DE102010040821A1 - Method for determining a property of a gas in a measuring gas space - Google Patents

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Thomas Seiler
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung mindestens einer Gaskomponente in dem Gas. Mindestens ein Sensorelement (114) wird verwendet, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst. Aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) wird auf die Eigenschaft geschlossen. In mindestens einem Messschritt des Verfahrens wird die Pumpzelle (125) unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert betrieben. In mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens wird die Führungsgröße (148) verändert und eine Veränderung des Pumpstroms erfasst.A method is proposed for determining at least one property of a gas in a measurement gas space (112), in particular for detecting at least one gas component in the gas. At least one sensor element (114) is used, wherein the sensor element (114) has at least one pump cell (125) with at least one first electrode (120), at least one second electrode (124) and at least one of the first electrode (120) and the second electrode (124) connecting solid electrolyte (123). From a pumping current through the pumping cell (125) is closed on the property. In at least one measuring step of the method, the pumping cell (125) is controlled or controlled using at least one reference variable (148). In at least one control step of the method, the reference variable (148) is changed and a change in the pumping current is detected.

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Description

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften von Gasen in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen beschrieben unter Bezugnahme auf Vorrichtungen und Verfahren, welche mindestens ein Festelektrolytmaterial verwenden, also ein Material, welches ionenleitende Eigenschaften aufweist, beispielsweise ein keramisches Festelektrolytmaterial. Beispiele derartiger keramischer Festelektrolytmaterialien sind Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Beispiele von Vorrichtungen der genannten Art sind in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases kann es sich insbesondere um einen Anteil einer Gaskomponente des Gases handeln, welcher qualitativ und/oder quantitativ bestimmt werden kann. Insbesondere kann ein Sauerstoffanteil bestimmt werden. Der Anteil kann beispielsweise in Form eines Prozentsatzes und/oder in Form eines Partialdrucks angegeben werden. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Eigenschaften des Gases bestimmt werden, beispielsweise physikalische und/oder chemische Eigenschaften.Numerous different devices and methods for determining the properties of gases in a sample gas space are known from the prior art. In the following, the invention will be described essentially with reference to devices and methods which use at least one solid electrolyte material, that is to say a material which has ion-conducting properties, for example a ceramic solid electrolyte material. Examples of such ceramic solid electrolyte materials are yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and / or scandium-doped zirconia (ScSZ). Examples of devices of the type mentioned are in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, issue 2007, pages 154-159 described. The at least one property of the gas may in particular be a fraction of a gas component of the gas, which can be determined qualitatively and / or quantitatively. In particular, an oxygen content can be determined. The proportion can be given for example in the form of a percentage and / or in the form of a partial pressure. Alternatively or additionally, however, other properties of the gas can also be determined, for example physical and / or chemical properties.

Bei Vorrichtungen gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik, welche zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in einem Gas eingesetzt werden, die üblicherweise auch als Lambdasonden bezeichnet werden, existieren neben so genannten Sprungsonden auch sogenannte Breitband-Lambdasonden. Derartige Breitband-Lambdasonden existieren in einzelliger Ausgestaltung oder auch in mehrzelliger Ausgestaltung. Bei einzelligen Lambdasonden wird in der Regel eine in einen Messhohlraum eindiffundierende Menge an O2 und/oder Fettgas anhand eines Grenzstroms bestimmt, welcher sich durch die Zelle einstellt. Bei mehrzelligen Breitband-Lambdasonden, wie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 beschrieben, wird der Sauerstoffanteil anhand des zur Regelung einer Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der Pumpstrom ist zumindest näherungsweise proportional zum O2- oder Fettgas-Gehalt im Abgas. Die Messung der Hohlraumkonzentration erfolgt in der Regel anhand der Bestimmung einer Nernstspannung zwischen einer Nernstelektrode in dem Hohlraum und einer sauerstoffbespülten Referenzelektrode in einem Referenzraum. Aus dem Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, die Soll-Nernstspannung zu beeinflussen, beispielsweise dauerhaft abzusenken oder eine höhere Nernstspannung einzustellen. Aus DE 10 2005 056 515 A1 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei welchem eine Gaszusammensetzung bzw. eine Gasart eines einer Lambdasonde zugeführten Gases mittels einer modulierten Messgasänderung erkannt wird. Dabei wird durch periodische Anpassung der Luftzahl im Hohlraum der Lambdasonde die Empfindlichkeit der Sonde für verschiedene Gase periodisch geändert.In devices according to the above-described prior art, which are used to determine an oxygen content in a gas, which are also commonly referred to as lambda probes, in addition to so-called jump probes also so-called broadband lambda probes exist. Such broadband lambda probes exist in a single-cell configuration or in a multi-cell configuration. In the case of single-cell lambda probes, an amount of O 2 and / or fat gas diffusing into a measuring cavity is generally determined on the basis of a limiting current which is established by the cell. In multicellular broadband lambda probes, such as in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, issue 2007, pages 158-159 described, the oxygen content is measured using the necessary to control a cavity concentration on λ = 1 pumping current. The pumping current is at least approximately proportional to the O 2 or fat gas content in the exhaust gas. The measurement of the cavity concentration is usually based on the determination of a Nernst voltage between a Nernst electrode in the cavity and an oxygen-purged reference electrode in a reference space. From the prior art, it is generally known to influence the target Nernst voltage, for example to lower permanently or to set a higher Nernst voltage. Out DE 10 2005 056 515 A1 furthermore, a method is known in which a gas composition or a gas type of a gas supplied to a lambda probe is detected by means of a modulated measurement gas change. In this case, the sensitivity of the probe for various gases is periodically changed by periodically adjusting the air ratio in the cavity of the lambda probe.

Eine technische Herausforderung bekannter Vorrichtungen und Verfahren besteht jedoch grundsätzlich darin, dass es zu einer Passivierung der im Hohlraum angeordneten inneren Pumpelektrode kommen kann. Derartige Passivierungen können beispielsweise durch Chrom-Ablagerung und/oder durch Platin-Segregation hervorgerufen werden und/oder durch andere Prozesse, welche die Aktivität und/oder die Anzahl der Dreiphasenplätze an der Elektrode reduzieren können. In diesem Fall fällt bei einem bestimmten Pumpstrom Ip von der inneren Pumpelektrode (IPE) zur äußeren Pumpelektrode (APE) eine signifikante Durchtrittsüberspannung an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festelektrolyten ab. Dadurch kann die Soll-Nernstspannung, welche typischerweise bei 450 mV angesetzt wird, bereits bei kleineren Strömen erreicht sein als für die Einregelung von λ = 1 im Elektrodenhohlraum nötig wäre. Die Folge ist ein zu kleiner Pumpstrom, d. h. ein Absinken der Kennlinie Ip(λ).However, a technical challenge of known devices and methods basically consists in the fact that it can lead to a passivation of the inner pumping electrode arranged in the cavity. Such passivations may be caused, for example, by chromium deposition and / or by platinum segregation and / or by other processes which may reduce the activity and / or the number of three-phase sites on the electrode. In this case, at a certain pumping current I p from the inner pumping electrode (IPE) to the outer pumping electrode (APE), a significant overvoltage at the interface between the electrode and the solid electrolyte is lost. As a result, the nominal Nernst voltage, which is typically set at 450 mV, can already be achieved with smaller currents than would be necessary for the adjustment of λ = 1 in the electrode cavity. The result is too small a pumping current, ie a drop in the characteristic I p (λ).

