-
Die
Erfindung betrifft ein Messverfahren für eine Messschaltung mit einem
Sensorelement, bei dem ein Impedanzwert des Sensorelements ermittelt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Messanordnung mit einer solchen
Messschaltung.
-
Beim
Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen werden für die Einhaltung von gesetzlich
festgelegten Emissionsgrenzwerten in der Regel Abgassensoren verwendet,
deren Signal zur Emissionsregelung weiter verarbeitet wird. Als
typischerweise verwendete Gassensoren sind binäre und lineare Lambdasonden
und Stickoxid- oder NOx-Sensoren bekannt, deren Gemeinsamkeit in
einem üblicherweise
beheizten Festkörperelektrolyten
aus Yttrium-stabilisierter Zirkondioxid-Keramik liegt.
-
Um
bei Sensoren auf Basis von Zirkondioxid die Sauerstoff- oder Stickstoffkonzentration
in Form eines Sauerstoffionenstroms durch den Festkörperelektrolyten
messen zu können,
ist üblicherweise
eine Beheizung der Keramik vorgesehen, wobei die Zieltemperatur
entweder geregelt oder betriebspunktabhängig vorgesteuert wird. Für den Betrieb
einer derartigen Sonde ist es notwendig, dass diese Temperatur erreicht
beziehungsweise möglichst
genau eingehalten wird. Beispielsweise aus Diagnosegründen oder
für die
Emissionsregelung sollte somit eine ausreichende Beheizung des Gassensors
systemseitig sichergestellt werden. Alternativ sollte im Falle einer zu
schwachen Heizung, die zu einem Auskühlen des Sensors führen würde, diese
als fehlerhaft erkannt werden und über ein Fehlersignal angezeigt
werden. Diese Maßnahmen
erfordern die Kenntnis der Sondentemperatur mit ausreichender Genauigkeit.
-
Am
Beispiel von Lambdasonden kann die Temperaturbestimmung durch Ermitteln
der Impedanz der enthaltenen Nernst-Zelle erfolgen, da die Impedanz
von Zirkondioxid, ZrO2 mit dessen Temperatur
korreliert. Eine entsprechende Umrechnung ist üb licherweise in einem Kennfeld
in der Motorsteuerung abgelegt. Die Präzision der Temperaturbestimmung
ist unter anderem durch die Toleranzen der elektronischen Bauteile
beeinflusst, welche für
die Ermittlung der Impedanz der Zelle beziehungsweise der Sondentemperatur
notwendig sind.
-
Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Messverfahren für eine Messschaltung und eine
Messanordnung mit der Messschaltung anzugeben, mit denen ein Impedanzwert
eines Sensorelements der Messschaltung mit verbesserter Genauigkeit
bestimmt werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird mit den Gegenständen der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
-
Eine
Messschaltung weist beispielsweise einen ersten Widerstand, der
zwischen einen ersten Versorgungsanschluss und einen Messanschluss geschaltet
ist, und einen zweiten Widerstand auf, der zwischen den Messanschluss
und einen zweiten Versorgungsanschluss geschaltet ist. Ferner ist
in der Messschaltung ein Sensorelement vorgesehen, das parallel
zum zweiten Widerstand geschaltet ist, sowie eine Reihenschaltung
eines Schaltelements und eines dritten Widerstands, die parallel
zum ersten Widerstand geschaltet ist.
-
Beispielsweise
wird an dem ersten Versorgungsanschluss ein Versorgungspotenzial
zugeführt, während am
zweiten Versorgungsanschluss ein Bezugspotenzial angelegt wird.
Alternativ kann auch an dem ersten Versorgungsanschluss das Bezugspotenzial
zugeführt
werden, während
am zweiten Versorgungsanschluss das Versorgungspotenzial angelegt
wird.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
eines Messverfahrens für
eine derartige Messschaltung wird eine Versorgungsspannung am ersten
oder zweiten Versorgungsanschluss gemessen. Das Schaltelement wird
in einen leitenden Zustand gesteuert und eine Hilfsspannung am Messanschluss
in einem ersten Betriebszu stand des Sensorelements gemessen. In
Abhängigkeit
der gemessenen Hilfsspannung und der gemessenen Versorgungsspannung
wird ein Referenzwert eines Spannungsabfalls über das Schaltelement in dessen
leitenden Zustand ermittelt. Das Schaltelement wird in einen nicht-leitenden
Zustand gesteuert. In diesem Zustand des Schaltelements wird in
einem zweiten Betriebszustand des Sensorelements eine erste Messspannung
am Messanschluss gemessen. Das Schaltelement wird nun in einen leitenden
Zustand gesteuert, wobei eine Messung einer zweiten Messspannung
am Messanschluss erfolgt, wiederum in dem zweiten Betriebszustand
des Sensorelements. In Abhängigkeit
der ersten und zweiten gemessenen Messspannung und des zuvor ermittelten
Referenzwerts wird ein Impedanzwert des Sensorelements ermittelt.
