KR20170018328A - 센서 장치의 작동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 센서 장치(110)의 작동 방법에 관한 것이다. 센서 장치(110)는 측정 가스 챔버(114) 내의 가스의 성분의 적어도 하나의 비율을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 소자(112)를 포함한다. 센서 소자(112)는 적어도 하나의 제 1 전극(116) 및 적어도 하나의 제 2 전극(118)을 포함한다. 제 2 전극(118)은 적어도 하나의 측정 공동부(120) 내에 배치된다. 측정 공동부(120)에는 적어도 하나의 확산 배리어(122)를 통해 측정 가스 챔버(114)로부터 가스가 공급될 수 있다. 제 1 전극(116) 및 제 2 전극(118)은 적어도 하나의 고체 전해질(124)을 통해 연결되고 하나의 펌프 셀(126)을 형성한다. 센서 장치(110)는 또한 적어도 하나의 제어기(128)를 포함한다. 제어기(128)는 적어도 하나의 제 1 신호 라인(130)을 통해 제 1 전극(116)에 연결된다. 제어기(128)는 적어도 하나의 제 2 신호 라인(132)을 통해 제 2 전극(118)에 연결된다. 제 1 신호 라인(130)은 적어도 하나의 제 1 간섭 억제 커패시턴스 cl(134)를 통해 전기 접지(136)에 연결된다. 제 2 신호 라인(132)은 적어도 하나의 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2(138)를 통해 전기 접지(136)에 연결된다. 상기 제 1 신호 라인(130) 및 상기 제 2 신호 라인(132) 중 적어도 하나와 전기 접지(136) 사이에 적어도 하나의 측정 저항(140)이 배치된다. 제어기(128)는 펌프 셀(126)을 함수 전류로 작동시키도록 설계된다. 이 방법에서는 다수의 상이한 스위칭 상태를 펌프 셀(126)에 적용함으로써, 제 1 간섭 억제 커패시턴스 cl(134) 및 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2(138)가 결정된다.

Description

센서 장치의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A SENSOR APPARATUS}
본 발명은 센서 장치의 작동 방법에 관한 것이다.
선행 기술에는 기본적으로 센서 장치의 작동 방법이 개시되어 있다. 이러한 센서 장치에 의해 가스의 성분의 정성적 및/또는 정량적 검출, 특히 공기/연료 혼합물 중의 가스 성분의 검출이 이루어질 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 가스의 다른 특성, 예컨대 가스의 임의의 물리적 및/또는 화학적 특성도 상기 센서 장치로 검출될 수 있다. 가스의 다수의 특성도 기본적으로 검출될 수 있다. 특히 이러한 센서 장치는 자동차 분야에 사용될 수 있다. 가스는 특히 자동차 분야에서 예컨대 내연기관의 측정 가스 챔버 내의 배기 가스일 수 있고, 측정 가스 챔버는 예컨대 배기 가스 시스템일 수 있다.
이러한 센서 장치들은 가스의 성분의 적어도 하나의 비율을 검출하기 위한 센서 소자를 포함할 수 있다. 예컨대, 센서 소자는 Konrad Reif(발행) "Sensoren im Kraftfahrzeug", 제 2권 2012, 페이지 160-165에 개시된 바와 같이 람다 프로브로서 형성될 수 있다. 람다 프로브는 2 시점 람다 프로브 및 광대역 람다 프로브로서, 특히 평면 광대역 람다 프로브로서 형성될 수 있다. 람다 프로브에 의해 연소실 내의 가스 혼합물의 가스 비율, 예컨대 공기/연료 비율을 나타내는 공기 비 λ가 결정될 수 있다. 2 시점 람다 프로브에 의해 공기 연료 비율의 결정이 좁은 범위에서만, 화학량론적 혼합물(λ=1)에서 가능하다. 이에 반해, 일반적으로 펌프 셀의 원리에 따라, 바람직하게는 전기 화학 네른스트 셀에 연결되어 동작하는 광대역 람다 프로브에 의해, λ의 큰 범위에 걸쳐 측정이 이루어질 수 있다. 이러한 세라믹 센서 소자들은 특정 고체의 전해 특성, 특히 상기 고체의 이온 전도 특성을 기반으로 한다. 이 센서 소자들은 대부분 바람직하게는 지르코늄 및/또는 이트륨으로 이루어진 세라믹 고체 전해질 또는 바람직하게는 이산화지르코늄으로 이루어진 고체 층들을 포함한다.
이러한 펌프 셀은 고체 전해질을 통해 연결된 2개의 전극, 특히 내부 펌프 전극 및 외부 펌프 전극으로 형성될 수 있다. 기본적으로 센서 장치는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 펌프 셀에 펌프 전류를 공급하도록 설계된다. 예컨대 센서 소자는 직류로 또는 펄스 모드로 작동될 수 있다. 예컨대 DE 10 2008 001 697 A1은 펌프 전류가 고정 주파수, 가변 듀티 팩터 및 설정 가능한 부호를 가진 펄스형 펌프 전류일 수 있는 것을 개시한다. 이러한 펌프 전류로 센서 소자를 작동하는 것을 센서 소자의 펄스 모드라고 할 수 있다.
기본적으로 신호 라인 내에, 예컨대 센서 장치의 케이블 하니스 내에, 간섭 억제 커패시턴스가 예컨대 센서 장치의 전자 장치의 정전하로부터 보호를 위해 제공될 수 있다. DE 10 2010 000 663 A1에는 광대역 람다 프로브의 신호 라인들과 접지 사이의 고주파 간섭 및 고전압 도입을 감쇠하기 위해 커패시터들이 제공될 수 있는 것이 개시되어 있다. 센서 소자의 펄스 모드에서, 상기 커패시턴스들은 계속 재충전될 수 있다. 재충전 전류는 일부가 센서 소자의 펌프 셀을 통해 흐르고 펌프 전류를 높이거나 낮추며 특성 곡선 교정(calibration)시 고려되어야 한다.
또한, DE 10 2010 000663 A1에는 재충전 정정 특성 곡선을 교정하는 방법이 개시되어 있다. 2개의 스위칭 상태(Z_1) 및 (Z_2) 간의 주기적 변동에 의해, 광대역 람다 프로브의 내부 펌프 전극 접속부(IPE)와 외부 펌프 전극 접속부(APE)에 펄스형 펌프 전류(ISQ)가 인가된다. 스위칭 위치(Z_1) 및 (Z_2)는 재충전 정정을 교정하기 위해 저항(RGND)을 통한 전압 강하(UGND)의 에지 트리거된 측정을 가능하게 한다. 커패시터의 재충전 과정은 저항(RGND)을 통한 전류 흐름에 반영된다. 따라서, 스위칭 위치(Z_1) 동안 저항(RGND)을 통해 강하하는 전압(Ugua)과 스위칭 위치(Z_2) 동안 저항(RGND)을 통해 강하하는 전압(Ugui)은 재충전 정보를 포함한다. 재충전 전류(dIum)는 교정을 위해 중요한 부분이며, DE 10 2010 000663 A1에서 dIum = Fum·(Ugui-Ugua/RGNDs)에 의해 계산되고, 상기 식에서 Fum = Tsd/Tp. 상기 Tsd 는 측정 변환의 지속 시간(적분 시간)이고, 상기 Tp 는 펄스 모드의 클록 주기의 지속 시간이며, RGNDs는 저항의 설정값이다.
