CN1766664A - 故障检测设备 - Google Patents

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Abstract

故障检测设备包括：连接到用来检测各种改变的温度传感器53的输入电路13，用于检测温度传感器53的阻抗；与输入电路13并联连接的监视电路14，用于监视输入电路13的故障；以及被提供了由输入电路13检测到的温度传感器53的阻抗的CPU1，其在检测监视电路14的故障中，在从监视电路14接收信号的输入状态和将该信号发送到监视电路14的输出状态之间切换它的状态。

Description

故障检测设备
技术领域
本发明涉及一种安装在例如汽车上的导线断路检测设备，用于检测在电路中诸如导线断路这样的故障，其中该电路被驱动以便在确定用于将包含在尾气中的Nox分解为水和氮的尿素SCR(选择性催化剂清除方法)催化剂的尿素水是否具有适当的尿素浓度中，通过电桥电路(bridge circuit)检测液体的热阻率和导热率。
背景技术
传统上，作为用于例如柴油机车辆的尾气净化***的尿素浓度传感器，通过将0.1毫伏细微信号放大为传感器信号、由微型计算机对其进行A/D转换，并且向尾气净化***提供指示尿素浓度值的信号，来监控尾气净化***是否恰当地进行工作。作为用于这样的尿素浓度传感器的技术，采用了电源电路并且从该电源电路提供电压到加热器电阻。
此外传统上，作为用于在上述电源电路和加热器电阻之间的故障探测的故障检测技术，如下面所标识的专利参考文献1所述，一种可以检测由于***设备以及比较器的故障而引起的异常、诸如比较器异常检测设备之类的技术，是已知的。
专利参考文献1：JP-A-2003-248022
同时，鉴于近些年来尾气控制的趋势，必须严格地控制在包含在尾气中的特定成分。因此，已经强烈地要求通过将电压施加到加热器电阻上来定期测量精确的尿素浓度。因此，已经要求从电源电路提供确切的输出电压到传感器电阻，并且精确地检测从电源电路连接到传感器电阻的电路部分的故障。
发明内容
已经鉴于上述情况而实现了本发明。本发明的一个目的是提供这样的故障检测设备，其能够安全和准确地检测构成从传感器(检测)电阻到诸如CPU之类的控制部件的输入电路的电路元件的故障。
依据本发明的故障检测设备包括：与用来检测各种变化的检测电阻相连接的输入电路，用于检测检测电阻的阻抗；与输入电路并联连接的监视电路，用于监视输入电路的故障；以及被提供有由输入电路所检测的检测电阻的阻抗的控制部件，其在检测监视电路的故障中，在从监视电路接收信号的输入状态和将该信号发送到监视电路的输出状态之间切换它的状态。
在该故障检测设备中，用这样的方式解决上述问题，即：在检测监视电路的故障时，控制部件将监视电路从输入状态切换到输出状态，并且如果在将监视电路从输入状态切换到输出状态之前的输入电路的A/D转换值和在已经将监视电路从输入状态切换到输出状态之后的输入电路的A/D转换值之间的差值不在预定范围之内，则确定监视电路出故障了。
在依据本发明的故障检测设备中，在检测监视电路的故障时，将监视电路从输入状态切换到输出状态，并且如果在将监视电路从输入状态切换到输出状态之前的输入电路的A/D转换值和在已经将监视电路从输入状态切换到输出状态之后的输入电路的A/D转换值之间的差值不在预定范围之内，则可以确定监视电路出故障了。因此，有可能安全和准确地检测在构成从传感器(检测)电阻到诸如CPU之类的控制部件的输入电路的电路元件中的故障。
附图说明
图1为电路图，示出应用了本发明的尿素水检测***的整体配置。
图2为流程图，示出了由应用了本发明的尿素水检测***进行的故障检测处理的处理过程。
具体实施方式
现在参考附图，将给出本发明实施例的说明。
本发明应用于如图1所示而构造的尿素水检测***。
尿素水检测***被安装在通过例如柴油机运行的汽车中，并且检测用于尿素SCR催化剂的尿素水的尿素浓度，并且将所检测的尿素浓度提供到尾气净化***(未显示)，其中该尿素SCR催化剂用于将在从柴油机车辆排出的尾气中包含的Nox分解为水和氮。
从图1看出，尿素水检测***主要以这样的布置构造，其中CPU 1(控制部件)连接到加热器驱动电路11、传感器块12、输入电路13和监视电路14，它们被装载在电路板2上，而且检测电路3与电路板2相连接。