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es werden dementsprechend ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorvorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Das Verfahren und die Sensorvorrichtung können insbesondere eingesetzt werden, um einen Anteil mindestens einer Gaskomponente in dem Gas qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen, beispielsweise einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck der Gaskomponente, bei welcher es sich insbesondere um Sauerstoff handeln kann.Accordingly, a method and a sensor device for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space are proposed, which at least largely avoid the disadvantages of known methods and sensor devices. The method and the sensor device can be used, in particular, to qualitatively and / or quantitatively detect a proportion of at least one gas component in the gas, for example a percentage and / or a partial pressure of the gas component, which in particular can be oxygen.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens ein Sensorelement verwendet, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten umfasst. Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können beispielsweise als Cermet-Elektroden ausgestaltet sein, beispielsweise als Platin-Cermet-Elektroden.In the proposed method, at least one sensor element is used, wherein the sensor element comprises at least one pump cell with at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. The first electrode and / or the second electrode may, for example, be designed as cermet electrodes, for example as platinum cermet electrodes.

Der Festelektrolyt kann grundsätzlich ein beliebiger Körper mit ionenleitenden Eigenschaften sein. Insbesondere kann es sich hierbei um einen Festkörper handeln. Grundsätzlich sind, alternativ oder zusätzlich zu einem Festkörper, jedoch auch Körper in einem anderen Aggregatzustand denkbar, beispielsweise flüssige Elektrolyte. insbesondere kann der Festelektrolyt ein keramischer Festelektrolyt sein oder einen keramischen Festelektrolyten umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Festelektrolyt jedoch auch ein oder mehrere andere Materialien mit ionenleitenden Eigenschaften umfassen, beispielsweise ein oder mehrere Polymere. Der Festelektrolyt kann beispielsweise ein auf eine Zirkoniumdioxid-Basis ausgestalteter Festelektrolyt sein, beispielsweise YSZ und/oder ScSZ.The solid electrolyte can basically be any body with ion-conducting properties. In particular, this may be a solid. In principle, however, as an alternative or in addition to a solid, but also Body in another state of aggregation conceivable, for example, liquid electrolytes. In particular, the solid electrolyte may be a ceramic solid electrolyte or may comprise a ceramic solid electrolyte. Alternatively or additionally, however, the solid electrolyte may also comprise one or more other materials having ion-conducting properties, for example one or more polymers. The solid electrolyte may be, for example, a zirconia-based solid electrolyte, for example YSZ and / or ScSZ.

Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle auf die Eigenschaft geschlossen wird, beispielsweise den Sauerstoffanteil in dem Messgasraum. Bei dem Messgasraum kann es sich insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln, und bei dem Gas um ein Abgas der Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen und/oder Einsatzzwecke sind jedoch grundsätzlich möglich.The method is carried out such that from a pumping current through the pumping cell is closed to the property, for example, the oxygen content in the sample gas space. In particular, the sample gas space may be an exhaust tract of an internal combustion engine, and the gas may be an exhaust gas of the internal combustion engine. However, other embodiments and / or purposes are in principle possible.

In mindestens einem Messschritt des Verfahrens wird die Pumpzelle unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße geregelt oder gesteuert betrieben. Insbesondere kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, die zweite Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Es kann beispielsweise eine Nernstspannung zwischen einer ebenfalls in dem Elektrodenhohlraum angeordneten Messelektrode, welche ganz oder teilweise bauteilidentisch mit der zweiten Elektrode ausgestaltet sein kann oder welche als separate Messelektrode ausgestaltet sein kann, und einer in einem Referenzgasraum, beispielsweise einem Referenzgaskanal, angeordneten Referenzelektrode erfasst und als Istwert verwendet werden. Dieser Istwert der Nernstspannung kann mit einem vorgegebenen Sollwert einer Nernstspannung als Führungsgröße verglichen werden, und der Pumpstrom durch die Pumpzelle kann derart eingestellt werden, dass eine Regeldifferenz zwischen dem Istwert und der Führungsgröße verschwindet. Für diese Verfahrensvariante kann beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 und die dort beschriebene Regelung einer Breitband-Lambdasonde verwiesen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Pumpzelle jedoch auch unter Verwendung anderer Regelgrößen, Steuergrößen oder Führungsgrößen geregelt und/oder gesteuert betrieben werden. Beispielsweise kann ein Pumpstrom durch die Pumpzelle auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden.In at least one measuring step of the method, the pumping cell is operated or controlled using at least one reference variable. In particular, as will be explained in more detail below, the second electrode may be arranged in an electrode cavity. For example, it is possible to detect a Nernst voltage between a measuring electrode which is likewise arranged in the electrode cavity and which may be configured as identical to the second electrode or which may be designed as a separate measuring electrode, and a reference electrode arranged in a reference gas space, for example a reference gas channel, and Actual value can be used. This actual value of the Nernst voltage can be compared with a predetermined nominal value of a Nernst voltage as a reference variable, and the pumping current through the pumping cell can be adjusted such that a control difference between the actual value and the reference variable disappears. For this process variant, for example, on Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, issue 2007, pages 158-159 and the regulation described there of a broadband lambda probe be referenced. Alternatively or additionally, however, the pumping cell can also be controlled and / or controlled using other controlled variables, control variables or reference variables. For example, a pumping current can be regulated by the pumping cell to a predetermined value.

Neben dem beschriebenen Messschritt, welcher einfach, mehrfach wiederholend oder auch über einen längeren Zeitraum hinweg durchgeführt werden kann, umfasst das Verfahren weiterhin mindestens einen Kontrollschritt, welcher ebenfalls einfach, mehrfach oder auch über einen längeren Zeitraum hinweg durchgeführt werden kann. Beispielsweise kann mindestens ein Kontrollschritt auf mindestens einen Messschritt folgen, woraufhin sich wieder ein zweiter Messschritt anschließen kann. Beispielsweise können Messschritt und Kontrollschritt abwechselnd durchgeführt werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.In addition to the described measurement step, which can be carried out simply, repeatedly or even over a longer period of time, the method furthermore comprises at least one control step, which can likewise be carried out simply, repeatedly or even over a relatively long period of time. For example, at least one control step can be followed by at least one measuring step, after which a second measuring step can again follow. For example, measuring step and control step can be carried out alternately. However, other embodiments are possible in principle.

