专利名称：用于确定测量用传感器温度的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据独立权利要求l内容的方法。
程序以及计算机程序产品，其中该程序代码存储在机器可读的载体 上。
背景技术：
由DEI9838456A1已知这样一种用于调节测量用传感器温度的方 法，用于确定混合气体尤其是内燃机废气中的氧气浓度，其中评估对 应于氧气浓度的、由Nernst测量元件提供的检测电压，其中测量用传 感器通过加热装置调节到运行温度并且通过测量Nernst测量元件的交 流内部电阻求得实际运行温度。为消除由于生产条件而产生的电阻值 波动，在该方法中，在测量用传感器开始运转和/或重新开始运转时， 由Nernst测量元件的电极求得引线的交流内部电阻并且在求得运行温 度时考虑所求得的实际交流内部电阻。仅可在有限的范围内根据 Nemst测量元件的内部电阻来确定测量用传感器的运行温度，因为构 造测量用传感器的电解质电阻的温度特性曲线由于其变化只能在有 限的温度范围内精确地测量。此外由于引线电阻，该特性曲线具有变 化的偏移量。而且由于印刷的不精确性，特性曲线也存在误差。
发明内容
发明优点
与此相反，根据本发明具有权利要求1的特征的方法具有如下优 点，在较大的温度范围中以较高的精确度确定测量用传感器的温度， 用于确定混合气体中的氧气浓度。为此，根据本发明设计成，在第一温度范围中求得Nernst测量元件的内部电阻并由此推断出Nernst测量 元件的温度，在第二温度范围中确定加热装置的内部电阻并由此推断 出Nernst测量元件的温度。通过将此类测量用传感器的工作范围划分 成多个温度范围，能够在测量用传感器的整个工作范围上精确地测定 温度，这样选择该多个温度范围，可分别精确确定Nernst测量元件的 温度。
通过在从属权利要求中实施的措施，可有利地改型并改进独立权 利要求所给出的方法。
有利地是，在断开加热装置时确定加热装置的内部电阻并由此推 断出第二温度范围中Nemst测量元件的温度。同时，例如在有节奏地 控制加热装置时，可一直引入节奏时间，其中加热不是利用电压/电流 来加载的。
在有利的实施方式中设计成，两个温度范围不重叠，而是4皮此分 开。在此优选地是，第一温度范围在测量用传感器的运行温度之下结 束，与此相反，第二温度范围在测量用传感器的运行温度之上开始。 这样的优点是，在第一温度范围中，也即运行温度之下的较低温度时， 通过测量Nernst测量元件的内部电阻可才及其精确地测定温度，因为在 此范围中电解质电阻的温度特性曲线具有较大的斜度，并且由于随着 温度极大改变而因此能够实现较高的分辨率。与此相反，在测量用传 感器之上开始的第二温度范围中，测量用传感器的温度根据加热装置 的内部电阻的确定而求得。原因在于，加热装置的内部电阻的特性曲 线线性变化并且在更高温度的范围中也具有能够给出足够高分辨率 的斜度。
在另一个实施方式中设计成，使温度范围重叠。在此情况下，即 可由确定Nernst测量元件的内部电阻也可由确定加热装置的内部电阻 而求得Nemst测量元件的温度。而且在相同的温度范围中以不同的测 量方法进行两次测量并以此方式获得两个温度值。在此有利地是，应 用Nemst测量元件的内部电阻，其引线部分受到补偿，如已经提及的DE19838456A1中说明的那样，因此请参阅该文献。为测试该值的可信 度而引入第二温度值。
为了在加热装置的绝对值方面校准加热装置内部电阻的温度特 性曲线，在该方法的改型中设计成，在可预给定的温度范围中，有利 地直接在测量用传感器的运行温度之下即确定Nemst测量元件的内部 电阻也确定加热装置的电阻，并且通过对比Nernst测量元件的内部电 阻与加热装置的电阻来校准加热装置的电阻的温度特性曲线的绝对 值。也即，该校准在这种温度范围中进行，在该温度范围中通过确定 Nemst元件的内部电阻可极其精确地测定温度。
该校准在新状态中仅进行一次，并被存储且在测量用传感器的使 用寿命中应用。由此可补偿由于Nernst测量元件的内部电阻老化而亏1 起的误差，因为在此已知加热装置的内部电阻。
此外，在进行了校准的温度范围中，为进一步优化可将偏移误差 以及与特性曲线的扭曲成比例的误差由下列方法分开，通过将接通的 加热装置的内部电阻与断开的加热装置的内部电阻进行对比，可推断 出线圏型施加的加热装置的线圈电阻与引线电阻的比例。以此方式可 将偏移误差与成比例的误差分开并且即可通过校准来消除偏移误差， 也可补偿线性特性曲线的成比例的误差。
本发明的实施示例在下述附图中示出并在下文中详细说明。 其中
