DE4142706A1 - Temperature sensor, e.g. for exhaust of vehicle IC engine - has internal resistance with nonlinear temp. dependence and converts to near linear dependence, and has AC voltage source - Google Patents
Temperature sensor, e.g. for exhaust of vehicle IC engine - has internal resistance with nonlinear temp. dependence and converts to near linear dependence, and has AC voltage sourceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperaturmessung in ei nem Kraftfahrzeug mittels eines Sensors, dessen elektrischer Wider stand nicht linear von der Temperatur abhängt gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for temperature measurement in egg nem motor vehicle by means of a sensor whose electrical resistance was not linearly dependent on the temperature according to the generic term of Claim 1.
Eine solche Vorrichtung zur Temperaturmessung ist aus der DE 31 17 790 A1 bekannt. Dort wird ein Sauerstoffsensor, der sich im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine befindet, zur Temperaturmessung herangezogen. Aufbau und Funktionsweise des Sauerstoffsensors sind durch die US 43 76 026 bekannt. Der Sensor liefert eine Gleichspan nung, die von der Differenz der Sauerstoffkonzentrationen, denen die beiden Elektroden des Sensors ausgesetzt sind, abhängt. Die Tempera tur des Sensors kann aus seinem temperaturabhängigen Innenwiderstand ermittelt werden. Um Polarisationseffekte zu vermeiden und die Sauerstoffmessung nicht zu beeinflussen wir der Sensor bei der Be stimmung des Innenwiderstands nicht mit Gleichspannung sondern mit Wechselspannung beaufschlagt und aus dem fließenden Wechselstrom der Innenwiderstand ermittelt. Ein Nachteil dabei ist, daß man die am Sensor anliegende Wechselspannung genau kennen muß, damit man den Innenwiderstand des Sensors bestimmen kann. Ein weiterer Nachteil der dort vorgestellten Schaltungsanordnung besteht darin, daß der Zusammenhang zwischen Temperatur und Innenwiderstand des Sensors nicht linear ist und somit das Ausgangssignal nicht linear von der Temperatur abhängt.Such a device for temperature measurement is known from the DE 31 17 790 A1 known. There is an oxygen sensor located in the Exhaust gas duct of an internal combustion engine is located, for temperature measurement used. Structure and mode of operation of the oxygen sensor are known from US 43 76 026. The sensor supplies a DC chip that of the difference in the oxygen concentrations to which the both electrodes of the sensor are exposed. The tempera The sensor's temperature can be derived from its temperature-dependent internal resistance be determined. To avoid polarization effects and the We do not influence the oxygen measurement of the sensor during loading internal resistance not with DC voltage but with AC voltage applied and from the flowing AC current Internal resistance determined. One disadvantage is that the most Sensor AC voltage must know exactly, so that one Internal resistance of the sensor can determine. Another disadvantage the circuit arrangement presented there is that the Relationship between temperature and internal resistance of the sensor is not linear and therefore the output signal is not linear from the Temperature depends.
Für einige spezielle nichtlineare Zusammenhänge sind Einrichtungen zur Linearisierung Stand der Technik. Eine Schaltungsanordnung zur Linearisierung eines parabolischen Signalverlaufs wird beispielswei se in der GB 15 92 020 beschrieben.For some special nonlinear relationships there are facilities for linearization state of the art. A circuit arrangement for Linearization of a parabolic signal curve is, for example described in GB 15 92 020.
Aus dem Buch "Halbleiter-Schaltungstechnik" von U. Tietze und Ch. Schenk, 2. Auflage, Berlin - Heidelberg - New York, 1971 ist eine elektronische Verstärker-Schaltung bekannt, die aus einem Opera tionsverstärker und zwei externen Widerständen besteht, wobei der Verstärkungsfaktor durch das Verhältnis der beiden Widerstände fest gelegt wird.From the book "Semiconductor Circuit Technology" by U. Tietze and Ch. Schenk, 2 . Edition, Berlin - Heidelberg - New York, 1971 an electronic amplifier circuit is known which consists of an operational amplifier and two external resistors, the gain factor being determined by the ratio of the two resistors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Tempe raturmessung mittels eines Sensors zu schaffen, die ein annähernd linear von der Temperatur abhängiges Ausgangssignal liefert. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale ge löst.The invention has for its object a device for tempe rature measurement using a sensor to create an approximate provides an output signal that is linearly dependent on the temperature. These Task is ge by the features characterized in claim 1 solves.
