Brevet FR2731470A1 — publié le 19960913

" Circuit de préparation d'un signal de capteur de mesure qui délivre un signal dépendant de la température " Etat de la technique. L'invention concerne un circuit pour préparer le signal d'un capteur de mesure avec les conditions addi- tionnelles suivantes: Le capteur de mesure délivre un signal qui dé- pend fortement de la température et qui n'a de significa- tion que quand il est dans un état de fonctionnement chaud. Le circuit doit en conséquence permettre de détecter si le capteur est prêt à fonctionner. En outre il peut se produire entre le capteur de mesure et une unité de retraitement des différences de potentiel par rapport à la masse. On doit pouvoir éliminer ces différences par la formation simple de la différence. En outre, le signal délivré par le circuit de préparation doit être alors aussi positif, quand le signal du capteur de mesure est négatif par rapport à un potentiel de réfé- rence. En outre, le signal préparé doit permettre d'avoir des répercussions sur des défauts déterminés du circuit, par exemple une mise à la masse ou un court- circuit de la ligne du signal du capteur de mesure par rap- port à la tension de la batterie. Une sonde dans les gaz d'échappement affectée quant à son potentiel, telle que celle que l'on utilise pour la régulation de la composition du mélange destiné à un moteur à combustion interne dans des véhicules automobi- les, constitue un exemple typique d'application pour le circuit de préparation selon l'invention. On connaît par exemple un circuit de prépara- tion utilisé dans cet environnement technique par le brevet US 4 526 147. Le circuit utilisé dans ce cas remplit les conditions indiquées ci- dessus entre autres à l'aide de composants actifs tels que des amplificateurs d'opération. La présente invention a pour objet d'indiquer un circuit d'exploitation formé de composants passifs, qui conduisent sans perte de précision par rapport à des cir- cuits actifs existants à une réduction de l'encombrement du circuit et de cette façon aux coûts correspondants. L'invention résout ce problème avec un circuit caractérisé en ce qu'il comprend: - une source de contre tension, dont le pôle moins est re- lié au raccord à la masse de la sonde lambda et avec, - un réseau de composants passifs, en ce qu'il divise la différence de potentiel entre le rac- cord du signal de la sonde lambda et le pôle plus de la source de contretension dans un rapport prédéfini, et en ce qu'il retransmet le potentiel divisé ainsi qu'un poten- tiel proportionnel au potentiel du pôle plus de la source de contretension sans interposition de composants actifs à un moyen de numérisation. Selon d'autres caractéristiques de l'inven- tion: - le potentiel divisé et le signal proportionnel au poten- tiel du pôle plus de la source de contre-tension sont ap- pliqués à différentes entrées d'un moyen servant à la numérisation. - le potentiel divisé et le signal proportionnel au poten- tiel du pôle plus de la source de contre-tension, décalés dans le temps, sont appliqués à la même entrée d'un moyen servant à la numérisation. - la ou les entrées du moyen servant à la numérisation sont accouplées de façon capacitive à un potentiel de masse de référence. - le moyen pour diviser la différence de potentiel consiste en un montage en série de résistances ohmiques, entre lesquelles on prélève la partie de la différence de po- tentiel retransmise au moyen qui sert à la numérisation. - la résistance globale du montage en série atteint 10 à kiloohms. - la résistance globale correspond environ à la résistance interne de la sonde lambda quand elle a atteint sa tempé- rature de fonctionnement. - la valeur des résistances partielles du montage en série correspond respectivement à la moitié environ de la ré- sistance globale du montage en série. - la liaison entre le pôle plus de la source de contre- tension et l'entrée du moyen servant à la numérisation, qui est utilisé pour déterminer la contre-tension, pré- sente une résistance ohmique avec une valeur, qui corres- pond à la résistance d'un montage en parallèle des résistances ohmiques du montage en série mentionné. - les deux capacités, qui sont utilisées lors de l'utilisa- tion de deux entrées par des moyens servant à la numéri- sation, sont ajustées aux valeurs de résistance de la liaison entre le pôle plus de la source de contre-tension et l'entrée du moyen qui sert à la numérisation sur l'un des côtés et sur un montage en parallèle des résistances ohmiques du montage en série mentionné en ce que sur les deux entrées du moyen servant à la numérisation règnent de façon dynamique des conditions ou des oscillations identiques de la différence de potentiel entre le poten- tiel de masse de référence et le potentiel du pôle moins de la sonde lambda. - les deux capacités qui sont nécessaires lors de l'utili- sation de deux entrées de moyens servant à la