图1示出了使用本发明方法的传感器的剖面图2a示意性示出了随温度的Nemst元件的内部电阻；
图2b示意性示出了随温度的加热装置的内部电阻；
图3示意性示出了 ，根据本发明借助于在图表中示出的Nemst元件
的电阻的温度特性曲线以及加热装置的内部电阻的温度特性曲线来
调节测量用传感器的温度的方法；图4示意性示出了用于获知加热装置的内部电阻的电路；以及 图5示意性示出了用于获知加热装置的内部电阻的其它电路。
具体实施例方式
在图1中，示出了测量用传感器10的通过测量头的剖面图。测量 用传感器10构造为平面宽带测量用传感器并且包括多个单独相互堆 叠的层，这些层可例如通过镀层、沖压、丝网印刷、制箔、剪切、烧 结等成型。在本说明书内未详细说明层结构的获得，因为这是已知的。
测量用传感器10用于确定内燃机废气中的氧气浓度，以获得用于 调整驱动内燃机运行的燃料-空气-混合物的控制信号。测量用传感器 10包括Nernst测量元件12以及泵元件14。 Nernst测量元件12包括第 一 电 极16以及第二电极18，在前述两个电极之间设置有固体电解质20。电 极16通过扩散阻碍物22暴露于(ausgesetzt)待测量的废气24中。测量用 传感器10具有测量口26,该测量口26可利用废气24加载。在测量口26 的底部处延伸有扩散阻碍物22，该扩散阻碍物22用于构造其中设置有 电极16的空腔28。 Nemst测量元件12的电极18设置在参考空气通道30 中并且暴露于参考空气通道30中存在的参考气体中，例如空气。固体 电解质20例如包括氧化钇固化的氧化锆，而电极16及18例如包括柏以 及氧化锆。
在此，测量用传感器10与未清楚显示的线路布罩32连接，该线路 布罩32用作评估测量用传感器10的信号并控制测量用传感器10。在 此，电极16及18与输入34或36连接，在输入34或36处布设有Nernst测 量元件12的检测电压UD。
泵元件14包括第 一 电极38以及第二电极40 ，在两个电极之间设置 有固体电解质42。固体电解质42例如包括氧化钇固化的氧化锆，而电 极38及40也可包括铂以及氧化锆，电极38同时设置在空腔28中并因此 同时通过扩散阻碍物22暴露于废气24中。利用多孔性的保护层44覆盖 电极40,使得电极40直接暴露于废气24中。电极40与线路布罩32的输
7入46连接，而电极38与电极16连接并且与电极16共同布设在线路布罩 32的输入34处。
此外，测量用传感器10包括加热装置50，该加热装置50由所谓的 加热线圈构造并且与线路布罩32的输入52及54连接。在输入52及54处 通过调节线路56可布设有加热电压UH。
测量用传感器的功能是
废气24通过测量口 26以及扩散阻碍物22位于空腔28中并因此位 于Nernst测量元件12的电极16以及泵元件14的电极38处。由于在待测 量的废气中已存在氧气浓度，在电极16以及暴露于参考气体中的电极 18之间的氧气浓度不同。通过转换口34，电极16与线路布罩32的电流 源连接，该电流源提供恒定电流。由于在电极16以及18处存在氧气浓 度的不同，存在特定的检测电压(Nernst电压)UD。在此，Nernst测量元 件12用作氧传感器，该氧传感器检测在废气24中是否存在较高的氧气 浓度或较低的氧气浓度。借助于于氧气浓度可以知道，驱动内燃机运 行的燃料-空气-混合物中是否是浓混合物或稀混合物。在从浓混合物 变换为稀混合物时或作相反变换时，4企测电压UD下降或上升。
借助于线路布罩32,检测电压UD用作求得泵电压UP，利用该泵 电压UP将泵元件14加载在其电极38或40之间。根据通过检测电压UD 来标记燃料-空气-混合物是处于太多还是太少氧气范围中，那么泵电 压UP为负或为正，使得电极40连接为阴极或阳极。相应地存在泵电流 IP，该泵电流IP可通过线路布罩32的测量装置测量。借助于泵电流IP, 氧离子从电极40泵吸到电极38或从电极38泵吸到电极40。所测量的泵 电流IP用作控制用于驱动内燃机运行的燃料-空气-混合物的调整的装 置。
通过调节装置56，在线路布罩32的输出54及52处布设有加热电压 UH,使得加热装置50是可接通或可断开的。通过加热装置50,测量用 传感器10可达到大约780。C的运行温度。由于废气24的速度波动和/或 废气24的温度波动，测量用传感器10通过废气24利用一定的波动热能加载。根据废气24对测量用传感器10的加热，必须接通或断开加热装
