专利名称：用于检测物理测量量的电路装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测在内燃机废气中的物理测量量、尤其氧浓度的电路装 置，一种用于检测该物理测量量的方法以及一种用于实施该方法的计算机程序及计算机 程序产品。
背景技术：
为了保证比如在车辆中内燃机中的最佳燃烧，检测在废气中的空气燃料比，其 方式是，测量废气的残氧含量，并且燃料计量系统把用于燃烧的空气-燃料混合物非常 精确地调节为值拉姆达=1，也即调节为化学计量燃烧。为了测量空气-燃料比，已知有不同的浓度探测器，其用于确定所谓的空气 系数-也称为拉姆达。除了已知的跃变探测器之外，还尤其采用宽带拉姆达探测器 (Breitbandlambdasonden)，该宽带拉姆达探测器能够检测宽的空气-燃料比范围。在宽带拉姆达探测器中测量传感器作为宽带传感器来实施。其由固体电解质层 以及多个电极构成，其比如参见德国公开文件DE 199 12 102A1。在该传感器中一部分 电极构成所谓的氧气泵单元，另一部分构成所谓的浓度单元或能斯脱浓度单元。在泵单 元的电极上施加了一个泵电压，借助该泵电压在一个第一测量气室中通过氧气的泵入或 泵出来调节恒定的氧气分压力，也即相应的空气系数拉姆达。在此该泵电压如此来调 节，使得在浓度单元的电极上调节为450mV的一个恒定电压值。该电压对应于拉姆达 =1的一个值。通过一个电子调节电路，总是精确地从废气中给该泵单元输入如此多 的氧气，使得其上形成拉姆达=1的状态。在废气中空气过量时，在所谓的稀混范围 (Magerbereich)中，相应地氧气被泵出，相反在废气残氧含量微小时，在所谓的浓混范围 (fetten Bereich)中，通过泵电压的翻转来输入氧气。相应的泵电流Ip构成该探测器的输 出信号，其中该泵电流与废气中氧气含量或浓混气体含量成比例。借助Ip-拉姆达特性 曲线来对借助该宽带拉姆达探测器所检测的泵电流值进行分析。除了具有能斯脱浓度单元和氧气泵单元(类型B)的宽带拉姆达探测器的上述所 谓二单元原理之外，还公开有按照所谓一单元原理(类型A)的具有唯一一个氧浓度单元 的拉姆达探测器。在此省略了除泵单元之外的能斯脱浓度单元。代替在测量气室中调节 到恒定的拉姆达值，在按照一单元原理的宽带探测器中仅利用恒定的泵电压把扩散入的 氧气从测量气室中泵出。其形成一个特性曲线，该特性曲线通过氧气浓度来确定。按照 二单元原理(类型B)的与按照一单元原理(类型A)的宽带探测器从而不同之处首先在 于其输出信号，使得产生不同的Ip-拉姆达特性曲线。存在的问题是，比如在车辆中不仅使用按照二单元原理的宽带探测器，而且使 用按照一单元原理的宽带探测器。由于所基于的不同原理，尤其在车辆的维护和修理方 面不能提供探测器的可更换性。本发明从而所基于的任务是，避免该缺点，并实现按照一单元原理的与按照二 单元原理的宽带探测器的可更换性，以及实现一般情况下不同类型的不同探测器或者说
3传感器的可更换性。
发明内容
该任务如在独立权利要求中所述、通过用于检测内燃机废气中物理测量量的电 路装置以及通过一种相应的方法而得到解决。该电路装置和该方法的优选扩展方案参见 从属权利要求的主题。本发明的电路装置用于检测在内燃机废气中的物理测量量，尤其气体成分浓 度，优选的是氧浓度。利用第一类型的传感器或者利用第二类型的传感器来进行该物理 测量量的检测，其中给第一类型的传感器以及第二类型的传感器分配了至少一个电子电 路，以模拟相应另一类型的传感器。通过该电子电路从而能够比如在使用第二类型的传 感器时来模拟第一类型的传感器，其中该第二类型的传感器在车辆的修理或维护时被安 装，该第一类型的传感器最初就被安装了，从而在车辆修理或维护时该第一类型的传感 器可以被第二类型的传感器替换，而不必更换该发动机控制设备或者重新输入数据。