numérisa- tion présentent la même valeur. Par rapport aux solutions connues le circuit selon l'invention présente relativement moins de composants et des composants largement passifs, ce qui procure en soi un avantage en ce qui concerne le coût et la fiabilité du circuit. La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un mode de réalisation représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre l'environnement technique de l'invention et, - les figures 2 à 5 révèlent différentes réali- sations techniques de circuit de l'invention. Les mêmes ré- férences représentent sur les figures les mêmes composants. La référence 1 à la figure 1 désigne une sonde pour gaz d'échappement 1 dans le tuyau d'échappement 2 d'un moteur à combustion 3 avec pipe d'admission 2.1. Différents signaux d'entrée sont amenés à un appareil de commande 4, par exemple au sujet de l'alimentation Q, de la vitesse de rotation n et de la température T du moteur à combustion interne ainsi qu'un signal sur le potentiel par rapport à la masse UM à l'endroit de la sonde pour les gaz d'échappe- ment et le signal UL de la sonde des gaz d'échappement. En partant de ces signaux, l'appareil de commande forme des signaux de sortie ti,... qui servent à commander et à ré- gler des fonctions du moteur à combustion interne telles que l'allumage, la formation du mélange, ou autres. La ré- férence 5 désigne un potentiel de référence de masse, qui correspond, dans ce qu'on appelle des concepts de masse de carrosserie, au potentiel de la carrosserie. La référence 9 désigne la masse du moteur. Du fait des courants électri- ques qui s'écoulent entre le moteur à combustion interne et la carrosserie un potentiel de masse 5.1 couplé au moteur à combustion interne présente un décalage de masse variable UM par rapport au potentiel de masse de référence 5. De tels courants s'écoulent par exemple en liaison avec l'allumage, la commande des injecteurs, le démarrage du moteur à combustion interne ou la charge de la batterie du véhi- cule. Dans le cas présenté le décalage de masse UM se rap- porte à l'endroit de l'insertion de la sonde des gaz d'échappement dans le tuyau d'échappement 2. Le potentiel Um qui existe à cet endroit sur le raccordement à la masse de la sonde est ensuite envoyé au moyen de la liaison dési- gnée par UM au raccordement 6 de l'appareil de commande, tandis que le potentiel proprement dit UL du signal est re- transmis par l'intermédiaire de la liaison désignée par UL à un raccord 7 de l'appareil de commande. La figure 2 montre un exemple de réalisation du réseau selon l'invention. Le point du circuit désigné par la référence 8 correspond au pôle plus d'une source de ten- sion, défini par la prise du milieu sur un diviseur de ten- sion formé par les résistances Rl, R2 entre une tension d'alimentation (par exemple de 5V) et le potentiel de la masse de la sonde des gaz d'échappement. Sur ce pôle plus, dont le potentiel se trouve par exemple à environ 450 mV au-dessus d'Um, se trouve un diviseur de tension, qui est réalisé par un montage en série se composant des résistan- ces R3 et R4 et qui est relié par l'intermédiaire du rac- cord 7 au potentiel du signal de la sonde des gaz d'échappement. Les résistances R3 et R4 forment de cette façon un moyen de diviser une différence de potentiel, réa- lisé sous la forme d'un montage en série de résistances oh- miques. Elles sont dimensionnées de telle façon, que leur résistance globale correspond à la résistance interne de la sonde lambda quand la sonde lambda a atteint sa température de fonctionnement (10 à 100 kiloohms). La valeur des résis- tances partielles du montage en série correspond à la moi- tié de la résistance globale du montage en série. La prise du milieu 9 de ce montage en série constituant un diviseur de tension se trouve à une première entrée 10 d'un moyen 12 qui sert à numériser (convertisseur AD), qui est relié au potentiel de la masse de référence de façon capacitive par l'intermédiaire d'un condensateur Cl. La tension entre l'entrée 10 et le potentiel de la masse de référence est désignée par U2. Le potentiel au pôle plus 8 est mis par l'intermédiaire d'une résistance R5 sur une seconde entrée 11 du moyen servant à numériser. La résistance R5 est de façon avantageuse dimensionnée de telle façon que sa résis- tance correspond à la résistance d'un circuit en parallèle composé des résistances R3 et R4. L'entrée 11 est reliée de façon capacitive par l'intermédiaire d'un condensateur C2 au potentiel de masse de référence. La tension entre l'en- trée 11 et le potentiel est désignée par U1. Dans l'ordinateur 13 on retraite le signal nu- mérisé, il peut s'agir dans ce cas d'un microprocesseur sé- paré tel qu'un microcontrôleur, dans lequel et intégré le convertisseur AD. Le réseau représenté remplit les exigences men- tionnées au début d'un circuit de préparation. Des compo- sants individuels remplissent