置50。为求得测量用传感器10的实际运行温度，线路布罩32具有测量 电路58，通过该测量电路58可测量Nernst测量元件12的交流内部电阻， 包括用于线路布罩32的输入。Nemst测量元件12的交流内部电阻是依 赖于温度的，使得通过所测量的Nernst测量元件12的交流内部电阻可 推断出运行温度。依赖于所求得的运行温度，测量电路58提供用于加 热控制56的信号60。
在之前例如由DE19838456第4栏第57行至第6栏第IO行已知的求 得Nemst测量元件12的交流内部电阻的方法在此完全引用实施。利用 NTC效应，实现Nemst测量元件12的电解质电阻Ri的测量。
由于测量该电阻，确定温度并且相应调节加热效率，使得探测器 调节到运行温度。只要探测器不是内部的，而仅是通过废气加热的， 那么可通过电阻测量来确定环境温度或废气温度。然而，该测量仅在 有限的温度范围大约至800。C是可能的。在该温度之上的测量是不可 能的。
对于确定环境温度或废气温度而言，首先仅对于大于800。C的高 温度感兴趣。由于呈指数下降，电阻特性曲线随温度范围中的温度变 化较平坦，如图2a所示，其中描绘了随温度的Nemst元件的内部电阻 12的特性曲线。此外特性曲线210的公差变大，因为受生产条件控制 的引线电阻的对于温度依赖较小的相对部分变大。由于此原因，基于 Nemst元件12的电解质电阻或泵元件来确定更高温度具有较大误差。
与Nernst元件的内部电阻12相反，也即与电解质的电阻相反，金 属加热装置50的电阻(图2b中所示)表现为线性并且在大于800。C的更 高温度范围中随温度陡山肖上升。然而，加热装置的内部电阻50的数量 级小于Nemst元件的内部电阻12，使得未知的偏移量例如通过51线电 阻引起加热装置50的内部电阻与环境温度或废气温度的相关度的更 大误差。为使这些测量用传感器在大约500。C至大约1200。C的较大温 度范围可以较高的精确度运行，设计成在第一温度范围中通过Nemst元件12的内部电阻R1确定温度，并且在第二温度范围中基于加热装置
的内部电阻R1确定温度，如图3中示意性所示。在利用I表示的第一温 度范围中，其中Nemst元件12的内部电阻Rl随温度极大下降，测量用 传感器的温度的求得通过确定该内部电阻而求得。在利用II表示的第 二温度范围中，其中Nemst元件的内部电阻12随温度仅有较小改变， 通过求得加热装置50的内部电阻而确定测量用传感器的温度。
也可设计成，在利用I表示的范围中，额外确定加热装置50的内部 电阻的温度并且将所求得的温度值与通过求得Nemst元件的内部电阻 12而获得的温度值对比。此外，也可计算这两个确定的温度的平均值。 这以相应的方式适用于利用II表示的范围。此外，该方法也可确定引 线电阻的偏移量，这在现有技术中额外要求复杂的补偿测量方法并且 在运行阶段或在开始阶段校准加热装置50的内部电阻的温度特性曲 线。通过下面继续详细说明的校准，可以较高的精确度测量加热装置 50的内部电阻。其优点是
-加热装置50的内部电阻的有误差温度特性曲线由于印刷而变化 的加热装置50的电阻不起作用；
-消除由于变化的引线电阻而存在的加热装置50的内部电阻的温 度特性曲线的未知偏移量；
-可不需要额外的温度传感器；
校准加热装置50的内部电阻的温度特性曲线这样实现，在温度Tk 时基于Nemst元件的内部电阻12的温度特性曲线21 O精确测定温度。基 于此测量或多个这类测量，鉴于绝对值来校准加热装置50的内部电阻 的特性曲线。在范围I1中的较高温度时，温度的确定将借助于以此方 式校准的加热装置50的内部电阻的温度特性曲线实现。
上面说明的温度测量在断开加热装置时实现。在按节奏控制的加 热器中，这始终在时间间隔中实现，在该时间间隔中加热器未利用电 流/电压加载。
该获知可例如在加热装置未利用电磁电压UBat加载(如图4所示)而是通过例如电子开关410与测量电路连接时实现，其中该测量电路包 括分流电阻Rshunt,在该分流电阻Rshunt上可通过电压计420来测量通过 其而下降的电压降并因而确定内部电阻。此外，分流电阻Rshunt可例如 具有3欧姆的值，这可极其精确地确定电阻，因为在断开加热时，即 使在较大的分流电阻Rshunt时，通过电阻的损耗也不会降低加热装置的 效率。
通过对比两个极其不同的测量用传感器IO的温度时加热装置50
的内部电阻，可推断出线圈电阻与引线电阻的比例。以此方式，区分
归属于加热回形针的误差240与归属于引线的误差250(参看图2b)。加 热的电阻通过引线电阻及线圈电阻构造，其中首先线圈电阻显示出对 于温度的依赖。如果在两个温度时测量电阻，例如在车辆启动之后以 及传感器的运行温度已经达到780。C的某时间，那么可求得加热装置 50的电阻变化以及由此求得与电阻变化成比例的线圈电阻。利用线圈 电阻，可由加热装置50的电阻确定引线的部分。由此，也能够区分偏 移误差与成比例的误差。
