CN108956862B - 用于识别在传感器中断开线路的出现的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于识别在传感器中断开线路的出现的方法，其中，传感器具有用于检测流体的介质——尤其内燃机的废气——的至少一个特性的传感器元件。此外，传感器包括加热元件，加热元件仅仅在至少一个时间段期间以加热功率加载传感器元件，其中，传感器元件在所述时间段期间产生至少一个第一测量信号并且在所述时间段以外产生至少一个第二测量信号。通过以下方式识别在传感器中断开线路的出现：至少一个第二测量信号在阈值之内相应于至少一个第一测量信号。此外，本发明涉及一种计算机程序、一种电子存储介质和一种电子控制单元，计算机程序设置用于执行所述方法的步骤，在电子存储介质上存储计算机程序，电子控制单元包括电子存储介质。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于识别在传感器中断开线路的出现的方法。在这里，所述方法针对在用于检测流体的介质——尤其内燃机的废气——的至少一个特性的传感器中的应用。此外，本发明涉及一种计算机程序、一种电子存储介质和一种电子控制单元，所述计算机程序设置用于执行所提到的方法的步骤，在所述电子存储介质上存储有所述计算机程序，所述电子控制单元包括所述电子存储介质。
背景技术
从现有技术已知用于检测流体的介质的至少一个特性、尤其用于证实气体或者颗粒在气体混合物中的至少一个份额的方法和传感器。以下，在没有另外的可能的构型的限制的情况下基本上参照这样的传感器来描述本发明，所述传感器用于定量地和/或定性地检测气体或者颗粒在气体混合物中的至少一个份额、尤其部分压力和/或体积份额和/或质量份额。尤其在机动车领域中，气体可以涉及内燃机的废气。λ探测器、NOx传感器、SOx传感器、COx传感器或者颗粒传感器可以作为用于检测气体份额的传感器使用。例如在Reif，K.,Deitsche、K.-H.等人所著的“Kraftfahrtechnisches Taschenbuch”(Springer Vieweg，威斯巴登，2014年，第1338-1347页)中描述了这类传感器。
λ探测器、尤其一般的λ探测器将两种物质流、尤其氧气流在两个体积之间调到平衡，所述两个体积可以是在装置之外的气体室或者在装置中的空腔。在这里，物质流中的一种由浓度差推动越过扩散屏障。通过固体电解质和两个电极、尤其两个泵电极、由所施加的泵电流控制地推动另一种物质流。在此，优选如此调节泵电流，使得在空腔中调整恒定的和非常小的氧气浓度。越过扩散屏障的浓度特征通过在空腔中的恒定的调节点、尤其通过引起氧气浓度的恒定期望压力以及通过废气侧的氧气浓度明确唯一地确定。氧气分子从测量气体室到空腔的流入相应于该明确唯一的浓度特征地进行调节并且相应于(entspricht)所调节的泵电流。因此，泵电流可以作为用于在测量气体室中的氧气浓度的、尤其用于在废气侧邻近的氧气浓度的测量值使用。
此外，已知在存在分子氧的情况下用于通过检测由具有结合氧的测量气体成分——尤其氮氧化物NOX、硫氧化物SOX、碳氧化物COX——的还原而产生的氧气的份额来证实具有结合氧的测量气体成分在气体混合物中、尤其在内燃机的废气中的至少一个份额的方法和传感器。EP 0769693A1公开了一种用于在分子氧、尤其通过借助于适合用于还原的目的的催化剂还原氮氧化物NOx引起的分子氧存在的情况下通过检测由于具有结合氧的测量气体成分的还原而产生的氧气的份额来证实具有结合氧的测量气体成分、尤其氮氧化物NOX在气体混合物中的至少一个份额的方法和NOX传感器。传感器包括第一泵单元，所述第一泵单元贴靠在第一空腔上，所述第一空腔与测量气体室处于连接中，其中，第一泵单元用于从第一空腔运输氧气，由此，在第一空腔中调整较小的氧气部分压力。此外，传感器包括参考单元，该参考单元贴靠在参考气体室上并且所述参考单元用于如此从第二空腔运输氧气，使得可以如此调节在第二空腔中的大气中的氧气部分压力，使得氧气部分压力具有一个值，该值基本上不损害测量气体成分的份额的检测。