СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ДАТЧИКА Российский патент 2012 года по МПК G01N27/406 G01K7/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу определения температуры измерительного датчика, охарактеризованному в независимом пункте 1 формулы изобретения. Предлагаемый в изобретении способ может быть реализован в виде компьютерной программы и воплощен в компьютерном программном продукте, содержащем записанный на машиночитаемом носителе программный код для осуществления способа.

Уровень техники

Из публикации DE 19838456 А1 известен соответствующий способ регулирования температуры измерительного датчика, предназначенного для определения концентрации кислорода в газовых смесях, прежде всего в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, при осуществлении которого анализируют выдаваемое измерительным элементом (ячейкой) Нернста выходное напряжение, соответствующее концентрации кислорода, причем измерительный датчик приводят к рабочей температуре посредством нагревательного устройства, а фактическую рабочую температуру определяют путем измерения внутреннего (собственного) сопротивления по переменному току измерительного элемента Нернста. Для того чтобы исключить обусловленные технологией изготовления колебания значения сопротивления, при осуществлении известного способа при вводе измерительного датчика в эксплуатацию и/или при его повторном вводе в эксплуатацию определяют внутреннее сопротивление проводника питания электродов измерительного элемента Нернста переменному току и полученное фактическое внутреннее сопротивление учитывают при определении рабочей температуры. Определение рабочей температуры измерительного датчика на основании внутреннего сопротивления измерительного элемента Нернста возможно лишь в ограниченном объеме, так как температурная характеристика сопротивления электролитов, образующих измерительный датчик, ввиду формы ее кривой допускает точное измерение лишь в ограниченной области температур. Кроме того, эта характеристика имеет переменное смещение, обусловленное сопротивлением проводника питания. Характеристика подвержена ошибкам также вследствие технологических неточностей при изготовлении печатных схем.

Раскрытие изобретения

Предлагаемый в изобретении способ, охарактеризованный в пункте 1 формулы изобретения, имеет то преимущество, что он позволяет определять температуру измерительного датчика, предназначенного для измерения концентрации кислорода в газовых смесях, с большой точностью в широком диапазоне области температур. Для этого в соответствии с изобретением определяют в первой области температур (первом температурном диапазоне) внутреннее сопротивление измерительного элемента Нернста и по нему делают вывод о температуре измерительного элемента Нернста, и определяют во второй области температур (втором температурном диапазоне) внутреннее сопротивление нагревательного устройства и по нему делают вывод о температуре измерительного элемента Нернста. Разбиение рабочего диапазона подобного измерительного датчика на несколько областей температуры, выбираемых таким образом, чтобы обеспечить возможность точного определения температуры измерительного элемента Нернста, позволяет точно определять температуру во всем рабочем диапазоне измерительного датчика.

В зависимых пунктах формулы изобретения описаны предпочтительные варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа, охарактеризованного в независимом пункте формулы.

Так, определять внутреннее сопротивление нагревательного устройства и по этому внутреннему сопротивлению делать вывод о температуре измерительного элемента Нернста предпочтительно в то время, когда нагревательное устройство выключено. При этом, например, в случае приведения в действие нагревательного устройства в тактовом режиме, можно всегда использовать тактовые промежутки, когда подача напряжения/тока на средства нагрева не осуществляется.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения две области температур не перекрываются, а разнесены. При этом первая область температур заканчивается ниже рабочей температуры измерительного датчика, а вторая область температур начинается выше рабочей температуры измерительного датчика. Это имеет то преимущество, что в первой области температур, т.е. при меньших температурах, находящихся ниже рабочей температуры, измерение внутреннего сопротивления измерительного элемента Нернста позволяет очень точно определять температуру, так как в этой области кривая изменения сопротивления электролита по температуре имеет очень сильный наклон, а значит с изменением температуры сопротивление изменяется очень быстро, что дает высокое разрешение. Во второй же области температур, начинающейся выше температуры измерительного датчика, температура измерительного датчика определяется путем определения внутреннего сопротивления нагревательного устройства. Это связано с тем, что характеристика внутреннего сопротивления нагревательного устройства линейна и в области более высоких температур также проходит с наклоном, обеспечивая достаточно высокое разрешение.

