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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Steuergerät gemäß Anspruch 10, sowie ein Computerprogrammprodukt gemäß Anspruch 11.
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Chemosensitive Feldeffektsensoren stellen eine neuartige Technik für Abgassensoren dar, insbesondere für mobile Abgasquellen. Aufgrund des adsorptiven Messprinzips ist die Abhängigkeit des Messsignals von der Messgröße, die in der Regel eine Konzentration eines Gasbestandteiles repräsentiert, nicht linear, sondern sublinear. Dies bedeutet beispielhaft, dass eine Verdoppelung der Gaskonzentration eines bestimmten Analyten keine Verdoppelung des Messsignals, sondern lediglich einen Anstieg um ein kleineres Verhältnis bewirkt. Ausgehend davon, dass das Signal vor quasikonstanten Rauschhintergrund eine bestimmte Intensität haben muss, führt dies dazu, dass die Messung bestimmter Konzentrationsänderungen, beispielsweise eine Änderung um 5 ppm einer bestimmten Gasspezies, nur bis zu einer bestimmten maximalen Konzentration möglich ist. Bei höheren Konzentrationen sind nur noch große Konzentrationsänderungen feststellbar, die um Größenordnungen variieren. Bei noch höheren Konzentrationen kann das Messsignal in eine Sättigung übergehen, d. h. in eine Situation, in der auch eine deutliche Erhöhung der zu messenden Konzentration keine Signalerhöhung mehr bewirkt. Durch Veränderung der Umgebungsbedingung des Sensors, insbesondere durch Erhöhung der Temperatur des Sensors, kann der noch messbare Konzentrationsbereich hin zu höheren Konzentrationen verschoben werden. Im Gegenzug der Maßnahme der Temperaturerhöhung verliert der Sensor an Genauigkeit im Bereich geringer Konzentrationen. Insbesondere bei mobilen Abgasquellen, die in der Regel in sehr unterschiedlichen Betriebszuständen betrieben werden können, ist ein möglichst weiter Messbereich über bis zu drei Größenordnungen wünschenswert, beispielsweise zwischen 50 ppm und 5000 ppm, bei gleichzeitig hoher Messgenauigkeit im Bereich geringer Konzentrationen.
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In der
US 2007/0278098 A1 wird ein Feldeffektgassensor gezeigt, der auf einen Feldeffekttransistor basiert und durch eine Minimierung der Heizleistung eine hohe Betriebsdauer gewährleistet. Dabei sind zwei elektrische Leitungen mit einer gassensitiven Elektrode verbunden, wobei die gassensitive Elektrode als eine als isolierendes Gate wirkende Schicht auf dem Feldeffekttransistor ausgebildet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Detektion einer Gaskonzentration eines Gases aus einem Gasgemisch, wobei zur Detektion eine Mehrzahl von auf das Gas sensitiven Gasdetektoren oder ein auf das Gas sensitiver Gasdetektor bei verschiedenen Betriebszuständen verwendet wird, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- – Bereitstellen des Gasdetektors, wobei der Gasdetektor eine erste Betriebstemperatur aufweist;
- – Zuführen des Gasgemisches zu dem Gasdetektor, wobei durch den Gasdetektor bei der ersten Betriebstemperatur eine Gaskonzentration des Gases aus dem Gasgemisch gemessen und ein zu der gemessenen Gaskonzentration charakteristisches erstes Signal bereitgestellt wird;
- – Verändern einer Betriebstemperatur des Gasdetektors auf eine von der ersten Betriebstemperatur unterschiedliche zweite Betriebstemperatur oder Bereitstellen eines weiteren Gasdetektors, wobei der weitere Gasdetektor die zweite Betriebstemperatur aufweist;
- – Zuleiten des Gasgemisches zu dem Gasdetektor oder dem weiteren Gasdetektor, wobei durch den Gasdetektor oder den weiteren Gasdetektor bei der zweiten Betriebstemperatur eine Gaskonzentration des Gases aus dem Gasgemisch gemessen und ein zu der gemessenen Gaskonzentration charakteristisches zweites Signal bereitgestellt wird; und