最后，传感器包括第二泵单元，该第二泵单元贴靠在第二空腔上，其中，贴靠在第二空腔上的电极尤其通过为此引入到电极中的催化剂设置用于还原或者分解在导入到第二空腔中的大气中的、具有结合氧的测量气体成分、优选氮氧化物NOx。通过还原或者分解在第二空腔中的测量气体成分而产生的氧气——所述氧气优选来自于氮氧化物NOx的还原——借助于第二泵电流运输到参考气体室中并且借助于一值证实其份额，第二泵电流被调节到该值上。因此，借助于相继地布置的至少三个泵单元的级联可以在测量气体室中确定氮氧化物NOx在气体混合物中的份额，所述气体混合物除了氮氧化物NOx之外此外也包括氧气。
在这里必需的是，布置在传感器中的传感器元件在测量值的记录期间已经达到运行温度——在NOX传感器的情况下所述运行温度具有600℃至800℃的值，因为对于以下情况尤其部分地强烈地损害由传感器元件检测的测量值的准确性，所述情况即为：对于相关的传感器，运行温度还未达到或者运行温度不能够保持在预给定的极限之内。因此，传感器优选具有可控制的至少一个加热元件，其设置用于将传感器元件带至运行温度上并且将传感器元件的温度保持在预给定的极限之内。
法规要求，用于定量和/或定性地检测气体或者颗粒在内燃机的废气中的至少一个份额的这类传感器经受持续的监视。在这里，监视尤其必须设置用于，能够识别在一方面传感器元件和另一方面电池或者地之间的电连接中的短路(英语：short circuit)和/或断开线路(英语：open circuit)。在这里，尤其规定：监视(如果在技术上可能)以至少2Hz的扫描速率进行。
尤其在NOX传感器中和在颗粒传感器中，此法规上的要求构成高的技术挑战，因为在这种类型的传感器中的传感器典型地示出在零附近的非常小的传感器信号，因为在被清理的废气中既没有NOX分子又没有颗粒以值得一提的份额存在。由于该状况，非常小的传感器信号实际上几乎不能够与断开线路相区别。因此，在NOX传感器的情况下，断开线路的出现识别通常通过在传感器起动时一次性地强制电流流经传感器来进行。如果在这里可以证实电流，则可以排除断开线路。然而，以此方式不能够满足在上面提到的要求：传感器的监视以至少2Hz的扫描速率进行。此外，在传感器运行期间强制电流流经传感器由于以下而是不利的：由此损害传感器的测量能力并且此外需要较长的时间直到传感器又可应用在固定的区域中，所述较长的时间典型地可以是20s。因为NOX传感器设置用于也能够非常敏感地证实气体份额的小的改变，所以该缺点也保持存在，即使使强制的电流保持非常小。
发明内容
因此，本发明涉及具有独立权利要求的特征的、一种用于识别在传感器中断开线路的出现的方法、一种计算机程序、一种电子存储介质和一种电子控制单元，所述计算机程序设置用于执行所述方法的步骤，在所述电子存储介质上存储有这类计算机程序，所述电子控制单元包括这类电子存储介质。从属权利要求描述所述方法的有利的扩展方案。
为执行所述方法而使用的传感器包括传感器元件，所述传感器元件设置用于检测优选具有一开始描述的特性的流体介质——尤其内燃机的废气的至少一个特性。在这里，传感器元件尤其设置用于产生多个测量信号，由所述多个测量信号可以确定流体介质的至少一个特性。在这里，传感器尤其涉及λ探测器、NOX传感器、SOX传感器、COX传感器或者颗粒传感器，其中，NOX传感器和颗粒传感器是特别优选的。为此，对于在相应的传感器元件方面的另外的细节，参照以上的描述和现有技术。
此外，为了执行所述方法而使用的传感器包括可控制的至少一个加热元件，所述至少一个加热元件设置用于，在至少一个时间段期间以所选择的加热功率加载传感器元件。因此，加热元件尤其用于，将传感器元件通过以加热功率加载来带至运行温度——在NOX传感器的情况下所述运行温度可以具有600℃至800℃——上并且在运行温度时保持传感器元件的温度在预给定的极限之内。以此方式能够实现由传感器元件检测的测量值的尽可能高的准确性。