In dem Kontrollschritt wird die Führungsgröße verändert. Diese Veränderung kann beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag erfolgen, beispielsweise indem eine Soll-Nernstspannung UN,Soll um beispielsweise einen vorgegebenen Betrag verändert, insbesondere erhöht, wird. Alternativ oder zusätzlich können auch eine Soll-Pumpspannung UP,Soll und/oder ein Soll-Pumpstrom UP,Soll verändert werden, beispielsweise ebenfalls um einen vorgegebenen Betrag, insbesondere erhöht werden.In the control step, the reference variable is changed. This change can take place, for example, by a predetermined amount, for example by a setpoint Nernst voltage U N, setpoint being changed by, for example, a predetermined amount, in particular increased. Alternatively or additionally, a desired pumping voltage U P, desired and / or a desired pumping current U P, desired can also be changed, for example likewise increased by a predetermined amount, in particular.

Die Veränderung der Führungsgröße kann einmalig oder mehrmalig erfolgen. Die Veränderung kann insbesondere auch wiederholt erfolgen, mit derselben Veränderung oder einer angepassten Veränderung. Insbesondere kann die Veränderung der Führungsgröße auch oszillierend erfolgen, beispielsweise periodisch oszillierend. Die Anpassung kann dann beispielsweise derart erfolgen, dass der Mittelwert der Oszillation der Führungsgröße derart eingestellt wird, beispielsweise durch eine Regelungseinrichtung, dass die resultierende Veränderung des Pumpstroms, beispielsweise die resultierende Pumpstrom-Amplitude oder Amplitude der Veränderung des Pumpstroms, einen vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise 20 μA, nicht überschreitet.The change in the reference variable can be done once or several times. In particular, the change can also be repeated, with the same change or an adapted change. In particular, the change in the reference variable can also be performed oscillating, for example periodically oscillating. The adaptation can then take place, for example, in such a way that the mean value of the oscillation of the reference variable is adjusted in such a way, for example by a regulating device, that the resulting change in the pumping current, for example the resulting pumping current amplitude or amplitude of the change in the pumping current, is a predetermined threshold value, for example 20 μA, does not exceed.

Weiterhin wird in dem Kontrollschritt eine Veränderung des Pumpstroms Ip durch die Pumpzelle erfasst. In anderen Worten kann die Veränderung des Pumpstroms in Reaktion auf die Veränderung der Führungsgröße erfasst werden. Diese Veränderung kann als absolute Veränderung oder auch in Form einer zeitlichen Entwicklung des Pumpstroms erfasst werden. Auch andere Möglichkeiten der Quantifizierung der Veränderung sind möglich, beispielsweise eine Erfassung einer Änderung über einen bestimmten Zeitraum hinweg.Furthermore, in the control step, a change of the pumping current I p is detected by the pumping cell. In other words, the change of the pumping current can be detected in response to the change of the command variable. This change can be detected as an absolute change or in the form of a temporal evolution of the pumping current. Other ways of quantifying the change are possible, such as detecting a change over a period of time.

Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass die Führungsgröße in dem Messschritt angepasst wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt. Beispielsweise kann in diesem Kontrollschritt abgefragt werden, ob der Pumpstrom mindestens einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, überschreitet oder unterschreitet. Beispielsweise kann abgefragt werden, ob der Pumpstrom oder eine daraus abgeleitete charakteristische Größe bzw. die Änderung des Pumpstroms oder deren Betrag kleiner sind als ein vorgegebener Schwellwert, kleiner oder gleich einem vorgegebenen Schwellwert sind, oder es können ähnliche Schwellwertbedingungen gestellt werden. Die Schwellwertbedingung kann insbesondere derart angepasst werden, dass eine im Rahmen üblicher Veränderungen des Sensorelements noch tolerierbare Veränderung des Pumpstroms die Schwellwertbedingung noch erfüllt, wohingegen Veränderungen, die auf eine starke Elektrodenpolarisation und/oder eine Verschmutzung der Elektroden und/oder eine Passivierung der Elektroden schließen lassen, insbesondere der ersten Elektrode, die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllen.In particular, the method can be carried out in such a way that the reference variable in the measuring step is adapted, in particular increased, if the change in the pumping current in the control step no longer satisfies at least one threshold condition. For example, in this control step it can be queried whether the pumping current reaches, exceeds or falls below at least a predetermined threshold value. For example, it is possible to query whether the pumping current or a characteristic variable derived therefrom or the change in the pumping current or whose magnitude is less than a predetermined threshold, less than or equal to a predetermined threshold, or similar threshold conditions may be set. In particular, the threshold condition can be adapted in such a way that a variation of the pump current which is still tolerable within the scope of customary changes of the sensor element still fulfills the threshold condition, whereas changes which indicate strong electrode polarization and / or contamination of the electrodes and / or passivation of the electrodes , in particular the first electrode, which no longer fulfill at least one threshold condition.

Insbesondere kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass eine On-Board-Kompensation einer Elektrodenpolarisation durchgeführt wird, beispielsweise in den oben beschriebenen Breitband-Lambdasonden mit mehreren Zellen. Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass eine Soll-Nernstspannung in dem Kontrollschritt, welcher auch als Testphase bezeichnet wird, um einen definierten Betrag, beispielsweise um 20 bis 400 mV, insbesondere um 100 bis 300 mV und besonders bevorzugt um 200 mV, kurzzeitig erhöht wird, beispielsweise um eine Zeitdauer von 0,5 bis 10 s, insbesondere eine Zeitdauer von 0,8 bis 2 s und besonders bevorzugt für eine Zeitdauer von 1 s. Falls dabei der Pumpstrom IP um mindestens einen Schwellwert oder um mehr als einen Schwellwert ansteigt, kann ein neuer Regel-Sollwert der Nernstspannung UN,Soll in einer Regelelektronik hinterlegt werden. Beispielsweise kann der Schwellwert 50 μA bis 400 μA betragen, insbesondere 100 μA bis 300 μA und besonders bevorzugt 200 μA. Der Regel-Sollwert der Nernstspannung kann beispielsweise um 20 mV bis 400 mV, insbesondere um 100 mV bis 300 mV und besonders bevorzugt um 200 mV angehoben werden.In particular, the method may be performed such that on-board compensation of electrode polarization is performed, for example, in the multi-cell broadband lambda probes described above. The method can be carried out in particular such that a nominal Nernst voltage in the control step, which is also referred to as the test phase, by a defined amount, for example by 20 to 400 mV, in particular by 100 to 300 mV and more preferably by 200 mV, briefly is increased, for example, a period of 0.5 to 10 s, in particular a period of 0.8 to 2 s and more preferably for a period of 1 s. If the pump current I P increases by at least one threshold value or by more than one threshold value, a new control setpoint value of the Nernst voltage U N, setpoint can be stored in a control electronics. By way of example, the threshold value can be 50 μA to 400 μA, in particular 100 μA to 300 μA, and particularly preferably 200 μA. The control setpoint of the Nernst voltage can be raised, for example, by 20 mV to 400 mV, in particular by 100 mV to 300 mV and particularly preferably by 200 mV.