- – Bestimmen einer Gaskonzentration des Gases aus dem Gasgemisch unter Verwendung eines dem ersten Signal zugeordneten ersten Konzentrationswerts und eines dem zweiten Signal zugeordneten zweiten Konzentrationswerts.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Gasdetektoren bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Empfindlichkeiten haben. Um nun eine möglichst genaue Bestimmung der Gaskonzentration eines Gases in einem Gasgemisch bestimmen zu können, wird das Gasgemisch nun mit einem Sensor oder Detektor bei unterschiedlichen Temperaturen oder mit zwei Detektoren, die mit einer unterschiedlichen Temperatur betrieben werden, gemessen. Dabei kann dann aus den beiden erhaltenen Messwerten eine Grobklassifikation erfolgen, in welchem Größenbereich die Konzentration des betreffenden Gases ist, so dass für den weiteren Verfahrensablauf der Detektor mit derjenigen Temperatur verwendet oder betrieben wird, die eine genauere Konzentrationsmessung des Gases in dem Konzentrationsbereich entsprechend der Grobklassifikation sicherstellt. Beispielsweise kann bei einem Überschreiten der gemessenen Gaskonzentration bei der zweiten Betriebstemperatur über einen Schwellwert diese gemessene Gaskonzentration bei der zweiten Betriebstemperatur als bestimmte Gaskonzentration ausgegeben werden. Wenn dagegen die gemessene Gaskonzentration bei der ersten Betriebstemperatur unter einem (zweiten) Schwellwert liegt, kann die gemessene Gaskonzentration ausgegeben werden. In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann ein Sensorsystem für mobile Abgasquellen geschaffen werden, das auf einem oder mehreren Feldeffekt-Chemosensoren gründet, so dass ein oder mehrere Sensoren mindestens bei zwei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden. Dadurch wird der Bereich erweitert, in dem mit einer bestimmten Genauigkeit bzw. Konzentrationsauflösung gemessen werden kann.
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Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, mit technisch einfachen Mitteln einen möglichst weiten, messbaren Konzentrationsbereich bei einer hohen Messgenauigkeit auch bei niederen Konzentrationen zu gewährleisten.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Schritte des Bereitstellens, des Zuführens, des Veränderns, des Zuleitens und des Bestimmens mehrfach nacheinander ausgeführt werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass zu einem einzelnen Konzentrationswert weitere Konzentrationswerte erfasst werden können. Die Konzentrationswerte können kontinuierlich erfasst werden, um aus einer Statistik von Konzentrationswerten weitere Aussagen über einen mittleren Konzentrationswert zu treffen und um insbesondere eine Schwankungsbreite relativ zum mittleren Konzentrationswert zu berechnen. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet zusätzlich den Vorteil, dass Konzentrationswerte nach bestimmten Zeitintervallen erfasst werden können, um eine Veränderung der Konzentrationswerte während des Zeitintervalls festzustellen, so dass beispielweise weitere Schritte ausgeführt werden, wenn ein Konzentrationswert einen maximalen Grenzwert überschreitet.
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Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform im Schritt des Bereitstellens und/oder im Schritt des Veränderns die erste und/oder die zweite Betriebstemperatur in Abhängigkeit von einer Temperatur eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine gewählt werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Temperatur des Abgases, die beispielsweise als Betriebstemperatur eines in einem Abgaskanal integrierten Abgasreinigungssystems erreicht wird, als Wert für die erste Betriebstemperatur festgelegt werden kann. Als Wert für die zweite Betriebstemperatur kann zum Beispiel eine Temperatur verwendet werden, die ein mit dem Gasdetektor oder mit dem weiteren Gasdetektor in thermischem Kontakt stehendes Heizelement aufweist, wobei die zweite Betriebstemperatur durch das Heizelement konstant gehalten wird. Somit können während eines Betriebes der Verbrennungskraftmaschine Konzentrationswerte auch bei der (höheren) Temperatur des Heizelementes erfasst werden.
