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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Gassensorvorrichtung zum Ermitteln eines Fehlers der Gassensorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch zu ermitteln, insbesondere eine auf dem Wärmeleitfähigkeitsmessprinzip basierende Gassensorvorrichtung, wie beispielsweise einen Wasserstoffkonzentrationssensor.
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Aus dem Stand der Technik sind Gassensoren bekannt, die auf dem Wärmeleitfähigkeitsmessprinzip basieren. Dabei wird die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Gasgemischs ermittelt, woraus sich die Konzentration einer Gaskomponente des Gasgemischs ableiten lässt. Insbesondere kann dabei beispielsweise die Wasserstoffkonzentration im Gasgemisch abgeleitet werden, da die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff signifikant größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von vielen anderen Gaskomponenten.
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Der Messbetrieb von aus dem Stand der Technik bekannten Gassensoren basiert im Wesentlichen auf einem konstanten Betrieb einer Heizvorrichtung des Gassensors, mittels der dem Gasgemisch durch Zuführen einer vorbestimmten elektrischen Leistung an die Heizvorrichtung eine vorbestimmte Wärmeleistung zugeführt wird. Aufgrund der vom Gasgemisch abgeführten Wärme kann dann auf die Konzentration der Gaskomponente geschlossen werden. Dabei wird der Heizvorrichtung eine vorbestimmte elektrische Leistung zugeführt, die bei einem bekannten Gasgemisch ohne der zu vermessenden Komponente zu einer erwarteten Temperatur des Gasgemischs führen würde. Entspricht jedoch die tatsächliche Temperatur des Gasgemischs, die die zu vermessende Gaskomponente aufweist, nicht der erwarteten Temperatur des Gasgemischs ohne Gaskomponente, kann aufgrund der durch die Gaskomponente verursachte Änderung der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemischs auf die Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch geschlossen werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Gassensor bereitzustellen, mit denen die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch möglichst genau bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß unabhängigen Anspruch 1 und einem Gassensor gemäß unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, eine fehlerbehaftete Gassensorvorrichtung, insbesondere einen zu weit fortgeschrittenen Alterungseffekt einer Heizvorrichtung der Gassensorvorrichtung, zu erkennen und, bei Bedarf, den alterungsbedingten Fehler zumindest teilweise zu kompensieren. Insbesondere schlägt die vorliegende Erfindung vor, neben der eigentlichen Heizvorrichtung zumindest eine weitere Heizvorrichtung vorzusehen, die ebenfalls mit einem vorbestimmten elektrischen Versorgungssignal, wie beispielsweise einer vorbestimmten elektrischen Versorgungsspannung, versorgt wird und die eigentliche Heizvorrichtung dahingehend zu überwachen, ob diese übermäßig gealtert ist. Beispielsweise wird die weitere Heizvorrichtung deutlich seltener, z. B. nur zu Zeiten, zu denen eine Diagnose der Gassensorvorrichtung, insbesondere der eigentlichen Heizvorrichtung, notwendig erscheint, und/oder mit einem geringeren elektrischen Versorgungssignal . Insbesondere basiert die Erfindung darauf, dass mittels beider Heizvorrichtungen unabhängig jeweils eine Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch ermittelt wird und ein Fehler der Gassensorvorrichtung erkannt wird, wenn die beiden ermittelten Konzentration voneinander zu stark abweichen.
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Folglich ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines Fehlers einer Gassensorvorrichtung offenbart, die zum Ermitteln der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch ausgebildet ist und die eine erste Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Gasgemisch zu erwärmen, eine zweite Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Gasgemisch zu erwärmen, und zumindest eine Temperaturerfassungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur der Heizvorrichtung und/oder des die erste Heizvorrichtung und/oder die zweite Heizvorrichtung umgebenen Gasgemischs zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist hierbei ein Betreiben der ersten Heizvorrichtung mit einem vorbestimmten ersten elektrischen Versorgungssignal derart, dass sich eine erste konstante Temperatur der ersten Heizvorrichtung und/oder des die erste Heizvorrichtung umgebenden Gasgemischs einstellt, ein Ermitteln der ersten konstanten Temperatur mittels der Temperaturerfassungsvorrichtung, ein Ermitteln einer ersten Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch zumindest teilweise basierend auf der ermittelten ersten konstanten Temperatur, ein Betreiben der zweiten Heizvorrichtung mit einem vorbestimmten zweiten elektrischen Versorgungssignal derart, dass sich eine zweite konstante Temperatur der zweiten Heizvorrichtung und/oder des die zweite Heizvorrichtung umgebenden Gasgemischs einstellt, ein Ermitteln der zweiten konstanten Temperatur mittels der Temperaturerfassungsvorrichtung, ein Ermitteln einer zweiten Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch zumindest teilweise basierend auf der ermittelten zweiten konstanten Temperatur, und ein Ermitteln eines Fehlers der Gassensorvorrichtung auf, wenn die ermittelte erste Konzentration von der ermittelten zweiten Konzentration um mehr als ein Konzentrationsschwellenwert abweicht.
