CN106461599A

CN106461599A - 用于运行传感器设备的方法

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Publication number: CN106461599A
Application number: CN201580031474.5A
Authority: CN
Inventors: B·莱德曼; R·鲁斯利; R·赖施尔
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2035-05-29
Also published as: KR20170018328A; KR102383817B1; EP3155411A1; CN106461599B; DE102014211321A1; WO2015189055A1

Abstract

本发明提出一种用于运行传感器设备(110)的方法，其中，所述传感器设备(110)具有用于检测在测量气体空间(114)中的气体中的气体成分的至少一个份额的至少一个传感器元件(112)，其中，所述传感器元件(112)包括至少一个第一电极(116)和至少一个第二电极(118)，其中，所述第二电极(118)布置在至少一个测量空腔(120)中，其中，所述测量空腔(120)通过至少一个扩散势垒(122)可施加来自所述测量气体空间(114)的气体，其中，所述第一电极(116)和所述第二电极(118)通过至少一个固体电解质(124)连接并且形成泵单元(126)，其中，所述传感器设备(110)还具有至少一个控制装置(128)，其中，所述控制装置(128)通过至少一个第一信号线路(130)与所述第一电极(116)连接，其中，所述控制装置(128)通过至少一个第二信号线路(132)与所述第二电极(118)连接，其中，所述第一信号线路(130)通过至少一个第一防干扰电容c1(134)与接地(136)连接，其中，所述第二信号线路(132)通过至少一个第二防干扰电容c2(138)与所述接地(136)连接，其中，在所述接地(136)与所述第一信号线路(130)和所述第二信号线路(132)中的至少一个之间布置至少一个测量电阻(140)，其中，所述控制装置(128)设置用于以功能电流运行所述泵单元(126)，其中，在所述方法中通过给所述泵单元(126)施加多个不同开关状态来确定所述第一防干扰电容c1(134)和所述第二防干扰电容c2(138)。

Description

用于运行传感器设备的方法

背景技术

由现有技术原则上已知用于运行传感器设备的方法。借助这样的传感器设备可以实现气体的气体成分的定性检测和/或定量检测，尤其在空气燃料混合物中的气体成分的检测。然而替代或附加地，也可借助这样的传感器设备检测气体的气体特性，例如气体的任意物理特性和/或化学特性。原则上也可以检测气体的多个特性。尤其可以将这样的传感器设备应用在机动车领域。所述气体例如可以是内燃机的测量气体空间中的废气，尤其在机动车领域中，并且测量气体空间例如是排气装置。

这样的传感器设备可以具有用于检测气体的气体成分的至少一个份额的传感器元件。例如传感器元件可以如在Konrad Reif(出版方)的“Sensoren im Kraftfahrzeug”(2012年第二版，第160-165页)中描述的那样构型为λ探测器。λ探测器可以不仅构型为两点式λ探测器而且构型为宽带λ探测器，尤其平面的宽带λ探测器。借助λ探测器可以确定燃烧室中的气体混合物的气体份额，例如空气系数λ，所述空气系数说明空气-燃料比例。借助两点式λ探测器仅仅在紧窄的范围中在化学计量的混合中(λ＝1)确定空气-燃料比例是可能的。与此相反，借助宽带λ探测器——其通常根据泵单元(Pumpzell)的原理、优选结合电化学内恩斯特单元工作——可以实现在λ的大的范围上的确定。这样的陶瓷传感器元件基于确定的固体的电解特性的应用，尤其基于所述固体的离子导电的特性。这些传感器元件大多包括优选由锆和/或钇组成的陶瓷固体电解质或者优选由二氧化锆组成的固体层。

这样的泵单元可以由两个通过固体电解质连接的电极、尤其内部泵电极和外部泵电极形成。原则上传感器设备可以具有控制装置，控制装置设置用于给泵单元施加泵电流。例如传感器元件可以以直流电或在脉冲式运行中运行。例如文献DE 10 2008 001 697A1描述：泵电流可以是脉冲形的泵电流，其具有固定频率、可变的占空比和可调节的正负号(Vorzeichen)。传感器元件的借助这样的泵电流的运行可以称作传感器元件的脉冲式运行。

原则上可以在信号线路中、例如在传感器设备的线缆束中设有防干扰电容用于进行保护例如免于传感器设备的电子装置的静态充电。由文献DE 10 2010 000 663A1已知的是，为了缓冲在宽带λ探测器的信号线路与接地之间的高频干扰和高电压进入，可以设有电容器。在传感器元件的脉冲式运行中可以不断地对这些电容再充电。再充电电流一部分流经传感器元件的泵单元并且提高或降低泵电流并且必须在特征曲线校准中被考虑。

此外，在文献DE 10 2010 000663A1中描述一种用于校准再充电校正特征曲线的方法。通过在两个开关状态Z_1与Z_2之间的周期性转换来引起如下：即在宽带λ探测器的内部泵电极连接端IPE和在外部泵电极连接端APE上存在脉冲形泵电流I_SQ。开关位置Z_1和Z_2在此能够实现在电阻R_GND上的电压降U_GND的边沿触发式测量以便校准再充电校正。电容器的再充电过程映射到通过电阻R_GND的通过电流上。在电阻R_GND上降落的用于开关位置Z_1的电压U_gua和用于开关位置Z_2的电压U_gui因此包含再充电信息。再充电电流dI_um是用于校准的最重要份额并且在文献DE 10 2010 000663A1中通过dI_um＝F_um·(U_gui-U_gua/R_GNDS)计算，其中，F_um＝T_sd/T_p。在此，T_sd是测量转换的持续时间(积分时间)，T_p是脉冲式运行的时钟周期持续时间，而R_GNDS是电阻的期望值。

