EP2092317A1 - Verfahren zur bestimmung der temperatur eines messfühlers - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der temperatur eines messfühlers

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EP2092317A1
EP2092317A1 EP07821686A EP07821686A EP2092317A1 EP 2092317 A1 EP2092317 A1 EP 2092317A1 EP 07821686 A EP07821686 A EP 07821686A EP 07821686 A EP07821686 A EP 07821686A EP 2092317 A1 EP2092317 A1 EP 2092317A1
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EP
European Patent Office
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temperature
internal resistance
measuring cell
temperature range
resistance
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07821686A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Reinshagen
Lothar Diehl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2092317A1 publication Critical patent/EP2092317A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4067—Means for heating or controlling the temperature of the solid electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
    • G01K7/183—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer characterised by the use of the resistive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K7/26—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being an electrolyte
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D23/00—Control of temperature
    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/20—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature
    • G05D23/24—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element having a resistance varying with temperature, e.g. a thermistor
    • G05D23/2401—Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element having a resistance varying with temperature, e.g. a thermistor using a heating element as a sensing element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2205/00—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle
    • G01K2205/04—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle for measuring exhaust gas temperature

Definitions

  • the invention is based on a method according to the preamble of independent claim 1.
  • the invention also provides a computer program and a computer program product with a program code which is stored on a machine-readable carrier for carrying out the method.
  • the determination of the operating temperature of the sensor due to the internal resistance of the Nernst measuring cell is only possible to a limited extent, since the temperature characteristic of the resistance of the electrolyte forming the sensor due to their course only within a limited temperature range a precise Measurement allows. In addition, this characteristic has a varying offset due to the lead resistance. The characteristic is also subject to errors due to printing inaccuracies.
  • the inventive method with the features of claim 1 has the advantage that a determination of the temperature of a probe for determining an oxygen concentration in gas mixtures over a wide temperature range with high precision is possible.
  • the internal resistance of the Nernst measuring cell is determined in a first temperature range and from this the temperature of the Nernst measuring cell is concluded, and that in a second temperature range the internal resistance of the heating device is determined and from this to the temperature of the Nernst measuring cell is closed.
  • the determination of the internal resistance of the heater and the closing of this internal resistance to the temperature of the Nernst measuring cell in the second temperature range when the heater is switched off can always be used in which the heating is not subjected to a voltage / current.
  • the two temperature ranges do not overlap, but are separated from each other.
  • the first temperature range ends below the operating temperature of the probe, whereas the second temperature range begins above the operating temperature of the probe.
  • the temperature of the probe is determined based on a determination of the internal resistance of the heater. This is based on the idea that the characteristic of the internal resistance of the heater is linear and also in the range at higher temperatures has a slope that allows a sufficiently large resolution.
  • the temperature ranges overlap.
  • the temperature of the Nernst measuring cell is determined both from the determination of the internal resistance of the Nernst measuring cell and from the determination of the internal resistance of the heating device.
  • the internal resistance of the Nernst measuring cell is preferably used, the lead proportion is compensated, as in the above-mentioned DE 198 38 456 Al, to which reference is made, is explained.
  • the second temperature value is used to check the plausibility of this value.
  • both the inner Resistance of the Nernst measuring cell and the resistance of the heater are determined and calibrated by comparing the internal resistance of the Nernst measuring cell with the resistance of the heater, the absolute value of the temperature characteristic of the resistance of the heater.
  • the calibration takes place in a temperature range in which a very precise temperature determination is possible by determining the internal resistance of the Nernst cell.
  • This calibration is new when new, it is stored and used over the life of the probe. In that regard, it is possible to compensate for the error caused by the aging of the internal resistance of the Nernst measuring cell, since the internal resistance of the heating device is known here.
  • a separation of an offset error and a proportional error falsifying the characteristic can be made by comparing the internal resistance of the switched-on heating device with the internal resistance of the switched-off heating device to the Ratio of the meander resistance of the meandering heater applied to the supply line resistance can be closed.
  • the offset error can be separated from the proportional error and, since the offset error is eliminated by the calibration, the proportional error of the linear characteristic can also be compensated.
  • Fig. 2a schematically shows the internal resistance of the Nernst cell above the temperature
  • Fig. 2b shows schematically the internal resistance of the heater over the
  • FIG. 3 schematically shows the method according to the invention for controlling the temperature of a sensor on the basis of the temperature characteristics of the resistance of the Nernst cell shown in a diagram and of the internal resistance of the heating device;
  • Fig. 4 shows schematically a circuit for detecting the internal resistance of the heater
  • Fig. 5 shows schematically another circuit for detecting the internal resistance of the heater.
  • FIG. 1 shows a measuring sensor 10 in a sectional view through a measuring head.
  • the sensor 10 is designed as a planar broadband sensor and consists of a number of individual, superposed layers, which can be structured, for example, by film casting, stamping, screen printing, laminating, cutting, sintering or the like.
  • the achievement of the layer structure should not be discussed in the context of the present description, since this is known.
  • the sensor 10 is used to determine an oxygen concentration in exhaust gases of internal combustion engines to a control signal for adjusting a fuel-air mixture with which the internal combustion engine operated is going to get.
  • the sensor 10 has a Nernst measuring cell 12 and a pumping cell 14.
  • the Nernst measuring cell 12 has a first electrode 16 and a second electrode 18, between which a solid electrolyte 20 is arranged.
