CN111133281A - 用于控制用于加热车辆的空气质量传感器的传感器元件的加热元件的方法和设备以及用于车辆的空气质量传感器系统 - Google Patents

用于控制用于加热车辆的空气质量传感器的传感器元件的加热元件的方法和设备以及用于车辆的空气质量传感器系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于控制加热元件的方法，该加热元件用于加热车辆的空气质量传感器(102)的传感器元件，其中，所述空气质量传感器(102)具有用于测量所述传感器元件的温度的温度探测器。在所述方法中，对在车辆运行期间在使用所述温度探测器的情况下记录的温度变化过程进行分析处理，以便识别在所述传感器元件上的结露。响应于对结露的识别，在另一步骤中产生用于接通所述加热元件的接通信号(132)。

Description

用于控制用于加热车辆的空气质量传感器的传感器元件的加 热元件的方法和设备以及用于车辆的空气质量传感器系统
技术领域
本发明从根据独立权利要求的类别的一种设备或一种方法出发。本发明的主题还是一种计算机程序。
背景技术
在车辆的空气系统中，空气质量测量计可以连接在空气过滤器的后面，以便准确地确定空气质量流。通常使用微机械硅基传感器元件作为测量元件。在确定的运行状态中，在传感器元件上可能会形成露(Tau)，这可能导致错误测量。
发明内容
在此背景下，借助在此提出的方案，根据独立要权利要求提出一种用于控制用于加热车辆的空气质量传感器的传感器元件的加热元件的方法、一种使用该方法的设备、一种用于车辆的空气质量传感器系统以及一种相应的计算机程序。通过在从属权利要求中列举出的措施，可以实现在独立权利要求中说明的设备的有利的扩展方案和改善方案。
提出一种用于控制加热元件的方法，该加热元件用于加热车辆的空气质量传感器的传感器元件，其中，该空气质量传感器具有用于测量传感器元件的温度的温度探测器，其中，该方法包括以下步骤：
对在车辆运行期间在使用温度探测器的情况下记录的温度变化过程进行分析处理，以便识别传感器元件上的结露(Taubildung)；
响应于对结露的识别，产生用于接通加热元件的接通信号。
加热元件例如可以理解为例如电阻加热器形式的芯片加热器。传感器元件例如可以理解为用于测量空气质量流的微机械传感器元件。空气质量传感器例如可以理解为热膜式或热线式空气质量测量计，所述热膜式或热线式空气质量测量计放置在车辆的柴油发动机或汽油发动机的进气系统中。温度变化过程可以涉及用于随时间示出传感器元件的温度变化的温度曲线。例如可以在车辆开始运行时、尤其在车辆的发动机启动时由温度探测器记录温度变化过程。尤其可以在将空气吸入到车辆的空气系统中期间记录温度变化过程。结露例如可以理解为由于环境温度的波动而在传感器元件的表面上的冷凝物的沉积。例如，可以在分析处理中将温度变化过程的斜率变化过程与至少一个合适的分析处理参数(例如参考变化过程、温度阈值或绝对温度值)进行比较，以便根据该比较的结果来识别结露。
在此提出的方案基于以下认知：可以根据传感器元件的在测量运行期间求取的温度变化过程来如此操控用于加热空气质量传感器的传感器元件的芯片加热器，使得可以通过对传感器元件的及时加热来防止在传感器元件上的结露。
这种基于算法的冷凝保护可以有效地避免错误测量。
根据一种实施方式，可以在分析处理的步骤中求取温度变化过程的斜率，以便根据该斜率来识别结露。由此可以可靠地识别结露。
根据另一实施方式，在分析处理的步骤中，可以将温度变化过程的斜率与至少一个阈值、代表绝对温度的至少一个绝对值、至少一个参考变化过程或由上述分析处理参数中的至少两个构成的组合进行比较，以便识别结露。参考变化过程例如可以理解为在环境温度升高、但在传感器元件上没有结露的情况下的传感器元件的温度跃变。由此可以以相对较少的计算开销足够准确地识别结露。
此外有利的是，在分析处理的步骤中，如果温度变化过程在预给定的分析处理时间段内具有比参考变化过程更大的斜率，则识别出结露。由此可以特别简单且可靠地识别结露。
此外，在分析处理的步骤中，可以对响应于车辆发动机的启动或在运行中在使用温度探测器情况下记录的温度变化过程进行分析处理。由此可以在发动机启动时识别出结露，并且因此可以提前防止传感器元件的后续功能故障。
可以在产生的步骤中产生接通信号，以便在车辆运行期间接通加热元件。由此可以在车辆的运行期间(即在发动机运转时)防止结露。
该方法可以包括通过对温度信号进行滤波来记录温度变化过程的步骤，该温度信号由温度探测器在车辆运行期间产生并代表传感器元件的温度。在此，尤其可以对该温度信号进行低通滤波。由此可以减少测量误差。