Allgemein kann die Anpassung der Führungsgröße einfach oder auch iterativ erfolgen. Erfolgt eine iterative Anpassung, so kann beispielsweise die Führungsgröße so oft um einen oder mehrere vorgegebene Beträge, welche auch der Anzahl der Schritte angepasst werden können und/oder beispielsweise zunehmend kleiner gewählt werden können, erhöht oder erniedrigt werden, bis die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt die mindestens eine Schwellwertbedingung erfüllt.In general, the adjustment of the reference variable can be simple or iterative. If an iterative adaptation, for example, the reference variable can be increased or decreased so many times by one or more predetermined amounts, which can be adapted to the number of steps and / or, for example, increasingly smaller, until the change in the pumping current in the Control step that meets at least one threshold condition.

Wenn in dem Kontrollschritt erkannt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, so können, alternativ oder zusätzlich zu einer Veränderung der Führungsgröße oder einer Anpassung der Führungsgröße, auch eine oder mehrere weitere Maßnahmen ergriffen werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann beispielsweise, wenn festgestellt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, ein Regenerationsschritt eingeleitet werden. Derartige Regenerationsschritte können verschiedene Maßnahmen umfassen, welche die Veränderung einer oder mehrerer der Elektroden zumindest teilweise rückgängig machen. So kann ein Regenerationsschritt beispielsweise eine Pumpstromumkehr durch die Pumpzelle umfassen. Eine derartige Pumpstromumkehr kann beispielsweise für einen gewissen Zeitraum eingeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich kommen auch beispielsweise Temperaturerhöhungen oder andere Maßnahmen zur Regeneration einer oder mehrerer der Elektroden in Betracht, beispielsweise auch, indem das Sensorelement zeitweise einem fetten Abgas ausgesetzt wird.If it is detected in the control step that the change in the pumping current in the control step no longer fulfills the at least one threshold condition, one or more further measures can be taken, alternatively or in addition to a change in the reference variable or an adjustment of the reference variable. In a preferred embodiment of the method, for example, if it is determined that the change in the pumping current no longer satisfies the at least one threshold condition, a regeneration step can be initiated. Such regeneration steps may include various measures that at least partially reverse the change in one or more of the electrodes. For example, a regeneration step may include a pump flow reversal by the pump cell. Such pumping current reversal can be initiated for example for a certain period of time. Alternatively or additionally, for example, temperature increases or other measures for the regeneration of one or more of the electrodes come into consideration, for example, by the sensor element is temporarily exposed to a rich exhaust gas.

Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden oder beaufschlagbar sind. So kann das Sensorelement beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode unmittelbar oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Alternativ können die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode jedoch auch durch mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Messgasraum verbunden sein. So können die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode beispielsweise auf einer Oberfläche des Sensorelements angeordnet sein oder auch in einem Elektrodenhohlraum im Inneren des Sensorelements, welcher über die mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Messgasraum in Verbindung steht. Die mindestens eine Diffusionsbarriere kann beispielsweise die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode vor Verunreinigungen schützen und/oder einen Grenzstrom der Pumpzelle einstellen.The method can be carried out in particular such that the first electrode and / or the second electrode are acted upon with gas from the measurement gas space or can be acted upon. For example, the sensor element may be configured such that the first electrode and / or the second electrode are in communication with the measurement gas space directly or via a gas-permeable protective layer. Alternatively, however, the first electrode and / or the second electrode may also be connected to the measuring gas space by at least one diffusion barrier. Thus, the first electrode and / or the second electrode can be arranged, for example, on a surface of the sensor element or in an electrode cavity in the interior of the sensor element, which communicates with the measuring gas space via the at least one diffusion barrier. The at least one diffusion barrier can, for example, protect the first electrode and / or the second electrode from contamination and / or set a limiting current of the pump cell.

Alternativ oder zusätzlich können auch eine oder mehrere der Elektroden mit einem Referenzgasraum in Verbindung stehen. So kann beispielsweise die zweite Elektrode eine mit einem Referenzgasraum in Verbindung stehende Elektrode sein, während beispielsweise die erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein kann. Dementsprechend kann die zweite Elektrode beispielsweise unmittelbar in dem Referenzgasraum angeordnet sein oder mit diesem Referenzgasraum auf eine andere Weise in Verbindung stehen. Der Referenzgasraum ist dabei ein Gasraum, in welchem sich eine definierte Gasatmosphäre einstellen kann. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen abgeschlossenen Hohlraum handeln, welcher durch ein Pumpverfahren mit einer definierten Atmosphäre beaufschlagt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzgasraum jedoch auch mindestens einen Referenzgaskanal umfassen, beispielsweise einen Luftreferenzkanal, welcher beispielsweise mit einer Umgebung des Sensorelements verbunden sein kann, die beispielsweise von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein kann. Auf diese Weise kann sich beispielsweise in dem Referenzgasraum eine definierte Luftatmosphäre einstellen. Die vorgeschlagene Ausgestaltung, bei welcher die zweite Elektrode mit mindestens einem Referenzgasraum in Verbindung steht, kann insbesondere bei einem einzelligen Sensoraufbau verwendet werden. Auch andere Sensoraufbauten sind jedoch grundsätzlich möglich.Alternatively or additionally, one or more of the electrodes may be in communication with a reference gas space. For example, the second electrode may be an electrode in communication with a reference gas space, while, for example, the first electrode may be supplied with gas from the measurement gas space. Accordingly, the second electrode can for example be arranged directly in the reference gas space or communicate with this reference gas space in another way. The reference gas space is a gas space in which a defined gas atmosphere can be established. For example, this can be a closed cavity, which can be acted upon by a pumping process with a defined atmosphere. Alternatively or additionally, however, the reference gas space may also comprise at least one reference gas channel, for example one Air reference channel, which may for example be connected to an environment of the sensor element, which may be formed separately from the sample gas space, for example. In this way, for example, a defined air atmosphere can be established in the reference gas space. The proposed embodiment, in which the second electrode communicates with at least one reference gas space, can be used in particular in the case of a single-cell sensor structure. However, other sensor structures are basically possible.

