DE102015207883A1

DE102015207883A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer an einem Sensorelement anliegenden Spannung

Info

Publication number: DE102015207883A1
Application number: DE102015207883.3A
Authority: DE
Inventors: Magnus Labbe; Michael Fey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-11-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer an einem Sensorelement (110) anliegenden Spannung (114) ohne Strombelastung, wobei die Spannung (114) als analoger Wert (126) vorliegt und mittels eines Analog-Digital-Wandlers (130) in einen digitalen Wert (128) überführt wird. Hierzu wird das Sensorelement (110) zu mindestens zwei vorneinander verschiedenen Zeitpunkten jeweils mit einem Strompuls beaufschlagt, wobei Richtung und Amplitude des Strompulses jeweils derart gewählt werden, dass der Wert für die an dem Sensorelement (110) anliegende Spannung (114) unter Strombelastung durch den Strompuls jeweils innerhalb eines Messbereichs (132) des Analog-Digital-Wandlers (130) liegt. Hierbei werden jeweils die Werte für die an dem Sensorelement (110) anliegenden Spannungen (114) unter Strombelastung ermittelt und die Spannung (114) ohne Strombelastung unter Verwendung der zu den verschiedenen Zeitpunkten ermittelten Werte für die an dem Sensorelement (110) anliegenden Spannungen (114) unter Strombelastung bestimmt. Mit dem vorliegenden Verfahren kann insbesondere zur Bestimmung des Zustandes des Sensorelements (110) ein Innenwiderstand (112) des Sensorelements (110) unter Verwendung des Wertes für die Spannung (114) ohne Strombelastung ermittelt werden.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer an einem Sensorelement anliegenden Spannung, insbesondere der an dem Sensorelement anliegenden Spannung ohne Strombelastung. Hierbei ist das Sensorelement vorzugsweise zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch in einem Messgasraum, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet. Die vorliegenden Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des genannten Verfahrens durchzuführen, ein elektronisches Speichermedium, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist, und ein elektronisches Steuergerät, welches ein derartiges elektronisches Speichermedium umfasst.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sensorelemente zum Nachweis mindestens eines Anteils eines Gases in einem Gasgemisch bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Vorrichtungen beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Anteils, insbesondere eines Partialdrucks und/oder eines Volumenanteils und/oder eines Massenanteils, eines Gases an einem Gasgemisch dienen. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich.
Als Sensorelement zur Erfassung des Gasanteils wird insbesondere eine Lambdasonde eingesetzt. Lambdasonden sind beispielsweise in Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 160–165 beschrieben. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Varianten von Lambda-Sonden bekannt, darunter Lambda-Sonden mit einer Zelle, welche auch als „Zweipunkt-Lambdasonden“ bezeichnet werden. Die Zweipunkt-Lambdasonden vergleichen den Restsauerstoffanteil im Abgas mit dem Sauerstoffanteil einer Referenzgasatmosphäre, welche sich im Inneren der Sensorvorrichtung als Umluft befinden kann, und zeigen an, ob im Abgas ein fettes Gemisch (d.h. Lambda < 1) oder ein mageres Gemisch (d.h. Lambda > 1) vorliegt. In der Lambda-Sonde mit einer Zelle liegt eine äußere Elektrode an einem Gasraum mit hoher Sauerstoffkonzentration, vorzugsweise an einem Referenzvolumen, an. Zwischen der äußeren Elektrode und einer inneren Elektrode der Zelle wird eine feste Spannung angelegt. Sobald eine Sauerstoffkonzentration in einem Hohlraum nahe 0 ist, steigt ein Nernst-Potenzial stark an und kompensiert teilweise die angelegte Spannung. Auf diese Weise kann mit guter Genauigkeit eine konstante Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum eingeregelt werden.
Die an dem Sensorelement anliegende Spannung ohne Strombelastung und hieraus abgeleitete Größen insbesondere der Innenwiderstandes des Sensorelements, können insbesondere zur Beurteilung eines Zustands des Sensorelements verwendet werden. Aus verschiedenen Gründen ist es hierbei bevorzugt, den Innenwiderstand des Sensorelements zu kennen, insbesondere da der Wert des Innenwiderstandes einen Einfluss auf verschiedene Eigenschaften des Sensorelements und/oder auf ein Motorsteuerungssystem, welches auf von dem Sensorelement ermittelte Messgrößen zurückgreift, haben kann. Beispielhaft seien in diesem Zusammenhang elektrische Diagnosen, eine Erkennung einer Betriebsbereitschaft bzw. eine Stabilisierung der Temperatur des Sensorelements genannt.
Gemäß dem Stand der Technik wird zur Bestimmung des Innenwiderstandes des Sensorelements das Sensorelement mit einem Strompuls beaufschlagt. Unter dem auch als „Messpuls“ bezeichneten „Strompuls“ wird hierbei insbesondere eine sprunghafte Erhöhung eines Pumpstroms, welcher durch die erste Elektrode, durch den die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten und durch die zweite Elektrode des Sensorelements fließt, verstanden. Durch eine hierdurch hervorgerufene Strombelastung des Sensorelements kann ein Auftreten einer Ladungsverschiebung in dem Sensorelement bewirkt weden, wobei das Auftreten der Ladungsverschiebung in dem Sensorelement eine Erhöhung einer zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode anliegenden elektrischen Spannung verursachen kann. Aus dem beobachteten Verlauf der elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode unmittelbar nach der Beaufschlagung des Sensorelements mit dem Strompuls kann ein Wert für die Erhöhung der elektrischen Spannung in Folge der Beaufschlagung des Sensorelements mit dem Strompuls ermittelt werden. Gemäß dem Stand der Technik lässt sich der Innenwiderstand des Sensorelements dadurch bestimmen, dass die Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des Sensorelements jeweils mit der beschriebenen Strombelastung und ohne die beschriebene Strombelastung zueinander in Beziehung gesetzt wird.