기본적으로 재충전 전류(Ipum)의 고려 없이, 평균 펌프 전류(IpO)가 설정된 유효 듀티 팩터(IPS) 및 센서 장치의 정전류원의 측정된 전류(Isq)로부터 계산될 수 있다: Ip0 = IPS·Isq, 상기 식에서 유효 듀티 팩터 IPS = (Tp-Tm)/Tcyclus 이다. Tcyclus는 하나의 측정 사이클의 지속 시간이고, 예컨대 Tcyclus = 666 ㎲ 일 수 있다. Tp 및 Tm 은 각각 포지티브 또는 네거티브 전류 펄스가 센서 장치에 공급되는 지속 시간이다. 재충전 전류(Ipum)를 고려해서, 평균 펌프 전류(Ip)가 Ip = Ip0 + Ipum 로부터 결정될 수 있다. 측정 사이클에서 센서 장치에 3개의 스위칭 상태가 적용될 수 있고, 제 1 스위칭 상태에서 센서 장치에 포지티브 전류 펄스가, 제 2 스위칭 상태에서 센서 장치에 네거티브 전류 펄스가, 그리고 제 3 스위칭 상태에서 센서 장치에 펄스 포우즈가 제공될 수 있고, 상기 펄스 포우즈에서는 센서 장치에 전류가 제공되지 않는다. 예컨대, 먼저 센서 장치에 예컨대 185 ㎲의 고정 지속 시간을 가진 펄스 포우즈가 제공될 수 있다. 후속해서, 센서 장치에 다른 스위칭 상태, 예컨대 네거티브 전류 펄스가 제공될 수 있다. 재차 후속해서, 센서 장치에는 추가의 펄스 포우즈가 제공될 수 있다. 펄스 포우즈의 지속 시간은 가변될 수 있고, 예컨대 0 내지 301 ㎲이다. 펄스 포우즈 후에, 센서 장치에 추가의 스위칭 상태, 예컨대 포지티브 전류 펄스가 제공될 수 있다. 포지티브 또는 네거티브 전류 펄스를 가진 하나의 스위칭 상태의 지속 시간은 가변적일 수 있다. 예컨대 상기 지속 시간은 90 내지 391 ㎲일 수 있다. 스위칭 상태의 변경은 간섭 억제 커패시턴스에서 재충전 전압 스윙을 야기할 수 있다. 재충전 스윙 당 전하량은 2개의 스위칭 상태 사이에서 간섭 억제 커패시턴스들에서의 전압 차이로부터 결정될 수 있다. 하나의 스위칭 상태의 끝에서의 전압이 상기 차이의 결정을 위해 사용될 수 있다. 스위칭 상태 변경 당 전하량(dQsx)은 2개의 스위칭 상태 사이의 전압 차(dUsx)를 간섭 억제 커패시턴스(cn)의 각각의 용량값과 곱함으로써 결정된다: dQSX = cn·dUsx. 스위칭 상태 변경의 평균 재충전 전류(Iumsx)는 Iumsx= dQsx /Tcyclus 로부터 결정될 수 있다. 센서 소자를 통해 흐르는 전류를 가진 모든 재충전이 가산되면, 전체 재충전 전류(Ipum)가 센서 소자에 의해 결정될 수 있다. 상기 재충전 전류는 프로브 전류의 계산시 고려될 수 있고, 특히 프로브 전류의 정정이 수행될 수 있다. 예컨대, 펄스 모드에서 센서 소자에는 상이한 전류 펄스 패턴(타이밍 모드), 예컨대 펄스-역펄스 전류-펄스 패턴(타이밍 모드 1) 또는 네커티브 펄스만을 가진 전류 펄스 패턴(타이밍 모드 2)이 제공될 수 있다. 타이밍 모드 1에서 재충전 전류에 대한 정정 식은
Ipum = [ci(Ui2-Uref)+ca(Ua2-Uref-Up0)]/Tcyclus
일 수 있고, 상기 식에서 Uref는 센서 장치의 기준 전압의 설정값이고, Up0는 펄스 포우즈 내 펌프 전압의 값이다. Ui2 및 Ua2는 하나의 스위칭 상태, 예컨대 네거티브 전류 펄스를 가진 스위칭 상태의 끝에서의 전압값들이다. 상기 전압(Ua2)은 외부 전극과 접지 사이에서 측정될 수 있고, 상기 전압(Ui2)은 내부 전극과 접지 사이에서 측정될 수 있다. 또한, ci 및 ca는 간섭 억제 커패시턴스의 용량 값이다. 타이밍 모드 2에서 재충전 전류에 대한 정정 식은
Ipum = [ci(Ui2+Ui4-2-Uref)-2ca(Ua2+Uref+Up0)]/Tcyclus
일 수 있고, 상기 식에서 Ui4는 하나의 스위칭 상태, 예컨대 포지티브 전류 펄스를 가진 스위칭 상태의 끝에서 전압값이다. 정정 식의 결정을 위해, 기본적으로 간섭 억제 커패시턴스의 용량값에는 부품의 설정값이 사용될 수 있다.
이러한 공지된 교정 방법, 특히 특성 곡선 교정 방법은 간섭 억제 커패시턴스의 용량값에 의존한다. 기본적으로 상기 용량값에는 부품의 설정값이 사용될 수 있다. 그러나 이 경우 제조 공차, 가능한 온도 범위 및 용량값의 가능한 장기간 드리프트가 고려되지 않는다. 적용을 위해, ±10 ㎂보다 작은 펌프 전류 정확도가 요구될 수 있다. λ=1 일 때 ±30%까지의 용량 공차의 경우, 간섭 억제 커패시턴스의 설정값을 이용한 교정은 펌프 전류 부정확성을 야기할 수 있다. 따라서, 전압 곡선에서, 특히 펌프 전압의 전압 곡선에서, 적용을 위해 허용될 수 없는 오버슈트가 나타날 수 있다.
본 발명의 과제는 공지된 방법의 예상되는 단점들을 적어도 거의 피하는, 센서 장치의 작동 방법을 제공하는 것이다. 특히, ±10 ㎂보다 작은 펌프 전류 정확성이 달성되어야 한다.
센서 장치는 기본적으로 특히 가스 측정 챔버, 예컨대 내연기관의 배기가스 시스템 내의 가스 혼합물 중의 가스 성분의 비율을 검출하도록 설계된 임의의 장치를 의미할 수 있다. 센서 장치는 측정 가스 챔버 내 가스 중의 가스 성분의 적어도 하나의 비율을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 소자를 포함한다. 가스 중의 가스 성분의 적어도 하나의 비율을 검출하기 위한 센서 소자는 예컨대 센서 장치의 구성 부분으로서, 가스의 가스 성분의 비율을 검출하도록 설계된 또는 가스의 가스 성분의 비율을 검출하는데 기여할 수 있는 소자를 의미할 수 있다. 센서 소자의 가능한 실시예와 관련해서, 기본적으로 상기 선행 기술이 참조될 수 있다. 센서 소자는 특히 세라믹 센서 소자, 특히 층 구성을 가진 세라믹 센서 소자일 수 있다. 특히 센서 소자는 평면 세라믹 센서 소자일 수 있다. 가스 성분의 적어도 하나의 비율의 검출은 가스의 성분의 정성적 및/또는 정량적 검출을 의미할 수 있다. 기본적으로 센서 소자는 가스의 임의의 물리적 및/또는 화학적 특성, 예컨대 가스의 온도 및/또는 압력 및/또는 가스 중의 입자를 검출하도록 설계될 수 있다. 다른 특성도 기본적으로 검출될 수 있다. 가스는 기본적으로 임의의 가스, 예컨대 배기 가스, 공기, 공기/연료 혼합물 또는 다른 가스일 수 있다. 본 발명은 특히 자동차 기술 분야에 사용될 수 있으므로, 가스는 특히 공기/연료 혼합물일 수 있다. 일반적으로 측정 가스 챔버는 검출될 가스가 있는 챔버일 수 있다. 본 발명은 전술한 바와 같이 특히 자동차 기술 분야에 사용될 수 있으므로, 측정 가스 챔버는 특히 내연기관의 배기 가스 시스템일 수 있다. 그러나, 다른 용도도 가능하다.
센서 소자는 적어도 하나의 제 1 전극 및 적어도 하나의 제 2 전극을 포함한다. "제 1" 및 "제 2" 전극이라는 표현은 순수한 명칭으로서 사용되고, 특히 순서 및/또는 예컨대 추가의 전극이 존재하는지의 여부에 대한 정보를 제공하지 않는다. 전극은 일반적으로 예컨대 전류 또는 전압이 제공될 수 있는 센서 소자의 전기 전도성 영역을 의미할 수 있다. 제 1 및 제 2 전극은 특히 금속-세라믹 전극으로서, 즉 소위 서멧-전극으로서, 특히 백금-서멧 전극으로서 형성될 수 있다.
제 2 전극은 적어도 하나의 측정 공동부 내에 배치된다. 측정 공동부는, 가스의 성분의 비축분을 수용하도록 설계될 수 있는 센서 소자 내 공동부를 의미할 수 있다. 측정 공동부는 완전히 또는 부분적으로 개방되어 형성될 수 있다. 또한, 측정 공동부는 예컨대 다공성 매체, 예컨대 다공성 산화알루미늄으로 완전히 또는 부분적으로 채워질 수 있다. 예컨대 제 2 전극은 내부 펌프 전극으로서 형성될 수 있다.
측정 공동부에는 적어도 하나의 확산 배리어를 통해 측정 가스 챔버로부터의 가스가 공급될 수 있다. 확산 배리어는 가스 및/또는 유체 및/또는 이온의 확산을 촉진하거나 또는 가능하게 하지만, 가스 및/또는 유체의 유동을 막는 재료로 이루어진 층을 말할 수 있다. 확산 배리어는 다공성 세라믹 구조, 특히 의도적으로 설정된 다공 반경을 가진 다공성 세라믹 구조를 포함할 수 있다. 확산 배리어는 확산 저항을 가질 수 있고, 확산 저항은 확산 배리어가 확산 유동을 저지하는 저항을 의미한다.