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In einer zusätzlichen Ausführungsform kann im Schritt des Bereitstellens und/oder im Schritt des Veränderns die erste und die zweite Betriebstemperatur verwendet werden, wobei sich die erste und die zweite Betriebstemperatur um mindestens 50 K unterscheiden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Messung einer Gaskonzentration vermieden werden soll, wenn die erste Betriebstemperatur mit der zweiten Betriebstemperatur identisch oder in erster Näherung sehr ähnlich ist. Eine vorgegebene Differenztemperatur von beispielsweise 50 K gewährleistet eine eindeutige Bestimmung der Gaskonzentration bei ausreichend unterschiedlichen Betriebstemperaturen, so dass auch die unterschiedliche Gassensitivität der Gasdetektoren ausgenutzt werden kann.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Schritt des Veränderns der Gasdetektor oder der weitere Gasdetektor eine zweite Betriebstemperatur aufweisen, die höher als die erste Betriebstemperatur ist. Weiterhin kann im Schritt des Bestimmens der erste Konzentrationswert als Wert für die Gaskonzentration ausgegeben werden, wenn der erste und zweite Konzentrationswert kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert, insbesondere kleiner als 10 ppm ist. Ferner kann im Schritt des Bestimmens der zweite Konzentrationswert ausgegeben werden, wenn der erste und zweite Konzentrationswert größer als ein vorbestimmter Schwellwert, insbesondere größer als 10 ppm ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass eine Betriebstemperatur des Gasdetektors abhängig von der Gaskonzentration ausgewählt wird, bei der der Gasdetektor optimal arbeitet und eine durch Messfehler bedingten Abweichung von einem gemessenen Konzentrationswert zu einer tatsächlichen Gaskonzentration minimal gehalten wird. Dadurch kann eine höhere Konzentrationsauflösung und eine höhere Genauigkeit des ermittelten Konzentrationswertes erreicht werden.
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In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann im Schritt des Veränderns der Gasdetektor oder der weitere Gasdetektor eine zweite Betriebstemperatur aufweisen, die höher als die erste Betriebstemperatur ist. Dabei kann im Schritt des Bestimmens der erste Konzentrationswert als Wert für die Gaskonzentration ausgebeben werden, wenn der erste Konzentrationswert kleiner als ein vorgegebener oberer Konzentrationsschwellwert ist. Ferner kann im Schritt des Bestimmens der zweite Konzentrationswert ausgegeben werden, wenn der zweite Konzentrationswert größer als ein vorgegebener unterer Konzentrationsschwellwert ist und dabei der vorgegebene obere Konzentrationsschwellwert größer als der vorgegebene untere Konzentrationsschwellwert ist. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Übergangsbereich zwischen dem vorgegebenen unteren und vorgegebenen oberen Konzentrationsschwellwert festgelegt wird, wobei innerhalb des Übergangsbereiches der Gasdetektor oder der weitere Gasdetektor entweder bei der ersten oder bei der zweiten Betriebstemperatur betrieben werden kann, abhängig vom vorab gemessenen Konzentrationswert. Dadurch kann ein häufiges Wechseln zwischen dem Betrieb bei der ersten oder zweiten Betriebstemperatur vermieden werden, insbesondere dann, wenn der vorab gemessene Konzentrationswert entweder mit dem vorgegebenen unteren oder vorgegebenen oberen Konzentrationsschwellwert identisch ist. Eine Vermeidung eines häufigen Umschaltens der Betriebstemperatur erhöht die Lebensdauer des oder der Gassensoren.
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Auch ist es günstig, wenn das Verfahren im Schritt des Bereitstellens des Gasdetektors und/oder im Schritt des Bereitstellens des weiteren Gasdetektors ein chemosensitiver Feldeffektsensor als Gasdetektor und/oder weiterer Gasdetektor bereitgestellt wird. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass der chemosensitive Feldeffektsensor gasspezifische Eigenschaften aufweist, insbesondere eine hohe Sensitivität bei einer geringen Gaskonzentration und einen hohen Adsorptionsgrad bei einer niedrigen Temperatur. Desweiteren kann mit dem chemosensitiven Feldeffektsensor der Konzentrationswert mittels unterschiedlicher physikalischer Größen, wie z. B. einer Kapazität, Leitwert, oder Strom technisch sehr einfach bestimmt werden.