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Dabei macht sich die Erfindung zunutze, dass sich aus dem Betrieb der ersten Heizvorrichtung mit dem vorbestimmten ersten elektrischen Versorgungssignal und dem Ermitteln der ersten konstanten Temperatur der ersten Heizvorrichtung und/oder des die erste Heizvorrichtung umgebenden Gasgemischs die erste Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch ermitteln lässt sowie in analoger Weis aus dem Betrieb der zweiten Heizvorrichtung mit dem vorbestimmten zweiten elektrischen Versorgungssignal und dem Ermitteln der zweiten konstanten Temperatur der zweiten Heizvorrichtung und/oder des die erste Heizvorrichtung umgebenden Gasgemischs die zweite Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch ermitteln lässt. Weichen die beiden derart ermittelten Konzentrationen voneinander um mehr als den vorbestimmten Konzentrationsschwellenwert ab, kann ein Fehler der Gassensorvorrichtung, insbesondere der ersten Heizvorrichtung, ermittelt werden. Insbesondere kann ermittelt werden, dass die erste Heizvorrichtung derart gealtert ist, dass diese selbst beim Betreiben mit dem vorbestimmten ersten elektrischen Versorgungssignal nicht mehr in der Lage ist, das Gasgemisch - wie erwartet und gewünscht - zu erwärmen, wodurch im weiteren Messbetrieb und bei der weiteren Analyse der Signale der Gassensorvorrichtung die Messungen nicht mehr akkurat genug durchgeführt werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das vorbestimmte zweite elektrische Versorgungssignal kleiner als das vorbestimmte erste elektrische Versorgungssignal. Insbesondere führt ein kleineres vorbestimmtes zweites elektrisches Versorgungssignal zu einer kleineren zweiten konstanten Temperatur der zweiten Heizvorrichtung, wodurch die zweite Heizvorrichtung einer geringeren Alterung unterliegt.
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Zusätzlich oder alternativ ist es bevorzugt, wenn die zweite Heizvorrichtung nur zu Diagnosezwecken der Gassensorvorrichtung betrieben wird. Wenn beispielsweise die erste Heizvorrichtung zum Ermitteln der ersten Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch alle 10 ms betrieben wird, kann eine Diagnose des Gassensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung alle 1.000 ms notwendig erscheinen, so dass die zweite Heizvorrichtung zur Diagnose der Gassensorvorrichtung somit auch nur alle 1.000 ms zum Ermitteln der zweiten Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch betrieben wird. Ferner kann es bevorzugt sein, dass die erste Heizvorrichtung durchgehend betrieben wird und die zweite Heizvorrichtung alle 1 bis 10 Sekunden für jeweils 100 ms betrieben wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht der Konzentrationsschwellenwert ungefähr 10 %, bevorzugt ungefähr 5 %, noch bevorzugter ungefähr 3 %, der ermittelten zweiten Konzentration.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das erste elektrische Versorgungsignal und/oder das zweite elektrische Versorgungssignal eine im Wesentlichen konstante elektrische Spannung, die an der ersten Heizvorrichtung und/oder zweiten Heizvorrichtung angelegt wird.
