電流被斷開或者受控制地被降低，并采集NOx濃度。在DE 102 21 392 B4中公開了用于借助測量敏感元件來測量在測量氣體中氣體濃度的一種方法和一種裝置。該測量敏感元件具有一個外部電極，該外部電極與一種固 體電解質相連并暴露于固定氣體，該測量敏感元件還具有一個與該固體電解質相連的電 極，在這兩個電極之間借助流過該固體電解質的泵電流能夠泵入氧氣。在此該泵電流在 該參考電極與該電極之間被驅動。作為泵電流周期地使用了一個脈沖序列，該脈沖序列 具有多個相同脈沖寬度的單個脈沖，其中用于調節(jié)泵電流電平的脈沖寬度由數(shù)字的或模 擬的調節(jié)器來調節(jié)。在DE 101 63 912 Al中公開了一種氣體傳感器、尤其一種拉姆達傳感器以及用于 控制該氣體傳感器的一種方法。在此該氣體傳感器具有暴露于測量氣體中的一個第一電 極以及暴露于參考氣體中的一個第二電極。此外還設置有控制和分析電路。給該電路輸 送了關于整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的信號。在運行狀態(tài)中，其中測量氣體充分地或者在氣體成 分濃度上對應于參考氣體，該控制和分析電路把該測量信號自動地與一個預給定值相比 較。這能夠提供一種氣體傳感器，該氣體傳感器即使在應用于腐蝕性氣體混合物中時也 具有長的壽命以及良好的測量精確度。
在DE 102 16 724 Cl中公開了用于運行寬帶拉姆達傳感器以確定在用燃料-空氣 混合物驅動的內燃機廢氣中氧濃度的一種方法，其中在燃料后噴射期間在內燃機的貧運 行中和/或在拉姆達傳感器的升溫階段來進行泵電壓的重復換極。為了泵電壓的重復換 極，在該泵單元上施加了具有恒定幅度的電壓脈沖的脈沖序列，并通過根據(jù)能斯脫單元 的能斯脫電壓對電壓脈沖的脈寬調制來調節(jié)一個有效的泵電流。對此代替地，可以為了 泵電壓的充分換極而在該泵單元上施加具有恒定脈寬的電壓脈沖的脈沖序列，并通過根 據(jù)能斯脫單元的能斯脫電壓改變該電壓脈沖的幅度來調節(jié)一個有效的泵電流?？梢栽趦?燃機的貧運行和富運行中一直保持對該脈沖單元的脈沖驅動。在DE 10 2004 047 797 Al中公開了另一種傳感器元件，該傳感器元件設置用于 確定內燃機廢氣中氧氣分壓力。該傳感器元件包含有至少一個電化學測量單元，該電化 學測量單元包含有一個第一電極和一個第二電極，這兩個電極通過一種固體電解質電連 接。該第二電極設置在一個氣室中，該氣室通過具有催化活性材料的一個第一元件和限 制擴散的一個第二元件與位于該傳感器元件外部的測量氣體相連接。該第一元件在測量 氣體的擴散方向上具有至少Imm的長度。這能夠使該傳感器元件以放大的響應速度來測 量該測量氣體的氧氣分壓力。另外在所謂不均衡測量氣體或多成分測量氣體的情況下也 能夠進行氧氣分壓力的精確測量。此外還公開了由該申請人所開發(fā)的集成電路CJ125，其中它是一種寬帶拉姆達傳 感器的控制和放大電路。該電路連接在該寬帶拉姆達傳感器與微計算機之間。它的任務 尤其在于，借助一種模擬分析概念來分析由該寬帶拉姆達傳感器所提供的能斯脫電壓， 并向該寬帶拉姆達傳感器傳輸與該能斯脫電壓相關的泵電壓。關于該集成電路的產(chǎn)品信 息可以訪問因特網(wǎng)地址 www.semiconductors.bosch.de/pdf/CJ125_Product_Info.pdf。本發(fā)明的優(yōu)點具有權利要求1所述特征的一種分析和控制單元所具有的優(yōu)點是，它除了確定 泵電流調節(jié)器的實際值之外，還確定與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的另外的信 息，并將其在數(shù)字接口上提供。所述的另外的信息可以以多種方式而被使用，比如用于 實現(xiàn)按照CARB的電纜診斷，用于保證該寬帶拉姆達傳感器的電極端子RE、IPE和APE在每個運 行狀態(tài)中都不偏離OV至Umax的允許電壓范圍，用于連續(xù)觀測寬帶拉姆達傳感 器的電極極性，用于關于其老化來監(jiān)控該拉姆達傳感器，用于在存在限流傳感器的情況 觀測拉姆達1通路(Lambdal-Durchgang)并且用于檢測本拉姆達傳感器的運行預備程度。 由此擴展了分析和控制單元的功能。為了確定與寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息，可以一同使 用原本就存在的、設置用于確定泵電流調節(jié)器實際值以及用于確定拉姆達傳感器內部電 阻的信號處理單元。