Üblicherweise erfolgt eine Erfassung der an dem Sensorelement anliegenden Spannung zunächst in Form eines analogen Wertes, welcher anschließend in einen digitalen Wert für die Spannung überführt werden kann. Hierzu wird üblicherweise ein Analog-Digital-Wandler (engl. analog-to-digital converter; kurz ADC) eingesetzt, durch welchen ein Messbereich für die an dem Sensorelement anliegende Spannung festgelegt wird. Etwa zur Bestimmung eines Wertes für den Innenwiderstand ist hierbei der Messbereich nach unten durch eine Auflösung des Analog-Digital-Wandlers beschränkt, während der Messbereich nach oben durch eine an den Analog-Digital-Wandler anliegende Referenzspannung begrenzt wird.
Der Messbereich des Analog-Digital-Wandlers erstreckt sich hierbei typischerweise über einen Spannungsbereich von 0 V bis 5 V, so dass sich Spannungen, welche einen Wert oberhalb von 5 V oder unterhalb von 0 V annehmen, was in der Praxis auch tatsächlich auftreten kann, nicht mehr korrekt erfassen lassen. Andere Werte für die untere Begrenzung und/oder für die obere Begrenzung des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers sind jedoch, je nach Ausgestaltung des verwendeten Analog-Digital-Wandlers möglich.
Eine Spannung oberhalb von 5 V kann an dem Sensorelement zum Beispiel dann anliegen, wenn ein Nebenschluss zwischen einer Signalleitung des Sensorelements und einem Leiter mit einem hohen Potenzial auftritt. Der Nebenschluss kann zum Beispiel bei einem Aufheizen des Sensorelements beobachtet werden, etwa wenn ein Auftreten von Feuchtigkeit an einer Oberfläche des Sensorelements für einen im Vergleich zum Normalfall verringerten Isolationswiderstand zwischen einem Heizerkreis und einem Signalkreis innerhalb des Sensorelements führt. Andererseits kann an dem Sensorelement auch eine Spannung unterhalb von 0 V anliegen, etwa wenn ein Sauerstoffpartialdruck im Sauerstoffreferenzvolumen einen geringeren Wert annimmt als der Sauerstoffpartialdruck in dem Abgas. Ein derartiger Effekt kann zum Beispiel bei einer sogenannten „Vergiftung“ der Sauerstoffreferenz durch Fettgas bei einem mit einer Umgebungsluft-Sauerstoffreferenz ausgestatteten Sensorelement oder durch einen nicht ausreichend hohen Referenzpumpstrom in einem Sensorelement mit einer gepumpten Sauerstoffreferenz auftreten.
In diesen Fällen sowie in weiteren Fällen, in welchen die an dem Sensorelement anliegende Spannung außerhalb des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers liegt, kann daher gemäß dem Stand der Technik keine verlässliche Beurteilung des Zustandes des Sensorelements vorgenommen werden.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer an einem Sensorelement anliegenden Spannung ohne Strombelastung vorgeschlagen, welche die Nachteile der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeidet. Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung sollen es hierbei insbesondere ermöglichen, auch dann die an dem Sensorelement anliegende Spannung zu erfassen, wenn die Spannung außerhalb des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers liegt.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer an einem Sensorelement anliegenden Spannung ohne Strombelastung. Wie eingangs beschrieben, lassen sich aus dem Wert für die an dem Sensorelement anliegende Spannung weitere Größen, insbesondere ein Innenwiderstand des Sensorelements ableiten, und hieraus eine Beurteilung eines Zustands des Sensorelements durchführen.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird das Sensorelement zu mindestens zwei voneinander verschiedenen Zeitpunkten jeweils mit einem Strompuls beaufschlagt. Hierbei bezeichnet der Begriff des „Strompulses“ eine sprungförmige Erhöhung des an dem Sensorelement anliegenden Stromes über das vor dem Anliegen des Strompulses und nach dem Ende des Strompulses übliche Maß. Bei dem an dem Sensorelement anliegenden Strom kann es sich hierbei insbesondere um einen Pumpstrom handeln, durch welchen eine Zelle, welche über mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten verfügt, in dem Sensorelement betrieben wird.
Hierbei werden jeweils Richtung und Amplitude des Strompulses derart gewählt, dass der Wert für die an dem Sensorelement anliegende Spannung unter Strombelastung durch den jeweils anliegenden Strompuls jeweils innerhalb des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers liegt. Unter der „Richtung“ des Strompulses wird hierbei das Vorzeichen des Strompulses in Bezug auf den bereits an dem Sensorelement anliegenden Strom verstanden, während die „Amplitude“ des Strompulses den Absolutwert der Intensität des Strompulses bei maximaler Intensität bezeichnet.