Alternativ oder zusätzlich zu der Anordnung, bei welcher die zweite Elektrode in einem Referenzgasraum angeordnet ist, kann die zweite Elektrode oder mindestens eine der zweiten Elektroden (wenn mehrere zweite Elektroden vorgesehen sind) auch in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Dieser Elektrodenhohlraum kann beispielsweise durch den Festelektrolyten von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Elektrodenhohlraum als Hohlraum ausgestaltet sein, in welchem durch das oben beschriebene Steuer- oder Regelverfahren eine definierte Gasatmosphäre oder Gaszusammensetzung eingestellt werden soll, beispielsweise ein definierter Lambdawert. Zu diesem Zweck kann in dem Elektrodenhohlraum beispielsweise weiterhin mindestens eine Messelektrode angeordnet sein, beispielsweise mindestens eine Nernstelektrode. Diese mindestens eine Messelektrode kann ganz oder teilweise bauteilidentisch mit der zweiten Elektrode sein oder elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden sein, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt ist und wie es beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 beschrieben ist. Bei derartigen zweiten Elektroden, welche gleichzeitig als Pumpelektrode für eine Pumpzelle und als Nernstelektrode für eine Nernstspannungsmessung eingesetzt werden, macht sich die erfindungsgemäße Vermeidung bzw. der erfindungsgemäße Ausgleich der Elektrodenpolarisation besonders vorteilhaft bemerkbar. Alternativ kann die mindestens eine Messelektrode in dem Elektrodenhohlraum jedoch auch getrennt von der zweiten Elektrode ausgebildet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.As an alternative or in addition to the arrangement in which the second electrode is arranged in a reference gas space, the second electrode or at least one of the second electrodes (if a plurality of second electrodes are provided) can also be arranged in an electrode cavity. This electrode cavity can be formed, for example, separated from the sample gas space by the solid electrolyte. For example, the electrode cavity may be configured as a cavity in which a defined gas atmosphere or gas composition is to be set by the control or regulating method described above, for example a defined lambda value. For this purpose, for example, at least one measuring electrode, for example at least one Nernst electrode, can furthermore be arranged in the electrode cavity. This at least one measuring electrode may be wholly or partly identical to the component with the second electrode or electrically connected to the second electrode, which is particularly preferred in the context of the present invention and as for example in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, issue 2007, pages 158-159 is described. In the case of such second electrodes, which are used at the same time as a pumping electrode for a pumping cell and as a Nernst electrode for a Nernst voltage measurement, the avoidance according to the invention or the balancing of the electrode polarization according to the invention is particularly advantageously noticeable. Alternatively, however, the at least one measuring electrode in the electrode cavity may also be formed separately from the second electrode. Other embodiments are possible.

Die Pumpzelle kann in dem Messschritt insbesondere in einem Grenzstrombetrieb betrieben werden. Unter einem Grenzstrom ist dabei der Sättigungsstrom bei einer bestimmten Zusammensetzung des Gases zu verstehen, welcher sich in der Pumpstrom-Spannungs-Kennlinie einstellt. Die Pumpspannung kann insbesondere derart gewählt werden, dass der Pumpstrom sich im Sättigungsbereich befindet, wie dies bei vielen Breitbandsonden üblich ist.The pumping cell can be operated in the measuring step, in particular in a limiting current operation. Under a limiting current is to be understood as the saturation current at a certain composition of the gas, which sets in the pumping current-voltage characteristic. The pumping voltage can in particular be selected such that the pumping current is in the saturation region, as is common in many broadband probes.

Die Führungsgröße kann, wie oben beschrieben, auf verschiedene Weisen ausgestaltet werden. Insbesondere kann die Führungsgröße mindestens einen Sollwert eines Potenzials und/oder einer Spannung an der zweiten Elektrode umfassen. Wie oben beschrieben, kann insbesondere eine Soll-Nernstspannung als Führungsgröße vorgegeben werden, welche beispielsweise zwischen der zweiten Elektrode und einer Referenzelektrode, welche beispielsweise in einem Referenzgasraum an der oben beschriebenen Art angeordnet sein kann, gemessen wird.The command variable can, as described above, be configured in various ways. In particular, the reference variable may comprise at least one desired value of a potential and / or a voltage at the second electrode. As described above, in particular a desired Nernst voltage can be specified as a reference variable, which is measured, for example, between the second electrode and a reference electrode, which can be arranged, for example, in a reference gas space in the manner described above.

Die erste Elektrode kann insbesondere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden, wie oben ausgeführt. Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine Referenzelektrode in mindestens einem Referenzgasraum umfassen, wobei eine Nernstspannung UN zwischen der zweiten Elektrode und der Referenzelektrode erfasst werden kann. In dem Messschritt kann, wie oben ausgeführt, insbesondere der Pumpstrom durch die Pumpzelle unter Verwendung einer Soll-Nernstspannung UN,Soll als Führungsgröße geregelt werden. In dem Kontrollschritt kann dabei, wie oben ausgeführt, insbesondere die Soll-Nernstspannung UN,Soll um einen Wert ΔUN,Soll verändert werden, insbesondere erhöht werden, wobei die Änderung ΔIP des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird. Die Soll-Nernststpannung kann beispielsweise verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderung ΔIP den Schwellwert erreicht oder überschreitet. Beispielsweise kann die Soll-Nernstspannung UN,Soll um einen oder mehrere vorgegebene Beträge verändert werden, wobei die Beträge fest vorgegeben werden können oder auch beispielsweise an die Iteration des Verfahrens angepasst werden können, beispielsweise iterativ kleiner gewählt werden können, wenn sich die Änderung ΔIP des Pumpstroms dem Schwellwert nähert.The first electrode can in particular be charged with gas from the measuring gas space, as stated above. The sensor element can furthermore comprise at least one reference electrode in at least one reference gas space, wherein a Nernst voltage U N between the second electrode and the reference electrode can be detected. In the measuring step, as stated above, in particular the pumping current through the pumping cell can be regulated by using a nominal Nernst voltage U N, nominal as a reference variable. In the control step can, as stated above, in particular the target Nernst voltage U N, target by a value .DELTA.U N, to be changed, in particular be increased, wherein the change .DELTA.I P of the pump current is detected and compared with at least one threshold. The nominal Nernststpannung can for example be changed, in particular be increased when the change .DELTA.I P reaches or exceeds the threshold. For example, the desired Nernst voltage U N, Soll by one or more predetermined amounts are changed, the amounts can be fixed or can for example be adapted to the iteration of the process, for example, iteratively smaller can be selected when the change .DELTA.I P of the pump current approaches the threshold.

Alternativ oder zusätzlich kann die Führungsgröße auch eine Pumpspannung UP umfassen, beispielsweise eine Soll-Pumpspannung. In dem Kontrollschritt kann diese Pumpspannung um einen Wert ΔUP verändert werden, wobei die Änderung ΔIP des Pumpstroms als Reaktion auf diese Änderung der Pumpspannung erfasst werden kann und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden kann. In dem Messschritt kann dann die Pumpspannung verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderung ΔIP den Schwellwert mindestens erreicht oder überschreitet. Auf diese Weise können beispielsweise einzellige Sensorelemente mit dem vorgeschlagenen Verfahren betrieben werden.Alternatively or additionally, the reference variable may also include a pump voltage U P , for example a desired pump voltage. In the control step, this pumping voltage can be changed by a value ΔU P , wherein the change ΔI P of the pumping current can be detected in response to this change in the pumping voltage and compared with at least one threshold value. In the measuring step, the pumping voltage can then be changed, in particular increased, if the change ΔI P at least reaches or exceeds the threshold value. In this way, for example, unicellular sensor elements can be operated with the proposed method.