反 过来也同样是适合的，也即在把第二类型的传感器替换为第一类型的传感器时，其方式 是，以所述的方式相应给进行替换的或新的传感器分配一个电子电路。该第一类型的以及第二类型的传感器比如可以是一种氧探测器，尤其是宽带拉 姆达探测器，是氮氧化合物传感器、温度传感器、压力传感器或者空气流量传感器或空 气流量测量仪。尤其优选该第一类型的传感器是具有能斯脱浓度单元和泵单元的、按照 所谓二单元原理(Zweizeller-Prinzip)(类型B)的宽带拉姆达探测器，该第二类型的传感 器是具有唯一一个浓度单元的、按照所谓一单元原理(Einzeller-Prinzip)(类型A)的宽带 拉姆达探测器。此外第一类型的传感器以及第二类型的传感器也可以是一种类型、比如 类型B或类型A的传感器，其比如以不同的特性曲线或不同的驱动参数和/或信号参数 而被驱动。通过分配一电子电路，根据本发明能够相互更换或替换不同类型的不同传感
ο在本发明的电路装置的一个优选实施方案中，所述至少一个电子电路用于改变 新传感器或宽带拉姆达探测器的输出信号，和/或用于改变新宽带拉姆达探测器的特性 曲线或泵电流-拉姆达特性曲线，从而模拟要替换的宽带拉姆达探测器或其输出信号。 相应地比如也可以使用氮氧化合物传感器，其能够利用不同的运行方式或不同的特性曲 线来运行，或者通过分配电子电路而能够相互更换。通过采用根据本发明的电子电路， 从而比如在采用类型B的宽带拉姆达探测器时来模拟类型A的拉姆达探测器，其中类型 B的宽带拉姆达探测器在车辆修理或维护时被安装，类型A的拉姆达探测器最初被安装 了。由此在车辆修理或维护时可以把类型A的宽带拉姆达探测器更换为类型B的宽带拉 姆达探测器，而不必更换发动机或外部发动机控制设备或重新输入数据。反过来也同样 是适合的，也即在把类型B的探测器更换为类型A的探测器，其方式是，优选相应地给 进行替换的或新的宽带拉姆达探测器以所述的方式来分配一个电子电路。相应地，可以 把类型A的或B的探测器更换为另一种类型A或B的探测器。该电子电路尤其如此来实现，使得新传感器的实际输出信号、比如新拉姆达探 测器的探测器电压体现为该电子电路的输入信号，以及在其布线时通过该电路而改变的 信号形成新拉姆达探测器的输出信号，其中该输出信号被输入到一个控制设备中，从而原有探测器的输出信号被模拟。该电子电路可以作为比如在控制设备中的电路或者作为模拟该电路的程序来实 现。在本发明的电路装置的一个优选扩展方案中，首先形成在该探测器电压与可预 先给定的电压之间的一个电压差。该电压差优选被放大，并接着乘以一个恒定的系数或 者进行转换。新探测器的输出信号的这种变化通过相应的电路单元来实现。由此，体 现探测器的电压与泵电流之间关系的、新探测器的特性曲线能够与被更换的探测器的相 应特性曲线相匹配，从而新探测器的泵电流在某种程度上被“转化”为被更换的探测器 的泵电流。在将以一定方式转换的值输入到被更换探测器的控制设备中时，该控制设备 能够校正地转换新探测器的值。用以转换被放大电压差的系数取决于相应特性曲线的特 性。比如如果被更换探测器的特性曲线的斜率与新探测器的斜率相反，那么该系数可以 具有负符号。为了实现该电路装置，该电路装置包含有不同的电子元件，尤其是运放、晶体 管和电阻，比如可调或可微调电阻。尤其有利的是，为了均衡不同探测器的特性曲线，可以通过该电子电路、尤其 通过相应设计的电阻来进行电流平衡。为了进行电流平衡，另外还可以使用压控电流 源。在本发明的电路装置的一个优选扩展方案中，该电子电路设置于插头中、插头 上、在线缆束中和/或线缆束上。其比如可以设置在后来要使用的传感器的通用连接插 头壳体中。从而能够把新使用的传感器连同根据本发明的电子电路一起作为一个组件来 提供，该组件适于替换其他类型的或相同类型的具有其他特性曲线或其他运行和/或信 号参数的传感器。