DE102022210329A1 - Method for operating a sensor for detecting at least a portion of a measuring gas component with bound oxygen in a measuring gas - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird ein elektronisches Steuergerät (122), das zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss (P1) für eine erste Pumpzelle (112) eines Sensorelements (110) des Sensors (100) und einen zweiten gesonderten Anschluss (P2) für eine zweite Pumpzelle (140) des Sensorelements (110) des Sensors (100) verfügt, mit dem Sensorelement (110) verbunden wird, wobei die erste Pumpzelle (112) mittels einer elektrisch leitenden Verbindung (120) mit dem ersten gesonderten Anschluss (P1) verbunden wird, wobei die zweite Pumpzelle (140) mittels einer elektrisch leitenden Verbindung (146) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbunden wird, wobei in der elektrisch leitenden Verbindung (146), die die zweite Pumpzelle (140) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbindet, ein Messwiderstand (160) vorgesehen wird, wobei mittels des Steuergeräts (122) eine Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle (140) zum Erzeugen eines Messsignals (UP2p-P2n) an dem Messwiderstand (160) durchgeführt wird, wobei die elektrisch leitende Verbindung (146), die die zweite Pumpzelle (140) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbindet, als intakt identifiziert wird, falls ein Betrag einer zeitlichen Veränderung des Messsignals (UP2p-P2n) während der Strom- und/oder Spannungsanregung einen vorbestimmten Schwellwert (212) überschreitet, und als defekt identifiziert wird, falls der Betrag der zeitlichen Veränderung des Messsignals (UP2p-P2n) während der Strom- und/oder Spannungsanregung den vorbestimmten Schwellwert (212) unterschreitet.A method for operating a sensor (100) for detecting at least a portion of a measuring gas component with bound oxygen in a measuring gas is proposed. In the method, an electronic control device (122) which has at least a first separate connection (P1) for a first pump cell (112) of a sensor element (110) of the sensor (100) and a second separate connection (P2) for a second pump cell (140) of the sensor element (110) of the sensor (100) is connected to the sensor element (110), wherein the first pump cell (112) is connected to the first separate connection (P1) by means of an electrically conductive connection (120), wherein the second pump cell (140) is connected to the second separate connection (P2) by means of an electrically conductive connection (146), wherein a measuring resistor (160) is provided in the electrically conductive connection (146) which connects the second pump cell (140) to the second separate connection (P2), wherein a current and/or voltage excitation of the second pump cell (140) for Generating a measurement signal (UP2p-P2n) at the measuring resistor (160), wherein the electrically conductive connection (146) connecting the second pump cell (140) to the second separate terminal (P2) is identified as intact if an amount of a temporal change in the measurement signal (UP2p-P2n) during the current and/or voltage excitation exceeds a predetermined threshold value (212), and is identified as defective if the amount of the temporal change in the measurement signal (UP2p-P2n) during the current and/or voltage excitation falls below the predetermined threshold value (212).
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren und Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenem Sauerstoff erzeugt wird, bekannt.A large number of methods and sensors are known from the prior art for detecting at least a portion of the measuring gas component with bound oxygen in a gas mixture, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, by detecting a portion of oxygen which is produced by a reduction of the measuring gas component with the bound oxygen.
Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, die auch verkürzt oder vereinfacht NOx-Sensoren oder Stickoxid-Sensoren bezeichnet werden, sind beispielsweise in
Stickoxid-Sensoren (= NOx-Sensoren), die heutzutage in der Automobiltechnik eingesetzt werden, funktionieren nach dem Grenzstromprinzip, analog zu Sauerstoff-Sensoren, wie beispielsweise Lambda Sensoren. Ein solcher Stickoxid-Sensor umfasst eine Nernst-Konzentrationszelle, die auch Referenzzelle genannt wird, eine modifizierte Sauerstoffpumpzelle und eine weitere modifizierte Sauerstoffpumpzelle, die sogenannte NOx-Zelle. Eine äußere Pumpelektrode, die alternativ entweder dem Abgas ausgesetzt ist oder über einen Luftkanal Kontakt zur Umgebungsluft hat und eine innere Pumpelektrode in einem ersten Hohlraum, der vom Abgas durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist, bilden die Sauerstoffpumpzelle. Im ersten Hohlraum befindet sich auch die Nernstelektrode und in einem Referenzgasraum die Referenzelektrode, die zusammen die Nernstzelle bzw. Referenzzelle bilden. Die NOx-Zelle umfasst eine NOx-Pumpelektrode und eine Gegenelektrode. Die NOx-Pumpelektrode befindet sich in einem zweiten Hohlraum, der mit dem ersten inneren Hohlraum verbunden und von diesem durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist. Die Gegenelektrode befindet sich in dem Referenzgasraum. Alle Elektroden in dem ersten und zweiten Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter.Nitrogen oxide sensors (= NO x sensors) that are used in automotive technology today work according to the limiting current principle, analogous to oxygen sensors such as lambda sensors. Such a nitrogen oxide sensor comprises a Nernst concentration cell, which is also called a reference cell, a modified oxygen pump cell and another modified oxygen pump cell, the so-called NO x cell. An outer pump electrode, which is alternatively either exposed to the exhaust gas or has contact with the ambient air via an air duct, and an inner pump electrode in a first cavity that is separated from the exhaust gas by a diffusion barrier, form the oxygen pump cell. The Nernst electrode is also located in the first cavity and the reference electrode is located in a reference gas chamber, which together form the Nernst cell or reference cell. The NO x cell comprises a NO x pump electrode and a counter electrode. The NO x pump electrode is located in a second cavity that is connected to the first inner cavity and separated from it by a diffusion barrier. The counter electrode is located in the reference gas chamber. All electrodes in the first and second cavities have a common return conductor.
Bei Betrieb des Stickoxid-Sensor wird der sogenannten O2-Zelle der Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbunden ist, entfernt. Der dadurch resultierende Pumpstrom ist dann proportional zum Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. In der NOx-Zelle werden die Stickoxide abgepumpt. Das Stickoxid NOx, in der in den zweiten Hohlraum befindlichen Atmosphäre, wird durch Anlegen einer konstanten Pumpspannung reduziert bzw. abgebaut. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NOx stammt, wird in einen Referenzgasraum abgepumpt. So hat die angelegte Pumpspannung gegen den Widerstand der NOx-Zelle und der Konzentration des Stickoxids NOx bzw. Sauerstoffs einen Pumpstrom zur Folge, der proportional zum Gehalt an Stickoxid NOx bzw. Sauerstoff ist und das NOx-Messsignal darstellt.When the nitrogen oxide sensor is in operation, the oxygen is removed from the first cavity of the so-called O2 cell, which is connected to the exhaust gas via a diffusion barrier. The resulting pumping current is then proportional to the oxygen content of the ambient air in the measuring gas or exhaust gas stream. The nitrogen oxides are pumped out in the NO x cell. The nitrogen oxide NO x in the atmosphere in the second cavity is reduced or broken down by applying a constant pumping voltage. The oxygen generated by the reduction or breakdown of the measuring gas component in the second cavity, which preferably comes from the reduction of the nitrogen oxide NO x , is pumped out into a reference gas chamber. The applied pumping voltage against the resistance of the NO x cell and the concentration of the nitrogen oxide NO x or oxygen results in a pumping current that is proportional to the content of nitrogen oxide NO x or oxygen and represents the NO x measurement signal.
Der dabei resultierende Pumpstrom IP2 ist somit ein Maß für die NOx-Konzentration der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. Bei dieser Anordnung ist es wichtig, dass an der Sauerstoffzelle nicht auch die Stickoxide abgepumpt werden, da sonst an der NOx-Zelle kein Signal mehr gemessen werden könnte. Dies wird durch eine Gold-Dotierung der O2-Zelle erreicht. Zusätzlich darf die O2-Zelle nur bei niedrigen Pumpspannungen betrieben werden, da sonst wieder NOx-Moleküle dissoziiert würden.The resulting pump current I P2 is therefore a measure of the NO x concentration of the ambient air in the measuring gas or exhaust gas flow. With this arrangement, it is important that the nitrogen oxides are not pumped out at the oxygen cell, as otherwise no signal could be measured at the NO x cell. This is achieved by gold doping the O2 cell. In addition, the O2 cell may only be operated at low pump voltages, as otherwise NO x molecules would dissociate again.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Die Temperatur des Sensorelements wird durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Heizerversorgung (Spannung, Strom) gesteuert. Die Spannung des PWMs wird über einen Feldeffekttransistor (FET) direkt von der Versorgungspannung (typischerweise 13.5 V) der Sensorsteuereinheit (SCU) abgegriffen. Dadurch liegt in der An-Phase des PWMs die SCU-Versorgungsspannung des Systems an den Heizmäander des Sensorelements in der Sensor-Probe an. Der Strom an NOx-Messsignal ist sehr klein wie beispielsweise. 4,5 µA bei 1500 ppm NOx und damit auch äußerst empfindlich gegenüber Störungen und Einkopplungen. Aufgrund der baulichen Nähe der Heizmäander zu der NOx Zelle wird während der An-Phase des PWM-Signals durch kapazitive Kopplung und Leckströme ein Strom auf die Leitung zwischen dem P2-Pin am Steuergerät (NOx-Mess- und Regelungsschaltung) und dem P2-Pin der NOx-Zelle bzw. der Gegenelektrode der NOx-Zelle eingeprägt. Durch diese Störung wird ein Offset zu dem tatsächlichen NOx Wert messbar.Despite the advantages of the sensors and methods for operating them known from the prior art, they still contain potential for improvement. The temperature of the sensor element is controlled by pulse width modulation (PWM) of the heater supply (voltage, current). The PWM voltage is taken directly from the supply voltage (typically 13.5 V) of the sensor control unit (SCU) via a field effect transistor (FET). As a result, in the on phase of the PWM, the SCU supply voltage of the system is applied to the heating meander of the sensor element in the sensor sample. The current of NOx measuring signal is very small, for example. 4.5 µA at 1500 ppm NOx and therefore extremely sensitive to interference and coupling. Due to the structural proximity of the heating meanders to the NOx cell, a current is applied to the line between the P2 pin on the control unit (NOx measurement and control circuit) and the P2 pin during the on phase of the PWM signal due to capacitive coupling and leakage currents the NOx cell or the counter electrode of the NOx cell. This disturbance makes an offset to the actual NOx value measurable.
