EP4639157A1 - Verfahren zur diagnose eines gaskonzentrationssensors, gaskonzentrationssensor, computerprogramm und computerlesbares medium - Google Patents

Verfahren zur diagnose eines gaskonzentrationssensors, gaskonzentrationssensor, computerprogramm und computerlesbares medium

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Publication number
EP4639157A1
EP4639157A1 EP23836367.5A EP23836367A EP4639157A1 EP 4639157 A1 EP4639157 A1 EP 4639157A1 EP 23836367 A EP23836367 A EP 23836367A EP 4639157 A1 EP4639157 A1 EP 4639157A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
gas concentration
concentration sensor
plane
heater
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23836367.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Schürer
Andreas Meyer
Wolfgang Lauerer
Thorsten Knittel
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.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4639157A1 publication Critical patent/EP4639157A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/005—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating specific heat

Definitions

  • the invention relates to a method for diagnosing a gas concentration sensor, a gas concentration sensor, a computer program and a computer-readable medium.
  • the gas concentration sensor is in particular a gas concentration sensor which is designed to determine the gas concentration of a gas as a function of the thermal conductivity and/or the heat capacity of the gas.
  • the object of the present invention is to create a method which is characterized in particular by its simple and/or cost-effective implementation.
  • an object of the present invention is to provide an alternative method.
  • the gas concentration sensor is designed to determine the gas concentration of a gas depending on the thermal conductivity and/or the heat capacity of the gas, wherein the gas concentration sensor comprises a heater and a temperature sensor field, wherein the temperature sensor field has several areas with at least one temperature sensor per area.
  • the method comprises the steps of generating a heat flow using the heater, determining a temperature distribution on the temperature sensor field using the temperature sensors of the respective areas, and diagnosing the gas concentration sensor depending on the determined temperature distribution.
  • the heater influences or can influence the temperature or temperature distribution using the heat flow generated by it.
  • a source of interference can be formed, for example, by a drop of water or a dirt particle on the temperature sensor field or in the immediate vicinity of one of the temperature sensors. A drop of water can form, for example, through condensation.
  • Such gas concentration sensors are based in particular on the fact that they make use of the thermal conductivity and/or the heat capacity of the gas or gas mixture to be measured in order to determine the concentration of, for example, hydrogen or nitrogen within the gas or gas mixture.
  • the heater is activated and its surroundings are recorded. heats.
  • the time that passes until a certain temperature can be determined using the temperature sensor is a characteristic value for the gas concentration of, for example, hydrogen or nitrogen within the gas or gas mixture to be measured.
  • the temperature determined using the temperature sensor as a characteristic value for the gas concentration. Both characteristic values depend on the thermal conductivity and/or the heat capacity of the gas or gas mixture.
  • the thermal conductivity and/or the heat capacity of the gas or gas mixture in turn depends on the gas concentration, for example the gas concentration of hydrogen or nitrogen within the gas or gas mixture. In other words, the gas concentration can be determined in this way.
  • the gas concentration sensor is designed to determine the gas concentration of hydrogen and/or nitrogen of a gas or gas mixture or of a corresponding gas flow or gas mixture flow.
  • the gas is preferably a gas mixture or a corresponding flow, which in particular comprises hydrogen and/or nitrogen.
  • the determination is preferably a measurement using the gas concentration sensor.
  • the heater is an electric heater or an electric heating element.
  • the temperature measurement values are available as electronic signals, for example as analog or digital signals. Such a signal preferably corresponds to a temperature value in Kelvin or degrees Celsius.
  • a further embodiment is characterized in that the method comprises determining a first temperature measurement value using a temperature sensor in a first area, determining a second temperature measurement value using a temperature sensor in a second area, determining a temperature measurement value difference from the determined temperature measurements, and determining the temperature distribution depending on the temperature measurement value difference.
  • the method is based on the basic idea of comparing the prevailing temperature distribution with the determined temperature distribution.
  • the temperature measurements are available as absolute values or differential values.
  • a differential value is understood here in particular to be the difference to a reference value.
  • the reference value is preferably the temperature of the heater or the ambient temperature of the gas concentration sensor.
  • the temperature measurement difference is the difference between the determined temperature measurements.
  • a further embodiment is characterized in that the method comprises determining a malfunction or a source of interference of the gas concentration sensor when the determined temperature measurement difference exceeds a predetermined threshold value.
  • the undershooting of the temperature measurement difference or a further temperature measurement difference difference can lead to the detection of a malfunction.
  • the temperature measurement difference is preferably an amount.
  • the gas concentration sensor is determined to be functioning correctly if the temperature measurement difference determined is equal to or below the threshold value. Alternatively or additionally, in such a case it can be determined that there are no sources of interference.
  • the threshold value for the temperature measurement difference is a maximum of 15%, 10%, 5%, 3%, 1%, 0.05% or 0.01% of the lowest or highest temperature measurement in the temperature unit Kelvin, which is used as the basis for determining the temperature measurement difference.
