(57)【要約】本発明による雑音補償付きガス測定装置は、作動開始後すぐに、高い測定精度を提供する。そのために、ガス測定装置は、雑音成分を有することのあるガス濃度に依存した測定信号（Ｓ１）を形成するガスセンサを有している。このガスセンサには、限界周波数の調整可能なハイパスフィルタ（１３）が後置接続されている。なお、限界周波数は選択ユニットにより雑音成分に依存して設定可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
雑音成分を有することのあるガス濃度に依存した測定信号（Ｓ１）を形成するガスセンサを備えた雑音補償付きガス測定装置において、
前記ガスセンサには、限界周波数の調整可能なハイパスフィルタ（１３）が後置接続されており、前記限界周波数は選択ユニットにより雑音成分に依存して設定可能である、ことを特徴とするガス測定装置。
【請求項２】
評価ユニットと前記ガスセンサ（１）との間に接続されたローパスフィルタ（５）が設けられている、請求項１記載のガス測定装置。
【請求項３】
前記評価ユニットと前記ローパスフィルタ（５）との間に計算ユニット（６）が接続されており、該計算ユニットは前記ローパスフィルタ（５）からのフィルタ出力信号（Ｓ５）の勾配（Ｓ’）の計算のために設けられている、請求項２記載のガス測定装置。
【請求項４】
前記選択ユニットは、出力側で前記ハイパスフィルタ（１３）の制御入力側（１３．１）と接続されており、フィルタ出力信号（Ｓ５）の勾配（Ｓ’）に基づいて値が選択可能であるように形成されており、前記ハイパスフィルタ（１３）の限界周波数は上記値により調整可能である、請求項１から３のいずれか１項記載のガス測定装置。
【請求項５】
前記選択ユニットは、センサ値と目標値との間の差が限界値を超えているときには第１のフィルタ値が設定可能であり、センサ値と目標値との間の差が所定の範囲内にあるときには第２のフィルタ値が設定可能であり、センサ値が目標値と一致するときには第３のフィルタ値が設定可能であるように、形成されている、請求項１から４のいずれか１項記載のガス測定装置。
【請求項６】
前記第１、第２、及び第３のフィルタ値は時定数（ＴＨ）である、請求項５記載のガス測定装置。
【請求項７】
前記ハイパスフィルタ（１３）にコンパレータ（３）が後置接続されている、請求項１から６のいずれか１項記載のガス測定装置。
【請求項８】
前記ガスセンサ（１）はＳｎＯ２ガスセンサである、請求項１から７のいずれか１項記載のガス測定装置。
【請求項９】
前記ガスセンサ（１）は、窒素酸化物を測定することができるように形成されている、請求項１から８のいずれか１項記載のガス測定装置。
【請求項１０】
雑音成分を有することのあるガス濃度に依存した測定信号（Ｓ１）をガスセンサ（１）により形成するようにした雑音補償付きガス測定方法において、
限界周波数の調整可能なハイパスフィルタ（１３）により前記測定信号（Ｓ１）をフィルタリングし、その際、前記限界周波数は選択ユニットにより雑音成分に依存して設定可能である、ことを特徴とする雑音補償付きでガス測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雑音成分を有することのあるガス濃度に依存した測定信号を形成するガスセンサを備えた雑音補償付きガス測定装置と、雑音成分を有することのあるガス濃度に依存した測定信号をガスセンサにより形成するようにした雑音補償付きガス測定方法とに関する。
【０００２】
技術の状況
ガス濃度の測定、特に一酸化炭素ＣＯ、窒素酸化物ＮＯ、及び炭化水素ＣｘＨｙの濃度の測定のために、自動車分野では低コストのゆえに半導体センサが使用されている。半導体センサの多くはＳｎＯ２に基づいた導電率センサである。測定結果は例えば自動車の循環空気調整弁を開閉するために使用することができる。
【０００３】