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Ferner kann gemäß einer Ausführungsform im Schritt des Bestimmens ein Schritt des Zuordnens eines Signals zu einem Konzentrationswert ausgeführt werden. Dabei kann das Zuordnen unter Verwendung einer vordefinierten Zuordnungsvorschrift von Signalwerten zu Konzentrationswerten erfolgen. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass auf einfache Weise ein Gasdetektor ersetzt werden kann, wenn beispielsweise ein Messbereich verändert werden soll. Auf eine aufwändige Umprogrammierung oder Umverdrathung der Messeinrichtung kann dann verzichtet werden, sondern es ist lediglich ein Austausch der Zuordnungstabelle zwischen Sensorsignal und entsprechendem Messwert zu verändern.
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Gemäß einer günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann nach dem Schritt des Bestimmens ferner ein Schritt des Messens einer Gaskonzentration während mindestens eines vordefinierten Zeitraums, insbesondere während mindestens 10 Sekunden, erfolgen. Dabei kann der Schritt des Messens einer Gaskonzentration, abhängig von der (zuvor oder vorab) bestimmten Gaskonzentration, entweder mit dem Gasdetektor bei der ersten Betriebstemperatur oder mit dem Gasdetektor bei der zweiten Betriebstemperatur oder dem weiteren Gasdetektor bei der zweiten Betriebstemperatur ausgeführt werden. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass ein Messzyklus mit einem im Betrieb des Messverfahrens ausgewählten Gasdetektor durchgeführt werden kann. Insbesondere kann dabei entweder der Gasdetektor bei der ersten Betriebstemperatur oder der Gasdetektor bei der zweiten Betriebstemperatur oder der weitere Gasdetektor bei der zweiten Betriebstemperatur eingesetzt werden, um die Gaskonzentration mit der erforderlichen Messgenauigkeit zu bestimmen. Während des nachfolgenden Messzykluses findet dann über einen längeren Zeitraum weder ein Wechsel zwischen der ersten und der zweiten Betriebstemperatur noch ein Wechsel zwischen dem Gasdetektor und dem weiteren Gasdetektor statt.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines Adsorptionsverlaufes eines Gasdetektors;
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2 eine Darstellung eines Signalverlaufes am Ausgang eines Gasdetektors;
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung einer Betriebstemperatur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein weiteres Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Ermittlung einer Betriebstemperatur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Detektion einer Gaskonzentration gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein weiteres Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Detektion einer Gaskonzentration gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt und/oder in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweites Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
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1 zeigt eine grafische Darstellung eines Verlaufs eines Adsorptionsgrades 102, 104, in Abhängigkeit von einer Gaskonzentration bei unterschiedlichen Temperaturen. Dabei entspricht eine horizontale Ache (Abszisse) 106 der Gaskonzentration eines Gases aus einem Gasgemisch und eine vertikale Ache (Ordinate) 108 dem Adsorptionsgrad des Gases aus dem Gasgemisch. Insbesondere ist der Verlauf 102 des Adsorptionsgrades bei niedriger Temperatur und der Verlauf 104 des Adsorptionsgrades bei hoher Temperatur gezeigt. Ab einem bestimmten Konzentrationswert geht der Verlauf des Adsorptionsgrades bei niedriger Temperatur in einen sättigenden Verlauf über wo hingegen der Verlauf des Adsorptionsgrades bei hoher Temperatur einen monotonen Anstieg ohne Eintritt in die Sättigungsphase zeigt. Insbesondere repräsentiert 1 somit eine Darstellung eines Adsorptionsverhaltens bei zwei unterschiedlichen Temperaturen.