Die Anforderungen der Umweltbehörden verlangen eine kontinuierliche und verlässliche Diagnose von Leitungsunterbrechungen der Leitung zwischen dem P2-Pin am Steuergerät (NOx-Mess- und Regelungsschaltung) und dem P2-Pin der NOx-Zelle bzw. der Gegenelektrode der NOx-Zelle (nachfolgend auch P2 Leitung). Ein Monitoring der Leitungen abgasrelevanter Funktionen hinsichtlich Unterbrechungen (Open Circuit) muss kontinuierlich, das heißt mit nicht weniger als zwei Abtastwerten pro Sekunde, durchgeführt werden. So müssen Stickoxid Sensoren (NOx-Sensoren) aufgrund dieser regulatorischen Vorgaben eine Diagnosefunktion haben, die eine Leitungsunterbrechung (Open Circuit) in den leitenden Verbindungen zwischen Steuergerät und Sensorelement sowie der Heizer-Leitungen detektieren kann. Während des Messbetriebs muss diese Diagnose kontinuierlich durchgeführt werden.The requirements of the environmental authorities require a continuous and reliable diagnosis of line breaks in the line between the P2 pin on the control unit (NOx measuring and control circuit) and the P2 pin of the NOx cell or the counter electrode of the NOx cell (hereinafter also P2 Line). Monitoring of the lines of exhaust gas-relevant functions for interruptions (open circuit) must be carried out continuously, i.e. with no less than two sample values per second. So have to stick Due to these regulatory requirements, oxide sensors (NOx sensors) have a diagnostic function that can detect a line interruption (open circuit) in the conductive connections between the control unit and sensor element as well as the heater lines. This diagnosis must be carried out continuously during measurement operation.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und das in Intervallen von mindestens 500 ms eine sichere und kontinuierliche Diagnose erlaubt. Insbesondere soll im Messbetrieb eine robuste und kontinuierliche Diagnose der Leitungen und elektrischen Beschaltung der NOx-Zelle des Sensors durchgeführt werden können, ohne die NOx-Messwerte zu beeinflussen, bzw. zu stören. Ist ein sich änderndes NOx-Signal vorhanden, so kann im System davon ausgegangen werden, dass die elektrischen Verbindungen zur NOx-Zelle intakt sind. Besonders wichtig ist aber, dass auch in Betriebszuständen, in denen das NOx-Mess-Signal (nahezu) gleich null ist (z.B. bei 0 ppm NOx nach der Abgas-Nachbehandlung) eine Leitungsunterbrechung detektiert werden kann.A method for operating a sensor for detecting at least a portion of a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known methods for operating these sensors and which allows reliable and continuous diagnosis at intervals of at least 500 ms . In particular, a robust and continuous diagnosis of the lines and electrical wiring of the NOx cell of the sensor should be able to be carried out during measuring operation without influencing or disturbing the NOx measured values. If a changing NOx signal is present, it can be assumed in the system that the electrical connections to the NOx cell are intact. However, it is particularly important that a line interruption can be detected even in operating conditions in which the NOx measurement signal is (almost) equal to zero (e.g. at 0 ppm NOx after exhaust gas aftertreatment).
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Sensor ein Sensorelement umfasst, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Referenzzelle, welche eine Nernst-Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wird ein elektronisches Steuergerät, das zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss für die erste Pumpzelle und einen zweiten gesonderten Anschluss für die zweite Pumpzelle verfügt, mit dem Sensorelement verbunden, wobei die erste Pumpzelle mittels einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem ersten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei die zweite Pumpzelle mittels einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei in der elektrisch leitenden Verbindung, die die zweite Pumpzelle mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbindet, ein Messwiderstand vorgesehen wird, wobei mittels des Steuergeräts eine Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle zum Erzeugen eines Messsignals an dem Messwiderstand durchgeführt wird. Die elektrisch leitende Verbindung, die die zweite Pumpzelle bzw. deren Gegenelektrode mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2-Pin des Steuergeräts) verbindet, wird als intakt identifiziert, falls der Betrag einer zeitlichen Veränderung des Messsignals während ein Anregungssignal auf die zweite Pumpzelle aufgebracht wird einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, und wird als defekt identifiziert, falls der Betrag der zeitlichen Veränderung des Messsignals während ein Anregungssignal auf die zweite Pumpzelle aufgebracht wird den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.In a method according to the invention for operating a sensor for detecting at least a portion of a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the sensor comprises a sensor element, wherein the sensor element has a first pump cell, which has an outer pump electrode and an inner pump electrode and which is adjacent to a first cavity which is connected to the measurement gas, a reference cell, which has a Nernst electrode and a reference electrode and which is adjacent to a reference gas space, and a second pump cell, which has a pump electrode and a counter electrode and which is adjacent to a second cavity, an electronic control device, which has at least a first separate connection for the first pump cell and a second separate connection for the second pump cell, is connected to the sensor element, wherein the first pump cell is connected to the first separate connection by means of an electrically conductive connection, wherein the second pump cell is connected to the second separate connection by means of an electrically conductive connection, wherein a measuring resistor is provided in the electrically conductive connection which connects the second pump cell to the second separate connection, wherein by means of the Control unit, a current and/or voltage excitation of the second pump cell is carried out to generate a measurement signal at the measuring resistor. The electrically conductive connection that connects the second pump cell or its counter electrode to the second separate connection (P2 pin of the control unit) is identified as intact if the amount of a temporal change in the measurement signal while an excitation signal is applied to the second pump cell exceeds a predetermined threshold value, and is identified as defective if the amount of the temporal change in the measurement signal while an excitation signal is applied to the second pump cell falls below the predetermined threshold value.
Durch die Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle wird an dem Messwiderstand ein auswertbares Messsignal erzeugt, das die Unterscheidung zwischen einem offenen oder geschlossenen Stromkreis erlaubt. Mit anderen Worten, ein IP2-Signal wird durch eine äußere Anregung erzeugt. Dabei dient nicht die Amplitude der (differentiell am Messwiderstand) gemessenen Spannung bzw. Stromantwort als Detektionskriterium für eine Leitungsunterbrechung, sondern ihre zeitliche Änderung. Da die Messwerte der Amplitude des Antwortsignals auf einen Spannungssprung sehr stark durch Bauteilevariationen und Störungen des NOx-Signals beeinflusst werden, sind sie als Detektionskriterium nicht so geeignet. Die zeitliche Änderung des differentiell gemessenen Antwortsignals auf einen Spannungssprung oder Spannungspuls hat als Detektionskriterium für eine Leitungsunterbrechung deutlich bessere Robustheit gegen Bauteilevariationen oder gegen Störungen des NOx-Signals. So können falsch positive Detektionen einer Leitungsunterbrechung vermieden werden. Damit lässt sich ein offener Stromkreis an der P2 Leitung der NOx-Zelle auch während des Messbetriebs sicher erkennen. Auch in Betriebszuständen, in denen der Strom IP2 (nahezu) gleich null ist, wie beispielsweise bei 0 ppm NOx, kann eine offene P2-Leitung detektiert werden.The current and/or voltage excitation of the second pump cell generates an evaluable measurement signal at the measuring resistor that allows the distinction between an open or closed circuit. In other words, an IP2 signal is generated by an external excitation. It is not the amplitude of the voltage or current response measured (differentially at the measuring resistor) that serves as the detection criterion for a line break, but rather its change over time. Since the measured values of the amplitude of the response signal to a voltage jump are strongly influenced by component variations and interference in the NOx signal, they are not so suitable as a detection criterion. The temporal change of the differentially measured response signal to a voltage jump or voltage pulse is much more robust against component variations or interference in the NOx signal as a detection criterion for a line break. This avoids false positive detections of a line break. This means that an open circuit on the P2 line of the NOx cell can be reliably detected even during measurement operation. Even in operating conditions where the current IP2 is (almost) zero, such as at 0 ppm NOx, an open P2 line can be detected.
