用于确定电导率传感器的电气故障的方法和电导率传感器

摘要

本发明涉及一种用于确定电导率传感器（100）的电气故障的方法，该电导率传感器用于根据电导率原理确定介质的电导率，并且涉及一种电导率传感器（100），该电导率传感器具有被设计成完全布置在介质中的第一电极对（110）。根据本发明的方法包括向第一电极对（110）施加AC电压，确定响应于向第一电极对（110）施加AC电压而在第一电极对（110）处产生的交流电流的时间分布，确定所确定的交流电流的时间分布的电流幅度特征值，以及如果所确定的电流幅度特征值低于第一电流阈值或高于第二电流阈值，则确定第一电极对（110）的电气故障。还可以确定电导率传感器的第二电极对（120）的电气故障。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定电导率传感器的电气故障的方法和电导率传感器，特别是一种用于确定电导率传感器的电气故障的方法和一种用于根据电导率原理捕获介质的电导率的电导率传感器，所述介质特别是液体介质，诸如，例如水。

背景技术

导电电导率传感器在广泛应用中用于测量介质的电导率。最著名的导电电导率传感器是众所周知的双电极或四电极传感器。

双电极传感器具有两个电极，这两个电极在测量操作期间浸入介质中，并被施加有DC或AC电压。连接到两个电极的测量电子器件测量电导率测量单元的电阻抗，然后由此基于由测量单元的几何形状和性质预先确定的单元常数来查明位于测量单元中的介质的比电阻或比电导率。

四电极传感器在测量操作期间使四个电极浸在介质中，其中两个作为所谓的电流电极来操作，并且其中两个作为所谓的电压电极来操作。在测量操作期间，在两个电流电极之间施加DC或AC电压，并且因此将DC或AC电流注入介质中。注入的电流在电压电极之间引起电位差，该电位差通过优选的无电流测量来确定。同样，在这种情况下，由注入的电流和测得的电势差产生的电导率测量单元的阻抗也通过连接到电流和电压电极的测量电子器件来确定，然后由此基于由测量单元的几何形状和性质预先确定的单元常数来确定位于测量单元中的介质的比电阻或比电导率。

EP 1089072A2公开了一种具有圆柱形外壳的电导率传感器，其中金属测量电极以平面方式安置在圆柱形外壳的圆形表面形状的端壁上。在这种情况下，金属测量电极形成两个电压电极和两个电流电极。电压电极被设计为圆形表面，并被两个基本上以半圆形安置的圆形或环形形式的电流电极包围。

从US 4227151A中已知一种用于测量和监测液体电导率的测量单元。该测量单元包括多个圆形电极，这些圆形电极彼此以一定距离交替设置并且彼此电绝缘。这里，至少四个同心的圆形电极安置在平面表面内或平面表面上，并且通过不导电材料的区域彼此分开。这里，四个电极的最内部是中空设计，以便容纳温度敏感元件。

从EP 0386660A1已知另一种电导率测量换能器。四个同心金属环作为用于电导率测量换能器的电极附接在绝缘材料制成的柱形支撑体的端面处。电极在这里与端面齐平。具有较大横截面的电极在这里被连接作为电流电极，而具有较低横截面的电极被用作电压电极。

从DE 102010042637A1还已知一种电导率传感器，其中同心安置的电极具有相等的恒定面积。

在从现有技术已知的电导率传感器中，通过提供附加的电路来检查电极的电路的正确功能是已知的。用于电压电极的附加电路可以设置在例如四电极传感器中。这里，每个电压电极经由电压元件连接到电压源。当电压电极的电气连接具有正确的功能时，产生小于预定电压阈值的电压。然而，在电压电极的电气连接中存在断开的情况下，电压上升最高达电压源的电压值的最大值，并超过预定的电压阈值。

发明内容

本发明基于这样的目的，即提供一种用于确定电导率传感器中的电气故障、特别是电导率传感器的至少一个电极对的电气故障的方法，该方法可以在电导率传感器的操作期间尽可能连续地执行，并且不需要用于该目的的附加电气元件。

这个目的通过如权利要求1所要求保护的方法和如权利要求8所要求保护的电导率传感器来实现。从属权利要求中给出了优选的配置。

本发明基本上基于这样的思想，即执行关于电导率传感器的正确功能能力的检查，而不需要电导率传感器中的附加电气元件，电导率传感器用于查明介质的电导率，所述介质诸如例如是用于在车辆的内燃机中进行注水的水。电导率传感器，其特别可以是四电极传感器，为此目的在其操作模式下操作，用于查明介质的电导率，其中在该操作模式期间，可以执行关于正确电导率的诊断，因为可以检查所述至少一对电极是否正在正确操作。特别地检查所述至少一个电极对是否短路和/或到所述至少一个电极对的供电线路中是否存在线路断开。这例如是通过评估由施加交流电压而产生的交流电流来查明的。