原则上可以在不考虑再充电电流I_pum的情况下由传感器设备的恒流源的所设置的有效占空比IPS和所测量的电流计算平均泵电流I_p0：I_p0＝IPS·I_sq，其中，有效的占空比是IPS＝(T_p-T_m)/T_cyclus。T_cyclus在此是测量周期的持续时间，例如T_cyclus可以为＝666μs。T_p和T_m分别是给传感器设备施加正电流脉冲和负电流脉冲的持续时间。在考虑再充电电流I_pum的情况下，可以由I_p＝I_p0+I_pum确定平均泵电流I_p。在测量周期中可以给传感器设备施加三个开关状态，其中，在第一开关状态中可以给传感器设备施加正电流脉冲，在第二开关状态中给传感器设备施加负电流脉冲，并且在第三开关状态中给传感器设备施加脉冲间歇，其中，不给传感器设备施加电流。例如可以首先给传感器设备施加脉冲间歇，例如具有固定的185μs的持续时间。紧接着可以给传感器设备施加另一开关状态，例如负电流脉冲。紧接着又可以给传感器设备施加另一脉冲间歇。脉冲间歇的持续时间在此可以是可变的并且例如为在0与301μs之间。在脉冲间歇之后可以给传感器设备施加另一开关状态，例如正电流脉冲。具有正或负电流脉冲的开关状态的持续时间在此可以是可变的。例如持续时间可以为在90μs与391μs之间。开关状态的每个变化可以引起防干扰电容上的再充电电压偏移(Umladespannungshub)。对于每个再充电偏移的电荷量可以由在两个开关状态之间在防干扰电容上的电压差确定。在此，可以将在开关状态末端处的电压分别用于确定所述差。对于每个开关状态变化的电荷量dQ_sx可以由在两个开关状态之间的电压差dUsx乘以防干扰电容的相应电容值c_n确定：dQ_sx＝c_n·dUsx。开关状态变化的平均再充电电流I_umsx可以由I_umsx＝dQ_sx/T_cyclus确定。如果现在所有再充电——再充电的电流流经传感器元件——累加，则可以确定通过传感器元件的总再充电电流I_pum。所述再充电电流可以考虑在探测电流的计算中，尤其可以实现探测流的校正。例如可以在脉冲式运行中给传感器元件施加不同的电流脉冲模式(定时模式)，例如脉冲-反脉冲、电流脉冲模式(定时模式1)或具有仅仅负脉冲的电流脉冲模式(定时模式2)。在定时模式1中，再充电电流的校正公式可以是：

Ipum＝[c_i(U_i2-U_ref)+c_a(U_a2-U_ref-U_p0)]/T_cyclus，

其中，U_ref是传感器设备的参考电压的期望值，而U_p0是在脉冲间歇中泵电压的值。U_i2和U_a2是在开关状态、例如具有负电流脉冲的开关状态的末端处的电压值，其中，可以测量外电极与接地之间的电压U_a2并且可以测量内电极与接地之间的电压U_i2。此外，c_i和c_a是防干扰电容的电容值。在定时模式2中，再充电电流的校正公式可以是：

Ipum＝[c_i(U_i2+U_i4-2-U_ref)-2c_a(U_a2+U_ref+U_p0)]/T_cyclus，

其中，U_i4是在一个开关状态末端、例如具有正电流脉冲的开关状态处的电压值。为了确定校正公式，原则上可以对于防干扰电容的电容值应用构件的期望值。

已知的所述用于校准、尤其特征曲线校准的方法与防干扰电容的电容值有关。原则上可以对于所述电容值应用构件的期望值。然而在此不考虑电容值的样本分布、可能的温度响应(Temperaturgang)以及可能的长时间漂移。然而对于所述应用可以要求小于±10μA的泵电流精度。在λ＝1的情况下直至±30％的电容公差下，借助于防干扰电容的期望值的校准可以导致泵电流不精确性。因此可以在电压变化过程中、尤其在泵电压的电压变化过程中出现过调过调可能对于应用而言是不可接受的。

发明内容

因此，提出一种用于运行传感器设备的方法，所述方法至少尽可能避免已知方法的可预测的缺点。尤其应实现小于±10μA的泵电流精度。

原则上可以将传感器设备理解为任意如下设备，所述设备设置用于检测气体成分的份额，尤其在气体混合物中，例如在测量气体空间中，如例如在内燃机的排气装置中。传感器设备具有用于检测测量气体空间中的气体中的气体成分的至少一个份额的至少一个传感器元件。用于检测气体中的气体成分的至少一个份额的传感器元件可以理解为如下元件，所述元件例如是传感器设备的组成部分，设置或者可以有助于探测气体的气体成分的份额。关于传感器元件的可能构型可以原则上参照上述现有技术。传感器元件可以尤其是陶瓷传感器元件，尤其是具有层式结构的陶瓷传感器元件。传感器元件尤其可以是平面陶瓷传感器元件。气体成分的至少一个份额的检测可以理解为气体的气体成分的定性检测和/或定量检测。然而原则上，传感器元件可以设置用于检测气体的任意物理特性和/或化学特性，例如气体的温度和/或压力和/或气体中的颗粒。其他特性原则上也是可检测的。气体原则上可以是任意气体，例如废气、空气、空气-燃料混合物或其他气体。本发明尤其可用于机动车技术领域中，从而气体尤其可以是空气-燃料混合物。一般地，可以将测量气体空间理解为如下空间：待检测的气***于所述空间中。本发明如上实施的那样尤其可用于机动车技术领域中，从而测量气体空间尤其可以是内燃机的排气装置。然而，也可以考虑其他的应用。

传感器元件包括至少一个第一电极和至少一个第二电极。名称“第一”和“第二”电极用作纯名称并且尤其不是关于顺序和/或关于是否例如还存在其他电极的结论。一般地，电极可以理解为传感器元件的导电区域，所述区域例如可以被施加电流或电压。第一和第二电极可以尤其构型为金属-陶瓷电极，亦即所谓的Cermet电极、尤其铂Cermet电极。