Auf diese Weise wird der Strompuls derart eingesetzt, dass die während des betreffenden Strompulses an dem Sensorelement anliegende Gesamtspannung innerhalb des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers liegt, sodass die Gesamtspannung, welche ohne Strombelastung außerhalb des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers liegen kann, nunmehr korrekt erfasst werden kann. Unter einem „Analog-Digital-Wandler“, welcher auch als „Analog-Digital-Umsetzer“ bezeichnet werden kann, wird ein elektronisches Bauteil oder ein elektronisches Gerät, welches ein derartiges elektronisches Bauteil aufweist, verstanden, welches zu einer Umsetzung eines analogen Eingangssignals in einen digitalen Datenstrom eingerichtet ist.
Hierbei werden Werte für die an dem Sensorelement anliegenden Spannungen unter Strombelastung ermittelt und hieraus die an dem Sensorelement anliegende Spannung ohne Strombelastung unter Verwendung der zu den verschiedenen Zeitpunkten ermittelten Werte für die an dem Sensorelement anliegenden Spannungen unter Strombelastung bestimmt. In diesem Zusammenhang kann unter Verwendung des Wertes für die an dem Sensorelement anliegende Spannung ohne Strombelastung auch der Innenwiderstand des Sensorelements bestimmt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst das vorliegende Verfahren die Schritte a) bis d), welche vorzugsweise in der dargestellten Reihenfolge, beginnend mit Schritt a) und endend mit Schritt d), durchgeführt werden können. Allerdings ist es hierbei ebenfalls möglich, die einzelnen Schritte teilweise auch gleichzeitig und/oder wiederholt durchzuführen.
Gemäß Schritt a) kann zu einem ausgewählten Zeitpunkt festgestellt werden, ob der an dem Sensorelement anliegende digitale Wert für die Spannung ohne Strombelastung innerhalb oder am Rande des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers liegt. Für den Fall, dass die genannte Spannung tatsächlich innerhalb des Messbereichs liegt, ohne einen Wert am Rande des Messbereichs anzunehmen, wird der für die genannte Spannung ermittelte digitale Wert als Wert für die genannte Spannung übernommen. Unter dem „Rand“ des Messbereichs werden hierbei die Werte für die untere Begrenzung und für die obere Begrenzung des Messbereichs verstanden, beispielsweise 0 V für die untere Begrenzung und 5 V für die obere Begrenzung des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers.
Für den Fall jedoch, dass der digitale Wert für die genannte Spannung am Rande des Messbereichs liegt, d. h., falls der digitale Wert für die genannte Spannung dem Wert für die untere Begrenzung des Messbereichs (zum Beispiel 0 V) oder für die obere Begrenzung des Messbereichs (zum Beispiel 5 V) entspricht, wird der digitale Wert für die genannte Spannung durch ein Durchführen der im Folgenden im Einzelnen beschriebenen Schritte b) bis d) ermittelt.
Gemäß Schritt b) kann das Sensorelement zu einem ersten Zeitpunkt mit einem ersten Strompuls beaufschlagt werden, wobei hier die Richtung und die Amplitude des ersten Strompulses derart gewählt werden, dass der digitale Wert für die an dem Sensorelement anliegende Spannung unter Strombelastung durch den ersten Strompuls nunmehr innerhalb des Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers liegt. Der so in den Messbereich des Analog-Digital-Wandlers verschobene Wert für die genannte Spannung wird nunmehr als Wert für die an dem Sensorelement anliegende Spannung unter Strombelastung durch den ersten Strompuls ermittelt.
Gemäß Schritt c) kann das Sensorelement zu einem zweiten, gegenüber dem ersten Zeitpunkt späteren Zeitpunkt mit einem zweiten Strompuls beaufschlagt werden, wobei auch hier die Richtung und die Amplitude des zweiten Strompulses derart gewählt werden, dass der digitale Wert für die an dem Sensorelement anliegende Spannung unter Strombelastung durch den zweiten Strompuls ebenfalls in den Messbereich des Analog-Digital-Wandlers verschoben wird. Auch hier wird aus dem verschobenen Wert für die genannte Spannung ein Wert für die an dem Sensorelement anliegende Spannung unter Strombelastung durch den zweiten Strompuls ermittelt.
Gemäß Schritt d) kann nunmehr die an dem Sensorelement anliegende Spannung ohne Strombelastung unter Verwendung der Werte für die an dem Sensorelement anliegendenden Spannungen unter Strombelastung durch den ersten Strompuls bzw. den zweiten Strompuls bestimmt werden. Auch in diesem Falle lassen sich die genannten Spannungen dazu einsetzen, um hieraus den Innenwiderstand des Sensorelements zu ermitteln.
