WO2024068533A1 - Diagnose-verfahren zum betreiben eines sensors zum nachweis mindestens eines anteils einer messgaskomponente mit gebundenem sauerstoff in einem messgas - Google Patents

Abstract

Es wird ein Diagnose-Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird ein elektronisches Steuergerät (122), das zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss (P1) für eine erste Pumpzelle (112) eines Sensorelements (110) des Sensors (100) und einen zweiten gesonderten Anschluss (P2) für eine zweite Pumpzelle (140) des Sensorelements (110) des Sensors (100) verfügt, mit dem Sensorelement (110) verbunden wird, wobei die erste Pumpzelle (112) mittels einer elektrisch leitenden Verbindung (120) mit dem ersten gesonderten Anschluss (P1) verbunden wird, wobei die zweite Pumpzelle (140) mittels einer elektrisch leitenden Verbindung (146) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbunden wird, wobei in der elektrisch leitenden Verbindung (146), die die zweite Pumpzelle (140) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbindet, ein Messwiderstand (160) vorgesehen wird, wobei mittels des Steuergeräts (122) eine Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle (140) zum Erzeugen eines Messsignals (U_P2p-P2n) an dem Messwiderstand (160) durchgeführt wird, wobei die elektrisch leitende Verbindung (146), die die zweite Pumpzelle (140) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbindet, als intakt identifiziert wird, falls ein Betrag einer zeitlichen Veränderung des Messsignals (U_P2p-P2n) während der Strom- und/oder Spannungsanregung einen vorbestimmten Schwellwert (212) überschreitet, und als defekt identifiziert wird, falls der Betrag der zeitlichen Veränderung des Messsignals (U_P2p-P2n) während der Strom- und/oder Spannungsanregung den vorbestimmten Schwellwert (212) unterschreitet.

Description

Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren und Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenem Sauerstoff erzeugt wird, bekannt.

Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, die auch verkürzt oder vereinfacht NO_x-Sensoren oder Stickoxid-Sensoren bezeichnet werden, sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347 beschrieben.

Stickoxid-Sensoren (= NO_x-Sensoren), die heutzutage in der Automobiltechnik eingesetzt werden, funktionieren nach dem Grenzstromprinzip, analog zu Sauerstoff-Sensoren, wie beispielsweise Lambda Sensoren. Ein solcher Stickoxid-Sensor umfasst eine Nernst- Konzentrationszelle, die auch Referenzzelle genannt wird, eine modifizierte Sauerstoffpumpzelle und eine weitere modifizierte Sauerstoffpumpzelle, die sogenannte NO_x-Zelle. Eine äußere Pumpelektrode, die alternativ entweder dem Abgas ausgesetzt ist oder über einen Luftkanal Kontakt zur Umgebungsluft hat und eine innere Pumpelektrode in einem ersten Hohlraum, der vom Abgas durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist, bilden die Sauerstoffpumpzelle. Im ersten Hohlraum befindet sich auch die Nernstelektrode und in einem Referenzgasraum die Referenzelektrode, die zusammen die Nernstzelle bzw. Referenzzelle bilden. Die NO_x-Zelle umfasst eine NOx-Pumpelektrode und eine Gegenelektrode. Die NO_x-Pumpelektrode befindet sich in einem zweiten Hohlraum, der mit dem ersten inneren Hohlraum verbunden und von diesem durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist. Die Gegenelektrode befindet sich in dem Referenzgasraum. Alle Elektroden in dem ersten und zweiten Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter.

Bei Betrieb des Stickoxid-Sensor wird der sogenannten O2-Zelle der Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbunden ist, entfernt. Der dadurch resultierende Pumpstrom ist dann proportional zum Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. In der NO_x-Zelle werden die Stickoxide abgepumpt. Das Stickoxid NO_X, in der in den zweiten Hohlraum befindlichen Atmosphäre, wird durch Anlegen einer konstanten Pumpspannung reduziert bzw. abgebaut. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NO_X stammt, wird in einen Referenzgasraum abgepumpt. So hat die angelegte Pumpspannung gegen den Widerstand der NO_x-Zelle und der Konzentration des Stickoxids NO_X bzw. Sauerstoffs einen Pumpstrom zur Folge, der proportional zum Gehalt an Stickoxid NO_X bzw. Sauerstoff ist und das NO_x-Messsignal darstellt.

Der dabei resultierende Pumpstrom I P2 ist somit ein Maß für die NO_X- Konzentration der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. Bei dieser Anordnung ist es wichtig, dass an der Sauerstoffzelle nicht auch die Stickoxide abgepumpt werden, da sonst an der NO_x-Zelle kein Signal mehr gemessen werden könnte. Dies wird durch eine Gold-Dotierung der O2-Zelle erreicht. Zusätzlich darf die O2-Zelle nur bei niedrigen Pumpspannungen betrieben werden, da sonst wieder NO_x-Moleküle dissoziiert würden.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und

Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch

Verbesserungspotenzial. Die Temperatur des Sensorelements wird durch eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Heizerversorgung (Spannung, Strom) gesteuert. Die Spannung des PWMs wird über einen Feldeffekttransistor (FET) direkt von der Versorgungspannung (typischerweise 13.5 V) der Sensorsteuereinheit (SCU) abgegriffen. Dadurch liegt in der An-Phase des PWMs die SCU-Versorgungsspannung des Systems an den Heizmäander des Sensorelements in der Sensor-Probe an. Der Strom an NOx-Messsignal ist sehr klein wie beispielsweise. 4,5 pA bei 1500 ppm NOx und damit auch äußerst empfindlich gegenüber Störungen und Einkopplungen. Aufgrund der baulichen Nähe der Heizmäander zu der NOx Zelle wird während der An-Phase des PWM- Signals durch kapazitive Kopplung und Leckströme ein Strom auf die Leitung zwischen dem P2-Pin am Steuergerät (NOx-Mess- und Regelungsschaltung) und dem P2-Pin der NOx-Zelle bzw. der Gegenelektrode der NOx-Zelle eingeprägt. Durch diese Störung wird ein Offset zu dem tatsächlichen NOx Wert messbar.

Die Anforderungen der Umweltbehörden verlangen eine kontinuierliche und verlässliche Diagnose von Leitungsunterbrechungen der Leitung zwischen dem P2-Pin am Steuergerät (NOx-Mess- und Regelungsschaltung) und dem P2-Pin der NOx-Zelle bzw. der Gegenelektrode der NOx-Zelle (nachfolgend auch P2 Leitung). Ein Monitoring der Leitungen abgasrelevanter Funktionen hinsichtlich Unterbrechungen (Open Circuit) muss kontinuierlich, das heißt mit nicht weniger als zwei Abtastwerten pro Sekunde, durchgeführt werden. So müssen Stickoxid Sensoren (NOx-Sensoren) aufgrund dieser regulatorischen Vorgaben eine Diagnosefunktion haben, die eine Leitungsunterbrechung (Open Circuit) in den leitenden Verbindungen zwischen Steuergerät und Sensorelement sowie der Heizer-Leitungen detektieren kann. Während des Messbetriebs muss diese Diagnose kontinuierlich durchgeführt werden.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und das in Intervallen von mindestens 500 ms eine sichere und kontinuierliche Diagnose erlaubt. Insbesondere soll im Messbetrieb eine robuste und kontinuierliche Diagnose der Leitungen und elektrischen Beschaltung der NOx-Zelle des Sensors durchgeführt werden können, ohne die NOx- Messwerte zu beeinflussen, bzw. zu stören. Ist ein sich änderndes NOx-Signal vorhanden, so kann im System davon ausgegangen werden, dass die elektrischen Verbindungen zur NOx-Zelle intakt sind. Besonders wichtig ist aber, dass auch in Betriebszuständen, in denen das NOx-Mess-Signal (nahezu) gleich null ist (z.B. bei 0 ppm NOx nach der Abgas-Nachbehandlung) eine Leitungsunterbrechung detektiert werden kann.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Sensor ein Sensorelement umfasst, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Referenzzelle, welche eine Nernst- Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wird ein elektronisches Steuergerät, das zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss für die erste Pumpzelle und einen zweiten gesonderten Anschluss für die zweite Pumpzelle verfügt, mit dem Sensorelement verbunden, wobei die erste Pumpzelle mittels einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem ersten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei die zweite Pumpzelle mittels einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei in der elektrisch leitenden Verbindung, die die zweite Pumpzelle mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbindet, ein Messwiderstand vorgesehen wird, wobei mittels des Steuergeräts eine Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle zum Erzeugen eines Messsignals an dem Messwiderstand durchgeführt wird. Die elektrisch leitende Verbindung, die die zweite Pumpzelle bzw. deren Gegenelektrode mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2-Pin des Steuergeräts) verbindet, wird als intakt identifiziert, falls der Betrag einer zeitlichen Veränderung des Messsignals während ein Anregungssignal auf die zweite Pumpzelle aufgebracht wird einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, und wird als defekt identifiziert, falls der Betrag der zeitlichen Veränderung des Messsignals während ein Anregungssignal auf die zweite Pumpzelle aufgebracht wird den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.

Durch die Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle wird an dem Messwiderstand ein auswertbares Messsignal erzeugt, das die Unterscheidung zwischen einem offenen oder geschlossenen Stromkreis erlaubt. Mit anderen Worten, ein I P2-Signal wird durch eine äußere Anregung erzeugt. Dabei dient nicht die Amplitude der (differentiell am Messwiderstand) gemessenen Spannung bzw. Stromantwort als Detektionskriterium für eine Leitungsunterbrechung, sondern ihre zeitliche Änderung. Da die Messwerte der Amplitude des Antwortsignals auf einen Spannungssprung sehr stark durch Bauteilevariationen und Störungen des NOx-Signals beeinflusst werden, sind sie als Detektionskriterium nicht so geeignet. Die zeitliche Änderung des differentiell gemessenen Antwortsignals auf einen Spannungssprung oder Spannungspuls hat als Detektionskriterium für eine Leitungsunterbrechung deutlich bessere Robustheit gegen Bauteilevariationen oder gegen Störungen des NOx-Signals. So können falsch positive Detektionen einer Leitungsunterbrechung vermieden werden. Damit lässt sich ein offener Stromkreis an der P2 Leitung der NOx-Zelle auch während des Messbetriebs sicher erkennen. Auch in Betriebszuständen, in denen der Strom IP2 (nahezu) gleich null ist, wie beispielsweise bei 0 ppm NOx, kann eine offene P2-Leitung detektiert werden.