  • a further embodiment is characterized in that the threshold value is dependent on the position of the temperature sensors relative to one another and/or the position of the temperature sensors relative to the heater and/or the distance of the temperature sensors relative to the heater and/or the distance of the temperature sensors relative to one another. Such a dependency is particularly necessary if the temperature sensors, by means of which the temperature measurement values and the resulting temperature measurement value difference are determined, are positioned or spaced unevenly relative to the heater.
  • the areas and/or the temperature sensors of the areas are arranged such that they determine the same temperature measurement values and thus a uniform temperature distribution when the temperature is uniform.
  • a further embodiment is characterized in that a diagnostic signal is generated depending on the determined temperature distribution.
  • a diagnostic signal is preferably present as an electronic signal, for example as an analog or digital signal.
  • the diagnostic signal is preferably transmitted via a signal line to a control unit or an evaluation unit, which can be part of a control unit.
  • a control unit or such an evaluation unit is able to generate an error message using the received diagnostic signal.
  • Such an error message can, for example, be stored on or in the control unit and read out at a later point in time, for example during an inspection or as part of a repair measure.
  • the diagnostic signal includes information about the malfunction of the gas concentration sensor.
  • the diagnostic signal is only generated if the determined temperature measurement difference exceeds the specified threshold value. In other words, in such a case a diagnostic signal is only generated if a malfunction or a source of interference in the gas concentration sensor is detected. This is particularly helpful because it can usually be assumed that the gas concentration sensor is functioning correctly.
  • a further embodiment is characterized in that a cleaning method for cleaning the gas concentration sensor is initiated when the determined temperature measurement difference exceeds one or another predetermined threshold value.
  • a cleaning method for cleaning the gas concentration sensor is started when a malfunction of the gas concentration sensor or a source of interference of the gas concentration sensor is determined.
  • Such a cleaning method is preferably a method which includes operation of the heater, preferably with the maximum heating power and/or over a predetermined period of time. This allows water drops on the temperature sensor field to evaporate or dirt particles to be burned, which may be the cause of the malfunction of the gas concentration sensor.
  • Such a cleaning process is preferably initialized by a control unit. For this purpose, it is particularly advantageous if the control unit initializes the cleaning process in response to the diagnostic signal.
  • thermoelectric temperature sensors are designed as thermoelectric temperature sensors.
  • the temperature sensors can thus output an electronic signal, for example an analog signal or a digital signal, depending on the temperature at the temperature sensor.
  • These are, for example, temperature sensors that include resistance thermometers or thermal elements.
  • a further embodiment is characterized in that the temperature sensor field is arranged in a temperature sensor field plane, wherein the heater is cut by a subdivision plane which runs perpendicular to the temperature sensor field plane, wherein the regions of the temperature sensor field plane are arranged on the one hand and the subdivision plane on the other.
  • the heater and/or the areas and/or the temperature sensors are arranged in such a way that a uniform temperature distribution occurs and/or can be determined during the generation of a heat flow by means of the heater on the one hand and the subdivision level on the other.
  • the heater is designed symmetrically to the subdivision level.
  • this subdivision level is the first subdivision level.
  • a further embodiment is characterized in that the heater is cut by a further subdivision plane which runs perpendicular to the temperature sensor field plane and perpendicular to the first subdivision plane, wherein the regions of the temperature sensor field plane are arranged on the one hand and the further subdivision plane on the other hand.
  • the heater and/or the areas and/or the temperature sensors are arranged in such a way that a uniform temperature distribution occurs and/or can be determined during the generation of a heat flow by means of the heater on the one hand and the further subdivision level on the other hand.
  • the heater is designed symmetrically to the further subdivision level.
  • a further embodiment is characterized in that the gas or the gas mixture flows in the extension direction of the subdivision plane or in the extension direction of the first subdivision plane along the heater and/or the temperature sensor field.
  • the or the first subdivision plane forms a plane of symmetry of the flow profile of a gas flow of the gas or of the gas mixture flow of the gas mixture. This ensures a uniform temperature distribution on both sides of this subdivision plane.
  • a further embodiment is characterized in that the first region is arranged on the one hand on the first subdivision level, wherein the second region is arranged on the other hand on the first subdivision level.
  • a further embodiment is characterized in that the first and the second region are arranged on the same side of the second subdivision plane.
  • the first and the second region are arranged on a side of the subdivision plane that faces away from the flow direction of the gas or gas mixture. This ensures that a diagnosis of the gas concentration sensor is possible even in the case of a strong flow.
  • a further embodiment is characterized in that the first and second areas are two areas that are separated from each other by at least one subdivision level.
  • the first area it is possible for the first area to be separated from the second area by the subdivision level by which the first subdivision level, separated by the second subdivision level, or separated by both the first and second subdivision levels.
  • the gas concentration sensor is preferably arranged in such a way that the gas concentration of the gas or gas mixture is determined as statically as possible, i.e. without any relative movement of the gas or gas mixture to the heater and/or the temperature sensor field plane that is significant for the measurement. This is possible, for example, if the gas concentration sensor is arranged outside a gas channel through which the gas or gas mixture flows and/or is fluidically connected to the gas channel by means of a rest space.