Bei einer Weiterbildung wird an die zweite Pumpzelle eine vorbestimmte elektrische Spannung angelegt, wobei eine Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle durchgeführt wird, wobei die Spannungsanregung eine Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung für eine vorbestimmte Zeit umfasst. Durch Anregung der Spannung gegenüber dem normalen Potential kommt es bei geschlossener Leitung zu einem Stromfluss, der sich auf den NOx-Mess-Strom addiert. Das heißt, dass es auch bei einem Gasgemisch, bei dem das IP2-Signal gleich Null ist, z.B. bei 0% O2, H2O ≥1% und NOx = 0 ppm, zu einem messbaren Stromfluss kommt. Ist die P2-Leitung aufgetrennt, kann kein Strom mehr fließen, auch nicht bei einer zeitlichen Anregung durch einen Puls. Dies gilt als Hinweis für einen offenen Stromkreis.In a further development, a predetermined electrical voltage is applied to the second pump cell, with a voltage excitation of the second pump cell being carried out, the voltage excitation comprising a change in the predetermined electrical voltage for a predetermined time. By stimulating the voltage compared to the normal potential, a current flow occurs when the line is closed, which adds up to the NOx measuring current. This means that a measurable current flow occurs even with a gas mixture in which the IP2 signal is zero, for example with 0% O 2 , H 2 O ≥1% and NOx = 0 ppm. If the P2 line is disconnected, no more power can flow flow, even when stimulated over time by a pulse. This is an indication of an open circuit.
Der gemessene Stromfluss hängt einerseits von der Größe der Spannungsänderung des Anregungspulses ab, andererseits insbesondere auch von der Dauer des Anregungspulses. Das heißt, der Stromfluss steigt mit der Dauer der Anregung.The measured current flow depends on the magnitude of the voltage change of the excitation pulse and, in particular, on the duration of the excitation pulse. This means that the current flow increases with the duration of the excitation.
Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung für die vorbestimmte Zeit erhöht. Dadurch erhöht sich auch der messbare Stromfluss.In a further development, the predetermined electrical voltage is increased for the predetermined time. This also increases the measurable current flow.
Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung in Form mindestens eines Spannungspulses für die vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle angelegt, wobei die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Spannungspulses ermittelt wird. Der Ausdruck „Beginn des Spannungspulses“ bezieht sich nicht auf einen Zeitpunkt der Anregung für den Spannungspuls, sondern bezieht sich dabei auf einen Zeitpunkt, ab dem das Messsignal eingeschwungen ist. Somit wird die zeitliche Änderung des Antwortsignals auf einen Spannungspuls bestimmt. Zu vorbestimmten Zeiten zu Beginn der Pulsantwort und kurz vor ihrem Ende wird der Spannungswert gemessen. Zwischen diesen beiden Spannungswerten wird ein Differenzsignal gebildet. Dieses Differenzsignal dient als Detektionskriterium.In a further development, the predetermined electrical voltage is applied to the second pump cell in the form of at least one voltage pulse for the predetermined time, the temporal change in the measurement signal being determined by calculating a difference between a first measured value of the measurement signal at the beginning of the voltage pulse and a second measured value of the measurement signal End of the voltage pulse is determined. The expression “beginning of the voltage pulse” does not refer to a point in time when the voltage pulse is excited, but rather refers to a point in time from which the measurement signal has settled. The temporal change in the response signal to a voltage pulse is thus determined. The voltage value is measured at predetermined times at the beginning of the pulse response and shortly before its end. A difference signal is formed between these two voltage values. This difference signal serves as a detection criterion.
Bei einer Weiterbildung weist die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls eine Dauer von 1 ms bis 10 ms und bevorzugt 1,5 ms bis 5 ms auf. So kann die Stromantwort innerhalb der ersten Millisekunden eines Spannungspulses ein eindeutiges Kriterium dafür liefern kann, ob die leitende Verbindung zum Sensorelement unterbrochen ist. Aus diesem Grund genügt zur Detektion einer Leitungsunterbrechung ein kurzer Spannungspuls von beispielsweise 2 ms bis 5 ms Länge. Eine kurze Dauer dieser Diagnose-Signale ist auch wichtig, da das Monitoring der Leitungen hinsichtlich einer Fehlfunktion nicht die Messung des NOx-Signals (Strom IP2) zu lange unterbrechen oder zu sehr stören soll.In a further development, the predetermined time for the voltage pulse has a duration of 1 ms to 10 ms and preferably 1.5 ms to 5 ms. The current response within the first milliseconds of a voltage pulse can thus provide a clear criterion for whether the conductive connection to the sensor element is interrupted. For this reason, a short voltage pulse of, for example, 2 ms to 5 ms in length is sufficient to detect a line interruption. A short duration of these diagnostic signals is also important because monitoring the lines for a malfunction should not interrupt the measurement of the NOx signal (current IP2) for too long or interfere too much.
Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung in Form eines ersten Spannungspulses für eine erste vorbestimmte Zeit und eines zweiten Spannungspuls für eine zweite vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle angelegt, wobei der erste Spannungspuls und der zweite Spannungspuls eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, wobei ein Integral des ersten Spannungspulses und des zweiten Spannungspulses einen Wert von Null aufweist. Da einzelne Spannungspulse aufgrund der Ladungsverschiebungen an der NOx-Elektrode das empfindliche NOx-Mess-Signal stören und verfälschen, werden Spannungs-Pulspaare auf die Leitung gegeben. Der erste Puls und der darauffolgende Gegenpuls haben die gleiche Dauer und den gleichen Betrag der Amplitude, aber eine Polarität mit entgegengesetzten Vorzeichen. Das Integral der beiden jeweils positiven und negativen Pulse soll gleich Null sein.In a further development, the predetermined electrical voltage is applied to the second pump cell in the form of a first voltage pulse for a first predetermined time and a second voltage pulse for a second predetermined time, the first voltage pulse and the second voltage pulse having an opposite polarity, an integral of the first voltage pulse and the second voltage pulse has a value of zero. Since individual voltage pulses disrupt and falsify the sensitive NOx measurement signal due to the charge shifts on the NOx electrode, pairs of voltage pulses are applied to the line. The first pulse and the subsequent counterpulse have the same duration and the same amount of amplitude, but a polarity with opposite signs. The integral of the two positive and negative pulses should be equal to zero.
Bei einer Weiterbildung werden mehrere Pulspaare mit dem ersten Spannungspuls und dem zweiten Spannungspuls an die zweite Pumpzelle angelegt, wobei sich die Polaritäten aufeinanderfolgender Spannungspulspaare regelmäßig oder unregelmäßig abwechseln. Werden Pulse periodisch auf ein geregeltes elektrisches System aufgebracht, besteht die Möglichkeit, dass das System gestört oder periodisch angeregt wird. Für die elektrischen Schaltung der NOx-Zelle bedeutet dies, dass die Puls-Paare zur Detektion der leitenden Verbindung zur NOx Zelle möglicherweise eine Verschiebung des NOx-Mess-Signals verursachen können. Fällt die Resonanzfrequenz der Regelungsschaltung der Spannung an der NOx-Zelle mit einer Anregungsfrequenz zusammen, kann es zu oszillierenden Störungen auf dem Mess-Signal kommen. Um Ladungsverschiebungen an den NOx-Elektroden auszugleichen, folgt dem ersten Messpuls ein gleich großer Gegenpuls mit umgekehrter Spannungspolarität. Aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Sensor-Keramik und der elektrischen Beschaltung können, obwohl Puls und Gegenpuls die gleiche Dauer und den gleichen Betrag der Amplitude haben, geringe Ladungsverschiebungen nach den Messpulsen auftreten. Abhängig davon, ob der erste Puls positive oder negative Polarität aufweist, kann es möglicherweise zu einem geringen positiven oder negativen Offset des Mess-Signals kommen. Um eine Verschiebung des Messsignals zu vermeiden, kann die Polarität der Pulsfolge gewechselt werden, so dass sich die Ladungsverschiebungen wieder ausgleichen.In a further development, several pulse pairs with the first voltage pulse and the second voltage pulse are applied to the second pump cell, with the polarities of successive voltage pulse pairs alternating regularly or irregularly. If pulses are applied periodically to a regulated electrical system, there is a possibility that the system will be disturbed or periodically excited. For the electrical circuit of the NOx cell, this means that the pulse pairs for detecting the conductive connection to the NOx cell can possibly cause a shift in the NOx measurement signal. If the resonance frequency of the voltage control circuit on the NOx cell coincides with an excitation frequency, oscillating disturbances in the measurement signal can occur. In order to compensate for charge shifts on the NOx electrodes, the first measurement pulse is followed by a counter pulse of the same size with reversed voltage polarity. Due to the electrical properties of the sensor ceramic and the electrical circuit, small charge shifts can occur after the measurement pulses, even though the pulse and counter pulse have the same duration and the same amplitude. Depending on whether the first pulse has positive or negative polarity, there may be a slight positive or negative offset in the measurement signal. To avoid a shift in the measurement signal, the polarity of the pulse sequence can be changed so that the charge shifts balance out again.