제 1 전극 및 제 2 전극은 적어도 하나의 고체 전해질을 통해 연결되고, 하나의 펌프 셀을 형성한다. 고체 전해질은 특히 세라믹 고체 전해질, 예컨대 이산화지르코늄, 특히 이트륨-안정화된 이산화지르코늄(YSZ) 및/또는 스칸듐-도핑된 이산화지르코늄(ScSZ)이다. 고체 전해질은 바람직하게는 가스 불투과성일 수 있고 및/또는 이온 수송, 예컨대 산소 이온 수송을 보장할 수 있다. 특히 제 1 및 제 2 전극은, 적어도 하나의 고체 전해질 상에 제공될 수 있는 및/또는 다른 방식으로 고체 전해질과 접촉할 수 있는, 전기 전도성 영역, 예컨대 전기 전도성 금속 코팅일 수 있다. 제 1 및 제 2 전극에 전압, 특히 펌프 전압의 인가에 의해, 산소가 가스로부터 확산 배리어를 통해 측정 공동부 내로 또는 측정 공동부로부터 펌핑된다.
센서 장치는 또한 적어도 하나의 제어기를 포함한다. 제어기는 센서 소자를 작동시키도록 설계된 장치를 의미할 수 있다. 상기 제어기는 중앙에 있거나 또는 분산되어 있을 수 있다. 제어기는 적어도 하나의 데이터 처리 장치, 예컨대 적어도 하나의 프로세서, 특히 적어도 하나의 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. 제어기는 예컨대 다른 장치 내에, 예컨대 제어 유닛 내에 및/또는 모터 제어 유닛 내에 예컨대 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 센서 소자는 상기 제어기에 연결될 수 있는 적어도 하나의 인터페이스를 포함할 수 있다. 예컨대, 제어기는 센서 소자 내에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있거나 또는 대안으로서 센서 장치의 다른 컴포넌트 내에, 예컨대 플러그 내에 완전히 또는 부분적으로 통합될 수 있다.
제어기는 적어도 하나의 제 1 신호 라인을 통해 제 1 전극에 연결된다. 제 1 신호 라인은 기본적으로 적어도 하나의 신호, 특히 전류 신호 및/또는 전압 신호를 제어기로부터 제 1 전극으로 및/또는 제 1 전극으로부터 제어기로 전송하도록 설계된, 제어기와 제 1 전극의 임의의 연결부를 의미할 수 있다. 예컨대, 제 1 신호 라인은 완전히 또는 부분적으로 리드 및/또는 케이블 및/또는 스위치로 형성될 수 있다. 리드는 예컨대 완전히 또는 부분적으로 층 구성 내의 리드로서 구현될 수 있다.
제어기는 적어도 하나의 제 2 신호 라인을 통해 제 2 전극에 연결된다. 제 2 신호 라인은 기본적으로 적어도 하나의 신호, 특히 전류 신호 및/또는 전압 신호를 제어기로부터 제 2 전극으로 및/또는 제 2 전극으로부터 제어기로 전송하도록 설계된, 제어기와 제 2 전극의 임의의 연결부를 의미할 수 있다. 예컨대, 제 2 신호 라인은 완전히 또는 부분적으로 리드 및/또는 케이블 및/또는 스위치로 형성될 수 있다.
제 1 신호 라인은 적어도 하나의 제 1 간섭 억제 커패시턴스 c1을 통해 전기 접지에 연결된다. 제 2 신호 라인은 적어도 하나의 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2를 통해 전기 접지에 연결된다. 전기 접지는 기본적으로 기준 전위, 특히 0 볼트의 전위를 갖는 전기 전도성 부품을 의미할 수 있다. "제 1" 및 "제 2" 간섭 억제 커패시턴스라는 표현은 순수한 명칭으로서 사용되고, 특히 순서 및/또는 예컨대 추가의 간섭 억제 커패시턴스가 존재하는지의 여부에 대한 정보를 제공하지 않는다. 제 1 및 제 2 간섭 억제 커패시턴스는, 기본적으로 고주파 간섭 및 고전압 도입을 감쇠하도록, 특히 고주파 간섭 및 고전압 도입을 전기 접지에 대해 안내함으로써 예컨대 정전하로부터 보호를 보장하도록 설계된 임의의 전기 커패시터를 의미할 수 있다.
제 1 신호 라인과 제 2 신호 라인 중 적어도 하나와 전기 접지 사이에는 또한 적어도 하나의 측정 저항이 배치된다. 측정 저항은 기본적으로 전류 및/또는 전압 측정이 실시될 수 있는, 임의의 옴 저항을 의미할 수 있다. 제 1 신호 라인 및/또는 제 2 신호 라인은 측정 저항을 통해 전기 접지에 연결될 수 있다. 바람직하게는 측정 저항을 포함하는, 제 1 및/또는 제 2 신호 라인과 전기 접지 사이의 연결부 내에, 적어도 하나의 스위치가 제공될 수 있다. 스위치는, 제 1 신호 라인 및/또는 제 2 신호 라인을 측정 저항 및 전기 접지에, 특히 전기적으로 연결하도록 및/또는 제 1 신호 라인 및/또는 제 2 신호 라인과 측정 저항 및 전기 접지의 연결을 분리하도록 설계된 임의의, 특히 전기 전도성 부품을 의미할 수 있다. 예컨대, 스위치는 폐쇄된 상태에서 제 1 및/또는 제 2 신호 라인을 측정 저항 및 전기 접지에 연결할 수 있고, 개방된 상태에서는 제 1 및/또는 제 2 신호 라인을 측정 저항 및 전기 접지로부터 분리할 수 있다.
측정 저항과 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2는 병렬로 접속될 수 있다. 특히 측정 저항과 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2의 동일한 극들이 서로 연결될 수 있다. 측정 저항과 제 1 간섭 억제 커패시턴스 c1은 병렬로 접속될 수 있다.
제어기는 펌프 셀을 함수 전류로 작동시키도록 설계된다. 함수 전류는 기본적으로 임의의 곡선을 가질 수 있는 임의의 전류일 수 있다. 바람직하게는 함수 전류가 적어도 하나의 전류 펄스를 가질 수 있고, 특히 바람직하게는 함수 전류가 펄스형 주기 곡선을 가질 수 있다. 예컨대, 함수 전류는 사인파 함수 전류, 구형파 전류, 삼각파 전류, 톱니파 전류로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 기본적으로, 함수 전류가 다른 곡선을 가질 수도 있다. "펌프 셀을 함수 전류로 작동시킨다"는 것은 기본적으로 제어기가 펌프 셀, 특히 제 1 및/또는 제 2 전극에 함수 전류를 공급하도록 설계될 수 있는 것을 의미할 수 있다. 함수 전류는 또한 적어도 하나의 펄스 포우즈를 포함할 수 있고, 펄스 포우즈 동안에는 펌프 셀에 전류 펄스가 공급되지 않는다.
본 방법에서, 다수의 상이한 스위칭 상태를 펌프 셀에 적용함으로써, 제 1 간섭 억제 커패시턴스 c1 및 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2가 결정된다. 특히 제어기는 스위치를 포함하고, 바람직하게는 제어기가 다수의 스위치를 포함할 수 있다. 제 1 스위치로서, 상기 스위치는, 측정 저항을 포함하는, 제 2 신호 라인과 전기 접지 사이의 연결부 내에 제공될 수 있다. 또한, 제 2 스위치는 센서 소자와 하기에 상세히 설명되는 기준 전압원 사이의 연결부 내에 제공될 수 있다. 스위칭 상태는 기본적으로 전자 부품의 상태, 특히 적어도 2개의 스위치의 상태, 및/또는 펌프 전류의 흐름 방향에 의해 규정될 수 있다. 제 1 간섭 억제 커패시턴스 c1 및 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2의 결정은 기본적으로 센서 장치의 작동 중에 용량값의 결정, 특히 간섭 억제 커패시턴스의 설정값과의 편차의 결정을 의미할 수 있다.