  • the electrode 16 is exposed to the exhaust gas 24 to be measured via a diffusion barrier 22.
  • the measuring sensor 10 has a measuring opening 26, which can be acted upon by the exhaust gas 24. At the bottom of the measuring opening 26, the diffusion barrier 22 extends, wherein it leads to the formation of a cavity 28 within which the electrode 16 is arranged.
  • the electrode 18 of the Nernst measuring cell 12 is arranged in a reference air channel 30 and exposed to a reference gas, for example air, in the reference air channel 30.
  • a reference gas for example air
  • the solid electrolyte 20 is yttria-stabilized zirconia, while the electrodes 16 and 18 are platinum and zirconia, for example.
  • the measuring sensor 10 is connected to a circuit arrangement 32, which is merely indicated here, and which serves to evaluate signals from the measuring sensor 10 and to control the measuring sensor 10.
  • the electrodes 16 and 18 are in this case connected to inputs 34 and 36, respectively, against which a detection voltage UD of the Nernst measuring cell 12 is applied.
  • the pumping cell 14 consists of a first electrode 38 and a second electrode 40, between which a solid electrolyte 42 is arranged.
  • the solid electrolyte 42 in turn consists, for example, of a yttria-stabilized zirconium oxide, while the electrodes 38 and 40 may in turn consist of platinum and zirconium oxide.
  • the electrode 38 is likewise arranged in the cavity 28 and thus likewise exposed to the exhaust gas 24 via the diffusion barrier 22.
  • the electrode 40 is covered with a protective layer 44 which is porous so that the electrode 40 is directly exposed to the exhaust gas 24.
  • the electrode 40 is connected to an input 46 of the circuit arrangement 32, while the electrode 38 is connected to the electrode 16 and lies together therewith at the input 34 of the circuit arrangement 32.
  • the sensor 10 further comprises a heater 50, which is formed by a so-called Bankfeldander and is connected to inputs 52 and 54 of the circuit 32. At the inputs 52 and 54, a heating voltage UH can be applied by means of a control circuit 56
  • the exhaust gas 24 is above the measuring opening 26 and the diffusion barrier 22 in the cavity 28 and thus at the electrodes 16 of the Nernst measuring cell 12 and the electrode 38 of the pumping cell 14 at. Due to the oxygen concentration present in the exhaust gas to be measured, an oxygen concentration difference between the electrode 16 and the electrode 18 exposed to the reference gas is established. Via the connection 34, the electrode 16 is connected to a current source of the circuit arrangement 32, which supplies a constant current. Due to an existing difference in oxygen concentration at the electrodes 16 and 18, a certain detection voltage (Nernst voltage) UD is established. The Nernst measuring cell 12 in this case operates as a lambda probe, which detects whether a high oxygen concentration or a low oxygen concentration is present in the exhaust gas 24. Based on the oxygen concentration, it is clear whether the fuel-air mixture with which the internal combustion engine is operated is a rich or a lean mixture. When changing from the rich to the lean region or vice versa, the detection voltage UD drops or increases.
  • the detection voltage UD is used for determining a pumping voltage UP, with which the pumping cell 14 is acted upon between its electrodes 38 and 40, respectively.
  • the pumping voltage UP is negative or positive, so that the electrode 40 is connected either as a cathode or anode.
  • a pump current IP which can be measured via a measuring device of the circuit arrangement 32, is established.
  • oxygen ions are pumped from the electrode 40 to the electrode 38 or vice versa.
  • the measured pumping current IP serves to activate tion of a device for adjusting the fuel-air mixture with which the internal combustion engine is operated.
  • the heating voltage UH can be applied to the outputs 54 and 52 of the circuit 32 via the regulating device 56, so that the heating device 50 can be switched on or off.
  • the sensor 10 can be brought to an operating temperature of about 780 0 C. Due to speed fluctuations of the exhaust gas 24 and / or temperature fluctuations of the exhaust gas 24, the sensor 10 is acted upon by the exhaust gas 24 with a certain fluctuating heat energy. Depending on the heating of the sensor 10 via the exhaust gas 24 is a connection or disconnection of the heater 50 is necessary.
  • the circuit arrangement 32 has a measuring circuit 58, via which an alternating internal resistance of the Nernst measuring cell 12 including its supply lines to the circuit arrangement 32 can be measured.
  • the AC internal resistance of the Nernst measuring cell 12 is temperature-dependent, so that the Nernst measuring cell 12 can be used to determine the operating temperature by the measured AC internal resistance. Depending on the determined operating temperature, the measuring circuit 58 provides a signal 60 for the heating control 56.
  • the determination of the AC internal resistance of the Nernst measuring cell 12 is known per se and is evident, for example, from DE 198 38 456, there column 4, lines 57 to column 6, line 10, to which reference is made in full herein.
  • the measurement via the electrolyte resistance Ri of the Nernst measuring cell 12 takes place using the NTC effect.
  • the temperature is determined and the heating power is adjusted accordingly, so that the probe is regulated to operating temperature. If the probe is not heated internally, but only by the exhaust gas, the ambient or exhaust gas temperature can be determined via the resistance measurement. However, this measurement is only available in a limited Temperature range up to about 800 ° C possible. A measurement above this temperature is not readily possible.
  • the metallic resistance of the heater 50 shows a linear increase shown in FIG. 2b and a steep increase in temperature in the higher temperature range of 800.degree.