上記センサは低コストである他に測定すべきガスに対する感度の良さでも優れている。しかし、不利なことに、これらのセンサは信号評価を困難にする一連の交叉効果も有している。例えば一酸化炭素のような還元ガスは半導体センサの導電率の上昇の原因となる。これに対して、例えば窒素酸化物のような酸化ガスは半導体センサの導電率の低下の原因となる。加えて、ＳｎＯ２半導体センサの表面における強い吸水性は妨害となる交叉効果をもたらす。結合水はガスを感知するＳｎＯ２層の導電率を著しく高める。感知ＳｎＯ２層に吸着する水の量は著しく温度に依存している。それとともに、ＳｎＯ２層の導電率の変化も強い温度依存性を示す。２００°Ｃより低い温度では、より高い温度のときよりも格段に多い量の水が半導体センサによって結合する。吸着する水の量はＴＤＳ測定によって示すことができる。一定の時間の後、吸着する水と脱着する水との間に温度に依存する平衡が生じる。温度が変化した場合、新たな平衡に達するまでの時定数はほんの数分から数時間までの間である。その際、時定数は以前からの環境条件に依存する。
【０００４】
この効果は、とりわけスイッチオン後のフェーズ又は半導体センサの動作中に、特に妨害作用を示す。
【０００５】
センサは数週間にわたって周囲温度に置かれると、この期間の間に、吸着する水と脱着する水との間でこの温度に有効な飽和の平衡が生じる。この平衡は以下では飽和平衡とも呼ばれる。センサによりガス測定を実行できるためには、センサはおよそ３３０°Ｃの動作温度に置かれる。３３０°Ｃの温度は貯蔵温度に比べて高いため、水は新たな飽和平衡が形成されるまで脱着することになる。このことは、この時間の間、ガス濃度が一定であっても導電率は連続的に低下するという結果をもたらす。このことから生じる導電率の低下は、ＮＯ濃度の大きな上昇により引き起こされるような導電率の変化と相関している。
【０００６】
このことは、新たな飽和平衡が生じるこの時間の間、ＮＯ濃度の測定に著しい測定誤差がともなうという結果を有している。
【０００７】
発明の説明
請求項１に示されている特徴を備えた本発明による雑音補償付きガス測定装置は、従来技術に比べて高い測定精度を提供する、それもガス測定装置が作動開始してすぐに、すなわちガス測定装置がスイッチオンされた直後に高い測定精度を提供するという利点を有している。これは、雑音補償付きガス測定装置に、雑音成分を有することのあるガス濃度に依存した測定信号を形成するガスセンサを設けることにより達成される。ガスセンサには、限界周波数の調整可能なハイパスフィルタが後置接続されている。なお、限界周波数は選択ユニットにより雑音成分に依存して設定可能である。
【０００８】
請求項１０に示されている特徴を備えた本発明による雑音補償付きガス測定方法は、従来技術に比べて、ガス測定装置がスイッチオンされた直後にすでに高い精度で測定を行うことができるという利点を有している。この方法はそのために以下のステップを有している。ガスセンサにより、雑音成分を有することのあるガス濃度に依存した測定信号を形成する。つづいて、限界周波数の調整可能なハイパスフィルタにより測定信号をフィルタリングする。なお、限界周波数は選択ユニットにより雑音成分に依存して設定される。
【０００９】
本発明の有利な発展形態は従属請求項に示されている特徴から明らかとなる。
【００１０】
本発明の１つの発展形態では、評価ユニットとガスセンサとの間に接続されたローパスフィルタが設けられている。
【００１１】
本発明の１つの発展形態では、評価ユニットとローパスフィルタとの間に計算ユニットが接続されている。この計算ユニットはローパスフィルタからのフィルタ出力信号の勾配の計算のために設けられている。
【００１２】
本発明のさらなる発展形態では、選択ユニットは、出力側で前記ハイパスフィルタの制御入力側と接続されており、フィルタ出力信号の勾配に基づいて値が選択可能であるように形成されており、ハイパスフィルタの限界周波数は上記値により調整可能である。
【００１３】
本発明によるガス測定装置の１つの実施形態では、選択ユニットは、センサ値と目標値との間の差が限界値を超えているときには第１のフィルタ値が設定可能であるように形成されている。さらに、第２のフィルタはセンサ値と目標値との間の差が所定の範囲内にあるときに設定可能である。最後に、第３のフィルタはセンサ値が目標値と一致するときには第３のフィルタ値が設定可能である。
【００１４】
本発明によるガス測定装置の別の実施形態では、第１、第２、及び第３のフィルタ値は時定数である。
【００１５】
有利には、本発明によるガス測定装置では、ハイパスフィルタにコンパレータが後置接続されている。これにより、フィルタリングされた信号を閾値と比較することができる。
【００１６】
本発明によるガス測定装置の発展形態においては、ガスセンサ（１）はＳｎＯ２ガスセンサである。
【００１７】