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Alternativ handelt es sich bei dem ersten elektrischen Versorgungssignal und/oder zweiten elektrischen Versorgungssignal um einen im Wesentlichen konstanten elektrischen Strom, der an der ersten Heizvorrichtung und/oder zweiten Heizvorrichtung angelegt wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gassensorvorrichtung offenbart, die zum Ermitteln der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch ausgebildet ist und eine erste Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Gasgemisch zu erwärmen, eine zweite Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Gasgemisch zu erwärmen, und zumindest eine Temperaturerfassungsvorrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur der ersten Heizvorrichtung und/oder der zweiten Heizvorrichtung und/oder des die erste Heizvorrichtung und/oder die zweite Heizvorrichtung umgebenden Gasgemischs zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß des weiteren Aspekts umfasst ein Ermitteln eines Fehlers der Gassensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, ein Ermitteln einer Konzentrationsdifferenz zwischen der ermittelten ersten Konzentration und der ermittelten zweiten Konzentration, ein Ermitteln eines elektrischen Korrektur-Konzentrationswerts basierend auf der ermittelten Konzentrationsdifferenz und ein Betreiben der Gassensorvorrichtung zumindest teilweise unter Berücksichtigung des Korrektur-Konzentrationswerts, wobei beim Ermitteln der ersten Konzentration der Korrektur-Konzentrationswert zumindest teilweise berücksichtigt wird.
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Gemäß diesem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann folglich auch beim Erkennen eines Fehlers der Gassensorvorrichtung diese unter Berücksichtigung des ermittelten Korrektur-Konzentrationswerts weiterhin betrieben werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des weiteren Aspekts umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner ein Ermitteln, dass der ermittelte Korrektur-Kompensationswert einen vorbestimmten Korrekturschwellenwert überschreitet und ein Ermitteln eines unbehebbaren Fehlers der Gassensorvorrichtung, wenn der ermittelte Korrektur-Konzentrationswert den vorbestimmten Korrekturschwellenwert überschreitet. Ein unbehebbarer Fehler der Gassensorvorrichtung zeigt an, dass die Gassensorvorrichtung, insbesondere die erste Heizvorrichtung, nicht länger derart betrieben werden kann, dass eine ausreichend genaue Messung der Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch durchgeführt werden kann. Das heißt, dass ein Austausch der Gassensorvorrichtung erforderlich sein kann. Insbesondere zeigt der unbehebbare Fehler der Gassensorvorrichtung an, dass der durch Alterung bedingte Drift der ersten Heizvorrichtung einen Wert angenommen hat, der mittels dem ermittelten Korrektur-Konzentrationswert nicht mehr kompensierbar ist, und folglich die erste Heizvorrichtung nicht mehr ordnungsgemäß betrieben werden kann.
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Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gassensorvorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch offenbart. Die erfindungsgemäße Gassensorvorrichtung weist eine erste Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Gasgemisch zu erwärmen, eine zweite Heizvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Gasgemisch zu erwärmen, zumindest eine Temperaturerfassungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur der ersten Heizvorrichtung und/oder der zweiten Heizvorrichtung und/oder des die erste Heizvorrichtung und/oder die zweite Heizvorrichtung umgebenden Gasgemischs zu erfassen, und eine Steuerungsvorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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Vorzugsweise umfasst die Temperatursensorvorrichtung einen ersten Temperatursensor mit einem temperaturabhängigen Widerstand, wie beispielsweise ein PTC-Widerstand oder NTC-Widerstand, oder ein Thermoelement. Vorzugsweise befindet sich die erste Temperaturmessstelle der Temperaturerfassungsvorrichtung in unmittelbarer Umgebung der ersten Heizvorrichtung, beispielsweise nur ungefähr 5 µm von der ersten Heizvorrichtung entfernt. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Temperatursensor der Temperaturerfassungsvorrichtung jedoch um einen in die erste Heizvorrichtung integrierten ersten Temperatursensor. Beispielsweise kann dabei der elektrische Widerstand der als Widerstandsheizvorrichtung ausgebildeten ersten Heizvorrichtung ermittelt werden, woraus die Temperatur der ersten Heizvorrichtung und daraus wiederum die Temperatur des die erste Heizvorrichtung umgebenden Gasgemischs ermittelt werden kann.