-
Da
der Impedanzwert des Sensorelements nicht nur aus der ersten und
zweiten Messspannung sondern auch in Abhängigkeit des Referenzwerts
ermittelt wird, ist es für
eine genaue Bestimmung des Impedanzwerts erforderlich, dass auch
der Referenzwert in ausreichender Genauigkeit vorliegt. In realen Messschaltungen
sollte zur Einhaltung einer gewissen Messgenauigkeit nicht mit den
Eigenschaften eines idealen Schalters gerechnet werden, an dem im geschlossenen
Zustand kein Spannungsfall auftritt. Vielmehr sollte der Spannungsabfall über das
in der Messschaltung eingesetzte Schaltelement im leitenden Zustand
bei Berechnungen berücksichtigt
werden. Bei konventionellen Messverfahren wird hierbei ein Referenzwert
für diesen
Spannungsabfall, beispielsweise aus einem Datenblatt für eine Vielzahl gleichartiger
Schaltelemente, entnommen und für
die Berechnung des Impedanzwerts des Sensorelements verwendet. Jedoch
kann ein realer Wert für den
Spannungsabfall über
das Schaltelement wegen produktionstechnischer Bauteilschwankungen
aber auch wegen Alterungsprozessen von einem derart pauschal angenommenen
Referenzwert abweichen.
-
Bei
dem hier beschriebenen Verfahren wird deshalb vor der eigentlichen
Messung der Messspannungen, die zum Impedanzwert führen, durch einen
Kalibrierschritt ein Referenzwert für den Spannungsabfall des Schaltelements
im leitend gesteuerten Zustand messtechnisch ermittelt. Abweichungen des
Referenzwerts von einem Wert, der einem Datenblatt entnommen ist,
haben somit bei der Berechnung des Impedanzwerts keine Bedeutung,
da jeweils mit einem aktuellen, realen Referenzwert für den Spannungsabfall
des Schaltelements gerechnet wird. Die Genauigkeit bei der Bestimmung
des Impedanzwerts des Sensorelements ist somit bei dem beschriebenen
Verfahren erhöht.
-
Eine
Kalibrierung der Messschaltung, die unter anderem das Bestimmen
des realen Referenzwerts umfasst, findet dabei vorzugsweise in einem ersten
Betriebszustand des Sensorelements statt, der beispielsweise dadurch
ausgedrückt
ist, dass das Sensorelement eine Normaltemperatur wie zum Beispiel
eine Umgebungstemperatur aufweist. Der zweite Betriebszustand, in
dem die Messung der Messspannungen erfolgt, zeichnet sich vorzugsweise
dadurch aus, dass die Temperatur des Sensorelements von der Normaltemperatur
abweicht und beispielsweise einer Betriebstemperatur des Sensorelements entspricht.
Alternativ können
die Betriebszustände des
Sensorelements auch durch jeweilige Betriebszustände der Messschaltung vorgegeben
sein, wie zum Beispiel einem Einschaltbetriebszustand und einem
Arbeitsbetriebszustand, wobei die Kalibrierung hierbei im Einschaltbetriebszustand
erfolgt.
-
Das
Schaltelement der Messschaltung kann beispielsweise als Transistor
ausgeführt
sein, wobei beim Ansteuern des Schaltelements beziehungsweise des
Transistors ein Steuersignal, wie zum Beispiel eine Steuerspannung
oder ein Steuerstrom, an einen Steueranschluss des Transistors zugeführt wird.
Als Transistoren für
derartige Messschaltungen können sowohl
Bipolartransistoren als auch Feldeffekttransistoren eingesetzt werden.