第二电极布置在至少一个测量空腔中。测量空腔可以理解为传感器元件内的空腔，所述空腔可以设置用于进行气体的气体成分的存储。测量空腔可以构型为完全地或部分地敞开。此外，测量空腔可以完全地或部分地充以例如多孔介质，例如多孔的氧化铝。例如，第二电极可以构型为内部泵电极。

测量空腔通过至少一个扩散势垒可施加来自测量气体空间的气体。扩散势垒可以理解为由以下材料构成的层：所述材料促进或能够实现气体的和/或液体的和/或离子的扩散，但是抑制气体的和/或液体的流动。扩散势垒可以尤其具有多孔的陶瓷结构，尤其具有经有针对性地调整的孔直径的多孔陶瓷结构。扩散势垒可以具有扩散阻力，其中，扩散阻力可理解为如下阻力，扩散势垒以所述阻力反作用于扩散流。

第一电极和第二电极通过至少一个固体电解质连接并且形成泵单元。固体电解质可以尤其是陶瓷固体电解质，例如氧化锆、尤其是钇稳定的氧化锆(YSZ)和/或钪掺杂的氧化锆(ScSZ)。固体电解质可以优选是气体不可穿透的和/或可以确保离子输送，例如离子氧输送。第一和第二电极尤其可以是能导电的区域，例如能导电的金属涂层，所述区域可以施加到至少一个固体电解质上和/或可以以其他方式接触固体电解质。尤其可以通过施加电压、尤其泵电压给第一和第二电极将氧气穿过扩散势垒从气体泵浦到测量空腔中或者由其泵浦出。

传感器设备还具有至少一个控制装置。控制装置可以理解为如下设备，所述设备设置用于运行传感器元件。控制装置可以是中央的或分散的。控制装置可以包括至少一个数据处理设备，例如至少一个处理器，尤其至少一个微控制装器。控制装置可以例如完全地或部分地集成到另一设备中，例如控制设备和/或发动机控制设备中。传感器元件可以具有至少一个接口，所述至少一个接口可以与控制装置连接。例如，控制装置也可以完全地或部分地集成到传感器元件中或者替代地完全或部分地集成到传感器设备的其他部件中，例如在插接装置中。

控制装置通过至少一个第一信号线路与第一电极连接。第一信号线路原则上可理解为控制装置与第一电极的任意连接，所述连接设置用于将至少一个信号、尤其电流信号和/或电压信号由控制装置传输到第一电极和/或由第一电极传输到控制装置。例如，第一信号线路可以完全或部分地构型为馈电线和/或线缆和/或开关。馈电线可以例如完全或部分地实现为层式结构中的馈电线。

控制装置通过至少一个第二信号线路与第二电极连接。第二信号线路原则上可理解为控制装置与第二电极的任意连接，所述连接设置用于将至少一个信号、尤其电流信号和/或电压信号由控制装置传输到第二电极和/或由第二电极传输到控制装置。例如，第二信号线路同样可以完全或部分地构型为馈电线和/或线缆和/或开关。

第一信号线路通过至少一个第一防干扰电容c1与接地连接。第二信号线路通过至少一个第二防干扰电容c2与接地连接。接地原则上可以理解为导电构件，所述构件具有参考电位，尤其0伏特电位。名称“第一”和“第二”防干扰电容用作纯名称并且尤其不是关于顺序和/或关于是否例如还存在其他防干扰电容的结论。第一和第二防干扰电容原则上可以理解为任意电容器，所述电容器设置用于缓冲高频干扰和高压进入，尤其是相对于接地引导高频干扰和高压进入并且因此确保保护例如免于静态充电。

在第一信号线路与第二信号线路中的至少一个与接地之间此外布置至少一个测量电阻。测量电阻原则上可以理解为任意的欧姆电阻，在其上可以实施电流和/或电压测量。第一信号线路和/或第二信号线路可以通过测量电阻可与接地可连接。优选地，可以在包括测量电阻的在第一和/或第二信号线路与接地之间的连接中设有至少一个开关。开关可以理解为任意的、尤其是导电的构件，所述构件设置用于尤其电连接第一和/或第二信号线路与测量电阻和接地，和/或分离第一和/或第二信号线路与测量电阻和接地的连接。例如开关可以在闭合状态中连接第一和/或第二信号线路与测量电阻和接地，并且在打开状态中分离第一和/或第二信号线路与测量电阻和接地。

测量电阻和第二防干扰电容c2可以并联连接。测量电阻的和第二防干扰电容c2的相同命名的电极尤其可以相互连接。测量电阻和第一防干扰电容c1可以并联连接。

控制装置设置用于以功能电流运行泵单元。功能电流原则上可以理解为任意如下电流：所述电流原则上可以具有任意变化过程。优选地，功能电流可以具有至少一个电流脉冲，特别优选地，功能电流可以具有脉冲式周期变化过程。例如功能电流可以选自由以下组成的组：正弦功能电流、矩形电流、三角形电流、锯齿形电流。原则上，功能电流也可以具有其他变化过程。“以功能电流运行泵单元”原则上可以理解为，控制装置可以设置用于给泵单元、尤其第一和/或第二电极施加功能电流。优选地，可以给泵单元施加正和/或负脉冲。功能电流还可以具有至少一个脉冲间歇，其中，在一个间歇中不给泵单元施加电流脉冲。

在所述方法中通过给泵单元施加多个不同开关状态来确定第一防干扰电容c1和第二防干扰电容c2。控制装置尤其可以具有开关，优选地，控制装置可以具有多个开关。作为第一开关可以在包括测量电阻的在第二信号线路与接地之间的连接中设有上述开关。此外，第二开关可以设置在传感器元件与在以下还将进一步描述的参考电压源之间的连接中。开关状态原则上可以通过电子构件的状态、尤其至少两个开关的状态和/或通过泵电流的流动方向来限定。第一防干扰电容c₁的和第二防干扰电容c₂的确定原则上可以理解为在传感器设备的运行中电容值的求取，尤其与防干扰电容的期望值的偏差的求取。

