WO2024149570A1 - Sensorsystem - Google Patents

Sensorsystem Download PDF

Info

Publication number
WO2024149570A1
WO2024149570A1 PCT/EP2023/086343 EP2023086343W WO2024149570A1 WO 2024149570 A1 WO2024149570 A1 WO 2024149570A1 EP 2023086343 W EP2023086343 W EP 2023086343W WO 2024149570 A1 WO2024149570 A1 WO 2024149570A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measured values
operating
tolerance range
sensor element
characteristic
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/086343
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Schelling
Bernd Schumann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2024149570A1 publication Critical patent/WO2024149570A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/122—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits
    • G01N27/123—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature
    • G01N27/124—Circuits particularly adapted therefor, e.g. linearising circuits for controlling the temperature varying the temperature, e.g. in a cyclic manner

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a sensor system and a sensor system.
  • Sensor systems are known from the state of the art that use a metal oxide as the sensor material.
  • sensor systems have unsatisfactory long-term drift stability. This poses a challenge for reliability in use. This limits the achievable accuracy of the sensor systems and their minimum detection limit. This can be a problem, especially for safety-critical applications.
  • Recalibrating the sensors during operation is complex and not always possible.
  • a sensor for combustible gases shows its response to the existing global hydrogen concentration of 0.6 ppm in the earth's atmosphere even during operation without being exposed to the gas to be detected. This hydrogen concentration therefore produces a background signal, for example from a gas sensor that is sensitive to hydrogen.
  • One object of the invention is to provide an improved method for operating a sensor system.
  • a further object of the invention is to provide an improved sensor system.
  • the sensor system enables the control and reading of at least one sensor element under different measurement conditions (e.g. gas exposure) and the calculation of the recorded measurement signals using a calculation method for determining a gas concentration or a gas composition from different gases.
  • gases that have a negative influence on the measurement are usually already present in the background. It is therefore not often the case that a sensor is switched on under very defined, clean ambient conditions and that an accurate baseline can then be established first. This requires a new method for generating measurement results, as described below.
  • This method provides measurement results that have been mathematically recalculated and cleaned of background signals. This makes it possible to reliably determine the gas concentration(s) even under conditions in which the sensor is switched on when background gases of natural or anthropogenic origin are present.
  • the sensor can therefore perform its task of detecting concentrations of combustible gases, for example, more safely and reliably.
  • the measuring method according to the invention enables the compensation of disturbances caused by long-term drift effects in the measured values during operation, with sensor signals being recorded under different measuring conditions and offset against one another so that a gas concentration or a gas composition can be determined as compensated gas concentrations.
  • the invention relates to a method for operating a sensor system, in particular a gas sensor system.
  • the sensor system comprises a sensor element with a heating element and a control and readout unit for the sensor element.
  • the control and readout unit can have a computing unit and a memory.
  • the method can be carried out by the control and readout unit.
  • operating points to be set are processed, at which the sensor element is brought to different temperatures using the heating element.
  • a measured value is recorded for each operating point.
  • the operating points to be set are set according to a criterion.
  • This sensor system with connected gas sensors is able to recognize, with the help of a specific operating mode of the sensor (which is provided, for example, by a computing unit of the control and readout unit), under which conditions the gas sensor is operated when switched on and whether it is switched on in a range of higher or lower measurable gas concentrations.
  • the sensor system can have a memory in which measured values or measurement results from previous measurements can be stored in the form of tensors.
  • a tensor can be designed according to the usual definition in mathematics. In particular, a tensor can map the matrix elements or a part of them over a matrix of measured values as a sum, i.e. a scalar or a vector whose components are partial sums.
  • the sensor system has a computing unit with which current measured values can be offset against past ones.
  • the sensor system sets two or more operating temperatures of the sensor via the heating element to operate the sensor to be measured. It can be provided that a direct voltage and/or an alternating voltage and/or a variable voltage is applied to the sensor at each temperature.
  • the sensor elements used in such sensor systems can, for example, have a quasi-logarithmic characteristic curve in which a sensor element resistance is logarithmically related to the operating temperature. temperature. For certain operating temperatures, it can be assumed that the gas to be determined is no longer adsorbed on the sensor element. This means that at high operating temperatures, a deviation in the sensor element resistance can be attributed to a change in the sensor element. This makes it possible to attribute a deviation in the sensor element resistance at low operating temperatures either to a change in the sensor element if deviations also exist at high operating temperatures, or to an adsorbed gas if there are no deviations at high operating temperatures. The optional designs explained below allow this distinction to be made. If the sensor element changes, for example due to damage, aging or other influences, the characteristic curve also changes.
  • One criterion can be a different gas sensitivity of a gas sensor element or several gas sensor elements in a sensor system to different gases at different operating temperatures.
  • lower operating temperatures can be set at which the gas sensitivity of the gas sensor elements is not yet so pronounced, or higher operating temperatures at which a gas sensor element indicates the gases less strongly, hardly at all or no longer at all and thus has a reduced sensitivity due to the higher operating temperature.
  • a further criterion can be a different gas sensitivity of a gas sensor element or of several gas sensor elements in a sensor system to different gases at different temperatures when exposed to different electrical voltages or currents.
  • the electrical voltages can in particular be direct voltages or alternating voltages such as square-wave voltages or sinusoidal voltages or other alternating voltages, to which an offset voltage can also be added.
  • the invention comprises a sensor system, in particular a gas sensor system.
  • the sensor system comprises a sensor element with a heating element and a control and readout unit for the sensor element.
  • the control and readout unit is designed to appropriate procedures and to control the sensor element accordingly.
  • the operating points to be set further comprise a voltage applied to the sensor element.
  • This voltage can be a direct voltage and/or an alternating voltage and can also comprise a polarity reversal of the direct voltage and/or alternating voltage and a combination thereof.
  • a sensor element resistance is determined by measuring the current through the sensor element.
  • the sensor element can also be reversed when the direct current is applied, for example with electronic switches. This allows the current to be measured in two directions through the sensor element if, for example, a sensor material also contains charge carriers with very low mobility (e.g. ions) that affect the conductivity when a direct current is applied for a certain time.
  • charge carriers with very low mobility e.g. ions
  • a complex impedance of the sensor element is determined by measuring the current and the phase between current and voltage.
  • a direct voltage offset can also be applied, which can also be reversed using switches or electronic devices.
  • the application of the various voltages can be linked to a time program for setting the various temperatures. At each set temperature, a coordinated program for setting the voltages and recording the measured values is carried out.
  • the method can therefore in particular include combining program steps for setting a temperature and program steps for setting voltages and recording the resulting measured values.
  • it can be provided to process a set of operating points i that consists of a combination of specific voltage and temperature program steps APi. For each operating point i, a set of measured values APi (Mi) then results.
  • the index i increases continuously with an increasing number of completed operating points.
  • the criterion includes selecting points in time based on a defined function and selecting points in time of the operating points to be set according to the defined function.
  • the defined function can, for example, be continuously increasing and, for example, include a logarithmically increasing interval.
  • the points in time can, for example, be hours such as 1 h, 5 h, 10 h, 50 h, 100 h, and so on.
  • the control and readout unit comprises the memory already mentioned. Previous measured values for operating points of a previous operating state are stored in the memory. Current measured values of a current operating state are compared with the previous measured values.
  • a characteristic measure can be introduced for this purpose.
  • the A characteristic measure can be a scalar or a vector with components or even a matrix.
  • the measure can include an assignment of numerical values formed by functions to one or more measured values under selected operating conditions. The measured values are arguments of these functions.
  • the characteristic measure can, for example, be the difference between a current measured value and a previous measured value that was saved or determined during manufacture of the sensor system. It can, for example, be the sum of the differences between several measured values or a weighted sum of the differences between several measured values.
  • a weighted sum does not simply add each summand but adds the summands multiplied by a number other than 1.
  • the characteristic therefore describes deviations of measured values from a previous measured value using numbers.
  • the characteristic dimension lies outside the first tolerance range and within the second tolerance range, since in this case a virtual operating point is determined using virtual measured values and the characteristic dimension is adjusted based on the virtual operating point.
  • the virtual operating point can be used alternatively or in addition.
  • the characteristic measure can describe the change in the characteristic curve mentioned above due to a change in the sensor element.
  • the event results, for example, from the fact that a certain deviation has been determined compared to other operating points to be compared, such as the APJF (factory measured values).
  • certain operating points can be set that determine the sensitivity of the gas sensor element to certain gases to be detected depending on the operating temperature (e.g. 250°C, 300°C, 500°C). These can then be used later for comparison with real measured values at the same operating temperatures.
  • an increase or decrease in the gas sensitivity of the sensor element in the APJF measured values at different operating temperatures can be used to carry out a correction of the sensor signals.
  • the times at which the measured values Mi are determined at an operating point APi can therefore be regular or triggered by a function or an event.
  • An event can be, for example, a sudden, sharp increase or decrease in sensor resistance.
  • a measurement result is output if the characteristic measure of the current measured values is within the first tolerance range.
  • a new operating state is introduced, which is referred to as a functional measurement test.
  • this operating state possibly referred to as a functional test measurement operating state
  • the gas sensor element could function, but now has a slightly changed characteristic curve and/or a slightly changed gas sensitivity and/or a slightly changed base resistance.
  • a series of operating temperatures of the gas sensor element can now be set, the associated measured values recorded and the characteristic measurement recorded.
  • a new virtual operating point is defined from this and for the future operation of the sensor system, the characteristic measurement of the future current measured values is calculated using the new virtual operating point of the functional measurement test.
  • a new first tolerance range and a new second tolerance range can be defined. The old values for the first tolerance range range and the second tolerance range can be stored additionally for comparison.
  • an error message is issued if the characteristic measure of the current measured values is outside the second tolerance range.
  • the previous operating state includes a functional test measurement operating state during a functional test measurement.
  • the first tolerance range and the second tolerance range can be newly defined.
  • New definition of a new first specified tolerance range and a new second specified tolerance range based on the new virtual operating point Re-checking whether the characteristic dimension of the current measured values is within the new first specified tolerance range and/or the new second specified tolerance range;
  • the repetition can be carried out several times, if necessary until a predetermined termination criterion is reached.
  • a maximum number of repetitions can be specified, for example a maximum of five repetitions.
  • current measured values APio (Mio) designated as iO can be compared with the measured values APJF (MJF ) that were determined in a functional test measurement during manufacture of the sensor system.
  • further operating points APi +tx (Mi +tx ) of a current operating state APio (Mio) are again compared with the measured values APJF (MJF) and also with operating states that the sensor has previously completed, i.e. with operating points APk-t x (Mk-t x ) that were chronologically (indicated by -tx) before the current APio (Mio) operating state.
  • the sensor system can therefore compare the measured values of current operating states both with historical measured values before the current operating state and with measured values that were determined in the functional test measurement.
  • the measured values of the operating points APio and the differences between the measured values of these operating points APio (Mio) and the measured values APJF (MIF) and the previous measured values in APk-tx (Mk-tx) are then stored in a continuous series of order structures such as vectors or matrices (generally: tensors). These different order structures therefore consist of the stored measured values OrdiM and OrdiM.Diff, which contain the difference matrices or vectors.
  • the characteristic measure can also be mapped in this or calculated from this data according to a rule.
  • the order elements of an operating point now consist of the measured values and the differences of the measured values of selected individual operating points, whereby a structure OrdiM, Diff always contains the current measured values and the differences of contains at least two operating points.
  • the structure OrdiM.Diff now defines characteristic dimensions MAi, which can be formed multiple times.
  • the characteristic dimensions MAi can map the differences of all measured values in the structure OrdiM.Diff to a sum MAsumjo.k.
  • iO is the index of the operating point of the current operating state APio
  • k is the index of another selected operating state APk.
  • the characteristic dimensions MAi can map the differences of some selected measured values of an operating point APi to a sum, for example only in a certain range of the measured values (this can be a certain resistance or impedance range, for example). In this way, it can be determined whether certain measured values occur often or rarely in several operating points.
  • Characteristic dimensions of type MAi are always assigned to exactly one operating point APi.
  • additional characteristic dimensions MAT.U can also be introduced that represent the differences of some of the measured values, for example only at certain temperatures or voltages. These characteristic dimensions are always assigned to certain voltages U n and/or temperatures T m and thus extend over several operating points APi ... APk.
  • the characteristic dimensions can, for example, be sums, weighted sums or functions on the measured values and/or the differences of the measured values to previous operating points.
  • a catalog is created of all measured values of the API, the OrdiM and the differences OrdiM.Diff and the characteristic dimensions MAi and MAT.U, which the sensor system can always access. Only part of this information, such as just the characteristic dimensions, can be stored in the catalog to save storage space.
  • a progression VerMA of the characteristic dimensions MAi and MAT.U can be depicted.
  • the progression of the characteristic dimensions indicates the increase or decrease or a constant progression of the value of the specific selected characteristic dimensions of the various operating points APi. If a specific characteristic dimension exceeds a specified first Tolerance range TBi, which can be formed with the measured values and order structures of the APJF (MIF), it is checked whether this characteristic dimension is now within a second tolerance range TB2. If it is within this second tolerance range TB2, an adaptation function is used to form the new virtual operating point APvirti with virtual measured values, which is then always included as a new reference operating point AP re f in the formation of the characteristic dimension.
  • the respective operating points APi and their order structures then form their characteristic dimensions and the order structures in such a way that both the previous and the additional operating point AP re f are also represented in the order structures.
  • This step enables an adaptation process that is carried out using the tolerance ranges TB1 and TB2. If a sensor element is always within the second tolerance range TB2, its measured values can be corrected using the virtual measured values of the virtual operating point. The correction can be simply linear or logarithmic or based on another function. After the correction, the sensor element can then again lie within the first newly created tolerance range TB1.
  • tolerance bands TB1 and TB2 can be used for measured values and characteristic dimensions, for example for a subset of selected measured values in a certain range or within a certain temperature or voltage.
  • Fig. 1 a sensor system
  • Fig. 2 is a flow chart of a method for operating a sensor system.
  • Fig. 1 shows a sensor system 1, in particular a gas sensor system 2.
  • the sensor system 1 comprises a sensor element 10.
  • the sensor element 10 has a sensing element 11 with which a physical quantity can be converted into an electronic signal.
  • the sensor element 10 also has a heating element 12. If the sensor system 1 is the gas sensor system 2, the sensing element 11 can be designed as a gas-sensitive element 13.
  • the sensor system 1 also has a control and readout unit 20 for the sensor element 10.
  • the control and readout unit 20 can in particular have a computing unit 21 and a memory 22.
  • control and readout unit 20 can have, for example, an analog-digital converter 23 with which a signal from the sensing element 11 can be converted into a digital signal.
  • control and readout unit 20 can have, for example, a heating control 24 with which the heating element 12 can be controlled and, in particular, a temperature can be specified for the sensor element 10 or the sensing element 11. It can be provided that the control and readout unit 20 is set up to carry out the method described below and to control the sensor element 10 accordingly.
  • the sensor elements 10 used in such sensor systems 1 can, for example, have a quasi-logarithmic characteristic curve in which a sensor element resistance is logarithmically related to the operating temperature. For certain operating temperatures, it can be assumed that the gas to be determined is no longer adsorbed on the sensor element 10. As a result, a deviation in the sensor element resistance can be assigned to a change in the sensor element 10 at high operating temperatures. This makes it possible to assign a deviation in the sensor element resistance at low operating temperatures either to a change in the sensor element 10 if deviations also exist at high operating temperatures, or to assign it to an attached gas if no deviations exist at high operating temperatures.
  • Fig. 2 shows a flow chart 100 of a method for operating a sensor system, for example the sensor system 1 of Fig. 1 .
  • the control and readout unit 20 of the sensor system 1 of Fig.1 must be configured to carry out this method.
  • a processing step 101 operating points to be set for a measurement are processed, in which the sensor element 10 or the sensing element 11 is brought to different temperatures by means of the heating element 12. A measured value is recorded for each operating point.
  • the operating points to be set are set according to a criterion.
  • One criterion can be a different gas sensitivity of a gas sensor element 10 or of several gas sensor elements 10 located in a sensor system 1 to different gases at different operating temperatures.
  • lower operating temperatures can also be set at which the gas sensitivity of the gas sensor elements 10 is not yet so pronounced, or higher operating temperatures at which a gas sensor element 10 indicates the gases less strongly, hardly at all or no longer at all and thus has a sensitivity reduced by the higher operating temperature.
  • a further criterion can be a different gas sensitivity of a gas sensor element 10 or of several gas sensor elements 10 located in a sensor system 1 to different gases at different temperatures when subjected to different electrical voltages or currents.
  • the electrical voltages can in particular be direct voltages or alternating voltages such as square-wave voltages or sinusoidal voltages or other alternating voltages, to which an offset voltage can also be added.
  • the operating points to be set further comprise a voltage applied to the sensor element 10 or the sensing element 11.
  • This voltage can be a direct voltage and/or an alternating voltage and can also comprise a polarity reversal of the direct voltage and/or alternating voltage and a combination thereof.
  • a sensor element resistance is determined by measuring the current through the sensor element 10 or by the Sensing element 11 determines a sensing element resistance
  • the sensor element 10 or the sensing element 11 can also be reversed when the direct voltage is applied, for example with electronic switches. In this way, the current can be measured in two directions through the sensor element 10 or the sensing element 11 if, for example, a sensor material also contains charge carriers with very low mobility (e.g. ions) that influence the conductivity when a direct voltage is applied for a certain time.
  • the application of the various voltages can be linked to a time program for setting the various temperatures. At each set temperature, which is then approached by means of the heating element 12, a coordinated program for setting the voltages and recording the measured values is carried out.
  • the method can therefore in particular include combining program steps for setting a temperature and program steps for setting voltages and recording the resulting measured values.
  • it can be provided to process a set of operating points i that consist of a combination of certain voltage and temperature program steps APi
  • a set of measured values APi is then obtained.
  • the index i increases continuously with an increasing number of completed operating points.
  • the criterion includes selecting points in time based on an elapsed period of time and selecting points in time of the operating points to be set according to the elapsed period of time.
  • the points in time of the operating points i of the system to be set can then be selected, for example, according to a method in which points in time are determined according to an elapsed period of time, for example a specific time interval, such as a day, a week or, for example, three hours or other time intervals.
  • the control and readout unit 20 comprises the memory 22. Previous measured values for operating points of a previous operating state are stored in the memory 22. Current measured values of a current operating state are compared with the previous measured values.
  • a characteristic measure can be introduced for this purpose.
  • the characteristic measure can be a scalar or a vector with components or even a matrix.
  • the measure can include an assignment of numerical values formed by functions to one or more measured values in selected operating states. The measured values are arguments of these functions.
  • the characteristic measure can be, for example, the difference between a current measured value and a previously stored measured value or a measured value determined during the manufacture of the sensor system. It can be, for example, the sum of the differences between several measured values or a weighted sum of the differences between several measured values.
  • a weighted sum does not simply add each summand but adds the summands multiplied by a number not equal to 1.
  • the characteristic describes deviations of measured values from a previous measured value using numbers. It is checked whether the characteristic value of the current measured values is within a first tolerance range or outside the first tolerance range and within a second tolerance range or outside the second tolerance range.
  • the characteristic dimension lies outside the first tolerance range and within the second tolerance range, since in this case a virtual operating point is determined using virtual measured values and the characteristic dimension is adjusted based on the virtual operating point.
  • the virtual operating point can be used alternatively or in addition.
  • the characteristic dimension can be determined, for example, in a dimension determination step 104.
  • the check as to whether the characteristic dimension lies outside the first tolerance range can be carried out in a first decision step 105.
  • the check as to whether the characteristic dimension lies within the second tolerance range can be carried out in a second decision step 107.
  • the determination of a new virtual operating point can be carried out in a determination step 109. With the new virtual operating point, a new first specified tolerance range and a new second specified tolerance range can be determined and the first decision step 105 can be carried out with the new first specified tolerance range and the second decision step 107 with the new second specified tolerance range.
  • the event results, for example, from the fact that a certain deviation from other operating points to be compared, such as APJF (factory measured values), has been determined.
  • the measured values determined for the operating point APJF to be compared can be read in a first reading step 102.
  • certain operating points can be set that determine the sensitivity of the gas sensor element 10 to certain gases to be detected as a function of the operating temperature (e.g. 250°C, 300°C, 500°C). These can then be used later for comparison with real measured values at the same operating temperatures.
  • an increase or decrease in the gas sensitivity of the sensor element 10 in the APJF measured values at different operating temperatures can be used to carry out a correction of the sensor signals.
  • the times of determination of the measured values Mi at an operating point APi can therefore be regular or triggered by a function or by an event.
  • a measurement result is output if the characteristic dimension of the current measured values is within the first tolerance range. This can be done, for example, in a measurement result output 106.
  • an error message is output if the characteristic dimension of the current measured values is outside the second tolerance range. This can be done, for example, in an error message output 108.
  • the previous operating state includes a functional test measurement operating state during a functional test measurement.
  • current measured values APio (Mio) designated iO can be compared with measured values APJF (MJF) that were determined during a functional test measurement during manufacture of the sensor system and are read in the first reading step 102.
  • measured values APJF (MJF) a current operating state APio (Mio) are again compared with the measured values APJF (MJF) designated jF and also with operating states that the sensor has previously completed, i.e.
  • the sensor system 1 can therefore compare the measured values of current operating states both with historical measured values before the current operating state and with measured values that were determined during the functional test measurement.
  • the measured values of the operating points APio and the differences between the measured values of these operating points APio (Mio) and the measured values APJF (MIF) and the previous measured values in APk-tx (Mk-tx) are then stored in a continuous series of order structures such as vectors or matrices (generally: tensors). These different order structures therefore consist of the stored measured values OrdiM and OrdiM.Diff, which contain the difference matrices or vectors.
  • the ordering elements of an operating point now consist of the measured values and the differences between the measured values of selected individual operating points, where a structure OrdiM.Diff always contains the current measured values and the differences of at least two operating points.
  • the structure OrdiM.Diff now defines characteristic dimensions MAi, which can be formed multiple times.
  • the characteristic dimensions MAi can map the differences of all measured values in the structure OrdiM.Diff to a sum MAsumjo.k.
  • iO is the index of the operating point of the current operating state APio
  • k is the index of another selected operating state APk.
  • the characteristic dimensions MAi can map the differences of some selected measured values of an operating point APi to a sum, for example only in a certain range of the measured values (this can be a certain resistance or impedance range, for example). In this way, it can be determined whether certain measured values occur often or rarely in several operating points.
  • Characteristic dimensions of the type MAi are always assigned to exactly one operating point APi.
  • additional characteristic dimensions MAT.U can also be introduced that represent the differences of some of the measured values, for example only at certain temperatures or voltages. These characteristic dimensions are always assigned to certain voltages U n and/or temperatures T m and thus extend over several operating points AP, ... AP k .
  • a catalog is created of all measured values of the API, the OrdiM and the differences OrdiM.Diff and the characteristic dimensions MAi and MAT.U, which the sensor system can always access. Only part of this information, such as just the characteristic dimensions, can be stored in the catalog to save storage space.
  • a progression VerMA of the characteristic dimensions MAi and MAT.U can be depicted.
  • the progression of the characteristic dimensions indicates the increase or decrease or a constant progression of the value of the specific selected characteristic dimensions of the various operating points APi. If a specific characteristic dimension exceeds a specified first tolerance range TBi (determined in the first decision step 105) that is measured values and order structures of the APJF (MIF), a check is carried out to determine whether this characteristic dimension lies within a second tolerance range TB2 (determined in the second decision step 107).
  • an adaptation function is used to form the new virtual operating point APvirti with virtual measured values in the determination step 109, which is then always included as a new reference operating point AP re f in the formation of the characteristic dimension.
  • the new virtual operating point APvirti can be stored in the memory 22 in a storage step 110 and is available for a new run through the dimension determination step 104.
  • the respective operating points APi and their order structures then form their characteristic dimensions and the order structures in such a way that both the previous and the additional operating point AP re f are also represented in the order structures.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems, insbesondere eines Gassensorsystems. Das Sensorsystem umfasst ein Sensorelement mit einem Heizelement und eine Ansteuerungs- und Ausleseeinheit für das Sensorelement. Die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit kann eine Recheneinheit und einen Speicher aufweisen. Das Verfahren kann durch die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit ausgeführt werden. Für eine Messung werden einzustellende Arbeitspunkte abgearbeitet, bei denen das Sensorelement mittels des Heizelements auf unterschiedliche Temperaturen gebracht wird. Für jeden Arbeitspunkt wird ein Messwert aufgezeichnet. Die einzustellenden Arbeitspunkte werden nach einem Kriterium eingestellt.

Description

Beschreibung
Titel
Sensorsystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems und ein Sensorsystem.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Sensorsysteme, insbesondere Gassensorsysteme bekannt, die ein Metalloxid als Sensormaterial aufweisen. Solche Sensorsysteme weisen jedoch eine unbefriedigende Langzeitdriftstabilität auf. Dies stellt eine Herausforderung für die Zuverlässigkeit im Gebrauch dar. Dadurch ist eine erzielbare Genauigkeit der Sensorsysteme und ihre minimale Detektionsgrenze limitiert. Dies kann insbesondere für sicherheitskritische Anwendungen ein Problem darstellen. Rekalibrierungen der Sensoren während des Betriebs sind aufwändig durchzuführen und nicht in jedem Fall möglich. Ein Sensor für brennbare Gase zum Beispiel zeigt auch im Betrieb ohne extra Beaufschlagung mit zu de- tektierendem Gas seine Antwort auf die vorhandenen globale Wasserstoff kon- zentration von 0,6 ppm in der Erdatmosphäre an. Diese Wasserstoffkonzentration ergibt also ein Hintergrundsignal beispielsweise eines für Wasserstoff empfindlichen Gassensors.
In der Druckschrift US 2020 / 386 728 A1 wird ein Verfahren für eine Basislinienkorrektur beschrieben. Dabei können Modelle für eine Drift aus numerischen Elementen verwendet werden, die aber die Eigenschaften eines Sensors nicht ausreichend genau abbilden. Dementsprechend altern diese Modelle, wie der Gassensor ebenfalls. Insbesondere ist der Gassensor beim Einschalten nicht immer nur sauberer Luft ausgesetzt, wodurch eine Basislinienkorrektur nicht zuverlässig umzusetzen ist. Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Sensorsystem bereitzustellen. Diese Aufgaben werden mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem ermöglicht das Ansteuern und Auslesen wenigstens eines Sensorelements unter verschiedenen Messbedingungen (also beispielsweise Gasbeaufschlagungen) und das Verrechnen der erfassten Messsignale mit einem Rechenverfahren zur Ermittlung einer Gaskonzentration beziehungsweise einer Gaszusammensetzung aus verschiedenen Gasen. Die Messung negativ beeinflussende Gase sind meistens schon im Hintergrund vorhanden. Es ist daher nicht oft der Fall, dass ein Sensor unter sehr definierten, sauberen Umgebungsbedingungen eingeschaltet wird und man dann zuerst eine genaue Basislinie ablegen kann. Dies erfordert ein neues Verfahren zur Messergebnisbildung, wie nachfolgend beschrieben.
Dieses Verfahren stellt mathematisch neu berechnete und von den Hintergrundsignalen bereinigte Messergebnisse bereit. So ist die verlässliche Bestimmung der Gaskonzentration(en) auch unter Bedingungen möglich, bei denen der Sensor bereits bei Vorhandensein von Hintergrundgasen natürlichen oder anthropogenen Ursprungs eingeschaltet wird. Deshalb kann der Sensor seine Aufgabe, beispielsweise Konzentrationen von brennbaren Gasen zu detektieren, sicherer und zuverlässiger erfüllen. Das erfindungsgemäße Messverfahren ermöglicht die Kompensation von Störungen durch Langzeitdrifteffekte in den Messwerten während des laufenden Betriebes, wobei unter verschiedenen Messbedingungen Sensorsignale erfasst und miteinander verrechnet werden, so dass eine Gaskonzentration beziehungsweise eine Gaszusammensetzung als kompensierte Gaskonzentrationen) ermittelt werden können.
Nach einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems, insbesondere eines Gassensorsystems. Das Sensorsystem umfasst ein Sensorelement mit einem Heizelement und eine Ansteuerungs- und Ausleseeinheit für das Sensorelement. Die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit kann eine Recheneinheit und einen Speicher aufweisen. Das Verfahren kann durch die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit ausgeführt werden. Für eine Messung werden einzustellende Arbeitspunkte abgearbeitet, bei denen das Sensorelement mittels des Heizelements auf unterschiedliche Temperaturen gebracht wird. Für jeden Arbeitspunkt wird ein Messwert aufgezeichnet. Die einzustellenden Arbeitspunkte werden nach einem Kriterium eingestellt.
Dies stellt beispielsweise ein selbstlernendes adaptives Sensorsystem dar, welches einen oder mehrere Sensoren, insbesondere Gassensoren, betreibt. Dieses Sensorsystem mit angeschlossenen Gassensoren ist in der Lage, mit Hilfe einer bestimmten Betriebsweise des Sensors (die beispielsweise von einer Recheneinheit der Ansteuerungs- und Ausleseeinheit bereitgestellt wird) zu erkennen, unter welchen Bedingungen der Gassensor beim Einschalten betrieben wird und ob er in einem Bereich höherer oder kleinerer messbarer Gaskonzentrationen eingeschaltet wird. Das Sensorsystem kann über einen Speicher verfügen, in dem Messwerte oder auch Messergebnisse aus vorangegangenen Messungen in Form von Tensoren abgelegt werden können. Ein Tensor kann dabei nach der in der Mathematik üblichen Definition ausgestaltet sein. Insbesondere kann über einer Matrix von Messwerten ein Tensor die Matrixelemente oder einen Teil davon als eine Summe, also einen Skalar oder einen Vektor abbilden, dessen Komponenten Teilsummen sind. Außerdem verfügt das Sensorsystem über eine Recheneinheit, mit der aktuelle Messwerte mit vergangenen verrechnet werden können.
Insbesondere stellt das Sensorsystem zum Betrieb des zu vermessenden Sensors zwei oder mehr Betriebstemperaturen des Sensors über das Heizelement ein. Dabei kann vorgesehen sein, bei jeder Temperatur eine Gleichspannung und/oder eine Wechselspannung und/oder eine veränderliche Spannung an den Sensor anzulegen.
Die in solchen Sensorsystemen verwendeten Sensorelemente können beispielsweise eine quasi-logarithmische Kennlinie aufweisen, bei der ein Sensorelementwiderstand in einem logarithmischen Zusammenhang mit der Betriebstem- peratur steht. Für bestimmte Betriebstemperaturen kann angenommen werden, dass das zu bestimmende Gas nicht mehr am Sensorelement adsorbiert ist. Dadurch kann bei hohen Betriebstemperaturen eine Abweichung des Sensorelementwiderstands einer Veränderung des Sensorelements zugeordnet werden. Dies ermöglicht, eine Abweichung des Sensorelementwiderstands bei niedrigen Betriebstemperaturen entweder einer Veränderung des Sensorelements zuzuordnen, wenn auch bei hohen Betriebstemperaturen Abweichungen vorliegen, oder einem angelagerten Gas zuzuordnen, wenn bei hohen Betriebstemperaturen keine Abweichungen vorliegen. Die im Folgenden erläuterten optionalen Ausgestaltungen erlauben diese Unterscheidung. Verändert sich das Sensorelement, beispielsweise aufgrund einer Beschädigung, einer Alterung oder aufgrund von anderen Einflüssen, ändert sich auch die Kennlinie.
Ein Kriterium kann eine unterschiedliche Gasempfindlichkeit eines Gassensorelements oder mehrerer in einem Sensorsystem befindlicher Gassensorelemente auf verschiedene Gase bei verschiedenen Betriebstemperaturen sein. Insbesondere können auch niedrigere Betriebstemperaturen eingestellt werden, bei denen die Gasempfindlichkeit der Gassensorelemente noch nicht so stark ausgeprägt ist oder höhere Betriebstemperaturen, bei denen ein Gassensorelement die Gase weniger stark, kaum noch oder gar nicht mehr anzeigt und somit eine durch die höhere Betriebstemperatur verringerte Empfindlichkeit hat.
Ein weiteres Kriterium kann eine unterschiedliche Gasempfindlichkeit eines Gassensorelements oder mehrerer in einem Sensorsystem befindlichen Gassensorelemente auf verschiedene Gase bei verschiedenen Temperaturen bei Beaufschlagung mit verschiedenen elektrischen Spannungen oder Strömen sein. Die elektrischen Spannungen können dabei insbesondere Gleichspannungen oder wechselnde Spannungen wie beispielsweise Rechteckspannungen oder Sinusspannungen oder andere wechselnde Spannungen sein, zu denen auch noch eine Offsetspannung addiert sein kann.
Nach einem zweiten Aspekt umfasst die Erfindung ein Sensorsystem, insbesondere ein Gassensorsystem. Das Sensorsystem umfasst ein Sensorelement mit einem Heizelement und eine Ansteuerungs- und Ausleseeinheit für das Sensorelement. Die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit ist eingerichtet, das erfindungs- gemäße Verfahren durchzuführen und das Sensorelement entsprechend anzusteuern.
Im Folgenden werden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert Insbesondere können diese jeweils ebenfalls mittels der Ansteuerungsund Ausleseeinheit ausgeführt werden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die einzustellenden Arbeitspunkte ferner eine am Sensorelement angelegte Spannung. Diese Spannung kann eine Gleichspannung und/oder eine Wechselspannung sein und auch eine Umpolung der Gleichspannung und/oder Wechselspannung sowie eine Kombination daraus umfassen.
Bei Anlegen einer Gleichspannung wird durch Messen des Stroms durch das Sensorelement ein Sensorelementwiderstand bestimmt. Das Sensorelement kann auch umgepolt werden, wenn die Gleichspannung angelegt wird, beispielsweise mit elektronischen Schaltern. So kann der Strom in zwei Richtungen durch das Sensorelement vermessen werden, wenn beispielsweise ein Sensormaterial auch Ladungsträger einer sehr geringen Beweglichkeit (z. B. Ionen) enthält, die die Leitfähigkeit beeinflussen, wenn eine bestimmte Zeit über eine Gleichspannung angelegt wird.
Bei Anlegen einer Wechselspannung, insbesondere einer sinusförmigen Wechselspannung bei verschieden Frequenzen, wird durch Messen des Stroms und der Phase zwischen Strom und Spannung eine komplexe Impedanz des Sensorelements bestimmt. Ebenso kann hier bei einer Wechselspannung auch noch ein Gleichspannungsoffset zusätzlich angelegt werden, der auch umgepolt werden kann mit Schaltern oder elektronischen Vorrichtungen.
Es kann auch vorgesehen sein, eine Summe mehrerer sinusförmiger oder anderer veränderlicher Spannungen wie beispielsweise Rechteckspannungen oder andere Formen von Spannungsimpulsen anzulegen. So können ebenfalls Ströme gemessen werden, die auf Impedanzen und Widerstände zurückgeführt werden können. Das Anlegen der verschiedenen Spannungen kann mit einem Zeitprogramm zur Einstellung der verschiedenen Temperaturen verbunden sein. Dabei wird bei jeder eingestellten Temperatur ein darauf abgestimmtes Programm zum Einstellen der Spannungen und Erfassen der Messwerte durchgeführt.
Das Verfahren kann also insbesondere beinhalten, Programmenschritte für eine Temperatureinstellung und Programmschritte für eine Einstellung von Spannungen zu kombinieren und die resultierenden Messwerte zu erfassen. Dabei kann vorgesehen sein, eine Menge von Arbeitspunkten i abzuarbeiten, die aus einer Kombination von bestimmten Spannungs- und Temperaturprogrammschritten APi besteht. Für jeden Arbeitspunkt i ergibt sich dann eine Menge von Messwerten APi (Mi). Der Index i steigt kontinuierlich mit steigender Anzahl von absolvierten Arbeitspunkten.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet das Kriterium, Zeitpunkte anhand eines verstrichenen Zeitraumes auszuwählen und Zeitpunkte der einzustellenden Arbeitspunkte nach dem verstrichenen Zeitraum zu wählen. Die Zeitpunkte der einzustellenden Arbeitspunkte i des Systems können dann beispielsweise nach einem Verfahren ausgewählt werden, bei dem Zeitpunkte bestimmt werden nach einem verstrichenen Zeitraum, beispielsweise einem bestimmten Zeitintervall, wie beispielsweise einem Tag, einer Woche oder beispielsweise auch drei Stunden oder andere Zeitintervalle.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet das Kriterium, Zeitpunkte anhand einer definierten Funktion auszuwählen und Zeitpunkte der einzustellenden Arbeitspunkte nach der definierten Funktion zu wählen. Die definierte Funktion kann beispielsweise stetig steigend sein und beispielsweise ein logarithmisch steigendes Intervall umfassen. Die Zeitpunkte können beispielsweise bei Stunden wie 1 h, 5h, 10h, 50h, 100h, und so weiter liegen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit den bereits erwähnten Speicher. Im Speicher sind vorherige Messwerte zu Arbeitspunkten eines vorherigen Betriebszustands gespeichert. Aktuelle Messwerte eines aktuellen Betriebszustands werden mit den vorherigen Messwerten verglichen. Dazu kann ein charakteristisches Maß eingeführt werden. Das charakteristische Maß kann ein Skalar oder ein Vektor mit Komponenten oder auch eine Matrix sein. Das Maß kann dabei eine Zuordnung von durch Funktionen ausgebildeten Zahlenwerten zu einem oder mehreren Messwerten bei ausgewählten Betriebszuständen umfassen. Dabei sind die Messwerte Argumente dieser Funktionen. Das charakteristische Maß kann beispielsweise die Differenz eines aktuellen Messwertes mit einem abgespeicherten früheren oder während der Herstellung des Sensorsystems bestimmten Messwert sein. Es kann beispielsweise die Summe der Differenzen mehrerer Messwerte sein oder eine gewichte Summe der Differenzen mehrerer Messwerte. Eine gewichtete Summe addiert nicht jeden Summanden einfach sondern addiert die Summanden multipliziert mit einer Zahl ungleich 1 . Das charakteristische beschreibt also Abweichungen von Messwerten von einem vorherigen Messwert durch Zahlen. Bei dem Vergleich aktueller und vorheriger Messwerte wird überprüft, ob ein charakteristisches Maß der aktuellen Messwerte innerhalb eines ersten Toleranzbereichs liegt oder außerhalb des ersten Toleranzbereichs und innerhalb eines zweiten Toleranzbereichs liegt oder auch außerhalb des zweiten Toleranzbereiches liegt.
Insbesondere kann dabei überprüft werden, ob das charakteristische Maß außerhalb des ersten Toleranzbereichs und innerhalb des zweiten Toleranzbereichs liegt, da für diesen Fall ein virtueller Arbeitspunkt mit virtuellen Messwerten ermittelt wird und das charakteristische Maß anhand des virtuellen Arbeitspunktes angepasst wird. Bei einer erneuten Messung kann der virtuelle Arbeitspunkt alternativ oder zusätzlich verwendet werden.
Das charakteristische Maß kann dabei die weiter oben bereits erwähnte Änderung der Kennlinie aufgrund einer Veränderung des Sensorelements beschreiben.
Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass ein Arbeitspunkt anhand eines Ereignisses ausgewählt wird, das sich aus einer Auswertung der Messwerte Mi eines bestimmten Arbeitspunktes APi ergibt. Das Ereignis ergibt sich beispielsweise daraus, dass eine bestimmte Abweichung gegenüber anderen zu vergleichenden Arbeitspunkten wie beispielsweise der APJF (Fabrikmesswerte) festgestellt worden ist. Während der Herstellung des Sensorsystems können zum Beispiel bestimmte Arbeitspunkte eingestellt werden, die die Empfindlichkeit des Gassensorelements auf bestimmte nachzuweisende Gase in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur (z.B. 250°C, 300°C, 500°C) bestimmen. Diese können dann später zum Vergleich mit realen Messwerten bei denselben Betriebstemperaturen verwendet werden. Insbesondere kann eine Erhöhung oder Verringerung der Gasempfindlichkeit des Sensorelements bei den APJF Messwerten bei verschiedenen Betriebstemperaturen verwendet werden, um eine Korrektur der Sensorsignale durchzuführen.
Die Zeitpunkte der Bestimmung der Messwerte Mi bei einem Arbeitspunkten APi können also regelmäßig sein oder durch eine Funktion oder durch ein Ereignis ausgelöst sein. Ein Ereignis kann beispielsweise ein sich plötzlich stark erhöhender oder sich stark absenkender Sensorwiderstand sein.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird für den Fall, dass das charakteristische Maß der aktuellen Messwerte innerhalb des ersten Toleranzbereichs liegt, ein Messergebnis ausgegeben.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird für den Fall, dass das charakteristische Maß außerhalb des ersten und innerhalb des zweiten Toleranzbereichs liegt ein neuer Betriebszustand eingeführt, der als Funktionsmessprüfung bezeichnet wird. In diesem Betriebszustand (gegebenenfalls bezeichnet als Funktionsprüfmessungsbetriebszustand) kann davon ausgegangen werden, dass das Gassensorelement funktionieren könnte, aber nun eine etwas veränderte Kennlinie und/oder eine etwas veränderte Gasempfindlichkeit und/oder einen etwas veränderten Basiswiderstand hat. Nun kann eine Reihe von Betriebstemperaturen des Gassensorelements eingestellt werden, die zugehörigen Messwerte erfasst werden und das charakteristische Maß erfasst werden. Daraus wird ein neuer virtuellen Arbeitspunkt definiert und für den zukünftigen Betrieb des Sensorsystems erfolgt die Berechnung des charakteristischen Maßes der zukünftigen aktuellen Messwerte anhand des neuen virtuellen Arbeitspunktes der Funktionsmessprüfung. Nun kann auf Grund dieser Funktionsmessprüfung, die auch mehrmals erfolgen kann, ein neuer erster Toleranzbereich und ein neuer zweiter Toleranzbereich festgelegt werden. Die alten Werte für den ersten Toleranzbe- reich und den zweiten Toleranzbereich können zusätzlich zum Vergleich abgespeichert bleiben.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird für den Fall, dass das charakteristische Maß der aktuellen Messwerte außerhalb des zweiten Toleranzbereichs liegt, eine Fehlermeldung ausgegeben.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet der vorherige Betriebszustand einen Funktionsprüfmessungsbetriebszustand während einer Funktionsprüfmessung. Dabei kann eine neue Festlegung des ersten Toleranzbereichs und des zweiten Toleranzbereichs erfolgen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden insbesondere die folgenden Schritte durchgeführt:
Einlesen von aktuellen Messwerten des Sensorelements, ermittelt bei einem Arbeitspunkt des Sensorelements;
Berechnen des charakteristischen Maßes der aktuellen Messwerte anhand des Arbeitspunkts;
Überprüfen, ob das charakteristische Maß im ersten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Ausgabe eines aus den aktuellen Messwerten ermittelten Messergebnisses, falls das charakteristische Maß im ersten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Überprüfen, ob das charakteristische Maß im zweiten vorgegebenen Toleranzbereich liegt, falls das charakteristische Maß nicht im ersten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Ausgeben einer Fehlermeldung, wenn falls das charakteristische Maß nicht im zweiten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Ermitteln eines neuen virtuellen Arbeitspunkts und Berechnen eines charakteristischen Maßes der aktuellen Messwerte anhand des neuen virtuellen Arbeitspunkts
Neue Festlegung eines neuen ersten vorgegebenen Toleranzbereichs und eines neuen zweiten vorgegebenen Toleranzbereichs anhand des neuen virtuellen Arbeitspunkts; Erneute Überprüfung, ob das charakteristische Maß der aktuellen Messwerte im neuen ersten vorgegebenen Toleranzbereich und/oder im neuen zweiten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Gegebenenfalls zweites Wiederholen beiden letzten Schritte.
Die Wiederholung kann dabei mehrfach, gegebenenfalls bis zu einem vorgegebenen Abbruchkriterium, durch 'geführt werden, Insbesondere kann eine maximale Anzahl an Wiederholungen vorgegeben sein, beispielsweise maximal fünf Wiederholungen.
Insbesondere können also mit iO bezeichnete aktuelle Messwerte APio (Mio) verglichen werden mit den Messwerten APJF (MJF ), die bei einer Funktionsprüfmessung während einer Herstellung des Sensorsystems ermittelt worden sind. Kontinuierlich beim Betrieb des Sensorsystems werden zu einem späteren ausgewählten Zeitpunkt tx weitere Arbeitspunkte APi+tx (Mi+tx) eines aktuellen Betriebszustandes APio (Mio) wieder mit den Messwerten APJF (MJF) und auch zusätzlich mit Betriebszuständen verglichen, die der Sensor vorher absolviert hat, also mit Arbeitspunkten APk-tx (Mk-tx), die zeitlich (angedeutet durch -tx) vor dem aktuellen APio (Mio) Betriebszustand lagen. Das Sensorsystem kann also die Messwerte aktueller Betriebszustände sowohl mit historischen Messwerten vor dem aktuellen Betriebszustand als auch mit Messwerten, die bei der Funktionsprüfmessung ermittelt worden sind, vergleichen.
Die Messwerte der Arbeitspunkte APio und die Differenzen der Messwerte dieser Arbeitspunkte APio (Mio) zu den Messwerten APJF (MIF) und den vorherigen Messwerten in APk-tx (Mk-tx) werden dann in einer fortlaufenden Serie von Ordnungsstrukturen wie Vektoren oder Matrizen (allgemein: Tensoren) abgelegt. Diese verschiedenen Ordnungsstrukturen bestehen also aus den abgelegten Messwerten OrdiM und OrdiM.Diff, die die Differenz-Matrizen oder Vektoren beinhalten. Darin kann auch das charakteristische Maß abgebildet sein oder aus diesen Daten berechnet werden nach einer Vorschrift.
Die Ordnungselemente eines Arbeitspunktes bestehen nun aus den Messwerten und den Differenzen der Messwerte ausgewählter einzelner Arbeitspunkte, wobei eine Struktur OrdiM, Diff immer die aktuellen Messwerte und die Differenzen von mindestens zwei Arbeitspunkten enthält Auf der Struktur OrdiM.Diff sind nun charakteristische Maße MAi definiert, die mehrfach ausgebildet sein können.
Die charakteristischen Maße MAi können die Differenzen aller Messwerte in der Struktur OrdiM.Diff auf eine Summe abbilden MAsumjo.k. Dabei ist iO der Index des Arbeitspunkts des aktuellen Betriebszustandes APio und k der Index eines anderen ausgewählten Betriebszustandes APk . Alternativ können die charakteristischen Maße MAi die Differenzen einiger ausgewählter Messwerte eines Arbeitspunktes APi, beispielsweise nur in einem bestimmten Bereich der Messwerte (das kann beispielweise ein bestimmter Widerstands- oder Impedanzbereich sein) auf eine Summe abbilden. So kann ermittelt werden, ob bestimmte Messwerte in mehreren Arbeitspunkten oft oder eher selten vorkommen.
Charakteristische Maße des Typs MAi werden immer genau einem Arbeitspunkt APi zugeordnet. Es können prinzipiell auch zusätzliche charakteristische Maße MAT.U eingeführt werden, die die Differenzen eines Teils der Messwerte, beispielsweise nur bei bestimmten Temperaturen oder Spannungen, abbilden. Diese charakteristischen Maße werden immer bestimmten Spannungen Un und/oder Temperaturen Tm zugeordnet und erstrecken sich so über mehrere Arbeitspunkte APi ... APk. Die charakteristischen Maße können beispielsweise Summen, gewichtete Summen oder Funktionen auf den Messwerten und oder den Differenzen der Messwerte zu früheren Arbeitspunkten sein.
Von allen Messwerten der APi, den OrdiM und den Differenzen OrdiM.Diff und den charakteristischen Maßen MAi und MAT.U wird ein Katalog eingerichtet, auf den das Sensorsystem immer zugreifen kann. Es kann auch nur ein Teil dieser Informationen, wie beispielsweise nur die charakteristischen Maße, in den Katalog abgelegt werden, um Speicherplatz zu sparen.
Anhand der im Katalog abgelegten Ordnungsstrukturen und charakteristischen Maße kann ein Verlauf VerMA der charakteristischen Maße MAi und MAT.U abgebildet werden. Der Verlauf der charakteristischen Maße kennzeichnet das Ansteigen oder Abfallen oder einen konstanten Verlauf des Wertes der bestimmten ausgewählten charakteristischen Maße der verschiedenen Arbeitspunkte APi. Überschreitet ein bestimmtes charakteristisches Maß einen vorgegebenen ersten Toleranzbereich TBi, der mit den Messwerten und Ordnungsstrukturen des APJF (MIF) gebildet sein kann, so wird überprüft, ob dieses charakteristische Maß nun innerhalb eines zweiten Toleranzbereiches TB2 liegt. Liegt es in diesem zweiten Toleranzbereich TB2, so wird mit einer Adaptionsfunktion der neue virtuelle Arbeitspunkt APvirti mit virtuellen Messwerten gebildet, der dann immer zusätzlich als neuer Referenzarbeitspunkt APref in die Bildung des charakteristischen Maßes aufgenommen wird. Die jeweiligen Arbeitspunkte APi und ihre Ordnungsstrukturen bilden dann ihre charakteristischen Maße und die Ordnungsstrukturen so aus, dass sowohl die bisherigen als auch der zusätzliche Arbeitspunkt APref in den Ordnungsstrukturen ebenfalls mit abgebildet werden.
Durch diesen Schritt wird ein Adaptionsverfahren möglich, welches mit Hilfe der Toleranzbereiche TB1 und TB2 durchgeführt wird. Wenn ein Sensorelement immer innerhalb des zweiten Toleranzbereichs TB2 liegt, so können seine Messwerte mit den virtuellen Messwerten des virtuellen Arbeitspunktes korrigiert werden, die Korrektur kann dabei einfach linear oder logarithmisch oder nach einer anderen Funktion ausgeprägt sein. Nach der Korrektur kann dann das Sensorelement wieder innerhalb des ersten dann neu erstellten Toleranzbereichs TB1 liegen.
Liegt ein Sensorelement mit seinen charakteristischen Maßen außerhalb des zweiten Toleranzbereichs TB2, so werden seine Messwerte als fehlerhaft klassifiziert. Es können für Messwerte und charakteristischen Maße auch zusätzlich zu den Toleranzbändern TB1 und TB1 weitere Toleranzbänder verwendet werden, beispielsweise für eine Untermenge beispielsweise ausgewählter Messwerte eines bestimmten Bereichs oder innerhalb einer bestimmten Temperatur oder Spannung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. In der schematischen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Sensorsystem; und
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensorsystems. Fig. 1 zeigt ein Sensorsystem 1 , insbesondere ein Gassensorsystem 2. Das Sensorsystem 1 umfasst ein Sensorelement 10. Das Sensorelement 10 weist ein Sensierelement 11 auf, mit dem eine physikalische Größe in ein elektronisches Signal umgewandelt werden kann. Das Sensorelement 10 weist ferner ein Heizelement 12 auf. Ist das Sensorsystem 1 das Gassensorsystem 2, kann das Sensierelement 11 als gassensitives Element 13 ausgebildet sein. Das Sensorsystem 1 weist ferner eine Ansteuerungs- und Ausleseeinheit 20 für das Sensorelement 10 auf. Die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit 20 kann insbesondere eine Recheneinheit 21 und einen Speicher 22 aufweisen. Ferner kann die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit 20 beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler 23 aufweisen, mit dem ein Signal des Sensierelement 11 in ein Digitalsignal umgewandelt werden kann. Außerdem kann die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit 20 beispielsweise eine Heizungssteuerung 24 aufweisen, mit der das Heizelement 12 angesteuert werden und insbesondere eine Temperatur für das Sensorelement 10 beziehungsweise das Sensierelement 11 vorgegeben werden kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit 20 eingerichtet ist, das im Folgenden beschriebene Verfahren durchzuführen und das Sensorelement 10 entsprechend anzusteuern.
Die in solchen Sensorsystemen 1 verwendeten Sensorelemente 10 können beispielsweise eine quasi-logarithmische Kennlinie aufweisen, bei der ein Sensorelementwiderstand in einem logarithmischen Zusammenhang mit der Betriebstemperatur steht. Für bestimmte Betriebstemperaturen kann angenommen werden, dass das zu bestimmende Gas nicht mehr am Sensorelement 10 adsorbiert ist. Dadurch kann bei hohen Betriebstemperaturen eine Abweichung des Sensorelementwiderstands einer Veränderung des Sensorelements 10 zugeordnet werden. Dies ermöglicht, eine Abweichung des Sensorelementwiderstands bei niedrigen Betriebstemperaturen entweder einer Veränderung des Sensorelements 10 zuzuordnen, wenn auch bei hohen Betriebstemperaturen Abweichungen vorliegen, oder einem angelagerten Gas zuzuordnen, wenn bei hohen Betriebstemperaturen keine Abweichungen vorliegen.
Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm 100 eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensorsystems, beispielsweise des Sensorsystems 1 der Fig. 1 . Insbesondere kann die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit 20 des Sensorsystems 1 der Fig.1 eingerichtet sein, dieses Verfahren durchzuführen.
In einem Abarbeitungsschritt 101 werden für eine Messung einzustellende Arbeitspunkte abgearbeitet, bei denen das Sensorelement 10 beziehungsweise das Sensierelement 11 mittels des Heizelements 12 auf unterschiedliche Temperaturen gebracht wird. Für jeden Arbeitspunkt wird ein Messwert aufgezeichnet. Die einzustellenden Arbeitspunkte werden nach einem Kriterium eingestellt.
Ein Kriterium kann eine unterschiedliche Gasempfindlichkeit eines Gassensorelements 10 oder mehrerer in einem Sensorsystem 1 befindlicher Gassensorelemente 10 auf verschiedene Gase bei verschiedenen Betriebstemperaturen sein. Insbesondere können auch niedrigere Betriebstemperaturen eingestellt werden, bei denen die Gasempfindlichkeit der Gassensorelemente 10 noch nicht so stark ausgeprägt ist oder höhere Betriebstemperaturen, bei denen ein Gassensorelement 10 die Gase weniger stark, kaum noch oder gar nicht mehr anzeigt und somit eine durch die höhere Betriebstemperatur verringerte Empfindlichkeit hat.
Ein weiteres Kriterium kann eine unterschiedliche Gasempfindlichkeit eines Gassensorelements 10 oder mehrerer in einem Sensorsystem 1 befindlichen Gassensorelemente 10 auf verschiedene Gase bei verschiedenen Temperaturen bei Beaufschlagung mit verschiedenen elektrischen Spannungen oder Strömen sein. Die elektrischen Spannungen können dabei insbesondere Gleichspannungen oder wechselnde Spannungen wie beispielsweise Rechteckspannungen oder Sinusspannungen oder andere wechselnde Spannungen sein, zu denen auch noch eine Offsetspannung addiert sein kann.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfassen die einzustellenden Arbeitspunkte ferner eine am Sensorelement 10 beziehungsweise dem Sensierelement 11 angelegte Spannung. Diese Spannung kann eine Gleichspannung und/oder eine Wechselspannung sein und auch eine Umpolung der Gleichspannung und/oder Wechselspannung sowie eine Kombination daraus umfassen.
Bei Anlegen einer Gleichspannung wird durch Messen des Stroms durch das Sensorelement 10 ein Sensorelementwiderstand beziehungsweise durch das Sensierelement 11 ein Sensierelementwiderstand bestimmt Das Sensorelement 10 beziehungsweise das Sensierelement 11 kann auch umgepolt werden, wenn die Gleichspannung angelegt wird, beispielsweise mit elektronischen Schaltern. So kann der Strom in zwei Richtungen durch das Sensorelement 10 beziehungsweise Sensierelement 11 vermessen werden, wenn beispielsweise ein Sensormaterial auch Ladungsträger einer sehr geringen Beweglichkeit (z. B. Ionen) enthält, die die Leitfähigkeit beeinflussen, wenn eine bestimmte Zeit über eine Gleichspannung angelegt wird.
Bei Anlegen einer Wechselspannung, insbesondere einer sinusförmigen Wechselspannung bei verschieden Frequenzen, wird durch Messen des Stroms und der Phase zwischen Strom und Spannung eine komplexe Impedanz des Sensorelements 10 beziehungsweise des Sensierelements 11 bestimmt. Ebenso kann hier bei einer Wechselspannung auch noch ein Gleichspannungsoffset zusätzlich angelegt werden, der auch umgepolt werden kann mit Schaltern oder elektronischen Vorrichtungen. Die Schalter und/oder elektronischen Vorrichtungen können dabei Teil der Ansteuerungs- und Ausleseeinheit 20 sein.
Es kann auch vorgesehen sein, eine Summe mehrerer sinusförmiger oder anderer veränderlicher Spannungen wie beispielsweise Rechteckspannungen oder andere Formen von Spannungsimpulsen anzulegen. So können ebenfalls Ströme gemessen werden, die auf Impedanzen und Widerstände zurückgeführt werden können.
Das Anlegen der verschiedenen Spannungen kann mit einem Zeitprogramm zur Einstellung der verschiedenen Temperaturen verbunden sein. Dabei wird bei jeder eingestellten Temperatur, die dann mittels des Heizelements 12 angefahren wird, ein darauf abgestimmtes Programm zum Einstellen der Spannungen und Erfassen der Messwerte durchgeführt.
Das Verfahren kann also insbesondere beinhalten, Programmenschritte für eine Temperatureinstellung und Programmschritte für eine Einstellung von Spannungen zu kombinieren und die resultierenden Messwerte zu erfassen. Dabei kann vorgesehen sein, eine Menge von Arbeitspunkten i abzuarbeiten, die aus einer Kombination von bestimmten Spannungs- und Temperaturprogrammschritten APi besteht. Für jeden Arbeitspunkt i ergibt sich dann eine Menge von Messwerten APi (Mi). Der Index i steigt kontinuierlich mit steigender Anzahl von absolvierten Arbeitspunkten.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens beinhaltet das Kriterium, Zeitpunkte anhand eines verstrichenen Zeitraumes auszuwählen und Zeitpunkte der einzustellenden Arbeitspunkte nach dem verstrichenen Zeitraum zu wählen. Die Zeitpunkte der einzustellenden Arbeitspunkte i des Systems können dann beispielsweise nach einem Verfahren ausgewählt werden, bei dem Zeitpunkte bestimmt werden nach einem verstrichenen Zeitraum, beispielsweise einem bestimmten Zeitintervall, wie beispielsweise einem Tag, einer Woche oder beispielsweise auch drei Stunden oder andere Zeitintervalle.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens beinhaltet das Kriterium, Zeitpunkte anhand einer definierten Funktion auszuwählen und Zeitpunkte der einzustellenden Arbeitspunkte nach der definierten Funktion zu wählen. Die definierte Funktion kann beispielsweise stetig steigend sein und beispielsweise ein logarithmisch steigendes Intervall umfassen. Die Zeitpunkte können beispielsweise bei Stunden wie 1 h, 5h, 10h, 50h, 100h, und so weiter liegen.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens umfasst die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit 20 den Speicher 22. Im Speicher 22 sind vorherige Messwerte zu Arbeitspunkten eines vorherigen Betriebszustands gespeichert. Aktuelle Messwerte eines aktuellen Betriebszustands werden mit den vorherigen Messwerten verglichen. Dazu kann ein charakteristisches Maß eingeführt werden. Das charakteristische Maß kann ein Skalar oder ein Vektor mit Komponenten oder auch eine Matrix sein. Das Maß kann dabei eine Zuordnung von durch Funktionen ausgebildeten Zahlenwerten zu einem oder mehreren Messwerten bei ausgewählten Betriebszuständen umfassen. Dabei sind die Messwerte Argumente dieser Funktionen. Das charakteristische Maß kann beispielsweise die Differenz eines aktuellen Messwertes mit einem abgespeicherten früheren oder während der Herstellung des Sensorsystems bestimmten Messwert sein. Es kann beispielsweise die Summe der Differenzen mehrerer Messwerte sein oder eine gewichte Summe der Differenzen mehrerer Messwerte. Eine gewichtete Summe addiert nicht jeden Summanden einfach sondern addiert die Summanden multipliziert mit einer Zahl ungleich 1 . Das charakteristische beschreibt also Abweichungen von Messwerten von einem vorherigen Messwert durch Zahlen. Dabei wird überprüft wird, ob das charakteristisches Maß der aktuellen Messwerte innerhalb eines ersten Toleranzbereichs oder außerhalb des ersten Toleranzbereichs und innerhalb eines zweiten Toleranzbereichs oder außerhalb des zweiten TOIeranzbe- reichs liegt.
Insbesondere kann dabei überprüft werden, ob das charakteristische Maß außerhalb des ersten Toleranzbereichs und innerhalb des zweiten Toleranzbereichs liegt, da für diesen Fall ein virtueller Arbeitspunkt mit virtuellen Messwerten ermittelt wird und das charakteristische Maß anhand des virtuellen Arbeitspunktes angepasst wird. Bei einer erneuten Messung kann der virtuelle Arbeitspunkt alternativ oder zusätzlich verwendet werden.
Das charakteristische Maß kann beispielsweise in einem Maßbestimmungsschritt 104 bestimmt werden. Die Überprüfung, ob das charakteristische Maß außerhalb des ersten Toleranzbereichs liegt, kann in einem ersten Entscheidungsschritt 105 erfolgen. Die Überprüfung, ob das charakteristische Maß innerhalb des zweiten Toleranzbereichs liegt, kann in einem zweiten Entscheidungsschritt 107 erfolgen. Das Ermitteln eines neuen virtuellen Arbeitspunkts kann in einem Festlegungsschritt 109 erfolgen. Mit dem neuen virtuellen Arbeitspunkt kann ein neuer erster vorgegebener Toleranzbereich und ein neuer zweiter vorgegebener Toleranzbereich bestimmt werden und der erste Entscheidungsschritt 105 mit dem neuen ersten vorgegebenen Toleranzbereich sowie der zweite Entscheidungsschritt 107 mit dem neuen zweiten vorgegebenen Toleranzbereich durchgeführt werden.
Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass ein Arbeitspunkt anhand eines Ereignisses ausgewählt wird, das sich aus einer Auswertung der Messwerte Mi eines bestimmten Arbeitspunktes APi ergibt. Das Ereignis ergibt sich beispielsweise daraus, dass eine bestimmte Abweichung gegenüber anderen zu vergleichenden Arbeitspunkten wie beispielsweise APJF (Fabrikmesswerte) festgestellt worden ist. Die für den zu vergleichenden Arbeitspunkt APJF bestimmten Messwerte können dabei in einem ersten Einleseschritt 102 eingelesen werden. Während der Herstellung des Sensorsystems 1 können zum Beispiel bestimmte Arbeitspunkte eingestellt werden, die die Empfindlichkeit des Gassensorelements 10 auf bestimmte nachzuweisende Gase in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur (z.B. 250°C, 300°C, 500°C) bestimmen. Diese können dann später zum Vergleich mit realen Messwerten bei denselben Betriebstemperaturen verwendet werden. Insbesondere kann eine Erhöhung oder Verringerung der Gasempfindlichkeit des Sensorelements 10 bei den APJF Messwerten bei verschiedenen Betriebstemperaturen verwendet werden, um eine Korrektur der Sensorsignale durchzuführen.
Die Zeitpunkte der Bestimmung der Messwerte Mi bei einem Arbeitspunkten APi können also regelmäßig sein oder durch eine Funktion oder durch ein Ereignis ausgelöst sein.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird für den Fall, dass das charakteristische Maß der aktuellen Messwerte innerhalb des ersten Toleranzbereichs liegt, ein Messergebnis ausgegeben. Dies kann beispielsweise in einer Messergebnisausgabe 106 erfolgen.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird für den Fall, dass das charakteristische Maß der aktuellen Messwerte außerhalb des zweiten Toleranzbereichs liegt, eine Fehlermeldung ausgegeben. Dies kann beispielsweise in einer Fehlermeldungsausgabe 108 erfolgen.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens beinhaltet der vorherige Betriebszustand einen Funktionsprüfmessungsbetriebszustand während einer Funktionsprüfmessung.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird für den Fall, dass das charakteristische Maß außerhalb des ersten und innerhalb des zweiten Toleranzbereichs liegt ein neuer Betriebszustand eingeführt, der als Funktionsmessprüfung bezeichnet werden kann. In diesem Betriebszustand (gegebenenfalls bezeichnet als Funktionsprüfmessungsbetriebszustand) kann davon ausgegangen werden, dass das Gassensorelement funktionieren könnte, aber nun eine etwas veränderte Kennlinie und/oder eine etwas veränderte Gasempfindlichkeit und/oder einen etwas veränderten Basiswiderstand hat. Nun kann eine Reihe von Betriebstemperaturen des Gassensorelements 10 eingestellt werden, die zugehörigen Messwerte erfasst werden und das charakteristische Maß erfasst werden. Daraus wird ein neuer virtuellen Arbeitspunkt definiert und für den zukünftigen Betrieb des Sensorsystems erfolgt die Berechnung des charakteristischen Maßes der zukünftigen aktuellen Messwerte anhand des neuen virtuellen Arbeitspunktes der Funktionsmessprüfung. Nun kann auf Grund dieser Funktionsmessprüfung, die auch mehrmals erfolgen kann, ein neuer erster Toleranzbereich und ein neuer zweiter Toleranzbereich festgelegt werden. Die alten Werte für den ersten Toleranzbereich und den zweiten Toleranzbereich können zusätzlich zum Vergleich abgespeichert bleiben.
Insbesondere können also mit iO bezeichnete aktuelle Messwerte APio (Mio), ermittelt im Abarbeitungsschritt 101 , verglichen werden mit Messwerten APJF (MJF ), die bei einer Funktionsprüfmessung während einer Herstellung des Sensorsystems ermittelt worden sind und im ersten Einleseschritt 102 eingelesen werden. Kontinuierlich beim Betrieb des Sensorsystems werden zu einem späteren ausgewählten Zeitpunkt tx weitere Arbeitspunkte APi+tx (Mi+tx) eines aktuellen Betriebszustandes APio (Mio) wieder den mit jF bezeichneten Messwerten APJF (MJF) und auch zusätzlich mit Betriebszuständen verglichen, die der Sensor vorher absolviert hat, also mit Arbeitspunkten APk-tx (Mk-tx), die zeitlich (angedeutet durch - tx) vor dem aktuellen APio (Mio) Betriebszustand lagen. Diese können in einem zweiten Einleseschritt 103 eingelesen werden. Das Sensorsystem 1 kann also die Messwerte aktueller Betriebszustände sowohl mit historischen Messwerten vor dem aktuellen Betriebszustand als auch mit Messwerten, die bei der Funktionsprüfmessung ermittelt worden sind, vergleichen.
Die Messwerte der Arbeitspunkte APio und die Differenzen der Messwerte dieser Arbeitspunkte APio (Mio) zu den Messwerten APJF (MIF) und den vorherigen Messwerten in APk-tx (Mk-tx) werden dann in einer fortlaufenden Serie von Ordnungsstrukturen wie Vektoren oder Matrizen (allgemein: Tensoren) abgelegt. Diese verschiedenen Ordnungsstrukturen bestehen also aus den abgelegten Messwerten OrdiM und OrdiM.Diff, die die Differenz-Matrizen oder Vektoren beinhalten.
Die Ordnungselemente eines Arbeitspunktes bestehen nun aus den Messwerten und den Differenzen der Messwerte ausgewählter einzelner Arbeitspunkte, wobei eine Struktur OrdiM.Diff immer die aktuellen Messwerte und die Differenzen von mindestens zwei Arbeitspunkten enthält Auf der Struktur OrdiM.Diff sind nun charakteristische Maße MAi definiert, die mehrfach ausgebildet sein können.
Die charakteristischen Maße MAi können die Differenzen aller Messwerte in der Struktur OrdiM.Diff auf eine Summe abbilden MAsumjo.k. Dabei ist iO der Index des Arbeitspunkts des aktuellen Betriebszustandes APio und k der Index eines anderen ausgewählten Betriebszustandes APk . Alternativ können die charakteristischen Maße MAi die Differenzen einiger ausgewählter Messwerte eines Arbeitspunktes APi, beispielsweise nur in einem bestimmten Bereich der Messwerte (das kann beispielweise ein bestimmter Widerstands- oder Impedanzbereich sein) auf eine Summe abbilden. So kann ermittelt werden, ob bestimmte Messwerte in mehreren Arbeitspunkten oft oder eher selten vorkommen.
Charakteristische Maße des Typs MAi werden immer genau einem Arbeitspunkt APi zugeordnet. Es können prinzipiell auch zusätzliche charakteristische Maße MAT.U eingeführt werden, die die Differenzen eines Teils der Messwerte, beispielsweise nur bei bestimmten Temperaturen oder Spannungen, abbilden. Diese charakteristischen Maße werden immer bestimmten Spannungen Un und/oder Temperaturen Tm zugeordnet und erstrecken sich so über mehrere Arbeitspunkte AP, ... APk.
Von allen Messwerten der APi, den OrdiM und den Differenzen OrdiM.Diff und den charakteristischen Maßen MAi und MAT.U wird ein Katalog eingerichtet, auf den das Sensorsystem immer zugreifen kann. Es kann auch nur ein Teil dieser Informationen, wie beispielsweise nur die charakteristischen Maße, in den Katalog abgelegt werden, um Speicherplatz zu sparen.
Anhand der im Katalog abgelegten Ordnungsstrukturen und charakteristischen Maße kann ein Verlauf VerMA der charakteristischen Maße MAi und MAT.U abgebildet werden. Der Verlauf der charakteristischen Maße kennzeichnet das Ansteigen oder Abfallen oder einen konstanten Verlauf des Wertes der bestimmten ausgewählten charakteristischen Maße der verschiedenen Arbeitspunkte APi. Überschreitet ein bestimmtes charakteristisches Maß einen vorgegebenen ersten Toleranzbereich TBi (ermittelt im ersten Entscheidungsschritt 105), der mit den Messwerten und Ordnungsstrukturen des APJF (MIF) gebildet sein kann, so wird überprüft, ob dieses charakteristische Maß nun innerhalb eines zweiten Toleranzbereiches TB2 liegt (ermittelt im zweiten Entscheidungsschritt 107). Liegt es in diesem zweiten Toleranzbereich TB2, so wird mit einer Adaptionsfunktion der neue virtuelle Arbeitspunkt APvirti mit virtuellen Messwerten im Festlegungsschritt 109 gebildet, der dann immer zusätzlich als neuer Referenzarbeitspunkt APref in die Bildung des charakteristischen Maßes aufgenommen wird. Der neue virtuelle Arbeitspunkt APvirti kann in einem Speicherschritt 110 im Speicher 22 abgelegt werden und steht für einen erneuten Durchlauf des Maßbestimmungsschritts 104 zur Verfügung. Die jeweiligen Arbeitspunkte APi und ihre Ordnungsstrukturen bilden dann ihre charakteristischen Maße und die Ordnungsstrukturen so aus, dass sowohl die bisherigen als auch der zusätzliche Arbeitspunkt APref in den Ordnungsstrukturen ebenfalls mit abgebildet werden.
Durch diesen Schritt wird ein Adaptionsverfahren möglich, welches mit Hilfe der Toleranzbereiche TB1 und TB2 durchgeführt wird. Wenn ein Sensorelement 10 beziehungsweise Sensierelement 11 immer innerhalb des zweiten Toleranzbereichs TB2 liegt, so können seine Messwerte mit den virtuellen Messwerten des virtuellen Arbeitspunktes korrigiert werden, die Korrektur kann dabei einfach linear oder logarithmisch oder nach einer anderen Funktion ausgeprägt sein. Nach der Korrektur kann dann das Sensorelement 10 beziehungsweise Sensierelement 11 wieder innerhalb des ersten Toleranzbereichs TB1 liegen.
Liegt ein Sensorelement 10 beziehungsweise Sensierelement 11 mit seinen charakteristischen Maßen außerhalb des zweiten Toleranzbereichs TB2, so werden seine Messwerte als fehlerhaft klassifiziert. Es können für Messwerte und charakteristischen Maße auch zusätzlich zu den Toleranzbändern TB1 und TB1 weitere Toleranzbänder verwendet werden, beispielsweise für eine Untermenge beispielsweise ausgewählter Messwerte eines bestimmten Bereichs oder innerhalb einer bestimmten Temperatur oder Spannung.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen hieraus können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems (1), insbesondere eines Gassensorsystems (2), wobei das Sensorsystem (1) ein Sensorelement (10) mit einem Heizelement (12) und eine Ansteuerungs- und Ausleseeinheit (20) für das Sensorelement (10) umfasst, wobei für eine Messung einzustellende Arbeitspunkte abgearbeitet werden, bei denen das Sensorelement (10) mittels des Heizelements (12) auf unterschiedliche Temperaturen gebracht wird, wobei für jeden Arbeitspunkt ein Messwert aufgezeichnet wird, wobei die einzustellenden Arbeitspunkte nach einem Kriterium eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die einzustellenden Arbeitspunkte ferner eine am Sensorelement (10) angelegte Spannung umfassen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kriterium beinhaltet, Zeitpunkte anhand eines verstrichenen Zeitraumes auszuwählen und Zeitpunkte der einzustellenden Arbeitspunkte nach dem verstrichenen Zeitraum zu wählen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kriterium beinhaltet, Zeitpunkte anhand einer definierten Funktion auszuwählen und Zeitpunkte der einzustellenden Arbeitspunkte nach der definierten Funktion zu wählen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ansteuerungs- und Ausleseeinheit (20) einen Speicher (22) umfasst, wobei im Speicher (22) vorherige Messwerte zu Arbeitspunkten eines vorherigen Betriebszustands gespeichert sind, wobei aktuelle Messwerte eines aktuellen Betriebszustands mit den vorherigen Messwerten verglichen werden und dabei überprüft wird, ob ein charakteristisches Maß der aktuellen Messwerte außerhalb eines ersten Toleranzbereichs und innerhalb eines zweiten Toleranzbereichs liegt, wobei in diesem Fall ein virtueller Arbeitspunkt mit virtuellen Messwerten ermittelt wird, und das charakteristische Maß anhand des virtuellen Ar- beitspunktes angepasst wird, wobei bei einer erneuten Messung der virtuelle Arbeitspunkt ebenfalls verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei für den Fall, dass das charakteristische Maß der aktuellen Messwerte innerhalb des ersten Toleranzbereichs liegt, ein Messergebnis ausgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei für den Fall, dass das charakteristische Maß der aktuellen Messwerte außerhalb des zweiten Toleranzbereichs liegt, eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der vorherige Betriebszustand einen Funktionsprüfmessungsbetriebszustand während einer Funktionsprüfmessung beinhaltet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, mit den folgenden Schritten:
Einlesen von aktuellen Messwerten des Sensorelements (10), ermittelt bei einem Arbeitspunkt des Sensorelements (10);
Berechnen des charakteristischen Maßes der aktuellen Messwerte anhand des Arbeitspunkts;
Überprüfen, ob das charakteristische Maß im ersten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Ausgabe eines aus den aktuellen Messwerten ermittelten Messergebnisses, falls das charakteristische Maß im ersten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Überprüfen, ob das charakteristische Maß im zweiten vorgegebenen Toleranzbereich liegt, falls das charakteristische Maß nicht im ersten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Ausgeben einer Fehlermeldung, wenn falls das charakteristische Maß nicht im zweiten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Ermitteln eines neuen virtuellen Arbeitspunkts und Berechnen eines charakteristischen Maßes der aktuellen Messwerte anhand des neuen virtuellen Arbeitspunkts;
Neue Festlegung eines neuen ersten vorgegebenen Toleranzbereichs und eines neuen zweiten vorgegebenen Toleranzbereichs anhand des neuen virtuellen Arbeitspunkts; Erneutes Überprüfen, ob das charakteristische Maß der aktuellen Messwerte im neuen ersten vorgegebenen Toleranzbereich und/oder im neuen zweiten vorgegebenen Toleranzbereich liegt;
Gegebenenfalls weites Wiederholen beiden letzten Schritte.
10. Sensorsystem, insbesondere Gassensorsystem, wobei das Sensorsystem ein Sensorelement (10) mit einem Heizelement (12) und eine Ansteuerungsund Ausleseeinheit (20) für das Sensorelement (10) umfasst, wobei die An- steuerungs- und Ausleseeinheit (20) eingerichtet ist, eines der Verfahren der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen und das Sensorelement (10) entsprechend anzusteuern.
PCT/EP2023/086343 2023-01-11 2023-12-18 Sensorsystem WO2024149570A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023200176.4A DE102023200176A1 (de) 2023-01-11 2023-01-11 Sensorsystem
DE102023200176.4 2023-01-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2024149570A1 true WO2024149570A1 (de) 2024-07-18

Family

ID=89430099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2023/086343 WO2024149570A1 (de) 2023-01-11 2023-12-18 Sensorsystem

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102023200176A1 (de)
WO (1) WO2024149570A1 (de)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19543296A1 (de) * 1995-11-21 1997-05-22 Itvi Inttech Venture Investa Apparat und Verfahren zur Ermittlung absoluter Gaskonzentrationen unter Verwendung halbleitender Gassensoren
DE69417845T2 (de) * 1993-11-08 1999-09-30 New Cosmos Electric Co., Ltd. Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Gasen
DE102005011304A1 (de) * 2005-03-07 2006-09-21 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Verfahren und Elektrokochgerät zur Auswertung eines Gases, insbesondere zur Steuerung des Elektrogeräts
DE102009047354A1 (de) * 2009-12-01 2011-06-09 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Steuergerät zur Detektion einer Gaskonzentration eines Gases aus einem Gasgemisch
US20200386728A1 (en) 2019-06-05 2020-12-10 General Electric Company Gas sensor system and method

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3570274B2 (ja) 1999-03-04 2004-09-29 トヨタ自動車株式会社 空燃比センサの制御装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69417845T2 (de) * 1993-11-08 1999-09-30 New Cosmos Electric Co., Ltd. Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Gasen
DE19543296A1 (de) * 1995-11-21 1997-05-22 Itvi Inttech Venture Investa Apparat und Verfahren zur Ermittlung absoluter Gaskonzentrationen unter Verwendung halbleitender Gassensoren
DE102005011304A1 (de) * 2005-03-07 2006-09-21 E.G.O. Elektro-Gerätebau GmbH Verfahren und Elektrokochgerät zur Auswertung eines Gases, insbesondere zur Steuerung des Elektrogeräts
DE102009047354A1 (de) * 2009-12-01 2011-06-09 Robert Bosch Gmbh Verfahren und Steuergerät zur Detektion einer Gaskonzentration eines Gases aus einem Gasgemisch
US20200386728A1 (en) 2019-06-05 2020-12-10 General Electric Company Gas sensor system and method

Also Published As

Publication number Publication date
DE102023200176A1 (de) 2024-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112012005548B4 (de) Ausgangswertkorrekturverfahren für eine Sensorvorrichtung für eine physikalische Grösse, Ausgangskorrekturverfahren für einen Sensor für eine physikalische Grösse, Sensorvorrichtung für eine physikalische Grösse und Ausgangswertkorrekturvorrichtung für einen Sensor für eine physikalische Grösse
DE69002233T2 (de) Vorrichtung und verfahren zur eichung eines fühlersystems.
EP3265754B1 (de) Messbrückenanordnung mit verbesserter fehlererkennung
EP1586909B1 (de) Verfahren zur Erfassung einer Offsetdrift bei einer Wheatstone-Messbrücke
DE102016225089A1 (de) Diagnosesystem und Diagnoseverfahren für Photovoltaik-Leistungserzeugungssystem
DE102017223535A1 (de) Verfahren und Batteriesensor zur Ermittlung eines Laststroms
DE102014207756A1 (de) Shuntstrommessung mit Temperaturkompensation
DE112017002858T5 (de) Thermisches Feuchtigkeitsmessgerät
DE102009026425A1 (de) Luftströmungsmessvorrichtung und Luftströmungskorrekturverfahren
DE102009029216B4 (de) Verfahren zum Selbstabgleich eines dreiachsigen Beschleunigungssensors im Betrieb und Sensoranordnung mit einem dreidimensionalen Beschleunigungssensor
DE19744651C2 (de) Halbleitertestvorrichtung zum Messen des Versorgungsstromes einer Halbleitereinrichtung
DE102008040529A1 (de) Fehlerkorrekturverfahren und Fehlerkorrekturvorrichtung für einen Beschleunigungssensor
WO2004090524A1 (de) Vorrichtung zum betreiben eines gassensors
DE112019002477T5 (de) Basiswiderstandsunterdrückungsverfahren und zugehörige verfahren, systeme und vorrichtungen
DE102019002274A1 (de) Gassensor und verfahren zum steuern eines gassensors
DE102020215735A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Auswerten von Signalen einer Sensoreinheit mit zumindest zwei Sensoren
EP3640652B1 (de) Verfahren zum betrieb eines batteriesensors und batteriesensor
WO2024149570A1 (de) Sensorsystem
DE2701857A1 (de) Messbruecke fuer vorrichtung zur werkstoffpruefung
DE102013219494A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Modultemperatur eines Photovoltaikmoduls
DE2612253C3 (de) Vulkameter zur Bestimmung des Vulkanisationsverlaufs von Kautschuk und seinen Mischungen
DE3437445A1 (de) Verfahren und einrichtung zur kompensation der temperaturabhaengigkeit einer elektrochemischen messzelle
DE102019134891A1 (de) Verfahren zum in-situ Kalibrieren, Verifizieren und/oder Justieren eines Sensors und Messsystem
DE3905665C2 (de) Anordnung zur Messung des Massenstroms
DE3901789A1 (de) Verfahren zur messfehlerkorrektur bei mehrkomponenten-fluidanalysegeraeten

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 23833456

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1