-
Der
Referenzwert für
den Spannungsabfall über
das als Transistor ausgeführte
Schaltelement resultiert beispielsweise aus einem Sättigungszustand
des Transistors. Bei einem Bipolartransistor, bei dem die gesteuerte
Strecke zwischen Kol lektor und Emitter über eine Steuerspannung oder
einen Steuerstrom am Basisanschluss gesteuert wird, kann dieser
derart aufgesteuert werden, dass er in einen Sättigungszustand gelangt. Die
Referenzspannung ergibt sich somit beispielsweise als Spannung zwischen
Kollektor und Emitter des Transistors im Sättigungszustand. In ähnlicher
Weise kann beim Einsatz eines Feldeffekttransistors eine Spannung
am Gateanschluss des Transistors so gewählt werden, dass sich eine
kleinstmögliche
Spannung zwischen Drain- und Sourceanschluss des Transistors ergibt, das
heißt,
dass sich der Transistor wiederum im Sättigungszustand befindet.
-
Beim
Kalibrieren der Messschaltung im ersten Betriebszustand des Sensorelements
lässt sich somit
eine derartige Sättigungsspannung
des verwendeten Transistors bestimmen, wobei produktionstechnische
Abweichungen oder Alterungsprozesse beim Ermitteln des Referenzwerts
folglich automatisch mit berücksichtigt
sind.
-
Das
Sensorelement kann beispielsweise ein temperaturabhängiger Sensor
in einem Gassensor sein. Hierbei weist das Sensorelement vorzugsweise einen
temperaturabhängigen
Impedanzwert auf, wobei in einem Ausführungsbeispiel des Messverfahrens
eine Temperatur in Abhängigkeit
des Impedanzwerts ermittelt wird. Somit kann mit dem Messverfahren
eine Temperatur beispielsweise eines Gassensors mit erhöhter Genauigkeit
bestimmt werden.
-
Das
Ansteuern des Schaltelements und das jeweilige Messen der ersten
und zweiten Messspannung kann auch mehrmals, beispielsweise periodisch
durchgeführt
werden. Das Kalibrieren beziehungsweise Bestimmen des Referenzwerts
wird vorzugsweise lediglich zu Beginn eines Messzyklus durchgeführt. Beispielsweise
bei einem Einsatz mit einem Gassensor wird der Referenzwert bei
kaltem, unbeheiztem Gassensor bestimmt. Die Messung der Messspannungen
und das Ermitteln des Impedanzwerts des Sensorelements beziehungsweise
der Temperatur des Gassensors erfolgt üblicherweise im Betrieb des
Gassensors, in dem dieser beheizt und dadurch erwärmt wird.
Der Referenzwert, der im ersten Betriebszustand des Sensorelements
ermittelt wird, kann somit gespeichert werden und steht für das Ermitteln
jeweiliger Impedanzwerte im zweiten Betriebszustand des Sensorelements
zur Verfügung.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
des Messverfahrens wird der Betriebszustand des Sensorelements messtechnisch
ermittelt. Beispielsweise kann mit Hilfe anderer Messungen festgestellt
werden, ob das Sensorelement sich in einem ausgekühlten, unbeheizten
Zustand befindet, also einem gewünschten
ersten Betriebszustand, in dem der Referenzwert bestimmt wird.
-
Bei
einem Einsatz des Sensorelements beziehungsweise der Messschaltung
mit einem Gassensor in einem Fahrzeug kann beispielsweise durch Auswertung
der Kühlwassertemperatur
und einer Temperatur im Motorblock festgestellt werden, ob das Fahrzeug
aus einem völlig
ausgekühlten
Zustand heraus in Betrieb genommen wird, also ein Kaltstart durchgeführt wird.
Wenn diese Bedingung erfüllt
ist, kann angenommen werden, dass sich das Sensorelement im ersten
Betriebszustand befindet.
-
Bei
einem Warmstart des Fahrzeugs, bei dem sich Kühlwassertemperatur und Temperatur
im Motorblock beispielsweise unterscheiden, ist es zweckmäßig die
Kalibrierung beziehungsweise Messung des Referenzwerts nicht vorzunehmen,
sondern beispielsweise einen zuvor gespeicherten Referenzwert für die Ermittlung
des Impedanzwerts des Sensorelements zu verwenden.
