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专利名称：测定线性氧探头内阻的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据权利要求1的前序部分特征的测定内燃机线性氧探头(拉姆达探头)内阻的装置。
安排在内燃机的排气管路中探测输入到内燃机中的油气混合物的线性拉姆达探头的扩散壁垒的动态阻抗，可以表示成具有多个RC支路的温度相关的复阻抗，具有温度依从性，这导致换算比也就是测量结果的误差。借助于安装在拉姆达探头中的热电偶通过测量探头的温度并且把温度控制为恒定的值(例如750℃)以解决这个问题。出于成本考虑在此不用独立的热电偶测量温度；而是代之以测量强温度依从性的拉姆达探头内阻Rpvs。
测定线性氧探头(拉姆达探头)内阻的公知的装置在探头连接端Vs+施加例如500μApp(峰对峰)值并且频率是3kHz的交变电流。在内阻Rpvs上降有交变电压信号。例如Rpvs＝100Ω500μApp*100Ω＝50mVpp。把该交变信号放大再整流然后可以输入到微处理器的模/数转换器用于氧探头的温度控制。
在加热的阶段探头阻抗Rpvs非常高(在200℃约1MΩ)，从而相应地下降在其上的交变电压信号的幅度大(最大达5Vpp)为了能够较早地测定内阻Rpvs，放大器(Rpvs_Amp)应当有较小的放大倍数。典型的测量范围是0...24*R0(范围2冷探头)，其中R0相应于额定的(设定的)探头阻抗(例如750℃时100Ω)。在正常运行时要求较大的测量范围，例如0...6R0(范围1热探头)。
公知的实施中通过在放大器(Rpvs_Amp)中转换放大倍数改变测量范围，例如*4(加热阶段，范围2)和*16(正常运行，范围1)。因此(在放大和整流后)对探头内阻Rpvs的值在输出电压中在0...4.8V的范围内改变。如果再加上0.1V的失调电压，输出电压表现0.1V...4.9V的输出电压范围。这样的电压范围可以用整流器处理(工作电压5V)并且充分地利用模/数转换器的范围。
然而该解决方案的严重缺点是在加热阶段交变电压信号的幅度大(最大5Vpp)。这对一些探头类型可能导致陶瓷损坏(所谓的烧黑)，从而不能够接受。典型的最高值是约2Vpp。与此相应地只有充分热的低阻值的探头才能够切入交变电压。
为了在这种情况下还可以监测加热阶段，借助于观察泵电流Ip(如果探头阻值充分，就可以有泵电流流过，并且Ip控制稳定)。然而此方法却不准确，而且还关系到微控制器中用很高成本的软件。
另一个问题在于，在开关起动时振荡器应当停止。其输出处于0V或者5V。在该时刻非常高阻值的探头连接端Vs+通过电阻Rv和电容Cv与振荡器输出连接。因为电容Cv放电，探头连接端Vs+的电位跟随振荡器输出的电位并且也是0V或者5V。
但是此值在正常工作范围之外。图中未示出的诊断电路把此识别为对地或者对电池电压的短路并且报告为(不存在的)故障(视在故障)并且，这必须通过高成本的软件措施抑制。
本发明的任务是创造一种测定线性氧探头的内阻的装置，在所述的装置中在加热阶段振荡器也接在分析电路上，并且在该阶段中交变电压的信号的幅度保持在其设定范围内并且提供探头内阻的测量值。
根据本发明该任务通过具有权利要求1所述特征的装置完成。
首先借助于示意图详细地说明根据本发明的实施例。附图中

图1示出一种公知的装置，用于运行具有公知的测定探头内阻Rpvs的装置的线性拉姆达探头，图2示出根据本发明的用于测定探头内阻Rpvs的装置，图3示出根据本发明的装置的振荡器输出信号，图4示出输出信号VRpvs与探头内阻Rpvs的关系，图5示出在放大倍数范围2中(加热阶段)输出信号VRpvs和在探头上的电压，而图6示出在放大倍数范围1中(正常工作)输出信号VRpvs和在探头上的电压。
图1示出一种公知的装置，用于运行具有公知的测定探头内阻Rpvs的装置的线性拉姆达探头。
左上方为探头，具有-标定电阻Rc(连接端为Rc、Vp+)，-具有等效电阻Rip和极化电压Vp的泵电池(连接端Vp+、Vp-)，和-具有能斯脱电压Vs和探头内阻Rpvs的测量电池(连接端Vs+、Vs-)在探头下是公知的分析电路(IP控制)具有-差分放大器(Diff_Amp)，-参照电压源(Vref)，-控制放大器(PID)，
-中心电压源(Vm)，-泵电流源(Ip_Source)和-并联电阻Rp。
探头和分析电路的右边用虚线框示出的是公知的测量探头内阻Rpvs的装置，具有振荡器OSZ、电阻Rv、退耦电容器Cv及放大器Rpvs_Amp和整流器GLR。
拉姆达探头和其分析电路在原理上是公知的，因此不作进一步说明。
