ES2954445T3 - Procedimiento para determinar la temperatura de un sensor de gas de electrolito sólido - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un método para determinar la temperatura de un sensor (110) para detectar al menos una propiedad de un gas de medición en una cámara de gas de medición. El sensor (110) comprende al menos un elemento sensor (112) para detectar la propiedad del gas de medición. El elemento sensor (112) comprende al menos un primer electrodo (116), al menos un segundo electrodo (118) y al menos un electrolito sólido (114) que conecta el primer electrodo (116) y el segundo electrodo (118). El sensor (110) comprende al menos una unidad de control electrónico. El método según la invención comprende los siguientes pasos: regular un estado operativo, en el que se aplica un voltaje de calentamiento al elemento sensor (112) y se regula y registra un estado de voltaje sustancialmente constante en el elemento sensor (112); llevar a cabo al menos una secuencia de diagnóstico, en la que al menos un primer estado de diagnóstico (144) se regula aplicando una corriente de diagnóstico al elemento sensor (112), y al menos un segundo estado de diagnóstico (146) se regula, en el que el diagnóstico se corta la corriente, detectándose al menos un primer valor de voltaje en el primer estado de diagnóstico (144) y detectándose al menos un segundo valor de voltaje en el segundo estado de diagnóstico (146); y la información sobre la temperatura se determina a partir del primer valor de voltaje y del segundo valor de voltaje, y el estado de voltaje constante del estado operativo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para determinar la temperatura de un sensor de gas de electrolito sólido
Estado del arte
En el estado del arte se conoce un gran número de sensores y procedimientos para detectar al menos una propiedad de un gas de muestra en una cámara de gases de muestra. En principio, aquí, se puede tratar de cualquier propiedad física y/o química del gas de muestra, en donde se pueden detectar una o más propiedades. La presente invención se describe a continuación con especial referencia a una detección cualitativa y/o cuantitativa de una proporción de un componente gaseoso del gas de muestra, en particular, en referencia a una detección de un contenido de oxígeno en la parte de gas de muestra. El contenido de oxígeno se puede registrar, por ejemplo, en forma de presión parcial y/o en forma de porcentaje. Sin embargo, alternativa o adicionalmente, también se pueden detectar otras propiedades del gas de muestra.
En particular, del estado del arte se conocen sensores cerámicos, que comprenden un elemento sensor basado en el uso de las propiedades electrolíticas de ciertos sólidos, es decir, en las propiedades conductoras de iones de dichos cuerpos sólidos. En particular, estos sólidos pueden consistir en electrolitos sólidos cerámicos, tales como el dióxido de circonio (ZrO2), especialmente el dióxido de circonio estabilizado con itrio (YSZ) y el dióxido de circonio dopado con escandio (ScSZ), que pueden contener pequeñas adiciones de óxido de aluminio (AhO3) y/u de óxido de silicio (SiO2).
Por ejemplo, tales sensores pueden estar diseñados como las así denominadas como sondas lambda o como sondas de óxido de nitrógeno, tal como se conocen, por ejemplo, del manual automotriz de K. Reif, Deitsche, K-H. et al, "Kraftfahrtechnisches Taschenbuch", Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, páginas 1338 -1347. Con las sondas lambda de banda ancha, en particular con las sondas lambda de banda ancha planas se puede determinar, por ejemplo, la concentración de oxígeno en los gases de escape en un amplio rango y, de este modo, deducir la relación aire-combustible en la cámara de combustión. La razón de aire X (Lambda) describe esta relación airecombustible. Los sensores de óxido de nitrógeno determinan tanto la concentración de óxido de nitrógeno como la de oxígeno en los gases de escape.
Combinando una célula de bombeo, la célula de medición, y una célula de referencia de oxígeno, la célula Nernst, se puede construir un sensor para medir el contenido de oxígeno en un gas ambiente. En una célula de bombeo que funciona según el principio de la bomba amperométrica, cuando se aplica una tensión o corriente a los electrodos de bombeo, situados en diferentes espacios gaseosos, se difunde una corriente de iones de oxígeno a través de un cuerpo cerámico (el electrolito sólido conductor de oxígeno) que separa los espacios gaseosos ("bombeo"). Cuando la célula de bombeo se utiliza para mantener constante la presión parcial de oxígeno en una cavidad en la que puede difundirse el gas ambiente, la cantidad de oxígeno transportado se puede deducir midiendo la corriente eléctrica. Esta corriente de bombeo es, según la ley de difusión, directamente proporcional a la presión parcial de oxígeno en el gas ambiente. Con una célula Nernst, la relación entre la presión parcial de oxígeno en la cavidad y la presión parcial de oxígeno en otro espacio de gas de referencia se puede determinar a través de la tensión de Nernst en desarrollo.
Las sondas Lambda de banda ancha conocidas requieren informaciones sobre una temperatura de la cerámica del elemento sensor para diversas funcionalidades. Cerca del punto de funcionamiento del sensor, por ejemplo 780°C, la información sobre la temperatura de la cerámica se puede determinar mediante una propiedad óhmica de la cerámica que depende de la temperatura, en particular, la resistencia interna de la célula de Nernst. En este contexto, un sensor puede presentar una resistencia en la célula de Nernst de 3000hm especificada por los fabricantes.
Además, se conocen dispositivos de control configurados para determinar la resistencia interna para determinar la temperatura del sensor. Sin embargo, tales dispositivos de control comprenden capacitancias diferenciales y unidas a tierra para estabilizar diferentes señales del sensor, de tal modo que la medición óhmica real puede falsificarse. En una disposición de medición con una fuente de corriente para medir la resistencia óhmica, el tiempo de establecimiento hasta que se alcanza un valor óhmico objetivo puede ser proporcional a éste y a las capacitancias diferenciales. Esto puede conducir a una fuerte distorsión de las mediciones de resistencia de valores de resistencia elevados.