В другом варианте осуществления изобретения, области температур могут перекрываться. В этом случае температуру измерительного элемента Нернста определяют путем определения как внутреннего сопротивления измерительного элемента Нернста, так и внутреннего сопротивления нагревательного устройства. Таким образом, в одной и той же области температур выполняют различными методами два измерения и таким образом получают два значения температуры. При этом предпочтительно использовать внутреннее сопротивление измерительного элемента Нернста, в котором доля, приходящаяся на проводник питания, компенсирована, как это поясняется в публикации DE 19838456 А1, включенной в описание путем ссылки. Вторую область температур используют для подтверждения правдоподобности этого значения.

Для того чтобы откалибровать характеристику зависимости внутреннего сопротивления нагревательного устройства от температуры в отношении ее абсолютного значения, в задаваемой области температур, предпочтительно находящейся непосредственно ниже рабочей температуры измерительного датчика, можно определить как внутреннее сопротивление измерительного элемента Нернста, так и сопротивление нагревательного устройства, и путем сравнения внутреннего сопротивления измерительного элемента Нернста с сопротивлением нагревательного устройства выполнить калибровку абсолютного значения температурной характеристики нагревательного устройства. Иначе говоря, калибровка осуществляется в области температур, в которой посредством определения внутреннего сопротивления элемента Нернста возможно очень точное определение температуры.

Такую калибровку выполняют в новом состоянии измерительного датчика один раз, ее результат сохраняют в памяти и используют в течение всего срока службы датчика. Это позволяет компенсировать погрешности, обусловленные старением внутреннего сопротивления измерительного элемента Нернста, так как в данном случае внутреннее сопротивление нагревательного устройства известно.

Для дальнейшей оптимизации предлагаемого в изобретении способа в области температур, в которой выполняют калибровку, можно также разделять ошибку (погрешность) смещения и пропорциональную ошибку, искажающую характеристику, для чего путем сравнения внутреннего сопротивления включенного нагревательного устройства с внутренним сопротивлением выключенного нагревательного устройства можно определить отношение сопротивления расположенного в форме меандра нагревательного устройства к сопротивлению проводника питания. Это позволяет отделить ошибку смещения от пропорциональной ошибки и, поскольку ошибка смещения устранена калибровкой, компенсировать и пропорциональную ошибку линейной характеристики.

Краткое описание чертежей

Примеры осуществления изобретения поясняются в приведенном ниже описании со ссылкой на прилагаемые чертежи, где показаны:

на фиг.1 - вид в разрезе измерительного датчика, в котором используется предлагаемый в изобретении способ,

на фиг.2а - зависимость внутреннего сопротивления элемента Нернста от температуры,

на фиг.2б - зависимость внутреннего сопротивления нагревательного устройства от температуры,

на фиг.3 - иллюстрация предлагаемого в изобретении способа регулирования температуры посредством характеристик изменения сопротивления элемента Нернста, а также внутреннего сопротивления нагревательного устройства по температуре,

на фиг.4 - схема для регистрации внутреннего сопротивления нагревательного устройства,

на фиг.5 - другая схема для регистрации внутреннего сопротивления нагревательного устройства.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показан вид в разрезе измерительной головки измерительного датчика 10. Измерительный датчик 10 выполнен в виде планарного широкополосного измерительного датчика и состоит из нескольких отдельных расположенных друг над другом слоев, которые могут быть структурированы, например, путем пленочного литья, вырубки, трафаретной печати, ламинирования, вырезания, спекания и т.д. В рамках настоящего описания получение слоистой структуры подробно не рассматривается, поскольку оно известно.

Измерительный датчик 10 служит для определения концентрации кислорода в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания с целью получения управляющего сигнала для регулирования состава топливовоздушной смеси, на которой работает двигатель внутреннего сгорания.