为了测量探头内阻Rpvs在探头上施加振荡器OSZ产生的测量信号，例如500μApp(峰对峰)频率为3kHz的方波交变信号。通过高阻值电阻Rv和退耦电容Cv把所述信号输送到拉姆达探头的第一连接端Vs+。在例如正好100Ω的内阻Rpvs上，于是出现500μApp*100Ω＝500mVpp的方波电压。用放大器Rpvs_Amp放大此方波电压并且用整流器GLR整流，于是向图中未示的微处理器输送直流电压VRpvs作为拉姆达探头的温度控制的控制信号。这种电路的缺点已经在上文中进行了说明。
图2在虚线框中示出根据本发明的用于测定探头内阻Rpvs的装置。在此电路中还是具有如图1所示的振荡器OSZ、放大器Rpvs_Amp、整流器GLR和退耦电容器Cv。
由两个电阻Rv1和Rv2代替电阻Rv并且附加地设有两个异或门电路Exor1和Exor2(异或门电路，例如74HC86型)和转换开关S。
其输出信号作为方波电流向探头内阻施加的振荡器OSZ的输出连接Exor1的输入2和Exor2的输入3。Exor2的输入4在低电位(参照电位GND)，而Exor1的输入1可通过转换开关S放在低电位(GND)或者高电位(工作电压电位Vcc＝5V)。
Exor1的输出经电阻Rv1、Exor2的输出经电阻Rv2与退耦电容Cv连接，所述退耦电容Cv以公知的方式连接探头内阻Rpvs并且通到放大器Rpvs_Amp并且进一步通到整流器GLR。
电阻Rv1和Rv2如下确定Rv1＝Z/{0.5*(1-N)}，(＝26.67kΩ)，Rv2＝Z/{0.5*(1+N)}，(＝16.00kΩ)，式中N＝电压比范围1/范围2(例如0.25)，Z＝总电阻Rv1与Rv2并联(例如10kΩ)。
该装置以如下方式工作在接通工作电压Vcc＝5V时首先接通探头加热器并且选择范围2，因为在冷状态下Rpvs＞100kΩ。Exor1的输入1处于高电位＝5V。Exor1作为反相器工作，Exor2作为不反相的缓冲器；Exor1和Exor2反相位地工作。在其输出上出现相反相位的3kHz方波信号，也就是输出Exor1＝低(0V)，输出Exor2＝高(+5V)或者反之。
在此情况下，电阻Rv1和Rv2构成内阻为10kΩ的分压器。在Rv1和Rv2的连接点得出交变电压，取决于电阻分压比，所述交变电压要么为Vcc[Rv1/(Rv1+Rv2)]＝1.87V要么为Vcc[Rv2/(Rv1+Rv2)]＝3.13V＝1.25Vpp(见图3范围2)。相应地确定了在探头内阻Rpvs中流动的交变电流。
两个电阻Rv1和Rv2的连接点上也就是分压器抽头上的输出交变电压，在空转时处于例如3.13V和1.87V＝1.25Vpp之间或者视Rpvs的值而相应地降低，这取决于其温度。
经过退耦电容Cv把该值输送到放大器Rpvs_Amp的输入。由此避免错误的故障识别。
如果探头内阻Rpvs在范围2中下降到预定值以下，例如下降到600Ω(例如输出信号VRpvs下降到相应的电压值)，Exor1的输入1通过开关S从高电位切换到低电位并且从而切换到区域1，也就是把放大倍数提高4倍。
现在Exor1的输入1处在低电位GND＝0V。Exor1和Exor2都作为不反相的缓冲器同相地工作，就是说，在其输出出现同相的3kHz方波信号(空载5Vpp)要么双方在低电位，要么双方在高电位。电阻Rv1和Rv2表现为并联连接，Rv1＝16kΩ，Rv2＝26.67kΩ，总电阻Rv1‖Rv2＝10kΩ。相应于通过它在探头电阻Rpvs中流过5Vpp/10kΩ＝500μApp的交变电流。这得到5Vpp的交变电压(图3范围1)。
通过用作直流电压退耦嵌入的退耦电容Cv在探头内阻上有一个内阻为10kΩ空载电压为1.25Vpp(范围2)或者5Vpp(范围1)的交变电压源。
切换转换开关S的切换作用比较器K，所述比较器2在范围2中把输出电压VRpvs与预定的设定值比较。只要VRpvs＞设定值，输出1就保持高电位；如果VRpvs＜设定值输出1切换到低电位(范围1)。然后它固定在此位置，其中把探头内阻通过输出信号VRpvs控制到100Ω/750℃，直到关闭工作电压。
比较器K是集成电路、例如用方框代表的微处理器μP的一部分。在此集成电路中还可以集成虚线方框内的装置，或者集成至少部分的或者全部地在图1中示出的分析电路。在接入工作电压(工作开始)时通过指令Anf把比较器定置为使转换开关S把Exor1的输入1连接到高电位(范围2)。
图3示出在范围1(5Vpp)和范围2(1.25Vpp)的振荡器输出信号。
图4示出降在探头内阻Rpvs及放大器Rpvs_Amp的输入上的信号幅度s与探头内阻Rpvs的关系。探头Rpvs的内阻在温度T＝20℃时的值＞＞100kΩ在T≈200℃时约为100kΩ(图表右侧)；于是在放大器输入上有约1.16Vpp，最高1.25Vpp的电压。