在所述时间段以外，停止传感器元件的以所选择的加热功率的加载。在不进行一般性的限制的情况下，作为对于此的原因，可以规定，尤其NOX传感器和颗粒传感器作为所谓的“高Z传感器”通常配备有传感器线路的高的绝缘电阻。但是，因为由传感器元件检测的测量信号非常小，尽管绝缘电阻高，仍可能出现存在于加热元件上的加热电压对由传感器元件检测的测量信号的串扰。通过加热元件和加热元件的所属的运行可以因此产生传感器、尤其NOX传感器和颗粒传感器的测量信号的干扰。该现象通常被概括为加热器耦合(HEK)。在各个情况下，加热器耦合可能具有这样的范围：测量信号不再能够满足预给定的规范。为了防止这类作用，因此在一种优选的构型中，仅仅分析处理以下测量信号：在所提到的时间段以外、即当传感器元件的以所选择的加热功率的加载停止时检测所述测量信号。
在一种优选的构型中，加热元件可以借助于所选择的加热周期运行，特别优选地借助于经脉宽调制的控制来运行。然而，不同类型的加热周期也是可能的。在这里，“脉宽调制”的概念(也简称：“PWM”)表示控制的一种方式，所述方式规定具有多个彼此相继的第一持续时间和第二持续时间的周期。为此，一方面，在第一持续时间(所述第一持续时间在当前的周期中也可以称作“PWN＝ON(开)”)期间，由加热元件以加热功率加载传感器元件；然而另一方面在第二持续时间(所述第二持续时间在当前的周期中也可以称作“PWN＝OFF(关)”)期间，传感器元件的以加热功率的加载停止。尤其可以由此设置脉宽调制，其方式是，在第一持续时间期间以完全的电池电压加载加热元件，并且在第二持续时间期间不以电压加载加热元件，从而加热元件仅仅在第一持续时间期间可以以加热功率加载传感器元件。
对于经脉宽调制的控制，可以确定在相应的第一持续时间——即当所属的周期进入具有“PWN＝ON”的区域中时——之间的重复率。尤其为了满足以上提到的、用于识别在传感器中断开线路的出现的预给定，优选可以将重复率调整到至少2Hz的值上。然而，可以考虑用于重复率的其他值，用于经脉宽调制的控制的典型值位于20Hz至300Hz的范围内。
本发明能够实现，以以下描述的方式实施在传感器中断开线路的出现的识别。为此，传感器可以具有多个电线路、尤其分别具有这样的电线路：所述电线路使传感器元件与电源、尤其电池或者蓄电池并且与地、尤其机动车的地处于连接中。另外的导线可以大致用于，控制传感器元件或者传感器元件的一部分和/或从传感器元件读取测量值。在这里，概念“断开线路”——所述“断开线路”也可以称作“中断的线路”——涉及以下电线路：所述电线路可能在任何一个点上中断并且因此不能够构成闭合的电流回路。因此，在断开线路出现的情况下，根据相关的电线路的中断的类型和/或位置，传感器可能不实施、仅仅不充分地实施或者以至少部分地有错误的方式实施分配给它的测量任务。在这里，概念“出现”涉及断开线路在传感器中的实际的存在或者不存在。在这里，概念“识别”表示以下过程：所述过程可以尽可能明确地证实断开线路在传感器中的出现或者不出现。在一种优选的构型中，在这里，向电子控制单元和/或使用者输出在传感器中断开线路的出现，由此尤其可以触发应对措施。
为了确定在传感器中断开线路的出现，首先提出，传感器元件产生至少一个第一传感器信号和至少一个第二传感器信号。在这里，在所述时间段期间、尤其在至少一个第一时间段期间检测至少一个第一传感器信号，在所述至少一个第一时间段中，所属的周期在加热元件的经脉宽调制的控制中位于具有“PWN＝ON”的区域中。与之相对地，在所述时间段以外、尤其在至少一个第二时间段期间检测至少一个第二传感器信号，在所述至少一个第二时间段中，所属的周期在加热元件的经脉宽调制的控制中位于具有“PWN＝OFF”的区域中。
此外提出，通过以下方式证实在传感器中断开线路的出现：至少一个第二传感器信号在一阈值之内相应于至少一个第一传感器信号。为此，优选可以形成在至少一个第一传感器信号和至少一个第二传感器信号之间的差并且检验，所述差是否位于所述阈值之下，这相应于在传感器中断开线路的出现。然而，如果所述差位于阈值以上，则不能够证实在传感器中断开线路的出现。然而，在测量信号的两种类型之间的比较的不同的方式是可能的。此外，在差形成之前，测量信号可以首先经受处理、尤其滤波，例如以便能够实现噪声的更好的抑制。在这里，概念“阈值”表示一规定的值，在低于或者超过所述规定的值的情况下出现规定的结果。在当前的情况下，所提到的差低于阈值相应于在传感器中断开线路的出现，而所述差超过阈值证实断开线路在传感器中不出现。在这里，阈值可以具有高度，本领域技术人员可以在没有特别的提示的情况下基于简单的试验规定所述高度。例如，阈值可以具有50至100nA的值。