CPU 1还连接到由用于汽车的点火开关启动的点火电源和电源电路(两者都未显示)。CPU 1被供有从点火电源转换的5V参考电源。加热器驱动电路11连接到提高5V参考电源的升压电路(未显示)。加热器驱动电路11被供有从5V参考电源转换而来的8V电源。因此，在CPU 1的控制下，加热器驱动电路11将由CPU 1提供的电压转换为要提供给检测电路3的预定操作电压。
用这种方法，检测电路3通过传感器块12，将指示含尿素水的存在/不存在以及含尿素水是否具有适当的尿素浓度的检测输出提供给CPU 1。CPU 1执行将来自传感器块12的输出值转换为含尿素水的尿素浓度的操作，并且通过通信电路(未显示)将该尿素浓度提供给尾气净化***(未显示)。
检测电路3包括温度传感器52、53，它们是与加热器驱动电路11的电阻R11、R12，以及连接到加热器驱动电路11的加热器电阻51一起构成电桥电路(bridge circuit)的电阻。顺便提及，电阻R11和R12具有例如3.9kΩ的阻抗。
电桥电路由桥接的电阻R12、电阻型的温度传感器52、电阻R11以及温度传感器53构成。电桥电路的一端连接到参考电压IC及其它，而它的另一端连接到GND端。电阻R12和R11由例如碳电阻形成，而且温度传感器52和53由例如铂电阻形成。铂电阻具有由于温度而引起的电阻变化，其可达到大约3600ppm/℃。将电阻R11和R12布置在空气中，而将温度传感器52和53布置在尿素水中。
在电阻R12、温度传感器52、电阻R11和温度传感器53当中的一个电阻，例如温度传感器52，与加热器电阻51集成组合。加热加热器电阻51并且传导在加热器电阻51中的热。当在每个预定周期中对加热器电阻51加热长达预定周期时，温度传感器52的阻抗周期性地改变。在传感器电路中的温度传感器52和53被布置在被放入尿素水箱中的尿素水内。尿素水具有的尿素浓度越高，加热器电阻51生成的热就越少在尿素水中扩散，而该加热器电阻51就越少扩散到尿素水中的热传导到温度传感器52。因此，温度传感器52的阻抗突然增加。另一方面，尿素水具有的尿素浓度越低，加热器电阻51生成的热就越多在尿素水中扩散，而且加热器电阻51生成的热越多扩散到尿素水中。因此，温度传感器52的电阻缓慢增加。因此，在电桥电路中电阻R12和温度传感器52连结点处的电压值的改变率与尿素水的尿素浓度成比例地不同。
在该电桥电路中，由于从与温度传感器52集成组合的加热器电阻51所提供的热而使温度传感器52的电阻增加。当从加热器电阻51提供的加热停止时，被加热的温度传感器52把热量扩散到尿素水中，以致降低它的电阻。而且将由电阻R12和温度传感器52所划分的电压值以及由电阻R11和温度传感器53所划分的电压值提供给传感器电压输出电路31，该电路31是运算放大器。传感器电压输出电路31计算在由电阻R12和温度传感器52划分的电压值和由电阻R11和温度传感器53划分的电压值之间的差分电压，并且放大该差分电压。作为输出信号将该放大的差分电压提供给CPU 1。
因此，检测对应于尿素浓度的、在温度传感器52中的温升，而且将对应于含尿素水的存在/不存在以及含尿素水是否具有适当的尿素浓度的检测输出提供给CPU 1。
加热器驱动电路11用作发射极跟随器电路，其中晶体管22的集电极端连接到5V参考电源，基极端连接到运算放大器21而且它的发射极端连接到加热器电阻51。
加热器驱动电路11包括一个FET，该FET的栅极端被供有通过电阻R1和R2、运算放大器21和晶体管22提供的脉冲信号。运算放大器21将5V参考电源和来自晶体管22的输出电压进行比较，以控制要提供给晶体管22的电压。运算放大器21在它的输出端、通过电阻R5(100Ω)和电阻R4(100KΩ)连接到晶体管22的基极端。
运算放大器21还连接到产生8V电压的驱动电源。运算放大器21的负输入端通过电阻R7和R8(30KΩ)连接到地，它的正输入端通过电阻R3(50KΩ)和电阻R6(30KΩ)连接到FET的漏极端。
在晶体管22的发射极端侧，在与CPU1的另一个端的连接线上，提供了电阻R9(47KΩ)、电容器C2(0.01μF)、电阻R10(1KΩ)以及电容器C3(100pF)。
这样的加热器驱动电路11在每个预定周期中，从加热器驱动电路11施加3.45V电压到加热器电阻51长达例如预定周期。在这时候，CPU 1控制升压电路，以把5V电源转换为提供给运算放大器21的8V电源。同时，CPU1提供脉冲输出给FET，以便生成由运算放大器21和晶体管22降低的3.45V电压的电源。
因此，出现在含尿素水中的温度变化。依据尿素浓度的级别以及液体的存在/不存在，由温度传感器52、53检测该温度变化。该温度变化由CPU 1转换为尿素浓度。