Una prolongación de los tiempos de alimentación eléctrica puede conducir a una fuerte polarización del electrodo de bombeo en las sondas lambda de banda ancha. Por un lado, esta fuerte polarización puede conducir a una mayor distorsión de la medición de la resistencia. Por otro lado, esta polarización, así como la oscilación óhmica de la tensión en la célula de Nernst, puede ser proporcional a la resistencia y a la amplitud de la corriente en una primera aproximación cuando es accionada por una fuente de corriente, de modo que puede aumentar la probabilidad de que se produzcan procesos irreversibles en la cerámica y el elemento sensor puede resultar dañado a largo plazo.
En el caso de sensores envejecidos o dañados, se puede producir una disminución de la capacitancia del electrodo del sensor, lo que a su vez puede provocar una polarización del electrodo y una distorsión adicional de la medición de la resistencia.
Por la solicitud DE 10102014205 A1 se conoce un procedimiento para operar un dispositivo sensor.
Revelación de la presente invención
Por lo tanto, se propone un procedimiento para determinar una resistencia interna de un elemento sensor de un sensor para detectar al menos una propiedad de un gas de muestra en una cámara de gas de muestra, que evita al menos en gran medida las desventajas de los procedimientos conocidos para operar estos sensores y en el cual, en particular, se puede reducir una influencia de las capacitancias diferenciales integradas en un dispositivo de control y una polarización del electrodo del sensor en una medición óhmica.
La presente invención consiste en un procedimiento para determinar la resistencia interna de un elemento sensor tal como se define en la reivindicación 1. El sensor presenta al menos un elemento sensor para detectar la propiedad del gas de muestra. El elemento sensor comprende al menos un primer electrodo, al menos un segundo electrodo y al menos un electrolito sólido que conecta el primer electrodo y el segundo electrodo. El sistema de medición presenta al menos un dispositivo de control electrónico. El procedimiento consta de los siguientes pasos:
a) Establecer un estado de funcionamiento, en donde se aplica una tensión de calentamiento al elemento sensor, y en donde se establece y detecta un estado de tensión esencialmente constante en el elemento sensor.
b) Ejecutar al menos una secuencia de diagnóstico, en donde se establece al menos un primer estado de diagnóstico aplicando una corriente de diagnóstico al elemento sensor; en donde se establece al menos un segundo estado de diagnóstico, en el que se desconecta la corriente de diagnóstico; en donde se detecta al menos un primer valor de tensión en el primer estado de diagnóstico y se detecta al menos un segundo valor de tensión en el segundo estado de diagnóstico.
c) Determinar una información sobre la temperatura a partir del primer valor de tensión y del segundo valor de tensión, así como del estado de tensión constante del estado de funcionamiento.
Los pasos del procedimiento pueden ejecutarse en el orden especificado. Además, uno o varios de los pasos del procedimiento, o todos ellos, también se pueden ejecutar repetidamente. Además, dos o más de los pasos del procedimiento también se pueden llevar a cabo total o parcialmente solapados en el tiempo o de manera simultánea. El procedimiento también puede comprender otros pasos del procedimiento además de los pasos del procedimiento mencionados. En principio, por un sensor se puede entenderse cualquier dispositivo configurado para detectar una proporción de un componente gaseoso, en particular, en una mezcla gaseosa, por ejemplo, en una cámara de gas de muestra como el tubo de escape de un motor de combustión interna. El sensor puede ser, por ejemplo, una sonda Lambda de banda ancha o un sensor NOx.
Un elemento sensor para detectar al menos una proporción de un componente gaseoso de un gas se puede entender como un elemento que, por ejemplo, como componente del dispositivo sensor, está configurado o puede contribuir para detectar una proporción de un componente gaseoso de un gas. Con respecto a los posibles diseños del elemento sensor, se puede hacer referencia básicamente al estado del arte mencionado anteriormente. En particular, el elemento sensor se puede tratar de un elemento sensor cerámico, en particular, un elemento sensor cerámico con una estructura en capas. En particular, el elemento sensor puede ser un elemento sensor cerámico plano. La detección de al menos una proporción de un componente gaseoso se puede entender como una detección cualitativa y/o cuantitativa de un componente gaseoso del gas. En principio, sin embargo, el elemento sensor puede estar configurado para detectar cualquier propiedad física y/o química del gas, por ejemplo, una temperatura y/o una presión del gas y/o partículas en el gas. En principio, también se pueden detectar otras propiedades. El gas puede tratarse, en principio, de cualquier gas, por ejemplo, gas de escape, aire, una mezcla de aire y combustible o también otro gas. La presenta invención se puede aplicar especialmente en el campo de la tecnología de vehículos, de modo que el gas puede tratarse en particular de una mezcla de aire-combustible. En general, una cámara de gas de muestra se puede entender como una cámara en la cual se encuentra el gas a detectar. La presenta invención se puede utilizar particularmente en el campo de la tecnología de vehículos, de modo que la cámara de gas de muestra puede ser en particular el tubo de escape de un motor de combustión interna. Sin embargo, también son concebibles otras aplicaciones.