根據(jù)一個實施方案，由該信號處理單元所確定的與寬帶拉姆達傳感器的運行狀 態(tài)有關的所述另外的信息通過一個模數(shù)轉換器被直接輸送給該數(shù)字接口。從這里它們可 以無延遲地比如輸送給一個所連接的uC。該uC又可以分析所傳輸?shù)牧硗獾男畔?，并?速地采取可能必要的響應，比如改變燃料混合物或者顯示報警信號。一個可替選的實施方案是，把由該信號處理單元所確定的與該寬帶拉姆達傳感 器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息在模數(shù)轉換之后中間存儲在該分析和控制單元的一 個中間存儲器中，或者在那里進行收集，并把所收集的信息以數(shù)據(jù)突發(fā)(Datenburst)的形 式通過該數(shù)據(jù)字接口來輸出。另一可替選的實施方案是，把由該信號處理單元所確定的與該寬帶拉姆達傳感 器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息在模數(shù)轉換之后以預給定的地址存儲在該分析和控 制單元的一個中間存儲器中，從而比如一個外部uC能夠通過該數(shù)字接口通過該中間存儲 器的合適尋址來訪問所期望的與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的另外的信息。該分析和控制單元有利地具有一個唯一的泵電流源，該泵電流源通過一個開關 與該分析和控制單元的內部泵電極端子相連接，并通過另一開關與該分析和控制單元的 外部泵電極端子相連接。這能夠通過合適地控制該開關來以所期望的方式來組織電流方 向。該泵電流有利地是一種脈沖形式的泵電流，其具有固定的頻率、可變的占空比 和可調節(jié)的代數(shù)符號。這允許在該脈沖形式的泵電流的脈沖間隔期間來確定該泵電流調 節(jié)器的實際值、該拉姆達傳感器的內部電阻以及與該拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的另 外的信息。優(yōu)選地該信號處理單元在每個脈沖間隔中采集數(shù)據(jù)，以確定該泵電流調節(jié)器的 實際值。這所具有的優(yōu)點是，泵電流的調節(jié)可以快速地對變化的實際值做出反應。此外該信號處理單元還優(yōu)選地在彼此相繼的脈沖間隔中采集數(shù)據(jù)，以確定不同 的與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的另外的信息，其中這些數(shù)據(jù)優(yōu)選地周期地被 采集。這降低了在每個脈沖間隔中所確定的信息的數(shù)量，并降低了對信號處理速度的要 求。優(yōu)選地該分析和控制單元包含有一個參數(shù)存儲器，在該參數(shù)存儲器中存儲有一 個數(shù)據(jù)組，該數(shù)據(jù)組對應于該數(shù)字調節(jié)器的預給定調節(jié)特性并能夠通過SPI而被加載。這 使得能夠結合不同類型的拉姆達傳感器或者結合不同制造商的拉姆達傳感器來使用該分 析和控制單元。比如該分析和控制單元能夠結合申請人和其他制造商的具有參考電極的 寬帶傳感器而被使用，并且也能夠結合限流傳感器而被使用。該分析和控制單元能夠以一個獨立元件的形式而連接在相應存在的拉姆達傳感器和控制設備之間，或者也對此代替地也可以以ASIC的形式是控制設備的集成組成部 分。由于能夠把不同的參數(shù)數(shù)據(jù)組存儲在該分析和控制單元中，還為此創(chuàng)造了前提即該分析和控制單元能夠結合不同制造商的傳感器而被使用。優(yōu)選地該分析和控制單元具有多個另外的開關，其開關控制信號通過控制裝置 來提供。借助這些另外的開關，能夠有利地把該分析和控制單元的相應期望的一個端子 或多個端子與相應所期望的參照電位比如地相連接，以能夠向該信號處理單元提供一個 目前所期望的測量值。該測量值的提供和其分析能夠有利地在非常短的時間內進行，使 得整個系統(tǒng)能夠快速地進行必要的步驟。本發(fā)明的其他有利的特征由下文借助附圖對其進行的解釋得到。附1示出了分析和控制單元的草圖，該分析和控制單元與寬帶拉姆達傳感器、 插頭和uC相連接。圖2示出了用于產(chǎn)生脈沖形的泵電流的例子。圖3示出了在