Измерительный датчик 10 имеет измерительный элемент (ячейку) Нернста 12 и элемент 14 накачки. Измерительный элемент Нернста 12 имеет первый электрод 16 и второй электрод 18, между которыми расположен твердый электролит 20. На электрод 16 через диффузионный барьер 22 воздействуют анализируемые отработавшие газы 24. Измерительный датчик 10 имеет измерительное отверстие 26, в которое могут поступать отработавшие газы 24. В основании измерительного отверстия 26 проходит диффузионный барьер 22, причем образуется полость 28, внутри которой расположен электрод 16. Электрод 18 измерительного элемента Нернста 12 расположен в канале 30 эталонного (опорного) воздуха и подвергается воздействию находящегося в канале 30 эталонного газа, например воздуха. Твердый электролит 20 состоит, например, из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, а электроды 16 и 18 выполнены из платины и оксида циркония.

Измерительный датчик 10 соединен с переключательной схемой 32, показанной здесь лишь условно, которая служит для обработки (анализа) сигналов измерительного датчика 10 и управления датчиком 10. При этом электроды 16 и 18 связаны, соответственно, со входами 34 и 36, к которым приложено выходное напряжение UD измерительного элемента Нернста 12.

Элемент 14 накачки состоит из первого электрода 38 и второго электрода 40, между которыми расположен электролит 42. Твердый электролит 42 и в этом случае состоит, например, из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, а электроды 38 и 40 также могут быть выполнены из платины и оксида циркония. Электрод 38 также размещен в полости 28 и таким образом также испытывает воздействие отработавших газов 24 через диффузионный барьер 22. Электрод 40 имеет защитное покрытие 44, которое является пористым, и поэтому электрод 40 подвергается воздействию отработавших газов 24 непосредственно. Электрод 40 соединен со входом 46 переключательной схемы 32, а электрод 38 соединен с электродом 16 и вместе с ним подключен ко входу 34 переключательной схемы 32.

Измерительный датчик 10 содержит также нагревательное устройство 50, образованное так называемым меандровым нагревателем и соединенное со входами 52 и 54 переключательной схемы 32. На входы 52 и 54 посредством регулирующей схемы 56 может подаваться напряжение накала UH.

Измерительный датчик работает следующим образом.

Отработавшие газы 24 через измерительное отверстие 26 и диффузионный барьер 22 поступают в полость 28, а значит к электродам 16 измерительного элемента Нернста 12 и к электроду 38 элемента 14 накачки. Ввиду содержания в анализируемых отработавших газах кислорода между электродом 16 и электродом 18, на который воздействует эталонный газ, возникает разность концентраций кислорода. Посредством вывода 34 электрод 16 соединен с источником тока переключательной схемы 32, выдающим постоянный ток. Вследствие разности концентраций кислорода на электродах 16 и 18 устанавливается определенное выходное напряжение UD (напряжение Нернста). При этом измерительный элемент Нернста 12 работает в качестве датчика концентрации кислорода, также называемого кислородным датчиком или лямбда-зондом, определяющего, является ли концентрация кислорода в отработавших газах 24 высокой или низкой. По концентрации кислорода можно понять, является ли топливовоздушная смесь, на которой работает двигатель внутреннего сгорания, богатой или бедной смесью. При переходе из богатой в бедную область, или наоборот, выходное напряжение UD падает или, соответственно, возрастает.

С помощью переключательной схемы 32 выходное напряжение UD используют для определения напряжения накачки UP, которое подается на элемент 14 накачки между его электродами 38 и 40. В зависимости от того, сигнализирует ли выходное напряжение UD о нахождении топливовоздушной смеси в богатой или бедной области, напряжение накачки UP отрицательно или положительно, так что электрод 40 включен в качестве катода или в качестве анода. Соответственно устанавливается ток накачки IP, который можно измерять с помощью измерительного устройства переключательной схемы 32. Ток накачки IP перекачивает ионы кислорода от электрода 40 к электроду 38, или наоборот. Измеренный ток накачки IP служит для управления устройством регулирования состава топливовоздушной смеси, на которой работает двигатель внутреннего сгорания.