Durch die bei der Erfindung gewählte Schaltungsanordnung können die obengenannten Nachteile überwunden werden. Am Sensor liegt ein be kannter Bruchteil einer einen Wechselspannungsanteil enthaltenden Spannung bzw. einer reinen Wechselspannung an. Das Ausgangssignal, das die erfindungsgemäße Vorrichtung liefert, hängt in einem gewis sen Temperaturbereich annähernd linear von der Temperatur ab. Darüberhinaus bietet die Erfindung den Vorteil, daß die benutzte elektronische Schaltung mit einer verhältnismäßig geringen Zahl an Bauelementen auskommt.Due to the circuit arrangement selected in the invention, the the disadvantages mentioned above are overcome. There is a be on the sensor known fraction of an AC voltage containing Voltage or a pure alternating voltage. The output signal, that the device according to the invention provides depends to a certain extent sen temperature range approximately linear from the temperature. Furthermore the invention offers the advantage that the used electronic circuit with a relatively small number Components gets along.
Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbil dungen der Erfindung sind nachfolgend näher beschrieben und erläutert.Further advantageous and expedient refinements and developments the invention are described and explained in more detail below.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung darge stellten Ausführungsformen erläutert.The invention is based on the Darge in the drawing presented embodiments explained.
Es zeigenShow it
Fig. 1 die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands ei nes zur Temperaturbestimmung eingesetzten Sensors, Fig. 1 shows the temperature dependence of the internal resistance ei nes sensor used for temperature determination,
Fig. 2 ein Prin zipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, Fig. 2 is a Prin zipschaltbild an embodiment of the invention,
Fig. 3 die Ausgangsspannung des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels als Funktion der Temperatur des Sensors, Fig. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels, Fig. 3, the output voltage of the embodiment shown in Fig. 2 as a function of temperature of the sensor, Fig. 4 is a block diagram of another embodiment,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Mittels zur Erzeugung einer vorgebbaren Gleichspannung, Fig. 5 shows an embodiment of a means for generating a predetermined DC voltage,
Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Referenzspannungsquelle zur Erzeugung einer einen Wechselspannungsanteil enthaltenden Spannung bzw. einer reinen Wechselspannung und Fig. 6 shows an embodiment of a reference voltage source for generating an AC voltage component containing a voltage and a pure alternating voltage and
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Dif ferenzverstärkers. Fig. 7 shows an embodiment of a dif ferential amplifier.
Die in Fig. 1 dargestellte Kurve stellt die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands eines zur Temperaturbestimmung eingesetzten Sensors dar. Der Innenwiderstand R206 nimmt mit steigender Tempera tur T ab, wobei die Abnahme nicht linear erfolgt.The curve shown in FIG. 1 represents the temperature dependence of the internal resistance of a sensor used for temperature determination. The internal resistance R206 decreases with increasing temperature T, the decrease not taking place linearly.
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der nichtinvertierenden Eingang eines Operationsverstär kers 200 ist mit einem Ausgang A einer Referenzspannungsquelle 202 verbunden, die eine Wechselspannung liefert und deren Anschluß B auf Massepotential liegt. Zwischen dem invertierenden Eingang des Opera tionsverstärkers 200 und Masse ist der Innenwiderstand 204 des Sen sors geschaltet. Ein Widerstand 206 verbindet den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 200 mit dem Ausgang dieses Opera tionsverstärkers. Fig. 2 is a schematic diagram showing an embodiment of the invention. The non-inverting input of an operational amplifier 200 is connected to an output A of a reference voltage source 202 , which supplies an alternating voltage and whose terminal B is at ground potential. The internal resistance 204 of the sensor is connected between the inverting input of the operational amplifier 200 and ground. A resistor 206 connects the inverting input of the operational amplifier 200 to the output of this operational amplifier.
Aus dem Stand der Technik sind folgende Eigenschaften der in Fig. 2 abgebildeten Schaltung bekannt:The following properties of the circuit shown in FIG. 2 are known from the prior art:
Am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers stellt sich die gleiche Spannung ein wie am nichtinvertierenden Eingang. Der Ver stärkungsfaktor der Schaltung ist gleich der Summe aus 1 und dem Quotienten der Widerstände 206 und 204.The same voltage is set at the inverting input of the operational amplifier as at the non-inverting input. The circuit's gain factor is equal to the sum of 1 and the quotient of resistors 206 and 204 .