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Vorzugsweise umfasst die Temperatursensorvorrichtung ferner einen zweiten Temperatursensor mit einem temperaturabhängigen Widerstand, wie beispielsweise ein PTC-Widerstand oder NTC-Widerstand, oder ein Thermoelement. Vorzugsweise befindet sich die zweite Temperaturmessstelle der Temperaturerfassungsvorrichtung in unmittelbarer Umgebung der zweiten Heizvorrichtung, beispielsweise nur ungefähr 5 µm von der zweiten Heizvorrichtung entfernt. Bevorzugt handelt es sich bei dem zweiten Temperatursensor der Temperaturerfassungsvorrichtung jedoch um einen in die zweite Heizvorrichtung integrierten ersten Temperatursensor. Beispielsweise kann dabei der elektrische Widerstand der als Widerstandsheizvorrichtung ausgebildeten zweiten Heizvorrichtung ermittelt werden, woraus die Temperatur der zweiten Heizvorrichtung und daraus wiederum die Temperatur des die zweite Heizvorrichtung umgebenden Gasgemischs ermittelt werden kann.
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Ferner kann es bevorzugt sein, dass die Temperaturerfassungsvorrichtung nur einen Temperatursensor aufweist, der in unmittelbarer Umgebung der ersten Heizvorrichtung und in unmittelbarer Umgebung der zweiten Heizvorrichtung angeordnet ist und beide Temperaturen erfassen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gassensorvorrichtung ist ein erstes Sensorgehäuse, in dem die erste Heizvorrichtung und der erste Temperatursensor angeordnet sind, und ein zweites Sensorgehäuse vorgesehen, in dem die zweite Heizvorrichtung und der zweite Temperatursensor angeordnet sind.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der hierin beschriebenen Lehre und Betrachten der beiliegenden einzigen Zeichnung ersichtlich, in denen:
- 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Gassensorvorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch zeigt,
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Gassensorvorrichtung zum Ermitteln der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch zeigt, und
- 3 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers einer Gassensorvorrichtung zeigt.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt der Begriff „Gasgemisch“ ein Gemisch aus einem Referenzgasgemisch und der zu vermessenden Gaskomponente. Das Referenzgasgemisch kann dabei ein einkomponentiges Gas, wie beispielsweise ein Inertgas, z. B. Argon, oder selbst ein Gemisch aus mehreren Gasen, wie beispielsweise Luft, sein.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung kann näherungsweise davon ausgegangen werden, dass die Temperatur der ersten und/oder zweiten Heizvorrichtung im Wesentlichen der Temperatur des die erste und/oder zweite Heizvorrichtung direkt und unmittelbar umgebenden Gasgemischs entspricht. Insbesondere ist damit der Anteil des Gasgemischs gemeint, der sich in direkter und unmittelbarer Umgebung der ersten und/oder zweiten Heizvorrichtung befindet, d. h. nur wenige Mikrometer von der Heizvorrichtung entfernt ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung zeigt ein Fehler der Gassensorvorrichtung einen nicht mehr kompensierbaren (Mess-)Fehler an, wenn die ermittelte erste Konzentration von der ermittelten zweiten Konzentration um mehr als einen Konzentrationsschwellenwert abweicht. Ist die Abweichung der beiden ermittelten Konzentrationen folglich kleiner als der vorbestimmte Abweichungsschwellenwert, kann die mittels der ersten Heizvorrichtung ermittelte erste Konzentration auf der Grundlage der Konzentrationsdifferenz zumindest teilweise korrigiert werden, d. h. dass beispielsweise ein alterungsbedingter Drift der ersten Heizvorrichtung damit zumindest teilweise kompensiert werden kann. Weicht aber die ermittelte erste Konzentration von der ermittelten zweiten Konzentration um mehr als den Konzentrationsschwellenwert ab, kann von einem anderen bzw. weiteren Defekt des Gassensorvorrichtung ausgegangen werden. Ein solcher Defekt kann dann nicht mehr mittels der oben genannten Kompensation kompensiert werden.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Gassensorvorrichtung 100 zum Ermitteln der Gaskonzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch. Die Gassensorvorrichtung 100 ist insbesondere zumindest teilweise innerhalb einer Gaskammer 10 angeordnet, in der das die Gaskomponente aufweisende Gasgemisch bevorratet ist. Beispielsweise handelt es sich bei der Gaskammer 10 um eine Abgasleitung einer Brennstoffzelle.