在该电路装置的另一优选实施方式中，该电子电路集成在传感器或探测器中， 其方式比如是该电子电路嵌入到探测器体中，以能够近似与相应控制设备无关地运行 该探测器。该实施方式尤其适于不必在高温度下运行的那些传感器。在本发明的电路装置的一个尤其优选的扩展方案中，设置有一个电子电路，该 电子电路不仅被设置用于改变该传感器的输出信号和/或特性曲线，而且用于运行该传 感器。该电子电路尤其包含有两个部分，其中该第一部分设置用于实际运行该传感器， 该第二部分用于改变该输出信号和/或特性曲线。这两个功能优选在一个唯一的电路中 来实现。在另一实施方式中设置有两个或更多单独的电路。本发明的电路装置尤其适于在使用宽带拉姆达探测器的情况下来检测氧浓度。 在其他实施方式中，该电路装置也适于比如检测在内燃机废气中的氮氧化合物，其方式 是，使用相应的氮氧化合物传感器。由此尤其能够更换具有不同运行方式的氮氧化合物 传感器比如按照还原原理的氮氧化合物传感器和按照滴定原理的氮氧化合物传感器，或 者可以相互更换具有不同特性曲线的氮氧化合物传感器。尤其在宽带拉姆达探测器中，还可以给该电路分配一个微处理器，用于调节该 探测器的加热，和/或用于补偿静态压力敏感度差别，以及在必要时分配大气压力传感器。本发明还包含有用于利用第一类型的传感器或第二类型的传感器来检测在内燃机废气中的物理测量量的方法。该方法的特征在于，通过至少一个电子电路来模拟相 应另一类型的传感器，以便由此实现不同类型的传感器的可更换性。比如可以由此通过 宽带探测器来检测在废气中的氧浓度，其中该宽带探测器或者具有按照所谓二单元原理 (类型B)的一个能斯脱浓度单元和一个泵单元，或者具有按照所谓一单元原理(类型A) 的唯一一个浓度单元。比如借助与Ip-拉姆达特性曲线的平衡来进行氧浓度的检测。该 宽带拉姆达探测器的输出信号和/或宽带拉姆达探测器的Ip-拉姆达特性曲线通过电子电 路来改变，使得比如能够从类型B的宽带探测器出发来模拟类型A的宽带探测器或者相 同类型的另一探测器，或者反过来。本发明的方法从而实现了类型A的宽带探测器与类 型B的宽带探测器的可更换性或相反，以及实现了相同类型的不同探测器的可更换性。 由此，比如能够把车辆中已安装的类型A的宽带探测器替换为类型B的宽带探测器，其 方式是给类型B的宽带探测器分配了电子电路，该电子电路改变该宽带探测器的输出信 号和/或特性曲线，使得模拟类型A的宽带探测器。为了作为相应其他传感器的泵电流 Ip关于气体浓度(上升或下降的探测器信号)的函数来模拟输出信号特征或特性曲线，优 选形成在该传感器的输出信号与可预先给定的电压之间的电压差。该信号优选被放大， 并利用一个恒定的系数而被转换。由此一个类型的特性曲线或泵电流能够被转换为另一 类型的泵电流。关于本发明方法的其他特征参见上文说明。另外本发明还包含有一种计算机程序，如果该计算机程序在计算设备或控制设 备上执行，那么该计算机程序就实施所述方法的所有步骤。最后本发明还包含有具有用 于实施该方法的相应程序代码的一种计算机程序产品。本发明的其他特征和优点参见下文结合实施例对附图的描述。在此不同的特征 可以单独地或相互组合地实现。
其中图1示出了具有所连接的控制设备的、按照一单元原理(类型A)的宽带拉姆达 探测器的示意性示图；图2示出了具有一个所属的本发明的电子电路和一个所连接控制设备的、按照 二单元原理(类型B)的宽带拉姆达探测器的示意性示图；图3(A)示出了类型B探测器和类型A探测器的特性曲线；图3(B)作为电路框图示出了根据本发明的示例电子电路；图4示出了用于实现图3(B)的电子电路的示例电路装置；图5示出了按照二单元原理(类型B)的宽带拉姆达探测器的示意性示图，其 被用作类型A探测器，并具有根据本发明的所属电子电路的另一例子和所连接的控制设 备，以及图6示出了用于实施图5的电路的一个示例电子电路。
