用于运行用于证明测量气体中的具有结合氧的测量气体成分的至少一个份额的传感器的方法

摘要

提出一种用于运行传感器(100)的方法，该传感器用于证明测量气体中的、尤其是内燃机的废气中的具有结合氧的测量气体成分的至少一个份额。传感器(100)包括传感器元件(110)，其中，该传感器元件(110)具有第一泵单元(112)、参考单元(130)和第二泵单元(140)，该第一泵单元具有外部泵电极(114)和内部泵电极(116)并且贴靠与测量气体连接的第一空腔(126)，该参考单元具有能斯特电极(132)和参考电极(134)并且贴靠参考气体空间(138)，该第二泵单元具有泵电极(142)和对电极(144)并且贴靠第二空腔(145)。在该方法中，将电子控制设备(122)与传感器元件(110)连接，该电子控制设备至少具有用于第一泵单元(112)的第一独立连接部(P1)和用于第二泵单元(140)的第二独立连接部(P2)，其中，第一泵单元(112)借助导电连接(120)与第一独立连接部(P1)连接，其中，第二泵单元(140)借助导电连接(146)与第二独立连接部(P2)连接，其中，在将第二泵单元(140)与第二独立连接部(P2)连接的导电连接(146)中设置测量电阻(160)，其中，借助控制设备(122)来执行第二泵单元(140)的电流激励和/或电压激励，以在测量电阻(160)处产生测量信号(182)。

说明书

背景技术

从现有技术中已知用于通过检测由具有结合氧的测量气体成分的还原而产生的氧的份额来证明(Nachweis)气体混合物中的、尤其是内燃机的废气中的具有结合氧的测量气体成分的至少一个份额(Anteil)的大量方法和传感器。

例如在Reif，K.，Deitsche，K-H等人《Kraftfahrtechnisches Taschenbuch》，(施普林格-菲韦格出版社，威斯巴登，2014年，第1338-1347页)中描述用于证明气体混合物中的具有结合氧的测量气体成分的至少一个份额的传感器，这些传感器也缩写或简称为NO

如今在汽车技术中所使用的氮氧化物传感器(＝NO

在运行氮氧化物传感器时，对于所谓的O2单元将氧从第一空腔中去除，该第一空腔通过扩散壁垒与废气连接。然后，由此所得的泵电流与测量气体流或废气流中的环境空气的氧含量成比例。在NO

因此，在此所得的泵电流I

尽管从现有技术中已知的传感器和用于运行该传感器的方法具有优点，但是这些传感器和方法仍然包含改进潜力。传感器元件的温度通过加热器电源(电压、电流)的脉冲宽度调制(PWM)来控制。通过场效应晶体管(FET)从传感器控制单元(SCU)的电源电压(12V)直接截取PWM的电压。由此，在PWM的接通阶段，系统的SCU电源电压施加到传感器探针中传感器元件的加热弯曲

发明内容

因此，提出一种用于运行传感器的方法，该传感器用于证明测量气体中的具有结合氧的测量气体成分的至少一个份额，该方法至少在很大程度上避免用于运行这些传感器的已知方法的缺点，并且该方法允许以至少500ms的间隔进行可靠且连续的诊断，且不影响或干扰NOx测量值。

在根据本发明的用于运行传感器的方法中(该传感器用于证明测量气体中的、尤其是内燃机的废气中的具有结合氧的测量气体成分的至少一个份额)，将至少具有用于第一泵单元的第一独立连接部和用于第二泵单元的第二独立连接部的电子控制设备与传感器元件连接，其中，该传感器包括传感器元件，其中，该传感器元件具有第一泵单元、参考单元和第二泵单元，该第一泵单元具有外部泵电极和内部泵电极并且贴靠与测量气体连接的第一空腔，该参考单元具有能斯特电极和参考电极并且贴靠参考气体空间，该第二泵单元具有泵电极和对电极并且贴靠第二空腔，其中，第一泵单元借助导电连接与第一独立连接部连接，其中，第二泵单元借助导电连接与第二独立连接部连接，其中，在将第二泵单元与第二独立连接部连接的导电连接中设置测量电阻，其中，借助控制设备来执行第二泵单元的电流激励和/或电压激励以在测量电阻处产生测量信号。