Bei einer Weiterbildung wird an die zweite Pumpzelle eine vorbestimmte elektrische Spannung angelegt, wobei eine Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle durchgeführt wird, wobei die Spannungsanregung eine Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung für eine vorbestimmte Zeit umfasst. Durch Anregung der Spannung gegenüber dem normalen Potential kommt es bei geschlossener Leitung zu einem Stromfluss, der sich auf den NOx-Mess-Strom addiert. Das heißt, dass es auch bei einem Gasgemisch, bei dem das IP2-Signal gleich Null ist, z.B. bei 0% O2, H2O >1% und NOx = 0 ppm, zu einem messbaren Stromfluss kommt. Ist die P2-Leitung aufgetrennt, kann kein Strom mehr fließen, auch nicht bei einer zeitlichen Anregung durch einen Puls. Dies gilt als Hinweis für einen offenen Stromkreis. Der gemessene Stromfluss hängt einerseits von der Größe der Spannungsänderung des Anregungspulses ab, andererseits insbesondere auch von der Dauer des Anregungspulses. Das heißt, der Stromfluss steigt mit der Dauer der Anregung.

Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung für die vorbestimmte Zeit erhöht. Dadurch erhöht sich auch der messbare Stromfluss.

Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung in Form mindestens eines Spannungspulses für die vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle angelegt, wobei die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Spannungspulses ermittelt wird. Der Ausdruck „Beginn des Spannungspulses“ bezieht sich nicht auf einen Zeitpunkt der Anregung für den Spannungspuls, sondern bezieht sich dabei auf einen Zeitpunkt, ab dem das Messsignal eingeschwungen ist. Somit wird die zeitliche Änderung des Antwortsignals auf einen Spannungspuls bestimmt. Zu vorbestimmten Zeiten zu Beginn der Pulsantwort und kurz vor ihrem Ende wird der Spannungswert gemessen. Zwischen diesen beiden Spannungswerten wird ein Differenzsignal gebildet. Dieses Differenzsignal dient als Detektionskriterium.

Bei einer Weiterbildung weist die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls eine Dauer von 1 ms bis 10 ms und bevorzugt 1,5 ms bis 5 ms auf. So kann die Stromantwort innerhalb der ersten Millisekunden eines Spannungspulses ein eindeutiges Kriterium dafür liefern kann, ob die leitende Verbindung zum Sensorelement unterbrochen ist. Aus diesem Grund genügt zur Detektion einer Leitungsunterbrechung ein kurzer Spannungspuls von beispielsweise 2 ms bis 5 ms Länge. Eine kurze Dauer dieser Diagnose-Signale ist auch wichtig, da das Monitoring der Leitungen hinsichtlich einer Fehlfunktion nicht die Messung des NOx-Signals (Strom IP2) zu lange unterbrechen oder zu sehr stören soll.

Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung in Form eines ersten Spannungspulses für eine erste vorbestimmte Zeit und eines zweiten Spannungspuls für eine zweite vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle angelegt, wobei der erste Spannungspuls und der zweite Spannungspuls eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, wobei ein Integral des ersten Spannungspulses und des zweiten Spannungspulses einen Wert von Null aufweist. Da einzelne Spannungspulse aufgrund der Ladungsverschiebungen an der NOx-Elektrode das empfindliche NOx-Mess- Signal stören und verfälschen, werden Spannungs-Pulspaare auf die Leitung gegeben. Der erste Puls und der darauffolgende Gegenpuls haben die gleiche Dauer und den gleichen Betrag der Amplitude, aber eine Polarität mit entgegengesetzten Vorzeichen. Das Integral der beiden jeweils positiven und negativen Pulse soll gleich Null sein.

Bei einer Weiterbildung werden mehrere Pulspaare mit dem ersten Spannungspuls und dem zweiten Spannungspuls an die zweite Pumpzelle angelegt, wobei sich die Polaritäten aufeinanderfolgender Spannungspulspaare regelmäßig oder unregelmäßig abwechseln. Werden Pulse periodisch auf ein geregeltes elektrisches System aufgebracht, besteht die Möglichkeit, dass das System gestört oder periodisch angeregt wird. Für die elektrischen Schaltung der NOx-Zelle bedeutet dies, dass die Puls-Paare zur Detektion der leitenden Verbindung zur NOx Zelle möglicherweise eine Verschiebung des NOx-Mess- Signals verursachen können. Fällt die Resonanzfrequenz der Regelungsschaltung der Spannung an der NOx-Zelle mit einer Anregungsfrequenz zusammen, kann es zu oszillierenden Störungen auf dem Mess-Signal kommen. Um Ladungsverschiebungen an den NOx- Elektroden auszugleichen, folgt dem ersten Messpuls ein gleich großer Gegenpuls mit umgekehrter Spannungspolarität. Aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Sensor- Keramik und der elektrischen Beschaltung können, obwohl Puls und Gegenpuls die gleiche Dauer und den gleichen Betrag der Amplitude haben, geringe Ladungsverschiebungen nach den Messpulsen auftreten. Abhängig davon, ob der erste Puls positive oder negative Polarität aufweist, kann es möglicherweise zu einem geringen positiven oder negativen Offset des Mess- Signals kommen. Um eine Verschiebung des Messsignals zu vermeiden, kann die Polarität der Pulsfolge gewechselt werden, so dass sich die Ladungsverschiebungen wieder ausgleichen. Bei einer Weiterbildung sind die Anzahl positiver Polaritäten des ersten Spannungspulses der Spannungspulspaare und die Anzahl negativer Polaritäten des ersten Spannungspulses der Spannungspulspaare identisch. Dadurch kann zuverlässig eine Verschiebung des Messsignals vermieden werden. Durch die unregelmäßige Abfolge der Pulswechsel kann vermieden werden, dass das Detektionssignal eine Frequenz ausbildet, die mit der Resonanzfrequenz der NOx-Zelle zusammenfällt. Neben einer Abfolge von Pulspaaren können alternativ auch einzelne Pulse in der Sequenz ausgelassen werden, um die spektrale Charakteristik weiter zu verbessern.

Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren weiterhin Plausibilisieren des Messsignals umfassen, falls die elektrisch leitende Verbindung, die die zweite Pumpzelle mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbindet, als defekt identifiziert wird. Um eine falsch-positive Detektion eines Leitungsunterbrechungs- Fehlers zu vermeiden, kann ein zweistufiges Detektionsverfahren verwendet werden. Mit den Monitoring-Pulsen wird in 500 ms Intervallen der Zustand der Leitung kontinuierlich überwacht. Wird mit den Monitoring-Pulsen eine mögliche Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zum Sensorelement detektiert, so wird dies nochmals mit einem Feststellungs-Puls (Determination Pulse) überprüft.

Bei einer Weiterbildung wird zum Plausibilisieren die vorbestimmte elektrische Spannung in Form mindestens eines Feststellung-Spannungspulses für eine vorbestimmte Feststellungszeit an die zweite Pumpzelle angelegt, wobei die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Feststellung-Spannungspulses ermittelt wird, wobei die Feststellungszeit für den Feststellungs-Spannungspuls länger als die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls ist. Eine Amplitude des Feststellungs-Spannungspulses ist bevorzugt gleich groß wie eine Amplitude des Spannungspulses. Die Detektion mit diesem Feststellungs-Puls hat eine minimale Fehlerwahrscheinlichkeit. Ein im Vergleich zum Monitoring-Puls (typ. 2 ms - 5 ms) lange andauernder Puls (typ. 20 ms - 40 ms) wird auf die Leitung gegeben. Die am Shunt gemessene Spannungsänderung, das Differenzsignal zeigt bei geschlossener Leitung Spannungswerte von deutlich mehr als 100 mV, während bei einer Unterbrechung der Leitung Werte nahe Null gemessen werden. Aufgrund dieses, im Vergleich zum Monitoring-Puls, großen Detektionssignals ist eine Fehldetektion sehr unwahrscheinlich.

Bei einer Weiterbildung ist das Steuergerät zum Regeln einer Spannung an der zweiten Pumpzelle ausgebildet, wobei das Steuergerät weiterhin eine Anregungssignalquelle aufweist, wobei ein Spannungssollwert als Führungsgröße gesteuert wird, wobei das Steuergerät einen zeitlichen Ablauf von Änderungen des Spannungssollwertes steuert, wobei mittels Messungen eines Spannungsabfalls am Messwiderstand eine Unterbrechung der Leitung, die die zweite Pumpzelle mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbindet, detektierbar ist.

Bei einer Weiterbildung weist das Steuergerät weiterhin eine Anregungssignalquelle und einen Operationsverstärker auf, der als nichtinvertierende Stufe eingesetzt wird. Die Anregungssignalquelle ist als Eingangsspannung mit dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers verbunden. An dem invertierenden Eingang (-) des Operationsverstärkers wird die Spannung, die an der NOx-Zelle anliegt zurückgeführt. Die differentiellen Eingangssignale des Operationsverstärkers und dessen Verstärkungsfaktor bestimmen die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers, an dem der NOx-Shunt anliegt und der somit auch den Strom durch den NOx-Shunt treibt. Der als Spannungsfolger geschaltete Operationsverstärker der Steuergeräte- Elektronik regelt die Spannung an der NOx-Zelle des Sensorelements auf den Sollwert 450 mV. Ein Spannungssprung wird auf die NOx-Zelle aufgebracht, indem der Sollwert des als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers erhöht wird. Der Spannungsabfall am NOx- Shunt kann nicht direkt vom ASIC gemessen werden. Stattdessen wird differentiell die Spannung am Eingang und Ausgang des Operationsverstärkers gemessen. Dies sind auch die Mess-Punkte des Analog-Digital- Wandlers im NOx-Mess-ASIC. Bei einem Spannungssprung am Eingang des Operationsverstärkers unterscheiden sich diese Signale von denen des Spannungsabfalls am Mess-Shunt. Bei geschlossener Leitung steigt die Spannung stetig an. Bei offener Leitung fällt diese Spannung nach einem kurzen Anstieg stetig ab.