根据本发明的第一方面，相应地公开了一种用于确定电导率传感器中的电气故障的方法，该电导率传感器用于根据电导率原理来查明介质的电导率。电导率传感器具有第一电极对，该第一电极对被设计成完全安置在介质中。根据本发明的方法包括在第一电极对处施加交流电压，查明响应于在第一电极对处施加交流电压而产生的在第一电极对处的交流电流的时间分布，查明所查明的交流电流的时间分布的电流幅度特征值，以及如果所查明的电流幅度特征值低于第一预定电流阈值或高于第二预定电流阈值，则确定电导率传感器的电气故障。

根据本发明，在该电导率传感器的操作期间向该第一电极对施加交流电压在此进行，同时借助于该电导率传感器捕获该介质（特别是用于车辆的内燃机中的注水的水）的电导率。特别地，施加到第一电极对用于电导率传感器的操作的交流电压同时用于电导率传感器的功能能力的诊断，特别是第一电极对的功能能力的诊断。

确定第一电极对的电气故障优选地包括：如果所查明的电流幅度特征值高于第一预定电流阈值，则确定第一电极对的电极之间的短路。附加地或替代地，根据根据本发明的方法的一个优选实施例，确定第一电极对的电气故障包括：如果所查明的电流幅度特征值低于第二预定电流阈值，则确定到第一电极对的电极的供电线路中的一个中的断开。

特别地，本发明基于这样的事实，即在第一电极对的电极之间短路的情况下，由施加到第一电极对的交流电压产生的交流电流大于第一预定电流阈值，并且因此不能再确保介质的电导率的正确测量。与此相反，到第一电极对的电极的供电线路中的一个的断开具有的结果是，交流电流低于第二预定电流阈值，并且因此再次不能执行介质电导率的正确测量。在示例性配置中，当大约0.5 V的电压幅度被施加到第一电极对时，取决于杆电极的直径和杆电极彼此之间的距离，第一预定电流阈值大约为0.1 mA，且第二预定电流阈值大约为100 mA。针对两个电流阈值的这些值适用于例如直径约为6 mm、长度约为4 mm、且它们之间的距离约为8 mm的杆电极。

在根据本发明的方法的优选配置中，电流幅度特征值对应于交流电流的时间分布的幅度、均方根值或峰-峰值电流值。这里的峰-峰电流值描述了交流电流的正弦形状的时间分布的最大值和最小值之间的差，即，峰-谷值。

在根据本发明的方法的另一优选配置中，电导率传感器还包括第二电极对，该第二电极对被设计成完全安置在介质中。如果确立不存在第一电极对的电气故障，这意味着第一电极对正确工作并且可以被电驱动，则根据本发明的方法还包括在优选配置中查明作为施加在第一电极对处的交流电压的结果的第二电极对处的交流电压的时间分布，查明第二电极对处的所查明的交流电压的时间分布的电压幅度特征值，以及如果所查明的电压幅度特征值低于预定的电压阈值，则确定第二电极对的电气故障。

在这种优选的配置中，因此有可能确定第二电极对是否也正确工作，且因此完整的电导率传感器（优选被设计为四电极传感器）可以正确操作。对第二电极对的功能能力的检查当然直到第一电极对已经被诊断为具有功能上的能力才会发生。也就是说，只有通过向第一电极对施加交流电压，并由此在第一电极对处产生正确的交流电流，然后才能够在第二电极对处产生电势差，并且因此，也只有这样才能查明在第二电极对处到底是否存在电气故障。

在示例性配置中，具有施加在第一电极对处的电压幅度为大约0.5 V的预定电压阈值可以是大约0.1 V，这取决于杆电极的直径和杆电极彼此之间的距离。电压阈值的这个值适用于例如直径约为6 mm、长度约为4 mm、且它们之间的距离约为8 mm的杆电极。以有利的方式，电压幅度特征值对应于交流电压的时间分布的幅度、均方根值或峰-峰值电压值。这里的峰-峰电压值描述了在第二电极对处产生的交流电压的正弦形状的时间曲线的最大值和最小值之间的差值，即，峰-谷值。

在根据本发明的方法的优选配置中，确定第二电极对的电气故障包括查明施加在第一电极对处的交流电压和由此在第二电极对处产生的交流电压之间的相移，如果所查明的相移低于预定的相位阈值，则确定第二电极对的电极之间的短路，以及，如果所查明的相移高于预定的相位阈值，则确定到第二电极对的电极的供电线路中的一个中的断开。这里特别使用的事实是，在存在短路的情况下，在第一电极对处的时间电压分布和第二电极对处的时间电压分布之间几乎没有任何相移。相反，在线路断开的情况下，这种相移将会增加。