  • the internal resistances of the heater 50 are about one order of magnitude lower than the internal resistances of the Nernst cell 12, so that an unknown offset, for example, by a lead resistance, leads to an increased error of the correlation of internal resistance of the heater 50 and ambient or exhaust gas temperature.
  • a determination of the temperature by means of the internal resistance R 1 of the Nernst cell 12 and a determination of the temperature based on the internal resistance R 1 of the heater to a second temperature range, as shown schematically in Fig. 3.
  • a first temperature range denoted by I
  • the determination of the temperature of the sensor is determined by determining this internal resistance.
  • Il in which the internal resistance of the Nernst cell 12 exceeds the temperature. temperature changes only slightly, the determination of the temperature of the sensor is carried out by determining the internal resistance of the heater 50th
  • the calibration of the temperature characteristic of the internal resistance of the heater 50 is now carried out such that at a temperature T ⁇ due to the temperature characteristic 210 of the internal resistance of the Nernst cell 12 a precise temperature determination is made. Based on this measurement or several such measurements, the characteristic of the internal resistance of the heater 50 is now calibrated with respect to its absolute value. At high temperatures in the region II, the determination of the temperature is now based on the thus calibrated temperature characteristic of the internal resistance of the heater 50th
  • the above-described temperature measurement takes place when the heating device is switched off. In a clocked controlled heater, it always takes place in the time intervals in which the heater is not acted upon by a current / voltage.
  • the detection can take place, for example, when - as shown in Fig. 4 - the heater is not acted upon by the battery voltage U Bat , but is connected by an example electronic switch 410 with a measuring circuit that includes a shunt resistor R Sh u n t at which the voltage drop across it is measured by a voltmeter 420 and thus the internal resistance is determined.
  • the shunt resistor R Sh u n t may have a value of 3 ohms, which enables a very accurate resistance determination, for example, as in the case of the switched off heating also at a larger shunt resistor R Shun t no emerging through the resistance loss reduces the power of the heating device.
  • the ratio of the meander resistance to the lead resistance can be concluded that the ratio of the meander resistance to the lead resistance.
  • an error 240 attributable to the heating meander can be distinguished from an error 250 (see FIG. 2b) to be assigned to the supply lines.
  • the resistance of the heater is in fact formed by the supply and meander resistance, with the meander resistance in particular showing a dependence on the temperature. Now, if the resistance is measured at two temperatures, for example, immediately after the start of the vehicle and at a time during which the operating temperature of the sensor is already reached from 780 0 C, the resistance change of the heater 50 and from the meandering resistance, the proportional for resistance change is to be determined.
  • the proportion of the supply lines can be determined from the resistance of the heating device 50. This also makes it possible to distinguish an offset error from a proportional error. Compensation of the offset error and the proportional error may also be due to two or more measurement points at two or more temperatures. The prerequisite for this is the above-described calibration of the characteristic curve 220 at a point T K due to the exact temperature determination by the temperature characteristic 210 of the internal resistance of the Nernst cell 12.
  • a measurement of the internal resistance R H of the heating device 50 can also be carried out by a circuit shown schematically in Fig. 5 via a shunt, which is connected in parallel to a current-free output of a field effect transistor 510.
  • This shunt Rs h u n t 2 has a value of, for example, a kilo-ohms in this case. In this case, there is no need to switch between a switched on and a switched off heating.
  • the method described above can be implemented, for example, as a computer program on a computing device, in particular a control device of an internal combustion engine, and run there.
  • the program code may be stored on a machine-readable medium that the controller may read.

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Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Messfühlers (10) zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine der Sauerstoffkonzentration entsprechende, von einer Nernst-Messzelle (12) gelieferte Detektionsspannung (UD) ausgewertet wird, der Messfühler mittels einer Heizeinrichtung (50) auf eine Betriebstemperatur eingeregelt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Temperaturbereich der Innenwiderstand der Nernst-Messzelle (12) ermittelt wird und aus diesem auf die Temperatur der Nernst-Messzelle geschlossen wird, dass in einem zweiten Temperaturbereich der Innenwiderstand der Heizeinrichtung (50) bestimmt wird und aus diesem auf die Temperatur der Nernst-Messzelle geschlossen wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Messfühlers
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