Bei einer Weiterbildung wird in die zweite Pumpzelle ein vorbestimmter elektrischer Strom eingeprägt, wobei eine Stromanregung der zweiten Pumpzelle durchgeführt wird, wobei für eine erste vorbestimmte Zeit der vorbestimmte elektrische Strom erhöht wird und für eine zweite vorbestimmte Zeit der vorbestimmte elektrische Strom erniedrigt wird, wobei die erste vorbestimmte Zeit und die zweite vorbestimmte Zeit identisch lang sind. Eine Alternative zum Spannungspuls ist ein Strompuls an der P2 Leitung. Im Messzustand des NOx- Sensors wird von einer gesteuerten Stromquelle für kurze Zeit ein Strompuls erzeugt um einen bestimmten Wert erhöht und danach für die gleiche Zeit ein Strompuls mit entgegengesetzter Polarität erzeugt. Es spielt keine Rolle ob der positive Strompuls oder der negative Strompuls zuerst durchgeführt wird. Durch das Einprägen eines Strompulses (Pumpstrom) wird ein Spannungshub am NOx- Shunt messbar sein. Dieser verhält sich bei geschlossenem Stromkreis anders als bei einem offenen Stromkreis. Dies kann als Unterscheidungsmerkmal für die Detektion eines offenen Stromkreises an der P2 -Leitung hergenommen werden. Dabei wird auch wieder die zeitliche Änderung des Messsignals für die Diagnose betrachtet.

Bei einer Weiterbildung wird die vorbestimmte elektrische Spannung in Form eines ersten Spannungspulses für eine erste vorbestimmte Zeit und eines zweiten Spannungspulses für eine zweite vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle angelegt. Das Integral über die Zeit beider Pulse muss null ergeben, um keine Ungleichgewicht in der NOx Zelle hervorzurufen, durch einseitiges aufpumpen bzw. abpumpen. Durch das Einprägen eines Strompulses (Pumpstrom) wird ein Spannungshub an der P2-Leitung messbar sein. Dieser verhält sich bei geschlossenem Stromkreis anders als bei einem offenen Stromkreis. So fällt der Spannungshub bei geschlossenem Stromkreis höher aus als bei einem offenen Stromkreis. Dies kann als Unterscheidungsmerkmal für die Detektion eines offenen Stromkreises an der P2 -Leitung hergenommen werden.

Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.

Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.

Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die einer äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Referenzzelle, welcher eine Nernst- Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wobei der Sensor weiterhin ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät aufweist.

Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Bräunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt. Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall- Keramik- Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet- Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.

Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die Erfindung ist direkt durch eine verkürzte Wartezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft nach Start des Sensors nachweisbar. Die jeweiligen Potenziale können an den Zuleitungen gemessen werden. Unter einer Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Anlegen einer elektrischen Spannung ungleich 0 V an die zweite Pumpzelle bzw. die elektrische Leitung zur NOx-Gegenelektrode zu verstehen. Durch die Änderung der Spannung an den Elektroden ändert sich die Ladungsmenge, die diese tragen können. Es kommt zu einem Stromfluss in die Elektroden bzw. aus den Elektroden heraus. Dieser Stromfluss bewirkt an einem Messwiderstand in dieser Leitung ein erfassbares Messsignal.

Unter einer Stromanregung der zweiten Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Einprägen eines elektrischen Stroms ungleich 0 A in die zweite Pumpzelle bzw. die elektrische Leitung zur NOx-Gegenelektrode zu verstehen. Durch das Einprägen eines Strompulses (Pumpstrom) wird ein Spannungshub an der elektrischen Leitung zur NOx-Gegenelektrode bewirkt, der an einem Messwiderstand in dieser Leitung messbar ist. Dieser verhält sich bei geschlossenem Stromkreis anders als bei einem offenen Stromkreis.

Die Erfindung ist gut und einfach durch die Überwachung der elektrischen Signale auf der NOx-Zellen-Leitung nachweisbar. Werden während des normalen Messbetriebs spezielle Spannungspuls/Strompulsfolgen auf der Leitung zwischen Sensor und Steuergerät mit einem Oszilloskop gemessen, so werden die in dieser Erfindung beschriebenen Schaltungen und Verfahren verwendet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors, Figur 2 einen Teil des Sensors mit einem Teil eines daran angeschlossenen Steuergeräts,

Figur 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung,

Figur 4 ein erweitertes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung,

Figur 5 ein vereinfachtes elektrisches Modell der zweiten Pumpzelle 140 und der Schaltung im Steuergerät,

Figur 6 einen Spannungssprung und Spannung am NOx-Mess-Shunt für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle,

Figur 7 das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und Spannung am NOx-Mess-Shunt für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx- Zelle,

Figur 8 einen Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle,

Figur 9 das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle,

Figur 10 einen Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle,

Figur 11 das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle,

Figur 12 verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop, Figur 13 verschiedene Spannungs-Messsignale,

Figur 14 verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop,

Figur 15 interne Signale der Auswerteinheit im Steuergerät 122 innerhalb des Monitoring-Pulses,

Figur 16 das Differenzsignal der Auswerteinheit im Steuergerät 122 innerhalb des Monitoring-Pulses,

Figur 17 verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop,

Figur 18 eine beispielhafte Definition der Abfolge der wechselnden Polarität der Pulspaare,

Figur 19 eine beispielhafte die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals,

Figur 20 an Umgebungsluft Häufigkeitsverteilungen eines NOx-Signals,

Figur 21 die Änderung der Steigung der Pulsantwort unter Annahme der größten spezifizierten Drift dieses Bauteils,

Figur 22 das Differenzsignal für typische Bauteilewerte und für den Fall der Kombination von Worst-Case-Werten,

Figur 23 interne Signale der Auswerteinheit im Steuergerät innerhalb des Monitoring-Pulses,

Figur 24 Verteilungsdichtefunktionen des Differenzsignals und des NOx Mess- Signals, Figur 25 ein Flussdiagramm des kontinuierlichen Monitorings der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle,

Figur 26 die Abfolge der Anregungspulse und der Pulsantwort des differentiell gemessenen Spannungsabfalls am Shunt bei einer falsch positiven Leitungsunterbrechungsdetektion mit Monitoring-Pulsen,

Figur 27 die Abfolge der Anregungspulse und der Pulsantwort des differentiell gemessenen Spannungsabfalls am Shunt bei einer falsch positiven Leitungsunterbrechungsdetektion mit Monitoring-Pulsen,

Figur 28 verschiedene Spannungs-Messsignale des Feststellungs-Pulses gemessen mit einem Oszilloskop, und

Figur 29 das Differenzsignal der Auswerteinheit im Steuergerät innerhalb des Feststellung-Pulses.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 100, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist. Im Rahmen der nachfolgenden Erläuterungen sind gleiche oder vergleichbare Bauteile oder Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Sensor 100, welcher zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NOx bezeichnet, in einem Gasgemisch, beispielhaft einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet ist, umfasst hierzu ein Sensorelement 110 eine erste Pumpzelle 112, welche zwischen einer äußeren Pumpelektrode 114 und einer inneren Pumpelektrode 116 ausgebildet ist. Die äußere Pumpelektrode 114, welche mittels einer porösen Aluminiumoxidschicht 118 von der Umgebung des Sensors 100 getrennt ist, verfügt hierbei über eine erste elektrisch leitende Verbindung 120, über welche sich ein erster Pumpstrom IPI in der ersten Pumpzelle 112 erzeugen lässt. Die erste elektrisch leitende Verbindung 120 ist hierzu mit einem ersten Anschluss PI eines externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Um einen vollständigen Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 ebenfalls über eine zweite elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu einem gemeinsamen Anschluss COM des externen elektronischen Steuergeräts 122 führt. Die erste Pumpzelle 112 liegt an einem ersten Hohlraum 126 an, der sich im Inneren des Sensorelements 110 befindet und mit dem Messgas in Verbindung steht. Durch Erzeugen des ersten Pumpstroms I PI in der ersten Pumpzelle 112 lässt sich ein erster Anteil von Sauerstoffionen, welche aus molekularem Sauerstoff aus dem Gasgemisch gebildet werden, zwischen dem ersten Hohlraum 126 und der Umgebung des Sensors 100 transportieren. In dem Eintrittsweg aus der Umgebung zu dem ersten Hohlraum 126 sind zwei Diffusionsbarrieren 128 vorhanden.

Das Sensorelement 110 weist weiterhin eine elektrische Referenzzelle 130 auf, welche eine Nernst- Elektrode 132 und eine Referenzelektrode 134 aufweist. Während die Nernst- Elektrode 132 über die zweite elektrisch leitende Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM verfügt, weist die Referenzelektrode 134 eine gesonderte dritte elektrisch leitende Verbindung 136 zu einer Versorgungsspannung Uv_s auf, welche über einen Anschluss Vs des externen elektronischen Steuergeräts 122 die erforderliche Versorgungsspannung Vs bereitstellt. Die Referenzzelle 130 liegt an einem Referenzgasraum 138 an. Ein zweiter Anteil der Sauerstoffionen aus dem ersten Hohlraum 126 und/oder aus der Umgebung des Sensors 100 wird in den Referenzgasraum 138 durch Anlegen eines Referenz- Pumpstroms zwischen dem Anschluss Vs und dem gemeinsamen Anschluss COM transportiert. Hierbei wird der Wert für den Referenz- Pumpstrom derart eingestellt, dass sich ein festgelegter Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ausbildet. Vorzugsweise wird in diesem Zusammenhang auch der Wert für den ersten Pumpstrom I PI derart eingestellt, dass sich ein festgelegtes Verhältnis zwischen dem ersten Anteil der Sauerstoffionen in dem ersten Hohlraum 126 und dem zweiten Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ergibt. Die in dem Gasgemisch weiterhin enthaltene Messgaskomponente Stickoxid NO_X mit dem gebundenen Sauerstoff gelangt, insbesondere durch Diffusion, weitgehend unbeeinflusst in eine zweite Pumpzelle 140 des Sensorelements 110, welche auch als „NO_x-Pumpzelle“ bezeichnet werden kann. Die zweite Pumpzelle 140 weist eine NO_x-Pumpelektrode 142 und eine NO_X- Gegenelektrode 144 auf und liegt an einem zweiten Hohlraum 145 im Inneren des Sensorelements 110 an. Der zweite Hohlraum 145 ist von dem ersten Hohlraum 126 durch eine der Diffusionsbarrieren 128 getrennt. Wenigstens eine der beiden Elektroden NO_x-Pumpelektrode 142 und/oder NO_x-Gegenelektrode 144 sind derart ausgestaltet, dass bei Anlegen einer Spannung mittels Katalyse aus der Messgaskomponente NO_X weiterer molekularer Sauerstoff erzeugt werden kann, welcher in der zweiten Pumpzelle 140 gebildet wird.