-
Das
Messen der ersten und zweiten Messspannung kann in einem Ausführungsbeispiel
des Messverfahrens im getakteten Betrieb erfolgen, so dass das Schaltelement
vorzugsweise überwiegend im
nicht-leitenden Zustand ist, in dem die erste Messspannung gemessen
wird, und für
einen kurzen Zeitraum in einem leitenden Zustand, in dem die zweite Messspannung
gemessen werden kann. Dabei wird beispielsweise zur Ansteuerung
des Schaltelements ein getaktetes Steuersignal verwendet.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
einer Messanordnung umfasst diese eine Messschaltung gemäß einem
der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Ferner ist ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen, der an einem ersten
Eingang mit dem Messanschluss und einem zweiten Eingang mit dem
ersten oder zweiten Versorgungsanschluss gekoppelt ist. Die Messanordnung
weist zudem eine Steuerschaltung auf, die zum Steuern mit dem Analog-Digital-Wandler und
dem Schaltelement gekoppelt ist. Die Steuerschaltung ist dabei dazu
eingerichtet, während
eines leitend gesteuerten Zustand des Schaltelements eine Messung
einer Hilfsspannung am Messanschluss in einem ersten Betriebszustand
des Sensorelements durch den Analog-Digital-Wandler auszulösen und einen Referenzwert
eines Spannungsabfalls über
das Schaltelements in dessen leitenden Zustand in Abhängigkeit
der Hilfsspannung und einer am ersten oder zweiten Versorgungsanschluss
anliegenden Versorgungsspannung zu ermitteln.
-
Mit
der Messanordnung kann somit ein Referenzwert für den Spannungsabfall über das
Schaltelement ermittelt werden, der für weitere Messungen mit der
Messschaltung beziehungsweise der Messanordnung verwendet werden
kann. Die Genauigkeit der Messanordnung ist dadurch gegenüber einer herkömmlichen
Messanordnung dieser Art erhöht, bei
der ein derartiger Referenzwert lediglich mit verringerter Genauigkeit
aus einem Datenblatt beziehungsweise einer Nachschlagetabelle benutzt
wird.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Messanordnung ist die Steuerschaltung ferner dazu eingerichtet,
eine Messung einer ersten Messspannung am Messanschluss in einem
zweiten Betriebszustand des Sensorelements durch den Analog-Digital-Wandler während eines
nicht-leitend gesteuerten Zustands des Schaltelements auszulösen. Ferner wird
eine Messung an der zweiten Messspannung am Messanschluss in dem
zweiten Betriebszustand des Sensorelements durch den Analog-Digital-Wandler während eines
leitend gesteuerten Zustands des Schaltelements durch die Steuerschaltung
ausgelöst.
Die Steu erschaltung ist weiterhin dazu eingerichtet, einen Impedanzwert
des Sensorelements in Abhängigkeit
des Referenzwerts und der ersten und zweiten Messspannung zu ermitteln.
-
Vorzugsweise
ist das Schaltelement der Messschaltung als Transistor ausgeführt. Weiterhin vorzugsweise
ist der Impedanzwert des Sensorelements temperaturabhängig. Das
Sensorelement kann beispielsweise von einem Gassensor umfasst sein.
-
In
weiteren Ausführungsbeispielen
ist die Messanordnung beziehungsweise die Steuerschaltung der Messanordnung
dazu eingerichtet, die zuvor beschriebenen Messverfahren auszuführen.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren näher
erläutert.
Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen dabei
gleiche Bezugszeichen.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel
einer Messanordnung,
-
2A und 2B Ausführungsbeispiele eines
Schaltelements, und
-
3 ein
beispielhaftes Signal-Zeit-Diagramm für ein Steuersignal eines Schaltelements.
-
1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Messanordnung mit einer Messschaltung MC, einer Steuerschaltung
CTRL und einem Analog-Digital-Wandler ADC. Die Messschaltung MC
weist einen ersten Widerstand R1 auf, der zwischen einen ersten Versorgungsanschluss
VCC und einen Messanschluss M geschaltet ist. Ein zweiter Widerstand
R2 ist zwischen den Messanschluss M und einen zweiten Versorgungsanschluss
GND geschaltet. Die Messschaltung MC weist ferner eine Serienschaltung eines
Schaltelements SW und eines dritten Widerstands RP auf, die zwischen
dem ersten Versorgungsanschluss VCC und dem Messan schluss M verschaltet
ist. Ein Sensorelement SNS ist parallel zum zweiten Widerstand R2
zwischen den Messanschluss M und den zweiten Versorgungsanschluss GND
gekoppelt. Das Sensorelement SNS ist symbolisch mit einer Spannungsquelle
und einem Innenwiderstand RS dargestellt.