圖1的信號處理單元5中信號處理的實施例。說明圖1示出了一個分析和控制單元1的草圖，它與寬帶拉姆達傳感器2、控制設備 3和傳感器插頭4相連接。該控制和分析單元1對此代替地也可以是控制設備的集成組成 部分，如通過虛線3’所示。該控制和分析單元1優(yōu)選地以ASIC的形式來實現(xiàn)，也即以 專用集成電路的形式。該分析和控制單元1具有多個端子。在這些端子中有應用電阻端子RIR、應用電 阻端子RIP、校正電阻端子CAL、參考電極端子RE、測量輸入端REM、內部泵電極端子 IPE,測量輸入端APM、外部泵電極端子APE、測量輸入端MEM、接地電阻端子RG、 測量輸入端MES、電壓供電端子UC5、UC3、UB禾PUCS、時鐘輸入端ΤΑΚΤ、曲軸信號 輸入端KW0、4個SPI端子和一個接地端子GND。該控制和調節(jié)單元1的參考電極端子RE與該寬帶拉姆達傳感器2的參考電極端 子RE相連接。該控制和調節(jié)單元1的內部泵電極端子IPE與該寬帶拉姆達傳感器2的內 部泵電極端子IPE相連接。該控制和調節(jié)單元1的外部泵電極端子APE與該寬帶拉姆達 傳感器2的外部泵電極端子APE相連接。該控制和調節(jié)單元1的測量輸入端MES通過 一個歐姆電阻Rctxte與該寬帶拉姆達傳感器2的泵電極端子APE相連接，其中該歐姆電阻 是插頭4的組成部分。給該控制和調節(jié)單元1的時鐘輸入端TAKT輸送了在μ C3中所產(chǎn)生的時鐘信號 Takt。由uC3給該控制和調節(jié)單元1的輸入端KWO輸送了一個曲軸信號KW0。后者的 信號把在該控制和調節(jié)單元1中采集測量數(shù)據(jù)的時間點與發(fā)動機控制中的時間特性曲線 相耦合。此外uC3通過一個數(shù)據(jù)總線與該控制和調節(jié)單元1的作為SPI接口來實現(xiàn)的一個 數(shù)字接口 8相連接。在該uC3與該控制和調節(jié)單元1之間通過該數(shù)據(jù)總線來進行雙向數(shù) 據(jù)交換。該控制和調節(jié)單元1的應用電阻端子RIR通過一個歐姆電阻Ripref與一個參考電位相連接，并在該控制和調節(jié)單元1內部與一個參考電流源12相連接。該控制和調節(jié)單元1的應用電阻端子RIP通過一個歐姆電阻Rip與地相連接，并在該控制和調節(jié)單元1內 部與一個泵電流源11相連接。該控制和調節(jié)單元1的校正電阻端子CAL通過一個歐姆 電阻Rcal與一個參考電位相連接，并在該控制和調節(jié)單元1內部通過一個開關S9與該參 考電流源12相連接。該控制和調節(jié)單元1的參考電極端子RE通過一個歐姆電阻Rfr與該測量輸入端 REM相連接。該測量輸入端REM通過一個電容器Cfr與該控制和調節(jié)單元1的內部泵 電極端子IPE相連接。與Rfr與Cfr的串聯(lián)電路并聯(lián)連接了另一電容器C；，該電容器C；從 而也連接在該寬帶拉姆達傳感器2的參考電極RE與該寬帶拉姆達傳感器2的內部泵電極 IPE之間。該控制和調節(jié)單元1的內部泵電極端子IPE通過一個電容器Cfp與該測量輸入端 APM相連接。該測量輸入端APM通過一個歐姆電阻Rfp與該控制和調節(jié)單元1的外部泵 電極端子APE相連接。與Rfp和Cfp的串聯(lián)電路并聯(lián)連接了一個電容器Cp，該電容器Cp 從而也連接在該寬帶拉姆達傳感器2的內部泵電極IPE與該寬帶拉姆達傳感器的外部泵電 極APE之間。此外與該電容器Cp并聯(lián)連接了兩個電容器Cstl和Cst2的串聯(lián)電路。在該 電容器Cstl和Cst2之間的連接點與地相連接。該控制和調節(jié)單元1的外部泵電極端子APE通過一個電容器Cfm與該測量輸入端 MEM相連接。該測量輸入端MEM通過一個歐姆電阻Rfm與該控制和調節(jié)單元1的測量 輸入端MES相連接。與Cfm和Rfm的串聯(lián)電路并聯(lián)地連接了一個測量電阻R_s。其從而 也與插頭4的電阻Rcbd6相連接。該控制和調節(jié)單元1的接地電阻端子RG通過一個歐姆電阻Rgnd與地相連接。 該控制和調節(jié)單元1的測量輸入端MES通過一個電容器Cst3與地相連接。在該控制和調節(jié)單元1內部，該控制和調節(jié)單元1的參考電極端子RE通過一個 開關SlO連接到該參考電流源12上。此外該參考電極端子RE通過兩個開關S8和Sll 的串聯(lián)電路與一個參考電壓Xvm · U。。相連接。在開關S8和Sll之間的連接點通過一 個開關S4與地相連接。此外在開關S8和Sll之間的連接點還與該控制和調節(jié)單元1的 內部泵電極端子IPE相連接。該控制和調節(jié)單元1的內部泵電極端子IPE在該控制和調節(jié)單元1內部此外還 通過一個開關S2與該控制和調節(jié)單元1的接地電阻端子RG相連接。該外部泵電極端子 APE在該控制和調節(jié)單元1內部通過一個開關Sl與該控制和調節(jié)單元的接地電阻端子RG 相連接。