在所述传感器设备的另一运行中、尤其在具有脉冲式施加电流和/或电压给所述泵单元的脉冲式运行中考虑所述防干扰电容。尤其可以在所述传感器设备的另一运行中校正通过所述防干扰电容引起的过调。第一和第二防干扰电容可以在探测器的脉冲式运行中根据正或负脉冲的施加来再充电。这样的再充电可以导致附加的电流、尤其再充电电流，其可以提高或降低泵电流。泵电流的这样的变化可以导致在传感器元件的泵电压的电压变化过程中的过调。

此外，可以在传感器设备的特征曲线的确定中考虑防干扰电容。传感器设备的特征曲线可以理解为泵电压与空气系数λ的关系。尤其可以在传感器设备的特征曲线的确定中考虑泵电流的通过再充电电流引起的变化并由此产生的在电压变化过程中的过调。

所述方法可以包括以下步骤：

a)第一测量步骤，其中，在所述第一测量步骤中给所述泵单元施加第一开关状态z₀，其中，在所述第一测量步骤中检测泵电压U_p0并且确定所述测量电阻上的第一电压U_g0，其中，在所述第一测量步骤中此外还确定所述第一电极与所述接地之间的电压Uc_a0和在所述第二电极与所述接地之间的电压Uc_i0；

b)第二测量步骤，其中，在所述第二测量步骤中给所述泵单元施加第二开关状态z₂，其中，在所述第二测量步骤中确定所述第一电极与所述测量电阻之间的电压Uc_a2和在所述第二电极与所述测量电阻之间的电压Uc_i2，其中，此外在所述第二开关状态中检测在所述测量电阻上的电压U_gua并且能够由过调确定再充电电流的充电量Q_gua；以及

c)第三测量步骤，其中，在所述第三测量步骤中给所述泵单元施加第三开关状态z₁，其中，在所述第三测量步骤中确定所述第一电极与所述测量电阻之间的电压Uc_a1和在所述第二电极与所述测量电阻之间的电压Uc_i1，其中，能够检测在所述测量电阻上的电压U_gui并且由过调确定再充电电流的充电量Q_gui。

这些方法步骤可以例如以所述顺序实施。但另一顺序原则上也是可能的。原则上也可以重复地实施一个或多个或所有方法步骤。术语“第一步骤”、“第二步骤”和“第三步骤”用作纯名称并且尤其不是关于顺序和/或关于是否例如还存在其他测量步骤的结论。

在第一测量步骤中可以在功能电流的脉冲间歇的末端检测泵电压U_p0。脉冲间歇的末端可以理解为在脉冲间歇内的一个在实现重新施加电流脉冲之前的时刻。在第一开关状态中可以给传感器元件施加参考电压。第一开关状态可以理解为无电流状态，尤其脉冲间歇的以下状态：在所述状态中不给泵单元施加电流脉冲。尤其在第一开关状态中第二开关可以具有闭合状态并且因此给传感器元件施加参考电压。脉冲间歇中的参考电压可以原则上如此选择，使得电压大于泵单元的尽可能最大的负极化。因此可以阻止：第一电极的电位下降到接地的电位之下。参考电压尤其可以大于2V。优选地，参考电压可以为3.3V。传感器设备尤其可以具有模拟数字转换器，所述模拟数字转换器具有3.3V的参考电压。在电压确定中，在传感器设备的另外的元件之间的电压可以参考所述参考电压。在第二电极与接地之间的电压Uc_i0可以等于参考电压。在第一电极与接地之间的电压Uc_a0可以是参考电压与泵电压U_p0的和。

电压Uc_a2和电压Uc_i2可以在暂态过程(Einschwingvorgang)之后被确定。电压Uc_a1和电压Uc_i1可以在暂态过程之后被确定。暂态过程可以理解为直至达到泵电压值的持续时间，其具有与泵电压的静态值的小于20％的偏差，优选小于15％的偏差并且特别优选地具有与泵电压的静态值的小于10％的偏差。原则上也可以在没有暂态过程的情况下实现电压确定。

为了准确确定电压，必须原则上测量第一开关状态的最终状态。通常不可以实现最终状态的准确测量。优选地，在所述方法中可以实现电压值的求平均，例如在70μs上的求平均。由此产生的检测误差可以与在脉冲间歇中泵电压的退极化(Depolarisation)运动有关。测量周期可以理解为如下时间段：在所述时间段中可以实施方法步骤a)-c)中的至少一个。方法步骤a)-c)可以都在一个测量周期内实施或者可以单个地分别在一个测量周期中实施。优选地，测量周期可以为666μs长。

在第二开关状态中，第一电极可以与测量电阻连接。尤其可以在第一信号线路与接地之间的包括测量电阻的连接中设有至少一个开关，所述至少一个开关在第二开关状态中能够实现第一电极与测量电阻的连接。在第二开关状态中，可以给传感器元件施加负的电流脉冲，从而泵电流从第二电极流至第一电极。在第二开关状态中，可以给泵单元施加功能电流的电流脉冲、尤其负脉冲，其中，给防干扰电容再充电。正脉冲可以理解为如下脉冲：在所述脉冲的情况下电流由第一电极流至第二电极并且通过开关流至测量电阻。相比之下，在负脉冲的情况下电流由第二电极流至第一电极并且通过开关流至测量电阻。

防干扰电容的再充电可以尤其在不同开关状态之间切换的情况下实现。优选地可以实现在第一开关状态与第二开关状态、第二与第一开关状态、第一与第三开关状态以及第三与第一开关状态之间的切换。

在第三开关状态中，第二电极可以与测量电阻连接。第一开关尤其可以闭合并且确保第二电极与测量电阻的连接。在第三开关状态中，可以给传感器元件施加正电流脉冲，从而泵电流由第一电极流至第二电极。在第三开关状态中，可以给泵单元施加功能电流的电流脉冲、尤其正脉冲，并且可以给防干扰电容再充电。