Für die Erfindung bedeutet dies, daß 1. die am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 200 anliegende Ausgangsspannung der Referenzspannungsguelle 202 auch am Innenwiderstand 204 des Sen sors anliegt und 2. ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen dem In nenwiderstand 204 des Sensors und dem Verstärkungsfaktor des Opera tionsverstärkers 200 besteht. Durch geeignete Dimensionierung der Schaltung kann man erreichen, daß die hier geschilderte Nichtlinea rität des Verstärkungsfaktors die in Fig. 1 dargestellte Nichtli nearität des Innenwiderstands 204 des Sensors in einem gewissen Temperaturbereich annähernd kompensiert, so daß sich insgesamt ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der Temperatur des Sensors und der Ausgangs spannung des Operationsverstärkers 200 ergibt.For the invention, this means that 1. the voltage present at the non-inverting input of the operational amplifier 200 output voltage of the Referenzspannungsguelle 202 also abuts the Sen sors at the internal resistor 204 and the second a non-linear relationship between the In nenwiderstand 204 of the sensor and the amplification factor of the Opera tion amplifier 200 is . By suitable dimensioning of the circuit can be achieved that the nonlinearity of the gain factor described here approximately compensates for the nonlinearity of the internal resistance 204 of the sensor shown in FIG and the output voltage of the operational amplifier 200 results.
Je nach Anwendungsfall kann es vorteilhaft sein, daß das Massepotential, an das der Innenwiderstand 204 des Sensors und der Anschluß B der Referenzspannungsquelle 202 angeschlossen sind, gegen die Masse des Systems, in dem die Schaltung zum Einsatz kommt, um einen vorgebbaren Wert verschoben ist. Dieses gegen die Systemmasse verschobene Potential wird im folgenden auch als Pseudomasse bezeichnet. Depending on the application, it can be advantageous that the ground potential, to which the internal resistance 204 of the sensor and the connection B of the reference voltage source 202 are connected, is shifted by a predeterminable value relative to the ground of the system in which the circuit is used. This potential shifted against the system mass is also referred to below as the pseudo mass.
In Fig. 3 ist der Zusammenhang zwischen der Temperatur T des Sensors und der Ausgangsspannung U des Operationsverstärkers 200 der Fig. 2 dargestellt. Von der Dimensionierung des Widerstands 206 aus Fig. 2 hängt ab, in welchem Temperaturintervall dieser Zusammenhang annä hernd linear ist. Dies wird durch die gestrichelte und die durchge zogene Kurve deutlich, die für zwei verschiedene Werte des Wider stands 206 ermittelt wurden. FIG. 3 shows the relationship between the temperature T of the sensor and the output voltage U of the operational amplifier 200 of FIG. 2. The dimensioning of the resistor 206 from FIG. 2 depends on the temperature interval in which this relationship is approximately linear. This is clear from the dashed and solid curve, which were determined for two different values of the resistor 206 .
Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels, das zu sätzlich zu der in Fig. 2 dargestellten Prinzipschaltung weitere Komponenten enthält und sich zum Betrieb mit nur einer Versorgungs spannung eignet. An den invertierenden Eingang des Operationsver stärkers 200 sind der Innenwiderstand 204 des Sensors und ein weite rer Widerstand 206, der den invertierenden Eingang mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 200 verbindet, angeschlossen. Der nichtin vertierende Eingang des Operationsverstärkers 200 ist 1. mit einem Widerstand 408 verbunden, der an den Ausgang A der Referenzspan nungsguelle 202 angeschlossen ist, und 2. mit einem Widerstand 410, der über den Innenwiderstand 204 des Sensors mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 200 in Verbindung steht. Vom Ver bindungspunkt der Widerstände 204 und 410 führen Leitungen zum Aus gang einer Einrichtung 412 zur Erzeugung einer konstanten Gleich spannung, zum Anschluß B der Referenzspannungsquelle 202 und zu einem 1. Eingang C eines Differenzverstärkers 414, an dessen 2. Ein gang D der Ausgang des Operationsverstärkers 200 angeschlossen ist. Am Ausgang E des Differenzverstärkers 414 liegt eine pulsierende Gleichspannung an, die annähernd linear von der Temperatur des Sen sors abhängt und Werte zwischen Massepotential und einem Maximalwert annehmen kann. Die Weiterverarbeitung dieses Signals erfolgt mittels des Blocks 416, der je nach Ausführungsform ein Integrierglied, einen Tiefpaß mit vorgeschalteter Diode oder eine synchronisierte Abtastschaltung darstellt. Fig. 4 shows the block diagram of an embodiment which contains additional components in addition to the basic circuit shown in Fig. 2 and is suitable for operation with only one supply voltage. At the inverting input of the operational amplifier 200 , the internal resistance 204 of the sensor and a wider resistor 206 , which connects the inverting input to the output of the operational amplifier 200 , are connected. The non-inverting input of operational amplifier 200 is 1. connected to a resistor 408, which is connected to output A of reference voltage source 202 , and 2. to a resistor 410 , which is connected via the internal resistance 204 of the sensor to the inverting input of operational amplifier 200 communicates. From the connection point of the resistors 204 and 410 , lines lead to the output of a device 412 for generating a constant DC voltage, to the connection B of the reference voltage source 202 and to a 1st input C of a differential amplifier 414 , at the 2nd input D the output of the Operational amplifier 200 is connected. A pulsating DC voltage is present at the output E of the differential amplifier 414 , which voltage depends approximately linearly on the temperature of the sensor and can assume values between ground potential and a maximum value. This signal is further processed by means of block 416 , which, depending on the embodiment, represents an integrator, a low-pass filter with an upstream diode or a synchronized sampling circuit.