另外該控制和調節(jié)單元1的外部泵電極端子APE在該控制和調節(jié)單元內部還通 過一個開關S3置于地GND上。該控制和調節(jié)單元1的接地電阻端子RG在該控制和調節(jié)單元1內部通過一個開 關S12與該控制和調節(jié)單元1的測量輸入端MES相連接。最后該控制和調節(jié)單元1的測 量輸入端MES在該控制和調節(jié)單元1內部通過一個開關S5與地GND相連接。上述開關Si，…，S12的開關控制信號sl，…，sl2由一個控制裝置10來提供。 該控制裝置10根據(jù)時鐘信號Takt、數(shù)據(jù)信號和該數(shù)字調節(jié)器7的輸出信號來生成這些開 關控制信號，其中該時鐘信號由控制設備3’來提供，數(shù)據(jù)信號由uC3來提供并通過該數(shù) 字接口8而被輸送給該控制裝置。該數(shù)字調節(jié)器7的主要任務是，由輸送給它的輸入信號來為該控制 裝置10生成泵電流調節(jié)信號并將其輸送給該控制裝置10。該泵電流調節(jié)信 號影響著該脈沖形的泵電流的脈沖寬度和電流方向。該數(shù)字調節(jié)器7為了確定它的為該控制裝置10而設置的泵電流調節(jié)信號而把通 過該模數(shù)轉換器6輸送給它的實際值信號與理論值信號進行比較，并根據(jù)該比較結果來 生成該泵電流調節(jié)信號。該控制裝置10在輸出側還與該信號處理單元5和該模數(shù)轉換器6相連接，以向 該元件組輸送時間控制信號，這些時間控制信號與該時鐘信號Takt相同步。該數(shù)字調節(jié)器7與一個中間存儲器9a相連接。該中間存儲器9a設置用于存儲 該泵電流脈沖的占空比和代數(shù)符號以及前述的與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的 另外的信息。將與運行狀態(tài)有關的另外的信息在該中間存儲器9a中進行存儲的目的是 在該中間存儲器中收集所述的與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的另外的信息，并 然后把所收集的另外的信息以數(shù)據(jù)突發(fā)的形式通過該數(shù)字接口 8傳輸?shù)皆摽刂圃O備3。對此代替地，也可以把該泵電流脈沖的占空比和代數(shù)符號以及所述的與該寬帶 拉姆達傳感器2的運行狀態(tài)有關的另外的信息在預給定地址上存儲到該中間存儲器9a 中。在該情況下，對于該外部控制設備3能夠通過該中間存儲器9a的合適尋址通過該數(shù) 字接口 8有針對地訪問與該寬帶拉姆達傳感器2的運行狀態(tài)有關的期望信息。此外該數(shù)字調節(jié)器7還與一個參數(shù)存儲器9b相連接。在該參數(shù)存儲器9b中存儲 有一個數(shù)據(jù)組，該數(shù)據(jù)組對應于該數(shù)字調節(jié)器7的預給定的調節(jié)特性。該調節(jié)特性被分 配給確定類型的拉姆達傳感器2。由于能夠在該存儲器9b中改變相應所需的調節(jié)特性， 該控制和調節(jié)單元1從而能夠與不同的拉姆達傳感器類型一起應用。該控制和調節(jié)單元 1的這種通用的可適用性允許以ASIC的形式大量地制造該控制和調節(jié)單元1。從而把這 種控制和調節(jié)單元的制造成本保持為相對較低。該信號處理單元5用于確定泵電流調節(jié)器7的實際值，并用于為該寬帶拉姆達 傳感器2的內阻R1的確定來進行信號處理。此外，在本發(fā)明中，該信號處理單元5還設 置用于確定與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息。為了能夠執(zhí)行這 些任務，該信號處理單元5在輸入側與外部泵電極端子APE、內部泵電極端子IPE、測量 輸入端REM、測量輸入端APM、校正電阻端子CAL、測量輸入端MEM和接地電阻端子 RG相連接，并從那里獲取輸入信號，這些輸入信號能夠實現(xiàn)相應的所期望的測量值的采 集。為了提供所期望的測量值，一個差分放大器的輸入端通過由該控制裝置10所控制的 多路復用器分別與兩個要采集的電位相連接。該差分放大器對該差分信號進行放大，并 與所定義的電位參考一起轉發(fā)到該ADC。該控制裝置10如此來為開關S6和S7生成開關控制信號S6和S7，使得在內部以 及外部泵電極端子上產(chǎn)生脈沖形式、具有固定頻率、可變占空比和可調節(jié)代數(shù)符號的脈 沖電流。此外該控制裝置10還如此為另外的開關生成開關控制信號，使得在脈沖間隔期 間以及在脈沖形的泵電流信號的電流脈沖期間能夠采集相應所期望的測量值。下面借助圖2來解釋脈沖形泵電流Ip的生成。在此在圖2的左側示出了該傳感 器2，在圖2的右側示出了傳感器等效電路圖。在圖2的左側圖示中示出了該傳感器的端子RE、IPE和APE以及電流Ip和電壓 Upc和Up的方向。