Während die NO_x-Pumpelektrode 142 eine elektrisch leitende Verbindung aufweist, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM führt, weist die NOx- Gegenelektrode 144 eine vierte elektrisch leitende Verbindung 146 auf, über welche ein zweiter Pumpstrom I P2 an die zweite Pumpzelle 140 angelegt werden kann. Die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 ist hierzu mit einem zweiten Anschluss P2 des externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Bei Anlegen eines zweiten Pumpstroms I P2 an die zweite Pumpzelle 140 wird ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, in den Referenzgasraum 138 transportiert.

Das Sensorelement 110 verfügt weiterhin über ein Heizelement 148, welches eine Heizleitung 150 mit den Leitungen HTR+ und HTR- aufweist, über welche ein Heizstrom in das Heizelement 148 eingebracht werden kann, welches mittels Erzeugen einer Heizleistung das Sensorelement 110 auf die gewünschte Temperatur bringen kann.

Die Referenzelektrode 134 ist über die dritte elektrisch leitende Verbindung 136 mit dem Anschluss Vs auf dem Steuergerät 122 verbunden. Über einen Analog- Digital-Wandler 152 kann die Nernstspannung Uvs zwischen Vs und COM gemessen werden. Das Steuergerät 122 weist einen Analog-Digital-Wandler 152 auf, der über den Anschluss Vs für die Versorgungsspannung Uvs und die dritte elektrisch leitende Verbindung 136 mit der Referenzelektrode 134 verbunden ist. Das Steuergerät 122 weist eine COM Spannungsreferenz 154 auf, die mit einem gemeinsamen Rückleiter 155 des Sensorelements 110 verbunden ist. Der gemeinsame Rückleiter 124 verbindet die NOx-Pumpelektrode 142, die Nernstelektrode 132 und die Innere Pumpelektrode 116 mit COM. Das Steuergerät 122 weist weiterhin eine Anregungssignalquelle 156 auf, die mit dem Sollwerteingang des Spannungsreglers 166 verbunden ist. Der Regelgrößen- Eingang des Spannungsreglers 166 ist mit dem Anschluss P2 an der NOx Gegenelektrode 144 des Sensorelements 110 verbunden. Regelgröße ist die Spannung zwischen P2 und COM. Die Stellgröße des Spannungsreglers 166 steuert den Eingang eines Spannungstreibers 168. Zwischen dem Ausgang des Spannungstreibers und dem Pin bzw. Anschluss P2 ist der Messwiderstand 160 angeordnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Sensors 100 wird mittels des Steuergeräts 122 eine Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle 140 zum Erzeugen eines Messsignals an dem Messwiderstand 160 durchgeführt wird, die elektrisch leitende Verbindung 146, die die zweite Pumpzelle 140 mit dem zweiten gesonderten Anschluss P2 verbindet, wird als intakt identifiziert, falls eine zeitliche Veränderung des Messsignals einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, und wird als defekt identifiziert, falls die zeitliche Veränderung des Messsignals den vorbestimmten Schwellwert unterschreitet. So wird an die zweite Pumpzelle 140 eine vorbestimmte elektrische Spannung U P2 angelegt wird, wobei eine Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle 140 durchgeführt wird. Die Spannungsanregung umfasst eine Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung UP2 für eine vorbestimmte Zeit. Die vorbestimmte elektrische Spannung UP2 kann für die vorbestimmte Zeit erhöht werden.

Bevorzugt wird die vorbestimmte elektrische Spannung UP2 in Form mindestens eines Spannungspulses für die vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle 140 angelegt. Dabei wird die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Spannungspulses ermittelt. Die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls weist eine Dauer von 1 ms bis 10 ms und bevorzugt 1,5 ms bis 5 ms auf, beispielsweise 2 ms bis 5 ms.

Das Messsignal umfasst eine elektrische Spannung UP2P-P2N in Form einer Differenz zwischen einer elektrischen Spannung UP2P am Ausgang P2Pdes Spannungstreibers 168 und einer elektrischen Spannung UP2 am Pin P2 auf der anderen Seite des Mess-Shunts 160. Diese Spannung liegt auch als Regelgröße am Eingang des Spannungsreglers 166 an.

Figur 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zur Detektion einer Unterbrechung der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle bzw. zweiten Pumpzelle 140. Dargestellt ist dabei ein Beispiel für eine Unterbrechung 161 der vierten elektrisch leitenden Verbindung 146 zwischen dem NOx- Steuergerät 122 und der NOx Gegenelektrode 144. Die vierte elektrisch leitende Verbindung 146 wird auch als P2-Leitung bezeichnet, da sie den P2-Pin des Steuergeräts 122 mit der NOx-Zelle bzw. der Gegenelektrode 144 verbindet. Der Block 162 stellt die Steuerung des Sollwertes bzw. der Führungsgröße dar. Der Block 164 stellt den Spannungssollwert dar, der einem Block 166 für die Spannungsregelung zugeführt wird, dessen Stellengröße wiederum einen Block 168 für den Spannungstreiber zugeführt wird. In der Verbindung zwischen dem Ausgang des Spannungstreibers 168 und der NOx-Zelle 140 liegt ein Mess- Shunt 160. Die Spannung UP2 an der NOx-Zelle 140 dient als Regelgröße für den Regler 166. Die Signale P2N am Eingang am Eingang des Reglers 166 und P2P am Ausgang des Operationsverstärkers 158 werden einem differentiell messenden Analog-Digital-Wandler 170 zugeführt. Der Ausgang des Analog- Digital-Wandlers 170 stellt den Block 172 für die Auswertung der gemessenen Spannungen dar. Die Auswertungsergebnisse werden einem Block 174 für die Logik zur Detektion einer Leitungsunterbrechung zugeführt, der wiederum mit dem Block 162 kommuniziert.

Figur 4 zeigt ein erweitertes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zur Detektion einer Unterbrechung der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle bzw. zweiten Pumpzelle 140. Im Unterschied zu Figur 3 ist in Figur 4 eine Kompensationsschaltung 176 dargestellt, die eine direkte Kopplung, zum Beispiel einen Feedback- Kondensator 178 zwischen dem Ausgang P2P des Operationsverstärkers 158 und dem Eingang der Regelgröße am Regler 166 bewirkt. Ein Feedback-Widerstand 180 liegt zwischen dem Eingang P2N des Reglers 166 und dem Punkt P2 an der NOx-Zelle 140. Außerdem sind in der vierten Leitung 146 zwischen dem Messwiderstand 160 und der NOx Gegenelektrode 144 des Sensorelements 110 ESD- Kondensatoren 181 auf der Steuergeräte-Seite angedeutet. In der Leitung zwischen dem Pin P2 auf der Steuergeräte-Seite und der Gegenelektrode 144 auf der Seite des Sensorelements 110 kann es zu Leitungsunterbrechungen 161 kommen, die überwacht werden sollen.

Die elektrische Schaltung zur Regelung der Spannung an der zweiten Pumpzelle 140 ist durch die Blöcke der Spannungsregelung 166, des Spannungstreibers 168, des Spannungs-Sollwerts 164, des Messwiderstands 160 und der zweiten Pumpzelle 140 dargestellt. Hinzu kommt der Block 162, in dem der Spannungs- Sollwert als Führungsgröße gesteuert wird. Es können so Sprünge oder Pulse der Führungsgröße eingeprägt werden. Die Messung des NOx-Stromes wird über den Spannungsabfall zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Spannungsregelung bestimmt. In der vereinfachten Darstellung ist dies die Spannung am Messwiderstand 160. Die differentiell gemessenen Spannungen werden mit einem Analog-Digital-Wandler 170 in digitale Messwerte gewandelt und ausgewertet. Die Logik steuert den zeitlichen Ablauf der Änderungen des Spannungssollwertes und der Messungen des Spannungsabfalls am Messwiderstand 160. Mit Hilfe dieser Werte kann eine Leitungsunterbrechung detektiert werden.

Figur 5 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Modell der zweiten Pumpzelle 140 und der Schaltung im Steuergerät 122 zur Untersuchung der elektrischen Effekte von Leitungsunterbrechungen. Dabei sind gleiche Bauteile wie in den Figuren 1 bis 4 mit gleichen Bezugszeichen versehen und als elektrische Schaltzeichen dargestellt. Die Funktionen der Blöcke des Spannungsreglers 166 und des Spannungstreibers 168 werden durch einen nicht invertierenden Operationsverstärker umgesetzt. Das Signal am Eingang P2N des Operationsverstärkers 158 ist dabei die Regelgröße. Abgegriffen am Eingang P2N und Ausgang P2P des Operationsverstärkers 158 werden Signale, die einem Analog-Digital-Wandler 170 zugeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt aus, dass die Elektroden 142, 144 der zweiten Pumpzelle 140 große Ladungsmengen tragen und, vereinfacht dargestellt, wie ein großer Kondensator mit einer Kapazität von beispielsweise ca. 20 pF bis 50 pF wirken. Die ESD Kondensatoren 181 zum elektrischen Schutz der Schaltung auf der Seite des Steuergerätes haben hingegen nur sehr kleine Kapazitäten. Ein wichtiger Unterschied der Schaltung ist, dass es die elektrische Kompensationsschaltung 176 im Regelkreis gibt, die aus dem Feedback- Widerstand 180 und dem Feedback Kondensator 178 besteht. Das heißt, es gibt im Regelkreis eine direkte Verbindung zwischen Stellgröße und Regelgröße. Die differentielle Spannungsmessung zur Bestimmung des NOx- Stroms wird also nicht direkt am Messwiderstand 160 durchgeführt, sondern zwischen der Verbindung des Shunts 160 mit dem Spannungstreiber-Ausgang des Operationsverstärkers 158 und der Verbindung des Feedback-Widerstands 180 und des Feedback- Kondensators 178 am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers.