可以通过传感器的工作原理的以上的描述的应用来理解所提出的方法。在通过加热器耦合引起的干扰出现时，可以由此出发：由传感器元件产生的测量信号在所述时间段期间、即在周期中在PWM＝ON的情况下至少平均位于更高的位置。然而，仅仅当线路是有功能的(即，在传感器的线路上不存在断开的位置)时，才可能出现通过加热器耦合引起的干扰。与之相反，加热器耦合在断开线路中不能够导致测量信号的干扰，从而测量信号在这种情况下在所述时间段之内或者以外不能够由于加热器耦合而改变。
在一种特别的构型中，可以在多个第一测量信号和多个第二测量信号之间形成所提到的差。为此，尤其分别在所述时间段期间——即在周期中在PWM＝ON的情况下——可以记录多个第一测量信号。同样地，尤其分别在所述时间段以外——即在周期中在PWM＝OFF的情况下——可以记录多个第二测量信号。在这里，可以从相应的测量值中的多个创建平均值并且将其进行相互比较。然而，分析处理的不同的方式是可能的。
在一种特别的构型中，可以在分别恰好一个第一测量信号和恰好一个第二测量信号之间形成多个差，其中，在所述时间段以外的恰好一个第二测量信号可以在时间上跟随在所述时间段之内的恰好一个第一测量信号之后。可以由所述差中的多个求取共同的平均值，其中，对于所述差的共同的平均值位于阈值之下的情况，可以识别在传感器中断开线路的出现。
与所述方法的构型无关地，可以以非常高的重复率完成在传感器中断开线路的出现的这一种识别，其中，原则上，在一定程度上连续的识别是可能的，所述识别可以仅仅取决于传感器元件的测量速率。附加地，此外，也可以通过尤其在传感器起动时或者在传感器的两个测量阶段之间强制电流流经传感器来进行根据以上描述的方法的独立的证实，所述方法尤其可以用于能够排除基于所述方法的单独的使用而可能的错误探测。
在一个另外的方面中，本发明包括一种计算机程序，所述计算机程序设置用于执行所描述的方法的步骤。
在一个另外的方面中，本发明包括电子存储介质，所述电子存储介质设置用于存储如此配备的计算机程序。
在一个另外的方面中，本发明包括电子控制单元，所述电子控制单元设置用于，包括电子存储介质，在所述电子存储器介质上存储有计算机程序，所述计算机程序设置用于，执行所描述的方法的步骤。
附图说明
在附图中示出并且在以下的描述中详细地阐述本发明的优选的实施例。在这里示出：
图1根据加热周期(图1C)对于具有有功能的线路的传感器(图1A)或者对于具有至少一个断开线路的传感器(1B)示出传感器的行为的示意性示图；
图2由NOX传感器组成的经滤波的测量信号的变化曲线的示意性示图；
图3用于执行所述方法的一个优选的实施例；
图4在加热周期中在两个测量信号之间切换时在传感器中的两个彼此相继的测量信号的第二个测量信号的示意性示图；以及
图5用于执行所述方法的另外的优选的实施例。
具体实施方式
图1以NOX传感器为例示出用于所述方法的执行的优选的实施例，所述NOX传感器具有用于检测流体的介质的、尤其内燃机的废气的至少一个特性的传感器元件和至少一个加热元件。然而，其他类型的传感器、尤其颗粒传感器也是可能的。
如在图1C中示出的那样，借助于加热周期110加载传感器元件，其中，在这里示意性地示出的加热周期110相应于加热元件的控制的脉宽调制(PWN)112。然而，不同类型的加热周期也是可能的。在这里使用的脉宽调制112中，在第一持续时间114(所述第一时间段也称作“PWN＝ON”)期间，由加热元件以加热功率加载传感器元件，其中，在第二持续时间116(所述第二时间段也称作“PWN＝OFF”)期间，传感器元件的以加热功率的加载停止。脉宽调制112尤其可以由此设置，其方式是，在第一持续时间114期间以完全的电池电压(在这里以12V)加载加热元件，然而在第二持续时间116期间不以电压(即以0V)加载加热元件。对于脉宽调制112，可以通过选择在两个彼此相继的第一持续时间114之间的时间间隔118来确定重复率，尤其为了满足以上所提到的、用于识别在传感器中断开线路的出现的预给定，可以将所述重复率调整到最高2Hz上。然而，可以考虑用于重复率的其他值，直到测量信号的在一定程度上连续的检测。