由圖2的右側所示的等效電路圖示出，該傳感器的端子APE通過電阻Rzua與電 容器Cl和電阻Riap6的串聯(lián)電路與連接點K相連接。在該電容器Cl上下降了一個電壓 Up0apeo與該電容器Cl并聯(lián)地設置了一個電流源I(O2)。該傳感器的端子IPE通過電阻Rzui與電容器C2的串聯(lián)電路而同樣與連接點K相 連接。在該電容器C2上下降了一個電壓UpQipe。與該電容器C2并聯(lián)地設置了一個電流 源 I (O2)。該連接點K此外還通過電阻Rl與電容器C3和電阻R2的串聯(lián)電路與端子RE相 連接。在該電阻Rl和電容器C3之間的連接點通過電阻R3與在電容器Cl和電阻R-之 間的連接點相連接。在端子APE和IPE之間可以獲得電壓Up。
電壓Up適用以下的等式Up = Up0+(^,+^,+R.^,) · Ip。其中，有Up0 = Up0ape+Up0ipeO1^可以取在-2V與+2V之間的值。該電極電容通常大于lOOyF。這導致在 一個時鐘周期期間保持獲得充電狀態(tài)。得到了以下的運行狀況(還參見圖1)UUptl >0，Ip > O 開關 S6 和 S4 閉合；2.)Uptl <0，Ip < 0 開關 S7 和 S3 閉合；3.)Uptl >0，Ip < 0 開關 S7 和 Sl 閉合；4.)Up0 <0，Ip > 0 開關 S6 和 S2 閉合；在此運行狀況1和2對應于標準情形，運行狀況3和4對應于脈沖反轉運行 (Gegenpulsbetrieb)。通過在脈沖反轉運行時開關Sl或S2的閉合，有利地實現(xiàn)了由于電壓降 Ip · Rgnd(見圖1)使在端子APE或IPE上的電位不會下降低于地電位。借助UpO的代 數(shù)符號來對電流路徑的選擇進行判斷。對于該控制和調節(jié)單元1的基本功能，也即泵電流調節(jié)，存在兩種可能第一 種可能是，在該參考電極RE上的電壓作為調節(jié)器實際值在脈沖間隔中被分析。從而在較 高地電位中的調節(jié)以能斯脫電壓為依據(jù)，并從而比具有模擬分析的系統(tǒng)更精確地調節(jié)在 傳感器空腔(IPE)中的氣體組成。從而避免了該電極電容的再充電過程以及與其相關的 動態(tài)損耗，其中該再充電過程取決于該參考電壓的與泵電流成比例的部分。泵電流調節(jié) 的第二種可能是把在一個脈沖周期時長期間的平均電壓用作調節(jié)器實際值，其中采用 了一種Σ-△轉換器。這對應于在模擬運行中的方法。通過把調節(jié)器的理論值相應地跟 隨Ure的與電流成比例的分量，可避免模擬運行的缺點，該缺點在于Ure的與泵電流成比 例的分量的影響以及由此所引起的動態(tài)損耗。該與電流比例的(stromproportional)分量可 以利用上述的測量值采集裝置作為差值Ure (Ip)-Ure (Ip = 0)來采集。對于內部電阻測量的功能存在以下兩種可能第一種可能在于，在脈沖間隔中 在該參考電極上進行內部電阻R1的測量。在此在未加載的電壓Ure與通過該參考電流源 12所加載的電壓Ure之間形成了該差值，其中未加載的電壓Ure體現(xiàn)為對于泵電流調節(jié) 的實際值。第二種可能在于，在該泵單元上作為在APE和IPE之間泵電壓的差值而未加載(Ip = 0)和加載(Ip > 0)地進行內部電阻R1的測量。因為由鉬金制成的具有正溫度 系數(shù)的引線電阻不利的電阻比降低了溫度測量敏感性，所以有必要對引線的信號分量進 行補償。如果把UreCtp > 0)-Ure(Ip = 0)之間的差值作為至內部泵電極上的引線電阻的 度量并從而對內部電阻測量進行校正，那么這部分上是可以的。在冷傳感器的情況下(Ri-冷> IOOk歐姆)，該參考單元RE-IPE為了進行測量 范圍擴展而通過該開關S8被橋接。內部電阻測量則反映的是該開關的電阻值。如果傳 感器溫度接近運行范圍(RiWk歐姆)，那么這可以通過內部電阻測量來識別。因為該值 存在于冷傳感器的情況下(Ri-冷||S8)，所以該傳感器的內部電阻可以根據(jù)冷測量和當前 值來計算。為了在參考電極RE上生成平均20 μ A的參考泵電流或者為了生成人工參考氧 氣，使用了同一參考電流源12，利用該參考電流源還在該參考電極上實施內部電阻測 量。由80 μ s的內部電阻測量脈沖的時間平均值、脈沖周期時長(2ms—每第三個時鐘周 期)以及電流脈沖幅度Ipr = 570 μ A得到了平均值Ipref = 20 μ Α。