如上所述，可以由过调确定再充电电流的电荷量Q_gua。尤其在过调的时间变化过程之下的面积可以与再充电电流的电荷量成比例。电压U_gua可以通过电压信号在脉冲持续时间上的积分来确定。电压U_gua尤其可以通过在最大100μs、优选最大80μs并且特别优选大约71μs的积分时间上的积分来确定，例如70±5μs。在一种优选的实施方式中，积分时间可以为71μs。长于71μs的积分时间原则上也可以是可能的。传感器设备可以具有Sigma-Delta-转换器。Sigma-Delta-转换器可以设置用于在时间段上、尤其在积分时间上对在测量电阻上检测的电压信号积分。优选地，积分可以从施加接通边沿(Einschaltflanke)开始来实现。接通边沿可以理解为在施加电流脉冲时泵电压的行为。由如此确定的电压U_gua可以减去在没有过调的情况下的电压信号。尤其可以由电压U_gua减去在第一开关状态中确定的电压U_g0，其中，功能电流可以在第一和第二开关状态中的电压测量中具有相同值。传感器设备可以具有至少一个电流源，所述至少一个电流源可以设置用于在不同开关状态中的所有测量中馈入相同电流。电流源可以尤其是恒流源。尤其偏差如至少一个电流源的电压响应(Spannungsgang)可以产生测量误差。电压U_g0与U_gua的差可以与再充电电流的电荷量成比例。电荷量尤其可以为Q_gua＝(U_gua-U_g0)·T_adc/R_gnds，其中，T_adc是Sigma-Delta-转换器的转换器时间，而R_gnds是测量电阻的期望值。在一个实施例中，转换器时间可以为70μs。

类似的确定可以关于再充电电流的电荷量Q_gui实现。电荷量尤其可以为Q_gui＝(U_gui-U_g0)·T_adc/R_gnds。

传感器设备可以设置用于实施电荷量Q_gui和Q_gua的确定。传感器设备可以设置用于实施方法步骤a)-c)。传感器设备可以设置用于控制用于测量周期的开始时刻和/或开关状态之间的变换，优选准确控制μs。在传感器设备的一种优选的实施方式中，传感器设备可以具有由模拟低通滤波器和Sigma-Delta-转换器组成的组合。原则上也可考虑其他构型。例如可以应用模拟积分器，其中，可以扫描器模拟积分器的最终值并且进行AD转换。

再充电电流的所测量的电荷量Q_gua和Q_gui可以对比再充电的可预期的电荷量。

所述方法还可以具有以下步骤：

i)第一确定步骤，其中，确定电压Uc_i0与电压Uc_i2之间的差dUc_i2和在电压Uc_a0与电压Uc_a2之间的差dUc_a2；

ii)第二确定步骤，其中，确定电压Uc_i0与电压Uc_i1之间的差dUc_i1和在电压Uc_a0与电压Uc_a1之间的差dUc_a1；

iii)第三确定步骤，其中，确定所述防干扰电容c₁和c₂。

这些方法步骤例如可以以所述顺序实施。但另一顺序原则上也是可能的。原则上也可以重复地实施一个或多个或所有方法步骤。术语“第一确定步骤”、“第二确定步骤”和“第三确定步骤”用作纯名称并且尤其不是关于顺序和/或关于是否例如还存在其他确定步骤的结论。

在第三确定步骤中，可以通过求解线性方程组来确定防干扰电容c₁和c₂。尤其可以通过求解如下方程组来确定防干扰电容：

d∪c_i2·c₁+d∪c_a2·c₂＝Q_gua

d∪c_i1·C₁+d∪c_a1.c₂＝Q_gui。

在大的过调的情况下可以实现防干扰电容的准确确定。当防干扰电容的再充电过程的面积、亦即在过调之下的面积如此大，使得开关时间的公差对结果具有尽可能小的影响并且再充电过充不长于积分时间的时候，可以实现防干扰电容的准确确定。原则上，由现有技术已知以16毫安的电流运行传感器元件，其中，测量电阻为100Ω。在本发明的范围中已经证实为有利的是，以尽可能小的电流运行传感器元件。尽可能小的电流例如可以理解为小于16毫安、优选小于12.5毫安并且特别优选10毫安的电流。然而，其他电流也是可能的。例如传感器设备可以具有可调节的电流源，所述电流源能够实现用于运行传感器元件的电流的调节并且因此能够实现调整(Einstellung)。在一种优选的实施方式中，可以以10毫安的电流运行传感器元件。然而其他电流也是可能的。在所述优选的实施方式中，测量电阻可以具有例如100Ω的电阻，并且传感器元件的电阻可以为例如26Ω。然而其他电阻也是可能的。在防干扰电容的确定中可以再充电例如3.3V到1.26V的电压Uc_i(1/2)。然而其他电压也是可能的。为了确保泵电压的测量在电流下降到10毫安的情况下也是可能的，可以如此选择在正脉冲、尤其在第三开关状态之前脉冲间歇的持续时间，使得可以实施泵电压测量。优选地，传感器元件可以在λ＝1调节运行中运行，在该调节运行中泵电流要求可以很低。因此可以阻止：脉冲间歇的持续时间相比于总测量周期没有变得过大。脉冲间歇的持续时间尤其可以为测量周期的15％、优选10％以及特别优选5％。此外优选地，泵电压可以在多个开关周期上不实现变化，因为待检测的电压值可以在时间上分配在多个周期上。然而原则上能够实现在泵电压的10％、优选5％并且特别优选1％的范围中的变化。泵电压可以在λ＝1通过之后是特别稳定的并且在λ＝1通过期间不太稳定。开关周期在此可以理解为在选自第一、第二和第三开关状态的至少一个开关状态与选自第一、第二和第三开关状态的另一开关状态之间的切换。