En el contexto de la presente invención, por un electrodo se entiende generalmente un elemento capaz de entrar en contacto con el electrolito sólido de manera que se pueda mantener una corriente a través del electrolito sólido y el electrodo. Por lo tanto, el electrodo puede comprender un elemento en el cual los iones pueden incorporarse y/o extraerse del electrolito sólido. Por lo general, los electrodos comprenden un electrodo de metal noble, que se puede
aplicar al electrolito sólido, por ejemplo, como un electrodo de metal-cerámica, o se puede conectar al electrolito sólido de alguna otra manera. Los materiales típicos de los electrodos son los electrodos de platino-cermet. Sin embargo, en principio también se pueden utilizar otros metales preciosos, como el oro o el paladio. Las designaciones "primer" y "segundo", así como "tercer" y "cuarto" electrodos se utilizan meramente como designaciones y, en particular, no proporcionan ninguna información sobre un orden y/o si, por ejemplo, hay otros electrodos presentes.
El primer electrodo puede estar expuesto al gas de la cámara de gas de muestra. En particular, el primer electrodo puede estar conectado al menos parcialmente con la cámara de gas de muestra, por ejemplo, el primer electrodo puede estar expuesto directamente al gas de la cámara de gas de muestra y/o puede estar expuesto al gas de la cámara de gas de muestra a través de una capa protectora porosa permeable al gas. El elemento sensor puede comprender al menos una célula de bombeo. Por ejemplo, el primer electrodo puede estar diseñado como un electrodo de bomba exterior.
El segundo electrodo puede estar dispuesto en al menos una cavidad de medición. Por ejemplo, el segundo electrodo puede estar diseñado como un electrodo de bomba interior. Por una cavidad de medición se puede entenderse una cavidad dentro del elemento sensor, que puede estar configurada para recibir un suministro de un componente gaseoso del gas. La cavidad de medición puede estar total o parcialmente abierta. Además, la cavidad de medición puede estar total o parcialmente rellena, por ejemplo, con un medio poroso, por ejemplo, con óxido de aluminio poroso.
La cavidad de medición puede estar expuesta al gas de la cámara de gas de muestra a través de al menos una barrera de difusión. Una barrera de difusión se puede entender como una capa de un material que promueve la difusión de un gas y/o fluido y/o iones, pero suprime el flujo del gas y/o fluido. En particular, la barrera de difusión puede presentar una estructura cerámica porosa con radios de poros específicamente ajustados. La barrera de difusión puede presentar una resistencia a la difusión, en donde la resistencia a la difusión se debe entender como la resistencia que la barrera de difusión opone a un transporte de difusión.
El primer electrodo y el segundo electrodo están conectados a través de al menos un electrolito sólido y conforman una célula de bombeo. Aplicando una tensión, en particular una tensión de bombeo, a los electrodos primero y segundo, se puede bombear oxígeno dentro o fuera del gas a través de la barrera de difusión dentro o fuera de la cavidad de medición.
En el contexto de la presente invención, por electrolito sólido se entiende un cuerpo u objeto con propiedades electrolíticas, es decir, con propiedades conductoras de iones. En particular, se puede tratar de un electrolito sólido cerámico. Esto incluye también la materia prima de un electrolito sólido y, por lo tanto, la conformación como un cuerpo verde o marrón, que sólo se convierte en un electrolito sólido después de una sinterización. En particular, el electrolito sólido se puede conformar como una capa de electrolito sólido o a partir de múltiples capas de electrolito sólido. En el contexto de la presente invención, por capa se debe entender una masa uniforme con una extensión plana de cierta altura, que se encuentra por encima, por debajo o entre otros elementos. Un electrolito sólido puede tratarse en particular de un electrolito sólido cerámico, por ejemplo, de circonio, en particular, circonio estabilizado con itrio (YSZ) y/o circonio dopado con escandio (ScSZ). El electrolito sólido puede ser preferentemente impermeable al gas y/o puede garantizar el transporte iónico, por ejemplo, el transporte iónico de oxígeno. En particular, el primer y el segundo electrodo pueden tratarse de una zona eléctricamente conductora, por ejemplo, un revestimiento metálico eléctricamente conductor, que puede aplicarse al menos a un electrolito sólido y/o puede entrar en contacto de otro modo con el electrolito sólido. En especial, aplicando una tensión, en particular, una tensión de bombeo, a los electrodos primero y segundo, se puede bombear oxígeno del gas dentro o fuera de la cavidad de medición.
El elemento sensor puede presentar otros electrodos, por ejemplo, un tercer y un cuarto electrodo. El elemento sensor puede presentar al menos una célula de Nernst que comprende al menos un tercer electrodo y al menos un cuarto electrodo, que están conectados al electrolito sólido. También son concebibles formas de ejecución en las que el tercer electrodo esté configurado como electrodo de bombeo y el elemento sensor no presente un cuarto electrodo.
El tercer electrodo puede estar configurado como un electrodo de referencia separado de la cámara de gas de muestra. El tercer electrodo puede estar conectado al menos parcialmente con un espacio de gas de referencia, por ejemplo, de forma fluida y/o a través de una conexión de gas. Por un espacio de gas de referencia se puede entender como un espacio dentro del elemento sensor que está conectado a un espacio periférico, por ejemplo, un espacio ambiente alrededor de un motor de combustión interna. En particular, en el espacio periférico se puede encontrar aire. El espacio del gas de referencia puede estar conectado a la cavidad de medición, en particular, a través del electrolito sólido. El cuarto electrodo puede estar diseñado como un electrodo Nernst, que puede disponerse en la cavidad de medición.
En este contexto, un dispositivo de control electrónico puede entenderse en general como un dispositivo electrónico que está configurado para operar y controlar el sensor. Entre el sensor y el dispositivo de control electrónico se pueden proporcionar, por ejemplo, una o más conexiones electrónicas. Por ejemplo, el dispositivo de control electrónico puede comprender al menos un dispositivo de procesamiento de datos, por ejemplo, al menos un ordenador o un microcontrolador. El dispositivo de control electrónico puede presentar al menos un circuito integrado, en particular, un circuito integrado de aplicación específica (ASIC). El dispositivo de procesamiento de datos puede presentar una o más memorias de datos volátiles y/o no volátiles, en las que el dispositivo de procesamiento de datos puede estar configurado, por ejemplo, mediante programación para controlar el sensor. El dispositivo de control electrónico puede comprender además al menos una interfaz, por ejemplo, una interfaz electrónica y/o una interfaz hombre-máquina, como un dispositivo de entrada/salida, por ejemplo, una pantalla y/o un teclado. El dispositivo de control electrónico puede estar configurado centralizado o descentralizado. También son concebibles otras formas de realización.