Bei einer Weiterbildung sind die Anzahl positiver Polaritäten des ersten Spannungspulses der Spannungspulspaare und die Anzahl negativer Polaritäten des ersten Spannungspulses der Spannungspulspaare identisch. Dadurch kann zuverlässig eine Verschiebung des Messsignals vermieden werden. Durch die unregelmäßige Abfolge der Pulswechsel kann vermieden werden, dass das Detektionssignal eine Frequenz ausbildet, die mit der Resonanzfrequenz der NOx-Zelle zusammenfällt. Neben einer Abfolge von Pulspaaren können alternativ auch einzelne Pulse in der Sequenz ausgelassen werden, um die spektrale Charakteristik weiter zu verbessern.In a further development, the number of positive polarities of the first voltage pulse of the voltage pulse pairs and the number of negative polarities of the first voltage pulse of the voltage pulse pairs are identical. This reliably prevents a shift in the measurement signal. The irregular sequence of pulse changes prevents the detection signal from developing a frequency that coincides with the resonance frequency of the NOx cell. In addition to a sequence of pulse pairs, individual pulses can also be omitted in the sequence to further improve the spectral characteristics.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren weiterhin Plausibilisieren des Messsignals umfassen, falls die elektrisch leitende Verbindung, die die zweite Pumpzelle mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbindet, als defekt identifiziert wird. Um eine falsch-positive Detektion eines Leitungsunterbrechungs-Fehlers zu vermeiden, kann ein zweistufiges Detektionsverfahren verwendet werden. Mit den Monitoring-Pulsen wird in 500 ms Intervallen der Zustand der Leitung kontinuierlich überwacht. Wird mit den Monitoring-Pulsen eine mögliche Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zum Sensorelement detektiert, so wird dies nochmals mit einem Feststellungs-Puls (Determination Pulse) überprüft.Alternatively or additionally, the method may further include checking the plausibility of the measurement signal if the electrically conductive connection that connects the second pump cell to the second separate connection is identified as defective. To avoid a false-positive detection of a line interruption error, a two-stage detection procedure can be used. The monitoring pulses continuously monitor the state of the line at 500 ms intervals. If the monitoring pulses detect a possible interruption of the electrically conductive connection to the sensor element, this is checked again with a determination pulse.
Bei einer Weiterbildung wird zum Plausibilisieren die vorbestimmte elektrische Spannung in Form mindestens eines Feststellung-Spannungspulses für eine vorbestimmte Feststellungszeit an die zweite Pumpzelle angelegt, wobei die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Feststellung-Spannungspulses ermittelt wird, wobei die Feststellungszeit für den Feststellungs-Spannungspuls länger als die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls ist. Eine Amplitude des Feststellungs-Spannungspulses ist bevorzugt gleich groß wie eine Amplitude des Spannungspulses. Die Detektion mit diesem Feststellungs-Puls hat eine minimale Fehlerwahrscheinlichkeit. Ein im Vergleich zum Monitoring-Puls (typ. 2 ms - 5 ms) lange andauernder Puls (typ. 20 ms - 40 ms) wird auf die Leitung gegeben. Die am Shunt gemessene Spannungsänderung, das Differenzsignal zeigt bei geschlossener Leitung Spannungswerte von deutlich mehr als 100 mV, während bei einer Unterbrechung der Leitung Werte nahe Null gemessen werden. Aufgrund dieses, im Vergleich zum Monitoring-Puls, großen Detektionssignals ist eine Fehldetektion sehr unwahrscheinlich.In a further development, to check the plausibility, the predetermined electrical voltage is applied to the second pump cell in the form of at least one detection voltage pulse for a predetermined detection time, the temporal change in the measurement signal being determined by calculating a difference between a first measured value of the measurement signal at the beginning of the voltage pulse and a second Measured value of the measurement signal is determined at the end of the detection voltage pulse, the detection time for the detection voltage pulse being longer than the predetermined time for the voltage pulse. An amplitude of the detection voltage pulse is preferably the same size as an amplitude of the voltage pulse. Detection with this detection pulse has a minimal probability of error. A long-lasting pulse (typically 20 ms - 40 ms) compared to the monitoring pulse (typically 2 ms - 5 ms) is given to the line. The voltage change measured at the shunt, the difference signal, shows voltage values of significantly more than 100 mV when the line is closed, while values close to zero are measured when the line is interrupted. Due to this large detection signal compared to the monitoring pulse, incorrect detection is very unlikely.
Bei einer Weiterbildung ist das Steuergerät zum Regeln einer Spannung an der zweiten Pumpzelle ausgebildet, wobei das Steuergerät weiterhin eine Anregungssignalquelle aufweist, wobei ein Spannungssollwert als Führungsgröße gesteuert wird, wobei das Steuergerät einen zeitlichen Ablauf von Änderungen des Spannungssollwertes steuert, wobei mittels Messungen eines Spannungsabfalls am Messwiderstand eine Unterbrechung der Leitung, die die zweite Pumpzelle mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbindet, detektierbar ist.In a further development, the control device is designed to regulate a voltage on the second pump cell, the control device further having an excitation signal source, a voltage setpoint being controlled as a reference variable, the control device controlling a time sequence of changes in the voltage setpoint, using measurements of a voltage drop on the Measuring resistor, an interruption in the line that connects the second pump cell to the second separate connection can be detected.
Bei einer Weiterbildung weist das Steuergerät weiterhin eine Anregungssignalquelle und einen Operationsverstärker auf, der als nichtinvertierende Stufe eingesetzt wird. Die Anregungssignalquelle ist als Eingangsspannung mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers verbunden. An dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers wird die Spannung, die an der NOx-Zelle anliegt zurückgeführt. Die differentiellen Eingangssignale des Operationsverstärkers und dessen Verstärkungsfaktor bestimmen die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers, an dem der NOx-Shunt anliegt und der somit auch den Strom durch den NOx-Shunt treibt. Der als Spannungsfolger geschaltete Operationsverstärker der Steuergeräte-Elektronik regelt die Spannung an der NOx-Zelle des Sensorelements auf den Sollwert 450 mV. Ein Spannungssprung wird auf die NOx-Zelle aufgebracht, indem der Sollwert des als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers erhöht wird. Der Spannungsabfall am NOx-Shunt kann nicht direkt vom ASIC gemessen werden. Stattdessen wird differentiell die Spannung am Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers gemessen. Dies sind auch die Mess-Punkte des Analog-Digital- Wandlers im NOx-Mess-ASIC. Bei einem Spannungssprung am Eingang des Operationsverstärkers unterscheiden sich diese Signale von denen des Spannungsabfalls am Mess-Shunt. Bei geschlossener Leitung steigt die Spannung stetig an. Bei offener Leitung fällt diese Spannung nach einem kurzen Anstieg stetig ab.In a further development, the control device also has an excitation signal source and an operational amplifier, which is used as a non-inverting stage. The excitation signal source is connected as an input voltage to the non-inverting input (+) of the operational amplifier. The voltage present at the NOx cell is fed back to the inverting input (-) of the operational amplifier. The differential input signals of the operational amplifier and its gain factor determine the voltage at the output of the operational amplifier to which the NOx shunt is applied and which therefore also drives the current through the NOx shunt. The operational amplifier of the control unit electronics, which is connected as a voltage follower, regulates the voltage on the NOx cell of the sensor element to the setpoint of 450 mV. A voltage jump is applied to the NOx cell by increasing the setpoint of the operational amplifier connected as a voltage follower. The voltage drop across the NOx shunt cannot be measured directly by the ASIC. Instead, the voltage at the input and output of the operational amplifier is measured differentially. These are also the measuring points of the analog-to-digital converter in the NOx measuring ASIC. If there is a voltage jump at the input of the operational amplifier, these signals differ from those of the voltage drop at the measurement shunt. When the line is closed, the voltage increases steadily. When the line is open, this voltage drops steadily after a short increase.