Gegenstand der Erfindung sind auch ein Computerprogramm sowie ein Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE 198 38 456 Al ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Temperaturregelung eines Messfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, bekannt geworden, bei dem eine der Sauerstoffkonzentration entsprechende, von einer Nernst- Messzelle gelieferte Detektionsspannung ausgewertet wird, wobei der Messfühler mittels einer Heizeinrichtung auf eine Betriebstemperatur eingeregelt wird und die aktuelle Betriebstemperatur aus einer Messung eines Wechselstrominnenwiderstands der Nernst- Messzelle ermittelt wird. Um fertigungsbedingte Schwankungen des Widerstandswerts zu eliminieren, wird bei diesem Verfahren bei Inbetriebnahme und/oder Wiederinbetriebnahme des Messfühlers ein Wechselstrominnenwiderstand einer Zuleitung von Elektroden der Nernst- Messzelle ermittelt und der ermittelte aktuelle Wechselstrominnenwiderstand bei der Ermittlung der Betriebstemperatur berücksichtigt. Die Bestimmung der Betriebstemperatur des Messfühlers aufgrund des Innenwiderstands der Nernst- Messzelle ist nur in einem beschränkten Umfang möglich, da die Temperaturkennlinie des Widerstands des den Messfühler bildenden Elektrolyten aufgrund ihres Verlaufs nur in einem begrenzten Temperaturbereich eine präzise Messung zulässt. Darüber hinaus weist diese Kennlinie aufgrund des Zuleitungswiderstands einen variierenden Offset auf. Auch ist die Kennlinie durch drucktechnische Ungenauigkeiten fehlerbehaftet.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Bestimmung der Temperatur eines Messfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen über einen großen Temperaturbereich mit hoher Präzision möglich ist. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass in einem ersten Temperaturbereich der Innenwiderstand der Nernst- Messzelle ermittelt wird und aus diesem auf die Temperatur der Nernst- Messzelle geschlossen wird, und dass in einem zweiten Temperaturbereich der Innenwiderstand der Heizeinrichtung bestimmt wird und aus diesem auf die Temperatur der Nernst- Messzelle geschlossen wird. Durch die Aufteilung des Betriebsbereichs eines derartigen Messfühlers in mehrere Temperaturbereiche, die so gewählt sind, dass jeweils eine präzise Bestimmung der Temperatur der Nernst- Messzelle möglich ist, wird über den gesamten Betriebsbereich des Messfühlers eine exakte Temperaturbestimmung möglich.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des durch den unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
So erfolgt vorzugsweise die Bestimmung des Innenwiderstands der Heizeinrichtung und das Schließen aus diesem Innenwiderstand auf die Temperatur der Nernst- Messzelle in dem zweiten Temperaturbereich bei abgeschalteter Heizeinrichtung. Dabei können beispielsweise bei einer getakteten Ansteuerung der Heizeinrichtung immer die Taktzeiten herangezogen werden, in denen die Heizung nicht mit einer Spannung/einem Strom beaufschlagt ist. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die beiden Temperaturbereiche nicht überlappen, sondern voneinander getrennt sind. Bevorzugt endet dabei der erste Temperaturbereich unterhalb der Betriebstemperatur des Messfühlers, wohingegen der zweite Temperaturbereich oberhalb der Betriebstemperatur des Messfühlers beginnt. Dies hat den Vorteil, dass in dem ersten Temperaturbereich, das heißt bei kleineren Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur durch die Messung des Innenwiderstands der Nernst- Messzelle eine sehr präzise Temperaturbestimmung möglich ist, da in diesem Bereich die Temperaturkennlinie des Elektrolytwiderstands eine große Steigung aufweist und sich insoweit mit der Temperatur stark ändert und damit eine hohe Auflösung ermöglicht. Im zweiten Temperaturbereich, der oberhalb des Messfühlers beginnt, wird dagegen die Temperatur des Messfühlers aufgrund einer Bestimmung des Innenwiderstands der Heizeinrichtung ermittelt. Dem liegt die Idee zugrunde, dass die Kennlinie des Innenwiderstands der Heizeinrichtung linear verläuft und auch im Bereich bei höheren Temperaturen eine Steigung aufweist, die eine hinreichend große Auflösung ermöglicht.
Bei einer wiederum anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Temperaturbereiche überlappen. In diesem Falle wird die Temperatur der Nernst- Messzelle sowohl aus der Bestimmung des Innenwiderstands der Nernst- Messzelle als auch aus der Bestimmung des Innenwiderstands der Heizeinrichtung ermittelt. Es werden also zwei Messungen mit unterschiedlichen Messverfahren im gleichen Temperaturbereich vorgenommen und auf diese Weise zwei Temperaturwerte erhalten. Dabei wird vorzugsweise der Innenwiderstand der Nernst- Messzelle verwendet, dessen Zuleitungsanteil kompensiert ist, wie in der vorstehend bereits erwähnten DE 198 38 456 Al, auf die insoweit Bezug genommen wird, erläutert ist. Der zweite Temperaturwert wird zur Plausibilisierung dieses Wertes herangezogen.
Um die Temperaturkennlinie des Innenwiderstands der Heizeinrichtung hinsichtlich ihres Absolutwerts zu kalibrieren, ist bei einer Ausgestaltung des Verfahrens dabei vorgesehen, dass in einem vorgebbaren Temperaturbereich, vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Betriebstemperatur des Messfühlers sowohl der Innen- widerstand der Nernst- Messzelle als auch der Widerstand der Heizeinrichtung bestimmt werden und durch Vergleich des Innenwiderstands der Nernst- Messzelle mit dem Widerstand der Heizeinrichtung der Absolutwert der Temperaturkennlinie des Widerstands der Heizeinrichtung kalibriert wird. Die Kalibrierung erfolgt also anders ausgedrückt in einem Temperaturbereich, in dem mittels Bestimmung des Innenwiderstands der Nernst-Zelle eine sehr präzise Temperaturbestimmung möglich ist.
Diese Kalibrierung erfolgt im Neuzustand einmalig, sie wird gespeichert und über die Lebensdauer des Messfühlers verwendet. Insoweit ist es möglich, den aufgrund der Alterung des Innenwiderstands der Nernst- Messzelle hervorgerufenen Fehler zu kompensieren, da hier der Innenwiderstand der Heizeinrichtung bekannt ist.