也可由在两个或多个温度时的两个或多个测量点实现补偿偏移 误差以及成比例的误差。为此，前提条件是，特性曲线220的上述校 准在点TK处由于精确地温度测定而穿过Nernst元件的内部电阻12的温 度特性曲线210。
此外，测量加热装置50的内部电阻RH也可通过图5中示意性所示 的电路通过分流器而实现，该分流器与场效应管510的无电流输出端
并联。在此情况下，此分流器Rshunt2具有例如几千欧姆的值。在此情
况下，在接通加热以及断开加热之间一定不能进行换接。
上述方法可例如作为计算机程序在计算器尤其是内燃机的控制 器实施并在此运行。程序代码可存储在机器可读的载体上，其中控制 器可读取该载体。
权利要求
1. 一种用于确定测量用传感器温度的方法，用于确定混合气体中尤其是内燃机废气中的氧气浓度，其中评估对应于氧气浓度的、由Nernst测量元件(12)提供的检测电压，所述测量用传感器通过加热装置(50)调节到运行温度，其特征在于，在第一温度范围中求得所述Nernst测量元件(12)的内部电阻并且由此推断出所述Nernst测量元件(12)的温度，在第二温度范围中确定所述加热装置(50)的内部电阻并且由此推断出所述Nernst测量元件(12)的温度。
2. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，在所述加热装置(50) 断开期间确定所述加热装置(50)的内部电阻。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一温度 范围与所述第二温度范围不重叠。
4. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第一温度 范围与所述第二温度范围重叠。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述第一温度范 围以及所述第二温度范围中求得所述Nemst测量元件(12)的内部电阻 并且由此推断出所述Nemst测量元件(12)的温度，同时确定所述加热装 置(50)的内部电阻并由此推断出所述Nernst测量元件(12)的温度，并且 根据两个由此确定的温度推断出所述测量用传感器的温度。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一温度范围 在所述测量用传感器的运行温度之下结束，并且所述第二温度范围在 所述测量用传感器的运行温度之上开始。
7. 根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在可 预给定的温度范围中有利地直接在所述测量用传感器的运行温度之 下不仅确定所述Nemst测量元件(12)的内部电阻而且确定加热装置(50) 的电阻，并且通过对比所述Nemst测量元件(12)的内部电阻与所述加热 装置(50)的电阻，来校准所述加热装置(50)的电阻的温度特性曲线的绝对值。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，绝对值校准在新状 态中仅实行、存储并在所述测量用传感器的使用寿命中应用一次。
9. 一种计算机程序，当所述计算机程序在计算器上运行时，实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法的所有步骤。
10. —种具有程序代码的计算机程序产品，其中所述程序代码存储在机器可读的载体上，当所述程序在计算机或控制器上实施时，用于实施根据权利要求1至8中任一项所述的方法。
全文摘要
一种用于确定测量用传感器(10)温度的方法，用于确定混合气体尤其是内燃机废气中的氧气浓度，其中评估对应于氧气浓度的并由Nernst测量元件(12)提供的检测电压(UD)，测量用传感器通过加热装置(50)调节到运行温度，其特征在于，在第一温度范围中求得Nernst测量元件(12)的内部电阻并且由此推断出Nernst测量元件的温度，在第二温度范围中确定加热装置(50)的内部电阻并由此推断出Nernst测量元件的温度。
文档编号G01N27/406GK101535799SQ200780042362
公开日2009年9月16日 申请日期2007年10月23日 优先权日2006年11月15日
发明者H·赖因沙根, L·迪尔 申请人:罗伯特.博世有限公司