此外，可以在产生的步骤中产生关断信号，该关断信号用于在预给定的接通持续时间之后关断加热元件，然而该加热元件在预给定的接通持续时间期间接通。由此可以防止传感器元件的热负荷过大。
根据另一实施方式，可以在确定的步骤中根据以下测量参量来确定接通持续时间：由传感器元件测量的空气质量流、传感器元件的由温度探测器测量的初始温度、传感器元件的由温度探测器测量的当前温度或上述测量参量中的至少两个的组合。通过该实施方式，可以显著提高该方法的准确性和该方法相对于环境影响的稳健性。
该方法例如可以以软件或硬件或者以软件和硬件的混合形式(例如在控制设备中)实现。
在此提出的方案还提出一种设备，该设备构造用于在相应的装置中执行、操控或实施在此提出的方法的变型方案的步骤。通过本发明的这种设备形式的实施变型方案，也可以快速并且高效地解决本发明所基于的任务。
为此，该设备可以具有：用于处理信号或数据的至少一个计算单元、用于存储信号或数据的至少一个存储单元、用于从传感器读取传感器信号或将数据信号或控制信号输出到执行器的至传感器或执行器的至少一个接口和/或用于读取或输出嵌入到通信协议中的数据的至少一个通信接口。计算单元例如可以是信号处理器、微控制器等，其中，该存储单元可以是闪存、EPROM或磁性存储单元。通信接口可以构造用于无线地和/或有线地读取或输出数据，其中，可以读取或输出有线数据的通信接口例如可以电学地或光学地从相应的数据传输线路中读取数据或将数据输出到相应的数据传输线路中。
在本文中，设备可以理解为电设备，该点设备处理传感器信号并根据该传感器信号来输出控制信号和/或数据信号。该设备可以具有可以以硬件形式和/或软件形式构造的接口。在硬件形式的构造中，所述接口例如可以是所谓的系统专用集成电路的一部分，该部分包含该设备的各种各样的功能的。然而，该接口也可以是独立的集成电路或至少部分地由分立的构件组成。在软件形式的构造中，该接口例如可以是软件模块，该软件模块例如和另外的软件模块存在于微控制器上。
在一种有利的构型中，通过该设备控制车辆。为此，该设备例如可以访问传感器信号(例如加速度信号、压力信号、转向角信号或环境传感器信号)。通过诸如制动执行器或转向执行器的执行器或车辆的发动机来进行操控。
此外，在此提出的方案提出一种用于车辆的空气质量传感器系统，其中，该空气质量传感器系统具有以下特征：空气质量传感器，该空气质量传感器具有用于测量空气质量流的传感器元件、用于测量传感器元件的温度的温度探测器以及用于加热传感器元件的加热元件；根据上述实施方式的设备。
也有利的是一种具有程序代码的计算机程序产品或计算机程序，所述程序代码可以存储在诸如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器的机器可读的载体或存储介质上，并且所述程序代码用于尤其当在计算机或设备上实施所述程序产品或程序时执行、实施和/或操控根据上述实施方式中任一项所述的方法的步骤。
附图说明
在附图中示出并且在以下描述中进一步阐述本发明的实施例。附图示出：
图1示出根据一种实施例的具有空气质量传感器的车辆空气系统的示意图；
图2示出图1中的空气质量传感器的示意图；
图3示出图2中的传感器元件的示意图；
图4示出根据一种实施例的设备的示意图；
图5示出用于表示温度变化过程的曲线图，该温度变化过程用于借助根据一种实施例的设备来进行分析处理；
图6示出根据一种实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在本发明的有利的实施例的以下描述中，对于在不同附图中示出且起相似作用的元件使用相同或相似的附图标记，其中，省去对这些元件的重复性描述。
图1示出根据一种实施例的具有空气质量传感器102的车辆空气系统100的示意图。车辆空气系统100包括空气过滤器104，通过该空气过滤器将空气吸入到车辆空气系统100中。在此，示例性地实现为热膜式空气质量测量计的空气质量传感器102连接在空气过滤器104后面并且构造用于检测通过空气过滤器104吸入的空气质量流。空气质量流通过可变几何涡轮增压器106的压缩机被压缩，并且从该压缩机到达增压空气冷却器108。增压空气冷却器108在输出侧与车辆的发动机110的进气口连接。节流活门112构造用于控制从增压空气冷却器108中流出的空气质量流。发动机110的出气口能够通过废气再循环冷却器114与进气口耦合，所述废气再循环冷却器具有连接在后面的废气再循环阀116。由发动机110排放的废气返回至可变几何涡轮增压器106，在那里，废气驱动与压缩机位于同一轴上的涡轮并且因此驱动该压缩机。具有连接在后面的另一废气再循环阀120的另一废气再循环冷却器118用于可变几何涡轮增压器106的涡轮侧与压缩机侧之间的废气再循环。废气的非再循环部分通过废气活门122到达车辆的排气系统124。