센서 장치의 추가 작동 시에, 특히 펌프 셀에 전류 및/또는 전압이 펄스형으로 공급되는 펄스 모드에서, 간섭 억제 커패시턴스가 고려될 수 있다. 특히, 센서 장치의 추가 작동 시에 간섭 억제 커패시턴스에 의해 야기되는 오버슈트가 정정될 수 있다. 제 1 및 제 2 간섭 억제 커패시턴스는 프로브의 펄스 모드에서 포지티브 또는 네거티브 펄스의 공급에 따라 재충전될 수 있다. 이러한 재충전은 펌프 전류를 높이거나 낮출 수 있는 추가 전류, 특히 재충전 전류를 야기할 수 있다. 펌프 전류의 이러한 변경은 센서 소자의 펌프 전압의 곡선 내의 오버슈트를 일으킬 수 있다.
또한, 센서 장치의 특성 곡선의 결정시 간섭 억제 커패시턴스가 고려될 수 있다. 센서 장치의 특성 곡선은 공기 비 λ에 대한 펌프 전압의 의존성을 의미할 수 있다. 특히, 재충전 전류에 의한 펌프 전류의 변경 및 그로 인해 생긴 전압 곡선 내 오버슈트들이 센서 장치의 특성 곡선의 결정시 고려될 수 있다.
본 방법은 하기 단계들을 포함할 수 있다:
a) 제 1 결정 단계, 상기 제 1 결정 단계에서 펌프 셀에 제 1 스위칭 상태(z0)가 적용되고, 상기 제 1 결정 단계에서 펌프 전압(Up0)이 검출되며 측정 저항에서 제 1 전압(Ug0)이 결정되고, 상기 제 1 결정 단계에서 또한 제 1 전극과 전기 접지 사이의 전압(Uca0) 및 제 2 전극과 전기 접지 사이의 전압(Uci0)이 결정됨;
b) 제 2 결정 단계, 상기 제 2 결정 단계에서 펌프 셀에 제 2 스위칭 상태(z2)가 적용되고, 상기 제 2 결정 단계에서 제 1 전극과 측정 저항 사이의 전압(Uca2) 및 제 2 전극과 측정 저항 사이의 전압(Uci2)이 결정되며, 또한 상기 제 2 스위칭 상태에서 측정 저항에서의 전압(Ugua)이 검출되고, 재충전 전류의 전하량(Qgua)이 오버슈트로부터 결정됨; 및
c) 제 3 결정 단계, 상기 제 3 결정 단계에서 펌프 셀에 제 3 스위칭 상태(z1)가 적용되고, 상기 제 3 결정 단계에서 제 1 전극과 측정 저항 사이의 전압(Uca1) 및 제 2 전극과 측정 저항 사이의 전압(Uci1)이 결정되며, 측정 저항에서의 전압(Ugui)이 검출되고, 재충전 전류의 전하량(Qgui)이 오버슈트로부터 결정됨.
상기 단계들은 예컨대 상기 순서로 실시될 수 있다. 그러나 다른 순서도 기본적으로 가능하다. 기본적으로 하나의 단계 또는 다수의 단계 또는 모든 단계가 반복해서 실시될 수 있다. "제 1 결정 단계", "제 2 결정 단계" 및 "제 3 결정 단계"라는 표현은 순수한 명칭으로서 사용되며, 특히 순서 및/또는 예컨대 추가의 결정 단계가 존재하는지의 여부에 대한 정보를 제공하지 않는다.
제 1 결정 단계에서, 펌프 전압(Up0)은 함수 전류의 펄스 포우즈의 끝에 검출될 수 있다. 펄스 포우즈의 끝은, 전류 펄스가 다시 공급되기 전에 하나의 펄스 포우즈 내의 시점을 의미할 수 있다. 제 1 스위칭 상태에서, 센서 소자에 기준 전압이 제공될 수 있다. 제 1 스위칭 상태는 전류 없는 상태로, 특히 펌프 셀에 전류 펄스가 공급되지 않는 펄스 포우즈의 상태로 이해될 수 있다. 특히 제 1 스위칭 상태에서 제 2 스위치는 폐쇄된 상태를 가질 수 있으므로 센서 소자에 기준 전압이 공급될 수 있다. 펄스 포우즈 동안 기준 전압은 기본적으로 상기 전압이 펌프 셀의 최대 네거티브 극성보다 크도록 선택될 수 있다. 따라서, 제 1 전극의 전위가 전기 접지의 전위 아래로 떨어지는 것이 방지될 수 있다. 특히, 기준 전압은 2V보다 클 수 있다. 바람직하게는 기준 전압이 3.3V일 수 있다. 특히 센서 장치는 3.3V의 기준 전압을 가진 아날로그/디지털 변환기를 포함할 수 있다. 전압 결정 시에, 센서 장치의 추가 소자들 사이의 전압들은 상기 기준 전압과 관련이 있을 수 있다. 제 2 전극과 전기 접지 사이의 전압(Uci0)은 기준 전압과 동일할 수 있다. 제 1 전극과 전기 접지 사이의 전압(Uca0)은 기준 전압과 펌프 전압(Up0)의 합일 수 있다.
전압(Uca2) 및 전압(Uci2)은 과도 현상 후에 결정될 수 있다. 전압(Uca1) 및 전압(Uci1)은 과도 현상 후에 결정될 수 있다. 과도 현상은 펌프 전압의 고정값과의 20% 미만의 편차, 바람직하게는 펌프 전압의 고정값과의 15% 미만의 편차, 특히 바람직하게는 펌프 전압의 고정값과의 10% 미만의 편차를 갖는 펌프 전압값에 도달할 때까지의 지속 시간을 의미할 수 있다. 기본적으로 과도 현상 없이 전압 결정이 이루어질 수도 있다.
전압의 정확한 결정을 위해, 기본적으로 제 1 스위칭 상태의 최종 상태가 측정되어야 한다. 일반적으로 상기 최종 상태의 정확한 측정은 이루어질 수 없다. 바람직하게는 방법 중에 전압값들의 평균화, 예컨대 70 ㎲에 걸친 평균화가 이루어질 수 있다. 이로부터 나타나는 검출 에러는 펄스 포우즈 동안 펌프 전압의 탈분극 운동에 의존할 수 있다. 하나의 측정 사이클은 단계 a) 내지 c) 중 적어도 하나의 단계가 실시될 수 있는 시간을 의미할 수 있다. 단계 a) 내지 c)는 모두 하나의 측정 사이클 내에 실시될 수 있거나 또는 개별적으로 각각 하나의 측정 사이클에서 실시될 수 있다. 바람직하게는 하나의 측정 사이클이 666 μsec일 수 있다.
제 2 스위칭 상태에서, 제 1 전극은 측정 저항에 연결될 수 있다. 특히, 측정 저항을 포함하는, 제 1 신호 라인과 전기 접지 사이의 연결부 내에 적어도 하나의 스위치가 제공될 수 있고, 상기 스위치는 제 2 스위칭 상태에서 제 1 전극과 측정 저항의 연결을 가능하게 한다. 제 2 스위칭 상태에서 센서 소자에 네거티브 전류 펄스가 제공될 수 있으므로, 펌프 전류는 제 2 전극으로부터 제 1 전극으로 흐른다. 제 2 스위칭 상태에서 펌프 셀에 함수 전류의 전류 펄스, 특히 네거티브 펄스가 제공될 수 있고, 간섭 억제 커패시턴스는 재충전된다. 포지티브 펄스는, 전류가 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 그리고 스위치를 통해 측정 저항으로 흐르는 펄스를 의미할 수 있다. 이와는 달리, 네거티브 펄스에서는 전류가 제 2 전극으로부터 제 1 전극으로 그리고 스위치를 통해 측정 저항으로 흐른다.
간섭 억제 커패시턴스의 재충전은 특히 상이한 스위칭 상태들 간의 전환 시에 이루어질 수 있다. 바람직하게는, 제 1 스위칭 상태와 제 2 스위칭 상태, 제 2 스위칭 상태와 제 1 스위칭 상태, 제 1 스위칭 상태와 제 3 스위칭 상태 그리고 제 3 스위칭 상태와 제 1 스위칭 상태 사이의 전환이 이루어질 수 있다.
제 3 스위칭 상태에서, 제 2 전극은 측정 저항에 연결될 수 있다. 특히, 제 1 스위치는 폐쇄될 수 있고, 제 2 전극과 측정 저항의 연결을 보장할 수 있다. 제 3 스위칭 상태에서 센서 소자에 포지티브 전류 펄스가 공급됨으로써, 펌프 전류는 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 흐른다. 제 3 스위칭 상태에서 펌프 셀에 함수 전류의 펄스, 특히 포지티브 펄스가 제공될 수 있고, 간섭 억제 커패시턴스가 재충전될 수 있다.