El elemento sensor puede presentar un elemento calefactor. En el contexto de la presente invención, por elemento calefactor se entiende un elemento que sirve para calentar el electrolito sólido y los electrodos por lo menos hasta su temperatura funcional y preferentemente hasta su temperatura de funcionamiento. La temperatura funcional es la temperatura por encima de la cual el electrolito sólido se vuelve conductor de iones y suele ser aproximadamente de 350 °C. Esta temperatura debe distinguirse de la temperatura de funcionamiento, que es la temperatura a la que normalmente funciona el elemento sensor y que es más alta que la temperatura funcional. Por ejemplo, la temperatura de funcionamiento puede estar comprendida entre 700 °C y 950 °C. El elemento calefactor puede comprender una zona calefactora y al menos una vía de alimentación. En el contexto de la presente invención, por zona de calentamiento se entiende la zona del elemento calefactor que se solapa con un electrodo de la estructura de capas a lo largo de una dirección perpendicular a la superficie del elemento sensor. Por lo general, la zona calefactora se calienta más que la vía de alimentación durante el funcionamiento, de modo que se pueden distinguir. El calentamiento diferenciado se puede conseguir, por ejemplo, haciendo que la zona calefactora presente una resistencia eléctrica mayor que la vía de alimentación. La zona calefactora y/o la alimentación están diseñadas, por ejemplo, como una vía de resistencia eléctrica y se calientan aplicando una tensión eléctrica. El elemento calefactor puede estar fabricado, por ejemplo, de cermet de platino. Por estado de funcionamiento se puede entender un estado del sensor en el cual se alcanza la temperatura de funcionamiento y se alcanza un estado eléctricamente estable tras cambios de corriente o tensión en el elemento sensor. En el estado de funcionamiento, se establece un estado de tensión esencialmente constante en la célula de Nernst. En una fase de calentamiento del sensor, una tensión entre los electrodos del elemento sensor puede mostrar un comportamiento transitorio. Por un "estado de tensión esencialmente constante" se puede entender que la tensión entre los electrodos alcanza un valor estático, por lo que son posibles desviaciones de menos del 10%, preferentemente menos del 5%, de manera particularmente preferida, menos del 1% de un valor estático. En el estado de funcionamiento, puede estar presente una corriente constante en el elemento sensor, y también puede estar presente un valor de tensión de desbalance (tensión de offset) entre los electrodos del elemento sensor distinto a cero.
Una secuencia de diagnóstico se puede entender como una secuencia de estados de diagnóstico. Un estado de diagnóstico se puede entender como un estado de conmutación. En el primer estado de diagnóstico, se aplica una corriente de diagnóstico al elemento sensor. Por aplicación de una corriente de diagnóstico al elemento sensor se puede entender la aplicación de una corriente predeterminada o predefinible al elemento sensor a través de los electrodos, en particular, mediante una fuente de corriente. La fuente de corriente puede ser un componente del dispositivo de control o puede estar diseñado por separado del dispositivo de control
Cuando se aplica la corriente de diagnóstico, el sensor presenta una respuesta transitoria, en particular, una respuesta transitoria exponencial. Una respuesta transitoria exponencial en el primer estado de diagnóstico a un valor objetivo cuando se energiza con la corriente I puede cumplir:
en donde Udesbalance es el valor de tensión de desbalance entre los electrodos en el estado de funcionamiento; en donde Rinterna es la resistencia interna del elemento sensor; en donde to es un momento de conexión de la fuente de corriente; en donde r es una constante de tiempo de un tiempo de carga de una capacitancia total diferencial efectiva CDif del dispositivo de control. En particular,
En el segundo estado de diagnóstico, la corriente de diagnóstico está desconectada. En particular, el elemento sensor se desenergiza con respecto a la corriente de diagnóstico. En particular, la fuente de corriente se puede desconectar en el segundo estado de diagnóstico.
El elemento sensor muestra un comportamiento de decaimiento, en particular un comportamiento de decaimiento exponencial, cuando está desconectado. Un comportamiento de decaimiento exponencial en el segundo estado de diagnóstico con una constante temporal idéntica a la del estado transitorio puede cumplir:
en donde to es en este caso un momento de desconexión de la fuente de corriente.
En el procedimiento, se puede ejecutar una pluralidad de secuencias de diagnóstico. En particular, el primer estado de diagnóstico y el segundo estado de diagnóstico se pueden establecer repetidamente sucesiva o alternadamente, por ejemplo, de manera periódica. La pluralidad puede comprender dos, tres, cuatro o más secuencias de diagnóstico. El número de repeticiones, en lo sucesivo también denominadas como iteraciones, puede depender de una precisión deseada o predeterminada de la determinación de la resistencia interna. El período de duración del primer estado de diagnóstico y el período de duración del segundo estado de diagnóstico pueden ser iguales. Alternativamente, el período de duración del primer estado de diagnóstico y el período de duración del segundo estado de diagnóstico pueden ser diferentes.