Eine Wahl der Richtung und der Amplitude des Strompulses kann hierbei derart erfolgen, dass ein Wert für eine Portspannung, welche zur Bereitstellung des Strompulses vorgesehen ist, entsprechend gewählt wird. Hierzu kann eine kontinuierlich oder in diskreten Abständen verstellbare Portspannung vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Wahl der Richtungen und der Amplitude des Strompulses durch Wahl eines Wertes für einen Belastungswiderstand erfolgen, wobei der Belastungswiderstand zu einer Begrenzung der Amplitude des Strompulses vorgesehen ist. Auch der Belastungswiderstand kann hierzu kontinuierlich oder in diskreten Abständen verstellbar eingerichtet sein. Darüber hinaus kann sich der Belastungswiderstand durch weitere, hierzu parallel und/oder in Serie geschaltete Widerstände verändern lassen, welche in einer besonderen Ausgestaltung auch über weitere zu Bereitstellung mindestens einer weiteren Portspannung zugeschaltet werden können. Um andererseits eine Anzahl von zusätzlichen elektronischen Bauteilen möglichst gering zu halten, kann die elektronische Schaltung derart eingerichtet sein, dass der mindestens eine weitere Widerstand sowohl in Serien- als auch in Parallelschaltung verwendet werden kann.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt das Beaufschlagen des Sensorelements mit dem zweiten Strompuls möglichst unmittelbar nach der Beaufschlagung des Sensorelements mit dem ersten Strompuls. Hierbei kann zwischen den verschiedenen Zeitpunkten für das Beaufschlagen der Sensorelemente mit einem Strompuls jeweils ein Zeitraum von 0,5 ms bis 10 ms, insbesondere von 2,5 ms bis 5 ms, gewählt werden.
In einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein elektronisches Speichermedium, welches dazu eingerichtet ist, um ein derart ausgestattetes Computerprogramm zu speichern.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Steuerungseinheit, vorzusgweise ein elektronisches Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuerungsssystem. Hierbei ist die Steuerungseinheit dazu eingerichtet, um ein elektronisches Speichermedium zu umfassen, auf welchem insbesondere ein Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des beschriebenen Verfahrens durchzuführen, gespeichert ist. Darüber hinaus verfügt die Vorrichtung weiterhin über mindestens einen ebenfalls oben beschriebenen Analog-Digital-Wandler, welcher dazu eingerichtet ist, um einen analogen Wert für eine an dem Sensorelement anliegenden Spannung, insbesondere die an dem Sensorelement anliegenden Spannung ohne Strombelastung, in einen entsprechenden digitalen Wert für die genannte Spannung zu überführen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung einer an einem Sensorelement anliegenden Spannung ohne Strombelastung, welche vorzusgweise zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente aus einem Gasgemisch in einem Messgasraum eingerichtet ist.
Die Vorrichtung weist hierzu vorzugsweise ein oben beschriebenes Sensorelement auf, welches über mindestens eine Zelle verfügt, wobei die Zelle mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten umfasst. Anders ausgestattete Sensorelemente sind jedoch ebenfalls denkbar, solange diese die Möglichkeit zur Beaufschlagung mit mindestens zwei Strompulsen zulassen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung sowohl in einteiliger Form als auch, vorzugsweise, in mehrteiliger Form ausgestaltet sein kann, insbesondere dahingehend, dass das Sensorelement als separates Element ausgestaltet sein kann, welches über geeignete elektrische Verbindungen mit der ebenfalls als separater Einheit ausgestalteten Steuerungseinheit in welchselseitigem Kontakt stehen kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung zur Unterscheidung eines Auftretens eines Kurzschlusses von einer Signalleitung des Sensorelements zu einer Batteriespannung und/oder zu einer Masse von einem Auftreten einer an dem Sensorelement anliegenden Spannung, welche ohne Strombelastung einen Wert außerhalb eines Messbereichs des Analog-Digital-Wandlers aufweist. Bevorzugte Ausgestaltungen hierfür werden unter den Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
Vorteile der Erfindung
Das hier beschriebene Verfahren und einer zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Vorrichtung ermöglichen es, die beiden wichtigsten Größen zur Beurteilung des Zustands des Sensorelements, d. h. die an dem Sensorelement anliegende Spannung ohne Strombelastung und den Innenwiderstand des Sensorelements, auch in solchen Fällen zu bestimmen, in welchen bisher keine Bestimmung des Zustandes möglich war. Dies ermöglicht insbesondere eine schnellere Reaktion auf den gegenwärtigen Zustand des Sensorelements, etwa in Form von schnelleren und robusteren Diagnosen mit besserem Pinpointing, eine Optimierung von Betriebsparametern des Sensorelements sowie ein Aktivieren und/oder ein Deaktivieren von Funktionalitäten des Motorsteuerungssystems in Abhängigkeit von dem Zustand des Sensorelements.
Das vorliegende Verfahren lässt sich hierbei insbesondere in unterschiedlichen Arten von Sensorelementen, insbesondere in verschiedenen Typen von Lambdasonden, vorzugsweise in Zweipunkt-Lambdasonden, einsetzen. Grundsätzlich bestehen hierbei auch keine Einschränkungen in Bezug auf die zu wählende Steuerungseinheit für das Sensorelement oder in Hinblick auf ein damit auszustattendes Fahrzeug.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Hierbei zeigen im Einzelnen:
1 eine schematische Darstellung einer vereinfachten elektrischen Beschaltung eines Sensorelements, dessen Innenwiderstand gemäß dem Stand der Technik bestimmt werden kann;
2 eine schematische Darstellung einer vereinfachten elektrischen Beschaltung eines Sensorelements, dessen Innenwiderstand gemäß dem vorliegenden Verfahren bestimmt werden kann; und
3 eine schematische Darstellung eines bevorzugten zeitlichen Ablaufs des vorliegenden Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung eines Innenwiderstandes eines Sensorelements exemplarisch an einem Sensorelement beschrieben, welche zur Erfassung eines Anteils an Sauerstoff in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine eingerichtet ist, insbesondere an einer Lambda-Sonde mit einer Zelle.