dans ce cas plusieurs fonctions. C'est ainsi par exemple que par l'intermédiaire de la prise du milieu du montage en série composé des ré- sistances R3 et R4, on prépare une contre-tension typique du circuit servant à la tension de signal de la sonde des gaz d'échappement et que l'on rend ainsi possible une dé- tection fiable de l'aptitude de la sonde à fonctionner en passant du froid au chaud. Si les résistances et les con- densateurs sont dimensionnés, de telle façon que R3 = R4, R1/R2 = 10/1 et que la condition Ri parallèle à R2 sensi- blement plus petit que R3 + R4 soit remplie, on a alors quand la sonde est chaude, c'est-à-dire quand la résistance interne de la sonde est petite (environ 100 Ohms), avec une très bonne approximation la formule suivante pour le signal UL, compris entre 75 mV et 1V de la sonde des gaz d'échap- pement. UL1 = 2U2 - 2,lUl = 500 mV En d'autres termes: le signal UL peut être calculé quand la sonde est chaude par la formation simple de la différence entre les tensions aux entrées 10 et 11 des deux entrées 10 et 11 du convertisseur AD. Quand la sonde des gaz d'échappement est froide (UL2) avec une ré- sistance de l'ordre du mégaohm Ul devient égal à U2, de telle sorte que l'on peut déduire de UL que la sonde des gaz d'échappement n'est pas prête à fonctionner. Dans ce cas, on forme une tension de remplacement UL2 selon l'équa- tion ci-après: UL2 = (UM + 500 mV) / 1,1 Pour avoir l'assurance d'obtenir de façon dyna- mique les mêmes conditions aux deux entrées du convertis- seur AD en ce qui concerne les oscillations du déplacement de la masse UM, on choisit les résistances R3 et R4 de telle façon que la valeur de leur montage en parallèle cor- responde dans une large mesure à la valeur de la résistance R5. En outre, on ajuste les capacités Cl et C2 aux valeurs de résistance de la liaison entre le pôle plus de la source de tension opposée et l'entrée du moyen qui sert à numéri- ser sur l'un des côtés et un montage en parallèle des ré- sistances ohmiques du montage en série mentionné, de telle façon que sur les deux entrées du moyen servant à numériser il règne de façon dynamique les mêmes conditions en ce qui concerne les oscillations de la différence de potentiel en- tre le potentiel de masse de référence et le potentiel du pôle moins de la sonde lambda. Dans le cas représenté les deux capacités présentent les mêmes valeurs. Un élément RC se composant du condensateur Cl et de la résistance R5 pos- sède alors la même constante de temps qu'un élément RC se composant des résistances R3 et R4 en parallèle et du con- densateur C2, ce qui a pour conséquence d'obtenir le même comportement dans le temps recherché aux entrées du conver- tisseur AD. Grâce au même comportement dans le temps on a l'assurance que même dans le cas de décalages dynamiques de la masse on détecte correctement ce signal différentiel. En outre, l'intervalle dans le temps entre les deux convertis- seurs AD doit être maintenu petit par rapport à la cons- tante de temps RC. L'exemple de réalisation selon la figure 3 se différencie de celui de la figure 1 par une résistance sup- plémentaire R6 entre les résistances Ri et R2. La somme des résistances R2 et R6 correspond dans ce cas à peu près à la valeur de la résistance R2 de la figure 1. Par cette modi- fication on simplifie la règle de calcul d'UL à la condi- tion d'avoir Ri en parallèle à R2 + R6 sensiblement plus petit que R4 + R5 environ quand la sonde est chaude. UL1 = 2 x (U2 - Ul), ce qui par un algorithme plus simple procure l'avantage d'avoir un temps de calcul raccourci dans l'ordinateur 13. Un autre exemple de réalisation est représenté à la figure 4. A la différence des exemples précédents on utilise ici pour préparer une contre-tension UGS typique du circuit une source de tension constante G existant de toute façon dans l'appareil de commande. La tension UL1 d'une sonde (chaude) de gaz d'échappement 1 s'obtient en suppo- sant que R3 _ R4 dans cet exemple de réalisation par la formule suivante: UL1 = 2 * (U2 - U1) + UGS La représentation en tirets avec une seconde sonde additionnelle de gaz d'échappement la montre en outre la capacité d'extension sans problème du système aux systè- mes à sondes multiples. L'index a désigne à la figure 4 l'itinéraire du circuit appartenant à une deuxième sonde de gaz d'échappement 2a. La tension U2a à l'entrée du conver- tisseur AD l0a s'obtient dans ce cas de façon analogue à la tension U2 à l'entrée du convertisseur AD 10. De façon cor- respondante on obtient UL pour la seconde sonde (chaude) de gaz d'échappement par la formule suivante. UL2 = 2 * (U3 - Ul) + UGS Une seconde sonde de gaz d'échappement est uti- lisée par exemple dans le cas de régulations séparées du facteur lambda pour différentes rangées de cylindres d'un moteur en V. La figure 5 montre un autre exemple de réalisa- tion de l'invention, dans le cas duquel le retraitement