Регулятор 56 позволяет подавать на выходы 54 и 52 переключательной схемы 32 напряжение накала UH с возможностью включения и выключения нагревательного устройства 50. Нагревательное устройство 50 позволяет доводить измерительный датчик 10 до рабочей температуры около 780°С и выше. Вследствие колебаний скорости течения и/или температуры отработавших газов 24 отработавшие газы 24 передают на измерительный датчик 10 определенную переменную тепловую энергию. В зависимости от нагревания измерительного датчика 10 отработавшими газами 24 необходимо включение или выключение нагревательного устройства 50. Для определения фактической рабочей температуры измерительного датчика 10 переключательная схема 32 имеет измерительную схему 58, позволяющую измерять внутреннее сопротивление измерительного элемента Нернста 12, включая проводники, ведущие к переключательной схеме 32, по переменному току. Внутреннее сопротивление измерительного элемента Нернста 12 по переменному току зависит от температуры, поэтому по измеренному внутреннему сопротивлению измерительного элемента Нернста 12 переменному току можно определять рабочую температуру. В зависимости от определенной рабочей температуры измерительная схема 58 выдает сигнал 60 в схему 56 управления нагревом.

Определение внутреннего сопротивления измерительного элемента Нернста 12 переменному току само по себе известно и описано, например, в публикации DE 19838456, которое в полном объеме включено в описание путем ссылки. Измерение температуры через сопротивление R_i электролита осуществляется с использованием эффекта ОТК (отрицательного температурного коэффициента).

Путем измерения этого сопротивления определяют температуру и соответствующим образом регулируют мощность, идущую на нагрев, таким образом доводя зонд до рабочей температуры. Если зонд не имеет собственного подогрева, а нагревается только отработавшими газами, можно путем измерения сопротивления определять окружающую температуру или температуру отработавших газов. Однако это измерение возможно только в ограниченной области температур примерно до 800°С. Измерение при более высокой температуре затруднительно.

При определении окружающей температуры или температуры отработавших газов интерес представляют, прежде всего, температуры выше 800°С. Вследствие экспоненциального характера своего падения зависимость сопротивления от температуры в этой области температур имеет пологую характеристику, как показано на фиг.2а, где представлена зависимость внутреннего сопротивления элемента Нернста 12 от температуры. Кроме того, область допустимых отклонений от характеристики 210 расширяется, так как приходящаяся на проводник питания доля сопротивления, непостоянная по технологическим причинам и зависящая от температуры лишь незначительно, возрастает. По этой причине определение высоких температур на основании сопротивления электролита элемента Нернста 12 или же элемента накачки сопряжено с большой погрешностью.

В противоположность внутреннему сопротивлению элемента Нернста 12, т.е. сопротивлению электролита, металлическое сопротивление нагревательного устройства 50 обнаруживает показанное на фиг.2б линейное, а в области более высоких температур, находящейся выше 800°С, более крутое нарастание с повышением температуры. Правда, внутренние сопротивления нагревательного устройства 50 примерно на порядок меньше, чем внутренние сопротивления элемента Нернста 12, поэтому неизвестное смещение, например, обусловленное сопротивлением проводника питания, ведет к повышенной ошибке в корреляции внутреннего сопротивления нагревательного устройства 50 и окружающей температуры или температуры отработавших газов. Для того чтобы использовать такой измерительный датчик для работы с высокой точностью в широком температурном диапазон примерно от 500 до 1200°С, изобретение предусматривает определение температуры в первой области температур по внутреннему сопротивлению R_i элемента Нернста 12, а во второй области температур - по внутреннему сопротивлению R_i нагревательного устройства, как это схематически показано на фиг.3. В первой области температур, имеющей обозначение I, в которой кривая зависимости внутреннего сопротивления R_i элемента Нернста 12 от температуры обнаруживает крутое падение, температуру измерительного датчика определяют путем определения этого внутреннего сопротивления. Во второй области температур, имеющей обозначение II, в которой кривая зависимости внутреннего сопротивления R_i элемента Нернста 12 от температуры изменяется мало, температуру измерительного датчика определяют путем определения внутреннего сопротивления нагревательного устройства 50.