具体实施例方式图1以示意性方式示出了按照一单元原理(类型A)的一种宽带拉姆达探测器 10，其通常被连接到控制单元12或控制设备上。该宽带拉姆达探测器10包含有唯一一个浓度单元110，通过该浓度单元利用泵电压US从测量气室中泵出扩散入的氧气。电流 Ip被检测，该电流体现为氧浓度的一个尺度，其中该氧浓度借助Ip特性曲线而被确定。 在控制单元12中来进行泵电流测量和分析，其中该控制单元12包含有类型A的专用电路 (ASIC) 13和微处理器14。该宽带探测器10构造有加热装置130，该加热装置利用电池 电压U—Batt来运行，并通过内阻测量Ri而被调节。图2作为电路框图以示意性方式示出了如何把如在图1中所示的按照一单元原理 的宽带拉姆达探测器替换为另一探测器、尤其是按照二单元原理(类型B)的宽带拉姆达 探测器20，其方式是，该宽带拉姆达探测器20的分析处理电路22的输出信号UA通过电 子电路25被改变，使得离开该电路25的信号US或者说在端子US-和US+上的电压特 征模拟类型A的探测器的输出信号，并且所模拟的信号可以被输入到类型A的探测器的 控制单元12中。类型B的探测器20包含有外部泵电极APE和内部泵电极IPN，通过所 述电极来给泵单元210提供电压，并从而保证了在测量气室中恒定的测量气体组成，也 即拉姆达=1(探测器电压=450mV)。借助与该能斯脱浓度单元220上参照电极RE上 参照电压的比较来进行该泵电流Ip的调节。所需的泵电流Ip被分析处理为输出信号。 在该控制单元22中或在具有类型B专用电路(ASIC) 23和类型B探测器微处理器24的分 析处理电路中来进行所述分析处理。通过该微控制器24来调节该探测器20的加热装置 230。为了分析处理探测器信号，不仅在类型A的探测器中，而且在类型B的探测器 中都采用相应的Ip-拉姆达特性曲线作为该泵电流Ip关于气体浓度的函数。但是由于相 互不同的测量原理，这两个探测器类型的输出信号是不可更换的。因而，根据本发明设 置了 一个电子电路25，该电子电路25改变类型B探测器20的和/或探测器20的输出信 号UA的Ip-拉姆达特性曲线，使得类型A探测器10的分析处理信号被模拟，使得从而 该类型B宽带拉姆达探测器20可以替换类型A宽带拉姆达探测器，而不必更换原有的控 制单元12、尤其该发动机控制设备或者重新输入数据。优选地，具有单独接地0的电子电路25如此来实施，使得能够运行不同类型的 更换探测器，并且作为输出信号来输出不同类型的Ip-拉姆达特性曲线，其中所属的参数 可以通过该电子电路的编程来调节，使得不必进行该电子电路25的硬件改变。为了匹配 不同的探测器类型或传感器，优选地可以设置一个或多个可调电阻。在本发明电路装置的一个优选扩展方案中，该电子电路25如此来实施，使得要 更换的探测器10的所有相关运行参数比如内阻Ri正确地被模拟，从而在该电子电路25 所连接的控制单元12(控制设备)中的诊断功能不把具有电子电路25的更换探测器20识 别为错误的，并利用对其兼容的运行参数来运行该更换探测器20。为了平衡不同传感器的不同功率需求，规定把新探测器的加热装置230的端子 H-连接到被更换探测器的控制设备12的为H-而设置的输入上。被更换探测器的加热装 置可以通过一个相应构造的电阻而被模拟，其中该电阻相当于该加热装置的内阻Ri，该 电阻模仿该传感器的足够高的温度，从而该传感器20的加热装置230不受该控制设备12 中所设置的加热电路来控制。图3(A)在左侧示出了按照二单元原理(类型B)的宽带拉姆达探测器的典型特 性曲线，其反映了在该探测器信号UA或气体浓度与泵电流Ip之间的关系。其右侧示出