전술한 바와 같이, 재충전 전류의 전하량(Qgua)은 오버슈트로부터 결정될 수 있다. 특히, 오버슈트의 시간에 따른 변화 하의 면적은 재충전 전류의 전하량에 비례할 수 있다. 전압(Ugua)은 펄스 지속 시간에 대한 전압 신호의 적분에 의해 결정될 수 있다. 특히, 전압(Ugua)은 최대 100 ㎲, 바람직하게는 최대 80 ㎲, 특히 바람직하게는 약 71 ㎲, 예컨대 70 ±5 ㎲의 적분 시간에 대한 적분에 의해 결정될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 적분 시간은 71 ㎲일 수 있다. 71 ㎲보다 긴 적분 시간도 기본적으로 가능하다. 센서 장치는 시그마-델타 변환기를 포함할 수 있다. 시그마-델타 변환기는 측정 저항에서 검출된 전압 신호를 시간 간격, 특히 적분 시간에 대해 적분하도록 설계될 수 있다. 바람직하게는 적분이 스위치온 에지의 제공에 의해 시작된다. 상기 스위치온 에지는 전류 펄스가 공급될 때 펌프 전압의 거동을 의미할 수 있다. 이렇게 결정된 전압(Ugua)으로부터 오버슈트 없는 전압 신호가 감산될 수 있다. 특히, 제 1 스위칭 상태에서 결정된 전압(Ug0)이 전압(Ugua)으로부터 감산될 수 있고, 함수 전류는 제 1 및 제 2 스위칭 상태에서 전압 측정 시에 동일한 값을 가질 수 있다. 센서 장치는 상이한 스위칭 상태에서 모든 측정 시에 동일한 전류를 공급하도록 설계된 적어도 하나의 전류원을 포함할 수 있다. 전류원은 특히 정전류원일 수 있다. 특히, 적어도 하나의 전류원의 전압 응답과 같은 편차가 측정 에러를 발생시킬 수 있다. 전압들(Ug0) 및 (Ugua)의 차는 재충전 전류의 전하량에 비례할 수 있다. 특히 전하량 Qgua = (Ugua - Ug0)·Tadc/Rgnds일 수 있고, 상기 식에서 Tadc는 시그마-델타 변환기의 변환 시간이고, Rgnds는 측정 저항의 설정값이다. 일 실시예에서 변환 시간은 70 ㎲일 수 있다.
재충전 전류의 전하량(Qgui)에 대해 유사한 결정이 이루어질 수 있다. 특히 전하량 Qgui = (Ugui - Ug0)·Tadc/Rgnds일 수 있다
센서 장치는 전하량(Qgui) 및 (Qgua)의 결정을 실시하도록 설계될 수 있다. 센서 장치는 단계 a) 내지 c)를 실시하도록 설계될 수 있다. 센서 장치는 하나의 측정 사이클에 대한 시작 시점 및/또는 스위칭 상태들 간의 변경을 제어하도록, 바람직하게는 μ초로 정확히 제어하도록 설계될 수 있다. 센서 장치의 바람직한 실시예에서, 센서 장치는 아날로그 저역 필터와 델타-시그마 변환기로 이루어진 결합체를 포함할 수 있다. 기본적으로 다른 실시예도 가능하다. 예컨대, 아날로그 적분기가 사용될 수 있고, 그 최종값이 샘플링되며 AD 변환될 수 있다.
재충전 전류의 상기 측정된 전하량(Qgua) 및 (Qgui)은 재충전의 기대되는 전하량과 비교될 수 있다.
방법은 또한 하기 단계들을 포함할 수 있다:
ⅰ) 전압(Uci0)과 전압(Uci2)의 차이(dUci2) 및 전압(Uca0)과 전압(Uca2)의 차이(dUca2)가 결정되는 제 1 결정 단계;
ⅱ) 전압(Uci0)과 전압(Uci1)의 차이(dUci1) 및 전압(Uca0)과 전압(Uca1)의 차이(dUca1)가 결정되는 제 2 결정 단계;
ⅲ) 간섭 억제 커패시턴스 c1 및 c2가 결정되는 제 3 결정 단계.
단계들은 예컨대 상기 순서로 실시될 수 있다. 그러나 다른 순서로도 기본적으로 가능하다. 기본적으로 하나의 단계 또는 다수의 단계 또는 모든 단계가 반복해서 실시될 수 있다. "제 1 결정 단계", "제 2 결정 단계" 및 "제 3 결정 단계"라는 표현은 순수한 명칭으로서 사용되고, 특히 순서 및/또는 예컨대 추가의 결정 단계가 존재하는지의 여부에 대한 정보를 제공하지 않는다.
제 3 결정 단계에서, 선형 방정식을 풀면 간섭 억제 커패시턴스 c1 및 c2가 결정될 수 있다. 특히, 간섭 억제 커패시턴스는 방정식
dUci2·c1 + dUca2 ·c2 = Qgua
dUci1·c1 + dUca1 ·c2 = Qgui
을 풀면 결정될 수 있다. 오버슈트가 큰 경우, 간섭 억제 커패시턴스의 정확한 결정이 이루어질 수 있다. 간섭 억제 커패시턴스의 재충전 과정의 면적, 오버슈트 하의 면적이 스위칭 시간의 공차가 결과에 가급적 적은 영향을 주며 재충전 과정이 적분 시간보다 더 길지 않을 정도의 크기이면, 간섭 억제 커패시턴스의 정확한 결정이 이루어질 수 있다. 기본적으로 센서 소자를 16 mA의 전류로 작동시키는 것은 선행 기술에 공지되어 있고, 이 경우 측정 저항은 100 Ω이다. 본 발명의 범위에서, 센서 소자를 가급적 작은 전류로 작동시키는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 가급적 작은 전류는 예컨대 16 mA 미만의, 바람직하게는 12.5 mA 미만의, 특히 바람직하게는 10 mA의 전류를 의미할 수 있다. 그러나 다른 전류도 가능하다. 예컨대, 센서 장치는 센서 소자를 작동시키는 전류의 조절을 가능하게 함으로써 설정을 가능하게 하는, 설정 가능한 전류원을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서 센서 소자는 10 mA의 전류로 작동될 수 있다. 그러나 다른 전류도 가능하다. 측정 저항은 이 바람직한 실시예에서 예컨대 100 Ω의 저항을 가질 수 있고, 센서 소자의 저항은 예컨대 26 Ω일 수 있다. 그러나 다른 저항도 가능하다. 간섭 억제 커패시턴스의 결정시, 전압(Uci(1/2))은 예컨대 3.3V로부터 1.26V로 재충전될 수 있다. 그러나 다른 전압도 가능하다. 10 mA로 전류의 강하 시에도 펌프 전압의 측정이 가능한 것을 보장하기 위해, 포지티브 펄스 전, 특히 제 3 스위칭 상태 전, 펄스 포우즈의 지속 시간은 펌프 전압 측정이 실시될 수 있도록 선택될 수 있다. 바람직하게는 센서 소자가 λ=1 조절 모드로 작동될 수 있고, 이 모드에서 펌프 전류 수요는 적을 수 있다. 따라서, 펄스 포우즈의 지속 시간이 전체 측정 사이클에 비해 너무 커지는 것이 방지될 수 있다. 특히, 펄스 포우즈의 지속 시간은 측정 사이클의 15%, 바람직하게는 10%, 특히 바람직하게는 5% 일 수 있다. 또한, 바람직하게는 펌프 전압이 다수의 스위칭 사이클에 걸쳐 변경되지 않을 수 있는데, 그 이유는 검출될 전압값들이 다수의 사이클에 걸쳐 시간적으로 분배될 수 있기 때문이다. 그러나 기본적으로 펌프 전압의 10% 범위, 바람직하게는 5%의 범위, 특히 바람직하게는 1%의 범위의 변경이 가능할 수 있다. 펌프 전압은 λ=1-통과 후에 매우 안정할 수 있고, λ=1-통과 동안 덜 안정할 수 있다. 하나의 스위칭 사이클은 제 1, 제 2 및 제 3 스위칭 상태로부터 선택된 적어도 하나의 스위칭 상태와 제 1, 제 2 및 제 3 스위칭 상태로부터 선택된 다른 스위칭 상태 사이의 변동을 의미할 수 있다.