Bei einer Weiterbildung wird in die zweite Pumpzelle ein vorbestimmter elektrischer Strom eingeprägt, wobei eine Stromanregung der zweiten Pumpzelle durchgeführt wird, wobei für eine erste vorbestimmte Zeit der vorbestimmte elektrische Strom erhöht wird und für eine zweite vorbestimmte Zeit der vorbestimmte elektrische Strom erniedrigt wird, wobei die erste vorbestimmte Zeit und die zweite vorbestimmte Zeit identisch lang sind. Eine Alternative zum Spannungspuls ist ein Strompuls an der P2 Leitung. Im Messzustand des NOx-Sensors wird von einer gesteuerten Stromquelle für kurze Zeit ein Strompuls erzeugt um einen bestimmten Wert erhöht und danach für die gleiche Zeit ein Strompuls mit entgegengesetzter Polarität erzeugt. Es spielt keine Rolle ob der positive Strompuls oder der negative Strompuls zuerst durchgeführt wird. Durch das Einprägen eines Strompulses (Pumpstrom) wird ein Spannungshub am NOx-Shunt messbar sein. Dieser verhält sich bei geschlossenem Stromkreis anders als bei einem offenen Stromkreis. Dies kann als Unterscheidungsmerkmal für die Detektion eines offenen Stromkreises an der P2 -Leitung hergenommen werden. Dabei wird auch wieder die zeitliche Änderung des Messsignals für die Diagnose betrachtet.In a further development, a predetermined electrical current is impressed into the second pump cell, with a current excitation of the second pump cell being carried out, the predetermined electrical current being increased for a first predetermined time and the predetermined electrical current being reduced for a second predetermined time, the first predetermined time and the second predetermined time are identical in length. An alternative to the voltage pulse is a current pulse on the P2 line. In the measuring state of the NOx sensor, a controlled current source generates a current pulse for a short time, increases it by a certain value and then generates a current pulse with the opposite polarity for the same time. It doesn't matter whether the positive current pulse or the negative current pulse is carried out first. By impressing a current pulse (pump current), a voltage swing at the NOx shunt will be measurable. This behaves differently when the circuit is closed than when it is open. This can be used as a distinguishing feature for the detection of an open circuit on the P2 line. The temporal change in the measurement signal is also taken into account for the diagnosis.
Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung in Form eines ersten Spannungspulses für eine erste vorbestimmte Zeit und eines zweiten Spannungspulses für eine zweite vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle angelegt. Das Integral über die Zeit beider Pulse muss null ergeben, um keine Ungleichgewicht in der NOx Zelle hervorzurufen, durch einseitiges aufpumpen bzw. abpumpen. Durch das Einprägen eines Strompulses (Pumpstrom) wird ein Spannungshub an der P2-Leitung messbar sein. Dieser verhält sich bei geschlossenem Stromkreis anders als bei einem offenen Stromkreis. So fällt der Spannungshub bei geschlossenem Stromkreis höher aus als bei einem offenen Stromkreis. Dies kann als Unterscheidungsmerkmal für die Detektion eines offenen Stromkreises an der P2 -Leitung hergenommen werden.In a further development, the predetermined electrical voltage is applied to the second pump cell in the form of a first voltage pulse for a first predetermined time and a second voltage pulse for a second predetermined time. The integral over the time of both pulses must be zero in order to avoid an imbalance in the NOx Cell by pumping up or pumping down on one side. By impressing a current pulse (pumping current), a voltage swing on the P2 line can be measured. This behaves differently in a closed circuit than in an open circuit. The voltage swing is higher in a closed circuit than in an open circuit. This can be used as a distinguishing feature for the detection of an open circuit on the P2 line.
Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.Furthermore, a computer program is proposed which is configured to carry out each step of the method according to the invention.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.Furthermore, an electronic storage medium is proposed on which a computer program for carrying out the method according to the invention is stored.
Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.The invention also includes an electronic control device which contains the electronic storage medium according to the invention with said computer program for carrying out the method according to the invention.
Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die einer äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Referenzzelle, welcher eine Nernst-Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wobei der Sensor weiterhin ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät aufweist.Finally, the invention also relates to a sensor for detecting at least a proportion of a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, comprising a sensor element, wherein the sensor element has a first pump cell, which has an outer pump electrode and an inner pump electrode and the is applied to a first cavity, which is connected to the measurement gas, a reference cell, which has a Nernst electrode and a reference electrode and which is applied to a reference gas space, and a second pump cell, which has a pump electrode and a counter electrode and which is applied to a second Cavity is present, the sensor further having an electronic control device according to the invention.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.In the context of the present invention, a solid electrolyte is understood to mean a body or object with electrolytic properties, i.e. with ion-conducting properties. In particular, it can be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green or brown compact, which only becomes a solid electrolyte after sintering. In particular, the solid electrolyte can be formed as a solid electrolyte layer or from several solid electrolyte layers. In the context of the present invention, a layer is understood to mean a uniform mass in a flat extension of a certain height, which lies above, below or between other elements.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.In the context of the present invention, an electrode is generally understood to mean an element which is able to contact the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained through the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode can comprise an element on which the ions can be incorporated into the solid electrolyte and/or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode, which can be applied to the solid electrolyte, for example as a metal-ceramic electrode, or can be connected to the solid electrolyte in some other way. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, can also generally be used.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die Erfindung ist direkt durch eine verkürzte Wartezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft nach Start des Sensors nachweisbar. Die jeweiligen Potenziale können an den Zuleitungen gemessen werden.In the context of the present invention, a heating element is to be understood as meaning an element which serves to heat the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte becomes conductive to ions and is approximately 350 °C. A distinction must be made between this and the operating temperature, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the functional temperature. The operating temperature can be, for example, from 700 °C to 950 °C. The heating element can include a heating area and at least one supply path. In the context of the present invention, a heating area is to be understood as meaning the area of the heating element which overlaps with an electrode in the layer structure along a direction perpendicular to the surface of the sensor element. The heating area usually heats up more than the supply line during operation, so that they can be distinguished. The different heating can be achieved, for example, by the heating area having a higher electrical resistance than the supply line. The heating area and/or the supply line are designed, for example, as an electrical resistance track and heat up when an electrical voltage is applied. The heating element can be made, for example, from a platinum cermet. The invention can be demonstrated directly by a shortened waiting time until the sensor is ready for operation after starting. The respective potentials can be measured on the supply lines.
Unter einer Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Anlegen einer elektrischen Spannung ungleich 0 V an die zweite Pumpzelle bzw. die elektrische Leitung zur NOx-Gegenelektrode zu verstehen. Durch die Änderung der Spannung an den Elektroden ändert sich die Ladungsmenge, die diese tragen können. Es kommt zu einem Stromfluss in die Elektroden bzw. aus den Elektroden heraus. Dieser Stromfluss bewirkt an einem Messwiderstand in dieser Leitung ein erfassbares Messsignal.In the context of the present invention, voltage excitation of the second pump cell involves the application of an electrical voltage not equal to 0 V to the second pump cell or the electrical line to the NOx counter electrode. Changing the voltage across the electrodes changes the amount of charge they can carry. A current flows into or out of the electrodes. This current flow causes a detectable measurement signal at a measuring resistor in this line.
Unter einer Stromanregung der zweiten Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Einprägen eines elektrischen Stroms ungleich 0 A in die zweite Pumpzelle bzw. die elektrische Leitung zur NOx-Gegenelektrode zu verstehen. Durch das Einprägen eines Strompulses (Pumpstrom) wird ein Spannungshub an der elektrischen Leitung zur NOx-Gegenelektrode bewirkt, der an einem Messwiderstand in dieser Leitung messbar ist. Dieser verhält sich bei geschlossenem Stromkreis anders als bei einem offenen Stromkreis.In the context of the present invention, current excitation of the second pump cell means the imprinting of an electrical current not equal to 0 A into the second pump cell or the electrical line to the NOx counterelectrode. By impressing a current pulse (pump current), a voltage swing is caused on the electrical line to the NOx counter electrode, which can be measured at a measuring resistor in this line. This behaves differently when the circuit is closed than when it is open.
Die Erfindung ist gut und einfach durch die Überwachung der elektrischen Signale auf der NOx-Zellen-Leitung nachweisbar. Werden während des normalen Messbetriebs spezielle Spannungspuls/Strompulsfolgen auf der Leitung zwischen Sensor und Steuergerät mit einem Oszilloskop gemessen, so werden die in dieser Erfindung beschriebenen Schaltungen und Verfahren verwendet.The invention can be easily and simply demonstrated by monitoring the electrical signals on the NOx cell line. If, during normal measuring operation, specific voltage pulse/current pulse sequences are measured on the line between the sensor and the control unit using an oscilloscope, the circuits and methods described in this invention are used.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention result from the following description of preferred exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
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1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors, -
2 einen Teil des Sensors mit einem Teil eines daran angeschlossenen Steuergeräts, -
3 ein vereinfachtes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung, -
4 ein erweitertes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung, -
5 ein vereinfachtes elektrisches Modell der zweiten Pumpzelle 140 und der Schaltung im Steuergerät, -
6 einen Spannungssprung und Spannung am NOx-Mess-Shunt für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle, -
7 das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und Spannung am NOx-Mess-Shunt für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle, -
8 einen Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle, -
9 das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle, -
10 einen Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle, -
11 das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle, -
12 verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop, -
13 verschiedene Spannungs-Messsignale, -
14 verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop, -
15 interne Signale derAuswerteinheit im Steuergerät 122 innerhalb des Monitoring-Pulses, -
16 das Differenzsignal derAuswerteinheit im Steuergerät 122 innerhalb des Monitoring-Pulses, -
17 verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop, -
18 eine beispielhafte Definition der Abfolge der wechselnden Polarität der Pulspaare, -
19 eine beispielhafte die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals, -
20 an Umgebungsluft Häufigkeitsverteilungen eines NOx-Signals, -
21 die Änderung der Steigung der Pulsantwort unter Annahme der größten spezifizierten Drift dieses Bauteils, -
22 das Differenzsignal für typische Bauteilewerte und für den Fall der Kombination von Worst-Case-Werten, -
23 interne Signale der Auswerteinheit im Steuergerät innerhalb des Monitoring-Pulses, -
24 Verteilungsdichtefunktionen des Differenzsignals und des NOx Mess-Signals, -
25 ein Flussdiagramm des kontinuierlichen Monitorings der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle, -
26 die Abfolge der Anregungspulse und der Pulsantwort des differentiell gemessenen Spannungsabfalls am Shunt bei einer falsch positiven Leitungsunterbrechungsdetektion mit Monitoring-Pulsen, -
27 die Abfolge der Anregungspulse und der Pulsantwort des differentiell gemessenen Spannungsabfalls am Shunt bei einer falsch positiven Leitungsunterbrechungsdetektion mit Monitoring-Pulsen, -
28 verschiedene Spannungs-Messsignale des Feststellungs-Pulses gemessen mit einem Oszilloskop, und -
29 das Differenzsignal der Auswerteinheit im Steuergerät innerhalb des Feststellung-Pulses.