In dem Temperaturbereich, in dem die Kalibrierung vorgenommen wird, kann zur weiteren Optimierung ferner eine Trennung eines Offset- Fehlers und eines die Kennlinie verfälschenden proportionalen Fehlers dadurch vorgenommen werden, dass durch den Vergleich des Innenwiderstands der eingeschalteten Heizeinrichtung mit dem Innenwiderstand der ausgeschalteten Heizeinrichtung auf das Verhältnis des Mäanderwiderstands der mäanderförmig aufgebrachten Heizeinrichtung zum Zuleitungswiderstand geschlossen werden kann. Auf diese Weise kann der Offset- Fehler von dem proportionalen Fehler getrennt werden und, da der Offset- Fehler durch die Kalibrierung beseitigt ist, kann auch der proportionale Fehler der linearen Kennlinie kompensiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen Messfühler, bei dem das erfin- dungsgemäße Verfahren zum Einsatz kommt;
Fig. 2a schematisch der Innenwiderstand der Nernst-Zelle über der Temperatur;
Fig. 2b schematisch der Innenwiderstand der Heizeinrichtung über der
Temperatur;
Fig. 3 schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturregelung eines Messfühlers anhand der in einem Schaubild dargestellten Temperaturkennlinien des Widerstands der Nernst-Zelle sowie des Innenwiderstands der Heizeinrichtung;
Fig. 4 schematisch eine Schaltung zur Erfassung des Innenwiderstands der Heizeinrichtung und
Fig. 5 schematisch eine weitere Schaltung zur Erfassung des Innenwiderstands der Heizeinrichtung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der Fig. 1 ist ein Messfühler 10 in einer Schnittdarstellung durch einen Messkopf gezeigt. Der Messfühler 10 ist als planarer Breitband-Messfühler ausgebildet und besteht aus einer Anzahl einzelner, übereinander angeordneter Schichten, die beispielsweise durch Foliengießen, Stanzen, Siebdrucken, Laminieren, Schneiden, Sintern oder dergleichen strukturiert werden können. Auf die Erzielung des Schichtaufbaus soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher eingegangen werden, da dies bekannt ist.
Der Messfühler 10 dient der Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, um ein Steuersignal zur Einstellung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, zu erhalten. Der Messfühler 10 besitzt eine Nernst- Messzelle 12 und eine Pumpzelle 14. Die Nernst- Messzelle 12 besitzt eine erste Elektrode 16 und eine zweite Elektrode 18, zwischen denen ein Festelektrolyt 20 angeordnet ist. Die Elektrode 16 ist über eine Diffusionsbarriere 22 dem zu messenden Abgas 24 ausgesetzt. Der Messfühler 10 besitzt eine Messöffnung 26, die mit dem Abgas 24 beaufschlagbar ist. Am Grund der Messöffnung 26 erstreckt sich die Diffusionsbarriere 22, wobei es zur Ausbildung eines Hohlraumes 28 kommt, innerhalb dem die Elektrode 16 angeordnet ist. Die Elektrode 18 der Nernst- Messzelle 12 ist in einem Referenzluftkanal 30 angeordnet und einem in dem Referenzluftkanal 30 anliegenden Referenzgas, beispielsweise Luft, ausgesetzt. Der Festelektrolyt 20 besteht beispielsweise aus yttriumoxidstabilisiertem Zirkoniumoxid, während die Elektrode 16 und 18 beispielsweise aus Platin und Zirkoniumoxid bestehen.
Der Messfühler 10 ist mit einer hier lediglich angedeuteten Schaltungsanordnung 32 verbunden, die der Auswertung von Signalen des Messfühlers 10 und der Ansteuerung des Messfühlers 10 dient. Die Elektroden 16 und 18 sind hierbei mit Eingängen 34 beziehungsweise 36 verbunden, an denen eine Detektionsspan- nung UD der Nernst- Messzelle 12 anliegt.
Die Pumpzelle 14 besteht aus einer ersten Elektrode 38 sowie einer zweiten E- lektrode 40, zwischen denen ein Festelektrolyt 42 angeordnet ist. Der Festelektrolyt 42 besteht wiederum beispielsweise aus einem yttriumoxidstabilisierten Zirkoniumoxid, während die Elektroden 38 und 40 wiederum aus Platin und Zirkoniumoxid bestehen können, Die Elektrode 38 ist ebenfalls in dem Hohlraum 28 angeordnet und somit ebenfalls über die Diffusionsbarriere 22 dem Abgas 24 ausgesetzt. Die Elektrode 40 ist mit einer Schutzschicht 44 überdeckt, die porös ist, sodass die Elektrode 40 dem Abgas 24 direkt ausgesetzt ist. Die Elektrode 40 ist mit einem Eingang 46 der Schaltungsanordnung 32 verbunden, während die Elektrode 38 mit der Elektrode 16 verbunden ist und mit dieser gemeinsam an dem Eingang 34 der Schaltungsanordnung 32 liegt. Der Messfühler 10 umfasst ferner eine Heizeinrichtung 50, die von einem sogenannten Heizmäander gebildet ist und mit Eingängen 52 und 54 der Schaltungsanordnung 32 verbunden ist. An den Eingängen 52 und 54 ist mittels einer Regelschaltung 56 eine Heizspannung UH anlegbar.