7了按照一单元原理(类型A)的宽带拉姆达探测器的典型特性曲线。根据本发明的电子电 路把类型B的探测器的探测器信号UA以如下方式来改变使得模拟类型A的探测器的 输出信号US，并且该输出信号可以由类型A的探测器的控制设备来分析处理，使得能够 正确检测在内燃机废气中的氧浓度。图3(B)作为电路框图示出了用于把类型B的探测器的探测器信号UA转换为类 型A的探测器的输出信号US的电子电路的例子。UA代表新探测器的分析处理电路的输 出信号。在该输出电压UA与可预先给定的电压之间形成一个差值，该差值通过该差动 放大器31而被放大。在该例子中所示的1.5V的可预先给定的电压所基于的是在1.5V 的电压情况下拉姆达=1的情况下电流Ip = 0，如在图3(A)中所示的类型B的探测器的 特性曲线所示。另外图3(B)还示出了利用一个系数、比如系数-0.27来对放大的电压差 进行转换的示意性实现，该转换用于模拟原有类型A的探测器的不同特性曲线。在此， 通过压控电流源305和306来控制相应方向上的电流。通过高欧姆的、比如IM欧姆的电 阻307来针对端子US-进行电流平衡，使得为被更换探测器的控制设备提供合适的US-/ US+。图4示出了图3(B)电路的一种示例实现，其用于从类型B探测器20的分析处理 电路22的输出电压UA出发来模拟类型A探测器的探测器信号US-/US+。在输出信号 UA与比如1.5V的可预先给定的电压之间电压差的放大通过差动放大器来进行，其中该 差动放大器通过三个运放401、402、403来构成。该差值信号UAdiff通过另一运放404 并通过两个晶体管405和406根据浓混或稀混的废气而被改变，使得类型A探测器的输出 信号US-/US+或者类型A探测器的电压特征被模拟。为了不干扰端子US-，在该端子 前连接了一个高欧姆的、比如IM欧姆的电阻R3。通过运放401、402、403所构成的差动放大器来放大在输入电压UA与通过分压 器预先给定的、比如为1.5V的电压之间的电压差，其中该分压器由电阻R6和R4构成。 该电压差施加在具有两个晶体管405和406的第二电路部分上，该第二电路部分基本模拟 了浓混的(fett)泵电流的和与之相反的稀混的(mager)泵电流的泵电流源。这些泵电流 源通过在运放404之后的两个晶体管电路部分来构成，其中这两个晶体管电路部分包含 有两个晶体管405和406 (NPN晶体管Ql和PNP晶体管Q2)。从而在电流为0时(拉姆 达=1)在该压控电流源405和406的共同发射极407上具有比如1.8V，使得在探测器的 两个端子US-和US+的输出上产生相应于被更换传感器10的电压特征的电压特征。图5示出了电子电路250的另一例子，其中该电子电路改变具有一个泵单元210 和一个能斯脱浓度单元220的另一类型B探测器200的输出信号，使得模拟被探测器200 替换的类型A探测器的输出信号。在此该类型B探测器200在一定程度上作为类型A探 测器、也即作为一单元的来连接，其方式是外部泵电极APE连接到风道(Luftkanal)。作 为一单元而连接的类型B探测器200的输出信号被输入到该电子电路250中。该信号根 据浓混或稀混的废气通过两个电流源505和506而被平衡，使得应该被替换的另一类型A 探测器的探测器信号US-/US+被模拟，并能够被输入到另一类型A探测器的控制设备12 中。在此基本上该电流被降低，并通过浓混函数和稀混函数而与原有探测器的电流相匹 配。在此其优点是，在该配置中在必要时可以省略新传感器的微处理器。图6示出了图5的电子电路250的示例构造，其具有运放601至605和晶体管606和607。在该电路中，与图4所示的电路相比，前接于晶体管并作为积分器而连接的 该运放被替换为两个运放。
权利要求
