Lambda-Controller V3.3 - breitband

Lambda-Controller V3.3
Februar 2012
Inhalt
0
Verzeichnisse ....................................................................................................... 3
0.1
Abbildungsverzeichnis ................................................................................... 3
0.2
Tabellenverzeichnis ....................................................................................... 3
1
Einführung............................................................................................................ 4
2
Funktionen und Betrieb der Schaltung ................................................................. 5
3
4
2.1
Pinbelegung und elektrische Spezifikationen ................................................ 6
2.2
Versorgungsspannung .................................................................................. 8
2.3
Status LEDs .................................................................................................. 9
Anschließen der Platine ..................................................................................... 10
3.1
Anschließen der Lambdasonde ................................................................... 10
3.2
Anschließen des analogen Interface ........................................................... 10
3.3
Anschließen des digitalen Interface ............................................................. 11
Funktion des digitalen Interface ......................................................................... 13
4.1
Einstellungen am Interface .......................................................................... 13
4.2
Entschlüsseln der Datenpakete ................................................................... 13
4.2.1
„Lambda“............................................................................................... 13
4.2.2
„Ref“ ...................................................................................................... 14
4.2.3
„Bat“ ...................................................................................................... 14
4.2.4
„Status“ ................................................................................................. 14
4.2.5
„CJ“ ....................................................................................................... 15
4.3
5
6
Senden von Befehlen .................................................................................. 16
Ändern der Software (Bootloader)...................................................................... 18
5.1
Vorbereiten für Software-Update ................................................................. 19
5.2
Einspielen der neuen Software .................................................................... 20
5.3
Lötjumper für LSU4.2 oder LSU4.9 ............................................................. 21
Kalibrierung der Schaltung ................................................................................. 22
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Sebastian Knödler
2
6.1
7
Notwendigkeit einer Kalibrierung ................................................................. 23
Berechnung der Sauerstoffkonzentration ........................................................... 24
7.1
Allgemeine Genauigkeit des Systems ......................................................... 24
7.2
Berechnung des λ-Werts (LSU4.2) .............................................................. 24
7.2.1
Auswertung des analogen Ausgangs .................................................... 25
7.2.2
Auswerten des digitalen Ausgangs ....................................................... 25
0 Verzeichnisse
0.1 Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Pinbelegung ........................................................................................... 6
Abbildung 2: x-Achse: 5ms/Div; y-Achse: 2,4A/Div .................................................... 8
Abbildung 3: USB-RS232 Wandler ........................................................................... 19
Abbildung 4: Bootloader-GUI .................................................................................... 20
Abbildung 5: Lötjumper oben .................................................................................... 21
Abbildung 6: Lötjumper unten ................................................................................... 22
Abbildung 7: Vergleichsmessung LSU4.2 Alt/Neu .................................................... 23