In 1 ist schematisch ein Sensorelement 110 dargestellt, welches über einen Innenwiderstand R_i 112 verfügt und an welchem eine an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung U_S 114 bestimmt werden kann.
Zur Bestimmung des Innenwiderstandes R_i 112 gemäß dem Stand der Technik wird hierzu das Sensorelement 110 über einen kurzen Zeitraum, welcher typischerweise in einen Bereich von 1 ms bis 5 ms liegt, mit einem Belastungsstrom I 116 belastet, welcher üblicherweise durch das Sensorelement 110 hindurchfließt, etwa zu einer Masse 118. Zur Bereitstellung des Belastungsstroms I 116 wird ein Port 120 geschlossen, wodurch ein Belastungswiderstand R_B 122 mit einer Portspannung U_P 124 verbunden werden kann. Für die Portspannung U_P 124 wird hierbei ein Wert gewählt, welcher höher liegt als die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung U_S 114. Während für die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung U_S 114 typischerweise ein Wert von 0,0 V bis 1,0 V erwartet werden kann, wird für die Portspannung U_P 124 daher ein Wert von 2,0 V und 4,0 V, beispielsweise etwa 3,3 V, eingestellt.
Aus der an dem Sensorelement 110 anliegenden Spannung ohne Strombelastung U_SOB zu einem Zeitpunkt t₀ unmittelbar vor dem Anlegen der Strombelastung an das Sensorelement 110 durch den Belastungsstrom I 116, welcher in Form eines Messpulses ausgestaltet ist, und der an dem Sensorelement 110 anliegenden Spannung U_SMB zu einem Zeitpunkt t₁ während der Strombelastung des Sensorelements 110 durch den Messpuls lässt sich der Innenwiderstand R_i 112 des Sensorelements 110 gemäß der folgenden Gleichung (1) bestimmen:
Die hierbei an dem Sensorelement 110 zu den verschiedenen Zeitpunkten t₀ und t₁ anliegenden Spannungen U_SOB und U_SMB liegen jedoch zunächst in Form von analogen Werten 126 vor, welche jeweils in einen digitalen Wert 128 überführt werden sollen. Zur Überführung der analogen Werte 126 in die zugehörigen digitalen Werte 128 ist ein Analog-Digital-Wandler 130 vorgesehen, welcher über einen Messbereich 132 verfügt. Hierbei ist der Messbereich 132 nach unten üblicherweise in Folge einer vorgegebene Auflösung des Analog-Digital-Wandlers 132 festgelegt, während der Messbereich 132 nach oben durch eine an dem Analog-Digital-Wandler 132 anliegende Referenzspannung begrenzt ist. Typischerweise ergibt sich auf diese Art für den Analog-Digital-Wandler 130 einen Messbereich 132, welcher ein Intervall von einschließlich 0 V bis einschließlich 5 V umfasst. Je nach den Spezifikationen des Analog-Digital-Wandlers 130 und der hieran anliegenden Referenzspannung sind hierbei jedoch auch andere Werte möglich. Für die hier exemplarisch dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beispielhaft auf den Messbereich 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 mit einer zu dem Intervall gehörenden unteren Grenze von 0 V und einer zu dem Intervall gehörenden oberen Grenze von 5 V zurückgegriffen.
Hieraus ergibt sich, dass eine Berechnung des Innenwiderstandes R_i 112 des Sensorelements 110 gemäß Gleichung (1) jedoch nur dann möglich ist, wenn sowohl die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung U_SOB zu dem Zeitpunkt t₀ unmittelbar vor der Strombelastung als auch die Spannung U_SMB zu dem Zeitpunkt t₁ während des Anliegens der Strombelastung an dem Sensorelement 110 innerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 liegen. Sollte jedoch einer der Werte für die genannten Spannungen außerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 liegen, so kann das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes R_i 122 des Sensorelements 110 unter Verwendung der Gleichung (1) jedoch nicht den korrekten Wert für den Innenwiderstand R_i 112 des Sensorelements 110 bereitstellen.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird daher in vorteilhafter Weise das vorliegende Verfahren eingesetzt. Hierzu wird exemplarisch in 2 in vereinfachter Weise die gemäß dem vorliegenden Verfahren veränderte elektrische Beschaltung des Sensorelements eingesetzt, mittels deren sich der Innenwiderstand R_i 112 des Sensorelements 110 auch in einem Fall bestimmen lässt, in welchem mindestens eine der an dem Sensorelement anliegenden Spannungen einen analogen Wert annimmt, welcher außerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 liegt.