如果泵單元是無電流的，那么就把傳感器特征曲線(Ipcal)校正到傳感器的均衡 狀態(tài)。為此把泵電流源連接到測量電阻上，該測量電阻與插頭4中的均衡電阻并聯(lián)連 接。泵電流在！^二尺-^民‘上的電壓降乘以所調節(jié)的占空比除以標稱值！^㈣，得到了 理論特征曲線的泵電流Ip = f(拉姆達)。在選擇地測量參照時考慮在電極APE和IPE上 所測量的充電狀態(tài)(極性)，以保證該傳感器端子不偏離從OV到Umax的允許電壓范圍。如果該參考電流源12與參考電極RE不連接，那么就實施內部電阻測量的校 正。為此把該參考電流源12連通到該控制設備3中一個精確的校正值R。al上。如果Rcal 被設置為溫度調節(jié)的目標值R1,那么電壓降R。al ·。就是針對內部電阻測量的參考值。 該信號處理單元5的公差從而被補償。內部電阻測量在此不被中斷。如果不必處理另外的信號，那么就實施該信號處理單元5的偏移校正。為此該 信號處理單元5的輸入端通過一個開關而被短接(Ue = 0)，并通過另一開關被置于所定 義的同相電位(Gleichtaktpotential)上。在此如同在采集其他測量值時一樣預先給定相同 的采樣時間。該數(shù)字化的值被用于測量值的校正。針對該信號處理單元5的每次放大并 針對該模數(shù)轉換器來實施偏移校正。該拉姆達信號流在此不被中斷。如果通過該數(shù)字接口 8向uC以數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸?shù)男问絹磉M行數(shù)據(jù)傳送，那么就首 先收集多個拉姆達值或者多個時鐘周期的占空比，以然后與內部電阻信息和校正值一起 在一個數(shù)據(jù)分組中被傳輸。為了形成與發(fā)動機時鐘的時間對應-如上所述-由該控制設備 提供一個曲軸觸發(fā)信號，可以根據(jù)該曲軸觸發(fā)信號針對每次傳輸而選擇一個時間標記。下面的列表示出了所獲得的測量值的可能應用例子，其中該測量值是在該控制 和調節(jié)單元的相應端子上在相應預給定運行條件時所具有的電壓UnO RE-IPE, Ip = 0, Ipr = 0在脈沖間隔中未采集的調節(jié)器實際值(UnO-調節(jié)器)Ri RE-IPE, Ip = 0, Ipr > 0 — Un ； Ri^Un-UnO溫度調節(jié)，電纜故障(Kabelabfall)診斷RE，IPEUpO APE-IPE, Ip = 0, Ipr = 0
燒毀保護，老化診斷，Ipcal-激活，Riape-測量，極限電流運行的主導參量
Up APE-IPE, Ip > 0，Ipr = 0電纜故障診斷ΑΡΕ，IPE, Riape測量LSF LSF診斷功能一來自UnO-UpO的拉姆達跳躍Real RCAL-GND，在 Real 上的 Ipr校正Ri測量，拉姆達特征曲線的Ipref校正Ipcal APE-MES,在 Rmess 上的 Ip泵電流校正Rzu RE-IPE, Ip > 0, Ipr = 0泵單元Ri測量校正，Unav調節(jié)的理論值校正，電纜故障識別Rgnd RG-GND, Ip > 0在反轉脈沖運行時Ip確定，用于電纜故障識別Rcode。圖3示出了在該信號處理單元5中信號處理的兩個實施例。根據(jù)在圖3a中所示的實施例，在一個多路復用器MUXl上施加了在該分析和控 制單元1的端子APE、IPE、REM、APM> CAL> MEM、GND和RG上所具有的電位。 由該控制裝置10來給該多路復用器MUXl提供開關控制信號，使得兩個相應要采集的電 位被轉發(fā)到一個后接的差分放大器Diff上。在所示的實施例中，它是Uep和Uem，也即 在該分析和控制單元1的端子REM和IPE或APM和IPE或APE和MEM或CAL和GND 或RG和GND上所具有的電位。該差分放大器放大該差分信號，并把它連同所定義的電 位參照一起轉發(fā)到后接的模數(shù)轉換器6上。在圖3b所示的實施例中，在一個多路復用器MUX2上施加了在該分析和控制單 元1的端子RE、IPE> APE、MES> RG> CAL和GND上所具有的電位。在圖1中所示
的端子REM、APM和MEM以及濾波器Rfr_Cfr、Rfp-Ce,和Rfm-Cfm在該實施例中可以省 略。由該控制裝置10給在圖2中所示的多路復用器MUX2提供開關控制信號smux。該 多路復用器MUX2的一個輸出通過歐姆電阻MUM和Rfl以及一個電容器Cfl與地相連。 該多路復用器MUX2的另一個輸出通過歐姆電阻MUP和Rf2以及一個電容器Cf2與地相 連。該電容器Cf2的遠地端子通過一個歐姆電阻Rep與差分放大器Diff的一個輸入端相連。該電容器Cfl的遠地端子通過一個歐姆電阻REM與差分放大器Diff的第二輸入相 連。在該電容器Cfl的遠地端子與該電容！Cf2的遠地端子之間連接了一個電容器Cfd。施 加到該差分放大器Diff的輸入端上的信號是在該控制和調節(jié)單元1的端子RE和IPE或者 APE和IPE或者APE和MES或者CAL和GND或者RG和GND上所具有的電位。該差 分放大器放大該差分信號，并與所定義的電位參照一起轉發(fā)到后接的模數(shù)轉換器6上。