Alternativ oder zusätzlich kann die Führungsgröße auch einen Pumpstrom Ip umfassen. In dem Kontrollschritt kann der Pumpstrom um einen Wert ΔIp verändert werden. Dabei können eine Änderung ΔUp einer Pumpspannung und/oder eine Änderung ΔUN einer Nernstspannung erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Für ein intaktes Sensorelement kann beispielsweise gefordert werden, dass das resultierende ΔUp bzw. ΔUN den Schwellwert überschreitet oder nicht unterschreitet. Beispielsweise kann in dem Messschritt der Pumpstrom verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderungen ΔUp bzw. ΔUN den Schwellwert überschreiten oder nicht unterschreiten.Alternatively or additionally, the reference variable may also include a pumping current I p . In the control step, the pumping current can be changed by a value ΔI p . This can be a Change .DELTA.U p of a pump voltage and / or a change .DELTA.U N of a Nernst voltage detected and compared with at least one threshold. For an intact sensor element, for example, it may be required that the resulting ΔU p or ΔU N exceeds or does not fall below the threshold value. For example, in the measuring step, the pumping current can be changed, in particular increased, if the changes ΔU p or ΔU N exceed or do not fall below the threshold value.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche insbesondere eingerichtet sein kann, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen. Dementsprechend kann für mögliche Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung auf die obige Beschreibung des vorgeschlagenen Verfahrens verwiesen werden. Die Sensorvorrichtung kann entsprechende Vorrichtungen umfassen, um einen, mehrere oder alle der Teilschritte des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, insbesondere mindestens ein keramisches Sensorelement. Das Sensorelement umfasst mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mit mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Für weitere mögliche Ausgestaltungen des Sensorelements kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene oder zumindest verbindbare Steuerung. Die Steuerung kann zentral oder auch dezentral eingerichtet sein und kann beispielsweise eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen. Die Steuerung kann auch ganz oder teilweise in eine zentrale Motorsteuerung integriert sein oder auch ganz oder teilweise in das Sensorelement und/oder einen Stecker integriert sein.In a further aspect of the present invention, a sensor device is proposed for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space, which in particular can be set up to carry out a method according to one or more of the embodiments described above. Accordingly, for possible embodiments of the sensor device, reference may be made to the above description of the proposed method. The sensor device may include corresponding devices to perform one, several or all of the substeps of the method described above. The sensor device comprises at least one sensor element, in particular at least one ceramic sensor element. The sensor element comprises at least one pump cell having at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. For further possible embodiments of the sensor element, reference may be made to the above description. The sensor device further comprises at least one controller connected to the sensor element or at least connectable. The controller can be set up centrally or else decentrally and can include, for example, one or more data processing devices. The control can also be completely or partially integrated in a central motor control or also be integrated in whole or in part in the sensor element and / or a plug.

Die Steuerung ist eingerichtet, um aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle auf die Eigenschaft zu schließen. Beispielsweise kann die Steuerung zu diesem Zweck mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsquelle und/oder Stromquelle, um die Pumpzelle mit mindestens einer Pumpspannung und/oder mindestens einem Pumpstrom zu beaufschlagen. Beispielsweise kann aus dem Pumpstrom dann auf die Gaszusammensetzung, beispielsweise den Anteil des Gases der Gaskomponente in dem Messgasraum, geschlossen werden, beispielsweise einen Sauerstoffanteil. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise weiterhin mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Strommessvorrichtung und/oder eine Spannungsmessvorrichtung, beispielsweise um den Pumpstrom durch die Pumpzelle zu messen. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße geregelt oder gesteuert zu betreiben. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise mindestens eine Spannungsregelung und/oder mindestens eine Stromregelung und/oder mindestens eine Spannungssteuerung und/oder mindestens eine Stromsteuerung umfassen, welche beispielsweise mit der Pumpzelle verbunden sein können. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um in mindestens einem Kontrollschritt die Führungsgröße zu verändern und eine Veränderung des Pumpstroms zu erfassen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Steuerung programmtechnisch eingerichtet sein, um den Kontrollschritt durchzuführen und die entsprechenden Veränderungen bzw. Messungen vorzunehmen. Zur Vornahme der Messungen kann die Steuerung beispielsweise, wie oben ausgeführt, mindestens eine Messvorrichtung umfassen.The controller is arranged to close the property from pumping current through the pumping cell. For example, the controller may for this purpose comprise at least one application device, for example at least one voltage source and / or current source, in order to apply at least one pumping voltage and / or at least one pumping current to the pumping cell. For example, from the pumping current to the gas composition, for example, the proportion of the gas of the gas component in the measuring gas space, be closed, for example, an oxygen content. For this purpose, the controller may, for example, further comprise at least one measuring device, for example at least one current measuring device and / or a voltage measuring device, for example in order to measure the pumping current through the pumping cell. The controller is furthermore set up to operate or control the pumping cell in at least one measuring step using at least one reference variable. For this purpose, the controller may comprise, for example, at least one voltage regulation and / or at least one current regulation and / or at least one voltage control and / or at least one current control, which may be connected to the pump cell, for example. The controller is further configured to change the reference variable in at least one control step and to detect a change in the pumping current. For this purpose, for example, the controller can be set up in terms of programming in order to carry out the checking step and to carry out the corresponding changes or measurements. To carry out the measurements, the controller can, for example, comprise at least one measuring device, as stated above.

Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensorvorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. So können diese insbesondere für eine zuverlässige On-Board-Kompensation einer Veränderung einer oder mehrerer der Elektroden des Sensorelements eingesetzt werden. Auf diese Weise kann zuverlässig eine Messwertveränderung und/oder eine Signalverfälschung, welche alterungsbedingt auftreten kann, verhindert oder zumindest vermindert werden.The proposed method and the proposed sensor device have numerous advantages over known methods and devices. Thus, these can be used in particular for reliable on-board compensation of a change in one or more of the electrodes of the sensor element. In this way it is possible to reliably prevent or at least reduce a change in the measured value and / or a signal distortion which can occur as a result of aging.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche in den Figuren exemplarisch dargestellt sind, erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.Exemplary embodiments of the invention, which are illustrated by way of example in the figures, are explained below. The invention is not limited to the embodiments.

Im Einzelnen zeigen:In detail show:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; 1 an embodiment of a sensor device according to the invention;

2 Pumpstrom-Pumpspannungs-Kennlinien und Nernstspannungs-Pumpspannungs-Kennlinien für verschiedene Sensorelemente; und 2 Pump current-pump voltage characteristics and Nernstspannungs-pump voltage characteristics for various sensor elements; and

3 Pumpstrom-Soll-Nernstspannungs-Kennlinien für ordnungsgemäße Sensorelemente und für Sensorelemente mit Elektrodenpolarisation. 3 Pump current setpoint Nernst voltage characteristic curves for proper sensor elements and for sensor elements with electrode polarization.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt. Insbesondere kann ein Sauerstoffanteil in dem Messgasraum 112 bestimmt werden. Die Sensorvorrichtung 110 umfasst ein Sensorelement 114 und eine mit dem Sensorelement 114 über eine Schnittstelle und/oder eine andere Verbindung 116 verbundene Steuerung 118.In 1 is an example of an embodiment of a sensor device according to the invention 110 for detecting at least one property of a gas in a sample gas space 112 shown. In particular, an oxygen content in the sample gas space 112 be determined. The sensor device 110 includes a sensor element 114 and one with the sensor element 114 via an interface and / or another connection 116 connected control 118 ,