Die Funktion des Messfühlers ist folgende:
Das Abgas 24 liegt über die Messöffnung 26 und die Diffusionsbarriere 22 in dem Hohlraum 28 und somit an den Elektroden 16 der Nernst-Messzelle 12 und der Elektrode 38 der Pumpzelle 14 an. Aufgrund der in dem zu messenden Abgas vorhandenen Sauerstoffkonzentration stellt sich ein Sauerstoffkonzentrationsunterschied zwischen der Elektrode 16 und der dem Referenzgas ausgesetzten Elektrode 18 ein. Über den Anschluss 34 ist die Elektrode 16 mit einer Stromquelle der Schaltungsanordnung 32 verbunden, die einen konstanten Strom liefert. Aufgrund eins vorhandenen Sauerstoffkonzentrationsunterschiedes an den Elektroden 16 und 18 stellt sich eine bestimmte Detektionsspannung (Nernst- Spannung) UD ein. Die Nernst-Messzelle 12 arbeitet hierbei als Lambda-Sonde, die detektiert, ob in dem Abgas 24 eine hohe Sauerstoffkonzentration oder eine niedrige Sauerstoffkonzentration vorhanden ist. Anhand der Sauerstoffkonzentration ist klar, ob es sich bei dem Kraftstoff-Luft-Gemisch, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, um ein fettes oder ein mageres Gemisch handelt. Bei einem Wechsel vom fetten in den mageren Bereich oder umgekehrt fällt die Detektionsspannung UD ab beziehungsweise steigt sie an.
Mit Hilfe der Schaltungsanordnung 32 wird die Detektionsspannung UD zum Ermitteln einer Pumpspannung UP eingesetzt, mit der die Pumpzelle 14 zwischen ihren Elektroden 38 beziehungsweise 40 beaufschlagt wird. Je nachdem, ob über die Detektionsspannung UD signalisiert wird, dass sich das Kraftstoff-Luft- Gemisch im fetten oder im mageren Bereich befindet, ist die Pumpspannung UP negativ oder positiv, sodass die Elektrode 40 entweder als Kathode oder Anode geschaltet ist. Entsprechend stellt sich ein Pumpstrom IP ein, der über eine Messeinrichtung der Schaltungsanordnung 32 messbar ist. Mit Hilfe des Pumpstromes IP werden entweder Sauerstoffionen von der Elektrode 40 zur Elektrode 38 oder umgekehrt gepumpt. Der gemessene Pumpstrom IP dient zur Ansteue- rung einer Einrichtung zur Einstellung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit dem die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird.
Über die Regeleinrichtung 56 ist an die Ausgänge 54 und 52 der Schaltungsanordnung 32 die Heizspannung UH legbar, sodass die Heizeinrichtung 50 zu- beziehungsweise abschaltbar ist. Durch die Heizeinrichtung 50 ist der Messfühler 10 auf eine Betriebstemperatur von über zirka 7800C bringbar. Aufgrund von Geschwindigkeitsschwankungen des Abgases 24 und/oder Temperaturschwankungen des Abgases 24 wird der Messfühler 10 über das Abgas 24 mit einer bestimmten schwankenden Wärmeenergie beaufschlagt. Je nach Aufheizung des Messfühlers 10 über das Abgas 24 ist eine Zu- beziehungsweise Abschaltung der Heizeinrichtung 50 notwendig. Um die aktuelle Betriebstemperatur des Messfühlers 10 zu ermitteln, besitzt die Schaltungsanordnung 32 eine Messschaltung 58, über die ein Wechselstrominnenwiderstand der Nernst- Messzelle 12 inklusive ihrer Zuleitungen zur Schaltungsanordnung 32 messbar ist. Der Wechselstrominnenwiderstand der Nernst- Messzelle 12 ist temperaturabhängig, sodass durch den gemessenen Wechselstrominnenwiderstand der Nernst- Messzelle 12 auf die Betriebstemperatur geschlossen werden kann. In Abhängigkeit von der ermittelten Betriebstemperatur stellt die Messschaltung 58 ein Signal 60 für die Heizungssteuerung 56 bereit.
Die Ermittlung des Wechselstrominnenwiderstands der Nernst- Messzelle 12 ist an sich bekannt und geht beispielsweise aus der DE 198 38 456, dort Spalte 4, Zeilen 57 bis Spalte 6, Zeile 10 hervor, auf die vorliegend vollinhaltlich Bezug genommen wird. Die Messung über dem Elektrolytwiderstand Ri der Nernst- Messzelle 12 erfolgt unter Ausnutzung des NTC- Effekts.
Aufgrund der Messung dieses Widerstands wird die Temperatur bestimmt und die Heizleistung entsprechend reguliert, sodass die Sonde auf Betriebstemperatur geregelt wird. Sofern die Sonde nicht intern, sondern nur durch das Abgas beheizt wird, kann über die Widerstandsmessung die Umgebungs- bzw. Abgastemperatur bestimmt werden. Diese Messung ist jedoch nur in einem beschränk- ten Temperaturbereich bis etwa 800° C möglich. Eine Messung oberhalb dieser Temperatur ist nicht ohne weiteres möglich.
Im Rahmen der Bestimmungen der Umgebungs- beziehungsweise Abgastemperatur sind nun vor allem hohe Temperaturen größer als 800° C von Interesse. Aufgrund des exponentiellen Abfalls verläuft die Widerstandskennlinie über der Temperatur in diesem Temperaturbereich flach, wie in Fig. 2a dargestellt ist, wo die Kennlinie des Innenwiderstands der Nernst-Zelle 12 über der Temperatur aufgetragen ist. Darüber hinaus erfährt die Toleranz der Kennlinie 210 eine Aufweitung, weil der nur leicht temperaturabhängige relative Anteil des fertigungsbedingt streuenden Zuleitungswiderstands zunimmt. Aus diesem Grunde ist die Bestimmung hoher Temperaturen basierend auf dem Elektrolytwiderstand der Nernst-Zelle 12 oder auch der Pumpzelle mit einem großen Fehler behaftet.