센서 장치는 전술한 바와 같이 시그마-델타 변환기를 포함할 수 있고, 본 방법은 비선형성 정정을 포함할 수 있다. 기본적으로 실제 시그마-델타 변환기는 비 정상성 신호를 비선형이 아니라 이상적인 시그마-델타 변환기 신호에 비해 왜곡되게 나타낼 수 있으므로, 전압값의 비선형성 정정이 필요할 수 있다. 비선형성 정정은 간섭 억제 커패시턴스에 의존할 수 있는 정정 함수로 이루어질 수 있다. 정정 함수는 실제 시그마-델타 변환기와 시뮬레이트된, 이상적인 시그마-델타 변환기의 비교에 의해 이루어질 수 있다. 시그마-델타 변환기의 기능을 간섭 억제 커패시턴스의 결정 동안에도 보장하기 위해, 간섭 억제 커패시턴스의 반복되는 결정이 이루어질 수 있다. 특히, 제 1 정정 단계에서 비-정정된 시그마-델타 변환기 신호로 비-정정된 간섭 억제 커패시턴스의 결정이 이루어질 수 있고, 비-정정된 간섭 억제 커패시턴스로 비선형성 정정이 실시될 수 있다. 후속 정정 단계에서 전압값들(Ugui-Ug0) 및 (Ugua-Ug0)의 정정된 차이가 결정될 수 있고, 정정된 간섭 억제 커패시턴스의 결정이 이루어진다. 이 정정 단계는 비선형성 정정의 소정 정확도를 달성하기 위해 특히 개별적으로 또는 둘다 반복해서 실시될 수 있다.
본 발명의 다른 양상에서, 센서 장치가 제공된다. 센서 장치는 측정 가스 챔버 내 가스의 성분의 적어도 하나의 비율을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 소자를 포함한다. 센서 소자는 적어도 하나의 제 1 전극 및 적어도 하나의 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 전극은 적어도 하나의 측정 공동부 내에 배치된다. 측정 공동부에는 적어도 하나의 확산 배리어를 통해 측정 가스 챔버로부터 나온 가스가 제공될 수 있다. 제 1 전극 및 제 2 전극은 적어도 하나의 전해질을 통해 연결되며 하나의 펌프 셀을 형성한다. 센서 장치는 또한 적어도 하나의 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 적어도 하나의 제 1 신호 라인을 통해 제 1 전극에 연결된다. 제어기는 적어도 하나의 제 2 신호 라인을 통해 제 2 전극에 연결된다. 제 1 신호 라인은 적어도 하나의 제 1 간섭 억제 커패시턴스 c1를 통해 전기 접지에 연결된다. 제 2 신호 라인은 적어도 하나의 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2를 통해 전기 접지에 연결된다. 제 1 신호 라인과 제 2 신호 라인 중 적어도 하나와 전기 접지 사이에 적어도 하나의 측정 저항이 배치된다. 제어기는 펌프 셀을 함수 전류로 작동시키도록 설계된다.
센서 장치는 상기의 또는 하기의 실시예들 중 하나에 따른 방법을 실시하도록 설계된다. 예컨대 제어기는 방법을 예컨대 프로그램 기술로 실시하도록 설계될 수 있다. 센서 장치의 가능한 실시예에 대해서는 방법의 상기 설명이 참조될 수 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 방법의 각각의 단계를 실시하도록 설계된 컴퓨터 프로그램, 상기 컴퓨터 프로그램이 저장된 전자 저장 매체, 및 상기 저장 매체를 포함하는 전자 제어 유닛에 관한 것이다.
전술한 방법은 선행 기술에 공지된 방법에 비해 바람직하다. 특히, 간섭 억제 커패시턴스의 실제 값이 검출될 수 있어서, 제조 공차, 온도 범위 및 간섭 억제 커패시턴스의 장기간 드리프트가 특성 곡선 교정 시에 고려될 수 있다. 또한, ±10 ㎂보다 작은 펌프 전류 정확도가 필요할 수 있는 용도에도 센서 장치의 사용이 가능해질 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 3개의 스위칭 상태에서 센서 장치의 등가 회로도.
도 2는 재충전 전류의 결정에 대한 개략도.
도 3a 내지 도 3c는 시간에 따른 펌프 전류의 곡선, 제 1 전극 및 제 2 전극에서의 전압 곡선, 및 제 1 전극 및 제 2 전극의 전압들의 차이를 나타내는 곡선.
도 1a 내지 도 1c에는 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위한 3개의 스위칭 상태에서 센서 장치(110)의 등가 회로도가 도시되어 있다. 센서 장치(110)는 측정 가스 챔버(114) 내의 가스의 성분의 적어도 하나의 비율을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 소자(112)를 포함한다. 측정 가스 챔버(114)는 특히 내연기관의 배기 가스 시스템일 수 있고, 가스는 배기 가스일 수 있다. 특히 센서 소자(112)는 가스 내의 산소의 비율을 결정하도록 설계될 수 있다.
센서 소자(112)는 적어도 하나의 제 1 전극(116) 및 제 2 전극(118)을 포함한다. 제 1 전극(116)은 예컨대 외부 펌프 전극으로서 형성될 수 있고 도 1a 내지 도 1c의 등가 회로도에 APE로 표시되어 있다. 제 1 전극(118)에는 측정 가스 챔버(114)로부터 나온 가스가 공급될 수 있고, 제 1 전극(118)은 예컨대 가스 투과성 층으로 측정 가스 챔버(114)에 연결될 수 있다. 제 2 전극(18)은 적어도 하나의 측정 공동부(120)(도시되지 않음) 내에 배치된다. 측정 공동부(120)는 적어도 하나의 확산 배리어(122)를 통해 측정 가스 챔버(114)에 연결된다. 예컨대 센서 소자는 가스 공급 채널을 포함할 수 있다. 측정 공동부(120)는 완전히 또는 부분적으로 개방되어 형성될 수 있고 여러 부분으로 구성될 수 있다. 예컨대 측정 공동부(120)는 예컨대 다공성 산화알루미늄으로 완전히 또는 부분적으로 채워질 수 있다. 측정 공동부(120) 및 확산 배리어(122)의 형성과 관련해서, 예컨대 Konrad Reif(발행) "Sensoren im Kraftfahrzeug", 제 2권 2012, 페이지 160-165에 개시된, 선행 기술의 선세 소자가 참조될 수 있다. 제 2 전극(118)은 내부 펌프 전극으로서 형성될 수 있고 도 1a 내지 도 1c의 등가 회로도에 IPE로 표시되어 있다. 제 1 전극(116) 및 제 2 전극(118)은 예컨대 이트륨-안정화된 이산화지르코늄(YSZ) 및/또는 스칸듐-도핑된 이산화지르코늄(ScSZ)으로 이루어진 적어도 하나의 고체 전해질(124)(마찬가지로 여기에 도시되지 않음)을 통해 연결된다. 고체 전해질(124)의 형성과 관련해서도 상기 선행 기술이 참조될 수 있다. 제 1 전극(116) 및 제 2 전극(118)은 하나의 펌프 셀(126)을 형성한다.
센서 장치(110)는 또한 적어도 하나의 제어기(128)를 포함한다. 제어기(128)는 완전히 또는 부분적으로 센서 소자(112) 내에 통합될 수 있거나, 또는 대안으로서 완전히 또는 부분적으로 다른 부품, 예컨대 플러그 및/또는 모터 제어기 내에 통합될 수 있다. 제어기(128)는 적어도 하나의 제 1 신호 라인(130)을 통해 제 1 전극(116)에 연결된다. 제어기(128)는 적어도 하나의 제 2 신호 라인(132)을 통해 제 2 전극에 연결된다. 제 1 신호 라인(130)은 적어도 하나의 제 1 간섭 억제 커패시턴스 c1(134)를 통해 전기 접지(136)에 연결된다. 제 2 신호 라인(132)은 적어도 하나의 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2(138)를 통해 전기 접지(136)에 연결된다. 제 1 신호 라인(130) 및 제 2 신호 라인(132) 중 적어도 하나와 전기 접지(136) 사이에 적어도 하나의 측정 저항(140)이 배치된다. 제 1 신호 라인(130) 및/또는 제 2 신호 라인(132)은 측정 저항(140)을 통해 전기 접지(136)에 연결될 수 있다. 바람직하게는 측정 저항(140)을 포함하는, 제 1 신호 라인(130) 및/또는 제 2 신호 라인(132)과 전기 접지(136) 사이의 연결부 내에, 적어도 하나의 스위치(142)가 제공된다. 측정 저항(140)과 간섭 억제 커패시턴스 cl(134), 및/또는 측정 저항(140)과 간섭 억제 커패시턴스 c2(138)는 병렬로 접속될 수 있다.
제어기(128)는 펌프 셀(126)을 함수 전류로, 특히 펄스형 구형파 전류로 작동시키도록 설계될 수 있다. 본 방법에서는 다수의 상이한 스위칭 상태를 펌프 셀(126)에 적용함으로써, 제 1 간섭 억제 커패시턴스 cl(134) 및 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2(138)가 결정된다.