Der Schaltung liegt das gleiche Prinzip wie dem Ausführungsbeispiel
aus Fig. 2 zugrunde. Die im Vergleich zu Fig. 2 zusätzlich vorhande
ne Komponenten haben folgende Funktionen:
Die Widerstände 408 und 410 sind als Spannungsteiler geschaltet und
ermöglichen es, einen definierten Bruchteil der Spannung der Refe
renzspannungsquelle 202 an den nichtinvertierenden Eingang des Ope
rationsverstärkers 200 anzulegen. Dadurch läßt sich auf einfache Art
und Weise ein für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneteter Span
nungsabfall am Innenwiderstand 204 des Sensors erzeugen.The circuit is based on the same principle as the exemplary embodiment from FIG. 2. The additional components in comparison to FIG. 2 have the following functions:
The resistors 408 and 410 are connected as voltage dividers and make it possible to apply a defined fraction of the voltage of the reference voltage source 202 to the non-inverting input of the operational amplifier 200 . This can easily generate a voltage drop suitable for the respective application at the internal resistance 204 of the sensor.
Der Block mit dem Bezugszeichen 412 gibt eine einstellbare Gleich spannung aus, die als Pseudomasse dient. Dadurch ist es möglich, die Schaltung mit nur einer Betriebsspannung zu betreiben.The block with the reference number 412 outputs an adjustable DC voltage that serves as a pseudo-mass. This makes it possible to operate the circuit with only one operating voltage.
Der Differenzverstärker 414 erhält als Eingangssignale an seinem 1. Eingang C die durch die Einrichtung 412 vorgebbare Gleichspannung und an seinem 2. Eingang D eine einen Wechselspannungsanteil enthal tende Spannung bzw. eine reine Wechselspannung, die von der Tempera tur des Sensors abhängt. Als Ausgangssignal am Ausgang E resultiert eine pulsierende Gleichspannung.The differential amplifier 414 receives as input signals at its 1st input C the DC voltage which can be predetermined by the device 412 and at its 2nd input D a voltage containing an AC voltage or a pure AC voltage which depends on the temperature of the sensor. A pulsating DC voltage results as the output signal at output E.
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des in Fig. 4 als Block 412 dargestellten Mittels zur Erzeugung einer vorgebbaren Gleichspan nung. Der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 500 ist mit dessen Ausgang verbunden, von dem eine weitere Verbindung zum Ausgang des Blocks 412 führt. Zwei Widerstände 502 und 504 sind von der Betriebsspannung nach Masse in Serie geschaltet, wobei die Ver bindungsleitung dieser beiden Widerstände mit dem nichtinvertieren den Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Fig. 5 shows an embodiment of the means shown in Fig. 4 as block 412 means for generating a predetermined DC voltage. The inverting input of an operational amplifier 500 is connected to its output, from which a further connection leads to the output of block 412 . Two resistors 502 and 504 are connected in series from the operating voltage to ground, the connecting line of these two resistors being connected to the non-inverting input of the operational amplifier.
Über den durch die Widerstände 502 und 504 gebildeten Spannungstei ler wird am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers eine Spannung eingestellt, die je nach Dimensionierung des Span nungsteilers Werte zwischen dem Massepotential und der Versorgungs spannung annimmt. Die gleiche Spannung stellt sich auch am inver tierenden Eingang und am Ausgang des Operationsverstärkers 500 ein, der infolge der hier beschriebenen Beschaltung einen Verstärkungs faktor von 1 besitzt. Block 412 liefert somit eine konstante Aus gangsspannung, die mittels der Widerstände 502 und 504 auf Werte zwischen dem Massepotential und der Versorgungsspannung eingestellt werden kann.A voltage is set at the non-inverting input of the operational amplifier via the voltage divider formed by resistors 502 and 504, which voltage takes on values between the ground potential and the supply voltage, depending on the dimensioning of the voltage divider. The same voltage also occurs at the inverting input and at the output of the operational amplifier 500 , which has an amplification factor of 1 as a result of the circuit described here. Block 412 thus supplies a constant output voltage, which can be set to values between the ground potential and the supply voltage by means of the resistors 502 and 504 .