如果探头内阻Rpvs在温度控制达到的750℃下为其额定值100Ω(在图表左侧零点附近)，在放大器输入上有约为0.35Vpp的电压。温度T上升伴随着电阻值的下降，也就是从坐标的右移动到坐标左。
图5示出相应于范围2中，见图4，在探头内阻Rpvs及放大器Rpvs_Amp(上)的输入上的信号幅度，和可在整流器GLR的输出上引出的直流电压VRpvs。从探头温度T＝20℃内阻Rpvs＞＞100kΩ的工作开始出发，首先放大器输出饱和，加热探头温度上升。如果探头内阻＜2.4kΩ(上)，于是输出电压VRpvs下降(下)。如果Rpvs＜600Ω，于是切换到区域1，见图6。
图6上方示出在范围1内在探头上的信号幅度，在下方示出可在输出引出的直流电压VRpvs，所述的范围1是对于探头加热，以把探头内阻控制到100Ω的本来的控制范围。
本发明的电路具有以下的优点通过交变电压信号的幅度转换进行范围1和范围2的放大倍数转换范围10...6R0(正常工作)；幅度＝5Vpp。
范围20...24R0(探头高载)；幅度＝5Vpp/4＝3.12V-1.78V＝±0.625V＝1.25Vpp，参见图3(R0＝Rpvs(750℃时)＝100Ω)。
-用两个电阻非常简单地确定所述范围。
-源内阻与范围无关总是恒定。
-电路简单地集成，或者说可以用标准元件制造。
-在冷探头不会再超过±2V(4Vpp)的最高允许探头电压。
权利要求
1.装置，用于测定内燃机的线性氧探头内阻(Rpvs)，具有振荡器(OSZ)用于产生交变电流，所述交变电流通过退耦电容(Cv)经探头连接端(Vs+)输入到探头内阻(Rpvs)，并且所述交变电流在放大器(Rpvs_Amp)中被放大接着被整流，产生与探头内阻(Rpvs)成比例的电压(VRpvs)作为探头加热的控制信号，其特征在于，设有分压器(Rv1、Rv2)，向其两个连接端上输入振荡器(OSZ)的输出信号，所述输出信号在其抽头上产生引起流过探头内阻(Rpvs)的交变电流的电压，在于，从接通工作电压起就以彼此相反的相位(范围2)向分压器(Rpvs1、Rpvs2)的两连接端输送振荡器(OSZ)的输出信号，由此加热氧探头，直到放大器(Rpvs_Amp)输出上的与探头内阻(Rpvs)成比例的电压(VRpvs)超过预定的设定值，并且在于，从此时刻起以相同的相位(范围1)向分压器(Rpvs1、Rpvs2)的两连接端输送振荡器(OSZ)的输出信号。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，设有第一异或门电路(Exor1)，其一个输入(1)可以经转换开关(S)连接工作电压的高电位(Vcc)或者低电位(GND)，并且其另一输入(2)连接振荡器(OSZ)的输出，在于，设有第二异或门电路(Exor2)，其一个输入(3)可以连接振荡器(OSZ)的输出，并且其另一输入(4)连接低电位(GND)，在于，第一异或门电路(Exor1)的输出经过由第一电阻(Rpvs1)和第二电阻(Rpvs2)的串联电路构成的分压器与第二异或门电路(Exor2)的输出连接，并且在于，分压器的抽头，也就是两个电阻(Rpvs1、Rpvs2)的连接点经退耦电压(Vc)连接探头连接端(Vsc+)和放大器(Rpvs_Amp)的输入。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，设有比较器(K)，向该比较器(K)输送输出电压(VRpvs)、预定的设定值(VRpvs)，和指令(Anf)，并且当工作开始接入工作电压时，且只要输出电压(VRpvs)大于设定值时，比较器(K)就使第一异或门电路(Exor1)的输入(1)经转换开关(S)连接工作电压的高电位(Vcc)，范围2，并且处于范围2的输出电压(VRpvs)一旦低于所述设定值，比较器(K)就立即使第一异或门电路(Exor1)的输入(1)经转换开关(S)处于工作电压的低电位(GND)，范围1。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，把所述设定值选择得使在转换开关(S)从高电位(Vcc)切换到低电位(GND)以后们，输出电压(VRpvs)低于高电位(Vcc)。
全文摘要
装置具有分压器(Rv1、Rv2)，其两个连接端上以彼此相反的相位输入振荡器的信号(范围2)，直到通过接入的探头加热使与探头内阻(Rpvs)成比例的电压(VRpvs)超过预定的设定值，其中，从此时刻起以相同的相位(范围1)向分压器(Rpvs1、Rpvs2)的两连接端输送振荡器(OSZ)的输出信号，这使得进行幅度切换(放大)。
文档编号G01R27/02GK1486427SQ02803736
公开日2004年3月31日 申请日期2002年1月14日 优先权日2001年1月16日
发明者S·波尔茨, S 波尔茨 申请人:西门子公司