Figur 6 zeigt einen Spannungssprung und Spannung am NOx-Mess-Shunt 160 für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle 140 gemäß einer Hardware-Simulation. Figur 7 zeigt das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und Spannung am NOx-Mess-Shunt 160 für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle 140 gemäß einer Hardware-Simulation. Mit einem Hardware-Simulationstool wurde die elektrische Schaltung des Steuergerätes 122 nachgebildet. Die NOx-Zelle 140 des Sensorelements 11 wird vereinfacht durch eine große Kapazität, z.B. 30 pF, dargestellt. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 6 die Zeit in s aufgetragen und in Figur 7 ist die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 186 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx- Zelle 140 an. Die Kurve 188 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 190 gibt die Spannung UIP2 am Messwiderstand 160 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 192 gibt die Spannung UIP2 am Messwiderstand 160 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Der als Spannungsfolger geschaltete Operationsverstärker 158 der Steuergeräte- Elektronik regelt die Spannung an der NOx-Zellel40 des Sensorelements 110 auf den Sollwert 450 mV. Ein Spannungssprung wird auf die NOx-Zelle 140 aufgebracht, indem der Sollwert des als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärkers 158 erhöht wird. Die Simulationsdaten in Figur 6 und 7 zeigen den gegen COM gemessenen Spannungssprung L/p2n an Eingang P2N des Operationsverstärker 158, und den differentiell am Mess-Shunt 160 gemessenen Spannungsabfall UIP2. Bei einer geschlossenen elektrischen Verbindung zur NOx-Zelle 140 steigt der Strom I P2 über eine längere Zeit stetig an. Bei einer offenen elektrischen Verbindung zur NOx-Zelle 140 fließt kurzzeitig ein Ladestrom, der schnell exponentiell abklingt. Bei einer offenen Verbindung laden sich beim Spannungssprung die ES D- Kondensatoren 181 mit einer Kapazität von beispielsweise 10 nF und 3.3 nF auf der Seite des Steuergeräts 122 schnell auf, bis die neue Soll-Spannung am Kondensator anliegt. Bei einer geschlossenen Verbindung müssen über eine längere Zeit größere Ströme fließen, da bei der großen Kapazität der NOx-Zelle 140 (ca. 30 pF) deutlich größere Ladungsmengen fließen müssen, bis die Spannung an der NOx-Zelle 140 eingeregelt ist.

Figur 8 zeigt einen Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen P2N und P2P des NOx-Mess-ASICs, die sich von der differentiellen Spannung am Mess-Shunt 160 unterscheidet, für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle 140 gemäß einer Hardware-Simulation. Figur 9 zeigt das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle 140 gemäß einer Hardware-Simulation. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 8 die Zeit in s aufgetragen und Figur 9 ist die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 186 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 188 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 194 gibt die die differentiell gemessene Spannung UP2P-P2N an den Eingängen des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 196 gibt differentiell gemessene Spannung UP2P-P2N an den Eingängen des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an.

Der Spannungsabfall am NOx-Shunt 160 kann, wie das Schaltungsmodell in Figur 5 zeigt, nicht direkt vom ASIC gemessen werden. Stattdessen wird differentiell die Spannung UP2P-P2N am Eingang P2N und Ausgang P2P des Operationsverstärkers 158 gemessen. Dies sind auch die Mess- Punkte des Analog-Digital-Wandlers 170 im NOx-Mess-ASIC. Wie die Simulationsdaten in Figur 8 und 9 zeigen, unterscheiden sich diese Signale von denen des Spannungsabfalls am Mess-Shunt 160. Bei geschlossener Leitung steigt die Spannung UP2P-P2N stetig an. Bei offener Leitung fällt diese Spannung UP2P-P2N nach einem kurzen Anstieg stetig ab.

Figur 10 zeigt einen Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle 140 experimentell gemessen mit der Hardware-Schaltung des Sensor-Steuergeräts 122. Figur 11 zeigt das Kurzzeitverhalten für den Spannungssprung und eine differentiell gemessene Spannung an den Eingängen des NOx-Mess-ASIC für eine geschlossene und unterbrochene Verbindung zur NOx-Zelle 140 experimentell gemessen mit der Hardware-Schaltung des Sensor-Steuergeräts. Die Messungen erfolgten mittels Oszilloskop. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 10 die Zeit in ms aufgetragen und in Figur 11 ist die Zeit in s aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Oszilloskop-Messkurven in den Figuren 10 und 11 zeigen den am ASIC-Pin UP2N gegen COM gemessenen Spannungssprung sowie die zwischen den ASIC-Pins P2P und P2N differentiell gemessene Spannung. Die Kurve 186 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx- Zelle 140 an. Die Kurve 188 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 194 gibt die die differentiell gemessene Spannung UP2P-P2N an den Eingängen des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 196 gibt differentiell gemessene Spannung UP2P-P2N an den Eingängen des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. In den ersten Millisekunden nach Beginn des Spannungssprungs wird das gleiche Signalverhalten beobachtet, das auch mit dem Hardware-Simulationstool berechnet wurde und in den Figuren 8 und 9 gezeigt ist.

Das hier untersuchte und gezeigte Signalverhalten wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung genutzt, um ein Kriterium zur Detektion einer Unterbrechung der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 herzuleiten. Dabei dient nicht die Amplitude der differentiell gemessenen Spannung Up2_P-P2n als Detektionskriterium für eine Leitungsunterbrechung, sondern ihre zeitliche Änderung. Da die Messwerte der Amplitude des Antwortsignals Up2_P-P2n auf einen Spannungssprung sehr stark durch Bauteilevariationen und Störungen des NOx- Signals beeinflusst werden, sind sie als Detektionskriterium nicht in jedem Fall geeignet. Die zeitliche Änderung des differentiell gemessenen Antwortsignals Up2_P-P2n auf einen Spannungssprung oder Spannungspuls hat als Detektionskriterium für eine Leitungsunterbrechung deutlich bessere Robustheit gegen Bauteilevariationen oder gegen Störungen des NOx-Signals. So können falsch positive Detektionen einer Leitungsunterbrechung vermieden werden.

Insbesondere ist oben gezeigt, dass die Stromantwort innerhalb der ersten Millisekunden eines Spannungspulses ein eindeutiges Kriterium dafür liefern kann, ob die leitende Verbindung zum Sensorelement 110 unterbrochen ist. Aus diesem Grund genügt zur Detektion einer Leitungsunterbrechung ein kurzer Spannungspuls von ca. 2 ms bis 5 ms Länge. Eine kurze Dauer dieser Diagnose- Signale ist auch wichtig, da das Monitoring der Leitungen hinsichtlich einer Fehlfunktion nicht die Messung des NOx-Signals (Strom IP2) ZU lange unterbrechen oder zu sehr stören soll.

Da einzelne Spannungspulse aufgrund der Ladungsverschiebungen an der NOx- Elektrode das empfindliche NOx-Mess-Signal UIP2 stören und verfälschen können, werden Spannungs-Pulspaare auf die Leitung 146 gegeben. Der erste Puls und der darauffolgende Gegenpuls haben die gleiche Dauer und den gleichen Betrag der Amplitude, aber eine Polarität mit entgegengesetzten Vorzeichen. Das Integral der beiden jeweils positiven und negativen Pulse soll gleich Null sein.

Figur 12 zeigt verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 12 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Der obere Teil von Figur 12 zeigt einen am ASIC-Pin P2N gegen COM gemessenen Spannungs- Doppelpuls mit entgegengesetzter Polarität. Die Messkurven im unteren Teil von Figur 12 zeigen die mit einem Oszilloskop differentiell am Shunt 160 gemessene Spannung L/IP2 und die differentiell zwischen des ASIC-Pins P2P und P2N gemessene Spannung Up2_P-P2n. Die Kurve 186 gibt die Spannung Up2n am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 188 gibt die Spannung Up2n am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Signale der Kurven 188 und 186 sind nahezu gleich. Die Kurve 190 gibt die Spannung UIP2 am Messwiderstand 160 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 192 gibt die Spannung UIP2 am Messwiderstand 160 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 194 gibt die die differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx- Zelle 140 an. Die Kurve 196 gibt differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n an den Eingängen des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Beide Signale wurden sowohl für den Fall einer leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 als auch für den Fall einer Leitungsunterbrechung gemessen. Beim Vergleich der beiden differentiell gemessenen Signale Up2_P-P2n ist gut der Einfluss des Feedback-Widerstands 180 und des Feedback- Kondensators 178 zu erkennen. Eine direkte Messung des Signals am Shunt 160 wäre aus schaltungstechnischen Gründen sehr aufwändig. Die Amplitude des differentiellen Signals Up2_P-P2n am ASIC Mess-Eingang ist deutlich kleiner als die des Signals am Mess-Shunt 160. Diese Messung zeigt, warum die zeitliche Änderung des Antwortsignals ein robusteres Kriterium liefert als die Amplitude. Die zuvor beschriebenen Pulspaare werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Monitoring-Pulse bezeichnet, da mit ihnen in 500 ms Intervallen die leitende Verbindung 146 zur NOx-Zelle 140 überwacht wird und Unterbrechungen der Leitung 146 detektiert werden können. Die zeitliche Änderung des Antwortsignals Up2_P-P2n auf einen Spannungspuls wird bestimmt, während der erste Puls des Pulspaares auf die Leitung 146 gegeben wird. Zu vorbestimmten Zeiten zu Beginn der Pulsantwort und kurz vor ihrem Ende wird der Spannungswert Up2_P-P2n gemessen.

Figur 13 zeigt verschiedene Spannungs-Messsignale. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 13 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Der obere Teil von Figur 13 zeigt einen am ASIC- Pin P2N gegen COM gemessenen Spannungs-Doppelpuls mit entgegengesetzter Polarität. Die Messkurve im unteren Teil von Figur 13 zeigt die differentiell zwischen des ASIC-Pins P2P und P2N gemessene Spannung Up2_P-P2n. Die Kurve 186 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx- Zelle 140 an. Die Kurve 194 gibt die die differentiell gemessene Spannung UP2_P- P2n an den Eingängen des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an.

Figur 13 zeigt die Zeitpunkte der beiden Spannungsmessungen innerhalb der Pulsantwort. Zwischen diesen beiden Spannungswerten wird ein Differenzsignal gebildet DUp2_P-P2n = Up2_P-P2n (2nd sample) - Up2_P-P2n (1st sample). Dieses Differenzsignal dient als Detektionskriterium. Dabei bezeichnet 2nd sample die Messung kurz vor Ende des Pulses und 1st sample die Messung zu Beginn des Pulses.

Figur 14 zeigt verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 14 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Der obere Teil von Figur 14 zeigt einen am ASIC-Pin P2N gegen COM gemessenen Spannungs- Doppelpuls mit entgegengesetzter Polarität. Die Messkurven im unteren Teil von Figur 14 zeigen die mit einem Oszilloskop differentiell zwischen des ASIC-Pins P2P und P2N gemessene Spannung Up2_P-P2n. Die Kurve 186 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 188 gibt die Spannung Up2n am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 194 gibt die die differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx- Zelle 140 an. Die Kurve 196 gibt differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an.