传感器设备可以如上所述那样具有Sigma-Delta-转换器，其中，方法可以具有非线性校正。原则上，真实的Sigma-Delta-转换器可以不是线性地描述非静态信号，而是相比于理想Sigma-Delta-转换器仅仅失真地描述信号，从而电压值的非线性校正可以是必要的。非线性校正可以借助校正函数来实现，校正函数可以与防干扰电容有关。校正函数可以通过比较真实的Sigma-Delta-转换器与模拟的理想的Sigma-Delta-转换器来实现。为了在防干扰电容的确定期间也确保Sigma-Delta-转换器的功能方式，因此可以实现防干扰电容的递归确定。尤其可以在第一校正步骤中实现借助未经校正的Sigma-Delta-转换器信号来确定未经校正的防干扰电容并且借助未经校正的防干扰电容来实施非线性校正。在另一校正步骤中可以确定电压值的经校正的差(U_gui-U_g0)和(U_gua-U_g0)并且实现经校正的防干扰电容的确定。这些校正步骤可以尤其单个地或者两者重复地实施，以便实现非线性校正所期望的精度。

在本发明的另一方面中提出一种传感器设备。所述传感器设备具有用于检测测量气体空间中的气体中的气体成分的至少一个份额的至少一个传感器元件。所述传感器元件包括至少一个第一电极和至少一个第二电极，其中，所述第二电极布置在至少一个测量空腔中。所述测量空腔通过至少一个扩散势垒可施加来自所述测量气体空间的气体。所述第一电极和所述第二电极通过至少一个固体电解质连接并且形成泵单元。所述传感器设备还具有至少一个控制装置，所述至少一个控制装置通过至少一个第一信号线路与所述第一电极连接。所述控制装置通过至少一个第二信号线路与所述第二电极连接。所述第一信号线路通过至少一个第一防干扰电容c1与接地连接。所述第二信号线路通过至少一个第二防干扰电容c2与所述接地连接。在所述接地与所述第一信号线路和所述第二信号线路中的至少一个之间布置至少一个测量电阻。所述控制装置设置用于以功能电流运行所述泵单元。

传感器设备设置用于实施根据上述实施方式之一或以下还将进一步阐明的实施方式之一的方法。例如控制装置可以相应地设置用于例如通过编程技术来实施所述方法。对于传感器设备的可能的构型可以相应地参照方法的上述描述。

本发明还涉及一种计算机程序和一种电子存储介质以及电子控制设备，所述计算机程序设置用于实施根据本发明的方法的每个步骤，所述计算机程序存储在所述电子存储介质上，所述电子控制设备包括所述电子存储介质。

发明优点：

所述方法相比于现有技术中的已知方法是有利的。尤其可以求取防干扰电容的实际值并且因此在特征曲线校准中考虑防干扰电容的样本分布、温度响应以及长时间漂移。此外，可以因此能够实现传感器设备也用于如下应用：在所述应用中可以需要小于±10μA的泵电流精度。

附图说明

附图示出：

图1A-1C：在三个开关状态中用于实施根据本发明方法的传感器设备的等效电路图；

图2：再充电电流的确定的示意概览；

图3A-3C：泵电流的时间变化过程、第一和第二电极上的电压变化过程以及第一电极与第二电极的电压的电压差的变化过程。

具体实施方式

在图1A-1C中示出在三个开关状态中用于实施根据本发明方法的传感器设备110的等效电路图。传感器设备110具有用于检测测量气体空间114中的气体中的气体成分的至少一个份额的至少一个传感器元件112。测量气体空间114可以尤其是内燃机的排气装置并且气体可以是废气。传感器元件112尤其可以设置用于确定气体中的氧气的份额。

传感器元件112包括至少一个第一电极116和至少一个第二电极118。第一电极116可以例如构型为外部泵电极并且对于图1A-1C的等效电路图表示为APE。第一电极118可以被施加来自测量气体空间114的气体并且例如以气体可渗透的层与测量气体空间114连接。第二电极118布置在至少一个测量空腔120中，所述测量空腔在此未示出。测量空腔120通过至少一个扩散势垒122与测量气体空间114连接。传感器元件例如可以具有气体进入通道。测量空腔120可以构型为完全地或部分地敞开并且可以多件式构造。例如测量空腔120可以完全或部分地例如以多孔的氧化铝填充。关于测量空腔120和扩散势垒122的构型可以尤其参照现有技术的传感器元件，其例如在Konrad Reif(出版方)的“Sensoren imKraftfahrzeug”(2012年第二版，第160-165页)中描述。第二电极118可以构型为内部泵电极并且对于图1A-1C的等效电路图表示为IPE。第一电极116和第二电极118通过至少一个固体电解质124(同样在此未示出)连接，所述至少一个固体电解质例如由钇稳定的氧化锆(YSZ)和/或钪掺杂的氧化锆(ScSZ)组成。关于固体电解质124的构型同样可以参照上述现有技术。第一电极116和第二电极118形成泵单元126。

传感器设备110还具有至少一个控制装置128。控制装置128可以完全或部分地集成到传感器元件112中，或者替代地完全或部分地集成在其他部件中，例如集成到插接装置和/或发动机控制装置中。控制装置128通过至少一个第一信号线路130与第一电极116连接。控制装置128通过至少一个第二信号线路132与第二电极118连接。第一信号线路130通过至少一个第一防干扰电容c1(以附图标记134表示)与接地136连接。第二信号线路132通过至少一个第二防干扰电容c2(以附图标记138表示)与接地136连接。在第一信号线路130和第二信号线路132中的至少一个与接地136之间还布置至少一个测量电阻140。第一信号线路130和/或第二信号线路132可以通过测量电阻140与接地136连接。优选地可以在包括测量电阻140的在第一信号线路130和/或第二信号线路132与接地136之间的连接中设有至少一个开关142。测量电阻140与防干扰电容c1 134和/或测量电阻140与防干扰电容c2 138可以并联连接。