si- multané des tensions Ul, U2 par l'intermédiaire de plusieurs entrées de convertisseurs AD à partir des exem- ples de réalisation précédents est remplacé par un retrai- tement cyclique dans le temps par l'intermédiaire d'une seule entrée de convertisseur AD. Pour cela on ouvre ou on ferme l'interrupteur S commandé par l'ordinateur 13. La tension Ul de la figure 5 correspond quand l'interrupteur S est fermé en tant que Ul_ fermée à la tension U2 de la fi- gure 2. Quand l'interrupteur S est ouvert U1 de la figure 5 correspond en tant que Ul_ ouvert à la tension U1 de la fi- gure 2. Quand la sonde est chaude et l'interrupteur S ou- vert on a, à condition que R1/R2 = 10/1 et que R1 monté en parallèle à R2 soit sensiblement plus petit que R3 + R4, pour le décalage de masse UM selon ce circuit l'équation suivante: UM = 1,1 * Ul ouvert = 500 mV Quand l'interrupteur S est fermé on a comme tension lambda Ul_ fermé une valeur correspondant à la ten- sion U1 de la figure 2. Lors du prélèvement on doit attendre que soit écoulé le temps d'inversion de la charge et prendre égale- ment en considération les différentes constantes de temps. Pour une sonde de gaz d'échappement chaude on obtient UL1 dans cet exemple de réalisation par la formule suivante: UL1 = * Ul fermé - 2,1 * U1l ouvert + 500 mV Quand la sonde est froide on a par analogie avec la figure 1 une tension lambda de remplacement donnée par la formule suivante: UL2 = (UM + 500 mV) / 1,1. R E V E N D I C A T I ONS 1) Circuit de préparation du signal UL d'une sonde lambda caractérisé en ce qu'il comprend: - une source de contre tension, dont le pôle moins est re- lié au raccord à la masse de la sonde lambda et avec, - un réseau de composants passifs, en ce qu'il divise la différence de potentiel entre le rac- cord du signal de la sonde lambda et le pôle plus de la source de contretension dans un rapport prédéfini, et en ce qu'il retransmet le potentiel divisé ainsi qu'un poten- tiel proportionnel au potentiel du pôle plus de la source de contretension sans interposition de composants actifs à un moyen de numérisation. 2) Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le potentiel divisé et le signal propor- tionnel au potentiel du pôle plus de la source de contre- tension sont appliqués à différentes entrées d'un moyen servant à la numérisation. 3) Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le potentiel divisé et le signal propor- tionnel au potentiel du pôle plus de la source de contre- tension, décalés dans le temps, sont appliqués à la même entrée d'un moyen servant à la numérisation. 4) Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la ou les entrées du moyen servant à la numérisation sont accouplées de façon capacitive à un potentiel de masse de référence. ) Dispositif selon la revendication 4, carac- térisé en ce que le moyen pour diviser la différence de po- tentiel consiste en un montage en série de résistances ohmiques, entre lesquelles on prélève la partie de la dif- férence de potentiel retransmise au moyen qui sert à la nu- mérisation. 6) Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la résistance globale du montage en série atteint 10 à 100 kiloohms. 7) Dispositif selon la revendication 5, carac- térisé en ce que la résistance globale correspond environ à la résistance interne de la sonde lambda quand elle a at- teint sa température de fonctionnement. 8) Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la valeur des résistances partielles du montage en série correspond respectivement à la moitié environ de la résistance globale du montage en série. 9) Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé en ce que la liaison entre le pôle plus de la source de contre-tension et l'entrée du moyen servant à la numéri- sation, qui est utilisé pour déterminer la contre-tension, présente une résistance ohmique avec une valeur, qui cor- respond à la résistance d'un montage en parallèle des ré- sistances ohmiques du montage en série mentionné. ) Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé en ce que les deux capacités, qui sont utilisées lors de l'utilisation de deux entrées par des moyens ser- vant à la numérisation, sont ajustées aux valeurs de résis- tance de la liaison entre le pôle plus de la source de contre-tension et l'entrée du moyen qui sert à la numérisa- tion sur l'un des côtés et sur un montage en parallèle des résistances ohmiques du montage en série mentionné en ce que sur les deux entrées du moyen servant à la numérisation règnent de façon dynamique des conditions ou des oscilla- tions identiques de la différence de potentiel entre le po- tentiel de masse de référence et le potentiel du pôle moins de la sonde lambda. 11) Dispositif selon la revendication 8, carac- térisé en ce que les deux capacités qui sont nécessaires lors de l'utilisation de deux entrées de moyens servant à la numérisation présentent la même valeur.