En el primer estado de diagnóstico, se detecta el, al menos un, primer valor de tensión, y en el segundo estado de diagnóstico, se detecta el al menos un segundo valor de tensión. La detección de un valor de tensión se puede entender como una medición y/o determinación del valor de tensión entre los electrodos del elemento sensor. El primer valor de medición de tensión se puede determinar durante el proceso transitorio. El segundo valor de medición de tensión se puede determinar durante el proceso de decaimiento. El primer valor de medición de tensión se puede registrar en cada una de las secuencias de diagnóstico en un momento idéntico dentro del proceso transitorio. El segundo valor de medición de tensión se puede registrar en cada una de las secuencias de diagnóstico en un momento idéntico dentro del proceso de decaimiento.
La información sobre la temperatura se puede entender como una determinación de una resistencia interna del elemento sensor. La resistencia interna puede consistir en una medida de la temperatura del elemento sensor. En particular, la temperatura del elemento sensor se puede determinar a partir de la resistencia interna mediante una relación predeterminada o predeterminable. En el paso c) del procedimiento, la resistencia interna Rinterna del elemento sensor se puede determinar a partir de la relación:
en donde I es la corriente de diagnóstico en el elemento sensor. Un error transitorio A U M e d ¡d a [i] puede ser el mismo tras varias mediciones repetidas durante el proceso de carga y descarga. Durante el proceso de decaimiento, el error transitorio se puede determinar en comparación con el valor de la tensión de desbalance y considerarse al determinar la resistencia interna.
En el paso c) del procedimiento, según la invención, la resistencia interna Rinterna del elemento sensor se determina a partir de la relación:
en donde I es la corriente de diagnóstico aplicada, i es una etapa de iteración, U[¡] es un valor de medida de tensión de la i-ésima etapa de iteración, U[i - 1] es un valor de medida de tensión de la (i-l)-ésima etapa de iteración y Udesbalance es el valor de tensión desbalance en el estado de funcionamiento. De acuerdo con la invención, U[/] y U[i -1] son el primer valor de tensión y el segundo valor de tensión, respectivamente.
En el procedimiento, una capacitancia diferencial, en particular la capacitancia total diferencial efectiva, Cüif de al menos una capacitancia diferencial del dispositivo de control electrónico se puede determinar además a partir de la relación:
con
en donde t es la constante de tiempo del tiempo de carga de la capacitancia total diferencial efectiva, i es una etapa de iteración, U[/] es un valor de medición de tensión de la i-ésima etapa de iteración, Udesbalance es el valor de tensión de desbalance, tMedido es un momento de la medición después de conectar o desconectar el suministro de corriente, y Rinterna es la resistencia interna. La capacitancia total diferencial determinada puede utilizarse para el diseño posterior del flujo de corriente temporizado y/o para otros fines de diagnóstico.
El procedimiento puede comprender un paso de salida en el que se emite la información sobre la temperatura y/o el valor de las capacitancias efectivas diferenciales. Alternativa o adicionalmente, el resultado se puede almacenar en el dispositivo de control.
Después de alcanzar el estado de tensión esencialmente constante, aplicando alternadamente estados de diagnóstico con y sin corriente eléctrica de igual duración y mediciones definidas de forma fija en cada fase, a pesar de una medición de tensión en un estado sin oscilación, se puede determinar una resistencia interna mediante la relación descrita anteriormente, en la cual se anulan los errores sistemáticos debidos a las capacitancias diferenciales adicionales. En particular, la influencia de las capacitancias diferenciales en la determinación de la resistencia interna ya puede reducirse determinando el valor de tensión de desbalance en el estado de funcionamiento y después ejecutando una vez la secuencia de diagnóstico.
En otro aspecto, se propone un programa informático que está dispuesto para ejecutar cada paso del procedimiento conforme a la invención. Además, se propone un medio de almacenamiento electrónico en el cual se almacena un programa informático para la ejecución del procedimiento conforme a la invención. En otro aspecto, se propone un dispositivo de control electrónico que comprende el medio de almacenamiento electrónico conforme a la invención con dicho programa informático para la ejecución del procedimiento conforme a la invención. Con respecto a las definiciones y las formas de ejecución, se hace referencia a la descripción del procedimiento conforme a la invención.
En otro aspecto, se propone un sensor para detectar al menos una propiedad de un gas de muestra en una cámara de gas de muestra, en particular, para detectar una proporción de un componente de gas en el gas de muestra. El sensor presenta un elemento sensor para detectar la propiedad del gas de muestra. El elemento sensor presenta al menos un elemento sensor. El elemento sensor comprende al menos un primer electrodo, al menos un segundo electrodo y al menos un electrolito sólido que conecta el primer electrodo y el segundo electrodo. El elemento sensor puede comprender al menos una célula de bombeo. El elemento sensor también puede presentar al menos una célula de Nernst. La célula de Nernst puede comprender al menos un tercer electrodo y al menos un cuarto electrodo que están conectados con el electrolito sólido. El sensor también comprende un dispositivo de control electrónico que comprende el programa informático conforme a la invención para la ejecución del procedimiento conforme a la invención. Con respecto a las definiciones y las formas de ejecución, se hace referencia a la descripción del procedimiento conforme a la invención.
Los procedimientos y dispositivos propuestos resultan ventajosos con respecto a los procedimientos y dispositivos conocidos. El procedimiento puede reducir la influencia de las capacitancias diferenciales o diferencialmente eficaces construidas en el dispositivo de control, así como la influencia de la polarización del electrodo de la sonda en una medición óhmica, en particular, reduciendo una carga de tensión media. Los elementos de interferencia, en particular, las capacitancias diferenciales o diferencialmente efectivas incorporadas en el dispositivo de control, pueden anularse parcialmente mediante la despolarización y despolarización alternada, y la carga de tensión en la célula de medición se puede reducir casi a la mitad en comparación con los procedimientos conocidos, especialmente, con resistencias objetivo elevadas. El procedimiento puede permitir una medición de resistencia más robusta. El procedimiento puede reducir los efectos del envejecimiento y reducir sus efectos negativos gracias a la medición de resistencia más robusta. En principio, el procedimiento se puede utilizar para cualquier dispositivo de control que determine una resistencia óhmica mediante una fuente de corriente, pero cuya medición esté distorsionada por capacitancias diferenciales y/o polarizaciones.