-
Die
Steuerschaltung CTRL ist zur Steuerung und vorzugsweise auch zum
Datenaustausch mit dem Analog-Digital-Wandler ADC gekoppelt. Ferner ist
die Steuerschaltung CTRL auch mit einem Steueranschluss 3 des
Schaltelements SW verbunden, um dessen Anschlüsse 1, 2 leitend
ansteuern zu können. Der
Analog-Digital-Wandler
ADC weist einen ersten Eingang I1 auf, der über einen Eingangswiderstand R4
mit dem Messanschluss M verbunden ist, sowie einen zweiten Eingang
I2, der mit dem ersten Versorgungsanschluss VCC gekoppelt ist. Alternativ
oder zusätzlich
kann auch der zweite Versorgungsanschluss GND mit dem Analog-Digital-Wandler
ADC elektrisch verbunden sein. An einem Ausgang OUT des Analog-Digital-Wandlers
ADC können
digitalisierte Ausgangsdaten abgegeben werden.
-
Das
Sensorelement SNS kann beispielsweise eine Nernst-Zelle einer Lambdasonde
in einer Verbrennungskraftmaschine sein. Das Sensorelement weist
vorzugsweise eine temperaturabhängige
Impedanz auf. Beispielsweise kann der Widerstand des Sensorelements
als Widerstand mit negativen Temperaturkoeffizienten, NTC mit exponentiellem
Verlauf ausgeführt
sein. Der jeweilige Impedanzwert des Sensorelements SNS kann messtechnisch
von der Steuerschaltung CTRL bestimmt werden, um daraus, beispielsweise
mittels einer Wertetabelle, eine entsprechende Temperatur des Sensorelements
ableiten zu können.
-
Die
Messung des Impedanzwerts des Sensorelements kann durch Aufbringen
eines alternierenden oder schaltenden Stroms erfolgen. Beispielsweise
wird über
das Schaltelement SW ein Spannungsteiler für die Signalerfassung des Sensorelements
kurzzeitig leitend geschaltet, so dass parallel zu einem üblicherweise
hochohmigen Widerstand R1 ein vergleichsweise niederohmiger Signalpfad über den
dritten Widerstand RP ge schlossen wird. Über den Widerstand R2 und das
dazu parallel geschaltete Sensorelement SNS ergibt sich eine Messspannung am
Messanschluss M, die über
den Widerstand R4 dem Analog-Digital-Wandler
ADC zugeführt
wird. Des Weiteren kann in einem geöffneten Zustand des Schaltelements
SW, also bei offener Verbindung der Punkte 1 und 2 eine
weitere Messspannung am Messanschluss M gemessen werden. Aus der
ersten und zweiten Messspannung, insbesondere einem Spannungshub
zwischen erster und zweiter Messspannung können im Analog-Digital-Wandler beziehungsweise
in der Steuerschaltung eine Impedanz des Sensorelements und eine
daraus abgeleitete Temperatur ermittelt werden. Dabei ist der Impedanzwert des
Sensorelements zusätzlich
von einem Spannungsabfall über
das Schaltelement SW zwischen den Punkten 1, 2 abhängig.
-
Toleranzen
oder Ungenauigkeiten für
die Messung der Impedanz ergeben sich aus den Widerstandstoleranzen
der Widerstände
R1, R2, RP und aus einer Ungenauigkeit für den Wert des Spannungsabfalls
zwischen den Punkten 1, 2 im leitenden Zustand
des Schaltelements SW.
-
Mit
Verweis auf die 2A und 2B kann das
Schaltelement SW als Bipolartransistor oder als Feldeffekttransistor
ausgeführt
sein. 2A zeigt eine Ausführungsform
als Bipolartransistor, bei dem der Kollektoranschluss des Transistors
mit dem Punkt 1, der Emitteranschluss mit dem Punkt 2 und der
Basisanschluss oder Steueranschluss des Transistors mit dem Punkt 3 verbunden
ist. In ähnlicher Weise
sind in 2B ein Source- und Drainanschluss
eines Feldeffekttransistors mit den Punkten 1, 2 verbunden,
während
ein Gateanschluss oder Steueranschluss mit dem Punkt 3 gekoppelt
ist.