如上所述构造的加热器驱动电路11通过将由升压电路从5V参考电源转换的8V电源连接到运算放大器21，来允许晶体管22稳定地进行操作。因此，依据这样的加热器驱动电路11，即使由于运算放大器21和晶体管22而出现电压下降，通过使用在升压电路中的8V电源，可以安全地将3.4V的预定电压提供给加热器电阻51。此外，在这个加热器驱动电路11中，因为由电源电路11转换的5V参考电源用作用于升压电路的电源，所以不必要考虑由于哔叽保护(serge protection)和电压下降所引起的损失。
连接到检测电路3的传感器块12包括连接到CPU 1的传感器电压输出电路31。对于传感器电压输出电路31，与电容器C15(1000pF)、电容器C16(1000pF)和电容器C17(0.1μF)并联，温度传感器53连接到该电路31的负端(IN-)而且温度传感器52连接到该电路31的正端(IN+)。因此，传感器块12连接到包含电阻R11、电阻R12、温度传感器52和温度传感器53的电桥电路。
此外，传感器电压输出电路31是连接到电容器C13(0.1μF)和电容器C14(0.1μF)以及电阻R11和电阻R12的放大器。电阻R13(4.02kΩ)连接到RG1端和RG2端。用于稳压的电容器C18(0.1μF)、电阻R14(68KΩ)和电阻R15(10KΩ)连接到REF端。因此，由温度传感器52、53检测的电压分别被提供给IN-端和IN+端。由连接到RG1端和RG2端的电阻R13调节传感器电压输出电路31的放大系数。
向这样的传感器电压输出电路31提供了所检测的信号，该信号对应于依据尿素浓度级别和液体的存在/不存在的、温度传感器52中的温度变化。因此，传感器电压输出电路31检测在输入到正端IN+的电压值和输入到负端IN-的电压值之间的差分电压，并且放大该差分电压，以便提供给CPU 1。CPU 1把该差分电压转换为尿素浓度信号。
在负端和温度传感器53之间连线上，传感器块12连接到输入电路13和监视电路14的两个输入***。这些输入电路13和监视电路14并联连接到在传感器电压输出电路31和温度传感器53之间的连线。
输入电路13包括通过电容器C21连接到CPU 1的运算放大器41；连接到运算放大器41的负端的电阻R21(47KΩ)、电容器C22(0.1μF)、电阻R22(27KΩ)以及电阻R23(12KΩ)；以及连接在运算放大器41的正端和传感器块12之间的电阻R24(10kΩ)。监视电路14包括从CPU 1侧开始、布置在CPU 1和传感器块12之间的电容器C31(100pF)、电阻R31(1KΩ)、电容器C32(0.01μF)和电阻R32(47KΩ)。
监视电路14通过检测由于监视电路14本身的导线断路而引起的故障，来检测输入电路13的故障。用这种方法，当检测到故障时，由CPU 1控制监视电路14和输入电路13，以便由CPU 1执行故障检测处理。
由CPU 1以如图2中所示的流程图执行故障检测处理。顺便提及，作为这个故障检测处理的前提，假定稍后描述的等候时间和确定时间充分短于直到完成输入改变为止所需要的时间。
当到达故障检测定时时，在步骤S1中，CPU 1获取输入电路13的A/D转换值A1，并且获取监视电路14的A/D转换值B1，其中A/D转换值A1通过传感器块12被提供给输入电路13并且通过运算放大器41输入到CPU 1，而且A/D转换值B1通过传感器块12提供给监视电路14并且输入到CPU 1。在这种情况下，CPU 1多次获取输入电路13的A/D转换值A1以及监视电路14的A/D转换值B1，以便获取输入电路13的A/D转换值A1和监视电路14的A/D转换值B1的平均值。
接下来，在步骤S2中，CPU 1将用于监视电路14的微型计算机端口切换为输出，以便产生H(高)信号或者L(低)信号。现在，CPU 1选择应该输入H信号和L信号中的哪个，以便提高后续处理中的异常(故障)检测准确度。在这种情况下，CPU 1在当已经将来自监视电路14的输出从H切换到L时的电压值改变和当已经将来自监视电路14的输出从L切换到H时的电压值改变之间，选择在一个电压范围内具有更大程度的改变，在该电压范围内，要在步骤S4检测的、在切换之后的输入电路13的模拟电压值可以被进行A/D转换。
在步骤S3中，CPU 1进行等待，直到在步骤S2中、用于监视电路14的微型计算机端口已经切换到输出之后，电压变得稳定在H电平或者L电平为止。
在步骤S4中，当电压在步骤S3中已经变得稳定时，CPU 1获取输入电路13的A/D转换值A2。现在，CPU 1获取输入电路13的A/D转换值A2多次，以便提供输入电路13的多个A/D转换值A2。