此外，根据本发明的另一个方面，公开了一种根据电导率原理捕获介质电导率的电导率传感器。根据本发明的电导率传感器包括被设计成完全安置在介质中的第一电极对、被设计成完全安置在介质中的第二电极对以及控制单元，该控制单元电气连接到第一电极对和第二电极对并被设计成根据根据本发明的方法执行用于确定电导率传感器的电气故障的方法。

附图说明

通过实践本文描述的教导并观察所附附图，本发明的进一步的优点和配置对于专家来说将会变得清楚，其中：

图1示出了根据本发明的具有第一电极对和第二电极对的电导率传感器的示意图，

图2示出了由施加到第一电极对的交流电压在第一电极对处产生的交流电流的时间分布，

图3示出了根据本发明的用于确定图1的电导率传感器的电气故障的方法的示例性流程图，以及

图4示出了根据本发明的用于确定图1的电导率传感器的电气故障的方法的优选配置的示例性流程图。

具体实施方式

在本公开的上下文中，术语“电气故障”是指电导率传感器在其电气部件、特别是其电极或到电极的供电线路方面的故障状态。例如，电气故障可以以电极之间的短路形式或到电极的供电线路中的断开形式存在。

图1示出了根据本发明的电导率传感器100的示意图。根据本发明的电导率传感器100被设计成查明安置在容器20中的介质10的电导率。该介质例如是水，其可以被注入，以用于注入到车辆内燃机的燃烧室中。替代地，该介质也可以是安置在尿素容器中的尿素水溶液，并被设计成注入到SCR催化转化器上游的废气道中。另外，该介质可以是酒精，诸如，例如乙醇，其被保存在酒精容器中并被设计成注入到车辆内燃机的燃烧室中。

根据本发明的电导率传感器100包括第一电极对110、第二电极对120和控制单元（图1中未明确图示），其电气连接到第一电极对110和第二电极对120，并被设计成操作第一电极对110和第二电极对120并评估相应的电信号。控制单元特别设计成执行根据本发明的方法，以用于确定电导率传感器100的电气故障，特别是第一电极对110和第二电极对120的电气故障，这将在下面参考图3和4更详细地解释。

图1的电导率传感器100被设计为所谓的四电极传感器。第一电极对110包括第一电极112和第二电极114，第一电极112和第二电极114在介质10中彼此相距预定距离安置。第一电极112和第二电极114各自通过供电线路118、119电气连接到电压源116，特别是交流电压源。

第二电极对120包括第三电极122和第四电极124，它们在介质10中彼此相距预定距离安置。第三电极122和第四电极124各自通过供电线路128、129电气连接到测量仪器128，特别是电压测量仪器。

如图1所示，第二电极对120的电极122、124安置在第一电极对110的电极112、114之间。此外，所有电极112、114、122、124被设计为杆电极，并且适合于完全浸入介质10中。替代地，还可能的是，如从电导率传感器、特别是四电极传感器的现有技术中已知的，电极还被设计为相对于彼此同心安置的柱形电极。特别地，根据本发明，预期的是，电极的形状和相对于彼此布置不限于图1所示的配置，而是可以选择电极的形状和布置，如从现有技术中已知的电导率传感器。

图1的电导率传感器100的测量原理是基于传导率原理，如从现有技术中是足够公知的。特别地，交流电压借助于交流电压源160施加到第一电极对110的电极112、114，并且然后查明由此产生的第一电极对的电极112、114处的交流电流。为了消除边界和表面效应，第二电极对120也用于考虑这些干扰效应，以便提高测量的准确度。为此目的，借助于测量仪器126来查明第二电极对120的电极122、124之间的呈交流电压形式的电势差。第二电极对120的电极122、124之间的电势差基于施加到第一电极对110的电极112、114的交流电压而产生。然后，可以从第二电极对的电极122、124和第一电极对的电极112、114处的交流电流之间的所查明的电势差来查明介质10的电阻，该交流电流是由施加到它们的交流电压所产生的。考虑到电极的几何尺寸，电导率然后可以被查明并被确定为介质电阻的倒数。

图2示出了由施加到第一电极对110的交流电压在第一电极对110处产生的交流电流的示例性时间分布。图2中交流电流的时间分布基本上是正弦曲线形。图2中的箭头22示出了交流电流的幅度，并且箭头24描述了一个振荡的交流电流的峰-峰电流值。幅度22或峰-峰电流值24可以如稍后参考图3更详细解释的那样用于检查电导率传感器的功能。替代地，可以使用正弦交流电流的均方根值。

图3示出了根据本发明的用于确定根据本发明的电导率传感器100的电气故障的方法的示例性流程图。根据本发明的方法优选地直到确定电导率传感器100的电极112、114、122、124完全定位在介质10中才被执行。这可以例如通过捕获容器20被介质10填充到的水平来完成。如果填充水平高于预定的填充水平阈值，则可以得出结论，电导率传感器100的电极112、114、122、124完全浸在介质10中。这同样适用于图4的方法，这将在下面进一步描述。