Die Oszilloskop-Mess-Signale in Figur 14 zeigen die unterschiedlichen Up2_P-P2n Antwortsignale bei geschlossener Verbindung zur NOx-Zelle 140 und bei einer Unterbrechung der Leitung. Es ist gut zu erkennen, dass bei geschlossener (leitender) Verbindung das Differenzsignal DUp2_P-P2n einen deutlich größeren Wert hat als bei einer Leitungsunterbrechung.

Figur 15 zeigt interne Signale der Auswerteinheit im Steuergerät 122 innerhalb des Monitoring-Pulses. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 15 die Zeit in s aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 198 im oberen Teil von Figur 15 gibt Abtastwerte zu Beginn des Monitoring-Pulses für Up2_P-P2n (1st sample) an. Die Kurve 200 im oberen Teil von Figur 15 gibt Abtastwerte gegen Ende des Monitoring-Pulses für Up2_P-P2n (2nd sample) an. Die Kurve 202 gibt das NOx-Messsignal UIP2 zwischen P2P und P2N an, das gemessen wird, wenn kein Detektionspuls aktiv ist. Die Kurve 204 im unteren Teil von Figur 15 gibt das Differenzsignal DUp2_P-P2n = Up2_P-P2n (2nd sample) - Up2_P-P2n (1st sample) an. Aus den beiden Abtastwerten innerhalb des Monitoring Pulses, Up2_P-P2n (2nd sample) und Up2_P-P2n (1st sample) wird das Differenzsignal DUp2_P-P2n gebildet. In dem Beispiel in Figur 15 ist die Verbindung zur NOx-Zelle 140 zunächst leitend, wie durch den zeitlichen Bereich 206 angegeben, dann wird sie kurzzeitig unterbrochen, wie durch den zeitlichen Bereich 208 angegeben, und nach einigen Sekunden ist sie wieder leitend (geschlossen), wie durch den zeitlichen Bereich 210 angegeben. Figur 16 zeigt das Differenzsignal DUp2_P-P2n der Auswerteinheit im Steuergerät 122 innerhalb des Monitoring-Pulses. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 16 die Zeit in s aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 204 gibt das Differenzsignal DUp2_P-P2n = Up2_P-P2n (2nd sample) - Up2_P-P2n (1st sample) an. Das Differenzsignal DUp2_P-P2n, das zur Detektion einer Leitungsunterbrechung genutzt wird, ist in Figur 16 somit nochmals dargestellt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Schwellwert 212 in Form einer Spannungsschwelle definiert Liegt das Differenzsignal DUp2_P-P2n unterhalb des Schwellwerts 212, wird eine Unterbrechung der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 detektiert. Liegt das Differenzsignal DUp2_P-P2n oberhalb dieses Schwellwerts 212, so wird die Verbindung als intakt angesehen.

Werden Pulse periodisch auf ein geregeltes elektrisches System aufgebracht, besteht allerdings die Möglichkeit, dass das System gestört oder periodisch angeregt wird. Hinsichtlich der oben beschriebenen elektrischen Schaltung der NOx-Zelle 140 bedeutet dies, dass die Puls-Paare zur Detektion der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 möglicherweise eine Verschiebung des NOx- Mess-Signals verursachen können. Fällt die Resonanzfrequenz der Regelungsschaltung der Spannung an der NOx-Zelle 140 mit einer Anregungsfrequenz zusammen, kann es zu oszillierenden Störungen auf dem Mess-Signal kommen.

Um Ladungsverschiebungen an den NOx- Elektroden 142, 144 auszugleichen, folgt dem ersten Messpuls ein gleich großer Gegenpuls mit umgekehrter Spannungspolarität. Aufgrund der elektrischen Eigenschaften der Sensor- Keramik und der elektrischen Beschaltung können, obwohl Puls und Gegenpuls die gleiche Dauer und den gleichen Betrag der Amplitude haben, geringe Ladungsverschiebungen nach den Messpulsen auftreten. Abhängig davon, ob der erste Puls positive oder negative Polarität aufweist, kann es möglicherweise zu einem geringen positiven oder negativen Offset des Mess-Signals kommen.

Um eine Verschiebung des Mess-Signals zu vermeiden, kann die Polarität der Pulsfolge gewechselt werden, so dass sich die Ladungsverschiebungen wieder ausgleichen. Figur 17 zeigt verschiedene Spannungs-Messsignale gemessen mit einem Oszilloskop. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 17 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Der obere Teil von Figur 17 zeigt am ASIC-Pin P2N gegen COM gemessene Spannungs- Doppelpulse mit entgegengesetzter Polarität. Die Messkurven im mittleren Teil von Figur 17 zeigen die mit einem Oszilloskop differentiell zwischen des ASIC- Pins P2P und P2N gemessene Spannung Up2_P-P2n. Der untere Teil von Figur 17 gibt für das Differenzsignal DUp2_P-P2n die Spannungsniveaus bei geschlossener oder unterbrochener Leitung an. Die Kurve 214 gibt die Spannung Up2n - COM am ASIC-Pin P2N gegen COM gemessen bei Spannungs-Doppelpulse mit entgegengesetzter Polarität an. Die Kurve 216 gibt die differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 an. Die Kurve 218 gibt das Niveau des Spannungs-Differenzsignals DUp2_P-P2n bei geschlossener Leitung für einen Puls mit positiver Polarität an. Die Kurve 220 gibt den Schwellwert bei positiver Polarität an. Die Kurve 222 gibt das Niveau des Spannungs- Differenzsignals DUp2_P-P2n bei unterbrochener Leitung für einen Puls mit positiver Polarität an. Die Kurve 228 gibt das Niveau des Spannungs-Differenzsignals DU P2_P-P2n bei geschlossener Leitung für einen Puls mit negativer Polarität an. Die Kurve 226 gibt den Schwellwert bei negativer Polarität an. Die Kurve 224 gibt das Niveau des Spannungs-Differenzsignals DUp2_P-P2n bei unterbrochener Leitung für einen Puls mit negativer Polarität an. Um einen möglichen Offset des NOx-Mess- Signals zu vermeiden, wird die Polarität der Pulspaare so geändert, dass der erste Puls gleich häufig eine positive oder negative Polarität hat.

Um zu vermeiden, dass das Signal zur Detektion einer Unterbrechung der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 eine charakteristische Frequenz hat, die möglicherweise mit der Resonanzfrequenz des Systems zusammenfällt, wird eine Technik verwendet, die die Frequenzen der Anregung durch die Monitoringpulse über das Spektrum verteilt.

Figur 18 zeigt eine beispielhafte Definition der Abfolge der wechselnden Polarität der Pulspaare bei einer Sequenz von 16 Pulspaaren. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 18 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die am ASIC-Pin P2N gegen COM gemessene Spannung Up2n-coM aufgetragen. Die Kurve 230 gibt die Spannungspulse an. In der in Figur 18 beschriebenen Umsetzung kann die Abfolge der Pulspaare deren erster Puls positive oder negative Polarität hat, definiert werden. In diesem Beispiel wird eine sich wiederholende Sequenz von 16 Pulspaaren definiert. Durch die unregelmäßige Abfolge der Pulswechsel kann vermieden werden, dass das Detektionssignal eine Frequenz ausbildet, die mit der Resonanzfrequenz der NOx-Zelle 140 zusammenfällt. Neben einer Abfolge von Pulspaaren können alternativ auch einzelne Pulse in der Sequenz ausgelassen werden, um die spektrale Charakteristik weiter zu verbessern.

Figur 19 zeigt eine beispielhafte die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals für die Fälle, dass keine Monitoring-Pulse aufgebracht werden, dass Pulse mit gleicher Polarität des ersten Pulses aufgebracht werden, oder dass Pulse mit wechselnder Polarität des ersten Pulses aufgebracht werden. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 19 die Frequenz f in Hz aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die spektrale Leistungsdichte als Betrag Pl(f) aufgetragen.

Die Kurve 232 gibt die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass keine Monitoring-Pulse aufgebracht werden. Die Kurve 234 gibt die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass Pulse mit gleicher Polarität des ersten Pulses aufgebracht werden. Die Kurve 236 gibt die spektrale Verteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass Pulse mit wechselnder Polarität des ersten Pulses aufgebracht werden. Gut zu erkennen sind die spektralen Linien, die durch die sich Monitoring-Pulse verursacht werden, die sich mit einer 2 Hz-Frequenz wiederholen. Mögliche Verschiebungen des NOx-Signals können durch eine Analyse der Verteilung der relativen Häufigkeit der NOx-Messwerte bestimmt werden.

Figur 20 zeigt an Umgebungsluft Häufigkeitsverteilungen eines NOx-Signals. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 20 der Gehalt an NOx in ppm aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die relative Häufigkeit dimensionslos aufgetragen. Die Kurve 238 gibt die Häufigkeitsverteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass keine Monitoring-Pulse aufgebracht werden. Die Kurve 240 gibt die Häufigkeitsverteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass Pulse mit gleicher Polarität des ersten Pulses aufgebracht werden. Die Kurve 242 gibt die Häufigkeitsverteilung des NOx Mess-Signals für den Fall an, dass Pulse mit wechselnder Polarität des ersten Pulses aufgebracht werden. Insbesondere zeigt Figur 20 die Häufigkeitsverteilung eines NOx-Signals, bei dem keine Detektionspulse aufgebracht werden. Diese Verteilung wird mit einem NOx- Messsignal verglichen, bei dem Monitoringpulse aufgebracht werden, bei denen der erste Puls des Pulspaares immer eine positive Polarität hat. Hier wird der Mittelwert des NOx-Mess-Signals um ca. 0,5 ppm verschoben. Haben die Monitoringpulse jedoch eine wechselnde Polarität des ersten Pulses (mit unregelmäßiger Abfolge, s.o.), so entspricht der Mittelwert des NOx-Mess- Signals demjenigen eines NOx-Mess-Signals, bei dem keine Pulse aufgebracht werden.

Das erfindungsgemäße Detektionsverfahren, das die zeitliche Änderung des Antwortsignals Up2_P-P2n auf einen Spannungspuls nutzt, ist deutlich robuster gegen Änderungen und Driften der elektrischen Eigenschaften des Sensorelements und der Bauteile auf der Steuergeräteseite. Die Steigung der Pulsantwort kann insbesondere durch Änderungen des Feedback- Kondensators 178 beeinflusst werden.