Breve descripción de los dibujos
0tros detalles y características opcionales de la presente invención se desprenderán de la siguiente descripción de los ejemplos de ejecución preferidos, que se muestran esquemáticamente en las figuras.
Las figuras muestran:
Figura 1: un ejemplo de ejecución de un sensor conforme a la invención.
Figuras 2A a D: diagramas de circuito de un sensor conforme a la invención.
Figura 3: una curva temporal de la tensión entre electrodos de un elemento sensor y una curva temporal de una corriente de diagnóstico.
Figura 4: una resistencia interna relativa en función de un paso de iteración.
Figura 5: una comparación de una curva de tiempo hasta que se conoce un tiempo de estabilización de un elemento sensor energizado permanentemente y una energización conforme a la invención.
Figura 6: una capacitancia diferencial relativa en función del paso de iteración.
Formas de ejecución de la presente invención
La figura 1 muestra un diseño básico de un sensor 110 conforme a la invención. El sensor 110 representado en la figura 1 se puede utilizar para detectar propiedades físicas y/o químicas de un gas de muestra en una cámara de gas de muestra, en donde se pueden detectar una o más propiedades. La presente invención se describe a continuación con especial referencia a una detección cualitativa y/o cuantitativa de un componente gaseoso del gas de muestra, en particular, en referencia a una detección de un contenido de oxígeno en el gas de muestra. El contenido de oxígeno se puede registrar, por ejemplo, en forma de presión parcial y/o en forma de porcentaje. En principio, sin embargo, también se pueden detectar otros tipos de componentes del gas, como óxidos de nitrógeno, hidrocarburos y/o hidrógeno. Sin embargo, alternativa o adicionalmente, también se pueden detectar otras propiedades del gas de muestra. La presenta invención se puede utilizar particularmente en el campo de la tecnología de vehículos, de modo que la cámara de gas de muestra puede ser en particular el tubo de escape de un motor de combustión interna y el gas de muestra se puede tratar en particular de un gas de escape.
El sensor 110 presenta un elemento sensor 112. El elemento sensor 112 puede estar conformado por una estructura cerámica en capas, como se describirá con más detalle a continuación. El elemento sensor 112 presenta un electrolito sólido 114, un primer electrodo 116 y un segundo electrodo 118. El elemento sensor puede presentar un tercer electrodo 120 y un cuarto electrodo 122. El electrolito sólido 114 puede estar compuesto de múltiples capas cerámicas en forma de capas de electrolito sólido o puede comprender múltiples capas de electrolito sólido. Por ejemplo, el electrolito sólido 114 comprende una película de bombeo o capa de bombeo, una película intermedia o capa intermedia, y una película calefactora o capa de calefactora dispuestas una encima de la otra o una debajo de la otra. El elemento sensor 110 puede presentar una vía de acceso de gas 124. La vía de acceso de gas 124 puede presentar un orificio de acceso de gas 126 que se extiende desde una superficie 128 del electrolito sólido 114 hacia el interior de la estructura en capas del elemento sensor 114.
El primer electrodo 116 puede estar dispuesto sobre la superficie 128 del electrolito sólido 114. El primer electrodo 116 puede estar expuesto al gas de la cámara de gas de muestra. En particular, el primer electrodo 116 puede estar conectado al menos parcialmente con la cámara de gas de muestra, por ejemplo, el primer electrodo puede estar expuesto directamente al gas de la cámara de gas de muestra y/o puede estar expuesto al gas de la cámara de gas de muestra a través de una capa protectora porosa permeable al gas. Por ejemplo, el primer electrodo 116 puede estar diseñado como un electrodo de bomba exterior.
El segundo electrodo 118 puede estar dispuesto en al menos una cavidad de medición 130. Por ejemplo, el segundo electrodo 118 puede estar diseñado como un electrodo de bomba interior. La cavidad de medición 130 puede estar total o parcialmente abierta. Además, la cavidad de medición 130 puede estar total o parcialmente rellena, por ejemplo, con un medio poroso, por ejemplo, con óxido de aluminio poroso. La cavidad de medición 130 puede estar expuesta al gas de la cámara de gas de muestra a través de al menos una barrera de difusión.
El primer electrodo 116 y el segundo electrodo 118 están conectados a través del, al menos un, electrolito sólido 114 y pueden conformar una célula de bombeo 132. Aplicando una tensión, en particular una tensión de bombeo, a los electrodos primero 116 y segundo 118, se puede bombear oxígeno dentro o fuera del gas a través de la barrera de difusión dentro o fuera de la cavidad de medición 130.
El tercer electrodo 120 puede estar configurado como un electrodo de referencia separado de la cámara de gas de muestra. El tercer electrodo 120 puede estar conectado al menos parcialmente con un espacio de gas de referencia 134, aquí no representado, por ejemplo, de forma fluida y/o a través de una conexión de gas. El espacio del gas de referencia 134 puede estar conectado con la cavidad de medición 130, en particular, a través del electrolito sólido 114. El cuarto electrodo 122 puede estar diseñado como un electrodo Nernst, que puede disponerse en la cavidad de medición 130. El tercer electrodo 120 y el cuarto electrodo 122 pueden estar conectados a través del, al menos un, electrolito sólido 114 y conformar una célula de Nernst 136.