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1 a basic structure of a sensor according to the invention, -
2 a part of the sensor with a part of a control device connected to it, -
3 a simplified block diagram of the circuit according to the invention, -
4 an extended block diagram of the circuit according to the invention, -
5 a simplified electrical model of thesecond pump cell 140 and the circuit in the control unit, -
6 a voltage jump and voltage at the NOx measuring shunt for a closed and interrupted connection to the NOx cell, -
7 the short-term behavior for the voltage jump and voltage at the NOx measuring shunt for a closed and interrupted connection to the NOx cell, -
8th a voltage jump and a differentially measured voltage at the inputs of the NOx measurement ASIC for a closed and interrupted connection to the NOx cell, -
9 the short-term behavior for the voltage jump and a differentially measured voltage at the inputs of the NOx measuring ASIC for a closed and interrupted connection to the NOx cell, -
10 a voltage jump and a differentially measured voltage at the inputs of the NOx measurement ASIC for a closed and interrupted connection to the NOx cell, -
11 the short-term behavior for the voltage jump and a differentially measured voltage at the inputs of the NOx measuring ASIC for a closed and interrupted connection to the NOx cell, -
12 various voltage measurement signals measured with an oscilloscope, -
13 various voltage measurement signals, -
14 various voltage measurement signals measured with an oscilloscope, -
15 internal signals from the evaluation unit in thecontrol unit 122 within the monitoring pulse, -
16 the difference signal from the evaluation unit in thecontrol device 122 within the monitoring pulse, -
17 various voltage measurement signals measured with an oscilloscope, -
18 an exemplary definition of the sequence of alternating polarity of the pulse pairs, -
19 an example of the spectral distribution of the NOx measurement signal, -
20 frequency distributions of a NOx signal in ambient air, -
21 the change in the slope of the pulse response assuming the largest specified drift of this component, -
22 the difference signal for typical component values and for the case of a combination of worst-case values, -
23 internal signals from the evaluation unit in the control unit within the monitoring pulse, -
24 Distribution density functions of the difference signal and the NOx measurement signal, -
25 a flowchart of the continuous monitoring of the conductive connection to the NOx cell, -
26 the sequence of excitation pulses and the pulse response of the differentially measured voltage drop at the shunt in the event of a false positive line break detection with monitoring pulses, -
27 the sequence of excitation pulses and the pulse response of the differentially measured voltage drop at the shunt in the event of a false positive line break detection with monitoring pulses, -
28 various voltage measurement signals of the detection pulse measured with an oscilloscope, and -
29 the difference signal from the evaluation unit in the control unit within the detection pulse.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der Sensor 100, welcher zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NOx bezeichnet, in einem Gasgemisch, beispielhaft einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet ist, umfasst hierzu ein Sensorelement 110 eine erste Pumpzelle 112, welche zwischen einer äußeren Pumpelektrode 114 und einer inneren Pumpelektrode 116 ausgebildet ist. Die äußere Pumpelektrode 114, welche mittels einer porösen Aluminiumoxidschicht 118 von der Umgebung des Sensors 100 getrennt ist, verfügt hierbei über eine erste elektrisch leitende Verbindung 120, über welche sich ein erster Pumpstrom IP1 in der ersten Pumpzelle 112 erzeugen lässt. Die erste elektrisch leitende Verbindung 120 ist hierzu mit einem ersten Anschluss P1 eines externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Um einen vollständigen Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 ebenfalls über eine zweite elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu einem gemeinsamen Anschluss COM des externen elektronischen Steuergeräts 122 führt. Die erste Pumpzelle 112 liegt an einem ersten Hohlraum 126 an, der sich im Inneren des Sensorelements 110 befindet und mit dem Messgas in Verbindung steht. Durch Erzeugen des ersten Pumpstroms IP1 in der ersten Pumpzelle 112 lässt sich ein erster Anteil von Sauerstoffionen, welche aus molekularem Sauerstoff aus dem Gasgemisch gebildet werden, zwischen dem ersten Hohlraum 126 und der Umgebung des Sensors 100 transportieren. In dem Eintrittsweg aus der Umgebung zu dem ersten Hohlraum 126 sind zwei Diffusionsbarrieren 128 vorhanden.The
Das Sensorelement 110 weist weiterhin eine elektrische Referenzzelle 130 auf, welche eine Nernst-Elektrode 132 und eine Referenzelektrode 134 aufweist. Während die Nernst-Elektrode 132 über die zweite elektrisch leitende Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM verfügt, weist die Referenzelektrode 134 eine gesonderte dritte elektrisch leitende Verbindung 136 zu einer Versorgungsspannung UVs auf, welche über einen Anschluss Vs des externen elektronischen Steuergeräts 122 die erforderliche Versorgungsspannung Vs bereitstellt. Die Referenzzelle 130 liegt an einem Referenzgasraum 138 an. Ein zweiter Anteil der Sauerstoffionen aus dem ersten Hohlraum 126 und/oder aus der Umgebung des Sensors 100 wird in den Referenzgasraum 138 durch Anlegen eines Referenz-Pumpstroms zwischen dem Anschluss Vs und dem gemeinsamen Anschluss COM transportiert. Hierbei wird der Wert für den Referenz-Pumpstrom derart eingestellt, dass sich ein festgelegter Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ausbildet. Vorzugsweise wird in diesem Zusammenhang auch der Wert für den ersten Pumpstrom IP1 derart eingestellt, dass sich ein festgelegtes Verhältnis zwischen dem ersten Anteil der Sauerstoffionen in dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ergibt.The
Die in dem Gasgemisch weiterhin enthaltene Messgaskomponente Stickoxid NOx mit dem gebundenen Sauerstoff gelangt, insbesondere durch Diffusion, weitgehend unbeeinflusst in eine zweite Pumpzelle 140 des Sensorelements 110, welche auch als „NOx-Pumpzelle“ bezeichnet werden kann. Die zweite Pumpzelle 140 weist eine NOx-Pumpelektrode 142 und eine NOx-Gegenelektrode 144 auf und liegt an einem zweiten Hohlraum 145 im Inneren des Sensorelements 110 an. Der zweite Hohlraum 145 ist von dem ersten Hohlraum 126 durch eine der Diffusionsbarrieren 128 getrennt. Wenigstens eine der beiden Elektroden NOx-Pumpelektrode 142 und/oder NOx-Gegenelektrode 144 sind derart ausgestaltet, dass bei Anlegen einer Spannung mittels Katalyse aus der Messgaskomponente NOx weiterer molekularer Sauerstoff erzeugt werden kann, welcher in der zweiten Pumpzelle 140 gebildet wird.The measurement gas component nitrogen oxide NO x with the bound oxygen still contained in the gas mixture reaches a
Während die NOx-Pumpelektrode 142 eine elektrisch leitende Verbindung aufweist, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM führt, weist die NOx-Gegenelektrode 144 eine vierte elektrisch leitende Verbindung 146 auf, über welche ein zweiter Pumpstrom IP2 an die zweite Pumpzelle 140 angelegt werden kann. Die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 ist hierzu mit einem zweiten Anschluss P2 des externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Bei Anlegen eines zweiten Pumpstroms IP2 an die zweite Pumpzelle 140 wird ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, in den Referenzgasraum 138 transportiert.While the NO x pump electrode 142 has an electrically conductive connection which leads to the common terminal COM, the NO x counter electrode 144 has a fourth electrically conductive The fourth electrically
Das Sensorelement 110 verfügt weiterhin über ein Heizelement 148, welches eine Heizleitung 150 mit den Leitungen HTR+ und HTR- aufweist, über welche ein Heizstrom in das Heizelement 148 eingebracht werden kann, welches mittels Erzeugen einer Heizleistung das Sensorelement 110 auf die gewünschte Temperatur bringen kann.The
Die Referenzelektrode 134 ist über die dritte elektrisch leitende Verbindung 136 mit dem Anschluss Vs auf dem Steuergerät 122 verbunden. Über einen Analog-Digital-Wandler 152 kann die Nernstspannung Uvs zwischen Vs und COM gemessen werden. Das Steuergerät 122 weist einen Analog-Digital-Wandler 152 auf, der über den Anschluss Vs für die Versorgungsspannung UVs und die dritte elektrisch leitende Verbindung 136 mit der Referenzelektrode 134 verbunden ist. The
Das Steuergerät 122 weist eine COM Spannungsreferenz 154 auf, die mit einem gemeinsamen Rückleiter 155 des Sensorelements 110 verbunden ist. Der gemeinsame Rückleiter 124 verbindet die NOx-Pumpelektrode 142, die Nernstelektrode 132 und die Innere Pumpelektrode 116 mit COM. Das Steuergerät 122 weist weiterhin eine Anregungssignalquelle 156 auf, die mit dem Sollwerteingang des Spannungsreglers 166 verbunden ist. Der Regelgrößen-Eingang des Spannungsreglers 166 ist mit dem Anschluss P2 an der NOx Gegenelektrode 144 des Sensorelements 110 verbunden. Regelgröße ist die Spannung zwischen P2 und COM. Die Stellgröße des Spannungsreglers 166 steuert den Eingang eines Spannungstreibers 168. Zwischen dem Ausgang des Spannungstreibers und dem Pin bzw. Anschluss P2 ist der Messwiderstand 160 angeordnet.The