Abbildung 8: Trendlinie LSU4.2 fett .......................................................................... 26
0.2 Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Pinbelegung und elektrische Spezifikationen ............................................. 7
Tabelle 2: Status LEDs ............................................................................................... 9
Tabelle 3: Analoges Interface ................................................................................... 10
Tabelle 4: Digitales Interface .................................................................................... 12
Tabelle 5: UART-Einstellungen ................................................................................ 13
Tabelle 6: Auswertungstabelle "IntF" ........................................................................ 14
Tabelle 7: Auswertungstabelle "CJF"........................................................................ 15
Tabelle 8: Klartext-Tabelle "CJF" .............................................................................. 15
Tabelle 9: Befehlsreferenz ........................................................................................ 16
Tabelle 10: Wertetabelle LSU4.2 .............................................................................. 26
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Sebastian Knödler
3
1 Einführung
Das Interface für Breitband Lambdasonden vom Typ Bosch LSU4.2 bzw. LSU4.9
wurde auf Basis des IC CJ125 von Bosch entwickelt.
Durch ständige Weiterentwicklungen und Verbesserungen an Schaltung und Design,
konnten in dieser 3. Generation sehr kleine Abmessungen bei erhöhtem
Funktionsumfang erreicht werden.
In der dritten Überarbeitung wurde der Funktionsumfang in Software und Hardware
nochmals optimiert und an die Anforderungen in der Praxis angepasst.
Diese Schaltung enthält alle Funktionen zur Ansteuerung einer Breitband
Lambdasonde. Es ist nur eine Betriebsspannung von 12V (z.B. Kfz-Bordnetz)
erforderlich.
Bei diesem Gerät handelt es sich weiterhin um einen seriennahen Prototypen
welcher unter Laborbedingungen und an Verbrennungsmotoren getestet wurde.
Störungen im industriellen Umfeld und unter EMV-Einflüssen von außerhalb wurden
nicht näher untersucht.
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4
2 Funktionen und Betrieb der Schaltung
Die Schaltung wurde dazu entwickelt, den Sauerstoffgehalt von
Verbrennungsabgasen zu ermitteln und daraus den sog. Lambdawert zu errechnen.
Man unterscheidet hier in zwei Bereichen:
1. Magerer Bereich
2. Fetter Bereich
Im mageren Bereich befindet sich im Abgas molekularer Sauerstoff. Dies bedeutet,
dass bei der Verbrennung mehr Sauerstoff zur Verfügung stand als eigentlich
notwendig.
Dieser Bereich ist vor allem für Diesel-Motoren und Heizungsanlagen (z.B.
Holzpellet- oder Ölheizungen) interessant, da diese im fetten Bereich nicht
ordnungsgemäß funktionieren.
Der fette Bereich ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff während der
Verbrennung nicht vollständig umgesetzt wird. Es befindet sich ein Teil unverbrannter
Kraftstoff im Abgas.
Bei Ottomotoren erhält man eine Leistungssteigerung im leicht fetten Bereich.
Außerdem wird er bei manchen Motoren zum Bauteileschutz verwendet (der
unverbrannte Kraftstoff kühlt den Brennraum, Ventile und evtl. vorhandene
Turbolader).
Durch den vermehrten Einsatz von Breitbandlambdasonden im Automobilbereich, ist
das Preisniveau in den letzten Jahren stetig gefallen. Der Einsatz in
Heizungsanlagen und für Überwachungszwecke wird daher auch preislich immer
interessanter.
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2.1 Pinbelegung und elektrische Spezifikationen
Abbildung 1: Pinbelegung
Achtung: Spannungen sind maximal Werte!
Pin
Funktion
Min. Spannung
Max. Spannung
Interface
1
TxD (RS232)
-12V
12V
2
RxD (RS232)
-12V
12V
3
Masse
4
λ-Wert (Roh)
0V
5V
5
Error-Out (Out)
0V
5V
6
Start Messung (In)
0V
5V
7
Kalibrieren (In)
0V
5V
8
λ-Wert (Linear)
0V
5V
9
Masse
0V
10
+12V
28V
11
Masse
0V
0V
Spannungsvers.
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6
Lambdasonde
12
Heizung +UBatt
0V
28V
0V
28V
0V
28V
0V
28V
0V
28V
0V
28V
(H+; grau)
13
Heizung – (H-;
weiß)
14
Pumpstrom (APE;
rot)
15
Trimm-Widerstand
(RT; grün)
16
Nernstspannung
(RE+; schwarz)
17
Virtuelle Masse
(IPN; gelb)
Tabelle 1: Pinbelegung und elektrische Spezifikationen
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2.2 Versorgungsspannung
Die Versorgungsspannung, angeschlossen an Klemme 10 und 11, muss folgenden
Anforderungen genügen:

Stabile Gleichspannung zwischen 11,0V und 16,5V

Ströme bis 4A

Unempfindlichkeit gegenüber Stromspitzen
Da die Heizung der Lambdasonde mit einer relativ langsamen PWM angesteuert
wird, entstehen Spitzenströme von etwa 3,6A.
Abbildung 2 zeigt die Gesamtstromaufnahme bei Betriebstemperatur an Luft.
Versorgungsspannung 12,0V aus einem Blei-Akkumulator.
Abbildung 2: x-Achse: 5ms/Div; y-Achse: 2,4A/Div
Die Stromaufnahme im Stand-By Zustand ohne aktive Heizung beträgt etwa 70mA.
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2.3 Status LEDs
Die LEDs signalisieren verschiedene Zustände:
LED
Blinkfrequenz
Funktion
Grün
Dauerleuchten
Stand-By Modus
Grün
Schnell (5Hz)
Aufheizvorgang
Grün
Langsam (1Hz)
Betriebstemp. erreicht,
Messung läuft
Rot
Langsam (1Hz)
Allgemeiner Fehler
(Auswertung über RS232)
Rot und Grün
Schnell (5Hz)
Fail-Save Modus
Tabelle 2: Status LEDs
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3 Anschließen der Platine
3.1 Anschließen der Lambdasonde
Die Lambdasonde kann nach dem in Tabelle 1 beschriebenen Schema
angeschlossen werden.
Achten Sie darauf, dass die Sonde nur mit dem zugehörigen Stecker verwendbar ist.
In diesem Stecker befindet sich ein sogenannter „Trimm-Widerstand“ welcher von
Bosch kalibriert und auf jede Sonde individuell abgestimmt wurde.
Eine Sonde ohne diesen Stecker ist nicht verwendbar!
Achten Sie auf den ordnungsgemäßen Anschluss. Ein vertauschen oder nicht
anschließen eines Kabels führt im einfachsten Fall zu einer Fehlermeldung, kann
aber auch zur Zerstörung der Sonde durch Überhitzung führen.
3.2 Anschließen des analogen Interface
Das analoge Interface gibt Ihnen die Möglichkeit, die Sonde ohne externe Controller
anzusteuern.
Neben einem Fehler-Ausgang (TTL) und einem "Start" Eingang steht jetzt auch ein
Eingang für die Kalibrierung bereit.
Das analoge Interface besteht aus folgenden Anschlüssen:
Pin
Funktion
Spannungsbereich
4
λ-Wert (Roh)
Analog-Ausgang
0,5 – 4,8V
5
Error_out
TTL-Ausgang
0 – 5V
6
Start
TTL-Eingang
0,5 – 4,8V
7
Kalibrieren
TTL-Eingang
0 – 5V
8
λ-Wert (Linear)
Analog-Ausgang
0 – 4V
Tabelle 3: Analoges Interface
Pin 4 „λ-Wert (Roh)“ gibt einen Wert aus, der direkt in den Lambdawert bzw.
Sauerstoffgehalt umgerechnet werden kann. Dieser Pin wird direkt vom CJ125
herausgeführt, hat eine sehr kurze Reaktionszeit muss jedoch aufwendig
umgerechnet werden
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Pin 8 „λ-Wert (Linear)“ gibt eine linearisierte Spannung für den Lambdawert aus.
Pin 5 „Error_out“ ist im Normalfall auf „Low-Pegel“ (0V). Sollte eine Störung auftreten,
so wechselt er in den „High-Pegel“ (5V). Welche Art von Fehler vorliegt, kann nur
über das digitale Interface ausgelesen werden.
Pin 6 "Start" kann zum Starten der Messung auf "Low-Pegel" (0V) gezogen werden.
Die Messung kann unabhängig von diesem Eingang durch das digitale Interface
gestartet werden. Es wurde ein Pull-Up Widerstand verbaut welcher den Pin im
unbeschaltetem Zustand auf "High-Pegel" zieht.
Pin 7 "Kalibrieren" kann zum Wechsel in den Kalibriermodus benutzt werden. Hierbei
wird am linearisiertem analog Ausgang der Referenz-Lambdawert angezeigt und der
Kalibrierwert über das digitale Interface ausgegeben.
Das Kalibrieren darf nur bei kalter Sonde erfolgen, da ansonsten die Messungen
verfälscht werden.
Nach dem Anlegen der Betriebsspannung kalibriert sich die Elektronik selbst.
Alle Anschlüsse werden durch Schutzwiderstände vor Kurzschluss geschützt.
