DE19508560A1

DE19508560A1 - Schaltung zur Aufbereitung eines Meßfühlersignals

Info

Publication number: DE19508560A1
Application number: DE19508560A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Ing Schleupen; Hans-Dieter Ing Grad Schray; Bernd Dipl Ing Tepass; Walter Dr Grote
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1995-03-10
Filing date: 1995-03-10
Publication date: 1996-09-12
Also published as: FR2731470A1; US5675069A; JPH08261985A; FR2731470B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Aufbereitung des Signals eines Meßfühlers mit folgenden Randbedingungen:
Der Meßfühler liefert ein stark temperaturabhängiges Signal, das nur in betriebswarmen Zustand aussagekräftig ist. Die Schaltung soll daher eine Betriebsbereitschaftserkennung er möglichen.

Weiterhin können zwischen Meßfühler und Weiterverarbeitungs einheit Unterschiede im Massepotential auftreten. Diese sol len durch einfache Differenzbildung eliminierbar sein. Wei terhin soll das von der Aufbereitungsschaltung gelieferte Signal auch dann positiv sein, wenn das Meßfühlersignal re lativ zu einem Bezugspotential negativ ist.

Darüber hinaus soll das aufbereitete Signal Rückschlüsse auf bestimmte Schaltungsfehler, beispielsweise einen Masseschluß oder einen Kurzschluß der Meßfühlersignalleitung gegen Batteriespannung erlauben.

Eine potentialbehaftete Abgassonde, wie sie zur Regelung der Gemischzusammensetzung für eine Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen verwendet wird, stellt ein typisches Anwen dungsbeispiel für die erfindungsgemäße Aufbereitungsschal tung dar.

Eine in diesem technischen Umfeld verwendete Aufbereitungs schaltung ist beispielsweise aus der US 4,526,147 bekannt. Die dort verwendete Schaltung erfüllt die oben angegebenen Bedingungen unter anderem mit Hilfe aktiver Bauelemente wie Operationsverstärker.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe einer Aus werteschaltung aus passiven Bauelementen, die ohne Genauig keitseinbußen gegenüber bestehenden aktiven Schaltungen zu einer Reduzierung des Schaltungsumfangs und der damit ver bundenen Kosten führt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Summe der Merkma le des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin dung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gegenüber bekannten Lösungen weist die erfindungsgemäße Schaltung vergleichsweise weniger und weitgehend passive Bauelemente auf, was Vorteile hinsichtlich der Kosten und der Zuverlässigkeit der Schaltung mit sich bringt. Im fol genden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert, wobei die Fig. 1 das technische Umfeld der Erfindung und die Fig. 2 bis 5 verschiedene schaltungstechnische Reali sierungen der Erfindung offenbaren. Gleiche Ziffern in den Figuren stellen gleiche Komponenten dar.