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Die Gassensorvorrichtung 100 umfasst ein Sensorgehäuse 102, in dem ein Messraum 104 gebildet ist. Das Sensorgehäuse 102 weist eine Öffnung 106 auf, durch die ein Gasaustausch zwischen der Gaskammer 10 und dem Messraum 104 ermöglicht ist. In der 1 ist der Gasaustausch zwischen der Gaskammer 10 und dem Messraum 104 durch den Pfeil 108 angezeigt. Vorzugsweise ist die Öffnung 106 des Sensorgehäuses 102 mittels einer gasdurchlässigen Membran (in der 1 nicht explizit dargestellt) bedeckt, durch die ausschließlich gasförmige Medien dringen können.
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Die Gassensorvorrichtung 100 weist eine erste Heizvorrichtung 110 auf, die innerhalb des Sensorgehäuses 102 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Temperatur des sich im Messraum 104 befindlichen Gasgemischs zu ändern, insbesondere zu erwärmen. Die erste Heizvorrichtung 110 kann beispielsweise eine Widerstandsheizvorrichtung sein, die mit elektrischen Signalen, wie beispielweise elektrischem Strom und elektrischer Spannung, betrieben wird.
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Die Gassensorvorrichtung 100 weist ferner eine Temperaturerfassungsvorrichtung 120 auf, die dazu ausgebildet ist, die Temperatur der ersten Heizvorrichtung 110 und/oder des die erste Heizvorrichtung 110 umgebenden Gasgemischs innerhalb des Messraums 104 zu erfassen. Die Temperatursensorerfassungsvorrichtung 120 ist beispielsweise ein Temperatursensor mit einem temperaturabhängigen Widerstand, wie beispielsweise ein PTC-Widerstand oder NTC-Widerstand. Bevorzugt handelt es sich bei der Temperaturerfassungsvorrichtung 120 jedoch um eine in die erste Heizvorrichtung 110 und/oder zweite Heizvorrichtung 112 integrierte Temperaturerfassungsvorrichtung 120. Beispielsweise kann dabei der elektrische Widerstand der als Widerstandsheizvorrichtung ausgebildeten ersten Heizvorrichtung 110 und/oder zweiten Heizvorrichtung 112 ermittelt werden, woraus wiederum die Temperatur der ersten Heizvorrichtung 110 und/oder zweiten Heizvorrichtung 112 sowie die Temperatur des die erste Heizvorrichtung 110 und/oder zweite Heizvorrichtung 112 umgebenden Gasgemischs ermittelt werden kann.
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Ferner kann es bevorzugt sein, dass die Temperaturerfassungsvorrichtung 120 die Temperatur des Gasgemischs in unmittelbarer Umgebung der ersten Heizvorrichtung 110 erfasst. Die unmittelbare Umgebung kann beispielsweise einen Bereich von wenigen Mikrometern um die erste Heizvorrichtung 110 herum beschreiben.
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Die Gassensorvorrichtung 100 weist ferner eine zweite Heizvorrichtung 112 auf, die innerhalb des Sensorgehäuses 102 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Temperatur des sich im Messraum 104 befindlichen Gasgemischs zu ändern, insbesondere zu erwärmen. Die zweite Heizvorrichtung 112 kann ebenfalls beispielsweise eine Widerstandsheizvorrichtung sein, die mit elektrischen Signalen, wie beispielweise elektrischem Strom und elektrischer Spannung, betrieben wird.
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Gemäß der Ausgestaltung der 1 kann die Temperaturerfassungsvorrichtung 120 auch die Temperatur der zweiten Heizvorrichtung 112 und/oder des die zweite Heizvorrichtung 112 umgebenden erfassen. Die unmittelbare Umgebung kann beispielsweise einen Bereich von wenigen Mikrometern um die zweite Heizvorrichtung 112 herum beschreiben.
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Die Gassensorvorrichtung 100 weist ferner eine Steuerungsvorrichtung 130 auf, die mit der ersten Heizvorrichtung 110, der zweiten Heizvorrichtung 112 und der Temperaturerfassungsvorrichtung 120 verbunden und dazu ausgebildet ist, den Betrieb der Gassensorvorrichtung 100 zu steuern und ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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Unter Verweis auf die 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Gassensorvorrichtung 100 zum Ermitteln der Gaskonzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch.