權利要求
1.寬帶拉姆達傳感器的分析和控制單元(1)，其具有 -信號處理單元(5)，-與該信號處理單元相連接的模數(shù)轉換器(6)， -與該模數(shù)轉換器相連接的數(shù)字泵電流調節(jié)器(7)， _與該數(shù)字泵電流調節(jié)器相連接的數(shù)字接口(8)， _與該數(shù)字泵電流調節(jié)器相連接的控制裝置(10)， _用于提供泵電流的泵電流源(11)， -內部泵電極端子(IPE)， -外部泵電極端子(APE)和 _參考電極端子(RE)，其中-該信號處理單元(5)設置用于確定該拉姆達傳感器的泵電流調節(jié)器(7)的實際值， 并且其中-該信號處理單元(5)另外還設置用于確定與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的 另外的信息，并且其中-與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息能夠通過該數(shù)字接口(8) 來輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的分析和控制單元，其特征在于，由該信號處理單元(5)所確 定的、與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息能夠通過模數(shù)轉換器(6) 被直接輸送給該數(shù)字接口(8)。
3.根據(jù)權利要求1所述的分析和控制單元，其特征在于，由該信號處理單元(5)所確 定的、與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息通過模數(shù)轉換器(6)被 轉發(fā)到中間儲存器(9a)，并被存儲在那里，在該中間存儲器(9)中所存儲的信息能夠集 中地以數(shù)據(jù)突發(fā)的形式被輸送給該數(shù)字接口(8)。
4.根據(jù)權利要求1所述的分析和控制單元，其特征在于，由該信號處理單元(5)所確 定的、與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息通過一個模數(shù)轉換器(6) 被轉發(fā)到中間儲存器(9a)，并在預給定的地址處存儲在那里，在預給定地址處所存儲的 信息能夠有針對性地通過來數(shù)字接口(8)來訪問。
5.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，該泵電流源(11)通 過開關(S7)與該內部泵電極端子(IPE)相連接，并通過開關(S6)與該外部泵電極端子 (APE)相連接，該控制裝置(10)設置用于為開關(S7)和開關(S6)提供開關控制信號 (s6, s7),該控制裝置(10)根據(jù)該泵電流調節(jié)器(7)的數(shù)字輸出信號來提供該開關控制 信號(s6，s7),使得在該內部或外部泵電極端子(IPE，APE)上輸出脈沖形的泵電流。
6.根據(jù)權利要求5所述的分析和控制單元，其特征在于，該脈沖形的泵電流具有固定 的頻率、可變的占空比和可調節(jié)的代數(shù)符號。
7.根據(jù)權利要求6所述的分析和控制單元，其特征在于，設置有以下的運行狀況 A Up0 > 0, Ip > 0 在該泵電流源(11)與該外部泵電極端子(APE)之間的開關(S6)閉合；該內部泵電 極端子(IPE)與地(GND)相連接； B Up0 < 0, Ip < 0 在該泵電流源(11)與該內部泵電極端子(IPE)之間的開關(S7)閉合；該外部泵電極 端子(APE)與地(GND)相連接；C Up0 > 0, Ip < 0 在該泵電流源(11)與該內部泵電極端子(IPE)之間的開關(S7)閉合；該外部泵電極 端子(APE)通過一個電阻(Rgnd)與地(GND)相連接；D Up0 < 0, Ip > 0 在該泵電流源(11)與該外部泵電極端子(APE)之間的開關(S6)閉合；該內部泵電 極端子(IPE)通過一個電阻(Rgnd)與地(GND)相連接；