通过第二泵单元的电流激励和/或电压激励，在测量电阻处产生可分析处理的测量信号，该测量信号实现开路与闭路之间的区分。换句话说，通过外部激励产生IP2信号。因此在测量运行期间也能够可靠地识别出NOx单元的IP2线路处的开路。在电流IP2(几乎)等于零的运行状态下(例如在0ppm NOx的情况下)也能够探测到开路的IP2线路。

在一种扩展方案中，将预先确定的电压施加到第二泵单元处，其中，执行第二泵单元的电压激励，其中，电压激励包括对于预先确定的时间的预先确定的电压的变化。通过相对于正常电势的电压激励，在具有气体混合物的闭合线路中，即使是在0％O2、H2O≥1％且NOx＝0ppm的情况下，也产生可测量的电流。如果IP2线路断开，即使在通过脉冲进行时间上的激励的情况下，电流也不再能够流动。这视为关于开路的指示。在此，重要的不是脉冲的持续时间，而是电压变化。

在一种扩展方案中，对于预先确定的时间将预先确定的电压提高。由此也提高可测量的电流。

在一种扩展方案中，如果测量信号对于预先确定的时间具有不等于零的值，则将连接第二泵单元与第二独立连接部的导电连接辨识为完好无损，而如果测量信号对于预先确定的时间具有为零的值，则将该导电连接辨识为有缺陷。因此能够唯一明确地在开路与闭路之间进行区分。

在一种扩展方案中，将预先确定的电压施加到第二泵单元处，其中，执行第二泵单元的电压激励，其中，对于第一预先确定的时间将预先确定的电压提高，而对于第二预先确定的时间将预先确定的电压降低，其中，对于第一预先确定的时间和第二预先确定的时间所施加的电压的积分具有为零的值。因此，在NOx传感器的测量状态中，由硬件在短时间内将NOx单元处的电压U

在一种扩展方案中，如果测量信号对于第一预先确定的时间和第二预先确定的时间具有不等于零的值，则将连接第二泵单元与第二独立连接部的导电连接辨识为完好无损，而如果测量信号对于第一预先确定的时间和第二预先确定的时间具有为零的值，则将该导电连接辨识为有缺陷。两个脉冲上的电压幅度的积分在两个脉冲的时间上必须结果为零，即无直流分量，以便表明电路闭合。否则存在开路指示。

在一种扩展方案中，将预先确定的电流施加到第二泵单元中，其中，执行第二泵单元的电流激励，其中，对于第一预先确定的时间将预先确定的电流提高，而对于第二预先确定的时间将预先确定的电流降低，其中，第一预先确定的时间和第二预先确定的时间长度相同。替代于电压脉冲的是IP2线路处的电流脉冲。在NOx传感器的测量状态中由硬件，在短时间内将电流脉冲提高确定的值，并且然后对于相同的时间在相反的方向上将该电流脉冲最小化。首先执行正电流脉冲还是负电流脉冲并不重要。通过施加电流脉冲(泵电流)，将能够测量IP2线路上的电压幅度(Spannungshub)。该电压幅度在闭路中的表现与在开路中的表现不同。这能够用作用于探测IP2线路处的开路的区别特征。

在一种扩展方案中，如果对于第一预先确定的时间和第二预先确定的时间施加到第二泵单元处的电压低于阈值，则将第二导电连接辨识为完好无损，而如果对于第一预先确定的时间和第二预先确定的时间施加到第二泵单元的电压高于阈值，则将该第二导电连接辨识为有缺陷。两个脉冲上的电流的积分在两个脉冲的时间上必须结果为零，以免由单侧的泵入或泵出而引起NOx单元中的不平衡。通过施加电流脉冲(泵电流)，能够测量IP2线路处的电压幅度。该电压幅度在闭路中的表现与在开路中的表现不同。如此，闭路时的电压幅度比开路时低。这能够用作用于探测IP2线路处的开路的区别特征。