3.3 Anschließen des digitalen Interface
Das digitale Interface bietet alle Diagnosefähigkeiten des verwendeten CJ125 und
eine vollständige Erfassung der Betriebszustände.
Die Aktualisierungsrate der Daten kann zwischen 1Hz und 5Hz umgestellt werden.
Um die Daten z.B. in das Excel-Kompatible ".csv" Format exportieren zu können,
kann auf einen entsprechenden Modus gewechselt werden
Die Ausgabe erfolgt nach einem sehr einfachen Muster:
Lambda: 250
Ref: 252
Bat: 505
Status: 32
CJ: 255
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Im Excel-kompatiblen Modus erfolgt die Ausgabe wie folgt:
250;252;505;32;255
Die genaue Funktion wird in den folgenden Kapiteln beschrieben.
Das digitale Interface besteht aus folgenden Anschlüssen:
Pin
Funktion
Spannungsbereich
1
TXD
RS232-Ausgang
-12...+12V
2
RXD
RS232-Eingang
-12...+12V
Tabelle 4: Digitales Interface
Zum direkten Anschluss an einen PC oder RS232-USB Wandler wird kein weiterer
Pegelwandler mehr benötigt.
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4 Funktion des digitalen Interface
Mit dem digitalen Interface stehen deutlich mehr Funktionen zur Verfügung, als mit
dem analogen Interface gegeben sind.
Es wird empfohlen, das digitale Interface zumindest als Ergänzung zum Analogen zu
verwenden.
4.1 Einstellungen am Interface
Um alle Informationen richtig zu empfangen bzw. Befehle senden zu können,
müssen folgende Einstellungen am Controller vorgenommen werden:
Baudrate
115200 Baud
Databits
8
Stopbits
1
Parity
None
Handshake
None
Tabelle 5: UART-Einstellungen
Es werden bis zu 5 mal pro Sekunde Datenpakete mit aktuellen Daten gesendet.
4.2 Entschlüsseln der Datenpakete
4.2.1 „Lambda“
Die erste Zeile des Datenpakets bzw. der erste Wert enthält den aktuellen
Pumpstrom welcher in der Sonde fließt.
Aus diesem Pumpstrom kann der exakte Lambdawert ermittelt werden.
V steht hier für den Verstärkungsfaktor.
Befindet sich die Sonde in einer mageren Atmosphäre so ist der Wert "Lambda"
positiv und die Verstärkung V=17.
In fetten Atmosphären ist der Wert negativ und die Verstärkung beträgt V=8.
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4.2.2 „Ref“
"Ref" steht für die Spannung der eingebauten Referenzspannung. Diese Spannung
beträgt 1,22V ±1% während die Betriebsspannung zwischen 4,75 und 5,25V
schwanken kann.
Da aus Kostengründen die Betriebsspannung als Referenz des ADC verwendet wird,
kann mit der gegebenen Referenz die Schwankung ausgeglichen werden.
4.2.3 „Bat“
„Bat“ stellt den digitalisierten Wert für die Batterie- bzw. Versorgungsspannung dar.
Die Spannung wird an einem Spannungsteiler gemessen (39kΩ zu 10kΩ)
Unterschreitet der Wert die 420er Marke (=10,5V) oder steigt er über 700 (=17,0V),
so wird die Messung beendet und in den Stand-By Modus gewechselt.
Es wurde eine Hysterese einprogrammiert. Dies bedeutet, dass der Betrieb erst bei
11,0V bzw. 16,5V wieder aufgenommen wird.
4.2.4 „Status“
Im Register „Status“ werden allgemeine Fehler und Betriebszustände, welche nicht
vom CJ125 erfasst werden, abgelegt. Dies geschieht nach dem gleichen System wie
bei Register „CJ“.
Das Register in Binärformat sieht aus wie folgt (MSB first):
IntF.7
IntF.0
Kalibrierungs- Watchdog System
SPI
Ubat
Ubat
Sonde
modus
Fehler
high
low
überhitzt Fehler
bereit
CJ-
Tabelle 6: Auswertungstabelle "IntF"
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Die Werte stehen für folgende Aussagen:

Kalibrierungsm.:
Die Elektronik befindet sich im Kalibrierungsmodus. Die
angezeigten Werte entsprechen also nicht den real
vorhandenen!

Interner Programmfehler – Die Schaltung muss neu
Watchdog:
gestartet werden.

Die Werte von „Lambda“ sind verwertbar.
System bereit:
Betriebstemperatur ist erreicht.

SPI Fehler:
Fehler in der internen Kommunikation.

Ubat high:
Versorgungsspannung zu hoch (> 17,0V)

Ubat low:
Versorgungsspannung zu niedrig (< 10,5V)

CJ-Fehler:
Interner Fehler im CJ125. Siehe „CJ“.
4.2.5 „CJ“
Der Wert „CJ“ enthält den Inhalt des CJ125 Diagnoseregisters und muss in einen
Binärwert übersetzt werden. Dann gilt folgende Auswertungstabelle (MSB first):
CJF.7
CJF.0
DIAHG
DIAHD
IA/IP
IA/IP
UN
UN
VM
VM
Tabelle 7: Auswertungstabelle "CJF"
Mit der im Datenblatt angegebenen Tabelle lässt sich nun der Fehler in Klartext
darstellen:
Fehler-Bits
DIAHG/DIAHD
IA/IP, UN, VM
00
Kurzschluss nach Masse
Kurzschluss nach Masse
01
Heizung nicht angeschl.
Batterie schwach
10
Kurzschluss nach UBat
Kurzschluss nach UBat
11
Kein Fehler
Kein Fehler
Tabelle 8: Klartext-Tabelle "CJF"
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Ist der Wert des „CJ“ 255, so liegt kein Fehler vor und die Schaltung ist
Betriebsbereit.
Nach jedem auslesen des Fehlerregisters, wird dieses gelöscht. Liegt ein Fehler vor,
so wird automatisch die Heizung der Sonde abgeschaltet um eine Überhitzung zu
vermeiden. Außerdem wird der Anschluss „Error_out“ auf High-Pegel gezogen.
Im Fehlerfall wird der Pumpstrom durch die Sonde und die Bestimmung des
Nernstzellenwiderstandes gestoppt. Die Werte für UR und UA können also in dieser
Zeit nicht verwendet werden.
Bei älteren Sonden kann es vor allem während der Aufheizphase vermehrt zu
Fehlern kommen. Diese verschwinden i. d. R. wenn die Betriebstemperatur erreicht
ist.
Werden zu viele Fehler angezeigt, so ist dies ein Indiz dafür, dass die Sonde
ausgetauscht werden muss.
4.3 Senden von Befehlen
Folgende Befehle unterstützt das Interface:
Befehl
Funktion
C
Calibration Mode
N
Normal Mode
H
Starte Messung
D
Beende Messung
F
Schnelle Übertragung (5Hz)
S
Langsame Übertragung (1Hz)
T
Klartext Modus
E
".csv" Modus (Excel-Kompatibles Format)
Tabelle 9: Befehlsreferenz
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Erklärung:
C
“Calibration Mode” Der CJ125 wird in einen Kalibriermodus versetzt, Details
in den folgenden Kapiteln.
N
„Normal Mode“
Der CJ125 gibt aktuelle Werte ab.
H
„Starte Messung“
Der Aufheitvorgang der Sonde wird gestartet. Rund 30
Sekunden später ist die Elektronik bereit.
D
„Beende Messung“ Die Sondenheizung wird abgeschaltet.
F
„Schnelle Übertr.“
S
"Langsame Übertr." Datensätze werden 1 mal pro Sekunde aktualisiert
Datensätze werden 5 mal pro Sekunde aktualisiert
(Standardeinstellung)
T
"Klartext"
Datensätze werden im Klartext übertragen (Kap. 4.3)
E
"Excel-Modus"
Datensätze werden im ".csv" Format übertragen.
Die Befehle werden im ASCII-Code übermittelt und sind Case-Sensitive (auf Großund Kleinschreibung achten). Ein Befehl wird mit dem sog. „Carriage Return“
abgeschlossen (ASCII-Zeichen 13) und ist erst danach gültig.
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5 Ändern der Software (Bootloader)
Soll mit dem Lambda-Controller eine andere Lambdasonde (z.B. LSU4.9) betrieben
werden oder die Ausgabespannung des analogen Ausgangs verändert werden, so
muss die Software auf dem Controller geändert werden.
Die Änderung der Software kann über den eingebauten Bootloader erfolgen.
Folgende Hilfsmittel werden hierfür benötigt:

Aktueller Windows-PC (min. Windows XP) mit serieller Schnittstelle oder ein
USB-Port mit passendem USB-RS232 Wandler

PC-Software für Bootloader

Passende Software für den Lambda-Controller V3.3

SUB-D9 Buchse
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5.1 Vorbereiten für Software-Update
Vor dem Software-Update sollten alle Utensilien bereitliegen. Die Software ist auf
www.breitband-lambda.de unter "Downloads" zu finden.
Mehr Informationen zum Bootloader:
http://www.mikrocontroller.net/articles/AVR_Bootloader_FastBoot_von_Peter_Dannegger
Um die Firmware einspeisen zu können, muss die Platine über eine serielle
Schnittstelle (oder einen USB-RS232 Wandler) mit dem Computer verbunden
werden. Es ist empfehlenswert, hierfür eine geeignete SUB-D9 Buchse zu
verwenden:
Abbildung 3: USB-RS232 Wandler
Es werden nur Pin5 (Masse), Pin3 (RxD) und Pin2 (TxD) benötigt.
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5.2 Einspielen der neuen Software
Die neue Software kann z.B. mit der Bootloader-GUI von Leo-Andres Hofmann
erfolgen:
Abbildung 4: Bootloader-GUI
Die Einstellungen am Programm beschränken sich auf zwei Teile:

Auswählen des richtigen seriellen Ports im Drop-Down-Menü "Port"

Auswählen der Firmware-Datei
Alle übrigen Einstellungen müssen nicht verändert werden.
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Sind alle Einstellungen korrekt, so kann die Programmierung mit einem Klick auf den
"Start" Buttom gestartet werden.
Wurde die Programmierung erfolgreich beendet, so kann die Platine direkt genutzt
werden.
5.3 Lötjumper für LSU4.2 oder LSU4.9
Soll der Lambda-Controller anstatt mit einer Bosch LSU4.2 mit einer LSU4.9
betrieben werden, so müssen nach der Softwareaktualisierung noch zwei Lötjumper
verändert werden.
Achtung: Wird der Lötjumper nicht umgelötet, so kann die Sonde durch
Überhitzung beschädigt werden!
Abbildung 5: Lötjumper oben
Beide Lötjumper bestehen aus drei Kupferinseln. Je nach Stellung wird ein anderer
Widerstand mit dem CJ125 verbunden und somit die Sonde LSU4.2 oder LSU4.9
ausgewählt.
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Abbildung 6: Lötjumper unten
Um die Stellung des Jumpers zu verändern, muss zuerst die vorhandene "LötzinnPerle" mit Entlötlitze und einem Lötkolben entfernt werden.
Ist die Perle entfernt, so wird mit etwas Lötzinn die gewünschte Stellung hergestellt.
6 Kalibrierung der Schaltung
Wird an das Interface der Befehl „C“ gesendet, so geht der CJ125 in den
Kalibrierungsmodus über.
In diesem Modus wird am Ausgang "λ-Wert (Roh)" die Spannung ausgegeben, die
für den Lamdbawert 1,00 steht (etwa 1,5V). Der Ausgang " λ-Wert (Linear)" nimmt
die entsprechende Kalibrierspannung an (siehe Kap. 4.2)
Die Schaltung kalibriert sich nach dem Anlegen der Versorgungsspannung selbst.
Der Vorgang muss nur bei sehr langwierigen Messungen wiederholt werden
(Messdauer >> 24 Stunden).
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6.1 Notwendigkeit einer Kalibrierung
Die Kalibrierung gleicht ausschließlich die äußeren Einflüsse auf den Controller aus
(Temperaturänderungen, Alterung, etc.).
Eine Kalibrierung der Lambdasonde mit Umgebungsluft muss im Gegensatz zu
anderen Lambda-Controllern nicht durchgeführt werden.
Ein Vergleich einer Fabrikneuen LSU4.2 mit einer stark gebrauchten Lambdasonde
(ca. 100.000km Fahrleistung) ergab nur minimale Abweichungen von λ0,004 in
Richtung mager.
Abbildung 7: Vergleichsmessung LSU4.2 Alt/Neu
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7 Berechnung der Sauerstoffkonzentration
7.1 Allgemeine Genauigkeit des Systems
Die Kombination aus LSU4.2 und CJ125 erreicht im Bereich um Lambda = 1 seine
höchste Genauigkeit.
Bei Lambda = 1,70 weißt die Sonde einen Fehler von ±0,05 auf, welcher aufgrund
der Sondenalterung auf bis zu ±0,15 ansteigen kann.
Bei Lambda = 1,009 geht dieser Fehler auf ±0,006 bzw. nach 2000 Betriebsstunden
±0,008 zurück.
7.2 Berechnung des λ-Werts (LSU4.2)
Die Berechnung des Lambdawerts kann bei diesem Controller über zwei Wege
erfolgen:
1. Auswertung des analogen Ausgangs
2. Auswertung des digitalen Ausgangs
Um den analogen Ausgang nutzen zu können, muss die Software-Version des
Controllers bekannt sein.
Es befindet sich Standardmäßig die Software für LSU4.2 Sonden mit einem
Ausgabebereich von λ0,7...1,3 auf dem Controller (V3.3-4.2-L0,7-1,3).
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7.2.1 Auswertung des analogen Ausgangs
Die Angabe L0,7-1,3 in der Softwareversion bedeutet, dass bei einer
Ausgangsspannung von 0,0V ein Lambdawert von 0,7 anliegt. 5,0V entsprechen
einem Messwert von λ=1,3.
Da die Spannung linear zum Lambdawert ausgegeben wird, kann zur Berechnung
die Geradengleichung herangezogen werden:

y: Lambdawert

m: Steigung

x: Gemessene Spannung in Volt

b: Achsenabschnitt
Bei Softwareversion V3.3-4.2-L0,7-1,3 werden folgende Werte für m und b
eingesetzt:
m = 0,12
b = 0,7
7.2.2 Auswerten des digitalen Ausgangs
Da die Umrechnung der Messwerte in eine analoge Ausgangsspannung auf dem
Mikrocontroller der Lambda-Controller-Platine erfolgen muss, sind hier aufgrund der
geringen Rechenleistung Grenzen in der Genauigkeit gesetzt.
Um für genauere Messungen eine bessere Grundlage zu schaffen, werden über die
serielle Schnittstelle Lambda-Rohdaten übertragen welche mit einem geeigneten
Programm (z.B. Microsoft Excel) in einen Lambdawert oder Sauerstoffgehalt
umgerechnet werden müssen.
Für diese Umrechnung sind Wertetabellen für die Sonde erforderlich. Diese kann
man aus den Datenblättern der LSU4.2 und LSU4.9 entnehmen.
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Folgende Werte sind im Datenblatt der LSU4.2 gegeben:
Tabelle 10: Wertetabelle LSU4.2
λ-Wert
0,70
0,80
0,85
0,90
1,009
1,18
1,43
1,70
2,42
(207)
Ip [mA]
-1,85
-1,08
-0,76
-0,47
0,00
0,34
0,68
0,95
1,40
(2,55)
Der Verlauf des Lambdawerts hat bei Lambda 1,0 eine Unstetigkeit, daher werden
zwei Bereiche unterschieden (λ>1 und λ<1).
Gibt man die Werte in Excel ein und lässt sich eine Trendlinie erzeugen, so bekommt
man folgendes Ergebnis:
Abbildung 8: Trendlinie LSU4.2 fett
Man erhält für die Ausgleichsgerade im fetten Bereich die Gleichung:
Lambdafett = 0,0197x³ + 0,0914x² + 0,2686x + 1,0089
Für den mageren Bereich kann diese Prozedur wiederholt werden, dabei ergibt sich:
Lambdamager = 0,2433x³ + 0,0428x² + 0,4712x + 1,0083
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26
Wobei für x der Pumpstrom in mA eingesetzt werden muss. Dieser ergibt sich aus
den in Kapitel 4.2 angegebenen Formeln:
Beispiel:
Lambda 108
Bei der Berechnung des Pumpstroms muss auf den Verstärkungsfaktor V geachtet
werden. Im fetten Bereich beträgt dieser 8, im mageren 17.
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