Das Sensorelement 114 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Elektrode 120, welche im Folgenden auch als APE bezeichnet wird (äußere Pumpelektrode) und welche auf einer Außenseite des Sensorelements angeordnet sein kann. Die erste Elektrode 120 kann beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht 122 von dem Messgasraum 112 getrennt sein. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 eine zweite Elektrode 124, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnet ist und welche dementsprechend auch als innere Pumpelektrode (IPE) bezeichnet werden kann. Der Elektrodenhohlraum 126 steht über ein Gaszutrittsloch 128 und eine Diffusionsbarriere 130, welche eine Nachdiffusion von Sauerstoff und/oder Gas begrenzt, mit dem Messgasraum 112 in Verbindung und ist somit mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die zweite Elektrode 124 ist mit der ersten Elektrode 120 über einen Festelektrolyten 123 verbunden. Die erste Elektrode 120, der Festelektrolyt 123 und die zweite Elektrode 124 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 125. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine dritte Elektrode 132, welche auch als Referenzelektrode (RE) bezeichnet wird und welche in einem Referenzgasraum 134 angeordnet ist. Der Referenzgasraum 134, welcher offen ausgestaltet sein kann oder welcher auch ganz oder teilweise, wie in 1 dargestellt, mit einem gasdurchlässigen, porösen Material 136 gefüllt sein kann, kann beispielsweise als Referenzgaskanal 138 ausgestaltet sein, beispielsweise als Luftreferenzkanal. Die zweite Elektrode 124, der Festelektrolyt 123 und die dritte Elektrode 132 bilden gemeinsam eine Nernstzelle 139.The sensor element 114 includes in the illustrated embodiment, a first electrode 120 , which is also referred to below as APE (outer pumping electrode) and which may be arranged on an outer side of the sensor element. The first electrode 120 For example, by a gas-permeable protective layer 122 from the sample gas space 112 be separated. Furthermore, the sensor element comprises 114 a second electrode 124 , which in the illustrated embodiment in an electrode cavity 126 is arranged and which accordingly can also be referred to as inner pumping electrode (IPE). The electrode cavity 126 is over a gas access hole 128 and a diffusion barrier 130 , which limits a Nachdiffusion of oxygen and / or gas, with the sample gas space 112 in conjunction and is thus acted upon with gas from the sample gas space. The second electrode 124 is with the first electrode 120 over a solid electrolyte 123 connected. The first electrode 120 , the solid electrolyte 123 and the second electrode 124 together form a pump cell 125 , Furthermore, the sensor element comprises 114 in the illustrated embodiment, a third electrode 132 , which is also referred to as a reference electrode (RE) and which in a reference gas space 134 is arranged. The reference gas space 134 , which may be open or which may be wholly or partially, as in 1 represented with a gas-permeable, porous material 136 can be filled, for example, as a reference gas channel 138 be configured, for example, as an air reference channel. The second electrode 124 , the solid electrolyte 123 and the third electrode 132 together form a Nernst cell 139 ,

Die Schnittstelle 116 umfasst vorzugsweise Elektrodenzuleitungen 140, 142 und 144 zur ersten Elektrode 120, zur zweiten Elektrode 124 und zur dritten Elektrode 132. Die Steuerung 118 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Regelvorrichtung 146. Über die Regelvorrichtung 146 kann eine Nernstspannung zwischen der IPE 124 und der RE 132 auf eine Soll-Nernstspannung UN,Soll als Führungsgröße 148 eingestellt oder eingeregelt werden. Beispielsweise kann die Steuerung 118 zu diesem Zweck eine einstellbare Spannungsquelle 150 zur Vorgabe der Soll-Nernstspannung umfassen. Beispielsweise können ein Ende der Spannungsquelle 150 und die Elektrodenzuleitung 142 der zweiten Elektrode 124 auf elektrische Masse 152 geschaltet sein, so dass die über die Elektrodenzuleitung 144 der dritten Elektrode 132 bereitgestellte Nernstspannung UN (Istwert) und die Soll-Nernstspannung UN,Soll (Sollwert) in einer Vergleichsvorrichtung 154 (beispielsweise einem Komparator) miteinander verglichen werden können, um aus einer Regeldifferenz eine Steuergröße und/oder Stellgröße 156 in Form einer Pumpspannung UP und/oder eines Pumpstroms IP zu generieren, mit welchen wiederum die APE 120 beaufschlagt wird, um eine der Führungsgröße 148 entsprechende Atmosphäre in dem Elektrodenhohlraum 126 einzustellen.the interface 116 preferably includes electrode leads 140 . 142 and 144 to the first electrode 120 , to the second electrode 124 and to the third electrode 132 , The control 118 includes in the illustrated embodiment, a control device 146 , About the control device 146 can be a Nernst voltage between the IPE 124 and the RE 132 to a target Nernst voltage U N, target as a reference variable 148 be set or adjusted. For example, the controller 118 for this purpose an adjustable voltage source 150 to specify the target Nernstspannung. For example, one end of the voltage source 150 and the electrode lead 142 the second electrode 124 on electrical ground 152 be switched so that the via the electrode lead 144 the third electrode 132 provided Nernst voltage U N (actual value) and the target Nernst voltage U N, target (setpoint) in a comparison device 154 (For example, a comparator) can be compared with each other to a control difference from a control variable and / or manipulated variable 156 in the form of a pump voltage U P and / or a pump current I P to generate, with which in turn the APE 120 is applied to one of the reference variable 148 corresponding atmosphere in the electrode cavity 126 adjust.

Die Vorgabe der Führungsgröße 148 kann beispielsweise durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung 158 in der Steuerung 118 erfolgen, welche beispielsweise die einstellbare Spannungsquelle 150 beeinflusst und/oder diese ganz oder teilweise beinhalten kann. Weiterhin kann die Steuerung 118 eine oder mehrere Messvorrichtungen 160 umfassen, welche beispielsweise den Pumpstrom IP und/oder die Pumpspannung UP erfassen können. Die Messwerte dieser Messvorrichtung 160 können beispielsweise an die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Messvorrichtung 160 auch ganz oder teilweise in die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 integriert sein. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 kann beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Verfahrensvarianten durchzuführen. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 kann beispielsweise einen Mikrocontroller umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 118 auch ganz oder teilweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgestaltet sein. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind möglich.The specification of the reference variable 148 For example, by a data processing device 158 in the controller 118 done, which, for example, the adjustable voltage source 150 influenced and / or may include them in whole or in part. Furthermore, the controller 118 one or more measuring devices 160 include, for example, the pumping current I P and / or the pumping voltage U P can detect. The measured values of this measuring device 160 For example, to the data processing device 158 to be provided. Alternatively or additionally, the measuring device 160 also completely or partially in the data processing device 158 be integrated. The data processing device 158 For example, it may be program-technically configured to perform a method according to one or more of the method variants described above. The data processing device 158 For example, it may include a microcontroller. Alternatively or additionally, the controller 118 also be designed in whole or in part as an application-specific integrated circuit (ASIC). Various other configurations are possible.