도 1a에는 제 1 스위칭 상태(144)가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 방법은 펌프 셀(126)에 제 1 스위칭 상태(144)가 적용되는 제 1 결정 단계를 포함할 수 있다. 제 1 스위칭 상태(144)는 전류 없는 상태일 수 있고, 특히 함수 전류의 펄스 포우즈 동안 펌프 셀(126)에 제 1 스위칭 상태(144)가 적용될 수 있다. 특히 제 1 전극(116)은 전류원(145)에 연결될 수 있다. 제 1 결정 단계에서 펌프 전압(Up0)이 검출될 수 있고 측정 저항(140)에서의 제 1 전압(Ug0)이 결정될 수 있다. 화살표(146)는 펌프 전압(Up0)의 방향을 나타낸다. 펌프 전압(Up0)은 함수 전류의 펄스 포우즈의 끝에서 검출될 수 있다. 제 1 결정 단계에서, 또한 제 1 전극(116)과 전기 접지(136) 사이의 전압(Uca0) 및 제 2 전극(118)과 전기 접지(136) 사이의 전압(Uci0)이 결정될 수 있다. 제 1 스위칭 단계(144)에서 센서 소자(112), 특히 제 2 전극(118)에 기준 전압이 제공될 수 있다. 특히 센서 장치(110)는 센서 소자(112)에 기준 전압을 제공하도록 설계된 기준 전압원(148)을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예에서, 기준 전압은 예컨대 3.3 V일 수 있다. 제 2 신호 라인(132)과 기준 전압원(148) 사이에 스위치(150)가 배치될 수 있고, 스위치(150)의 폐쇄 상태에서 기준 전압원(148) 및 센서 소자(112)가 접속된다. 화살표(152)는 펌프 전류의 방향을 지시한다.
도 1b는 제 2 스위칭 상태(154)를 도시한다. 본 발명에 따른 방법은 제 2 결정 단계를 포함할 수 있고, 제 2 결정 단계에서 펌프 셀(126)에는 제 2 스위칭 상태(154)가 적용될 수 있다. 제 2 스위칭 상태(154)에서, 펌프 셀(126)에는 함수 전류의 펄스, 특히 네거티브 펄스가 제공될 수 있고, 이 경우 제 1 간섭 억제 커패시턴스 cl(134) 및 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2(138)가 재충전될 수 있다. 또한, 제 1 신호 라인(130)은 측정 저항(140)에 연결될 수 있고, 제 1 신호 라인과 측정 저항(140) 사이의 스위치(142)가 폐쇄될 수 있다. 제 2 결정 단계에서, 제 1 전극(116)과 측정 저항(140) 사이의 전압(Uca2) 및 제 2 전극(118)과 측정 저항(140) 사이의 전압(Uci2)이 결정될 수 있다. 전압(Uca2) 및 전압(Uci2)은 과도 현상 후에 결정될 수 있다. 또한, 제 2 스위칭 상태(154)에서 측정 저항(140)에서의 제 2 전압(Ugua)이 검출될 수 있고 재충전 전류의 전하량(Qgua)이 오버슈트로부터 결정될 수 있다.
재충전 전류의 전하량(Qgua)의 결정은 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 도 2의 좌측 부분에는 측정 저항에서의 전압 곡선이 시간에 따라 도시되어 있다. 상기 전압 신호는 적어도 2개의 신호 성분을 포함할 수 있다. 전압 신호의 이런 구성은 도 2의 중간 부분에 도시된다. 제 1 신호 성분(156)은 함수 전류의 함수, 예컨대 여기서는 구형 함수에 따른 전압(Ug0)의 신호일 수 있고, 상기 신호는 도 2의 중간 부분에서 굵은 실선으로 표시된다. 제 2 신호 성분(158)은 간섭 억제 커패시턴스들(134, 138)의 재충전에 의해 야기된 오버슈트일 수 있다. 제 2 신호 성분(158)은 도 2의 중간 부분에서 가는 실선으로 표시된다. 전압(Ugua)은 펄스 지속시간에 대한 상기 전압 신호의 적분에 의해 결정될 수 있다. 특히 전압(Ugua)은 예컨대 전류 펄스의 최소 지속시간에 상응하는 적분 시간에 대한 적분에 의해 결정될 수 있다. 전류 펄스의 지속 시간은 예컨대 90 ㎲ 내지 391 ㎲일 수 있다. 그러나 다른 펄스 지속 시간도 기본적으로 가능하다. 예컨대, 적분 시간은 71.04 ㎲일 수 있다. 센서 장치(110)는 시그마-델타 변환기를 포함할 수 있다. 시그마-델타 변환기는 시간 간격, 특히 적분 시간에 대해 전압 신호를 적분하도록 설계될 수 있다. 바람직하게는 적분이 스위치온 에지의 제공에 의해 시작될 수 있다. 그렇게 결정된 전압(Ugua)으로부터 오버슈트 없는 전압 신호, 특히 제 1 신호 성분이 감산될 수 있다. 전압들(Ug0 및 Ugua)의 차이(160)는 도 2의 우측 부분에서 굵은 파선으로 표시되며 재충전 전류의 전하량(Qgua)에 비례할 수 있다.
도 1c에는 제 3 스위칭 상태(162)가 도시되어 있다. 본 발명에 따른 방법은 제 3 결정 단계를 포함할 수 있고, 상기 결정 단계에서 펌프 셀(126)에는 제 3 스위칭 상태(126)가 적용된다. 제 3 스위칭 상태(162)에서 펌프 셀(126)에는 함수 전류의 펄스, 특히 포지티브 펄스가 제공될 수 있고, 간섭 억제 커패시턴스(134, 138)가 재충전된다. 제 3 결정 단계에서 제 1 전극(116)과 측정 저항(140) 사이의 전압(Uca1) 그리고 제 2 전극(118)과 측정 저항(140) 사이의 전압(Uci1)이 결정될 수 있다. 전압(Uca1) 및 전압(Uci1)은 과도 현상 후에 결정될 수 있다. 또한, 측정 저항(140)에서 전압(Ugui)이 검출될 수 있고 재충전 전류의 전하량(Qgui)이 오버슈트로부터 결정될 수 있다. 전하량(Qgui)의 결정은 도 2에 도시된 재충전 전류의 전하량(Qgua)의 결정과 유사하게 이루어질 수 있다.
상이한 스위칭 상태들 간의 전환은 특히 제 1 스위칭 상태(144)와 제 2 스위칭 상태(154), 제 2 스위칭 상태(154)와 제 1 스위칭 상태(144), 제 1 스위칭 상태(144)와 제 3 스위칭 상태(162), 그리고 제 3 스위칭 상태(162)와 제 1 스위칭 상태(144) 사이에서 이루어질 수 있다. 또한, 본 방법은 제 1 결정 단계를 포함할 수 있고, 이 경우 전압(Uci0)과 전압(Uci2)의 차(dUci2) 그리고 전압(Uca0)과 전압(Uca2)의 차(dUca2)가 결정된다. 본 방법은 제 2 결정 단계를 포함할 수 있고, 이 경우 전압(Uci0)과 전압(Uci1)의 차(dUci1) 그리고 전압(Uca0)과 전압(Uca1)의 차(dUca1)가 결정된다. 또한, 본 방법은 제 3 결정 단계를 포함할 수 있고, 이 경우 간섭 억제 커패시턴스들 c1 및 c2이 결정된다. 제 3 결정 단계에서, 선형 방정식을 풀면 간섭 억제 커패시턴스 c1(134) 및 c2(138)가 결정될 수 있다.
도 3a에는 센서 소자(112)에 제공될 수 있는 펌프 전류의 곡선이 시간에 따라 도시되어 있다. 센서 소자(112)는 펄스 모드로 작동될 수 있고, 이 실시예의 경우 이 모드에서 펌프 셀(126)에 펄스형 전류가 제공된다. 도 3a에는 함수 전류, 여기서는 구형 전류의 포지티브 및 네거티브 펄스가 시간에 따라 도시되어 있다. 도 3c에는 제 1 전극(116)과 제 2 전극(118) 간의 전압차(ΔU)의 곡선이 도시되어 있다. 도 3a의 펌프 전류 및 도 3c의 전압차는 간섭 억제 커패시턴스(134, 138)의 재충전 전류에 의한 오버 슈트, 구형 함수와의 편차를 나타낸다.