  • a gas concentration sensor is provided with a heater, a temperature sensor field having a plurality of regions, each region comprising at least one temperature sensor, and means adapted to carry out the steps of the method.
  • the method is preferably the method according to the invention.
  • the gas concentration sensor comprises further features which have been mentioned in relation to the method described above.
  • the gas concentration sensor is fluidically coupled to a gas channel.
  • the gas concentration sensor or the gas concentration sensor with the gas channel is provided as part of a fuel cell system. It is also conceivable to provide a vehicle or a stationary energy generation plant with such a fuel cell system.
  • the task related to the computer program is accomplished by providing a computer program comprising instructions that cause the gas concentration tion sensor carries out the method steps.
  • the gas concentration sensor is preferably the gas concentration sensor according to the invention.
  • the problem relating to the computer-readable medium is solved by providing a computer-readable medium on which the computer program is stored.
  • the computer-readable medium can be a volatile or a permanent memory.
  • the computer program is preferably the computer program according to the invention.
  • Fig. 1 a motor vehicle
  • Fig. 2 an embodiment of the method according to the invention
  • Fig. 3 a representation of three levels
  • Fig. 4 shows a gas concentration sensor according to the invention.
  • Figure 1 shows a motor vehicle 1 with a fuel cell system 2, a gas concentration sensor 3 according to the invention as part of the fuel cell system 2 and a control unit 4 coupled to the gas concentration sensor 3.
  • a fuel cell system 2 with the associated associated gas concentration sensor 3 and the control unit 4 in a stationary power generation plant.
  • Figure 2 shows an embodiment of the method according to the invention.
  • the method is started A.
  • a heat flow B is then generated by means of a heater.
  • a temperature distribution C is determined on a temperature sensor field. This determination includes determining temperature measured values from different areas of the temperature sensor field.
  • a diagnosis D is then carried out, which includes determining a malfunction or a source of interference in a gas concentration sensor on which the method is carried out if a temperature measured value difference determined from the temperature measured values exceeds a predetermined threshold value. If no malfunction or source of interference is determined, the method is restarted, preferably at regular intervals. Alternatively, it is conceivable to carry out the method when starting a fuel cell system to which the gas concentration sensor with which the method is carried out belongs.
  • this information can be stored E on a storage medium, which can belong to a control unit, for example. Additionally or alternatively, a cleaning process F is initialized.
  • the cleaning process can, for example, involve targeted heating of the gas concentration sensor using the heater. In this way, dirt particles or water drops on the temperature sensor field can be removed. Following the cleaning process, the process according to the invention is started again and repeated until the source of interference or the malfunction is eliminated.
  • Figure 3 shows three planes TFE, UE1, UE2 running perpendicular to each other.
  • a temperature sensor field plane TFE extends in the X-Y plane, while a first subdivision plane UE1 extends in the X-Z plane and a further subdivision plane UE2 extends in the YZ plane.
  • These planes TFE, UE1, UE2 serve to better understand Figure 4.
  • Figure 4 shows an embodiment of the gas concentration sensor 3 according to the invention. A view perpendicular to the temperature sensor field plane from Figure 3 is shown. A temperature sensor field 7 can be seen, which extends in the temperature sensor field plane.
  • the heater 5 is arranged symmetrically to the two subdivision planes from Figure 3 in order to ensure a uniform temperature distribution.
  • the heater 5 is an electrical PTC heater.
  • the gas or gas mixture flows laminarly in the direction of extension of the X-axis. In other words, a flow profile 9 is created that is largely symmetrical to the first subdivision level.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Gaskonzentrationssensors in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturverteilung. Ferner betrifft die Erfindung einen Gaskonzentrationssensor, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Diagnose eines Gaskonzentrationssensors, Gaskonzentrationssensor, Computerprogramm und computerlesbares Medium
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Gaskonzentrationssensors, einen Gaskonzentrationssensor, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium. Bei dem Gaskonzentrationssensor handelt es sich insbesondere um einen Gaskonzentrationssensor, der dazu ausgebildet ist, die Gaskonzentration eines Gases in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Wärmekapazität des Gases zu bestimmen.
Stand der Technik
Die Druckschriften US 10 112 486 B2, DE 10 2019 204 284 A1 , JP 2019 128 182 A, US 9 027 386 B2 und US 2009 00 61 261 A1 offenbaren Gassensoren.
Nachteilig an den Vorrichtungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass eine Diagnose derartiger Gassensoren lediglich mit entsprechend hohen zusätzlichen technischen Aufwand für Diagnosemittel möglich ist.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu schaffen, welches sich insbesondere durch seine einfache und/oder kostengünstige Umsetzung auszeichnet. Alternativ oder zusätzlich besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein alternatives Verfahren bereitzustellen.
Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, einen Gaskonzentrationssensor, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium bereitzustellen. Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Gaskonzentrationssensors. Der Gaskonzentrationssensor ist ausgebildet, die Gaskonzentration eines Gases in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Wärmekapazität des Gases zu bestimmen, wobei der Gaskonzentrationssensor einen Heizer und ein Temperaturfühlerfeld umfasst, wobei das Temperaturfühlerfeld mehrere Bereiche mit mindestens einem Temperaturfühler pro Bereich aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte, einen Wärmestrom mittels des Heizers zu erzeugen, eine Temperaturverteilung auf dem Temperaturfühlerfeld mittels der Temperaturfühler der jeweiligen Bereiche zu ermitteln, und den Gaskonzentrationssensor in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturverteilung zu diagnostizieren. Hierfür ist es bevorzugt, wenn der Heizer die Temperatur oder Temperaturverteilung mittels des durch ihn erzeugten Wärmestroms beeinflusst oder beeinflussen kann.
Hierdurch ist es möglich, eine kostengünstige und einfache Diagnose des Gas- konzentrationssensors durchzuführen. Mit anderen Worten wird bei einer homogenen Temperaturverteilung von einem korrekt funktionierenden Gaskonzentrationssensor ausgegangen, während bei einer inhomogenen Temperaturverteilung von einem defekten Gaskonzentrationssensor ausgegangen wird. Anstatt von einem defekten Gaskonzentrationssensor auszugehen, ist es alternativ denkbar, von einer Störquelle auszugehen. Eine derartige Störquelle kann beispielsweise durch einen Wassertropfen oder einen Schmutzpartikel auf dem Temperaturfühlerfeld oder in unmittelbarer Nähe zu einem der Temperaturfühler gebildet werden. Ein Wassertropfen kann sich beispielsweise durch Kondensation bilden.
Derartige Gaskonzentrationssensoren basieren insbesondere darauf, dass sie sich die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Wärmekapazität des zu messenden Gases oder Gasgemisches zunutze machen, um die Konzentration von zum Beispiel Wasserstoff oder Stickstoff innerhalb des Gases oder Gasgemisches zu bestimmen. Hierzu wird beispielsweise der Heizer aktiviert und seine Umgebung aufge- heizt. Die Zeit, die vergeht, bis eine bestimmte Temperatur mittels der Temperaturfühler ermittelt werden kann, ist ein charakteristischer Wert für die Gaskonzentration von beispielsweise Wasserstoff oder Stickstoff innerhalb des zu messenden Gases oder des zu messenden Gasgemisches. Alternativ ist es denkbar, die ermittelte Temperatur mittels der Temperaturfühler als charakteristischen Wert für die Gaskonzentration zu nutzen. Beide charakteristischen Werte sind von der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Wärmekapazität des Gases oder des Gasgemisches abhängig. Die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Wärmekapazität des Gases oder des Gasgemisches ist wiederum von der Gaskonzentration, beispielsweise der Gaskonzentration von Wasserstoff oder Stickstoff innerhalb des Gases oder des Gasgemisches, abhängig. Mit anderen Worten kann auf diese Weise die Gaskonzentration bestimmt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Gaskonzentrationssensor dazu ausgebildet ist, die Gaskonzentration von Wasserstoff und/oder Stickstoff eines Gases oder Gasgemisches oder einer entsprechenden Gasströmung oder Gasgemischströmung zu bestimmen.
Bei dem Gas handelt es sich vorzugsweise um ein Gasgemisch oder eine entsprechende Strömung, welche/s insbesondere Wasserstoff und/oder Stickstoff umfasst.
Bei der Bestimmung handelt es sich vorzugsweise um eine Messung mittels des Gaskonzentrationssensors.
Es ist bevorzugt, wenn mehrere Temperaturfühler oder eine Vielzahl von Temperaturfühlern pro Bereich vorgesehen sind. Hierdurch ist eine höhere Auflösung der Temperaturverteilung mittels der Temperaturfühler ermittelbar. Ferner ist es bevorzugt, wenn die gleiche Anzahl an Temperaturfühler und pro Bereich vorgesehen sind. Hierdurch ist die Temperaturverteilung auf dem Temperaturfühlerfeld gleichmäßig ermittelbar. Ferner ist es bevorzugt, wenn es sich bei dem Heizer um einen elektrischen Heizer oder ein elektrisches Heizelement handelt. Vorzugsweise handelt es sich um ein Widerstands-Heizelement oder ein PTC-Heizelement. Vorzugsweise liegen die Temperaturmesswerte als elektronische Signale, beispielsweise als analoge oder digitale Signale, vor. Ein derartiges Signal entspricht vorzugsweise einem Temperaturwert in Kelvin oder Grad Celsius.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Ermitteln eines ersten Temperaturmesswerts mittels eines Temperaturfühlers eines ersten Bereichs, das Ermitteln eines zweiten Temperaturmesswerts mittels eines Temperaturfühlers eines zweiten Bereichs, das Ermitteln einer Temperaturmesswertdifferenz aus den ermittelten Temperaturmesswerten, und das Ermitteln der Temperaturverteilung in Abhängigkeit der Temperaturmesswertdifferenz umfasst. Mit anderen Worten liegt dem Verfahren der Grundgedanke zugrunde, die vorherrschende Temperaturverteilung mit der ermittelten Temperaturverteilung abzugleichen.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Temperaturmesswerte als Absolutwerte oder Differenzwerte vorliegen. Unter einem Differenzwerte wird hierbei insbesondere der Unterschied zu einem Referenzwert verstanden. Unter dem Referenzwert ist vorzugsweise die Temperatur des Heizers oder die Umgebungstemperatur des Gas- konzentrationssensors zu verstehen.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn es sich bei der Temperaturmesswertdifferenz um den Unterschied der ermittelten Temperaturmesswerte zueinander handelt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiele ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Feststellen einer Fehlfunktion oder einer Störquelle des Gaskonzentrationssensors, wenn die ermittelte Temperaturmesswertdifferenz einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt, umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann das Unterschreiten der Temperaturmesswertdifferenz oder einer weiteren Temperaturmesswertdiffe- renz zum Feststellen einer Fehlfunktion führen. Bei der Temperaturmesswertdifferenz handelt es sich vorzugsweise um einen Betrag.