Можно также предусмотреть дополнительное определение температуры по внутреннему сопротивлению нагревательного устройства 50 в области I и сравнение полученного таким образом значения температуры со значением температуры, найденным путем определения внутреннего сопротивления элемента Нернста 12. При этом из этих двух полученных таким образом значений температуры можно также вычислить среднее значение. То же относится соответственно к области II. Кроме того, предлагаемый в изобретении способ позволяет определять также смещение сопротивлений в проводниках питания, для чего требуются известные из уровня техники дополнительные несложные методы измерений, и калибровать характеристику изменения внутреннего сопротивления нагревательного устройства 50 по температуре во время работы датчика или в фазе пуска. Путем такой калибровки, более подробно описанной ниже, можно выполнять измерение внутреннего сопротивления нагревательного устройства 50 с повышенной точностью. Это дает следующие преимущества:

- на точности не сказываются погрешности температурной зависимости внутреннего сопротивления нагревательного устройства 50, обусловленные непостоянством сопротивлений нагревательного устройства 50, связанным с технологией изготовления печатных схем;

- устраняются неизвестные смещения температурной зависимости внутреннего сопротивления нагревательного устройства 50, обусловленные непостоянством сопротивления проводников питания;

- не требуются дополнительные датчики температуры.

Калибровка температурной характеристики нагревательного устройства 50, т.е. зависимости его внутреннего сопротивления от температуры, осуществляется следующим образом: при температуре Т_К с помощью температурной зависимости 210 внутреннего сопротивления элемента Нернста 12 выполняют точное определение температуры. Взяв за основу результат этого измерения или нескольких подобных измерений, выполняют калибровку температурной характеристики нагревательного устройства 50, т.е. зависимости его внутреннего сопротивления от температуры, в отношении абсолютного значения этой характеристики. Тогда при высоких температурах в области II температуру определяют с помощью откалиброванной таким образом температурной характеристики нагревательного устройства 50.

Рассмотренное выше измерение температуры осуществляется в то время, когда нагревательное устройство выключено. При этом для нагревателя, управляемого в тактовом режиме, измерение всегда выполняют в промежутки времени, в которых на нагреватель не подается ток/напряжение.

Регистрацию сопротивления можно выполнять, например, в том случае, если - как показано на фиг.4 - нагревательное устройство не получает от батареи напряжение питания U_Bat, а соединено, например, электронным переключателем 410 с измерительной схемой, содержащей шунтирующее сопротивление R_Schunt, на котором вольтметром 420 измеряют падение напряжения и таким образом измеряют внутреннее сопротивление. При этом шунтирующее сопротивление R_Schunt может иметь, например, значение 3 Ом, позволяющее очень точно определять сопротивление, так как в случае выключенного нагрева даже при относительно большом шунтирующем сопротивлении R_Schunt потери на сопротивлении не уменьшают мощности нагревательного устройства.

Путем сравнения значений внутреннего сопротивления нагревательного устройства 50 при двух сильно различающихся температурах измерительного датчика можно судить об отношении сопротивления меандрового проводника и сопротивления проводов питания. Это позволяет отличить ошибку 240, относимую к меандровому нагревателю, от ошибки 250, относимой к проводам питания (см. фиг.2б). Дело в том, что сопротивление нагревателя складывается из сопротивления проводников питания и сопротивления меандрового проводника, причем зависимость от температуры обнаруживает прежде всего сопротивление меандрового проводника. Если теперь измерять сопротивление при двух температурах, например непосредственно после пуска двигателя транспортного средства и в момент времени, когда уже достигнута рабочая температура датчика 780°С, то можно определить изменение сопротивления нагревательного устройства 50, а по нему и сопротивление меандрового проводника, пропорциональное изменению сопротивления. С помощью сопротивления меандрового проводника можно по сопротивлению нагревательного устройства 50 определить долю сопротивления проводнков питания. Это позволит также отличить ошибку смещения от пропорциональной ошибки.