도 3c에는 본 발명에 따른 방법에서 결정된 전압(Ux)의 곡선이 시간에 따라 도시되어 있다. 곡선(164)은 측정 저항(140)에서 강하하는 전압의 곡선이다. 곡선(166) 또는 곡선(168)은 전기 접지(136)와 제 1 전극(116) 또는 제 2 전극(118) 사이의 전압의 곡선이다. 시점(t0)에서 센서 소자(112)에 제 1 스위칭 상태(144)가 적용될 수 있다. 제 2 전극(118)과 전기 접지(136) 사이의 전압(Uci0)은 도면 부호 170으로, 그리고 제 1 전극(116)과 전기 접지(136) 사이의 전압(Uca0)은 도면 부호 172로 표시된다. 시점(t1)에서 센서 소자(112)에 제 2 스위칭 상태(154)가 적용될 수 있다. 제 1 전극(116)과 측정 저항(140) 사이의 전압(Uca2)은 도면 부호 174로, 그리고 제 2 전극(118)과 측정 저항(140) 사이의 전압(Uci2)은 도면 부호 176으로 표시된다. 시점(t2)에 센서 소자(112)에 반복해서 제 1 스위칭 상태(144)가 적용될 수 있다. 또한, 시점(t3)에 센서 소자(112)에 제 3 스위칭 상태(162)가 적용될 수 있다. 제 1 전극(116)과 측정 저항(140) 사이의 전압(Uca1)은 도면 부호 178로, 그리고 제 2 전극(118)과 측정 저항(140) 사이의 전압(Uci1)은 도면 부호 180으로 표시된다.
센서 장치(110)의 추가 작동 시에, 특히 전류 및/또는 전압이 펌프 셀(126)에 펄스형으로 제공되는 펄스 모드에서, 간섭 억제 커패시턴스들(134, 138)이 고려될 수 있고, 특히 재충전 전류에 의해 야기된 오버슈트가 정정될 수 있다. 또한, 센서 장치(110)의 특성 곡선의 결정시 간섭 억제 커패시턴스(134, 138)가 고려될 수있다.
110 센서 장치
112 센서 소자
114 측정 가스 챔버
116 제 1 전극
118 제 2 전극
120 측정 공동부
122 확산 배리어
124 고체 전해질
126 펌프 셀
128 제어기
130 제 1 신호 라인
132 제 2 신호 라인
134 간섭 억제 커패시턴스 c1
138 간섭 억제 커패시턴스 c2
140 측정 저항

Claims (13)

  1. 센서 장치(110)의 작동 방법으로서, 상기 센서 장치(110)는 측정 가스 챔버(114) 내의 가스의 성분의 적어도 하나의 비율을 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 소자(112)를 포함하고, 상기 센서 소자(112)는 적어도 하나의 제 1 전극(116) 및 적어도 하나의 제 2 전극(118)을 포함하며, 상기 제 2 전극(118)은 적어도 하나의 측정 공동부(120) 내에 배치되고, 상기 측정 공동부(120)에는 적어도 하나의 확산 배리어(122)를 통해 상기 측정 가스 챔버(114)로부터 나온 가스가 공급될 수 있으며, 상기 제 1 전극(116) 및 상기 제 2 전극(118)은 적어도 하나의 고체 전해질(124)을 통해 연결되며 하나의 펌프 셀(126)을 형성하고, 상기 센서 장치(110)는 또한 적어도 하나의 제어기(128)를 포함하며, 상기 제어기(128)는 적어도 하나의 제 1 신호 라인(130)을 통해 상기 제 1 전극(116)에 연결되고, 상기 제어기(128)는 적어도 하나의 제 2 신호 라인(132)을 통해 상기 제 2 전극(118)에 연결되고, 상기 제 1 신호 라인(130)은 적어도 하나의 제 1 간섭 억제 커패시턴스 cl(134)를 통해 전기 접지(136)에 연결되며, 상기 제 2 신호 라인(132)은 적어도 하나의 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2(138)를 통해 상기 전기 접지(136)에 연결되고, 상기 전기 접지(136)와 상기 제 1 신호 라인(130) 및 상기 제 2 신호 라인(132) 중 적어도 하나 사이에 적어도 하나의 측정 저항(140)이 배치되며, 상기 제어기(128)는 상기 펌프 셀(126)을 함수 전류로 작동시키도록 설계되고, 상기 방법에서는 다수의 상이한 스위칭 상태를 상기 펌프 셀(126)에 적용함으로써, 상기 제 1 간섭 억제 커패시턴스 cl(134) 및 상기 제 2 간섭 억제 커패시턴스 c2(138)가 결정되는, 센서 장치의 작동 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서 장치(110)의 추가 작동 시에, 특히 전류 및/또는 전압이 상기 펌프 셀(126)에 펄스형으로 공급되는 펄스 모드에서, 상기 간섭 억제 커패시턴스들이 고려되는, 센서 장치의 작동 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 센서 장치(110)의 추가 작동 시에 상기 간섭 억제 커패시턴스들(134, 138)에 의해 야기되는 오버슈트가 정정되는, 센서 장치의 작동 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치(110)의 특성 곡선의 결정시 상기 간섭 억제 커패시턴스들(134, 138)이 고려되는, 센서 장치의 작동 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    ⅲ) 제 1 결정 단계로서, 상기 제 1 결정 단계에서 상기 펌프 셀(126)에 제 1 스위칭 상태(144)가 적용되고, 상기 제 1 결정 단계에서 펌프 전압(Up0)이 검출되며 상기 측정 저항(140)에서 제 1 전압(Ug0)이 결정되고, 상기 제 1 결정 단계에서 또한 상기 제 1 전극(116)과 상기 전기 접지(136) 사이의 전압(Uca0) 및 상기 제 2 전극(118)과 상기 전기 접지(136) 사이의 전압(Uci0)이 결정되는, 상기 제 1 결정 단계;
    ⅳ) 제 2 결정 단계로서, 상기 제 2 결정 단계에서 상기 펌프 셀(126)에 제 2 스위칭 상태(154)가 적용되고, 상기 제 2 결정 단계에서 상기 제 1 전극(116)과 상기 측정 저항(140) 사이의 전압(Uca2) 및 상기 제 2 전극(118)과 상기 측정 저항(140) 사이의 전압(Uci2)이 결정되며, 또한 상기 제 2 스위칭 상태(154)에서 상기 측정 저항(140)에서의 제 2 전압(Ugua)이 검출되고, 재충전 전류의 전하량(Qgua)이 오버슈트로부터 결정되는, 상기 제 2 결정 단계; 및
    ⅴ) 제 3 결정 단계로서, 상기 제 3 결정 단계에서 상기 펌프 셀(126)에 제 3 스위칭 상태(162)가 적용되고, 상기 제 3 결정 단계에서 상기 제 1 전극(116)과 상기 측정 저항(140) 사이의 전압(Uca1) 및 상기 제 2 전극(118)과 상기 측정 저항(140) 사이의 전압(Uci1)이 결정되며, 상기 측정 저항에서의 전압(Ugui)이 검출되고, 재충전 전류의 전하량(Qgui)이 오버슈트로부터 결정되는, 상기 제 3 결정 단계를 포함하는, 센서 장치의 작동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 스위칭 상태(154)에서 상기 펌프 셀(126)에 상기 함수 전류의 펄스, 특히 네거티브 펄스가 제공되고, 상기 간섭 억제 커패시턴스들(134, 138)이 재충전되는, 센서 장치의 작동 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 제 3 스위칭 상태(162)에서 상기 펌프 셀(126)에 상기 함수 전류의 펄스, 특히 포지티브 펄스가 제공되고, 상기 간섭 억제 커패시턴스들(134, 138)이 재충전되는, 센서 장치의 작동 방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    ⅳ) 전압(Uci0)과 전압(Uci2)의 차이(dUci2) 및 전압(Uca0)과 전압(Uca2)의 차이(dUca2)가 결정되는 제 1 결정 단계;
    ⅴ) 전압(Uci0)과 전압(Uci1)의 차이(dUci1) 및 전압(Uca0)과 전압(Uca1)의 차이(dUca1)가 결정되는 제 2 결정 단계;
    ⅲ) 간섭 억제 커패시턴스 c1(134) 및 c2(138)가 결정되는 제 3 결정 단계를 포함하는, 센서 장치의 작동 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 3 결정 단계에서, 선형 방정식을 풀면 상기 간섭 억제 커패시턴스 c1(134) 및 c2(138)가 결정되는, 센서 장치의 작동 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치(110)는 시그마-델타 변환기를 포함하고, 상기 방법은 비선형성 정정을 포함하는, 센서 장치의 작동 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법의 각각의 단계를 실시하도록 설계되는 컴퓨터 프로그램.
  12. 제 11 항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장된 전자 저장 매체.
  13. 제 12 항에 따른 전자 저장 매체를 포함하는 전자 제어 유닛.
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