In dem in 2 dargestellten exemplarischen Beispiel wird durch ein Schließen des Ports 120 der Belastungsstrom I 116 erzeugt, der so eingestellt ist, dass der Wert für die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung U_SMB1 zu dem Zeitpunkt t₁ innerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 liegt. Diese Spannung U_SMB1 wird zum Zeitpunkt t₁ erfasst. Bei Anwendung der Gleichung (1) auf die vorliegende Situation, lässt sich der Innenwiderstand R₁ 112 des Sensorelements 110 zu dem Zeitpunkt t₁ gemäß der Gleichung (2) berechnen:
Hieran anschließend wird der Port 120 geöffnet und ein weiterer, ebenfalls vorhandener Port 120‘ geschlossen. Durch das Schließen des weiteren Ports 120‘ wird ein weiterer Belastungsstrom I 116‘ erzeugt. Erneut wird die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung U_SMB2 unter Belastung durch den weiteren Belastungsstrom 116‘ zu dem Zeitpunkt t₂ erfasst. Auch zum Zeitpunkt t₂ lässt sich der Innenwiderstand R_i 112 des Sensorelements 110 zu dem Zeitpunkt t₂ unter Belastung durch den zweiten Belastungsstrom 116‘ entsprechend berechnen:
Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Belastung des Sensorelements 110 durch den zweiten Belastungsstrom 116‘ möglichst schnell auf die Belastung durch den ersten Belastungsstrom 116 erfolgt, insbesondere um hierdurch eine mögliche Verfälschung der Messergebnisse durch eine zwischenzeitliche Änderung der an dem Sensorelement anliegenden Spannung auch ohne Strombelastung und/oder des Innenwiderstandes 112 des Sensorelements 110 möglichst weitgehend zu verringern. Insbesondere wird daher zwischen dem Zeitpunkt t₁ der Beaufschlagung des Sensorelements 110 mit dem ersten Belastungsstrom 116 und dem Zeitpunkt t₂ der Belastung des Sensorelements 110 mit dem zweiten Belastungsstrom 116‘ ein Zeitraum in einem Bereich von 0,5 ms bis 10 ms gewählt.
Unter der daher durchaus realistischen Annahme, dass sich der Innenwiderstand R_i 112 in dem Zeitraum zwischen der Belastung des Sensorelements 110 mit dem ersten Belastungsstrom 116 und der Belastung des Sensorelements 110 mit dem zweiten Belastungsstrom 116‘ nicht ändert, können die Terme aus den Gleichungen (2) und (3) gleichgesetzt werden, sodass sich hieraus durch eine Umformung die an dem Sensorelement anliegende Spannung U_SOB ohne Strombelastung zu dem Zeitpunkt t₀, d. h. unmittelbar vor der Belastung des Sensorelements 110 mit dem ersten Belastungsstrom 116, gemäß Gleichung (4) bestimmen lässt:
Hieraus ist ersichtlich, dass, solange die Werte für die Spannung 114 an dem Sensorelement 110 innerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 liegen, sich somit die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung U_SOB zu dem Zeitpunkt t₀ ohne Strombelastung ermitteln lässt, selbst wenn diese einen Wert außerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 annehmen sollte.
Wird der aus Gleichung (4) gewonnene Wert für die Spannung U_SOB (t₀) in die Gleichung (2) oder (3) eingesetzt, so ergibt sich, wie in Gleichung (5) dargestellt, dass sich der Innenwiderstand R_i 112 des Sensorelements 110 sogar unabhängig von der an dem Sensorelement 110 anliegenden Spannung U_SOB (t₀) ermitteln lässt:
Hierbei kann die zur Ermittlung der an dem Sensorelement 110 anliegenden Spannung U_SOB ohne Strombelastung vorgesehene Gleichung (5) dann gegebenenfalls weiter vereinfacht werden, wenn zur Erzeugung der beiden Belastungsströme 116, 116‘ entweder der selbe Wert für die beiden verwendeten Portspannungen U_P1 = U_P2 oder der selbe Wert für den jeweiligen Belastungswiderstand R_B1 = R_B2 verwendet werden.
In 3 ist ein möglicher zeitlicher Verlauf der an dem Sensorelement 110 anliegenden Spannung U_s 114 aufgetragen. Zu dem Zeitpunkt t₀ wird die Spannung U_SOB ohne Strombelastung erfasst. Diese liegt, wie aus 3 hervorgeht, außerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130, für den hier exemplarisch ebenfalls ein Spannungsbereich von einschließlich 0 V bis einschließlich 5 V angenommen wurde.
Der Zeitpunkt t₁ liegt in einem ersten Zeitraum 134, über welchen das Sensorelement 110 mit einem ersten Strompuls beaufschlagt wird, dessen Richtung und Amplitude derart gewählt sind, dass der Wert für die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung unter Belastung durch den ersten Strompuls U_SMB1, welcher zum Zeitpunkt t₁ erfasst wird, nunmehr innerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 liegt.
In analoger Weise wird während eines zweiten Zeitraums 136 das Sensorelement 110 mit einem zweiten Strompuls beaufschlagt, wobei die Richtung und die Amplitude des zweiten Strompulses derart gewählt werden, dass der zu dem Zeitpunkt t₂ erfasst Wert für die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung unter Strombelastung durch den zweiten Strompuls U_SMB2 nunmehr ebenfalls innerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers liegt.