-
Die
Transistoren können über eine
entsprechende Steuerspannung beziehungsweise einen Steuerstrom am
Steueranschluss 3 derart in einen leitenden Zustand geschaltet
werden, dass sich ein Sättigungszustand
des Transistors ergibt. Dabei nimmt ein Spannungsabfall V12 zwischen
den Punkten 1, 2 einen möglichst kleinen Wert an. Beispielhafte
Werte für
Sätti gungsspannungen
sind üblicherweise
in einem Datenblatt des verwendeten Transistors hinterlegt, umfassen
dabei jedoch Fertigungstoleranzen für eine Vielzahl hergestellter
Transistoren. Zudem kann in dem Datenblatt ein Alterungsprozess des
Transistors nicht berücksichtigt
werden. Somit ergibt sich bei der Ermittlung des Impedanzwerts des Sensorelements
SNS eine Ungenauigkeit für
den Fall, dass ein ungenauer Referenzwert für den Spannungsabfall des Schaltelements
SW beziehungsweise des Transistors in dessen leitenden Zustand verwendet
wird.
-
Die
Steuerschaltung CTRL ist deshalb dazu eingerichtet, in einem ersten
Betriebszustand des Sensorelements SNS, der vorzugsweise einer abgekühlten Sonde
des Gassensors entspricht, das Schaltelement SW in einem leitenden
Zustand zu steuern und in diesem Zustand eine Messung der Hilfsspannung
am Messanschluss M durch den Analog-Digital-Wandler ADC auszulösen. Vorzugsweise wird
das Schaltelement SW also leitend gesteuert, solange die Sonde des
Sensorelements SNS noch kalt und damit hochimpedant ist. Dadurch
wird ein Stoßstrom
durch die kalte Sonde sowie durch den zum Sensorelement SNS geschalteten
Widerstand R2 erzeugt, die hier vorzugsweise ebenfalls hochohmig
ist. Da somit beide Impedanzen RS, R2 hochohmig sind, ergibt sich
ein Spannungsabfall über
diese Impedanzen derart, dass nahezu ein Maximalwert am angeschlossenen
Analog-Digital-Wandler ADC gemessen werden kann. Insbesondere bei
Einsatz eines Transistors als Schaltelement führt das Sättigungsverhalten des verwendeten
Transistors dazu, dass der Stromfluss bei Erreichen der Sättigungsspannung
des Transistors abgeschnürt
wird. Dadurch ergibt sich ein stabiler Arbeitspunkt des Transistors,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Spannungsabfall zwischen
den Punkten 1, 2 die gemessene Spannung am Messanschluss
M beeinflusst.
-
Die
Versorgungsspannung am ersten Versorgungsanschluss VCC, die dem
Analog-Digital-Wandler ADC über
den zweiten Eingang E2 zugeführt
wird kann nun dazu verwendet werden, um den Spannungsabfall V12
als Referenzwert zu ermitteln. Dies kann beispielsweise über die
Steuerschaltung CTRL erfolgen, welche vorzugsweise einen Mikrocontroller
umfasst.
-
Somit
kann durch diese Kalibrierung bei der Berechnung des Impedanzwerts
des Sensorelements im zweiten Betriebszustand des Sensorelements
ein realer, genau ermittelter Referenzwert verwendet werden, anstelle
eines ungenauen, beispielsweise aus einem Datenblatt entnommenen
Referenzwerts. Die Genauigkeit der Anordnung für die Bestimmung des Impedanzwerts
und einer daraus abgeleiteten Temperatur ist somit im Vergleich
zu herkömmlichen
Anordnungen dieser Art erhöht.