Auch ist es zu bevorzugen, dass eine korrekte Funktionsweise des Gaskonzentrationsensors festgestellt wird, wenn die ermittelte Temperaturmesswertdifferenz dem Schwellwert entspricht oder unterhalb des Schwellwerts liegt. Alternativ oder zusätzlich kann in einem solchen Fall festgestellt werden, dass keinerlei Störquellen vorliegen.
Vorzugsweise beträgt der Schwellwert für die Temperaturmesswertdifferenz maximal 15%, 10%, 5%, 3%, 1 %, 0,05% oder 0,01 % des niedrigsten oder des höchsten Temperaturmesswerts in der Temperatureinheit Kelvin, der der Ermittlung der Temperaturmesswertedifferenz zugrunde gelegt wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiele ist dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert abhängig von der Position der Temperaturfühler zueinander und/oder der Position der Temperaturfühler zum Heizer und/oder der Entfernung der Temperaturfühler zum Heizer und/oder der Entfernung der Temperaturfühler zueinander ist. Eine derartige Abhängigkeit ist insbesondere notwendig, wenn die Temperaturfühler, mittels denen die Temperaturmesswerte und daraus die Temperaturmesswertdifferenz ermittelt wird, ungleichmäßig zum Heizer positioniert oder be- abstandet sind.
Vorzugsweise sind die Bereiche und/oder die Temperaturfühler der Bereiche derart angeordnet, dass sie bei einer gleichmäßigen Temperaturverteilung die gleichen Temperaturmesswerte und somit eine gleichmäßige Temperaturverteilung ermitteln.
Ein weiteres Ausführungsbeispiele ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Diagnosesignal in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturverteilung generiert wird. Ein derartiges Diagnosesignal liegt vorzugsweise als elektronisches Signal, beispielsweise als analoges oder digitales Signal vor. Das Diagnosesignal wird vorzugsweise über eine Signalleitung an ein Steuergerät oder eine Auswerteeinheit, die Teil eines Steuergeräts sein kann, weitergeleitet. Ein derartiges Steuergerät oder eine derartige Auswerteeinheit ist in der Lage mittels des empfangenen Diagnosesignals eine Fehlermeldung zu generieren. Eine derartige Fehlermeldung kann beispielsweise auf einem oder dem Steuergerät abgespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise während einer Inspektion oder im Rahmen einer Reparaturmaßnahme, ausgelesen werden.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn das Diagnosesignal Informationen über die Fehlfunktion des Gaskonzentrationsensors umfasst.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Diagnosesignal lediglich generiert wird, wenn die ermittelte Temperaturmesswertdifferenz den vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Mit anderen Worten wird in einem solchen Fall ein Diagnosesignal ausschließlich generiert, wenn eine Fehlfunktion oder eine Störquelle des Gas- konzentrationssensors festgestellt wird. Dies ist besonders hilfreich, da in der Regel davon ausgegangen werden kann, dass der Gaskonzentrationssensor fehlerfrei funktioniert.
Eines weiteres Ausführungsbeispiele ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Reinigungsverfahren zur Reinigung des Gaskonzentrationssensors initialisiert wird, wenn die ermittelte Temperaturmesswertdifferenz einen, den oder einen weiteren vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Mit anderen Worten wird ein Reinigungsverfahren zur Reinigung des Gaskonzentrationssensors gestartet, wenn eine Fehlfunktion des Gaskonzentrationssensors oder eine Störquelle des Gaskonzentrationssensors festgestellt wird. Bei einem derartigen Reinigungsverfahren handelt es sich bevorzugterweise um ein Verfahren, welches einen Betrieb des Heizers, vorzugsweise mit der maximalen Heizleistung und/oder über eine vorbestimmte Zeitspanne, umfasst. Hierdurch können Wassertropfen auf dem Temperaturfühlerfeld verdampfen oder Schmutzpartikeln verbrannt werden, die die Ursache für die Fehlfunktion des Gaskonzentrationssensors sein können. Ein derartiges Reinigungsverfahren wird bevorzugterweise durch ein Steuergerät initialisiert. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn das Steuergerät in Reaktion auf das Diagnosesignal das Reinigungsverfahren initialisiert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturfühler als thermoelektrische Temperatursensoren ausgebildet sind. So können die Temperaturfühler ein elektronisches Signal, beispielsweise ein Analogsignal oder ein Digitalsignal, in Abhängigkeit der Temperatur am Temperaturfühler ausgeben. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Temperatursensoren, die Widerstandsthermometer oder Thermalelemente umfassen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiele ist dadurch gekennzeichnet, dass das Temperaturfühlerfeld in einer Temperaturfühlerfeldebene angeordnet ist, wobei der Heizer durch eine Unterteilungsebene geschnitten ist, die senkrecht zur Temperaturfühlerfeldebene verläuft, wobei die Bereiche der Temperaturfühlerfeldebene einerseits und andererseits der Unterteilungsebene angeordnet sind.