Im Gegensatz zum Innenwiderstand der Nernst-Zelle 12, also zum Widerstand des Elektrolyten, zeigt der metallische Widerstand der Heizeinrichtung 50 einen in Fig. 2b dargestellten linearen und im höheren Temperaturbereich größer 800° C steileren Anstieg mit der Temperatur. Allerdings sind die Innenwiderstände der Heizeinrichtung 50 etwa eine Größenordnung geringer als die Innenwiderstände der Nernst-Zelle 12, sodass ein unbekannter Offset, beispielsweise durch einen Zuleitungswiderstand, zu einem erhöhten Fehler der Korrelation von Innenwiderstand der Heizeinrichtung 50 und Umgebungs- beziehungsweise Abgastemperatur führt. Um einen solchen Messfühler nun in einem großen Temperaturbereich von etwa 500° C bis etwa 1.200° C mit hoher Präzision betreiben zu können, ist nun vorgesehen, in einem ersten Temperaturbereich eine Bestimmung der Temperatur mittels des Innenwiderstands R1 der Nernst-Zelle 12 und in einem zweiten Temperaturbereich eine Bestimmung der Temperatur basierend auf dem Innenwiderstand R1 der Heizeinrichtung vorzunehmen, wie es schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. In einem ersten, mit I bezeichneten Temperaturbereich, in dem der Innenwiderstand R1 der Nernst-Zelle 12 über der Temperatur einen starken Abfall zeigt, wird die Ermittlung der Temperatur des Messfühlers durch Bestimmung dieses Innenwiderstands ermittelt. In einem zweiten, mit Il bezeichneten Temperaturbereich, in dem sich der Innenwiderstand der Nernst-Zelle 12 über der Tem- peratur nur wenig ändert, erfolgt die Bestimmung der Temperatur des Messfühlers durch Ermittlung des Innenwiderstands der Heizeinrichtung 50.
Es kann auch vorgesehen sein, in dem mit I bezeichneten Bereich zusätzlich eine Bestimmung der Temperatur des Innenwiderstands der Heizeinrichtung 50 vorzunehmen und den so ermittelten Temperaturwert mit dem Temperaturwert zu vergleichen, der durch Ermittlung des Innenwiderstands der Nernst-Zelle 12 gewonnen wurde. Dabei kann auch der Mittelwert dieser beiden so bestimmten Temperaturen berechnet werden. Das Gleiche gilt in entsprechender Weise für den mit Il bezeichneten Bereich. Das Verfahren ermöglicht darüber hinaus auch den Offset der Zuleitungswiderstände, der im Stand der Technik zusätzliche, nicht unkomplizierte Messverfahren erfordert, zu bestimmen und die Temperaturkennlinie des Innenwiderstands der Heizung 50 im laufenden Betrieb oder in der Startphase zu kalibrieren. Durch diese nachfolgend noch näher zu beschreibende Kalibrierung kann die Messung des Innenwiderstands der Heizung 50 mit einer erhöhten Genauigkeit erfolgen. Dies hat folgende Vorteile:
- eine fehlerbehaftete Temperaturkennlinie des Innenwiderstands der Heizung 50 aufgrund drucktechnisch variierender Widerstände der Heizeinrichtung 50 wirken sich nicht aus;
- unbekannte Offsets der Temperaturkennlinie des Innenwiderstands der Heizung 50 aufgrund des variierenden Zuleitungswiderstands werden beseitigt;
- es können zusätzliche Temperatursensoren entfallen;
Die Kalibrierung der Temperaturkennlinie des Innenwiderstands der Heizeinrichtung 50 erfolgt nun derart, dass bei einer Temperatur Tκ aufgrund der Temperaturkennlinie 210 des Innenwiderstands der Nernst-Zelle 12 eine präzise Temperaturbestimmung vorgenommen wird. Basierend auf dieser Messung oder mehreren derartiger Messungen wird nun die Kennlinie des Innenwiderstands der Heizeinrichtung 50 hinsichtlich ihres Absolutwerts kalibriert. Bei hohen Temperaturen im Bereich Il erfolgt die Bestimmung der Temperatur nun anhand der auf diese Weise kalibrierten Temperaturkennlinie des Innenwiderstands der Heizeinrichtung 50. Die oben erläuterte Temperaturmessung erfolgt bei ausgeschalteter Heizeinrichtung. Bei einem getaktet angesteuerten Heizer erfolgt sie dabei immer in den Zeitintervallen, in denen der Heizer nicht mit einem Strom/einer Spannung beaufschlagt wird.
Die Erfassung kann beispielsweise dann erfolgen, wenn - wie in Fig. 4 dargestellt ist - die Heizeinrichtung nicht mit der Batteriespannung UBat beaufschlagt ist, sondern durch einen beispielsweise elektronischen Schalter 410 mit einer Messschaltung verbunden ist, die einen Shuntwiderstand RShunt umfasst, an welchem der über ihm abfallende Spannungsabfall durch ein Voltmeter 420 gemessen und so der Innenwiderstand bestimmt wird. Der Shuntwiderstand RShunt kann dabei beispielsweise einen Wert von 3 Ohm aufweisen, der eine sehr präzise Widerstandsbestimmung ermöglicht, da im Falle der ausgeschalteten Heizung auch bei einem größeren Shuntwiderstand RshUnt kein durch den Widerstand entstehender Verlust die Leistung der Heizeinrichtung mindert.