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Die Gassensorvorrichtung 100 der 2 umfasst ein erstes Sensorgehäuse 102, in dem ein erster Messraum 104 gebildet ist. Das erste Sensorgehäuse 102 weist eine erste Öffnung 106 auf, durch die ein Gasaustausch zwischen der Gaskammer 10 und dem ersten Messraum 104 ermöglicht ist. In der 2 ist der Gasaustausch zwischen der Gaskammer 10 und dem ersten Messraum 104 durch den Pfeil 108 angezeigt. Vorzugsweise ist die erste Öffnung 106 des ersten Sensorgehäuses 102 mittels einer gasdurchlässigen Membran (in der 2 nicht explizit dargestellt) bedeckt, durch die ausschließlich gasförmige Medien dringen können.
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Die Gassensorvorrichtung 100 der 2 weist eine erste Heizvorrichtung 110 auf, die innerhalb des ersten Sensorgehäuses 102 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Temperatur des sich im ersten Messraum 104 befindlichen Gasgemischs zu ändern, insbesondere zu erwärmen. Die erste Heizvorrichtung 110 kann beispielsweise eine Widerstandsheizvorrichtung sein die mit elektrischen Signalen, wie beispielweise elektrischem Strom und elektrischer Spannung, betrieben wird.
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Die Gassensorvorrichtung 100 der 2 weist eine Temperaturerfassungsvorrichtung 120 auf, einen ersten Temperatursensor 122 aufweist, der dazu ausgebildet ist, die Temperatur der ersten Heizvorrichtung 110 und/oder des die erste Heizvorrichtung 110 umgebenden Gasgemischs innerhalb des ersten Messraums 104 zu erfassen. Der erste Temperatursensor 122 ist beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand, wie beispielsweise ein PTC-Widerstand oder NTC-Widerstand. Bevorzugt handelt es sich bei dem ersten Temperatursensor 122 jedoch um einen in die erste Heizvorrichtung 110 integrierten ersten Temperatursensor 122. Beispielsweise kann dabei der elektrische Widerstand der als Widerstandsheizvorrichtung ausgebildeten ersten Heizvorrichtung 110 ermittelt werden, woraus wiederum die Temperatur der ersten Heizvorrichtung 110 sowie die Temperatur des die erste Heizvorrichtung 110 umgebenden Gasgemischs ermittelt werden kann.
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Vorzugsweise erfasst der erste Temperatursensor 122 die Temperatur des Gasgemischs in unmittelbarer Umgebung der ersten Heizvorrichtung 110. Die unmittelbare Umgebung kann beispielsweise einen Bereich von wenigen Mikrometern um die erste Heizvorrichtung 110 herum beschreiben.
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Die Gassensorvorrichtung 100 der 2 umfasst ferner ein zweites Sensorgehäuse 103, in dem ein zweite Messraum 105 gebildet ist. Das zweite Sensorgehäuse 103 weist eine zweite Öffnung 107 auf, durch die ein Gasaustausch zwischen der Gaskammer 10 und dem zweiten Messraum 105 ermöglicht ist. In der 2 ist der Gasaustausch zwischen der Gaskammer 10 und dem zweiten Messraum 105 durch den Pfeil 109 angezeigt. Vorzugsweise ist die zweite Öffnung 107 des zweiten Sensorgehäuses 103 mittels einer gasdurchlässigen Membran (in der 2 nicht explizit dargestellt) bedeckt, durch die ausschließlich gasförmige Medien dringen können.
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Die Gassensorvorrichtung 100 der 2 weist ferner eine zweite Heizvorrichtung 112 auf, die innerhalb eines zweiten Sensorgehäuses 103 angeordnet und dazu ausgebildet ist, die Temperatur des sich darin in einem zweiten Messraum 105 befindlichen Gasgemischs zu ändern, insbesondere zu erwärmen. Die zweite Heizvorrichtung 112 kann ebenfalls beispielsweise eine Widerstandsheizvorrichtung sein, die mit elektrischen Signalen, wie beispielsweise elektrischem Strom und elektrischer Spannung, betrieben wird.