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Sensors 100 wird mittels des Steuergeräts 122 eine Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle 140 zum Erzeugen eines Messsignals an dem Messwiderstand 160 durchgeführt wird. die elektrisch leitende Verbindung 146, die die zweite Pumpzelle 140 mit dem zweiten gesonderten Anschluss P2 verbindet, wird als intakt identifiziert, falls eine zeitliche Veränderung des Messsignals einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, und wird als defekt identifiziert, falls die zeitliche Veränderung des Messsignals den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. So wird an die zweite Pumpzelle 140 eine vorbestimmte elektrische Spannung UP2 angelegt wird, wobei eine Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle 140 durchgeführt wird. Die Spannungsanregung umfasst eine Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung UP2 für eine vorbestimmte Zeit. Die vorbestimmte elektrische Spannung UP2 kann für die vorbestimmte Zeit erhöht werden.In the method according to the invention for operating the
Bevorzugt wird die vorbestimmte elektrische Spannung UP2 in Form mindestens eines Spannungspulses für die vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle 140 angelegt. Dabei wird die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Spannungspulses ermittelt. Die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls weist eine Dauer von 1 ms bis 10 ms und bevorzugt 1,5 ms bis 5 ms auf, beispielsweise 2 ms bis 5 ms.The predetermined electrical voltage U P2 is preferably applied to the
Das Messsignal umfasst eine elektrische Spannung UP2P-P2N in Form einer Differenz zwischen einer elektrischen Spannung UP2P am Ausgang P2Pdes Spannungstreibers 168 und einer elektrischen Spannung UP2 am Pin P2 auf der anderen Seite des Mess-Shunts 160. Diese Spannung liegt auch als Regelgröße am Eingang des Spannungsreglers 166 an.The measuring signal comprises an electrical voltage U P2P-P2N in the form of a difference between an electrical voltage U P2P at the output P2P of the
Die elektrische Schaltung zur Regelung der Spannung an der zweiten Pumpzelle 140 ist durch die Blöcke der Spannungsregelung 166, des Spannungstreibers 168, des Spannungs-Sollwerts 164, des Messwiderstands 160 und der zweiten Pumpzelle 140 dargestellt. Hinzu kommt der Block 162, in dem der SpannungsSollwert als Führungsgröße gesteuert wird. Es können so Sprünge oder Pulse der Führungsgröße eingeprägt werden. Die Messung des NOx-Stromes wird über den Spannungsabfall zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Spannungsregelung bestimmt. In der vereinfachten Darstellung ist dies die Spannung am Messwiderstand 160. Die differentiell gemessenen Spannungen werden mit einem Analog-Digital-Wandler 170 in digitale Messwerte gewandelt und ausgewertet. Die Logik steuert den zeitlichen Ablauf der Änderungen des Spannungssollwertes und der Messungen des Spannungsabfalls am Messwiderstand 160. Mit Hilfe dieser Werte kann eine Leitungsunterbrechung detektiert werden.The electrical circuit for regulating the voltage at the
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt aus, dass die Elektroden 142, 144 der zweiten Pumpzelle 140 große Ladungsmengen tragen und, vereinfacht dargestellt, wie ein großer Kondensator mit einer Kapazität von beispielsweise ca. 20 µP bis 50 µF wirken. Die ESD Kondensatoren 181 zum elektrischen Schutz der Schaltung auf der Seite des Steuergerätes haben hingegen nur sehr kleine Kapazitäten. Ein wichtiger Unterschied der Schaltung ist, dass es die elektrische Kompensationsschaltung 176 im Regelkreis gibt, die aus dem Feedback- Widerstand 180 und dem Feedback Kondensator 178 besteht. Das heißt, es gibt im Regelkreis eine direkte Verbindung zwischen Stellgröße und Regelgröße. Die differentielle Spannungsmessung zur Bestimmung des NOx-Stroms wird also nicht direkt am Messwiderstand 160 durchgeführt, sondern zwischen der Verbindung des Shunts 160 mit dem Spannungstreiber-Ausgang des Operationsverstärkers 158 und der Verbindung des Feedback-Widerstands 180 und des Feedback-Kondensators 178 am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers.The method according to the invention makes use of the fact that the
Der als Spannungsfolger geschaltete Operationsverstärker 158 der Steuergeräte-Elektronik regelt die Spannung an der NOx-Zelle140 des Sensorelements 110 auf den Sollwert 450 mV. Ein Spannungssprung wird auf die NOx-Zelle 140 aufgebracht, indem der Sollwert des als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers 158 erhöht wird. Die Simulationsdaten in
Der Spannungsabfall am NOx-Shunt 160 kann, wie das Schaltungsmodell in
Das hier untersuchte und gezeigte Signalverhalten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung genutzt, um ein Kriterium zur Detektion einer Unterbrechung der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 herzuleiten. Dabei dient nicht die Amplitude der differentiell gemessenen Spannung UP2p-P2n als Detektionskriterium für eine Leitungsunterbrechung, sondern ihre zeitliche Änderung. Da die Messwerte der Amplitude des Antwortsignals UP2p-P2n auf einen Spannungssprung sehr stark durch Bauteilevariationen und Störungen des NOx-Signals beeinflusst werden, sind sie als Detektionskriterium nicht in jedem Fall geeignet. Die zeitliche Änderung des differentiell gemessenen Antwortsignals UP2p-P2n auf einen Spannungssprung oder Spannungspuls hat als Detektionskriterium für eine Leitungsunterbrechung deutlich bessere Robustheit gegen Bauteilevariationen oder gegen Störungen des NOx-Signals. So können falsch positive Detektionen einer Leitungsunterbrechung vermieden werden.The signal behavior examined and shown here is used in the context of the present invention to derive a criterion for detecting an interruption of the conductive connection to the
Insbesondere ist oben gezeigt, dass die Stromantwort innerhalb der ersten Millisekunden eines Spannungspulses ein eindeutiges Kriterium dafür liefern kann, ob die leitende Verbindung zum Sensorelement 110 unterbrochen ist. Aus diesem Grund genügt zur Detektion einer Leitungsunterbrechung ein kurzer Spannungspuls von ca. 2 ms bis 5 ms Länge. Eine kurze Dauer dieser Diagnose-Signale ist auch wichtig, da das Monitoring der Leitungen hinsichtlich einer Fehlfunktion nicht die Messung des NOx-Signals (Strom IP2) zu lange unterbrechen oder zu sehr stören soll.In particular, it is shown above that the current response within the first milliseconds of a voltage pulse can provide a clear criterion as to whether the conductive connection to the
Da einzelne Spannungspulse aufgrund der Ladungsverschiebungen an der NOx-Elektrode das empfindliche NOx-Mess-Signal UIP2 stören und verfälschen können, werden Spannungs-Pulspaare auf die Leitung 146 gegeben. Der erste Puls und der darauffolgende Gegenpuls haben die gleiche Dauer und den gleichen Betrag der Amplitude, aber eine Polarität mit entgegengesetzten Vorzeichen. Das Integral der beiden jeweils positiven und negativen Pulse soll gleich Null sein.Since individual voltage pulses can disturb and distort the sensitive NOx measurement signal U IP2 due to charge shifts on the NOx electrode, voltage pulse pairs are sent to
Die zuvor beschriebenen Pulspaare werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Monitoring-Pulse bezeichnet, da mit ihnen in 500 ms Intervallen die leitende Verbindung 146 zur NOx-Zelle 140 überwacht wird und Unterbrechungen der Leitung 146 detektiert werden können. Die zeitliche Änderung des Antwortsignals UP2p-P2n auf einen Spannungspuls wird bestimmt, während der erste Puls des Pulspaares auf die Leitung 146 gegeben wird. Zu vorbestimmten Zeiten zu Beginn der Pulsantwort und kurz vor ihrem Ende wird der Spannungswert UP2p-P2n gemessen.The previously described pulse pairs are also referred to as monitoring pulses in the context of the present invention, since they are used to monitor the
Die Oszilloskop-Mess-Signale in
Werden Pulse periodisch auf ein geregeltes elektrisches System aufgebracht, besteht allerdings die Möglichkeit, dass das System gestört oder periodisch angeregt wird. Hinsichtlich der oben beschriebenen elektrischen Schaltung der NOx-Zelle 140 bedeutet dies, dass die Puls-Paare zur Detektion der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 möglicherweise eine Verschiebung des NOx-Mess-Signals verursachen können. Fällt die Resonanzfrequenz der Regelungsschaltung der Spannung an der NOx-Zelle 140 mit einer Anregungsfrequenz zusammen, kann es zu oszillierenden Störungen auf dem Mess-Signal kommen.However, if pulses are periodically applied to a controlled electrical system, there is the possibility that the system will be disturbed or periodically excited. With regard to the electrical circuit of the
Um Ladungsverschiebungen an den NOx-Elektroden 142, 144 auszugleichen, folgt dem ersten Messpuls ein gleich großer Gegenpuls mit umgekehrter Spannungspolarität. Aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Sensor-Keramik und der elektrischen Beschaltung können, obwohl Puls und Gegenpuls die gleiche Dauer und den gleichen Betrag der Amplitude haben, geringe Ladungsverschiebungen nach den Messpulsen auftreten. Abhängig davon, ob der erste Puls positive oder negative Polarität aufweist, kann es möglicherweise zu einem geringen positiven oder negativen Offset des Mess-Signals kommen.In order to compensate for charge shifts on the
Um eine Verschiebung des Mess-Signals zu vermeiden, kann die Polarität der Pulsfolge gewechselt werden, so dass sich die Ladungsverschiebungen wieder ausgleichen.To avoid a shift in the measurement signal, the polarity of the pulse sequence can be changed so that the charge shifts balance out again.