Die 1 in der Fig. 1 stellt eine Abgassonde 1 im Abgasrohr 2 einer Brennkraftmaschine 3 mit Saugrohr 2.1 dar. Einem Steu ergerät 4 werden verschiedene Eingangssignale, bspw. über Last Q, Drehzahl n und Temperatur T der Brennkraftmaschine sowie ein Signal über das Massepotential UM am Ort der Ab gassonde und das Signal UL der Abgassonde zugeführt. Ausge hend von diesen Signalen bildet das Steuergerät Ausgangs signale ti, . . . zur Steuerung oder Regelung von Funktionen der Brennkraftmaschine wie Zündung, Gemischbildung usw. Die Ziff. 5 bezeichnet ein Bezugsmassepotential, das bei so genannten Karosseriemassekonzepten dem Potential der Karos serie entspricht. Die Ziffer 9 bezeichnet die Motormasse. Aufgrund von zwischen Brennkraftmaschine und Karosserie fließenden elektrischen Strömen weist ein an die Brennkraft maschine gekoppeltes Massepotential 5.1 einen schwankenden Masseversatz UM gegenüber dem Bezugsmassepotential 5 auf. Solche Ströme fließen bspw. in Verbindung mit der Zündung, der Einspritzventilsteuerung, dem Anlassen der Brennkraftma schine oder dem Laden der Fahrzeugbatterie. Im dargestellten Fall bezieht sich der Masseversatz UM auf den Einbauort der Abgassonde 1 im Abgasrohr 2. Das dort am Masseanschluß der Sonde vorhandene Potential UM wird über die mit UM bezeich nete Verbindung an einen Anschluß 6 des Steuergeräts weiter geleitet, während das eigentliche Signalpotential UL über die mit UL bezeichnete Verbindung an einen Anschluß 7 des Steuergeräts weitergegeben wird.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Netzwerks. Der mit 8 bezeichnete Punkt der Schaltung ent spricht dem Pluspol einer Spannungsquelle, definiert durch den Mittelabgriff an einem durch Widerstände R1, R2 gebilde ten Spannungsteiler zwischen einer Versorgungsspannung V (bspw. 5 V) und dem Massepotential der Abgassonde. An diesem Pluspol, dessen Potential bspw. ca. 450 mV oberhalb von UM liegt, liegt ein Spannungsteiler, der durch eine Reihen schaltung aus den Widerständen R3 und R4 realisiert ist und über den Anschluß 7 mit dem Signalpotential der Abgassonde verbunden ist. R3 und R4 bilden damit ein als Reihenschal tung von ohmschen Widerständen realisiertes Mittel zum Tei len einer Potentialdifferenz. Sie sind so dimensioniert, daß ihr Gesamtwiderstand dem Innenwiderstand der Lambdasonde bei einsetzender Betriebstemperatur der Lambdasonde entspricht (10 bis 100 Kiloohm). Der Wert der Teilwiderstände der Rei henschaltung entspricht der Hälfte des Gesamtwiderstands der Reihenschaltung. Der Mittelabgriff 9 dieser Spannungsteiler reihenschaltung liegt an einem ersten Eingang 10 eines Mit tels 12 zur Digitalisierung (AD-Wandler) an, der über einen Kondensator C1 kapazitiv mit dem Bezugsmassepotential ver bunden ist. Die Spannung zwischen dem Eingang 10 und dem Be zugsmassepotential ist mit U2 bezeichnet. Das Potential am Pluspol 8 wird über einen Widerstand R5 an einen zweiten Eingang 11 des Mittels zur Digitalisierung gelegt. R5 ist vorteilhafterweise so dimensioniert, daß sein Widerstand dem Widerstand einer Parallelschaltung der Widerstände R3 und R4 entspricht. Eingang 11 ist über einen Kondensator C2 kapazi tiv mit dem Bezugsmassepotential verbunden. Die Spannung zwischen dem Eingang 11 und diesem Potential ist mit U1 be zeichnet. In Rechner 13 wird das digitalisierte Signal wei terverarbeitet, hierbei kann es sich um einen separaten Mikroprozessor wie um einen Mikrocontroller, der den AD-Wandler integriert hat, handeln.

Das dargestellte Netzwerk erfüllt die eingangs genannten Forderungen an eine Aufbereitungsschaltung. Einzelne Bauele mente üben dabei mehrere Funktionen aus. So wird beispiels weise über den Mittelabgriff der Reihenschaltung aus R3 und R4 eine schaltungstypische Gegenspannung zur Signalspannung der Abgassonde bereitgestellt und damit eine zuverlässige Kalt/Heiß-Betriebsbereitschaftserkennung ermöglicht. Werden die Widerstände und Kondensatoren so dimensioniert, daß R3 = R4, R1/R2 = 10/1 und die Bedingung R1 parallel R2 wesentlich kleiner als R3 + R4 erfüllt ist, gilt bei heißer Sonde, d. h. bei kleinem Sondeninnenwiderstand (ungefähr 100 Ohm), in sehr guter Näherung folgende Formel für das zwischen 75 mV und 1 V schwankende Signal UL der Abgassonde:

UL1 = 2U2 - 2,1U1 + 500 mV

Mit anderen Worten: Das Signal UL läßt sich bei heißer Sonde durch einfache Differenzbildung aus den Spannungen an den Eingängen 10 und 11 der beiden AD-Wandlereingänge 10 und 11 berechnen. Bei kalter Abgassonde (UL2) mit einem Widerstand im Megaohmbereich wird U1 = U2, so daß sich die fehlende Be triebsbereitschaft der Abgassonde aus UL ableiten läßt. In diesem Fall wird eine Lambdaersatzspannung als

UL2 = (UM + 500 mV) / 1,1 gebildet.