图1A对于具有有功能的线路的传感器、即对于不具有断开线路的传感器示出测量信号的第一时间变化曲线120。在这里，在具有PWN＝ON的第一持续时间114之内记录的第一测量信号122以“o”表示，而在具有PWN＝OFF的第二持续时间116之内记录的第二测量信号124以“x”表示。明显可看到，第一测量信号122的第一信号高度126和第二测量信号124的第二信号高度128相互明确地相差差Δ，所述第一信号高度大致位于10ppm NOx的值处，所述第二信号高度大致位于0ppmNOx的值处。如以上示出的那样，在第一信号高度126和第二信号高度128之间的该差可以归因于施加在加热元件上的加热电压对由传感器元件检测的测量信号的串扰，由此，可能产生NOX传感器的测量信号的干扰，所述干扰通常称作加热器耦合(HEK，Heizereinkopplung)。
与之相反地，图1B示出用于有故障的传感器的示例性的第二时间变化曲线130，在所述有故障的传感器中存在断开线路。由此得出，至少一个第二测量信号124在一阈值132之内相应于至少一个第一测量信号122；在图1A中可看出的、加热器耦合的现象在这里不可看出。在这里，阈值可以例如具有50nA至100nA的值。
图2示出来自NOX传感器的经滤波的第一测量信号122在时间t上的时间变化曲线的示意性示图，所述NOX传感器具有有功能的线路。在这里，根据第一曲线136(所述第一曲线仅仅示出具有PWN＝ON的第一测量信号122)的测量信号和根据第二曲线138(所述第二曲线仅仅示出具有PWN＝OFF的第二测量信号124)的测量信号相互分开，其中，在该类型的示图中，第一信号高度126也与第二信号高度128明显地相差差Δ。
在根据图1A的第一变化曲线120和根据图1B的第二变化曲线130之间的差可以相应于所述方法地用于识别在传感器中断开线路的出现。
在相应于第一流程图138的第一实施方案中，如从图3得知的那样，多个测量信号140可以被检测并且根据加热周期110位于脉宽调制112的哪个部分(即在PWN＝ON时或者PWN＝OFF时)中的决定142来分别被分配给一个组(Kohorte)并且在这里优选分别经受滤波144。如以上所示出的那样，在这里仅仅将在PWN＝OFF时记录的第二测量信号124作为传感器信号146使用。在用于PWN＝ON或者PWN＝OFF的两个组的测量信号140之间产生在测量信号140之间的差Δ。如此获得的差Δ可以在比较单元148中与阈值132比较。由此可以求取并且输出诊断结果150，所述诊断结果对于第一种情况——在所述第一种情况下差Δ位于阈值132之下——能够表明：传感器具有至少一个断开线路，并且对于第二种情况——在所述第二种情况下，差Δ位于阈值132以上——能够表明：传感器具有有功能的线路。因此，根据传感器元件的测量速率，可以以非常高的重复率进行在传感器中断开线路的出现的识别，其中，在一定程度上连续地输出诊断结果150基本上是可能的。
图4示意性地示出在NOX传感器中的两个彼此相继的测量信号中的第二测量信号的示图，其中，在这两个测量信号之间发生在加热周期110中从PWN＝ON至PWN＝OFF的切换。对于第一种情况——在所述第一种情况下传感器具有至少一个断开线路，稍后记录的测量信号152与之前记录的测量信号154位于相同的位置上，而对于第二种情况——在所述第二种情况下传感器具有有功能的线路，稍后记录的测量信号156比之前记录的测量信号154具有高出差Δ的信号值158。