在步骤S5中，CPU 1将用于监视电路14的微型计算机端口切换为输入。在步骤S6中，CPU 1进行等待，直到在用于监视电路14的微型计算机端口已经被切换到输入之后、电压变得稳定为止。
在步骤S7中，CPU 1确定当从在切换之前的输入电路13的A/D转换值A1中减去在切换之后的输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值是否小于下限确定值。此外，在步骤S8中，CPU 1确定当从在切换之前的输入电路13的A/D转换值A1中减去在切换之后的输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值是否大于上限确定值。现在，下限确定值是在其中当已经将来自监视电路14的输出从L电平切换到H电平时，A/D转换值从A1下降到A2的情况下的值，并且被设置为例如大约40mV到200mV。上限确定值是在其中当已经将来自监视电路14的输出从H电平切换到L电平时，A/D转换值从A1下降到A2的情况下的值，并且被设置为例如大约-40mV到800mV。
如果在步骤S7中，确定当从切换之前的输入电路13的A/D转换值A1中减去切换之后的输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值小于下限确定值，或者在步骤S8中，当从切换之前的输入电路13的A/D转换值A1申减去切换之后的输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值大于上限确定值，则在步骤S9中，CPU 1确定已经在监视电路14中出现了异常(故障)。
用这种方法，在步骤S2中，在将监视电路14从输入状态切换到输出状态以输出处于H电平的信号以及处于L电平的信号的地方，CPU 1可以检测到已经产生了异常高的电压改变或者异常低的电压改变。因此，如果当从输入电路13的A/D转换值A1中减去输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值不满足上限确定值和下限确定值的范围，则CPU 1可以检测到已经在监视电路14中出现了诸如导线断路或者短路之类的故障，由此，已经出现了输入电路13的故障。
另一方面，如果在步骤S7中，确定当从切换之前的输入电路13的A/D转换值A1中减去切换之后的输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值不小于下限确定值，或者在步骤S8中，当从切换之前的输入电路13的A/D转换值A1中减去切换之后的输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值不大于上限确定值，则CPU 1继续进行步骤S10中的处理。在步骤S10中及以下等等中的处理是用于提高故障检测处理中的检测准确度的处理。
在步骤S10中，当在步骤S5中、监视电路14从输出状态切换到输入状态时，CPU 1获取输入电路13的A/D转换值A3，以及监视电路14的A/D转换值B2。此刻，在步骤S6中已经完成的定时处，将输入电路13的A/D转换值A3先前存储在存储器(未显示)中。CPU 1获取输入电路13的A/D转换值A3以及A/D转换值B2多次，以预先获得它们的平均值。
在步骤S11中，CPU 1确定当从输入电路13的A/D转换值A3中减去输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值是否小于下限确定值。此外，在步骤S12中，CPU 1确定当从输入电路13的A/D转换值A3中减去输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值是否大于上限确定值。此时，将上限确定值和下限确定值设置为与步骤S7中和步骤S8中所设置的值相同。
如果确定当从输入电路13的A/D转换值A3中减去输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值小于下限确定值，或者当从输入电路13的A/D转换值A3中减去输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值大于上限确定值，则在步骤S13中，CPU 1确定已经在监视电路14中出现了异常(故障)，由此完成该处理。