Bevorzugterweise ist der Heizer und/oder die Bereiche und/oder die Temperaturfühler derart angeordnet, dass während der Erzeugung eines Wärmestroms mittels des Heizers einerseits und andererseits der Unterabteilungsebene eine gleichmäßige Temperaturverteilung erfolgt und/oder ermittelbar ist. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn der Heizer symmetrisch zur Unterteilungsebene ausgebildet ist.
Im Fall, dass weitere Unterteilungsebene vorgesehen sind, handelt es sich bei dieser Unterteilungsebene um die erste Unterteilungsebene.
Ein weiteres Ausführungsbeispiele ist dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer durch eine weitere Unterteilungsebene geschnitten ist, die senkrecht zur Temperaturfühlerfeldebene und senkrecht zur ersten Unterteilungsebene verläuft, wobei die Bereiche der Temperaturfühlerfeldebene einerseits und andererseits der weiteren Unterteilungsebene angeordnet sind. Bevorzugterweise ist der Heizer und/oder die Bereiche und/oder die Temperaturfühler derart angeordnet, dass während der Erzeugung eines Wärmestroms mittels des Heizers einerseits und andererseits der weiteren Unterabteilungsebene eine gleichmäßige Temperaturverteilung erfolgt und/oder ermittelbar ist. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn der Heizer symmetrisch zur weiteren Unterteilungsebene ausgebildet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gas oder das Gasgemisch in Erstreckungsrichtung der Unterteilungsebene oder in Erstreckungsrichtung der ersten Unterteilungsebene entlang des Heizers und/oder des Temperaturfühlerfelds strömt.
Vorteilhafterweise bildet die oder die erste Unterteilungsebene eine Symmetrie- ebene des Strömungsprofils eines Gasstroms des Gases oder des Gasgemischstroms des Gasgemisches. Hiermit wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf beiden Seiten dieser Unterteilungsebene sichergestellt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich einerseits der oder der ersten Unterteilungsebene angeordnet ist, wobei der zweite Bereich andererseits der oder der ersten Unterteilungsebene angeordnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Bereich auf der gleichen Seite der zweiten Unterteilungsebene angeordnet sind. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Bereich auf einer Seite der Unterteilungsebene angeordnet, die der Strömungsrichtung des Gases oder des Gasgemisches abgewandt ist. So ist auch bei einer starken Strömung sichergestellt, dass eine Diagnose des Gaskonzentrationssensors möglich ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim ersten und beim zweiten Bereich um zwei Bereiche handelt, die durch mindestens eine Unterteilungsebene voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten ist es bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, dass der erste Bereich vom zweiten Bereich durch die Unterteilungsebene voneinander getrennt ist, durch die erste Untertei- lungsebene voneinander getrennt ist, durch die zweite Unterteilungsebene voneinander getrennt ist oder sowohl durch die erste als auch durch die zweite Unterteilungsebene voneinander getrennt ist.
Vorzugsweise ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Gaskonzentrationssensor derart angeordnet ist, dass die Gaskonzentration des Gases oder des Gasgemisches weitestgehend statisch, d. h. ohne für die Messung bedeutende Relativbewegung des Gases oder des Gasgemisches zum Heizer und/oder der Temperaturfühlerfeldebene, ermittelt wird. Das ist beispielsweise möglich, wenn der Gas- konzentrationssensor außerhalb eines Gaskanals angeordnet ist, durch den das Gas oder das Gasgemisch strömt, und/oder mittels eines Ruheraums fluidisch an den Gaskanal angeschlossen ist.
Die Aufgabe bezüglich des Gaskonzentrationssensors wird dadurch gelöst, dass ein Gaskonzentrationssensor mit einem Heizer, einem Temperaturfühlerfeld, aufweisend mehrere Bereiche, wobei jeder Bereich mindestens einen Temperaturfühler umfasst, und Mitteln, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des Verfahrens ausführen, bereitgestellt wird. Bei dem Verfahren handelt es sich bevorzugterweise um das erfindungsgemäße Verfahren.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Gaskonzentrationssensor weitere Merkmale umfasst, die in Bezug auf das zuvor beschriebene Verfahren erwähnt worden sind.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Gaskonzentrationssensor fluidisch an einen Gaskanal gekoppelt ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Gaskonzentration Sensor oder der Gaskonzentration Sensor mit dem Gaskanal als Teil eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird. Ferner ist es denkbar, ein Fahrzeug oder eine stationäre Energieerzeugungsanlage mit einem derartigen Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Die Aufgabe bezüglich des Computerprogramms wird durch die Bereitstellung eines Computerprogramms, umfassend Befehle, die bewirken, dass der Gaskonzentra- tionssensor die Verfahrensschritte ausführt, gelöst. Bei dem Gaskonzentrationssensor handelt es sich vorzugweise um den erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor.