基于根据图4的示图，在根据图5的第二实施方案中，为了检测在传感器中断开线路的出现，可以相应于第二流程图160地检测两个彼此相继的、单独的测量信号140，其中，在这两个测量信号140之间发生在加热周期110中从PWN＝ON至PWN＝OFF的切换162。紧接着，形成在两个彼此相继的测量信号140之间的差Δ。由多个这样形成的差Δ可以确定平均值164，所述平均值可以在比较单元148中与阈值132比较。在这里，也可以输出诊断结果150，所述诊断结果对于第一种情况——在所述第一种情况下差Δ位于阈值132之下——能够表明：传感器具有至少一个断开线路，并且对于第二种情况——在所述第二种情况下差Δ位于阈值132以上——能够表明：传感器具有有功能的线路。因此，在这里，也可以以非常高的重复率进行在传感器中断开线路的出现的识别。
Claims (11)
1.一种用于识别在传感器中断开线路的出现的方法，其中，所述传感器具有用于检测流体的介质的至少一个特性的传感器元件和至少一个加热元件，其中，所述加热元件仅仅在至少一个时间段期间以加热功率加载所述传感器元件，其特征在于，所述传感器元件在所述时间段期间产生至少一个第一测量信号(122)并且在所述时间段以外产生至少一个第二测量信号(124)，其中，通过以下方式识别在所述传感器中断开线路的出现：所述至少一个第二测量信号(124)在阈值(132)之内相应于所述至少一个第一测量信号(122)，其中，在所述至少一个第一测量信号(122)和所述至少一个第二测量信号(124)之间形成差(Δ)，并且，所述差(Δ)位于所述阈值(132)之下。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使所述至少一个第一测量信号(122)和所述至少一个第二测量信号(124)首先经受滤波(144)，并且接着，在所述至少一个第一测量信号(122)和所述至少一个第二测量信号(124)之间形成所述差(Δ)。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，在多个第一测量信号(122)和多个第二测量信号(124)之间形成所述差(Δ)。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，在分别恰好一个第一测量信号(122)和恰好一个第二测量信号(124)之间形成多个差(Δ)，并且，由多个所述差(Δ)求取平均值(164)，其中，在所述时间段以外的恰好一个第二测量信号(124)在时间上跟随在所述时间段之内的恰好一个第一测量信号(122)之后，其中，所述差(Δ)的平均值(164)位于所述阈值(132)之下。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，借助于加热周期(110)控制所述加热元件，其中，所述加热周期(110)包括经脉宽调制的控制，所述控制规定多个彼此相继的第一持续时间(114)和第二持续时间(116)，其中，所述加热元件在所述第一持续时间(114)期间以加热功率加载所述传感器元件，其中，所述加热元件在所述第二持续时间(116)期间不以加热功率加载所述传感器元件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述经脉宽调制的控制具有至少2Hz的重复率。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述传感器元件分别通过至少一个电线路与电源处于连接中并且与地处于连接中。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，向电子控制单元和/或使用者输出在所述传感器中断开线路的出现。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流体的介质是内燃机的废气。
10.一种电子存储介质，在所述电子存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序设置用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。
11.一种电子控制单元，所述电子控制单元包括根据权利要求10所述的电子存储介质。
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