在一种扩展方案中，将预先确定的电压施加到第二泵单元处，其中，执行第二泵单元的电压激励，其中，电压激励包括预先确定的电压的周期性变化。在IP2线路上施加电压激励导致NOx单元处的显著的电流变化。在此，如果频率足够大，则经调制的信号的幅度可能非常小。不一定必须在整个时间段内激励IP2线路上的频率。在接近0ppm NOx的范围内施加较高频的电压变化足以进行电气诊断。如果在原始信号上能够测量通过频率激励的电流，特别是在0％O2、H2O≥1％且NOx＝0ppm的情况下，则IP2线路运行正常。如果在原始信号上不能够测量到电流，则在NOx单元线路处很可能存在开路。幅度形状则是无关紧要的。然而，电压的时间变化d/dt U(t)越大，电流变化就越强。

在一种扩展方案中，周期持续时间小于第二泵单元的电化学时间常数。在IP2线路上施加电压激励导致NOx单元处的显著的电流变化，该电压激励的周期持续时间远低于NOx单元的(电化学)时间常数。在此，如果频率足够大，则经调制的信号的幅度可能非常小。应如此选择电压变化的频率，使得不干扰NOx输出信号。不一定必须在整个时间段内激励IP2线路上的频率。在接近0ppm NOx的范围内施加较高频的电压变化足以进行电气诊断。如果在原始信号上能够测量通过频率激励的电流，特别是在0％O2、H2O≥1％且NOx＝0ppm的情况下，则IP2线路运行正常。如果在原始信号上不能够测量到电流，则在NOx单元线路处很可能存在开路。幅度形状则是无关紧要的。然而，电压的时间变化d/dt U(t)越大，电流变化就越强。

在一种扩展方案中，借助低通滤波器对测量信号进行滤波。通常，借助低通滤波来对原始信号进行滤波并且通过传感器控制设备的接口将该原始信号传输给发动机控制设备。通过频率耦合，使得IP2电流的原始信号上的电流变化变得可见，并且该电流变化能够用于电气诊断。在将由IP2电流得出的NOx值在CAN上进行发送之前，借助低通滤波器对该NOx值进行滤波。然后，在经滤波的信号上，该高频的电流变化不再可见。

在一种扩展方案中，以大于低通滤波器的带宽的频率改变预先确定的电压。但有意义的是，激励频率也应位于模/数转换器(ADC-analog-to-digital converter)的带宽内。通过频率耦合，使得IP2电流的原始信号上的电流变化变得可见，并且该电流变化能够用于电气诊断。在将由IP2电流得出的NOx值在CAN上进行发送之前，借助低通滤波器对该NOx值进行滤波。然后，在经滤波的信号上，该高频的电流变化不再可见。

在一种扩展方案中，如果(未经滤波的)测量信号显示出周期性变化，则将连接第二泵单元与第二独立连接部的导电连接辨识为完好无损，而如果测量信号未显示出周期性变化，则将该导电连接辨识为有缺陷。如果在原始信号上能够测量通过频率激励的电流，特别是在0％O2、H2O≥1％且NOx＝0ppm的情况下，则IP2线路运行正常。如果在原始信号上不能够测量到电流，则在IP2线路处很可能存在开路。幅度形状则是无关紧要的。然而，电压的时间变化d/dt U(t)越大，电流变化就越强。