控制装置128可以设置用于以功能电流、尤其脉冲式矩形电流运行泵单元126。在所述方法中，通过给泵单元128施加多个不同的开关状态来确定第一防干扰电容c1，134和第二防干扰电容c2，138。

在图1A中示出第一开关状态144。根据本发明的方法可以包括第一测量步骤，其中，给泵单元126施加第一开关状态144。第一开关状态144可以是无电流状态，尤其可以给泵单元126在功能电流的脉冲间歇期间施加第一开关状态144。尤其可以给第一电极116施加电流源145。在第一测量步骤中可以检测泵电压U_p0并且确定在测量电阻140上的第一电压U_g0。箭头146表示泵电压U_p0的方向。在功能电流的泵间歇的末端可以检测泵电压U_p0。在第一测量步骤中还可以确定第一电极116与接地136之间的电压Uc_a0和在第二电极118与接地136之间的电压Uc_i0。在第一开关状态144中可以给传感器元件112、尤其第二电极118施加参考电压。传感器设备110尤其可以具有参考电压源148，所述参考电压源设置用于给传感器元件112施加参考电压。在一个优选的实施例中，参考电压可以为例如3.3V。在第二信号线路132与参考电压源148之间可以布置开关150，其中，在开关150的闭合状态中参考电压源148与传感器元件112连接。箭头152说明泵电流的方向。

图1B示出第二开关状态154。根据本发明的方法可以包括第二测量步骤，其中，可以给泵单元126施加第二开关状态154。在第二开关状态154中，可以给泵单元126施加功能电流的电流脉冲、尤其负脉冲，其中，给第一防干扰电容c1 134和第二防干扰电容c2 138再充电。此外，第一信号线路130可以与测量电阻140连接，其中，开关142可以在第一信号线路与测量电阻140之间闭合。在第二测量步骤中，可以确定第一电极116与测量电阻140之间的电压Uc_a2和在第二电极118与测量电阻140之间的电压Uc_i2。电压Uc_a2和电压Uc_i2可以在暂态过程之后被确定。此外可以在第二开关状态154中检测在测量电阻140上的第二电压U_gua并且由过调确定再充电电流的电荷量Q_gua。

再充电电流的电荷量Q_gua的确定在图2中示意地示出。在图2的左列中示出在测量电阻上的电压的可能的时间变化过程。所述电压信号可以包括至少两个信号分量。电压信号的组成在图2的中间列中示出。第一信号分量156可以是电压U_g0的跟随功能电流的函数——例如在此为矩形函数——的电压信号，所述电压信号在图2的中间列中示出为粗实线。第二信号分量158可以是过调，其通过防干扰电容134、138的再充电引起。第二信号分量158在图2的中间列中示出为细实线。电压U_gua可以通过电压信号在脉冲持续时间上的积分来确定。电压U_gua尤其可以通过电压信号在积分时间上的积分来确定，所述积分时间例如等于电流脉冲的最小脉冲持续时间。电流脉冲的脉冲持续时间可以例如为90μs至391μs。然而其他脉冲持续时间原则上也是可能的。例如积分时间可以为71.04μs。传感器设备110可以具有Sigma-Delta-转换器。Sigma-Delta-转换器可以设置用于在时间段上、尤其在积分时间上对电压信号进行积分。优选地，积分可以以施加接通边沿开始地实现。由如此确定的电压U_gua可以减去没有过调的情况下的电压信号，尤其第一信号分量。电压U_g0与U_gua的差160在图2的左列中示出为粗虚线并且可以与再充电电流的电荷量Q_gua成比例。

在图1C中示出第三开关状态162。根据本发明的方法可以包括第三测量步骤，其中，给泵单元126施加第三开关状态162。在第三开关状态162中可以给泵单元126施加功能电流的电流脉冲、尤其正脉冲并且对防干扰电容134、138再充电。在第三测量步骤中可以确定第一电极116与测量电阻140之间的电压Uc_a1和在第二电极118与测量电阻140之间的电压Uc_i1。电压Uc_a1和电压Uc_i1可以在暂态过程之后被确定。此外可以检测在测量电阻140上的电压U_gui并且由过调确定再充电电流的电荷量Q_gui。电荷量Q_gui的确定可以类似于再充电电流的电荷量Q_gua的在图2中描述的确定来实现。

在不同开关状态之间的切换可以尤其在第一开关状态144与第二开关状态154之间、在第二开关状态154与第一开关状态144之间、在第一开关状态144与第三开关状态154之间以及在第三开关状态162与第一开关状态144之间实现。此外，所述方法可以包括第一确定步骤，其中，确定电压Uc_i0与电压Uc_i2的差dUc_i2和电压Uc_a0与电压Uc_a2的差dUc_a2。所述方法可以包括第二确定步骤，其中，确定电压Uc_i1与电压Uc_i0的差dUc_i1和电压Uc_a0与电压Uc_a1的差dUc_a1。此外，所述方法可以包括第三确定步骤，其中，确定防干扰电容c₁和c₂。在第三确定步骤中可以通过求解线性方程组来确定防干扰电容c₁ 134和c₂ 138。

图3A示出泵电流的时间变化过程，传感器元件112可以被施加所述泵电流。传感器元件112可以在脉冲式运行中运行，其中，在所述实施例中给泵单元126施加脉冲式电流。因此，在图3A中在时间变化过程中可见功能电流——在此矩形电流——的正和负电流脉冲。在图3C中示出在第一电极116与第二电极118之间的电压差ΔU的变化过程。不仅在图3A中的泵电流而且在图3C中的电压差示出通过防干扰电容134、138的再充电电流引起的过调、与矩形函数的偏差。