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2 zeigt eine grafische Darstellung eines von der Zeit abhängigen Ausgangssignals 202, 204 eines Gasdetektors bei unterschiedlichen Gaskonzentrationen 206, 208 und bei unterschiedlichen Temperaturen. In einem ersten Diagramm 210 ist ein erster zeitlicher Verlauf 206 der Gaskonzentration 212 eines Gases aus einem Gasgemisch über die Zeit 214 und bei einer Temperatur von 350°C aufgetragen. In einem zweiten Diagramm 216 ergibt sich ein erster zeitlicher Verlauf 202 für das Ausgangssignals 218 des Gasdetektors, wobei das Ausgangsignal 214 eine charakteristische Größe des Gasdetektors in Abhängigkeit von der Konzentration, der Temperatur und der Zeit repräsentiert. Analog ist für eine Temperatur von 500°C im ersten Diagramm 210 ein zweiter zeitlicher Verlauf 208 der Gaskonzentration 212 eines Gases aus einem Gasgemisch über die Zeit 214 und im zweiten Diagramm 216 ein zweiter zeitlicher Verlauf 204 für das Ausgangssignals 218 des Gasdetektors gezeigt. Ein typisches Sensorverhalten eines chemosensitiven Feldeffektsensors bei zwei unterschiedlichen Temperaturen ist somit in 2 gezeigt.
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Das charakteristische Verhalten von chemosensitiven Feldeffektsensoren ist stark von einem Adsorptionsgleichgewichten geprägt. In guter Näherung kann man das temperatur- und konzentrationsbereichsabhängige Verhalten dieser Sensoren mit dem entsprechenden Verhalten von Absorptionsgleichgewichten erklären. 1 zeigt in einem theoretischen Modell das Adsorptionsverhalten eines Adsorptivs, oder auch als Analyt bezeichnet, bei zwei unterschiedlichen Temperaturen. Zwei Eigenschaften des Sensors werden erkennbar, insbesondere eine oben geschilderte Sublinearität und ebenso die Neigung, in eine Sättigung überzugehen. Im speziellen Fall ist der Grad dieses Verhaltens stark temperaturabhängig. Bei niedriger Temperatur führen bereits geringe Konzentrationen zu hohen Adsorptionsgraden. Im Gegensatz dazu ist bei bestimmten Konzentrationsdifferenzen im Bereich hoher Konzentrationen kaum ein Unterschied hinsichtlich des Adsorptionsgrades erkennbar. Das heißt, ein Sättigungsverhalten tritt im Vergleich zu höheren Temperaturen bereits bei niedrigeren Konzentrationen ein. Dieses Verhalten findet sich bei realen Feldeffekts-Chemosensoren wieder, wie es in 2 gezeigt wird, und kann bezüglich einer Erweiterung des Messbereichs ausgenutzt werden. Am Beispiel der Darstellung aus 2 können bei 350°C sehr geringe Konzentrationen deutlich unter 10 ppm gemessen und aufgelöst werden. Dagegen können jedoch höhere Konzentrationswerte deutlich schlechter voneinander unterschieden werden. Im Vergleich dazu ist bei 500°C die Messgenauigkeit hinsichtlich niederer Konzentrationen reduziert. Eine höhere Messgenauigkeitbei höheren Konzentrationen ist deutlich ausgeprägter.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, um eine Betriebstemperatur eines Gasdetektors zu ermitteln. Mögliche Elemente für eine Ermittlung der Betriebstemperatur sind ein Motorbetriebszustand 302, ein Gasdetektor 304, wobei der Gasdetektor 304 einen Sensor 306 und eine mit dem Sensor 306 im thermischen Kontakt stehende Heizung 308 umfasst, und wobei der Gasdetektor 304 in Betriebszuständen bei einer ersten Sensortemperatur T1 310 und einer zweiten Sensortemperatur T2 312 betrieben werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Chemosensor 306 (der beispielsweise ein spezieller Gas-sensitiver Feldeffekt-Transistor als Gasdetektor ist) bei 350°C oder bei 500°C betrieben werden, wobei dem Chemosensor 306 die entsprechenden Messprofile 202, 204, wie in 2 gezeigt wird, zugrunde gelegt werden. Befindet sich das Abgasreinigungssystem in einem Zustand, wo ein Konzentrationsbereich der zu messenden Gasart von unter 10 ppm vorherrschend ist, findet der Betrieb bei 350°C statt, ansonsten findet der Betrieb bei 500°C statt. Unter 10 ppm können so Konzentrationsunterschiede von höchstens 1 ppm gemessen werden, zwischen 10 ppm und wenigstens 50 ppm können Konzentrationsunterschiede von höchstens 5 ppm gemessen werden. Der Chemosensor 306 wird dazu entweder auf eine Temperatur von 350°C oder eine Temperatur von 500°C geregelt. Für beide Temperaturbereiche sind Funktionen in einer elektronischen Steuer- und Regelvorrichtung hinterlegt, die dem Ausgangssignal des Sensors eine Konzentration zuordnen.