最後に、本発明によるガス測定装置のさらなる実施形態において、ガスセンサは、窒素酸化物を測定することができるように形成されている。
【００１８】
図面の簡単な説明
以下では、３つの図に基づいて本発明をより詳細に説明する。
【００１９】
図１は、信号伝達線図の形で、妨害の補償のための原理的な手法を示しており、
図２は、ブロック線図の形で、本発明によるガス測定装置の原理的な構造を示しており、
図３は、本発明によるガス測定装置において生じうる複数の信号の経過を示している。
【００２０】
発明の実施方式
図１には、ガス測定装置の信号伝達の原理的な経過が示されている。ＮＯセンサ１は、以下ではセンサ出力側とも呼ばれる出力側１．１にセンサ信号Ｓ１を供給する。センサ信号Ｓ１は、測定されたガス濃度の他に、飽和平衡の変移に起因する雑音成分も有している場合がある。これに応じて、センサ信号Ｓ１は、入気補償２により、脱着に起因する雑音成分の有無及び場合によっては雑音成分の程度に関して評価される。必要であれば、センサ信号Ｓ１の雑音信号成分が補償される。入気補償２．２の出力側には、雑音信号成分の除去されたセンサ信号Ｓ２が印加され、このセンサ信号は閾値と比較される。このために、閾値評価３が設けられている。最終的に、スイッチング信号Ｓ４の形態の制御信号が生じる。この信号は図には示されていない循環空気調整弁を制御する。
【００２１】
入気補償２の構造は図２に別のブロック線図の形で示されている。ＮＯセンサ１の出力側は、センサ信号Ｓ１をフィルタリングするローパスフィルタ５と接続されている。ローパスフィルタ５は時定数ｔｖを有している。ローパスフィルタ５の出力側には、フィルタリングされたセンサ信号Ｓ５が現れる。フィルタリングされたセンサ信号Ｓ５は計算ユニット６によってさらに処理される。このために、フィルタリングされたセンサ信号Ｓ５から勾配Ｓ’が計算される。続いて勾配Ｓ’は時定数ＴＨを設定するユニット１２に供給される。時定数ＴＨを設定するユニット１２は勾配Ｓ’とパラメータａとから時定数ＴＨを計算する。ＮＯセンサ１のセンサ信号Ｓ１から通常動作モードにおける時定数に相当する時定数ＴＨを計算する場合、時定数ＴＨは制御入力側１３．１を介してハイパスフィルタ１３に供給される。これは、センサ１のサセプタンスＮＯ−Ｓがｐ２＊ＮＯリミットとＮＯリミットの間にある場合である。これは決定ユニット７により確定される。
【００２２】
しかし、決定ユニット７によってＮＯセンサ１のその時点のサセプタンスと限界値ＮＯリミットとの差が大き過ぎることが確定された場合、つまり、センサ１のサセプタンスＮＯ−Ｓがｐ１＊ＮＯリミットよりも小さい場合、ハイパスフィルタ１３の制御入力側１３．１には時定数ＴＨ＝Ｔ１がスイッチされる。これは専らセンサ１の入気過程の始めに当てはまることである。この場合、センサ信号Ｓ１の大きな勾配Ｓ’を計算に入れなければならない。その際、センサ１の作動開始時には、飽和平衡に達するまでの信号Ｓ１の経過に関するデータはまったく存在しておらず、ＮＯセンサ１のサセプタンスと限界値ＮＯリミットとの差に応じて、経験から得られる固定した限界周波数で始動する。値はテーブルに格納される。このテーブルは以下ではルックアップテーブルとも呼ばれる。これらの値はその時点の差に応じて入気過程の最中に更新される。Ｔ１及びＴ２はシステムに合わせて適合化される。
【００２３】
ＮＯセンサ１のその時点のサセプタンスと限界値ＮＯリミットとの差が小さい場合には、つまり、センサ１のサセプタンスＮＯ−Ｓがｐ２＊ＮＯリミットよりも小さい場合には、時定数ＴＨ＝Ｔ２がハイパスフィルタ１３の制御入力側１３．１に印加される。フィルタリングされたセンサ信号Ｓ５の勾配Ｓ’からは、ハイパスフィルタ１３によって信号Ｓ２の雑音振幅を推定することができる。ハイパスフィルタ１３のための時定数ＴＨは、ハイパスフィルタ１３の出力側に信号Ｓ２の明確な制限された雑音振幅が現れるように調整される。雑音振幅は、信号Ｓ２によって制御することのできる循環空気調整弁が意図せずに閉じないように選択される。
【００２４】
センサ１の入気過程は、ＮＯセンサ１が飽和平衡、つまり、水の吸着と脱着との間の平衡に達したときに終了する単調プロセスである。
【００２５】
対数化された抵抗の信号波形Ｉｎｃは、スイッチオン時点以降、第１次近似として関数
Ｉｎｃ＝ａ・（１−ｅｔ／Ｔ）＋ｂ
により表される。ここで、
ｔは時間であり、