图3C示出在根据本发明的方法中确定的电压U_x的时间变化过程。曲线164示出在测量电阻140上降落的电压的变化过程。曲线166或曲线168示出在接地136与第一电极116或第二电极118之间的电压的变化过程。在时刻t0可以给传感器元件112施加第一开关状态144。在第二电极118与接地136之间的电压Uc_i0以附图标记170表示，在第一电极116与接地136之间的电压Uc_a0以附图标记172表示。在时刻t1可以给传感器元件112施加第二开关状态154。在第一电极116与测量电阻140之间的电压Uc_a2以附图标记174表示，在第二电极118与测量电阻140之间的电压Uc_i2以附图标记176表示。在时刻t2可以给传感器元件112重复地施加第一开关状态144。此外，可以在时刻t3给传感器元件112施加第三开关状态162。在第一电极116与测量电阻140之间的电压Uc_a1以附图标记178表示，在第二电极118与测量电阻140之间的电压Uc_i1以附图标记180表示。

在传感器设备110的另一运行中，尤其在具有给泵单元126脉冲式施加电流和/或电流的脉冲式运行中，可以考虑防干扰电容134、138并且校正尤其通过再充电电流引起的过调。此外，可以在传感器设备110的特征曲线的确定中考虑防干扰电容134、138。

Claims

1.一种用于运行传感器设备(110)的方法，其中，所述传感器设备(110)具有用于检测测量气体空间(114)中的气体中的气体成分的至少一个份额的至少一个传感器元件(112)，其中，所述传感器元件(112)包括至少一个第一电极(116)和至少一个第二电极(118)，其中，所述第二电极(118)布置在至少一个测量空腔(120)中，其中，所述测量空腔(120)通过至少一个扩散势垒(122)可施加来自所述测量气体空间(114)的气体，其中，所述第一电极(116)和所述第二电极(118)通过至少一个固体电解质(124)连接并且形成泵单元(126)，其中，所述传感器设备(110)还具有至少一个控制装置(128)，其中，所述控制装置(128)通过至少一个第一信号线路(130)与所述第一电极(116)连接，其中，所述控制装置(128)通过至少一个第二信号线路(132)与所述第二电极(118)连接，其中，所述第一信号线路(130)通过至少一个第一防干扰电容c1(134)与接地(136)连接，其中，所述第二信号线路(132)通过至少一个第二防干扰电容c2(138)与所述接地(136)连接，其中，在所述接地(136)与所述第一信号线路(130)和所述第二信号线路(132)中的至少一个之间布置至少一个测量电阻(140)，其中，所述控制装置(128)设置用于以功能电流运行所述泵单元(126)，其中，在所述方法中通过给所述泵单元(126)施加多个不同开关状态来确定所述第一防干扰电容c1(134)和所述第二防干扰电容c2(138)。

2.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述传感器设备(110)的另一运行中、尤其在具有脉冲式施加电流和/或电压给所述泵单元(126)的脉冲式运行中考虑所述防干扰电容。

3.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述传感器设备(110)的另一运行中校正通过所述防干扰电容(134、138)引起的过调。

4.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述传感器设备(110)的特征曲线的确定中考虑所述防干扰电容(134、138)。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

iii)第一测量步骤，其中，在所述第一测量步骤中给所述泵单元(126)施加第一开关状态(144)，其中，在所述第一测量步骤中检测泵电压U_p0并且确定所述测量电阻(140)上的第一电压U_g0，其中，在所述第一测量步骤中此外还确定所述第一电极(116)与所述接地(136)之间的电压Uc_a0和在所述第二电极(118)与所述接地(136)之间的电压Uc_i0；

iv)第二测量步骤，其中，在所述第二测量步骤中给所述泵单元(126)施加第二开关状态(154)，其中，在所述第二测量步骤中确定所述第一电极(116)与所述测量电阻(140)之间的电压Uc_a2和在所述第二电极(118)与所述测量电阻(140)之间的电压Uc_i2，其中，此外在所述第二开关状态(154)中检测在所述测量电阻(140)上的第二电压U_gua并且能够由过调确定再充电电流的充电量Q_gua；以及

v)第三测量步骤，其中，在所述第三测量步骤中给所述泵单元(126)施加第三开关状态(162)，其中，在所述第三测量步骤中确定所述第一电极(116)与所述测量电阻(140)之间的电压Uc_a1和在所述第二电极(118)与所述测量电阻(140)之间的电压Uc_i1，其中，能够检测在所述测量电阻(140)上的电压U_gui并且由过调确定再充电电流的充电量Q_gui。

6.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述第二开关状态(154)中给所述泵单元(126)施加功能电流的电流脉冲、尤其负脉冲，其中，对所述防干扰电容(134、138)再充电。

7.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述第三开关状态(162)中给所述泵单元(126)施加所述功能电流的电流脉冲、尤其正脉冲，其中，对所述防干扰电容(134、138)再充电。

8.根据以上三个权利要求中任一项所述的方法，其中，所述方法还具有以下步骤：

iv)第一确定步骤，其中，确定电压Uc_i0与电压Uc_i2之间的差dUc_i2和在电压Uc_a0与电压Uc_a2之间的差dUc_a2；

v)第二确定步骤，其中，确定电压Uc_i0与电压Uc_i1之间的差dUc_i1和在电压Uc_a0与电压Uc_a1之间的差dUc_a1；

vi)第三确定步骤，其中，确定所述防干扰电容c₁(134)和c₂(138)。

9.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，在所述第三确定步骤中通过求解线性方程组来确定所述防干扰电容c₁(134)和c₂(138)。

10.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其中，所述传感器设备(110)具有Sigma-Delta-转换器，其中，所述方法具有非线性校正。

11.一种计算机程序，其设置用于实施根据以上权利要求中任一项所述的方法的每个步骤。

12.一种电子存储介质，在其上存储有根据以上权利要求所述的计算机程序。

13.一种电子控制设备，其包括根据以上权利要求所述的电子存储介质。