还提出一种计算机程序，该计算机程序设置为执行根据本发明的方法的每个步骤。

此外，提出一种电子存储介质，在该电子存储介质上存储有用于执行根据本发明的方法的计算机程序。

本发明还包括一种电子控制设备，该电子控制设备包括根据本发明的电子存储介质，所述电子存储介质包含用于执行根据本发明的方法的所述计算机程序。

最后，本发明还涉及一种用于证明测量气体中、尤其是内燃机的废气中的具有结合氧的测量气体的测量气体成分的至少一个份额的传感器，该传感器包括传感器元件，其中，该传感器元件具有第一泵单元、参考单元和第二泵单元，该第一泵单元具有外部泵电极和内部泵电极并且贴靠与测量气体连接的第一空腔，该参考单元具有能斯特电极和参考电极并且贴靠参考气体空间，该第二泵单元具有泵电极和对电极并且贴靠第二空腔，其中，该传感器还具有根据本发明的电子控制设备。

在本发明的范畴内，固体电解质应理解为具有电解特性(即具有离子导通特性)的主体或对象。尤其可以涉及陶瓷固体电解质。这也包括固体电解质的原料，并且因此包括所谓的生压坯(Grünling)或棕坯

在本发明的范畴内，一般将电极理解为以下元件：该元件能够如此接通固体电解质，使得能够保持电流通过固体电解质和电极。相应地，电极可以包括以下元件：在该元件处，离子可以结合到固体电解质中和/或从固体电解质中去除。电极通常包括贵金属电极，该贵金属电极例如可以作为金属陶瓷电极施加到固体电解质上或者以其他方式与固体电解质连接。典型的电极材料是铂金属陶瓷电极。然而，原则上也可以使用其他贵金属，例如金或钯。

在本发明的范畴内，加热元件应理解为以下元件：该元件用于使固体电解质和电极升温到至少其功能温度并且优选地加热到其运行温度。功能温度是这样的温度：从该温度起固体电解质变得离子导通，并且该温度约为350℃。这与运行温度不同，运行温度是以下温度：传感器元件在该温度下通常地运行，并且该温度高于功能温度。运行温度例如可以是从700℃到950℃。加热元件可以包括加热区域和至少一个馈电导线(Zuleitungsbahn)。在本发明的范畴内，加热区域应理解为加热元件的以下区域：该区域在层结构中沿垂直于传感器元件表面的方向与电极重叠。在运行期间，加热区域通常比馈电导线更强地升温，使得它们有所不同。不同的升温例如可以通过以下方式实现：加热区域具有比馈电导线更高的电阻。加热区域和/或馈电线例如构造为电阻导线，并且通过施加电压来升温。加热元件例如可以由铂金属陶瓷制成。通过缩短启动传感器之后直到达到运行准备为止的等待时间，能够直接证明本发明。可以在馈电线路处测量相应的电势。

在本发明的范畴内，第二泵单元的电压激励应理解为将不等于0V的电压施加到第二泵单元或至NOx对电极的电线路处。电压激励产生通过泵单元和至NOx对电极的电线路的电流。该电流在该线路中的测量电阻处引起可测量的测量信号。

在本发明的范畴内，第二泵单元的电流激励应理解为将不等于0A的电流施加到第二泵单元或至NOx对电极的电线路中。通过施加电流脉冲(泵电流)在至NOx对电极的电线路处引起电压幅度，该电压幅度在该线路中的测量电阻处能够测量。该电压幅度在闭路中的表现与在开路中的表现不同。

在本发明的范畴内，低通滤波器应被理解为以下滤波器：该滤波器允许其截止频率之下的低频信号分量通过，而使高频信号分量衰减。低通滤波器的任务是，在干扰的时间间隔内对差分信号的信号变化过程进行求和。如果差分信号小，则补偿电流信号将接近零。例如，借助泄漏积分器能够实现简单的低通实现。在替代的实施中，可以根据输入信号的大小来改变低通滤波的属性。

通过监控NOx单元线路上的电信号，能够良好且容易地证明本发明。如果在正常的测量运行期间借助示波器来专门地测量传感器与控制设备之间的线路上的电压脉冲/电流脉冲，则使用在本发明中所描述的电路和方法。

附图说明

本发明的其他可选的细节和特征从优选的实施例的以下描述中得出，该实施例在附图中示意性地示出。

附图示出：

图1示出根据本发明的传感器的原理结构，

图2示出传感器的一部分以及与该传感器连接的控制设备的一部分，

图3示出传感器中的电压和测量信号的时间变化过程的第一示例，

图4示出传感器中的电压和测量信号的时间变化过程的第二示例，

图5示出传感器中的电压、电流和测量信号的时间变化过程的第三示例。

具体实施方式

图1示出根据本发明的传感器100的原理结构，该传感器特别适合于执行根据本发明的方法。

传感器100设置为用于证明气体混合物(例如内燃机的废气)中的具有结合氧的测量气体成分(以下示例性地称为氮氧化物NOx)的至少一个份额，传感器元件110为此包括第一泵单元112，该第一泵单元构造在外部泵电极114与内部泵电极116之间。借助多孔氧化铝层118与传感器100的周围环境分离的外部泵电极114在此具有第一导电连接120，通过该第一导电连接能够在第一泵单元112中产生第一泵电流I

传感器元件110还具有电参考单元130，该电参考单元具有能斯特电极132和参考电极134。能斯特电极132与内部泵电极116一起具有到公共连接部COM的第二导电连接124，而参考电极134具有到电源电压Vs的独立的第三导电连接136，该电源电压通过外部电子控制装置122的连接部Vs提供所需的电源电压Vs。参考单元130贴靠参考气体空间138。通过在连接部Vs与公共连接部COM之间施加参考泵电流，将来自第一空腔126和/或来自传感器100的周围环境的氧离子的第二份额传输到参考气体空间138中。在此，如此设定参考泵电流的值，使得在参考气体空间138中构造氧离子的确定份额。有利地，在这种情况下，也如此设定第一泵电流I

还包含在气体混合物中的测量气体成分——氮氧化物NO

NO

传感器元件110还具有加热元件148，该加热元件148具有带有线路HTR+和HTR-的加热线路150，通过该加热线路能够将加热电流引入加热元件148中，该加热元件能够借助产生加热功率来使传感器元件110达到所期望的温度。

控制设备122具有模/数转换器152，该模/数转换器与用于电源电压的连接部Vs连接。控制设备122还具有与公共连接部COM连接的COM电压源154。控制设备122还具有与运算放大器158的正极连接的激励信号源156。在所示出的实施例中，运算放大器158是电压跟随器。COM电压源154同样与运算放大器158的正极连接。运算放大器158又与第二连接部P2连接。在第四电线路146中，在第二连接部P2与对电极144之间布置有测量电阻160。

图3示出传感器100中的电压和测量信号的时间变化过程的第一示例。在X轴162上绘制时间。在Y轴164上，从上到下来看，绘制有加热元件148的加热电压、施加到第二泵单元140的电压U

为了对将第二独立连接部P2与泵单元140或对电极144连接的第四电线路146执行诊断，借助控制设备122来执行第二泵单元140的电压激励以在测量电阻160处产生测量信号。如此，将预先确定的电压176通过公共连接部COM施加给第二泵单元140。借助激励信号源156来执行第二泵单元140的电压激励。对于第一预先确定的时间178将预先确定的电压提高，而对于第二预先确定的时间180将预先确定的电压176降低。电压变化的精确顺序不是重要相关的。如此，替代地，预先确定的电压可以首先降低或下降，然后提高。如此执行电压激励，使得对于第一预先确定的时间178和第二预先确定的时间180所施加的电压的积分具有为零的值。这可以通过相同长的时间段上的相同电压幅度来实现。在所示出的实施例中，第一预先确定的时间178和第二预先确定的时间180长度相同。例如，从施加给第二泵单元140的425mV的电压开始，对于第一预先确定的时间178该电压提高到700mV，然后对于第二预先确定的时间180该电压下降到150mV。这发生在加热元件148接通的时间段中，例如在第一时间段168和第三时间段172中。这在测量电阻160处产生测量信号182。如果测量信号182对于第一预先确定的时间178和第二预先确定的时间180具有不等于零的值，则将第四导电连接146辨识为完好未损，而如果测量信号182对于第一预先确定的时间178和第二预先确定的时间180具有为零的值，则将第四导电连接辨识为有缺陷。在所示出的实施例中，在第一时间段168中的电压激励下，测量信号182具有通过箭头表明的近似正弦状的变化过程184，并且在第三时间段172中具有为零的值，使得信号在通过箭头表明的位置186处没有改变。这意味着，在位置186处没有电流流动，这表明第四电线路146的中断。

在一种修改中，电压激励包括预先确定的电压对于预先确定的时间的唯一的(einzig)变化。如此，对于预先确定的时间将预先确定的电压提高。在此，如果测量信号182对于预先确定的时间具有不等于零的值，则将第四导电连接146辨识为完好无损，而如果测量信号182对于预先确定的时间具有为零的值，则将该第四导电连接辨识为有缺陷。因此，在传感器100的测量状态中，由硬件以一个方向上的单次脉冲的形式在短时间内将预先确定的电压提高确定的电势。在此，重要的不是脉冲的持续时间，而是电压变化。此处的优点在于，与无直流分量的脉冲形式的附加反向脉冲相比，测量信号182通过电压幅度(Spannungshub)而失真的时间更短。

图4示出传感器100中的电压和测量信号的时间变化过程的第二示例。仅描述与在图3中所示出的实施例的不同之处。相同的构件或特征设有相同的附图标记。在X轴162上绘制时间。在Y轴164上，从上到下来看，绘制有加热元件148的加热电压、施加给第二泵单元140的电压U

为了对将第二独立连接部P2与泵单元140或对电极144连接的第四电线路146执行诊断，借助控制设备122来执行第二泵单元140的电流激励以在测量电阻160处产生测量信号。如此，通过公共连接部COM将预先确定的电流施加到第二泵单元140中。借助激励信号源156来执行第二泵单元140的电流激励。对于第一预先确定的时间178将预先确定的电流提高，而对于第二预先确定的时间180将预先确定的电流降低。电流变化的精确顺序不是重要相关的。如此，替代地，预先确定的电流可以首先降低或下降，然后提高。如此执行电流激励，使得对于第一预先确定的时间178和第二预先确定的时间180所施加的电流的积分具有为零的值。这可以通过相同长的时间段上的相同电流幅度来实现。在所示出的实施例中，第一预先确定的时间178和第二预先确定的时间180长度相同。例如，从施加到第二泵单元140中的电流开始，电流对于第一预先确定的时间178提高，然后电流对于第二预先确定的时间180下降。这发生在加热元件148接通的时间段中，例如在第一时间段168和第三时间段172中。借助测量电阻160处的测量信号182的正峰值188和随后的负峰值190能够识别出电流激励。电流激励在施加给第二泵单元的电压U

图5示出传感器100中的电压和测量信号的时间变化过程的第三示例。仅描述与在图3中所示出的实施例的不同之处。相同的构件或特征设有相同的附图标记。在X轴162上绘制时间。在Y轴164上，从上到下来看，绘制有加热元件148的加热电压、在没有电压激励的情况下施加给第二泵单元140的电压U

为了对将第二独立连接部P2与泵单元140或对电极144连接的第四电线路146执行诊断，借助控制设备122来执行第二泵单元140的电压激励以在测量电阻160处产生测量信号。如此，将预先确定的电压176通过公共连接部COM施加给第二泵单元140。借助激励信号源156执行第二泵单元140的电压激励。电压激励包括预先确定的电压的周期性变化。这在测量电阻160处产生测量信号182。在此，周期持续时间小于第二泵单元140的电化学时间常数。因此，测量电阻160处的测量信号182示出实际测量信号与周期性电压激励的叠加。借助控制设备122的未详细示出的低通滤波器对测量信号182进行滤波并且将所述测量信号通过控制设备的接口传输给马达控制设备。预先确定的电压以大于低通滤波器的带宽的频率发生改变。在测量信号182的低通滤波之后得到已清除周期性的电压激励的信号198。因此，NO