8.根據(jù)權利要求5-7之一所述的分析和控制單元，其特征在于，該信號處理單元(5) 在脈沖間隔期間以及在該脈沖形泵電流的電流脈沖期間確定該泵電流調節(jié)器的實際值、 該寬帶拉姆達傳感器的內部電阻以及與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的所述另外 的信息。
9.根據(jù)權利要求8所述的分析和控制單元，其特征在于，該信號處理單元(5)在每個 脈沖間隔中都采集數(shù)據(jù)，以確定該泵電流調節(jié)器的實際值。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的分析和控制單元，其特征在于，該信號處理單元(5) 在彼此相繼的脈沖間隔中采集數(shù)據(jù)，以確定不同的、與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài) 有關的另外的信息。
11.根據(jù)權利要求10所述的分析和控制單元，其特征在于，該信號處理單元(5)周期 性地采集數(shù)據(jù)，以確定不同的、與該寬帶拉姆達傳感器有關的另外的信息。
12.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，其包含有參考電流 源(12)。
13.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，其具有多個另外的 開關(Si，S2，S3，S4，S5，S8，S9，S10, Sll, S12)，并且該控制裝置(10)設置用 于為所述另外的開關提供開關控制信號(sl，s2，s3, s4, s5, s8, s9, slO, sll, sl2)。
14.根據(jù)權利要求13所述的分析和控制單元，其特征在于，該控制裝置(10)控制所 述另外的開關，使得在脈沖間隔中閉合預給定的所述的另外的開關，以把該分析和控制 單元的期望端子與期望的參考電位相連接。
15.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，其具有參數(shù)存儲器 (9b)，在該參數(shù)存儲器中存儲有數(shù)據(jù)組，該數(shù)據(jù)組相應于該數(shù)字調節(jié)器(7)的預給定的 調節(jié)特性。
16.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，所述另外的信息之 一是與出現(xiàn)電纜短路或電纜故障有關的信息。
17.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，與該寬帶拉姆達傳 感器的電極在該寬帶拉姆達傳感器的不同運行狀態(tài)中的充電狀態(tài)有關的信息屬于所述另 外的信息。
18.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，所述另外的信息之 一是與電極上的過壓有關的信息。
19.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，所述另外的信息之 一是與該寬帶拉姆達傳感器的老化有關的信息。
20.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，所述另外的信息之 一是與該拉姆達1通路有關的信息。
21.根據(jù)前述權利要求之一所述的分析和控制單元，其特征在于，所述另外的信息之 一是與該寬帶拉姆達傳感器的運行準備狀態(tài)有關的信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種寬帶拉姆達傳感器(2)的分析和控制單元(1)，其具有信號處理單元(5)、模數(shù)轉換器(6)、數(shù)字泵電流調節(jié)器(7)、數(shù)字接口(8)、控制裝置(10)、泵電流源(11)、內部泵電極端子(IPE)、外部泵電極端子(APE)和參考電極端子(RE)。該信號處理單元(5)設置用于確定該泵電流調節(jié)器(7)的實際值，并用于確定與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的另外的信息。與該寬帶拉姆達傳感器的運行狀態(tài)有關的所述另外的信息可以通過該數(shù)字接口(8)來輸出。
文檔編號F02D41/14GK102016557SQ200980116461
公開日2011年4月13日 申請日期2009年5月6日 優(yōu)先權日2008年5月9日
發(fā)明者R·賴施爾 申請人:羅伯特.博世有限公司