1.一种用于利用第一类型的传感器或第二类型的传感器来检测内燃机废气中物理测 量量的电路装置，其特征在于，给第一类型的传感器或第二类型的传感器分配了至少一 个电子电路(25 ； 250)以模拟相应另一类型的传感器。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，该第一类型的传感器和第二类型的 传感器是氧探测器、氮氧化合物传感器、温度传感器、压力传感器或空气流量传感器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电路装置，其特征在于，该第一类型的传感器 是具有能斯脱浓度单元(220)和泵单元(210)的宽带拉姆达探测器(20 ； 200)，该第二类 型的传感器是具有一个唯一的浓度单元(110)的宽带拉姆达探测器(10)。
4.根据前述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于，所述至少一个电子电路 (15； 250)被设置用于改变该传感器的、尤其是宽带拉姆达探测器的输出信号，和/或特 性曲线、尤其是泵电流-拉姆达特性曲线。
5.根据权利要求4所述的电路装置，其特征在于，通过改变具有能斯脱浓度单元 (220)和泵单元(210)的宽带拉姆达探测器(20 ； 200)的、或者具有唯一一个浓度单元 (110)的宽带拉姆达探测器(10)的泵电流-拉姆达特性曲线，能够或者模拟具有唯一一个 浓度单元(110)的宽带拉姆达探测器(10)，或者模拟具有能斯脱浓度单元(220)和泵单元 (210)的宽带拉姆达探测器(20 ； 200)。
6.根据权利要求4或5所述的电路装置，其特征在于，通过在探测器电压和能预先给 定的电压之间形成电压差、放大该电压差以及利用恒定的系数进行转换，来对该传感器 的输出信号和/或特性曲线进行改变。
7.根据前述权利要求4至6之一所述的电路装置，其特征在于，通过电流平衡来进行 传感器输出信号和/或特性曲线的改变。
8.根据前述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于，该电子电路(25;250)被 设置于插头内、插头上、传感器的线缆束内和/或线缆束上，和/或该电子电路集成在该 传感器中。
9.根据前述权利要求之一所述的电路装置，其特征在于，该电子电路(25;250)被 设置不仅用于模拟相应另一类型的传感器(10)，而且用于运行该传感器(20 ； 200)。
10.一种用于利用第一类型的传感器或第二类型的传感器来检测在内燃机废气中物理 测量量的方法，其特征在于，通过至少一个电子电路(25; 250)来模拟相应另一类型的 传感器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，为了模拟相应另一类型的传感器，在 该探测器电压与能预先给定的电压之间形成电压差，将该电压差放大，并利用恒定的系 数来进行转换。
12.—种计算机程序，如果其在计算机设备或控制设备上运行，那么就实施根据权利 要求10或权利要求11所述的方法的所有步骤。
13.—种计算机程序产品，存储在机器可读的载体上，其用于当该程序在计算机或控 制设备上执行时实施根据权利要求10或11所述的方法。
全文摘要
本发明涉及用于检测物理测量量的电路装置。本发明提供了用于利用第一类型的传感器或第二类型的传感器来检测内燃机废气中物理测量量的电路装置。该电路装置的特征在于，给第一类型的传感器或第二类型的传感器分配了至少一个电子电路(25)以模拟相应另一类型的传感器。
文档编号G01N27/417GK102012396SQ20101027176
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月3日
发明者A·托梅, H·希克莱因, J·威尔德, L·迪尔, T·塞勒 申请人:罗伯特.博世有限公司