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4 zeigt im Unterschied zu 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, um eine Betriebstemperatur eines Gasdetektors unter Verwendung einer festgelegten Konzentrationsschwelle zu ermitteln. Zusätzlich zu den Elementen für die Ermittlung der Betriebstemperatur, die in 3 als Gasdetektor 304, Sensortemperatur T1 310 und Sensortemperatur T2 312 eingeführt wurden, werden ein Sensor 406, eine Heizung 408, ein weiterer Gassensor 402, eine aktuelle Konzentration 412 und eine Konzentrationsschwelle mit Hysterese 414 benötigt.
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Eine Realisierung eines bestimmten Temperaturbereichs, zum Beispiel im Falle zweier unterschiedlicher Temperaturen, kann je nach Bedarf bereitgestellt werden: Entweder, wie in 3 gezeigt wird gibt der jeweilige Betriebszustand des Motors 302 vor, in welchem Temperaturbereich der Sensor betrieben wird, oder, wie in 4 gezeigt wird, gibt die aktuell vom Sensor gemessene Konzentration über den Abgleich mit einer Konzentrationsschwelle vor, in welchen Temperaturbereich der Sensor betrieben werden soll.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können alternativ auch zwei thermisch weitestgehend gegeneinander entkoppelte Chemosensoren zum Einsatz kommen. Der erste Sensor 406 befindet sich bei einer konstanten Messtemperatur von 350°C, der zweite Sensor 402 bei 500°C. Je nach Konzentrationsbereich der zu messenden Gasart kann mit dem ersten oder dem zweiten Sensor eine optimale Auflösung von Konzentrationsunterschieden erzielt werden. Für beide Sensoren sind Funktionen hinterlegt, die dem Ausgangssignal der Sensoren eine Konzentration zuordnen. Der Betriebszustand des Motors gibt dann vor, welches Sensorsignal weiter verarbeitet werden soll.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, dass entweder eine Realisierung der unterschiedlichen Temperaturen erfindungsgemäß zeitlich nacheinander an einem oder mehreren Sensoren stattfindet, wie in 5 gezeigt wird, oder aber gleichzeitig an mindestens zwei Sensoren, wie beispielsweise in 6 gezeigt wird. Im letzteren Fall sind mindestens zwei Einzelsensoren 306, 402, bzw. thermisch entkoppelte chemosensitive Feldeffektsensoren 306, 402 notwendig, wobei die Einzelsensoren 306, 402 bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben und die Temperatur auf einen konstanten Wert geregelt werden. Findet die Realisierung unterschiedlicher Temperaturen zeitlich nacheinander statt, werden diese Temperaturen entweder periodisch nacheinander realisiert, beispielsweise In einem Temperaturwechselmuster T1–T2–T1–T2 usw. oder ein bestimmter Temperaturbereich wird nach Bedarf realisiert, wie in 3 und 4 gezeigt wird: Hier gibt eine Motor- und Abgassteuerung bzw. -regelung den zu realisierenden Temperaturbereich vor, in Abhängigkeit davon, welche Konzentrationsbereiche in einer bestimmten Betriebssituation 302 vorhanden sind, wie in 3 gezeigt wird, beziehungsweise welche Messleistungen auf Basis der momentan gemessenen Konzentration temporär erforderlich sind, wie in 4 gezeigt wird. Im zuletzt genannten Fall findet ein Abgleich der aktuellen Konzentration mit einer Konzentrationsschwelle statt. Eine Hysterese dieser Konzentrationsschwelle kann ein zu häufiges Wechseln des Temperaturbereichs von der ersten zur zweiten Betriebstemperatur und zurück unterdrücken. Die Temperaturen, bei denen die Messungen bei der ersten und zweiten Betriebstemperatur erfolgen, liegen günstigerweise im Bereich zwischen 150°C und 700°C. Weiterhin ist es günstig, wenn zwei oder mehrere unterschiedliche (Betriebs-)Temperaturen jeweils um mindestens 50 K auseinander liegen. Auf diese Weise kann eine ausreichende Gassensitivität des/der Gasdetektors/en bei den unterschiedlichen Betriebstemperaturen sichergestellt werden.