Mediante la célula de bombeo 132 se puede, por ejemplo, ajustar una corriente de bombeo a través de la célula de bombeo 132 de tal modo que prevalezca la condición X (lambda) = 1 u otra composición conocida en la cavidad de medición 130. Esta composición a su vez es detectada por la célula de Nernst 136 al medir una tensión de Nernst Vn entre el tercer electrodo 120 y el cuarto electrodo 122. Debido a que una composición de gas conocida está presente en el espacio de gas de referencia 134 o está expuesta a un exceso de oxígeno, la composición en la cavidad de medición 130 se puede deducir de la tensión medida.
En la prolongación de la dirección de extensión del orificio de acceso de gas 126, se puede disponer un elemento calefactor 138 en la estructura de capas del elemento sensor 112. El elemento calefactor 138 presenta una zona calefactora 140 y vías de alimentación eléctrica 142. La zona calefactora 140 presenta, por ejemplo, una forma de meandro.
Las figuras 2A a 2D muestran diagramas de circuito del elemento sensor conforme a la invención 136 (en este caso, la célula Nernst). La figura 2A muestra un circuito ideal sin capacitancias diferenciales o de acción diferencial incorporadas en el dispositivo de control. Las figuras 2B a 2C muestran otros componentes del circuito Cüif y Cp0i, por ejemplo en paralelo con respecto a una resistencia de polarización Rp0i.
La figura 3 muestra una curva temporal de una forma de ejecución del procedimiento conforme a la invención. Después de establecer un estado de funcionamiento, caracterizado por el valor de tensión Udesbaiance en la figura 3, se ejecuta al menos una secuencia de diagnóstico en la cual se establece al menos un primer estado de diagnóstico 144 aplicando una corriente de diagnóstico al elemento sensor 112, por ejemplo, la célula Nernst 136, y se establece al menos un segundo estado de diagnóstico 146 en el cual se desconecta la corriente de diagnóstico de manera que la célula Nernst se desenergiza con respecto a la corriente de diagnóstico. La parte inferior de la figura 3 muestra una curva temporal de la corriente de diagnóstico, en particular, se muestra una activación y desactivación de la corriente de diagnóstico. La corriente de diagnóstico puede activarse y desactivarse conectando o desconectando una fuente de corriente. La figura 3 muestra además una curva temporal de la tensión entre los electrodos de la célula de Nernst 136. En este ejemplo de ejecución, un primer estado de diagnóstico 144 se establece cinco veces y un segundo estado de diagnóstico 146 se establece cuatro veces. En el procedimiento, se puede ejecutar una pluralidad de secuencias de diagnóstico. En particular, el primer estado de diagnóstico 144 y el segundo estado de diagnóstico 146 se pueden establecer repetidamente sucesiva o alternadamente, por ejemplo, de manera periódica. La pluralidad puede comprender dos, tres, cuatro o más secuencias de diagnóstico. Un número de repeticiones puede depender de una precisión deseada o predeterminada de la determinación de la resistencia interna. Un período de duración del primer estado de diagnóstico 144 y un período de duración del segundo estado de diagnóstico 146 pueden ser iguales. Alternativamente, el período de duración del primer estado de diagnóstico 144 y el período de duración del segundo estado de diagnóstico 146 pueden ser diferentes.
Cuando se aplica la corriente de diagnóstico, el sensor 110 presenta una respuesta transitoria, en particular, una respuesta transitoria exponencial. Una respuesta transitoria exponencial en el primer estado de diagnóstico 114 a un valor objetivo cuando se energiza con la corriente I puede cumplir:
en donde Udesbalance es el valor de tensión de desbalance entre los electrodos Nernst en el estado de funcionamiento; en donde Rinterna es la resistencia interna de la célula de Nernst; en donde fa es un momento de conexión de la fuente de corriente; en donde r es una constante de tiempo de un tiempo de carga de una capacitancia total diferencial efectiva Cdí del dispositivo de control.
En el segundo estado de diagnóstico 146, la célula de Nernst 136 no está energizada. En particular, la fuente de corriente se puede desconectar en el segundo estado de diagnóstico 146. Cuando está desconectado, el elemento sensor 112 puede exhibir un comportamiento de caída eléctrica, en particular, un comportamiento de caída exponencial. Un comportamiento de decaimiento exponencial en el segundo estado de diagnóstico con una constante temporal idéntica a la del estado transitorio puede cumplir:
en donde to es en este caso un momento de desconexión de la fuente de corriente.
En el primer estado de diagnóstico 144, se detecta al menos un primer valor de tensión y en el segundo estado de diagnóstico 146 se detecta al menos un segundo valor de tensión. El primer valor de medida de tensión se puede determinar durante el proceso transitorio, por ejemplo, indicado como U1, U3 , U5 , U7 y U9 en la figura 3. El segundo valor de medida de tensión se puede determinar durante el proceso de decaimiento, por ejemplo, indicado como U2 , U4 , U6 y U8 en la figura 3. El primer valor de medición de tensión se puede registrar en cada una de las secuencias de diagnóstico en un momento idéntico dentro del proceso transitorio. El segundo valor de medición de tensión se puede registrar en cada una de las secuencias de diagnóstico en un momento idéntico dentro del proceso de decaimiento.