图3从步骤300开始，并且然后进行到步骤310，在步骤310中，如对于电导率传感器100的正确测量操作已知的，将交流电压施加到第一电极对110。在随后的步骤320中，如对于电导率传感器100的正确测量操作也是已知的，查明响应于在第一电极对110处施加交流电压而产生的在第一电极对110处的交流电流的时间分布（例如，参见图2的交流电流的时间分布）。

根据本发明，在随后的步骤330中，查明所查明的交流电流的时间分布的电流幅度特征值。例如，可以采用交流电流的时间分布的幅度22或峰-峰值电流值24（参见图2）。替代地，如前已经描述的，可以使用其均方根值。

在进一步的后续步骤340中，如果所查明的电流幅度特征值低于第一预定电流阈值或高于第二预定电流阈值，则确定第一电极对110的电气故障。

特别地，如果所查明的电流幅度特征值高于第一预定电流阈值，则可以确定第一电极对110的电极112、114之间的短路。特别地，在第一电极对110的电极112、114之间存在短路的情况下，将测量到具有高于平均幅度的电流值，然后可以将其识别为短路并解释为电导率传感器100的电气故障。

然而，如果所查明的电流幅度特征值低于第二预定电流阈值，则可以得出结论，到第一电极对110的电极112、114的供电线路118、119中的一者中存在断开。换句话说，这种断开具有这样的效果，即没有电流或者只有极低的电流可以在第一电极对110的电极112、114之间流动，并且因此施加在那里的交流电压不再能够被正确地施加。

根据本发明，还提供的是，在确定电导率传感器100的第一电极对110的正确功能能力之后，另外还检查电导率传感器的第二电极对120的功能能力。为此，图4示出了相应方法的示例性流程图。

图4开始于步骤400，且然后进行到步骤410，在该步骤中，执行根据图3的用于查明电导率传感器100的第一电极对110的功能能力的方法。在随后的步骤420中，查询电导率传感器100的第一电极对110的电气故障是否已经在图3的方法中得到确定。如果在步骤420中确定了第一电极对110的电气故障，则该方法进行到步骤490并结束。这是因为，只有在电导率传感器100的第一电极对110正确发挥功能的情况下，才可以检查电导率传感器100的第二电极对120的电气功能能力。

然而，如果在步骤420中确定电导率传感器100的第一电极对110中不存在电气故障，则图4的方法进行到步骤430，在步骤430中，查明由施加在第一电极对110处的交流电压产生的电导率传感器100的第二电极对120处的交流电压的时间分布，这也在电导率传感器100的正常测量操作中完成。

于是，在步骤440中，查明电导率传感器100的第二电极对120的交流电压的所查明的时间分布的电压幅度特征值。在随后的步骤450中，检查所查明的电压幅度特征值是否低于预定的电压阈值。如果在步骤450中确立所查明的电压幅度特征值大于预定电压阈值，则该方法进行到步骤460，在该步骤中，在该方法在步骤490处结束之前，电导率传感器100的第二电极对120被确定为在功能上有能力。

然而，如果在步骤450中确立所查明的电压幅度特征值小于预定电压阈值，则该方法进行到步骤470，在步骤470中，最初查明电导率传感器100的第二电极对120的电气故障。在随后的步骤480中，查明施加到电导率传感器100的第一电极对110的交流电压和作为结果在电导率传感器100的第二电极对120处发现的交流电压之间的相移。

如果在随后的步骤482中确定所查明的相移小于预定的相位阈值，则该方法进行到步骤484，在该步骤中，在该方法在步骤490处结束之前，确立在电导率传感器100的第二电极对120的电极122、124之间的短路。相位阈值例如约为10°。

然而，如果在步骤482中确定所查明的相移大于预定的相位阈值，则该方法进行到步骤486，在步骤486中，在该方法在步骤490处结束之前，确立到电导率传感器100的第二电极对120的电极122、124的供电线路128、128中的一者中的断开。

特别地，本发明在此利用了这样的事实，即在电导率传感器100的第二电极对120的电极122、124之间存在短路的情况下，在第一电极对110处的时间电压分布和第二电极对110处的时间电压分布之间几乎没有任何相移。相反，在线路断开的情况下，这种相移将会增加。

使用根据本发明的方法和根据本发明的电导率传感器100，有可能在电导率传感器100的操作期间连续地执行关于电导率传感器100的功能能力的诊断（诸如，例如OBD诊断），而这里不需要提供单独的电气部件和电路。此外，诊断可以在电导率传感器100的正在进行的操作期间进行，使得它不必为了诊断目的而被中断。