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5 zeigt ein Verfahren 500 zur Detektion einer Gaskonzentration eines Gases aus einem Gasgemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann zur Detektion eine Mehrzahl von auf das Gas sensitive Gasdetektoren oder ein auf das Gas sensitiver Gasdetektor bei verschiedenen Betriebszuständen verwendet werden. Im Folgenden wird das Verfahren 500 im Fall eines einzelnen Gasdetektors dargestellt. Das Verfahren 500 umfasst einen Schritt des Bereitstellens 502 des Gasdetektors, wobei der Gasdetektor eine erste Betriebstemperatur aufweist. Im Schritt des Zuführens 504 des Gasgemisches zu dem Gasdetektor wird der Gasdetektor mit dem Gasgemisch in Kontakt gebracht, wobei durch den Gasdetektor bei der ersten Betriebstemperatur eine Gaskonzentration des Gases aus dem Gasgemisch gemessen und ein zu der gemessenen Gaskonzentration charakteristisches erstes Signal bereitgestellt wird. Ferner umfasst das Verfahren 500 einen Schritt des Veränderns 506 einer Betriebstemperatur des Gasdetektors auf eine von der ersten Betriebstemperatur unterschiedliche zweite Betriebstemperatur. Im Schritt des Zuleitens des Gasgemisches zu dem Gasdetektor, wobei durch den Gasdetektor bei der zweiten Betriebstemperatur eine Gaskonzentration des Gases aus dem Gasgemisch gemessen und ein zu der gemessenen Gaskonzentration charakteristisches zweites Signal bereitgestellt wird. Weiterhin weist das Verfahren einen Schritt des Bestimmens einer Gaskonzentration des Gases aus dem Gasgemisch mittels eines dem ersten Signal zugeordneten ersten Konzentrationswerts und eines dem zweiten Signal zugeordneten zweiten Konzentrationswerts auf.
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6 zeigt im Unterschied zu 5 ein Verfahren 600 zur Detektion einer Gaskonzentration eines Gases aus einem Gasgemisch gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei kann zur Detektion eine Mehrzahl von auf das Gas sensitive Gasdetektoren oder ein auf das Gas sensitiver Gasdetektor bei verschiedenen Betriebszuständen verwendet werden. Im Folgenden wird das Verfahren 600 im Fall von zwei einzelnen Gasdetektoren dargestellt. Dabei werden parallel zum Schritt des Bereitstellens 502 und zum Schritt des Zuführens 504 ein Schritt des Bereitstellens 602 eines weiteren Gasdetektors und ein Schritt des Zuleitens 604 des Gasgemisches zu dem weiteren Gasdetektor ausgeführt. Insbesondere wird im Schritt des Bereitstellens 602 ein weiterer Gasdetektor bereitgestellt, wobei der weitere Gasdetektor eine zweite Betriebstemperatur aufweist. In einem Schritt des Zuleitens 604 des Gasgemisches zu dem weiteren Gasdetektor wird durch den weiteren Gasdetektor bei der zweiten Betriebstemperatur eine Gaskonzentration des Gases aus dem Gasgemisch gemessen und ein zu der gemessenen Gaskonzentration charakteristisches zweites Signal bereitgestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0278098 A1 [0003]