空气质量传感器102是具有设备128的空气质量传感器系统126的一部分，该设备与空气质量传感器102耦合，以便对在车辆运行期间由空气质量传感器102记录的温度信号130进行分析处理(该温度信号代表空气质量传感器102的传感器元件的温度变化过程)，并且根据该分析处理来操控用于加热传感器元件的芯片加热器。设备128提供相应的接通信号132来接通芯片加热器。通过对芯片加热器的这种操控，可以可靠地防止在传感器元件上的结露。
根据一种实施例，设备128构造用于在车辆停车的情况下激活芯片加热器。因此防止油冷凝物沉积在传感器元件上。因此在这种情况下，不将代表空气质量流的空气质量信号提供给车辆的控制设备。然而，设备128尤其主要用于在正常运行期间激活芯片加热器，以便在正常运行期间以合适的方式加热传感器元件。这具有两个作用：一方面，由此更快地超过传感器元件上的露点温度，这防止传感器元件上的结露；另一方面，由此实现结露的大部分发生在传感器元件的周围表面上，所述周围表面比传感器元件冷。
结露通常在如下情况下发生：当例如作为插入式探测器实现的传感器元件的表面比流过的空气冷时，并且当表面的露点低于在周围流过的空气的露点时。例如，当环境从凉爽的环境变为温暖潮湿的环境时，就会发生这种情况。一旦在传感器元件上发生结露，通过水从气态到液态的相变会释放出大量能量。这种能量导致安装在传感器元件上的温度探测器比没有出现结露时明显更快地被加热。通过借助设备128对温度梯度的适当分析处理，现在可以将结露的状态与纯温度跃变的状态可靠地区分开。在此使用的算法应足够快，以便如此快地激活芯片加热器，使得不会由于结露而产生显著的测量误差。
根据一种实施例，识别算法具有以下流程。
1.连续地测量传感器元件的温度。
2.可选地，对温度信号130进行滤波——例如低通滤波。
3.基于温度信号130计算梯度。
4.通过可定义的阈值或多个合适的参数(例如阈值和绝对温度)的组合来评估该梯度。
5.根据对梯度的评估来接通芯片加热器。
6.最后，在定义的接通持续时间之后重新关断芯片加热器。例如通过预给定固定的时间来实现芯片加热器的关断，预给定固定的时间通过纯时间控制或如下时间控制进行：在该时间控制中，由不同的参数(例如当前的空气质量、传感器元件的初始温度、传感器元件的当前温度或所述参量中的至少两个的组合)来确定接通持续时间。
图2示出图1中的空气质量传感器102的示意图。空气质量传感器102实现为插入式探测器并且包括：传感器壳体200，该传感器壳体具有旁路通道202，该旁路通道用于将空气引导至用于检测空气质量流的微机械传感器元件204；电子模块206，该电子模块用于信号处理。
图3示出图2中的空气质量传感器的传感器元件204的示意图。示出的是加热元件300、温度探测器302以及传感器元件204的传感器膜片304，该加热元件与传感器元件204热耦合并且充当用于加热传感器元件204的芯片加热器——例如以便防止在传感器元件204上的油凝结，该温度探测器用于检测传感器元件204的温度。
图4示出根据一种实施例的设备128(例如以上根据图1至图3所述的设备中的一种)的示意图。设备128包括分析处理单元410，该分析处理单元用于根据温度信号130来对在车辆运行期间在使用温度探测器的情况下记录的温度变化过程进行分析处理。产生单元420构造用于在使用由分析处理单元410产生的结果值412的情况下产生接通信号132，该接通信号用于接通加热元件。例如，当结果值412代表在传感器元件上识别出的开始结露或即将结露时，产生单元420产生接通信号132。
图5示出用于表示温度变化过程的曲线图，该温度变化过程用于借助根据一种实施例的设备(例如以上根据图1至图4所述的设备中的一种)来进行分析处理。示例性地示出第一曲线500、第二曲线502以及多个其他曲线504，该第一曲线代表在相对空气湿度为60％时传感器元件的温度变化过程，该第二曲线代表在相对空气湿度为80％时传感器元件的温度变化过程，所述多个其他曲线代表在相对空气湿度为15％、20％、25％、30％和40％时传感器元件的所检测的温度变化过程。所有曲线500、502、504在起始点都具有20摄氏度的环境温度。该起始点例如代表车辆的发动机启动的时刻。
在由设备对温度变化过程进行分析处理的分析处理持续时间506内，与曲线504相比，曲线500、502分别具有明显更高的斜率。根据这种明显更高的斜率，可以得出在传感器元件上开始结露的结论。在这种意义上，曲线504充当用于根据温度变化过程的相应斜率来识别结露的参考变化过程。