Компенсация ошибки смещения и пропорциональной ошибки может осуществляться путем измерения в двух или нескольких точках измерения или при двух или нескольких температурах. Условием этого является описанная выше калибровка характеристики 220 в точке Т_К посредством точного определения температуры по температурной характеристике 210 элемента Нернста 12, характеризующей зависимость внутреннего сопротивления от температуры.

Далее, измерение внутреннего сопротивления R_Н нагревательного устройства 50 можно выполнять с помощью схемы, показанной на фиг.5, через шунт, включенный параллельно бестоковому выходу полевого транзистора 510. Этот шунт R_Schunt2 в данном случае имеет сопротивление, например, 1 кОм. В этом случае переключение между включенным и выключенным состоянием нагревательного устройства не требуется.

Описанный выше способ может быть реализован, например, в виде компьютерной программы, выполняемой в процессоре, прежде всего в устройстве управления двигателем внутреннего сгорания. Программный код может храниться на машиночитаемом носителе, считываемом устройством управления.

Изобретение используется при определении температуры в измерительных датчиках концентрации кислорода в газовых смесях. Сущность изобретения: в способе определения температуры измерительного датчика, предназначенного для измерения концентрации кислорода в газовых смесях, прежде всего в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, анализируют выдаваемое измерительным элементом Нернста (12) выходное напряжение, соответствующее концентрации кислорода, доводят измерительный датчик до рабочей температуры посредством нагревательного устройства (50), определяют в первой области температур внутреннее сопротивление измерительного элемента Нернста (12) и по нему делают вывод о температуре измерительного элемента Нернста (12), определяют во второй области температур внутреннее сопротивление нагревательного устройства (50) и по нему делают вывод о температуре измерительного элемента Нернста (12). Изобретение позволяет повысить точность определения температуры. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения температуры измерительного датчика, предназначенного для измерения концентрации кислорода в газовых смесях, прежде всего в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, при осуществлении которого анализируют выдаваемое измерительным элементом Нернста (12) выходное напряжение, соответствующее концентрации кислорода, и доводят измерительный датчик до рабочей температуры посредством нагревательного устройства (50), отличающийся тем, что определяют в первой области температур внутреннее сопротивление измерительного элемента Нернста (12) и по нему делают вывод о температуре измерительного элемента Нернста (12), определяют во второй области температур внутреннее сопротивление нагревательного устройства (50) и по нему делают вывод о температуре измерительного элемента Нернста (12).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутреннее сопротивление нагревательного устройства (50) определяют в то время, когда нагревательное устройство (50) выключено.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первая область температур и вторая область температур не перекрываются.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первая область температур и вторая область температур перекрываются.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в первой области температур определяют внутреннее сопротивление измерительного элемента Нернста (12) и по нему делают вывод о температуре измерительного элемента Нернста (12), одновременно, благодаря перекрытию двух областей температур, во второй области температур определяют внутреннее сопротивление нагревательного устройства (50) и по нему делают вывод о температуре измерительного элемента Нернста (12), и на основании обеих определенных таким образом температур делают вывод о температуре измерительного датчика.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что первая область температур заканчивается ниже рабочей температуры измерительного датчика, а вторая область температур начинается выше рабочей температуры измерительного датчика.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в первой области температур, помимо внутреннего сопротивления измерительного элемента Нернста (12), также определяют внутреннее сопротивление нагревательного устройства (50) и путем сравнения внутреннего сопротивления измерительного элемента Нернста (12) с внутренним сопротивлением нагревательного устройства (50) выполняют калибровку температурной характеристики внутреннего сопротивления нагревательного устройства (50) в отношении ее абсолютного значения.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что первая область температур находится непосредственно ниже рабочей температуры измерительного датчика.

9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что результат калибровки абсолютного значения температурной характеристики, один раз выполненной в новом состоянии датчика, сохраняют в памяти и используют в течение всего срока службы измерительного датчика.