Die Aufgabe bezüglich des computerlesbaren Mediums wird durch die Bereitstellung eines computerlesbaren Mediums, auf dem das Computerprogramm gespeichert ist, gelöst. Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich um einen flüchtigen oder um einen permanenten Speicher handeln. Bei dem Computerprogramm handelt es sich vorzugsweise um das erfindungsgemäße Computerprogramm.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug,
Fig. 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 eine Darstellung von drei Ebenen, und
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Figur 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2, einem erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor 3 als Teil des Brennstoffzellensystems 2 und ein mit dem Gaskonzentrationssensor 3 gekoppeltes Steuergerät 4. Alternativ ist es denkbar, ein derartiges Brennstoffzellensystem 2 mit dem dazu- gehörigen Gaskonzentrationssensor 3 und dem Steuergerät 4 in einer stationären Energieerzeugungsanlage einzusetzen.
Die Figur 2 zeigt eine Ausführungsform es erfindungsgemäßen Verfahrens. Zunächst erfolgt der Start A des Verfahrens. Daraufhin erfolgt die Erzeugung eines Wärmestroms B mittels eines Heizers. In Reaktion hierauf wird eine Ermittlung einer Temperaturverteilung C auf einem Temperaturfühlerfeld durchgeführt. Diese Ermittlung umfasst die Ermittlung von Temperaturmesswerten unterschiedlicher Bereiche des Temperaturfühlerfelds. Daraufhin wird eine Diagnose D durchgeführt, die das Feststellen einer Fehlfunktion oder einer Störquelle eines Gaskonzentrationssensors, an dem das Verfahren durchgeführt wird, umfasst, wenn eine Temperaturmesswertdifferenz, die aus den Temperaturmesswerten ermittelt worden ist, einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Sollte keine Fehlfunktion oder Störquelle festgestellt werden, wird das Verfahren, vorzugsweise zeitversetzt in regelmäßigen Abständen, neu gestartet. Alternativ ist es denkbar, das Verfahren beim Starten eines Brennstoffzellensystems zu dem der Gaskonzentrationssensor, mit denen das Verfahren durchgeführt wird, gehört durchzuführen. Sollte eine Fehlfunktion oder eine Störquelle festgestellt werden, so kann eine Speicherung E dieser Information auf einem Speichermedium, welches beispielsweise zu einem Steuergerät gehören kann, erfolgen. Zusätzlich oder alternativ erfolgt eine Initialisierung eines Reinigungsverfahrens F. Bei dem Reinigungsverfahren kann es sich beispielsweise um eine gezielte Erhitzung des Gaskonzentrationssensors mittels des Heizers handeln. Auf diese Weise können Schmutzpartikeln oder Wassertropfen auf dem Temperaturfühlerfeld entfernt werden. Im Anschluss an das Reinigungsverfahren wird das erfindungsgemäße Verfahren erneut gestartet und wiederholt bis die Störquelle oder die Fehlfunktion beseitigt ist.
Die Figur 3 zeigt drei senkrecht zueinander verlaufende Ebenen TFE, UE1 , UE2. Eine Temperaturfühlerfeldebene TFE erstreckt sich in derX-Y-Ebene, während sich eine erste Unterteilungsebene UE1 in derX-Z-Ebene erstreckt und sich eine weitere Unterteilungsebene UE2 in der Y-Z-Ebene erstreckt. Diese Ebenen TFE, UE1 , UE2 dienen dem besseren Verständnis der Figur 4. Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensors 3. Es ist eine Ansicht senkrecht auf die Temperaturfühlerfeldebene aus der Figur 3 dargestellt. Zu erkennen ist ein Temperaturfühlerfeld 7, welches sich in der Temperaturfühlerfeldebene erstreckt. Die beiden Unterteilungsebenen aus der Figur 3, deren Verlauf in der Figur 4 durch die X-Achse und die Y-Achse angedeutet sind, schneiden einen Heizer 5 des Gaskonzentrationssensor 3 und unterteilen das Temperaturfühlerfeld 7 des Gaskonzentrationssensor 3 in vier Bereiche 6a bis 6d, wobei jeweils einer der Bereiche einen Temperaturfühler 8a bis 8d aufweist. Der Heizer 5 ist symmetrisch zu den beiden Unterteilungsebenen aus der Figur 3 angeordnet, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung sicherzustellen. Bei dem Heizer 5 handelt es sich um einen elektrischen PTC-Heizer. Während der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels dieses Gaskonzentrationssensors 3 strömt das Gas oder das Gasgemisch laminar in Erstreckungsrichtung der X-Achse. Mit anderen Worten entsteht ein zur ersten Unterteilungsebene weitestgehend symmetrisches Strömungsprofil 9. Hierdurch kommt es zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung auf dem Temperaturfühlerfeld 7, was beispielsweise mittels der beiden Temperaturfühler 8a und 8b der beiden Bereiche 6a und 6b ermittelbar ist. Im Fall, dass diese beiden Temperaturfühler 8a und 8b unterschiedliche Temperaturmesswerte ermitteln und eine sich daraus ergebende Temperaturmesswertdifferenz über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, wird erfindungsgemäß eine Fehlfunktion oder eine Störquelle des Gaskonzentrationssensors festgestellt.
Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.
Die Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Bezugszeichenliste
1 Kraftfahrzeug
2 Wasserstoffsystem
3 Gaskonzentrationssensor
4 Steuergerät
5 Heizer
6a - 6d Bereiche
7 Temperaturfühlerfeld
8a - 8d Temperaturfühler
9 Strömungsprofil
UE1 erste Unterteilungsebene
UE2 weitere Unterteilungsebene
TFE Temperaturfühlerfeldebene
A Start
B Erzeugen eines Wärmestroms
C Ermitteln eines Temperaturverteilung
D Diagnose
E Speichern
F Initialisieren eines Reinigungsverfahrens

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Diagnose eines Gaskonzentrationssensors, wobei der Gaskonzentrationssensor ausgebildet ist, die Gaskonzentration eines Gases in Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit und/oder der Wärmekapazität des Gases zu bestimmen, wobei der Gaskonzentrationssensor einen Heizer und ein Temperaturfühlerfeld umfasst, wobei das Temperaturfühlerfeld mehrere Bereiche mit mindestens einem
Temperaturfühler pro Bereich aufweist, umfassend die Schritte:
- Erzeugen eines Wärmestroms mittels des Heizers,
- Ermitteln einer Temperaturverteilung auf dem Temperaturfühlerfeld mittels der Temperaturfühler der jeweiligen Bereiche, und
- Diagnostizieren des Gaskonzentrationssensors in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturverteilung.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei das Verfahren folgende weitere Verfahrensschritte umfasst:
- Ermitteln eines ersten Temperaturmesswerts mittels eines Temperaturfühlers eines ersten Bereichs,
- Ermitteln eines zweiten Temperaturmesswerts mittels eines Temperaturfühlers eines zweiten Bereichs,
- Ermitteln einer Temperaturmesswertdifferenz aus den ermittelten Temperaturmesswerten, und
- Ermitteln der Temperaturverteilung in Abhängigkeit der Temperaturmesswertdifferenz.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei das Verfahren folgenden weiteren Verfahrensschritt umfasst:
- Feststellen einer Fehlfunktion oder einer Störquelle des Gaskonzentrationssensors, wenn die ermittelte Temperaturmesswertdifferenz einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei der Schwellwert abhängig von der Position der Temperaturfühler zueinander und/oder der Position der Temperaturfühler zum Heizer und/oder der Entfernung der Temperaturfühler zum Heizer und/oder der Entfernung der Temperaturfühler zueinander ist.
5. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Diagnosesignal in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturverteilung generiert wird.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei ein Reinigungsverfahren zur Reinigung des Gaskonzentrationssensors initialisiert wird, wenn die ermittelte Temperaturmesswertdifferenz einen, den oder einen weiteren vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
7. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Temperaturfühler als thermoelektrische Temperatursensoren ausgebildet sind.
8. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Temperaturfühlerfeld in einer Temperaturfühlerfeldebene angeordnet ist, wobei der Heizer durch eine Unterteilungsebene geschnitten ist, die senkrecht zur Temperaturfühlerfeldebene verläuft, wobei die Bereiche der Temperaturfühlerfeldebene einerseits und andererseits der Unterteilungsebene angeordnet sind.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei der Heizer durch eine weitere Unterteilungsebene geschnitten ist, die senkrecht zur Temperaturfühlerfeldebene und senkrecht zur ersten Unterteilungsebene verläuft, wobei die Bereiche der Temperaturfühlerfeldebene einerseits und andererseits der weiteren Unterteilungsebene angeordnet sind.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das Gas in Erstreckungsrichtung der Unterteilungsebene oder in Erstreckungsrichtung der ersten Unterteilungsebene entlang des Heizers und/oder des Temperaturfühlerfelds strömt.
11 . Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der erste Bereich einerseits der oder der ersten Unterteilungsebene angeordnet ist, wobei der zweite Bereich andererseits der oder der ersten Unterteilungsebene angeordnet ist.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , wobei der erste und der zweite Bereich auf der gleichen Seite der zweiten Unterteilungsebene angeordnet sind.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11 , wobei bei es sich beim ersten und beim zweiten Bereich um zwei Bereiche handelt, die durch mindestens eine Unterteilungsebene voneinander getrennt sind.
14. Gaskonzentrationssensor mit einem Heizer, einem Temperaturfühlerfeld, aufweisend mehrere Bereiche, wobei jeder Bereich mindestens einen Temperaturfühler umfasst, und Mitteln, die so angepasst sind, dass sie die Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausführen.
15. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Vorrichtung des Anspruchs 14 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausführt.
16. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 15 gespeichert ist.
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