A partir del primer valor de tensión y del segundo valor de tensión se determina una información sobre la temperatura. La resistencia interna puede consistir en una medida de la temperatura del elemento sensor 112. En particular, la temperatura del elemento sensor 112 se puede determinar a partir de la resistencia interna mediante una relación predeterminada o predeterminable. En el paso c) del procedimiento, la resistencia interna Rinterna del elemento sensor 112 se puede determinar a partir de la relación:
en donde I es la corriente de diagnóstico en el elemento sensor. Un error transitorio AUMedida[i], que se muestra en la figura 3 con AUMedida, puede ser el mismo después de algunas mediciones repetidas durante el proceso de carga y descarga. Durante el proceso de decaimiento, el error transitorio se puede determinar en comparación con el valor de la tensión de desbalance y considerarse al determinar la resistencia interna. En el paso c) del procedimiento, la resistencia interna Rinterna de la célula de Nernst se puede determinar a partir de la relación:
en donde I es la corriente de diagnóstico aplicada, i es una etapa de iteración, U[i] es un valor de medida de tensión de la i-ésima etapa de iteración, U[i - 1] es un valor de medida de tensión de la (i-l)-ésima etapa de iteración y Udesbalance es el valor de tensión desbalance en el estado de funcionamiento.
La figura 4 muestra una dependencia de una resistencia interna relativa, es decir, la resistencia interna Rinterna,medida determinada mediante el procedimiento conforme a la invención dividida por una resistencia interna objetivo Rinterna,objetivo, en este caso 1kQ, en función de una etapa de iteración i. En función del número de estados de diagnóstico aplicados alternadamente, se puede conseguir una mejora de la determinación de la resistencia interna. La figura 4 muestra comparativamente dos puntos de medición. En un primer punto de medición 148, la resistencia interna se determinó con una medición sin corriente y otra con corriente. En un segundo punto de medición 150, primero se realizó una medición completamente en estado estacionario sin corriente, después una medición con corriente y, por último, otra medición sin corriente para determinar la resistencia interna. En este caso, se puede lograr una mejora del 71% al 96% en comparación con la determinación con sólo una medición sin corriente y otra con corriente. Un mayor número de corrientes puede ser útil, especialmente con resistencias significativamente más altas.
El tiempo que se necesita efectivamente hasta que se conoce el tiempo transitorio del sistema puede ser el mismo para un sistema energizado permanentemente y para un sistema energizado alternadamente. La figura 5 muestra una comparación de una curva temporal hasta que se conoce un tiempo de estabilización de una célula de Nernst energizada permanentemente (curva 152) y una energización conforme a la invención (curva 154).
En el procedimiento, una capacitancia diferencial, en particular la capacitancia total diferencial efectiva, Cüif de al menos una capacitancia diferencial del dispositivo de control electrónico se puede determinar además a partir de la relación:
con 
en donde t es la constante de tiempo del tiempo de carga de la capacitancia total diferencial efectiva, i es una etapa de iteración, U[i] es un valor de medición de tensión de la i-ésima etapa de iteración, Udesbalance es el valor de tensión de desbalance, tMedido es un momento de la medición después de conectar o desconectar el suministro de corriente, y Rinterna es la resistencia interna. La capacitancia total diferencial determinada puede utilizarse para el diseño posterior del flujo de corriente temporizado y/o para otros fines de diagnóstico.
La figura 6 muestra una dependencia de una capacitancia diferencial relativa, es decir, la capacitancia diferencial Cüif,medida determinada mediante el procedimiento conforme a la invención dividida por una capacitancia objetivo Cüif,objetivo, en este caso 40 ns, en función de un paso de iteración i. Dependiendo del número de la secuencia de mediciones energizadas y desenergizadas, se puede conseguir una mejora de la determinación de la capacitancia diferencial. Ya con el segundo punto de medición 150, la capacitancia diferencial se puede determinar con una precisión del 95%.
Claims (3)
1. Procedimiento para determinar una resistencia interna de un elemento sensor (112) de un sensor (110) para detectar al menos una propiedad de un gas de muestra en una cámara de gas de muestra, en donde la propiedad del gas de muestra se puede detectar a través del elemento sensor (112); en donde el elemento sensor (112) comprende al menos un primer electrodo (116), al menos un segundo electrodo (118) y al menos un electrolito sólido (114) que conecta el primer electrodo (116) y el segundo electrodo (118); en donde el sensor (110) presenta al menos un dispositivo electrónico de control; en donde el procedimiento presenta los siguientes pasos:
d) Establecer un estado de funcionamiento, en donde se aplica una tensión de calentamiento al elemento sensor (112), y en donde se establece y detecta un estado de tensión esencialmente constante en el elemento sensor (112).
e) Ejecutar al menos una secuencia de diagnóstico, en donde se establece al menos un primer estado de diagnóstico (144) aplicando una corriente de diagnóstico al elemento sensor (112); en donde se establece al menos un segundo estado de diagnóstico (146), en el que se desconecta la corriente de diagnóstico; en donde se detecta al menos un primer valor de tensión en el primer estado de diagnóstico (144) y se detecta al menos un segundo valor de tensión en el segundo estado de diagnóstico (146); y en donde el primer valor de medición de tensión se determina durante un proceso transitorio que resulta de la aplicación de la corriente de diagnóstico al elemento sensor (112);
caracterizado porque
el segundo valor de medición de tensión se determina durante un evento de caída resultante de la desconexión de la corriente de diagnóstico;
f) determinar la resistencia interna Rinterna del elemento sensor a partir de la relación Rinterna[i] = (U[i] U[i -1] - 2UDesbalance)/I, en donde i es un nivel de iteración, U[i] y U[i - 1] son el primer valor de tensión y el segundo valor de tensión, el elemento sensor (112) se alimenta con una corriente de diagnóstico I, y Udesbalance es un desplazamiento de tensión en el estado de funcionamiento correspondiente al estado de tensión constante en el estado de funcionamiento.
2. Procedimiento según la reivindicación precedente, en donde se ejecuta una pluralidad de secuencias de diagnóstico.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en donde un período de duración del primer estado de diagnóstico (144) y un período de duración del segundo estado de diagnóstico (146) son iguales.
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