-
Wenn
im Betrieb der Anordnung bei warmen Sensorelement SNS entsprechende
Messungen durchgeführt
werden, ergeben sich bei nicht-leitend gesteuertem Zustand des Schaltelements
SW eine erste Messspannung VM1 am Messanschluss M sowie eine zweite
Messspannung VM2 an dem Messanschluss M in einem leitend gesteuerten
Zustand des Schaltelements SW. Mit einer Spannung V12 als Referenzwert
für den
Spannungsabfall des Schaltelements SW zwischen den Punkten
1,
2,
einer Versorgungsspannung V
cc am ersten
Versorgungsanschluss VCC und Widerstandswerten R
1,
R
2, R
P für die Widerstände R1,
R2, RP ergibt sich ein Impedanzwert R
s für das Sensorelement
SNS als
-
Beim
Einsatz eines Bipolartransistors gemäß 2A entspricht
die Spannung V12 beispielsweise der Sättigungsspannung zwischen Kollektor
und Emitter VCE,SAT, die üblicherweise
mit Werten zwischen 0 mV und 300 mV spezifiziert wird, was die komplette
Streubreite über
die Produktion, über
unterschiedliche Betriebstemperaturen sowie über unterschiedliche Strombereiche
mit den seitens des Hersteller erforderlichen Sicherheitsbereiche
abdeckt. Durch die messtechnische Bestimmung der Spannung V12 beziehungsweise
für den
Bipolartransistor VCE,SAT kann die Toleranz
des Parameters in der oben stehenden Gleichung auf wenige Millivolt
eingegrenzt werden. Diese Toleranz hängt dabei unter anderem von
den elektrischen Parametern und der Auflösung des Analog-Digital-Wandlers
ab.
-
Das
Ansteuern des Schaltelements SW kann in einem getakteten und/oder
periodischen Betrieb erfolgen. 3 zeigt
ein beispielhaftes Signal-Zeit-Diagramm eines Steuersignals S3 zur
Ansteuerung des Schaltelements SW. Dabei wird während eines Zeitraums TON das
Schaltelement in einen leitenden Zustand geschaltet und während eines Zeitabschnitts
TÖFF in
einen nicht-leitenden Zustand. Die Einschaltphasen des Schaltelements
SW wiederholen sich beispielsweise mit einer Periodendauer TREF.
In einem Ausführungsbeispiel
für das Messverfahren
beträgt
die Periodendauer TREF etwa eine Sekunde, während die Einschaltdauer TON
einen Wert von etwa 5 ms aufweist.
-
Das
in den Ausführungsbeispielen
beschriebene Messverfahren ist sowohl für lineare als auch binäre Lambdasonden
und Stickoxidsensoren verwendbar, bei denen eine Impedanzmessung
beziehungsweise Temperaturbestimmung mit einer Messschaltung wie
beschrieben erfolgt.
-
Durch
die beschriebenen Verfahren kann die Genauigkeit der Berechnung
der Impedanz einer Zelle angeschlossener elektrochemischer Zellen
erhöht werden.
Da diese Zellenimpedanz ein gutes Maß für die Temperaturbestimmung
der elektrochemischen Zellen darstellt, kann durch das Verfahren
die Betriebsbereitschaft eines Lambdasensors oder Stickoxidsensors
genauer erkannt werden, wodurch sich die Zeit zwischen Beginn der
Aufheizphase und Aufnahme des normalen Betriebs nach Erkennung der elektrischen
Betriebsbereitschaft verkürzt.
Das wiederum reduziert die im ungeregelten Betrieb des Verbrennungsmotors
entstehenden Schadstoffe, da zu einem viel früheren Zeitpunkt in einem geregelten Betrieb
des entsprechenden Sensors übergegangen werden
kann.
-
Zudem
ist die Robustheit von Heizer-Plausibilisierungsdiagnosen verbessert,
da ein Grenzwert für
eine Gut- beziehungsweise Schlecht-Beurteilung des Lambdasondenheizers
mit weniger Toleranzverhalten ausgelegt werden kann und somit die
Fehleranfälligkeit
im Betrieb reduziert wird. Des Weiteren ergibt sich bei Verwendung
der präziseren
Temperaturinformationen, die durch das Messverfahren ermittelt werden
können,
für die
Temperaturregelung die Möglichkeit,
einen Temperatursollwert genauer einzuhalten.
-
Weiterhin
werden für
das beschriebene Verfahren mit einer Messschaltung, die für den Messbetrieb
ohnehin erforderlich ist, keine zusätzlichen elektronischen Bauteile
benötigt,
da das Messverfahren lediglich verfahrenstechnisch umgesetzt wird.
Eine Anpassung beziehungsweise Umsetzung des Funktionsalgorithmus
verursacht jedoch deutlich weniger Kosten als etwaige Schaltungskomponenten,
die für eine
verbesserte Messgenauigkeit eingesetzt werden könnten.