分析处理持续时间506例如处于20至100秒之间。
图6示出根据一种实施例的方法600的流程图。例如可以由以上根据图1至图5所述的设备中的一种来实施方法600，该方法用于控制加热元件，该加热元件用于加热车辆的空气质量传感器的传感器元件。在此，在步骤610中，对在车辆运行期间在使用温度探测器情况下记录的传感器元件的温度变化过程进行分析处理，以便识别在传感器元件上的结露。在另一步骤620中，响应于对结露的识别而产生用于接通加热元件的接通信号。
步骤610、620可以(尤其在发动机运转的车辆运行期间)连续地实施。
如果一个实施例包括第一特征与第二特征之间的“和/或”关联，则这应如此解读，使得该实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，而根据另一实施方式要么仅具有第一特征要么仅具有第二特征。

Claims (13)

1.一种用于控制加热元件(302)的方法(600)，所述加热元件用于加热车辆的空气质量传感器(102)的传感器元件(204)，其中，所述空气质量传感器(102)具有用于测量所述传感器元件(204)的温度的温度探测器(302)，其中，所述方法(600)包括以下步骤：
对在所述车辆运行期间在使用所述温度探测器(302)的情况下记录的温度变化过程(500，502)进行分析处理(610)，以便识别在所述传感器元件(204)上的结露；
响应于对所述结露的识别，产生(620)用于接通所述加热元件(302)的接通信号(132)。
2.根据权利要求1所述的方法(600)，在所述方法中，在所述分析处理(610)的步骤中求取所述温度变化过程(500，502)的斜率，以便根据所述斜率来识别所述结露。
3.根据以上权利要求中任一项所述的方法(600)，在所述方法中，在所述分析处理(610)的步骤中，将所述温度变化过程(500，502)与至少一个阈值和/或与代表绝对温度的至少一个绝对值和/或与至少一个参考变化过程(504)进行比较，以便识别所述结露。
4.根据权利要求2和3所述的方法(600)，在所述方法中，在所述分析处理(610)的步骤中，如果所述温度变化过程(500，502)在预给定的分析处理时间段(506)内具有比所述参考变化过程(504)更大的斜率，则识别出所述结露。
5.根据以上权利要求中任一项所述的方法(600)，在所述方法中，在所述分析处理(610)的步骤中，对如下温度变化过程(500，502)进行分析处理：所述温度变化过程响应于所述车辆的发动机的启动而在使用所述温度探测器(302)的情况下记录。
6.根据以上权利要求中任一项所述的方法(600)，在所述方法中，在所述产生(620)的步骤中产生所述接通信号(132)，以便在所述车辆运行期间接通所述加热元件(302)。
7.根据以上权利要求中任一项所述的方法(600)，所述方法具有通过对温度信号(130)进行滤波来记录所述温度变化过程(500，502)的步骤，所述温度信号由所述温度探测器(302)在所述车辆运行期间产生并且代表所述传感器元件(204)的温度，其中，尤其对所述温度信号(130)进行低通滤波。
8.根据以上权利要求中任一项所述的方法(600)，在所述方法中，在所述产生(620)的步骤中产生关断信号，所述关断信号用于在预给定的接通持续时间之后关断所述加热元件(302)，而所述加热元件(302)在所述预给定的接通持续时间期间接通。
9.根据权利要求8所述的方法(600)，所述方法具有根据如下测量参量来确定所述接通持续时间的步骤：由所述传感器元件(204)测量的空气质量流和/或所述传感器元件(204)的由所述温度探测器(302)测量的初始温度和/或所述传感器元件(204)的由所述温度探测器(302)测量的当前温度。
10.一种具有单元(410，420)的设备(128)，所述单元构造用于实施和/或操控根据权利要求1至9中任一项所述的方法(600)。
11.一种用于车辆的空气质量传感器系统(126)，其中，所述空气质量传感器系统(126)具有以下特征：
空气质量传感器(102)，所述空气质量传感器具有用于测量空气质量流的传感器元件(204)、用于测量所述传感器元件(204)的温度的温度探测器(302)以及用于加热所述传感器元件(204)的加热元件(302)；
根据权利要求10的设备(128)。
12.一种计算机程序，所述计算机程序构造用于实施和/或操控根据权利要求1至9中任一项所述的方法(600)。
13.一种机器可读的存储介质，在所述存储介质上存储有根据权利要求12所述的计算机程序。
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