Um zu vermeiden, dass das Signal zur Detektion einer Unterbrechung der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 eine charakteristische Frequenz hat, die möglicherweise mit der Resonanzfrequenz des Systems zusammenfällt, wird eine Technik verwendet, die die Frequenzen der Anregung durch die Monitoringpulse über das Spektrum verteilt.To avoid that the signal for detecting an interruption of the conductive connection to the
Die Kurve 232 gibt die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass keine Monitoring-Pulse aufgebracht werden. Die Kurve 234 gibt die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass Pulse mit gleicher Polarität des ersten Pulses aufgebracht werden. Die Kurve 236 gibt die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass Pulse mit wechselnder Polarität des ersten Pulses aufgebracht werden. Gut zu erkennen sind die spektralen Linien, die durch die sich Monitoring-Pulse verursacht werden, die sich mit einer 2 Hz-Frequenz wiederholen. Mögliche Verschiebungen des NOx-Signals können durch eine Analyse der Verteilung der relativen Häufigkeit der NOx-Messwerte bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Detektionsverfahren, das die zeitliche Änderung des Antwortsignals UP2p-P2n auf einen Spannungspuls nutzt, ist deutlich robuster gegen Änderungen und Driften der elektrischen Eigenschaften des Sensorelements und der Bauteile auf der Steuergeräteseite. Die Steigung der Pulsantwort kann insbesondere durch Änderungen des Feedback-Kondensators 178 beeinflusst werden.The detection method according to the invention, which uses the temporal change in the response signal U P2p-P2n to a voltage pulse, is significantly more robust against changes and drifts in the electrical properties of the sensor element and the components on the control device side. The slope of the pulse response can be influenced in particular by changes in the feedback capacitor 178.
Nachstehend wird eine alternative oder zusätzliche Modifikation oder Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Um eine falsch-positive Detektion eines Leitungsunterbrechungs-Fehlers zu vermeiden, wird ein zweistufiges Detektionsverfahren verwendet. Mit den Monitoring-Pulsen wird in 500 ms Intervallen der Zustand der Leitung kontinuierlich überwacht. Wird mit den Monitoring-Pulsen eine mögliche Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zum Sensorelement detektiert, so wird dies nochmals mit einem Feststellungs-Puls (Determination Pulse) überprüft.An alternative or additional modification or addition to the method according to the invention is described below. In order to avoid a false-positive detection of a line interruption error, a two-stage detection method is used. The monitoring pulses are used to continuously monitor the state of the line at 500 ms intervals. If a possible interruption of the electrically conductive connection to the sensor element is detected with the monitoring pulses, this is checked again with a determination pulse.
Zum Plausibilisieren wird in Schritt S16 mindestens ein Feststellung-Spannungspuls für eine vorbestimmte Feststellungszeit an die zweite Pumpzelle 140 angelegt wird. Dabei wird die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Feststellung-Spannungspulses ermittelt. Die Feststellungszeit für den Feststellungs-Spannungspuls ist länger als die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls. In Schritt S18 wird die zeitliche Veränderung des Messsignals ausgewertet. So wird überprüft, ob die zeitliche Veränderung des Messsignals bei den Feststellung-Pulsen den vorbestimmten Schwellwert 212 überschreitet oder nicht. Dies kann für beliebig viele aufeinanderfolgen Spannungspulse erfolgen. Wird der Schwellwert bei der Feststellung in Schritt S20 überschritten, schreitet das Verfahren zu Schritt S20 fort und die elektrisch leitende Verbindung 146 wird als intakt identifiziert. Daraufhin kehrt das Verfahren zu Schritt S10 zurück. Wird der Schwellwert bei der Feststellung in Schritt S16 unterschritten, schreitet das Verfahren zu Schritt S22 fort und die elektrisch leitende Verbindung 146 wird dabei als defekt identifiziert. Optional können in Schritt S24 Entprellbedingungen festgelegt werden und das Verfahren kehrt dann zu Schritt S10 zurück.To check plausibility, at least one detection voltage pulse is applied to the
Nachstehend wird das Verfahren mit der optionalen Plausibilisierung des Messsignals ausführlicher beschrieben. Die Detektion mit diesem Feststellungs-Puls hat eine minimale Fehlerwahrscheinlichkeit. Ein im Vergleich zum Monitoring-Puls mit einer Dauer von beispielsweise 2 ms - 5 ms lang andauernder Puls von beispielsweise 20 ms - 40 ms wird auf die Leitung 146 gegeben. Die am Shunt 160 gemessene Spannungsänderung, das Differenzsignal DUP2p-P2n, zeigt bei geschlossener Leitung 146 Spannungswerte von deutlich mehr als 100 mV, während bei einer Unterbrechung der Leitung 146 Werte nahe Null gemessen werden. Aufgrund dieses, im Vergleich zum Monitoring-Puls, großen Detektionssignals ist eine Fehldetektion sehr unwahrscheinlich.The procedure with the optional plausibility check of the measurement signal is described in more detail below. Detection with this detection pulse has a minimal probability of error. A pulse of, for example, 20 ms - 40 ms, which is longer than the monitoring pulse with a duration of, for example, 2 ms - 5 ms, is sent to
Das Verfahren kann wie folgt modifiziert werden. Die Anwendung der hier beschriebenen Schaltung und des Verfahrens zur Detektion einer Unterbrechung der Leitung zur NOx Zelle 140 ist nicht nur auf NOx-Sensoren beschränkt. Prinzipiell ist es auf alle elektrochemischen Zellen anwendbar, die Elektroden mit einer großen Kapazität haben. Neben der Anwendung der elektrischen Verbindung mit Spannungspulsen ist auch eine Anregung mit Strompulsen möglich.The procedure can be modified as follows. The application of the circuit and method described here for detecting an interruption in the line to the
Der Nachweis, ob die Erfindung in einem Fremd-Produkt verwendet wird, kann in einem Elektronik-Labor problemlos und einfach erbracht werden. Puls-Folgen und Puls-Muster können mit einem Oszilloskop an den elektrischen Verbindungen zum Sensorelement gemessen werden. Durch das Einkoppeln eines Störsignals mit einem Signalgenerator kann untersucht werden, ob möglicherweise die zeitliche Änderung der Pulsantwort als Diagnosekriterium dient. Genaueren Aufschluss über die mögliche Nutzung der hier beschriebenen Schaltung und des Diagnose-Verfahrens liefert dann eine Analyse des geöffneten Produkts. Hier können die Signale direkt an den Pins der Integrierten Schaltungen gemessen werden.Proof of whether the invention is used in a third-party product can be easily and easily provided in an electronics laboratory. Pulse trains and pulse patterns can be measured with an oscilloscope at the electrical connections to the sensor element. By coupling an interference signal with a signal generator, it can be examined whether the temporal change in the pulse response may serve as a diagnostic criterion. An analysis of the opened product will then provide more detailed information about the possible use of the circuit and diagnostic procedure described here. Here the signals can be measured directly on the pins of the integrated circuits.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347 [0002]Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Automotive Engineering Handbook, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347 [0002]
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