Um dynamisch gleiche Verhältnisse an den beiden Eingängen der AD-Wandlereingänge bezüglich Schwankungen im Massever satz UM zu gewährleisten, werden R3 und R4 so gewählt, daß der Wert ihrer Parallelschaltung dem Wert von R5 weitgehend entspricht. Außerdem werden die Kapazitäten C1 und C2 so auf die Widerstandswerte der Verbindung zwischen dem Pluspol der Gegenspannungsquelle und dem Eingang des Mittels zur Digita lisierung auf der einen Seite und einer Parallelschaltung der ohmschen Widerstände der genannten Reihenschaltung abge stimmt, daß an den beiden Eingängen des Mittels zur Digita lisierung dynamisch gleiche Verhältnisse bzgl. Schwankungen der Potentialdifferenz zwischen dem Referenzmassepotential und dem Potential des Minuspols der Lambdasonde herrschen. Im dargestellten Fall weisen beide Kapazitäten gleiche Werte auf. Ein RC-Glied aus C1 und R5 besitzt dann die gleiche Zeitkonstante wie ein RC-Glied aus R3 parallel R4 und C2, was das beabsichtigte gleiche Zeitverhalten an den AD-Wand lereingängen zur Folge hat. Durch das gleiche Zeitverhalten wird gewährleistet, daß auch bei dynamischen Masseversätzen das Differenzsignal korrekt erfaßt wird. Weiterhin sollte der zeitliche Abstand zwischen den beiden AD-Wandlungen klein gegenüber der RC-Zeitkonstante gehalten werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 durch einen zusätzlichen Widerstand R6 zwi schen den Widerständen R1 und R2. Die Summe der Widerstände R2 und R6 entspricht dabei in etwa dem Wert des Widerstandes R2 aus der Fig. 1. Durch diese Änderung vereinfacht sich die Berechnungsvorschrift für UL unter der Voraussetzung R1 parallel R2 + R6 wesentlich kleiner als gegen R4 + R5 bei heißer Sonde zu

UL1 = 2 × (U2 - U1)

was durch den einfacheren Algorithmus zu dem Vorteil einer verkürzten Rechenzeit im Rechner 13 führt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 dargestellt. Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen wird hier für die Bereitstellung einer schaltungstypischen Gegenspan nung UGS eine ohnehin im Steuergerät vorhandene Konstant spannungsquelle G benutzt. Die Spannung UL1 einer (heißen) Abgassonde 1 ergibt sich unter der Annahme R3 ≅ R4 in diesem Ausführungsbeispiel zu:

UL1 = 2 _* (U2 - U1) + UGS

Die gestrichelte Darstellung mit einer zusätzlichen zweiten Abgassonde 1a zeigt darüber hinaus die unproblematische Er weiterungsfähigkeit des Systems auf Mehrsondensysteme. Der Index a bezeichnet in Fig. 4 den zu einer zweiten Abgassonde 2a zugehörigen Schaltungspfad. Die Spannung U2a am AD-Wand lereingang 10a ergibt sich dabei analog zur Spannung U2 am AD-Wandlereingang 10. Entsprechend ergibt sich UL für die zweite (heiße) Abgassonde zu

UL2 = 2 _* (U3 - U1) + UGS

Eine zweite Abgassonde wird bspw. bei getrennten Lambdarege lungen für einzelne Zylinderbänke eines V-Motors verwendet.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin dung, bei dem die gleichzeitige Verarbeitung der Spannungen U1, U2 über mehrere AD-Wandlereingänge aus den vorherigen Ausführungsbeispielen durch eine zeitlich getaktete Verar beitung über einen einzigen AD-Wandlereingang ersetzt ist. Dazu wird der Schalter S rechnergesteuert (13) geöffnet oder geschlossen. Die Spannung U1 aus Fig. 5 entspricht bei ge schlossenem Schalter S als U1_geschlossen der Spannung U2 aus der Fig. 2. Bei offenem Schalter S entspricht U1 aus Fig. 5 als U1_offen der Spannung U1 aus Fig. 2. Bei heißer Sonde und geöffnetem Schalter S gilt unter der Voraussetzung R1/R2 = 10/1 und R1 parallel R2 wesentlich kleiner als R3 + R4 für den Masseversatz UM nach dieser Schaltung:

UM = 1,1 _* U1_offen - 500 mV

Bei geschlossenem Schalter S ergibt als Lambdaspannung U1_geschlossen ein der Spannung U1 aus der Fig. 2 entspre chender Wert.

Bei der Abtastung muß die Umladezeit des Kondensators C1 abgewartet sowie die verschiedenen Zeitkonstanten berück sichtigt werden.

Für eine heiße Abgassonde ergibt sich ULI in diesem Ausfüh rungsbeispiel zu:

UL1 = 2 _* U1_geschlossen - 2,1 _* U1_offen + 500 mV

Bei kalter Sonde wird in Analogie zur Fig. 1 eine Lambdaer satzspannung

UL2 = (UM + 500 mV) / 1,1 gebildet.

Claims

1. Schaltung zur Aufbereitung des Signals UL einer Lambdasonde mit

- einer Gegenspannungsquelle, deren Minuspol mit dem Massean schluß der Lambdasonde verbunden ist und mit
- einem Netzwerk aus passiven Bauelementen,
- das die Potentialdifferenz zwischen dem Signalanschluß der Lambdasonde und dem Pluspol der Gegenspannungsquelle in einem vorgegebenen Verhältnis teilt,
- und das geteilte Potential sowie ein zum Potential des Plus pols der Gegenspannungsquelle proportionales Potential ohne Zwischenschaltung aktiver Bauelemente an Mittel zur Digitali sierung weitergibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geteilte Potential und das zum Potential des Pluspols der Gegen spannungsquelle proportionale Signal an verschiedenen Eingängen eines Mittels zur Digitalisierung anliegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geteilte Potential und das zum Potential des Pluspols der Gegen spannungsquelle proportionale Signal zeitlich versetzt an den gleichen Eingang eines Mittels zur Digitalisierung angelegt wer den.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Eingänge des Mittels zur Digitalisierung kapazi tiv mit einem Referenzmassepotential gekoppelt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Teilung der Potentialdifferenz aus einer Reihenschal tung von ohmschen Widerständen bestehen, zwischen denen der an das Mittel zur Digitalisierung weitergegebene Teil der Potential differenz abgegriffen wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand der Reihenschaltung 10 bis 100 Kiloohm beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand ungefähr dem Innenwiderstand der Lambdasonde bei einsetzender Betriebstemperatur entspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Teilwiderstände der Reihenschaltung jeweils un gefähr der Hälfte des Gesamtwiderstands der Reihenschaltung ent spricht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Pluspol der Gegenspannungsquelle und dem Eingang des Mittels zur Digitalisierung, der zur Erfassung der Gegenspannung verwendet wird, einen ohmschen Widerstand mit einem Wert aufweist, der dem Widerstand einer Parallelschaltung der ohmschen Widerstände der genannten Reihenschaltung entspricht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Kapazitäten, die bei der Verwendung von zwei Eingängen von Mitteln zur Digitalisierung benötigt werden, so auf die Wider standswerte der Verbindung zwischen dem Pluspol der Gegenspan nungsquelle und dem Eingang des Mittels zur Digitalisierung auf der einen Seite und einer Parallelschaltung der ohmschen Wider stände der genannten Reihenschaltung abgestimmt sind, daß an den beiden Eingängen des Mittels zur Digitalisierung dynamisch glei che Verhältnisse bzgl. Schwankungen der Potentialdifferenz zwi schen dem Referenzmassepotential und dem Potential des Minuspols der Lambdasonde herrschen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Kapazitäten, die bei der Verwendung von zwei Eingängen von Mitteln zur Digitalisierung benötigt werden, gleiche Werte auf weisen.