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Die Temperaturerfassungsvorrichtung 120 der 2 weist ferner einen zweiten Temperatursensor 124 auf, der dazu ausgebildet ist, die Temperatur der zweiten Heizvorrichtung 112 und/oder des die zweite Heizvorrichtung 112 umgebenden Gasgemischs innerhalb des zweiten Messraums 105 zu erfassen. Der zweite Temperatursensor 124 ist beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand, wie beispielsweise ein PTC-Widerstand oder NTC-Widerstand. Bevorzugt handelt es sich bei dem zweiten Temperatursensor 124 jedoch um einen in die zweite Heizvorrichtung 112 integrierten zweiten Temperatursensor 124. Beispielsweise kann dabei der elektrische Widerstand der als Widerstandsheizvorrichtung ausgebildeten zweiten Heizvorrichtung 112 ermittelt werden, woraus wiederum die Temperatur der zweiten Heizvorrichtung 112 sowie die Temperatur des die zweite Heizvorrichtung 112 umgebenden Gasgemischs ermittelt werden kann.
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Vorzugsweise erfasst der zweite Temperatursensor 122 die Temperatur des Gasgemischs in unmittelbarer Umgebung der zweiten Heizvorrichtung 110. Die unmittelbare Umgebung kann beispielsweise einen Bereich von wenigen Mikrometern um die zweiten Heizvorrichtung 112 herum beschreiben.
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Die Gassensorvorrichtung 100 weist ferner eine Steuerungsvorrichtung 130 auf, die mit der ersten Heizvorrichtung 110, der zweiten Heizvorrichtung 112 und der Temperaturerfassungsvorrichtung 120 verbunden und dazu ausgebildet ist, den Betrieb der Gassensorvorrichtung 100 zu steuern und ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, was im Folgenden unter Bezug auf die 3 exemplarisch erläutert wird.
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Die 3 zeigt ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ermitteln eines Fehlers einer Gassensorvorrichtung, wie beispielsweise der Gassensorvorrichtung 100 der 1.
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Das Verfahren der 3 startet beim Schritt 300 und gelangt dann zum Schritt 310, an dem die erste Heizvorrichtung 110 betrieben wird. Insbesondere wird die erste Heizvorrichtung 110 mit einem vorbestimmten ersten elektrischen Versorgungssignal, wie beispielsweise einer vorbestimmten ersten Versorgungsspannung, solange betrieben, bis sich eine erste konstante Temperatur der ersten Heizvorrichtung 110 und/oder desjenigen Gasgemischs einstellt, das die erste Heizvorrichtung 110 unmittelbar umgibt.
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In einem darauffolgenden Schritt 320 wird mittels der Temperaturerfassungsvorrichtung 120 die erste konstante Temperatur ermittelt.
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In einem darauffolgenden Schritt 330 wird zumindest teilweise basierend auf der beim Schritt 320 ermittelten ersten konstanten Temperatur eine erste Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch ermittelt. Dies kann beispielsweise durch eine Zuordnungsvorschrift erfolgen, die tabellarisch oder mittels einer mathematischen Formel die ermittelte erste Temperatur einem ersten Konzentrationswert der Gaskomponente im Gasgemisch zuordnet.
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In einem darauffolgenden Schritt 340, der gleichzeitig zum Schritt 310 erfolgen kann, wird die zweite Heizvorrichtung 112 betrieben. Insbesondere wird die zweite Heizvorrichtung 112 mit einem vorbestimmten zweiten elektrischen Versorgungssignal, wie beispielsweise einer vorbestimmten zweiten Versorgungsspannung, solange betrieben, bis sich eine zweite konstante Temperatur der zweiten Heizvorrichtung 112 und/oder desjenigen Gasgemischs einstellt, das die zweite Heizvorrichtung 112 unmittelbar umgibt.
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In einem weiteren Schritt 350, der gleichzeitig zum Schritt 320 erfolgen kann, wird mittels der Temperaturerfassungsvorrichtung wiederum die zweite konstante Temperatur ermittelt.
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In einem darauffolgenden Schritt 360 wird zumindest teilweise basierend auf der beim Schritt 350 ermittelten zweiten konstanten Temperatur eine zweite Konzentration der Gaskomponente im Gasgemisch ermittelt. Dies kann beispielsweise durch eine Zuordnungsvorschrift erfolgen, die tabellarisch oder mittels einer mathematischen Formel die ermittelte zweite Temperatur einem zweiten Konzentrationswert der Gaskomponente im Gasgemisch zuordnet.