Mit den erhaltenen Messwerten kann beispielsweise unter Verwendung der oben dargestellten Gleichung (5) der Innenwiderstand R_i 112 des Sensorelements 110 bestimmt werden. Hierbei ist die gesamte Messung innerhalb eines Messzeitraums 138 zwischen dem Zeitpunkt t₀ und dem zweiten Zeitpunkt t₂ innerhalb von 1 ms bis 20 ms, vorzugsweise von 5 ms bis 10 ms, durchführbar.
Weiterhin wird im Folgenden an zwei exemplarischen Beispielen eine vorteilhafte Verwendung der Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung, welche über zumindest ein Sensorelement 110 und eine Steuerungseinheit, welche mindestens einen der Analog-Digital-Wandler 130 aufweist, verfügt, kann demgemäß insbesondere zur Unterscheidung eines Auftretens eines Kurzschlusses von einer Signalleitung des Sensorelements zu einer Batteriespannung bzw. zu einer Masse von einem Auftreten einer an dem Sensorelement 110 anliegenden Spannung ohne Strombelastung, welche einen Wert außerhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 aufweist, angesetzt werden.
In einem ersten Beispiel, in welchem ein Kurzschluss zwischen der Signalleitung des Sensorelements 110 und der Batteriespannung auftritt, liegt am Analog-Digital-Wandler 130 des Sensorelements 110 die Batteriespannung an. Der Analog-Digital-Wandler zeigt aber in der Regel nur die obere Grenze seines Messbereichs, typischerweise 5 V, an.
Gemäß dem Stand der Technik kann der dargelegte Fall jedoch nicht von einem weiteren Fall unterschieden werden, in welchem sich z.B. in Folge von mehreren schnell aufeinananderfolgenden Motorstarts Feuchtigkeit auf einer Oberfläche des Sensorelements abscheidet. In diesem Fall kann ein Isolationswiderstand zwischen einem Heizerkreis und einem Signalkreis des Sensorelements 110 wenigstens zeitweilig so weit absinken, dass ein Nebenschluss auftritt, welcher durch ein Übersprechen der an dem Heizelement anliegenden Heizspannung dafür sorgt, dass die an dem Analog-Digital-Wandler 130 anliegende Spannung einen Wert aufweist, welcher ebenfalls oberhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 liegt.
Während gemäß dem Stand der Technik keine Unterscheidung zwischen den beiden dargelegten Fällen möglich ist, erlaubt das vorliegende Verfahren, die beiden dargelegten Fälle eindeutig voneinander zu unterscheiden. Während im Falle des Kurzschlusses zwischen der Signalleitung des Sensorelements 110 und der Batteriespannung auch eine Beaufschlagung des Sondenelements 110 mit einem oder mehreren Belastungsströmen 116, 116‘ es nicht ermöglicht, dass die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung in den Messbereich 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 verschoben werden kann, ist dies im Falle des an seiner Oberfläche Feuchtigkeit aufweisenden Sensorelements 110 durchaus möglich. Auf diese Weise kann im zweiten Fall etwa gemäß der obigen Gleichung (5) der Innenwiderstand R_i 112 des Sensorelements 110 bestimmt werden. Aufgrund dieses Unterschiedes zwischen den beiden Fällen kann somit eine verbesserte, schnellere und robustere Diagnose des Sensorelements 110 vorgenommen werden. Dadurch lassen sich zum einen mögliche Fehldiagnosen, etwa die Annahme eines nicht vorhandenen Kurzschlusses, vermeiden und zum anderen können die hierbei gewonnenen Messwerte weiterhin auch dazu verwendet werden, etwa um Betriebsparameter in Bezug auf die Heizung des Sensorelements 110 derart anzupassen, dass ein Abbau der an der Oberfläche des Sensorelements 110 anhaftenden Feuchtigkeit möglichst zügig erfolgt, ohne dass hierbei das Sensorelement 110 beschädigt werden kann.
In einem weiteren exemplarischen Beispiel wird aufgezeigt, dass das vorliegende Verfahren das Auftreten eines Kurzschlusses von einer Signalleitung des Sensorelements zu einer Masse 118 von einer sogenannten „Referenzluftvergiftung“, welche bei einem Sensorelement 110 mit Umgebungsluft-Sauerstoffreferenz auftreten kann, unterscheiden kann. Bei dem Auftreten der dargestellten Referenzluftvergiftung nimmt die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung einen negativen Wert < 0 V an, welcher unterhalb des Messbereichs 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 liegt. Somit zeigt der Analog-Digital-Wandler 130 in beiden Fällen einen Messwert von 0 V an. Während, wie oben dargelegt, es im Falle des Kurzschlusses nicht möglich ist, den Wert für die an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung unter Strombelastung in den Messbereich 132 des Analog-Digital-Wandlers 130 zu bringen, ist dies für den Fall der Referenzluftvergiftung sehr wohl möglich.