用这种方法，在步骤S5中，通过将监视电路14从输出状态切换到输入状态，CPU 1可以检测出已经产生了异常高的电压改变或者异常低的电压改变。因此，如果当从输入电路13的A/D转换值A3中减去输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值不满足上限确定值和下限确定值的范围，则CPU 1可以检测到已经在监视电路14中出现了诸如导线断路或者短路之类的故障，由此，已经出现了输入电路13的故障。
另一方面，如果在步骤S11中，确定当从输入电路13的A/D转换值A3中减去输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值不小于下限确定值，或者在步骤S12中，当从输入电路13的A/D转换值A3中减去输入电路13的A/D转换值A2时所留下的值不大于上限确定值，则CPU 1继续进行步骤S14中的处理。
在步骤S14中，CPU 1确定当从输入电路13的A/D转换值A1中减去输入电路13的A/D转换值A3时所留下的绝对值是否大于容许值。此外，在步骤S15中，CPU 1确定当从监视电路14的A/D转换值B1中减去监视电路14的A/D转换值B2时所留下的绝对值是否大于容许值。用这种方法，CPU 1确定在监视电路14从输出状态恢复到输入状态的前后、输入电路13的A/D转换值是否在容许范围之内，以及监视电路14的A/D转换值是否在容许范围之内。容许值的范围可以是相同的值。但是在输入电路13中的A/D转换中的误差和在监视电路14中的A/D转换中的误差为不同的地方，可以使用不同的容许值用于输入电路13和监视电路14。
如果在步骤S14中确定当从输入电路13的A/D转换值A1中减去输入电路13的A/D转换值A3时所留下的绝对值大于容许值的话，则CPU 1确定已经在输入电路13中出现了异常(故障)，并且CPU 1继续进行步骤S16中的处理。此外，如果在步骤S15中确定当从监视电路14的A/D转换值B1中减去监视电路14的A/D转换值B2时所留下的绝对值大于容许值的话，则CPU 1确定已经在监视电路14中出现了异常(故障)，并且继续进行步骤S16的处理。
因此，如果在监视电路14从输入状态切换到输出状态并且随后监视电路14从输出状态恢复到输入状态的前后，A/D转换值在不容许的范围内，则可以确定已经在输入电路13或者监视电路14中出现了故障。
顺便提及，上述实施例是用于本发明的示例。因此，这是无需说明的，即本发明不应该受限于上述实施例，而是可以在未背离本发明技术概念的范围内、依据设计以各种修改实现。
本申请要求于2004年10月29日提交的日本专利申请第2004-316094号的优先权，该优先权申请的内容通用引用全部并入在此。与本申请的提交一起提出了这个优先权声明。

Claims (3)

1、一种故障检测设备，包含：
与用来检测各种改变的检测电阻相连接的输入电路，用于检测该检测电阻的阻抗；
与输入电路并联连接的监视电路，用于监视输入电路的故障；以及
被提供了由输入电路检测到的检测电阻的阻抗的控制部件，在检测监视电路的故障中，在从监视电路接收信号的输入状态和将该信号发送到监视电路的输出状态之间切换它的状态，其中
在检测该监视电路的故障中，控制部件将监视电路从输入状态切换到输出状态，并且如果在将监视电路从输入状态切换到输出状态之前的输入电路的A/D转换值和在已经将监视电路从输入状态切换到输出状态之后的输入电路的A/D转换值之间的差值不在预定范围之内，则确定该监视电路出故障了。
2、如权利要求1所述的故障检测设备，其中，
控制部件在已经将监视电路从输入状态切换到输出状态之后，将监视电路从输出状态恢复到输入状态，并且如果在将监视电路从输出状态恢复到输入状态之前的输入电路的A/D转换值和在已经将监视电路从输出状态恢复到输入状态之后的输入电路的A/D转换值之间的差别不在预定范围之内，则确定该监视电路出故障了。
3、如权利要求2所述的故障检测设备，其中，
如果在将监视电路从输入状态切换到输出状态之前的输入电路的A/D转换值和在已经将监视电路从输出状态恢复到输入状态之后的A/D转换值之间的差值不在预定范围之内，或者如果在将监视电路从输入状态切换到输出状态之前的监视电路的A/D转换值和在已经将监视电路从输出状态恢复到输入状态之后的监视电路的A/D转换值之间的差值不在预定范围之内，则控制部件确定该监视电路出故障了。
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