Aus einem Vergleich des Innenwiderstands der Heizeinrichtung 50 bei zwei sehr unterschiedlichen Temperaturen des Messfühlers 10 kann auf das Verhältnis des Mäanderwiderstandes zum Zuleitungswiderstand geschlossen werden. Auf diese Weise kann ein dem Heizmäander zuzuordnender Fehler 240 von einem den Zuleitungen zuzuordnenden Fehler 250 (vergleiche Fig. 2b) unterschieden werden. Der Widerstand der Heizung wird nämlich durch den Zuleitungs- und Mäanderwiderstand gebildet, wobei vor allem der Mäanderwiderstand eine Abhängigkeit von der Temperatur zeigt. Wird nun der Widerstand bei zwei Temperaturen gemessen, zum Beispiel unmittelbar nach dem Start des Fahrzeugs und zu einer Zeit, während der bereits die Betriebstemperatur des Sensors von 7800C erreicht ist, so kann die Widerstandsänderung der Heizeinrichtung 50 und daraus der Mäanderwiderstand, der proportional zur Widerstandsänderung ist, ermittelt werden. Mit dem Mäanderwiderstand kann aus dem Widerstand der Heizeinrichtung 50 der Anteil der Zuleitungen bestimmt werden. Hierdurch lässt sich auch ein Offsetfehler von einem proportionalen Fehler unterscheiden. Eine Kompensation des Offsetfehlers und des proportionalen Fehlers kann auch aufgrund von zwei oder mehr Messpunkten bei zwei oder mehr Temperaturen erfolgen. Voraussetzung hierfür ist die oben beschriebene Kalibrierung der Kennlinie 220 an einem Punkt Tκ aufgrund der exakten Temperaturbestimmung durch die Temperaturkennlinie 210 des Innenwiderstands der Nernst-Zelle 12.
Eine Messung des Innenwiderstands RH der Heizeinrichtung 50 kann ferner auch durch eine in Fig. 5 schematisch dargestellte Schaltung über einen Shunt erfolgen, der einem stromlosen Ausgang eines Feldeffekttransistors 510 parallel geschaltet ist. Dieser Shunt Rshunt2 weist in diesem Falle einen Wert von beispielsweise einem Kiloohm auf. In diesem Falle muss keine Umschaltung zwischen einer eingeschalteten und einer ausgeschalteten Heizung erfolgen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren kann beispielsweise als Computerprogramm auf einem Rechengerät, insbesondere einem Steuergerät einer Brennkraftmaschine implementiert sein und dort ablaufen. Der Programmcode kann auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein, den das Steuergerät lesen kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Messfühlers zum Bestimmen einer Sauerstoffkonzentration in Gasgemischen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine der Sauerstoffkonzentration entsprechende, von einer Nernst- Messzelle (12) gelieferte Detekti- onsspannung ausgewertet wird, der Messfühler mittels einer Heizeinrichtung (50) auf eine Betriebstemperatur eingeregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Temperaturbereich der Innenwiderstand der Nernst- Messzelle (12) ermittelt wird und aus diesem auf die Temperatur der Nernst- Messzelle (12) geschlossen wird, dass in einem zweiten Temperaturbereich der Innenwiderstand der Heizeinrichtung (50) bestimmt wird und aus diesem auf die Temperatur der Nernst- Messzelle (12) geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand der Heizeinrichtung (50) bestimmt wird während die Heizeinrichtung (50) ausgeschaltet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich und der zweite Temperaturbereich sich nicht überlappen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich und der zweite Temperaturbereich sich überlappen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Temperaturbereich und in dem zweiten Temperaturbereich sowohl der Innenwiderstand der Nernst- Messzelle (12) ermittelt wird und aus diesem auf die Temperatur der Nernst- Messzelle (12) geschlossen wird und gleichzeitig der Innenwiderstand der Heizeinrichtung (50) bestimmt wird und aus diesem auf die Temperatur der Nernst- Messzelle (12) geschlossen wird und dass aufgrund der beiden so bestimmten Temperaturen auf die Temperatur des Messfühlers geschlossen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperaturbereich unterhalb der Betriebstemperatur des Messfühlers endet und dass der zweite Temperaturbereich oberhalb der Betriebstemperatur des Messfühlers beginnt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem vorgebbaren Temperaturbereich vorzugsweise unmittelbar unterhalb der Betriebstemperatur des Messfühlers sowohl der Innenwiderstand der Nernst- Messzelle (12) als auch der Widerstand der Heizeinrichtung (50) bestimmt werden und durch Vergleich des Innenwiderstands der Nernst- Messzelle (12) mit dem Widerstand der Heizeinrichtung (50) der Absolutwert der Temperaturkennlinie des Widerstands der Heizeinrichtung (50) kalibriert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absolutwert- Kalibrierung im Neuzustand einmalig vorgenommen, gespeichert und über die Lebensdauer des Messfühlers verwendet wird.
9. Computerprogramm, das alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
10. Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.
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