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In einem darauffolgenden Schritt 370 wird eine Konzentrationsdifferenz zwischen der beim Schritt 330 ermittelten ersten Konzentration und der beim Schritt 360 ermittelten zweiten Konzentration gebildet.
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In einem darauffolgenden Schritt 380 wird bestimmt, ob der Betrag der beim Schritt 370 ermittelten Konzentrationsdifferenz einen vorbestimmten Konzentrationsschwellenwert überschreitet. Insbesondere wird beim Schritt 380 bestimmt, ob die ermittelte erste Konzentration von der ermittelten zweiten Konzentration um mehr als einen vorbestimmten Abweichungsschwellenwert abweicht, wie beispielsweise 10 %, vorzugsweise 5 %, noch bevorzugter 3 %.
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Wird beim Schritt 380 bestimmt, dass der Betrag der beim Schritt 370 ermittelten Konzentrationsdifferenz den vorbestimmten Konzentrationsschwellenwert überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 382, an dem ein Fehler der Gassensorvorrichtung 100, insbesondere der ersten Heizvorrichtung 110, bestimmt wird, bevor das Verfahren beim Schritt 390 beendet wird.
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Wird jedoch beim Schritt 380 bestimmt, dass der Betrag der beim Schritt 370 ermittelten Konzentrationsdifferenz den vorbestimmten Konzentrationsschwellenwert nicht überschreitet, gelangt das Verfahren zum Schritt 384, an dem eine fehlerfreie Gassensorvorrichtung 100, insbesondere eine fehlerfreie erste Heizvorrichtung 110, ermittelt wird, bevor das Verfahren wiederum beim Schritt 390 beendet wird.
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Mittels des Verfahrens der 3 kann somit ermittelt werden, ob die Gassensorvorrichtung 100, insbesondere die erste Heizvorrichtung 110, noch ordnungsgemäß funktioniert oder ob diese schon einer zu großen und zu weit fortgeschrittenen Alterung unterliegt.
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Alternativ kann, was in der 3 nicht explizit dargestellt ist, nach dem Schritt 382 noch ein Korrektur-Konzentrationswert ermittelt werden, der auf der Grundlage des Betrags der Konzentrationsdifferenz, die beim Schritt 370 ermittelt worden ist, ermittelbar ist. Insbesondere kann der Korrektur-Konzentrationswert dazu verwendet werden, den auf dem Betrieb der zumindest teilweise gealterten ersten Heizvorrichtung 110 ermittelten und dadurch zumindest teilweise fehlerbehafteten ersten Konzentrationswert zumindest teilweise zu kompensieren, d. h. die Messgenauigkeit der Gassensorvorrichtung 100 auf einem akzeptablen Niveau zu halten.
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Somit ist mit der zweiten Heizvorrichtung 112 eine einfache Möglichkeit geschaffen, die Alterung der ersten Heizvorrichtung 110 auf einfache und effektive Weise zu überwachen und zu ermitteln und eine zu stark gealterte erste Heizvorrichtung 110 zu erkennen, um damit einen Fehler an den Betreiber der Gassensorvorrichtung 100 ausgeben zu können. Insbesondere kann durch das Ermitteln des alterungsbedingten Drifts der ersten Heizvorrichtung 110 durch Bestimmen der Alterung der zweiten Heizvorrichtung 112 der Korrektur-Konzentrationswert ermittelt werden, mit welchem die Alterung zumindest teilweise kompensiert werden und die Gassensorvorrichtung 100 noch mit ausreichender Genauigkeit weiterhin betrieben werden kann.
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Hierzu ist es bevorzugt, dass die zweite Heizvorrichtung 112 signifikant seltener und/oder mit niedrigerem zweiten elektrischen Versorgungssignal betrieben wird. Damit kann sichergestellt werden, dass die zweite Heizvorrichtung 112, die aus Gründen eines signifikanten Vergleichs bevorzugt baugleich zur ersten Heizvorrichtung 110 ist, deutlich weniger altert und somit noch im Wesentlichen den ursprünglichen Herstellungszustand repräsentieren kann.