Damit wäre auch hier eine Differenz-Diagnose zwischen den beiden aufgeführten Fällen möglich. Darüber hinaus könnte bei dem Auftreten der Referenzluftvergiftung gemäß dem vorliegenden Verfahren immer noch die tatsächlich an dem Sensorelement 110 anliegende Spannung ohne Strombelastung ermittelt werden, so dass unter Verwendung der gemäß dem vorliegenden Verfahren bestimmten an dem Sensorelement 110 anliegenden Spannung eine zumindest eingeschränkte Lambdaregelung mit Hilfe des Sensorelements 110 möglich bleibt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 160–165 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer an einem Sensorelement (110) anliegenden Spannung (114) ohne Strombelastung, wobei die Spannung (114) als analoger Wert (126) vorliegt und mittels eines Analog-Digital-Wandlers (130) in einen digitalen Wert (128) überführt wird, wobei das Sensorelement (110) zu mindestens zwei vorneinander verschiedenen Zeitpunkten jeweils mit einem Strompuls beaufschlagt wird, wobei Richtung und Amplitude jedes Strompulses jeweils derart gewählt werden, dass der Wert für die an dem Sensorelement (110) anliegende Spannung (114) unter Strombelastung durch den Strompuls jeweils innerhalb eines Messbereichs (132) des Analog-Digital-Wandlers (130) liegt, wobei jeweils die Werte für die an dem Sensorelement (110) anliegenden Spannungen (114) unter Strombelastung ermittelt werden, und wobei die Spannung (114) ohne Strombelastung unter Verwendung der zu den verschiedenen Zeitpunkten ermittelten Werte für die an dem Sensorelement (110) anliegenden Spannungen (114) unter Strombelastung bestimmt werden.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei ein Innenwiderstand (112) des Sensorelements (110) unter Verwendung des Wertes für die Spannung (114) ohne Strombelastung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit den Schritten: a) Feststellen zu einem ausgewählten Zeitpunkt t₀, ob der digitale Wert (128) für die Spannung (114) ohne Strombelastung U_SOB (t₀) innerhalb oder am Rande des Messbereichs (132) des Analog-Digital-Wandlers (130) liegt und, – falls die Spannung (114) ohne Strombelastung innerhalb des Messbereichs (132) liegt, Übernehmen des digitalen Wertes (128) für die Spannung (114) ohne Strombelastung, oder, – falls der digitale Wert für die Spannung (114) ohne Strombelastung am Rande des Messbereichs (132) des Analog-Digital-Wandlers (130) liegt, Durchführen der folgenden Schritte b) bis d); b) Beaufschlagen des Sensorelements zu einem ersten Zeitpunkt t₁ mit einem ersten Strompuls, wobei die Richtung und die Amplitude des ersten Strompulses derart gewählt werden, dass der Wert für die an dem Sensorelement (110) anliegende Spannung (114) unter Strombelastung durch den ersten Strompuls U_SMB1 (t₁) innerhalb des Messbereichs (132) des Analog-Digital-Wandlers (130) liegt, und Ermitteln des Wertes der Spannung U_SMB1 (t₁); c) Beaufschlagen des Sensorelements zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ mit einem zweiten Strompuls, wobei die Richtung und die Amplitude des zweiten Strompulses derart gewählt werden, dass der Wert für die an dem Sensorelement (110) anliegende Spannung (114) unter Strombelastung durch den zweiten Strompuls U_SMB2 (t₂) innerhalb des Messbereichs (132) des Analog-Digital-Wandlers (130) liegt, und Ermitteln des Wertes der Spannung U_SMB2 (t₂); d) Bestimmen der Spannung (114) ohne Strombelastung U_SOB (t₀) unter Verwendung der Werte für die Spannungen U_SMB1 (t₁) und U_SMB2 (t₂).
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Innenwiderstand (112) des Sensorelements (110) unter Verwendung der Werte für die Spannungen U_SMB1 (t₁) und U_SMB2 (t₂) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Wahl der Richtung und der Amplitude des Strompulses durch mindestens eine der folgenden Möglichkeiten erfolgt: – Wahl eines Wertes für eine Portspannung (124, 124‘) zur Bereitstellung des Strompulses; – Wahl eines Wertes für einen Belastungswiderstand (122, 122‘) zur Begrenzung des Strompulses.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der Wert für die Portspannung (124, 124‘) und/oder der Wert für den Belastungswiderstand (122, 122‘) kontinuierlich oder diskret eingestellt werden und/oder der Wert für den Belastungswiderstand (122, 122‘) durch weitere, hierzu parallel und/oder in Serie geschaltete Widerstände verändert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den verschiedenen Zeitpunkten ein Zeitraum in einem Bereich von 0,5 ms bis 10 ms gewählt wird.
Computerprogramm, welches dazu eingerichtet ist, um die Schritte des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch gespeichert ist.
Steuerungseinheit, welche ein elektronisches Speichermedium nach dem vorangehenden Anspruch umfasst und über mindestens einen Analog-Digital-Wandler (130) verfügt, welcher dazu eingerichtet ist, um einen für eine an dem Sensorelement anliegenden Spannung ermittelten analogen Wert (126) in einen digitalen Wert (128) zu überführen.
Vorrichtung zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente aus einem Gasgemisch in einem Messgasraum, umfassend ein Sensorelement (110) und eine Steuerungseinheit gemäß dem vorangehenden Anspruch.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch zur Unterscheidung eines Auftretens eines Kurzschlusses von einer Signalleitung des Sensorelements (110) zu einer Batteriespannung und/oder zu einer Masse (118) von einem Auftreten einer an dem Sensorelement (110) anliegenden Spannung (114) ohne Strombelastung, welche einen analogen Wert (126) außerhalb eines Messbereichs (132) eines Analog-Digital-Wandlers (130) aufweist.