Figur 21 zeigt die Änderung der Steigung der Pulsantwort unter Annahme der größten spezifizierten Drift dieses Bauteils (Bauteilestreuung, Temperatur, Alterung). Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 21 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Der obere Teil von Figur 21 zeigt am ASIC-Pin P2N gegen COM gemessene Spannung Up2n. Die Messkurven im unteren Teil von Figur 21 zeigen die differentiell zwischen den ASIC-Pins P2P und P2N gemessene Spannung Up2_P-P2n. Die Kurve 244 gibt die Spannung Up2n am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 und typischer Bauteile der Steuerung 122 an. Die Kurve 246 gibt die Spannung Up2n am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 und typischer Bauteile der Steuerung 122 an. Die Kurve 248 gibt die Spannung Up2n am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 und Bauteildrift an. Die Kurve 250 gibt die Spannung Up2n am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 und Bauteildrift an. Die Kurve 252 gibt die differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n an, die zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 und typischer Bauteile der Steuerung 122 , gemessen wird. Die Kurve 254 gibt die differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 und typischer Bauteile der Steuerung 122 an. Die Kurve 256 gibt die differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx- Zelle 140 und Bauteildrift an. Die Kurve 258 gibt differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 und Bauteildrift an. Werden die ungünstigsten (worst-case) Bauteiledriften- und Variationen kombiniert, verringert sich der Abstand der Spannungswerte des Differenzsignal DUp2_P-P2n, das zur Detektion einer Leitungsunterbrechung genutzt wird.

Figur 22 zeigt das Differenzsignal DUp2_P-P2n für typische Bauteilewerte und für den Fall der Kombination von Worst-Case-Werten. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 22 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 260 gibt das Differenzsignal DUp2_P-P2n für typische Bauteilewerte an. Die Kurve 262 gibt das Differenzsignal DUp2_P-P2n für den Fall der Kombination von Worst-Case-Werten an. Insbesondere zeigt Figur 22 die Differenzsignals DUp2_P-P2n für den Fall einer leitenden Verbindung, wie durch einen zeitlichen Bereich 264 angegeben, und einer unterbrochenen Verbindung, wie durch einen zeitlichen Bereich 266 angegeben. Der Abstand zum Detektionsschwellwert 212 ist aber immer noch groß genug, um ein robustes Monitoring durchzuführen. Ein wichtiger Vorteil des Detektionsverfahrens, das die zeitliche Änderung des Antwortsignals Up2_P-P2n auf einen Spannungspuls nutzt, ist die Robustheit gegen Störungen des NOx-Signals. Figur 23 zeigt interne Signale der Auswerteinheit im Steuergerät 122 innerhalb des Monitoring- Pu Ises. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 23 die Zeit in s aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 268 im oberen Teil von Figur 15 gibt Abtastwerte zu Beginn des Monitoring-Pulses für Up2_P-P2n (1st sample) an. Die Kurve 270 im oberen Teil von Figur 23 gibt Abtastwerte gegen Ende des Monitoring-Pulses für Up2_P-P2n (2nd sample) an. Die Kurve 272 gibt das Messsignal UIP2 am Messwiderstand 160 an. Die Kurve 274 im unteren Teil von Figur 23 gibt das Differenzsignal DUp2_P-P2n = Up2_P-P2n (2nd sample) - Up2_P-P2n (1st sample) an. Aus den beiden Abtastwerten innerhalb des Monitoring Pulses, Up2_P-P2n (2nd sample) und Up2_P-P2n (1st sample) wird das Differenzsignal DUp2_P-P2n gebildet. In dem Beispiel in Figur 23 ist das NOx-Signal 272 stark gestört. An der Messkurve 274 ist gut zu erkennen, dass das Differenzsignal DUp2_P-P2n deutlich geringere Störungen aufweist.

Figur 24 zeigt Verteilungsdichtefunktionen des Differenzsignals DUp2_P-P2n und des NOx Mess-Signals UIP2. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 24 die Spannung in mV aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die relative Häufigkeit dimensionslos aufgetragen. Die Kurve 276 gibt das Differenzsignal DUp2_P-P2n an. Die Kurve 278 gibt das NOx Mess-Signal UIP2 an. Die im Vergleich zum NOx-Signal UIP2 geringe Störung des Differenzsignals DUp2_P-P2n zeigen die Wahrscheinlichkeitsdichten der Signale in Figur 24.

Nachstehend wird eine alternative oder zusätzliche Modifikation oder Ergänzung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Um eine falsch-positive Detektion eines Leitungsunterbrechungs- Fehlers zu vermeiden, wird ein zweistufiges Detektionsverfahren verwendet. Mit den Monitoring-Pulsen wird in 500 ms Intervallen der Zustand der Leitung kontinuierlich überwacht. Wird mit den Monitoring-Pulsen eine mögliche Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zum Sensorelement detektiert, so wird dies nochmals mit einem Feststellungs-Puls (Determination Pulse) überprüft.

Figur 25 zeigt ein Flussdiagramm des kontinuierlichen Monitorings der leitenden Verbindung 146 zur NOx-Zelle 140 (P2 Open Circuit Monitoring). In Schritt S10 erfolgt die oben beschriebene Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle zum Erzeugen eines Messsignals. Insbesondere werden die oben beschriebenen Spannungspulse erzeugt, beispielsweise mit einer Frequenz von 2 Hz. In Schritt S12 wird die zeitliche Veränderung des Messsignals ausgewertet. So wird überprüft, ob die zeitliche Veränderung des Messsignals den vorbestimmten Schwellwert 212 überschreitet oder nicht. Dies kann für zwei aufeinanderfolgen Spannungspulse erfolgen. Wird der Schwellwert bei der Feststellung in Schritt S12 überschritten, schreitet das Verfahren zu Schritt S14 fort und die elektrisch leitende Verbindung 146 wird als intakt identifiziert. Daraufhin kehrt das Verfahren zu Schritt S10 zurück. Wird der Schwellwert bei der Feststellung in Schritt S12 unterschritten, schreitet das Verfahren zu Schritt S16 fort und die elektrisch leitende Verbindung 146 wird dabei vorläufig als defekt identifiziert.

Zum Plausibilisieren wird in Schritt S16 mindestens ein Feststellung- Spannungspuls für eine vorbestimmte Feststellungszeit an die zweite Pumpzelle 140 angelegt wird. Dabei wird die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Feststellung-Spannungspulses ermittelt. Die Feststellungszeit für den Feststellungs-Spannungspuls ist länger als die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls. In Schritt S18 wird die zeitliche Veränderung des Messsignals ausgewertet. So wird überprüft, ob die zeitliche Veränderung des Messsignals bei den Feststellung-Pulsen den vorbestimmten Schwellwert 212 überschreitet oder nicht. Dies kann für beliebig viele aufeinanderfolgen Spannungspulse erfolgen. Wird der Schwellwert bei der Feststellung in Schritt S20 überschritten, schreitet das Verfahren zu Schritt S20 fort und die elektrisch leitende Verbindung 146 wird als intakt identifiziert. Daraufhin kehrt das Verfahren zu Schritt S10 zurück. Wird der Schwellwert bei der Feststellung in Schritt S16 unterschritten, schreitet das Verfahren zu Schritt S22 fort und die elektrisch leitende Verbindung 146 wird dabei als defekt identifiziert. Optional können in Schritt S24 Entprellbedingungen festgelegt werden und das Verfahren kehrt dann zu Schritt S10 zurück.

Nachstehend wird das Verfahren mit der optionalen Plausibilisierung des Messsignals ausführlicher beschrieben. Die Detektion mit diesem Feststellungs- Puls hat eine minimale Fehlerwahrscheinlichkeit. Ein im Vergleich zum Monitoring-Puls mit einer Dauer von beispielsweise 2 ms - 5 ms lang andauernder Puls von beispielsweise 20 ms - 40 ms wird auf die Leitung 146 gegeben. Die am Shunt 160 gemessene Spannungsänderung, das Differenzsignal DUp2_P-P2n, zeigt bei geschlossener Leitung 146 Spannungswerte von deutlich mehr als 100 mV, während bei einer Unterbrechung der Leitung 146 Werte nahe Null gemessen werden. Aufgrund dieses, im Vergleich zum Monitoring-Puls, großen Detektionssignals ist eine Fehldetektion sehr unwahrscheinlich.

Figur 26 zeigt die Abfolge der Anregungspulse Up2n und der Pulsantwort des differentiell gemessenen Spannungsabfalls Up2_P-P2n am Shunt 160 für den Fall, dass mit den Monitoring-Pulsen eine falsch-positive Leitungsunterbrechung detektiert wird. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 26 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 280 gibt die Anregungsspannung Up2n an. Dabei sind die Monitoring-Pulse mit 282 und der Feststellungs-Puls mit 284 bezeichnet. Die Kurve 286 gibt den differentiell gemessenen Spannungsabfalls Up2_P-P2n am Shunt 160 an. Dabei sind Zeiträume einer Erfassung einer geschlossenen elektrischen Verbindung zur NOx-Zelle 140 mit 288 bezeichnet und Zeiträume einer offenen elektrischen Verbindung zur NOx-Zelle 140 mit 290 bezeichnet. In dem Beispiel in Figur 26 detektieren die Monitoring-Pulse 282 zunächst eine falsch-positive Leitungsunterbrechung. Die Antwort des Feststellungs-Pulses 284, dessen Signal Up2_P-P2n stetig ansteigt, zeigt aber, dass keine Leitungsunterbrechung vorliegt. So überschreitet die zeitliche Änderung des Messsignals den Schwellwert 212. Die falsch-positive Detektion wurde erkannt und der NOx- Mess-Betrieb kann fortgesetzt werden.

Figur 27 zeigt die Abfolge der Anregungspulse Up2n und der Pulsantwort des differentiell gemessenen Spannungsabfalls Up2_P-P2n am Shunt 160 für den Fall, dass mit den Monitoring-Pulsen eine falsch-positive Leitungsunterbrechung detektiert wird. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 27 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 280 gibt die Anregungsspannung Up2n an. Dabei sind die Monitoring-Pulse mit 282 und der Feststellungs-Puls mit 284 bezeichnet. Die Kurve 286 gibt den differentiell gemessenen Spannungsabfall Up2_P-P2n am Shunt 160 an. Dabei sind Zeiträume einer Erfassung einer geschlossenen elektrischen Verbindung zur NOx-Zelle 140 mit 288 bezeichnet und Zeiträume einer offenen elektrischen Verbindung zur NOx-Zelle 140 mit 290 bezeichnet. In dem Beispiel in Figur 27 liegt eine Leitungsunterbrechung vor. Der Feststellungs-Puls 284 zeigt ein Signal Up2_P-P2n nahe Null. So unterschreitet die zeitliche Änderung des Messsignals den Schwellwert 212. Der Fehler des Sensors 100 wird bestätigt und eine Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung zum NOx-Sensorelement 140 wird diagnostiziert.

Figur 28 zeigt verschiedene Spannungs-Messsignale des Feststellungs- Pulses gemessen mit einem Oszilloskop. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 28 die Zeit in ms aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 292 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx- Zelle 140 an. Die Kurve 294 gibt die Spannung Up2n am Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 296 gibt die die differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers 158 und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei geschlossener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Kurve 298 gibt differentiell gemessene Spannung Up2_P-P2n zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 158 bei offener elektrischer Verbindung zur NOx-Zelle 140 an. Die Oszilloskop-Mess-Signale in Figur 28 zeigen einen Feststellungspuls mit einem 30 ms langen Anregungssignal Up2n. Die Anregungspulse Up2n sind, ähnlich wie die Monitoring-Pulse, als Pulspaar mit entgegengesetzter Polarität ausgelegt. Die Antwort-Signale Up2_P-P2n zeigen den Spannungsverlauf für den Fall einer elektrisch leitenden Verbindung (Kurve 296) und für den Fall einer Leitungsunterbrechung (Kurve 298).

Figur 29 zeigt das Differenzsignal DUp2_P-P2n der Auswerteinheit im Steuergerät 122 innerhalb des Feststellung-Pulses. Auf der X-Achse 182 ist dabei in Figur 29 die Zeit in s aufgetragen. Auf der Y-Achse 184 ist die Spannung in mV aufgetragen. Die Kurve 300 gibt das Differenzsignal DUp2_P-P2n = Up2_P-P2n (2nd sample) - Up2_P-P2n (1st sample) an. Das Differenzsignal DUp2_P-P2n, das zur Plausibilisierung einer Detektion einer Leitungsunterbrechung genutzt wird, ist in Figur 29 somit genauer dargestellt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Schwellwert 212 in Form einer Spannungsschwelle definiert. Liegt das Differenzsignal DUp2_P-P2n unterhalb des Schwellwerts 212, wird eine Unterbrechung der leitenden Verbindung zur NOx-Zelle 140 detektiert. Liegt das Differenzsignal DUp2_P-P2n oberhalb dieses Schwellwerts 212, so wird die Verbindung als intakt angesehen. In dem Beispiel in Figur 29 ist die Verbindung zur NOx-Zelle 140 zunächst leitend, wie durch den zeitlichen Bereich 302 angegeben, dann wird sie kurzzeitig unterbrochen, wie durch den zeitlichen Bereich 304 angegeben, und nach einigen Sekunden ist sie wieder leitend (geschlossen), wie durch den zeitlichen Bereich 306 angegeben Die großen Unterschiede des Spannungssignals DUp2_P-P2n zwischen leitender und unterbrochener Verbindung zum Sensorelement 110 sowie der große Abstand der Spannungen zur Detektionsschwelle 212 werden hier deutlich.

Das Verfahren kann wie folgt modifiziert werden. Die Anwendung der hier beschriebenen Schaltung und des Verfahrens zur Detektion einer Unterbrechung der Leitung zur NOx Zelle 140 ist nicht nur auf NOx-Sensoren beschränkt. Prinzipiell ist es auf alle elektrochemischen Zellen anwendbar, die Elektroden mit einer großen Kapazität haben. Neben der Anwendung der elektrischen Verbindung mit Spannungspulsen ist auch eine Anregung mit Strompulsen möglich.

Der Nachweis, ob die Erfindung in einem Fremd-Produkt verwendet wird, kann in einem Elektronik-Labor problemlos und einfach erbracht werden. Puls-Folgen und Puls- Muster können mit einem Oszilloskop an den elektrischen Verbindungen zum Sensorelement gemessen werden. Durch das Einkoppeln eines Störsignals mit einem Signalgenerator kann untersucht werden, ob möglicherweise die zeitliche Änderung der Pulsantwort als Diagnosekriterium dient. Genaueren Aufschluss über die mögliche Nutzung der hier beschriebenen Schaltung und des Diagnose-Verfahrens liefert dann eine Analyse des geöffneten Produkts. Hier können die Signale direkt an den Pins der Integrierten Schaltungen gemessen werden.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement (110), wobei das Sensorelement (110) eine erste Pumpzelle (112), die eine äußere Pumpelektrode (114) und eine innere Pumpelektrode (116) aufweist und die an einem ersten Hohlraum (126) anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Referenzzelle (130), welche eine Nernst- Elektrode (132) und eine Referenzelektrode (134) aufweist und die an einem Referenzgasraum (138) anliegt, und eine zweite Pumpzelle (140), die eine Pumpelektrode (142) und eine Gegenelektrode (144) aufweist und die an einem zweiten Hohlraum (145) anliegt, wobei ein elektronisches Steuergerät (122), das zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss (PI) für die erste Pumpzelle (112) und einen zweiten gesonderten Anschluss (P2) für die zweite Pumpzelle (140) verfügt, mit dem Sensorelement (110) verbunden wird, wobei die erste Pumpzelle (112) mittels einer elektrisch leitenden Verbindung (120) mit dem ersten gesonderten Anschluss (PI) verbunden wird, wobei die zweite Pumpzelle (140) mittels einer elektrisch leitenden Verbindung (146) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbunden wird, wobei in der elektrisch leitenden Verbindung (146), die die zweite Pumpzelle (140) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbindet, ein Messwiderstand (160) vorgesehen wird, wobei mittels des Steuergeräts (122) eine Strom- und/oder Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle (140) zum Erzeugen eines Messsignals (Up2_P-P2n) an dem Messwiderstand (160) durchgeführt wird, wobei die elektrisch leitende Verbindung (146), die die zweite Pumpzelle (140) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbindet, als intakt identifiziert wird, falls ein Betrag einer zeitlichen Veränderung des Messsignals (Up2_P-P2n) während der Strom- und/oder Spannungsanregung einen vorbestimmten Schwellwert (212) überschreitet, und als defekt identifiziert wird, falls der Betrag der zeitlichen Veränderung des Messsignals (Up2_P-P2n) während der Strom- und/oder Spannungsanregung den vorbestimmten Schwellwert (212) unterschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei an die zweite Pumpzelle (140) eine vorbestimmte elektrische Spannung (UP2) angelegt wird, wobei eine Spannungsanregung der zweiten Pumpzelle (140) durchgeführt wird, wobei die Spannungsanregung eine Veränderung der vorbestimmten elektrischen Spannung (UP2) für eine vorbestimmte Zeit umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die vorbestimmte elektrische Spannung (UP2) für die vorbestimmte Zeit erhöht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die vorbestimmte elektrische Spannung (UP2) in Form mindestens eines Spannungspulses für die vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle (140) angelegt wird, wobei die zeitliche Veränderung des Messsignals (Up2_P-P2n) durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals (Up2_P-P2n) zu Ende des Spannungspulses ermittelt wird.

5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls eine Dauer von 1 ms bis 10 ms und bevorzugt 1,5 ms bis 5 ms aufweist.

6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die vorbestimmte elektrische Spannung (UP2) in Form eines ersten Spannungspulses für eine erste vorbestimmte Zeit und eines zweiten Spannungspules für eine zweite vorbestimmte Zeit an die zweite Pumpzelle (140) angelegt wird, wobei der erste Spannungspuls und der zweite Spannungspuls eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, wobei ein Integral des ersten Spannungspulses und des zweiten Spannungspulses einen Wert von Null aufweist.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei mehrere Pulspaare mit dem ersten Spannungspuls und dem zweiten Spannungspuls an die zweite Pumpzelle (140) angelegt werden, wobei sich die Polaritäten aufeinanderfolgender Spannungspulspaare regelmäßig oder unregelmäßig abwechseln. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Anzahl positiver Polaritäten des ersten Spannungspulses der Spannungspulspaare und die Anzahl negativer Polaritäten des ersten Spannungspulses der Spannungspulspaare identisch sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei das Verfahren weiterhin Plausibilisieren des Messsignals umfasst, falls die elektrisch leitende Verbindung (146), die die zweite Pumpzelle (140) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbindet, als defekt identifiziert wird. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei zum Plausibilisieren die vorbestimmte elektrische Spannung (UP2) in Form mindestens eines Feststellung-Spannungspulses für eine vorbestimmte Feststellungszeit an die zweite Pumpzelle (140) angelegt wird, wobei die zeitliche Veränderung des Messsignals durch Berechnen einer Differenz zwischen einem ersten Messwert des Messsignals zu Beginn des Spannungspulses und einem zweiten Messwert des Messsignals zu Ende des Feststellung- Spannungspulses ermittelt wird, wobei die Feststellungszeit für den Feststellungs-Spannungspuls länger als die vorbestimmte Zeit für den Spannungspuls ist, wobei eine Amplitude des Feststellungs-Spannungspuls bevorzugt gleich groß wie eine Amplitude des Spannungspulses ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuergerät (122) zum Regeln einer Spannung an der zweiten Pumpzelle (140) ausgebildet, wobei das Steuergerät (122) weiterhin eine Anregungssignalquelle (156) aufweist, wobei ein Spannungssollwert als Führungsgröße gesteuert wird, wobei das Steuergerät (122) einen zeitlichen Ablauf von Änderungen des Spannungssollwertes steuert, wobei mittels Messungen eines Spannungsabfalls am Messwiderstand (160) eine Unterbrechung der elektrisch leitenden Verbindung (146), die die zweite Pumpzelle (140) mit dem zweiten gesonderten Anschluss (P2) verbindet, detektierbar ist. 12. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.

13. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.

14. Elektronisches Steuergerät (122), welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.

15. Sensor (100) zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement (110), wobei das Sensorelement (110) eine erste Pumpzelle (112), die eine äußere Pumpelektrode (114) und eine innere Pumpelektrode (116) aufweist und die an einem ersten Hohlraum (126) anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Referenzzelle (130), welcher eine Nernst- Elektrode (132) und eine Referenzelektrode (134) aufweist und die an einem Referenzgasraum (138) anliegt, und eine zweite Pumpzelle (140), die eine Pumpelektrode (142) und eine Gegenelektrode (144) aufweist und die an einem zweiten Hohlraum (145) anliegt, wobei der Sensor (100) weiterhin ein elektronisches Steuergerät (122) nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.