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die in Fig. 4 als Block 202 bezeichnete Referenzspannungsguelle. Die Schaltung enthält einen Operationsverstärker 600, dessen Ausgang über einen Widerstand 602 mit seinem nichtinvertierenden Eingang und über einen Widerstand 604 mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist. Außerdem ist der Ausgang des Operationsverstärkers 600 mit dem Ausgang A des Blocks 202 verbunden. Weitere Bestandteile der Schaltung sind ein Kondensa tor 606, der zwischen Masse und dem invertierenden Eingang des Ope rationsverstärkers 600 angeordnet ist, und ein Widerstand 608, der den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 600 mit dem Eingang B des Blocks 202 verbindet. FIG. 6 shows an exemplary embodiment for the reference voltage source designated as block 202 in FIG. 4. The circuit includes an operational amplifier 600 , the output of which is connected to its non-inverting input via a resistor 602 and to its inverting input via a resistor 604 . In addition, the output of operational amplifier 600 is connected to output A of block 202 . Other components of the circuit are a Kondensa gate 606, which is arranged between ground and the inverting input of Ope rationsverstärkers 600 and a resistor 608 connecting the noninverting input of the operational amplifier 600 to the input B of the block 202nd
Die Schaltung erzeugt eine symmetrische Impulsfolge, die am Ausgang A abgegriffen werden kann, und einen über Eingang B vorgebbaren Gleichspannungsanteil enthält. Dabei ist z. B. auch ein Gleichspan nungsanteil Null möglich.The circuit generates a symmetrical pulse train at the output A can be tapped, and a definable via input B. Contains DC voltage. Here is z. B. also a DC chip Zero share possible.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Differenzverstärkers 414 aus Fig. 4. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 700 ist über einen Widerstand 702 mit dessen Ausgang verbunden und über einen Widerstand 704 mit dem Eingang D des Differenzverstärkers 414. Vom invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 700 führt ein Widerstand 706 nach Masse und ein Widerstand 708 zum Eingang C des Differenzverstärkers 414. Der Ausgang des Operationsverstärkers 700 ist an den Ausgang E des Differenzverstärkers 414 angeschlossen. FIG. 7 shows an exemplary embodiment of the differential amplifier 414 from FIG. 4. The non-inverting input of the operational amplifier 700 is connected to its output via a resistor 702 and to the input D of the differential amplifier 414 via a resistor 704 . A resistor 706 leads from the inverting input of the operational amplifier 700 to ground and a resistor 708 leads to the input C of the differential amplifier 414 . The output of operational amplifier 700 is connected to output E of differential amplifier 414 .
Der Differenzverstärker 414 verstärkt das Differenzsignal der Ein gänge C und D, so daß bei einer Beschaltung nach Fig. 4 am Ausgang E eine pulsierende Gleichspannung anliegt. Beim Betrieb mit einer po sitiven und einer negativen Versorgungsspannung kann am Ausgang E auch eine Wechselspannung anliegen.The differential amplifier 414 amplifies the differential signal of the inputs C and D, so that a pulsating DC voltage is present at the output E in a circuit according to FIG. 4. When operating with a positive and a negative supply voltage, an AC voltage can also be present at output E.
Claims (9)
- - eine 1. Funktionseinheit vorgesehen ist, die die nichtlineare Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstands des Sensors in eine nahezu linear von der Temperatur abhängende Ausgangsspannung um setzt, und
- - eine 2. Funktionseinheit im Rahmen der Beschaltung des Sensors be reitgestellt wird, mit der der Sensor mit einer einen Wechselspan nungsanteil enthaltenden Spannung bzw. einer reinen Wechselspannung beaufschlagbar ist.
- - A 1st functional unit is provided, which converts the non-linear temperature dependence of the internal resistance of the sensor into an output voltage which is almost linearly dependent on the temperature, and
- - A second functional unit is provided as part of the wiring of the sensor, with which the sensor can be acted upon with a voltage containing an AC voltage component or a pure AC voltage.
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| Publication number | Publication date |
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| JPH05281055A (en) | 1993-10-29 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |