CN106796167B - 对用于探测颗粒的传感器进行功能监控的方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种对用于探测颗粒、尤其是炭黑的传感器（10）进行功能监控的方法，其中所述传感器（10）具有至少两个测量电极（20、22）和一个所述测量电极（20、22）被布置在其上的衬底（18）。该方法包括如下步骤：执行第一电流‑电压测量以用于确定第一测量参量；执行第二电流‑电压测量以用于确定第二测量参量，其中所述测量电极（20、22）中的一个测量电极（22）被置于另一电位（50）；执行第三电流‑电压测量以用于确定第三测量参量；以及形成校正值以用于借助于第一测量参量和第三测量参量来校正第二测量参量。

Description

对用于探测颗粒的传感器进行功能监控的方法

背景技术

从现有技术中公知了大量用于探测诸如炭黑或灰尘颗粒那样的颗粒的方法和装置。在没有其它实施方式和应用的限制的情况下，本发明在下文尤其是参考用于探测颗粒、尤其是内燃机的废气流中的炭黑颗粒的传感器来予以描述。

从实际中公知的是，借助于布置在陶瓷上的两个电极来测量废气中的诸如炭黑或灰尘颗粒那样的颗粒的浓度。这例如可以通过测量将所述两个电极隔开的陶瓷材料的电阻来实现。这样的传感器例如被用在内燃机（诸如柴油机型的内燃发动机）的废气管路中。通常，所述传感器位于内燃发动机或柴油颗粒过滤器的下游。由于环境意识提高而且也部分地由于法律规定，在未来必须在机动车辆的行驶运行期间监视炭黑排放并且保证所述监视的功能性。所述类型的对功能性的监视通常被称为车载诊断（On-Bord-Diagnose）。如今，颗粒传感器例如被用于监视内燃机的炭黑排放以及被用于车载诊断（OBD）、例如用于对颗粒过滤器进行功能监视。在此，公知了收集式电阻式颗粒传感器，所述收集式电阻式颗粒传感器分析叉指式电极结构的电特性由于颗粒积聚而引起的改变。这样的炭黑传感器例如从DE101 49 333 A1或WO 2003/006976 A2中公知。

在这样的用于导电颗粒的电阻式颗粒传感器中，在电绝缘衬底上构造有两个或更多个金属电极，其中在测量电压的作用下积聚的颗粒、尤其是炭黑颗粒使彼此梳状咬合的电极短接，并且在传感器电极之间在施加的电压恒定的情况下能测量到降低的电阻或升高的电流。为了使传感器元件在炭黑积聚以后还原（Regeneration），该传感器元件借助于集成加热元件在确定的阶段自由燃烧。在系统中，通过对根据包括未处理排放模型在内的信号响应模型来确定的额定触发时间与实际的传感器触发时间进行比较来实现对传感器信号的分析。

为了在现场监视电极的功能性并且因此监视传感器的功能性，在还原结束时将测量电压施加到电极上。由此形成离子流，所述离子流大多由以钠为形式的杂质造成。如果所述离子流超过确定的阈值，则所述电极可被视为完好的。

在现有技术的电阻式颗粒传感器的情况下，对测量电极的自诊断基于在温度提高的情况下的电流测量。在此，由于在电极之下的绝缘层中存在钠离子，存在一定的、能测量的导电性。因此，所述诊断在传感器还原期间予以执行，那时总归进行主动加热并且达到>750℃的温度。

尽管从现有技术中公知的用于探测颗粒的方法和装置有大量优点，但是所述方法和装置仍然含有改进潜力。这样，自诊断的上述形式只是在某种条件下是老化稳定的。根据现有技术，负测量电极在所述阶段接地，正测量电极除了短暂的诊断阶段以外同样接地，因此正加热器接线端子以及加热器的部分在运行时始终具有相对于此为正的电位。由于此外所述还原通常持续几秒至几分钟，所以被充电为正的颗粒（如尤其是钠离子）在所述较长的时间内受到从加热器所在的传感器的内部朝向测量电极所在的表面的驱动力。由于该阶段期间的高传感器温度，所述钠离子具有高移动性并且向上移动。该移动性可以作为电流来测量，并且在下文被称为加热器耦合输入。此外，所述钠离子在正电位附在正电极上而且传感器温度高的阶段期间在表面上和在表面附近的层中还受到朝向负电极的驱动力。最后，在表面上发生离子的集中。加热器耦合输入（是指钠离子从加热器到表面的移动）使对自诊断电流（是指钠离子在表面上和在表面附近的层中的移动）的测量失真并且由此可能导致错误的诊断结果。所述加热器耦合输入取决于被施加在加热器上的电位以及导电离子与电子的比例。

发明内容

因而，提出了一种对用于探测颗粒、尤其是炭黑的传感器进行功能监控的方法，所述方法至少在很大程度上避免了公知方法的缺点，并且在所述方法的情况下，自诊断的精确度通过对加热器耦合输入的补偿而得以提高。

按照本发明的对用于探测颗粒、尤其是炭黑的传感器进行功能监控的方法（其中传感器具有至少两个测量电极以及一个所述测量电极被布置在其上的衬底）包括如下步骤、优选地以所说明的顺序包括如下步骤：

- 执行第一电流-电压测量以用于确定第一测量参量；

- 执行第二电流-电压测量以用于确定第二测量参量，其中所述测量电极中的一个测量电极被置于另一电位；

- 执行第三电流-电压测量以用于确定第三测量参量；以及

- 形成校正值以用于借助于所述第一测量参量和所述第三测量参量来校正所述第二测量参量。

在本发明的范围内使用了语句“所述测量电极中的一个测量电极被置于另一电位”，以便表达：所述测量电极中的一个测量电极的电位不同于另一或其余测量电极的电位。

第一电流-电压测量可以在第二电流-电压测量之前予以执行，而第三电流-电压测量可以在第二电流-电压测量之后予以执行。第一电流-电压测量和第三电流-电压测量可以在没有将电位施加到所述测量电极上的情况下予以执行。所述校正值可以基于第一测量参量和第三测量参量的衰减特性来确定。可以将所述用于校正的校正值从第二测量参量中减去。第一测量参量、第二测量参量和/或第三测量参量可以是电流。此外，传感器还可具有加热元件。所述方法可以在所述加热元件运行时予以执行。所述加热元件可以通过施加持续地或周期性时控的电压来运行。在以时控的电压来运行时，应当注意，在接通或关断沿与信号测量之间的时间偏差是不变的。换言之，在以时控的电压来运行时，在对加热元件的接通或关断与对信号的相应测量之间的时间间隔必须始终是一样大的。被施加到所述加热元件上的电压基本上从在车辆中可支配的车载电源电压中得出，或者附加地从较高的电压水平降低到通常12V至14V。在执行第二电流-电压测量期间被施加到测量电极上的电位基本上可以为例如8.4V，所述电位例如具有不大于0.5V的偏差。

此外，还提出了一种计算机程序，所述计算机程序被设立为以上述方式执行所述方法的每个步骤。

此外，还提出了一种电子存储介质，在所述电子存储介质上存储有计算机程序。

此外，还提出了一种电子控制设备，所述电子控制设备包括根据上述方式的电子存储介质。

就本发明而言，颗粒尤其是应当被理解为导电颗粒、诸如炭黑或灰尘。

在本发明的范围内，测量电极应当被理解为适合于测量电流和/或电压的电极。所述测量电极尤其是可以被构造为叉指式电极、即被构造为彼此咬合的测量电极、例如两个或更多个彼此咬合的梳状结构。

在本发明的范围内，电绝缘材料应当被理解为每种适合于阻止通过电流的材料、诸如陶瓷。

在本发明的范围内，电流-电压测量应当被理解为对电流和/或电压的测量。在此，该测量在所述测量电极之间进行。附加地，确定的电压可以被施加到测量电极上并且可以测量在所述测量电极之间的通过电流，或者电流可以被施加到测量电极上并且可以测量在所述测量电极之间的电压。电流-电压测量尤其可以是电阻测量，其中可以测量由测量电极和衬底形成的结构的电阻。例如可以实现电压控制或电压调节的测量和/或电流控制和/或电流调节的测量。对电流和/或电压的施加可以以连续信号的形式和/或也可以以脉冲信号的形式来实现。这样，例如可以施加直流电压和/或直流电流并且检测电流响应或电压响应。可替换地，可以施加脉冲电压和/或脉冲电流并且检测电流响应或电压响应。

在本发明的范围内，测量参量应当被理解为通过所述电流-电压测量确定的参量，所述参量相对应地可以是电流或电压。从中推导出的电阻也可以被用作测量参量。

在本发明的范围内，“在确定的时间点之前或之后执行电流-电压测量”应当被理解为这样执行电流-电压测量，使得所述电流-电压测量基本上与所述时间点在时间上接近地、也就是说以例如最大1秒的时间偏差来执行。

在本发明的范围内，电子控制设备应当被理解为每种适合于执行按照本发明的方法以及在此执行相对应的控制和/或调节过程的设备。所述控制设备可以是被分配给传感器的特有的控制设备或者也可以是内燃机的控制设备的部分、诸如内燃机、尤其是柴油机的发动机控制装置的部分。

本发明的基本思想是，在诊断阶段中在实际测量脉冲之前和之后测量加热器耦合输入，而且借助于数学模型从测量值中计算出对测量脉冲的时间点的误差贡献并且将其从实际测量值中扣除。这可以在传感器的控制设备中实现或者可以通过扩展自诊断测量来实现。这样，例如首先在诊断阶段的测量脉冲之前测量加热器耦合输入。紧接着，在施加诊断阶段的测量脉冲时对测量值、即加热器耦合输入和自诊断电流进行测量。紧接着，在诊断阶段的测量脉冲之后测量加热器耦合输入。于是，基于加热器耦合输入在测量脉冲之前和之后的衰减特性来计算校正值。例如，将校正值从施加诊断阶段的测量脉冲时的测量值中减去。

对根据本发明的方法的实现可以通过软件来进行。例如，所述执行可以以计算机程序的形式来实现，所述计算机程序可以被存储在电子存储介质上。

通过本发明，原则上在自诊断期间从传感器元件的深处被驱赶到负测量电极的阳离子（诸如钠离子）不再使自诊断的结果失真。只对由测量脉冲产生的电流进行诊断。加热器耦合输入在传感器的使用寿命期间的改变不影响诊断结果。

在正测量电极被隔开的情况下，更多阳离子（诸如钠离子）移动到负测量电极，并且将加热器耦合输入提高到所述负测量电极上。本发明补偿了所述被提高的加热器耦合输入，并且在这种情况下提供正确的诊断结果：传感器损坏。此外，不需要在传感器上或在附属的控制设备上进行硬件改变。测量顺序的改变和校正值计算能通过软件来实现。

附图说明

本发明的其它可选的细节和特征从随后对优选的实施例的描述中得出，所述优选的实施例在附图中示意性地被示出。

图1示出了用于探测颗粒的传感器的分解图；

图2示出了包括附属的控制设备在内的传感器的方框电路图，所述附属的控制设备在还原期间具有可能的测量电极电位和加热元件电位；以及

图3示出了电极电位和加热元件电位在还原阶段期间并且直至测量阶段开始的示范性的时间变化过程。

具体实施方式

图1示出了用于探测气流（诸如内燃机的废气流）中的颗粒、尤其是炭黑的传感器10，所述传感器10用于装入到机动车辆的废气管路中。传感器10例如被构造为炭黑传感器，并且优选地被布置在具有柴油内燃发动机的机动车辆的炭黑过滤器的下游。

传感器10具有载体层12，所述载体层12可以至少部分地由电绝缘材料、诸如由陶瓷（如氧化铝）制成。加热元件14被集成到载体层12中，所述加热元件12能通过触点接通部16与合适的电压源（未进一步示出）连接，并且用于传感器10与可能积聚的颗粒（如炭黑颗粒）的自由燃烧。

在载体层12上布置有板状衬底18，所述板状衬底18可以至少部分地由电绝缘材料、诸如陶瓷（如氧化铝）制成。在所述衬底18上布置有由两个测量电极20、22构成的结构。例如，所述测量电极20、22被构造为叉指式电极，使得它们如所示出的那样彼此梳状咬合。所述测量电极20、22能通过触点接通部24与电子控制设备26连接。

在测量电极20、22彼此梳状咬合的区域中，所述测量电极20、22可以至少部分地被介电质28覆盖，使得所述测量电极20、22可以用作具有能测量的电容的电容器的电极。介电质28又可以配备有保护层30，使得所述介电质28相对于周围介质被隔开，由此排除了介电质28的劣化。

此外，传感器10还可包括外壳，所述外壳包围在图1中所示出的结构，并且出于对传感器10的结构的阐述进行简化的原因而在图1中未被示出。例如，该外壳可以被构造为捕集套（Fanghuelse），所述捕集套在处于测量电极20、22之上的区域中配备有开口，并且用于使在废气管路中流动的气流平静下来，使得炭黑颗粒或其它被包含在气流中的颗粒优选地积聚在所述测量电极20、22的区域内。

根据图1的传感器10可以如下地进行工作。如果炭黑或其它导电颗粒积聚在衬底18上，则在所述两个测量电极20、22之间的电阻被减小。通过测量在所述两个测量电极20、22之间的阻抗，得出对于所谓的RC环节来说典型的特性。这意味着，在有关的废气中的炭黑或颗粒浓度可以依据RC环节的电阻分量在时间上的改变来确定。

为了使传感器10还原，所积聚的颗粒在一定时间以后借助于被集成到载体层12中的加热元件14燃尽。在高效能的传感器10的情况下，在所述所谓的充分加热以后，在所述测量电极20之间的电阻应当明显升高并且优选地将近无限。因为用于探测颗粒浓度的传感器10的工作原理本身是公知的、例如从上面提到的WO 2003/006976 A2的现有技术中是公知的，所以在该处不进一步深入探讨传感器10的一般的工作原理，并且上面提到的现有技术的涉及对传感器10的作用方式的描述的内容通过参阅完全被包括在本文中。作为替代，现在描述按照本发明的用于对传感器10进行功能监控的方法。该方法例如可以由上面提到的控制设备26来执行。该方法尤其是依据图2和3来描述。

图2示出了传感器10的以及在还原期间通过具有可能的电极电位和加热元件电位的控制设备进行操控的方框电路图。在此，在左边部分中示出了控制设备26，所述控制设备26包括电压源的电路32和分析单元34。此外，所述控制设备26还具有用于加热元件14的电路36以及用于传感器10的温度测量探针40的分析单元38。在此，温度测量探针40可以是加热元件14的部分，使得分析单元38可以依据加热元件14的电阻的改变来确定温度。从图2的图示中可看出，加热元件14在还原期间运行，其方式是将例如12V的电压施加到加热元件14上。此外，从图2中还可看出，负测量电极20接地，并且在还原期间，例如8.4V的电位被施加在正测量电极22上。

图3示出了电极和加热元件电位在还原阶段期间以及直至测量阶段开始的示范性的时间变化过程，如在后面进一步描述的那样。在X轴42上绘制时间，并且在Y轴44上绘制温度。在X轴42之下，在从上到下的行中存在加热元件14的电压46以及测量电极20、22的电压48、正测量电极22的电位50和负测量电极20的电位52。在时间点54运行加热元件14。加热元件14的运行通过将例如12V的电压施加到加热元件14上来实现。由此，加热元件14对传感器10进行加热。

从时间点56起，将积聚在传感器10上的颗粒（诸如炭黑）燃尽。所述燃尽在例如大于30秒的时间段内进行。在炭黑燃尽结束时，在时间点58直至时间点60，短时间地不运行加热元件14，其方式是不将电压施加到该加热元件14上，以便达到所限定的温度。从时间点60起，重新运行加热元件14，其方式是施加例如12V的电压。在此，直至时间点62，不将电压施加到测量电极20、22上。在时间点62，8.4V的电位被施加到正测量电极22上。这直至时间点64是实际测量阶段，如在下文更详细地予以描述的那样。然后，在时间点64，不再将电位施加到测量电极22上，但是加热元件14继续运行直至时间点66。现在，在下面详细地描述按照本发明的方法。

临近时间点62，执行第一电流电压测量以用于确定第一测量参量。例如，如在图3中所示出的那样，临近时间点62、也就是说在时间点68，测量在所述测量电极20、22之间的电流，而没有将电压施加到所述测量电极20、22上。在时间点62与64之间的时间点70、例如临近时间点64，执行第二电流-电压测量以用于确定第二测量参量。在此，在时间点62与64之间的时间段内并且因此也在时间点70将8.4V的电位施加到正测量电极22上，而且检测在所述测量电极20、22之间的电流。在时间点64之后、例如在时间点72，执行第三电流-电压测量以用于确定第三测量参量。在该时间点，没有电位被施加到正测量电极22上。

借助于第一测量参量和第三测量参量，形成校正值以用于校正第二测量参量。尤其是，该校正值基于第一测量参量和第三测量参量的衰减特性来确定。这样，在所述测量电极20、22之间测量的电流由于被加热的传感器元件以及上述加热器耦合输入而波动，直至时间点68。

但是在时间点68，第一测量参量已经稳定，并且因此衰减到某个值。类似地确定第三测量参量的衰减特性。这样，即使不再有电位被施加到测量电极22上，也仍发生极化并且因此发生电流的波动。但是该电流在一定时间之后衰减，使得在时间点70可以确定第三测量参量。然后，可以将这样确定的用于校正的校正值从第二测量参量中减去。

换言之，通过控制设备26来控制传感器10的运行。在机动车辆（诸如载客汽车）中应用时，在还原期间直至实际炭黑收集阶段开始，得出在测量电极20、22和加热元件14上的电位，如在图2中所示出的那样。变得明显的是，加热元件14的电位除了非常短的阶段之外始终高于测量电极20、22的两个电位。在图3中详细地示出了在还原期间的电位比例，以及也示出了用于补偿加热器耦合输入的三个测量时间点的位置。根据上述方法，原则上在自诊断期间从传感器10的深处被驱赶到负测量电极20的阳离子（诸如钠离子）没有使自诊断的结果失真。只对由测量脉冲产生的电流进行诊断。加热器耦合输入在使用寿命期间的改变也不再影响诊断结果。

Claims (9)

1.一种对用于探测颗粒的传感器（10）进行功能监控的方法，其中，所述传感器（10）具有至少两个测量电极（20、22）和一个所述测量电极（20、22）被布置在其上的衬底（18），其中所述方法包括如下步骤：

- 通过测量所述测量电极（20、22）之间的电流，执行第一电流-电压测量以用于确定第一测量参量；

- 通过测量所述测量电极（20、22）之间的电流，执行第二电流-电压测量以用于确定第二测量参量，其中所述测量电极（20、22）中的一个测量电极（22）被置于另一电位（50）；

- 通过测量所述测量电极（20、22）之间的电流，执行第三电流-电压测量以用于确定第三测量参量；以及

- 借助于所述第一测量参量和所述第三测量参量形成用于来校正所述第二测量参量的校正值，

其中，所述第一电流-电压测量在所述第二电流-电压测量之前予以执行，而所述第三电流-电压测量在所述第二电流-电压测量之后予以执行，

其中，所述校正值基于所述第一测量参量和所述第三测量参量的衰减特性来确定，

其中，所述传感器（10）此外还具有加热元件（14），其中所述方法在所述加热元件（14）运行时予以执行。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在没有将电位施加到所述测量电极（20、22）中的一个测量电极（22）上的情况下执行所述第一电流-电压测量和所述第三电流-电压测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将所述校正值从所述第二测量参量中减去。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一测量参量、所述第二测量参量和/或所述第三测量参量是电流。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述加热元件（14）通过施加电压来运行。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，被施加到所述加热元件（14）上的电压为12V，其中在执行所述第二电流-电压测量期间被施加到所述一个测量电极（22）上的电位（50）为8.4V。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述颗粒是炭黑。

8.一种电子存储介质，在所述电子存储介质上存储有计算机程序，其中，当所述计算机程序被处理器运行时，所述计算机程序执行根据前述权利要之一所述的方法的每个步骤。

9.一种电子控制设备（26），所述电子控制设备（26）包括根据权利要求8所述的电子存储介质。