ａは実験パラメータであって、勾配Ｓ’と限界周波数との間の伝達係数であり、
ｂは実験パラメータであり、
Ｔは実験パラメータである。
【００２６】
測定信号は有効信号成分と雑音信号成分とを有しており、後者は水の脱着に起因してＰＴ１跳躍関数の特性を有する。ＰＴ１は１次遅延素子を意味する。この跳躍関数の周波数スペクトルにおいて、初めは高い周波数成分が優勢であるが、この高い周波数成分は時間とともに減少し、消えてしまう。
【００２７】
したがって、水の脱着に起因する雑音信号成分は、初めは適切な高さに選択された限界周波数を有するハイパスフィルタ１３によって所定の持続時間にわたって抑制される。この雑音信号成分を以下では雑音信号とも呼ぶ。入気過程の進展にしたがって、雑音信号内の高い周波数成分は減少する。これはハイパスフィルタ１３の限界周波数の連続的な低減によって斟酌される。吸着と脱着との間の平衡に達するとすぐに、ハイパスフィルタ１３の限界周波数は一定となり、初めは減衰させられた測定信号は今や純粋な有効信号であり、完全に有効となる。ハイパス１３の出力側で取り出し可能なこの信号は循環空気調整弁の制御に使用される。
【００２８】
ハイパス１３の限界周波数を動的に適合化できるようにするため、ＮＯセンサ１の入気に関する近似的な知識が利用される。
【００２９】
測定すべきガスに曝されずにＮＯセンサ１が比較的長い動作をした後には、ＮＯリミットと呼ばれる導電率が生じる。それゆえ、導電率ＮＯリミットは、ＮＯセンサ１の動作温度において脱着と吸着とが平衡しているときに生じる。しかし実際上は、ＮＯセンサ１が曝されないというケースはほとんど起きない。したがって、平衡に達したときの導電率の値は、センサ信号Ｓ１をローパス５でフィルタリングすることによって近似的に求められなければならない。その際、時定数ｔｖはおよそ３０ｍｉｎである。このようにして得られた導電率の値は動作中絶えず不揮発性メモリに格納される。
【００３０】
センサ信号Ｓ１の勾配Ｓ’は、既に述べたように、ＮＯセンサ１の作動開始の直後にはＮＯセンサ１の貯蔵期間に強く依存する。ただし、制御ユニットにおいて高いコストを用いずには貯蔵期間を計画することはできない。その代わりに、センサ信号Ｓ１をセンサ１のスイッチオン後の所定時間にわたって監視し、センサ信号Ｓ１のそのあとの経過を推定してもよい。短時間の高いガス濃度の影響を最小化するために、センサ信号Ｓ１はまずローパス５によりフィルタリングされ、そのあと勾配Ｓ’が求められる。
【００３１】
平衡の変移に起因する雑音信号成分の振幅は、入気過程の経過とともに単調に減少する。
【００３２】
実験パラメータａ，ｂ及びＴはセンサ１の貯蔵期間とセンサ自体とに依存している。これらのパラメータはそれゆえ実験で求めることはできず、入気補償において差し出される。
【００３３】
本発明では、測定すべきガスにより生じる信号変化と水の脱着により生じる信号変化とでは異なる信号動特性が使用される。測定すべきガスの濃度の変化は通常２〜３０ｓの時定数を有している。水の脱着に起因する雑音信号は、センサの先の貯蔵期間に応じて、数分から数時間の間の時定数を有する。
【００３４】
図３には、時間図によって複数の信号経過が示されている。図のｘ軸上には時間が、図のｙ軸上には振幅がとられている。補償されていないＮＯセンサ信号Ｓ１の振幅は初め大きく、その後わずかにしか増大しないことが分かる。補償されたセンサ信号の経過も図３に示されており、参照記号Ｓ２が付されている。閾値ＳＷ、フィルタリングされた信号２３、循環空気調整弁の制御信号２４、及び時定数２６も同様に図３に示されている。時定数２６の増大から、どの程度ハイパスフィルタの限界周波数がより低い値の方向に変移するかが、またそれによってシステムがガスパルスに対してより敏感になることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】信号伝達線図の形で、妨害の補償のための原理的な手法を示す。
【図２】ブロック線図の形で、本発明によるガス測定装置の原理的な構造を示す。
【図３】本発明によるガス測定装置において生じうる複数の信号の経過を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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