Anhand der 2 und 3 soll die Problematik herkömmlicher Vorrichtungen 110 und Verfahren erläutert werden. Bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen 110 der beschriebenen Art, welche nicht eingerichtet sind, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wird der Regelsollwert der Nernstspannung UN,Soll in der Regel fest vorgegeben. Dieser dient dazu, eine Hohlraum-Konzentration von λ = 1 in dem Elektrodenhohlraum 126 einzustellen bzw. einzuregeln. Bei typischen Sensorvorrichtungen beträgt der Regelsollwert über die gesamte Lebensdauer der Sensorvorrichtung 110 hinweg typischerweise 450 mV. Dies führt jedoch, wie anhand der 2 beschrieben werden soll, insbesondere in Sensorelementen 114, bei welchen die zweite Elektrode 124 gleichzeitig für eine Pumpstrommessung und für eine Nernstspannungsmessung verwendet wird, zu Alterungseffekten, die sich auf die Messung auswirken. So kann es über die Lebensdauer zu einer Passivierung der im Elektrodenhohlraum 126 angeordneten inneren Pumpelektrode 124 kommen, beispielsweise durch Chrom-Ablagerung oder durch Platin-Segregation oder durch andere Prozesse, die die Aktivität und/oder die Anzahl der Dreiphasenplätze an der Elektrode 124 reduzieren können. In diesem Fall fällt bei einem bestimmten Pumpstrom IP von der IPE 124 zur äußeren Pumpelektrode 120 eine signifikante Durchtrittsüberspannung an der Grenzfläche IPE 124/Festelektrolyt 123 ab. Dadurch kann die Soll-Nernstspannung UN,Soll von beispielsweise 450 mV bereits bei kleineren Strömen erreicht sein als für die Einregelung von λ = 1 im Elektrodenhohlraum 126 nötig wäre. Die Folge ist ein zu kleiner Pumpstrom IP, d. h. ein Absinken der Kennlinie IP(λ).Based on 2 and 3 should the problem of conventional devices 110 and methods are explained. In conventional sensor devices 110 Of the described type, which are not set up to perform a method according to the invention, the control setpoint of the Nernst voltage U N, target is usually fixed. This serves to provide a void concentration of λ = 1 in the electrode cavity 126 adjust or regulate. For typical sensor devices, the control setpoint is over the life of the sensor device 110 typically 450 mV. However, this leads, as based on the 2 should be described, especially in sensor elements 114 in which the second electrode 124 used simultaneously for a pump current measurement and for a Nernst voltage measurement, to aging effects, which affect the measurement. So it can over the lifetime lead to a passivation of the electrode cavity 126 arranged inner pumping electrode 124 For example, by chromium deposition or by platinum segregation or by other processes, the activity and / or the number of three-phase sites the electrode 124 can reduce. In this case IP falls from the IPE at a given pumping current 124 to the outer pumping electrode 120 a significant overvoltage at the interface IPE 124 / Solid electrolyte 123 from. As a result, the setpoint Nernst voltage U N, setpoint of, for example, 450 mV can already be achieved with smaller currents than for the regulation of λ = 1 in the electrode cavity 126 would be necessary. The result is too small a pumping current I P , ie a drop in the characteristic I P (λ).

In 2 ist auf der horizontalen Achse die Pumpspannung UP an der Pumpzelle 125 aufgetragen. Auf der linken vertikalen Achse ist der Pumpstrom IP aufgetragen. Die Kurve 162, welche dieser linken vertikalen Achse zugeordnet ist, bezeichnet eine Pumpstrom-Pumpspannungs-Kennlinie eines intakten Sensorelements 114, bei welchem noch keine Elektrodenpolarisation an der zweiten Elektrode 124 aufgetreten ist. Die gestrichelt dargestellte Kurve 164 bezeichnet hingegen einen Pumpstrom eines polarisierenden Sensorelements 114, also eines Sensorelements 114, bei welchem an der zweiten Elektrode 124 die oben beschriebenen Polarisationseffekte aufgetreten sind. Es ist zu erkennen, dass diese Kurve erheblich flacher verläuft und sich später dem Sättigungspumpstrom IS nähert.In 2 is the pump voltage U P on the horizontal axis on the pumping cell 125 applied. On the left vertical axis of the pumping current I P is plotted. The curve 162 , which is assigned to this left vertical axis, denotes a pumping current-pumping voltage characteristic of an intact sensor element 114 in which there is still no electrode polarization at the second electrode 124 occured. The dashed curve 164 on the other hand, denotes a pumping current of a polarizing sensor element 114 , So a sensor element 114 in which at the second electrode 124 the polarization effects described above have occurred. It can be seen that this curve is considerably flatter and later approaches the saturation pump current I S.

Weiterhin sind in 2 auf der rechten vertikalen Achse die Nernstspannungen UN als Funktion der Pumpspannung UP aufgetragen. Wiederum bezeichnet die durchgezogene Kurve 166 eine Nernstspannung eines intakten Sensorelements 114, wohingegen die gestrichelt dargestellte Kurve 168 eine Nernstspannung eines polarisierenden Sensorelements 114 bezeichnet, also eines Sensorelements 114, bei welchem die zweite Elektrode 124 die oben beschriebenen Polarisationseffekte aufweist. Ausgehend von diesen Kurven 166, 168 lässt sich der oben skizzierte Effekt beschreiben. Typischerweise wird bei Sensorvorrichtungen 110 der in 1 beschriebenen Art die Nernstspannung auf einen Wert UN,Soll von 450 mV eingestellt, was bei einem intakten Sensorelement 114 der Pumpspannung UP,1 entspricht. Wie aus 2 erkennbar, ist die Pumpstrom-Kennlinie 162 eines derartigen intakten Sensorelements 114 bei dieser Pumpspannung UP,1 bereits im Sättigungsbereich und weist zumindest näherungsweise den Wert IS auf. Bei einem polarisierenden Sensorelement 114 hingegen fällt an der polarisierenden zweiten Elektrode 124, welche sowohl als Elektrode für die Pumpstrommessung durch die Pumpzelle 125 als auch als Nernstelektrode für die Nernstzelle 139 verwendet wird, eine hohe Spannung an dem Durchtrittswiderstand ab, welche sich zu der Nernstspannung addiert. Hierdurch erreicht die effektiv gemessene Spannung UN an der Elektrodenzuleitung 144 in 1 bereits bei kleineren Pumpströmen IP den Wert UN,Soll von 450 mV. In 2 ist dies dadurch verdeutlicht, dass die Nernstspannungs-Kurve 168 des polarisierenden Sensorelements 114 erheblich früher ansteigt als die Nernstspannungskurve 166 des intakten Sensorelements 114. Dementsprechend erreicht die Kurve 168 bereits bei einer erheblich kleineren Pumpspannung UP,2 den Wert von 450 mV. Bei dieser Pumpspannung UP,2 ist die Pumpstrom-Kennlinie 164 des polarisierenden Sensorelements 114 jedoch noch nicht in Sättigung, sondern bei einem Wert IP*, bei welchem die Pumpstrom-Kennlinie noch stark ansteigt. Während für ein intaktes Sensorelement 114 somit im Wesentlichen gilt:

Figure 00150001
gilt für ein polarisierendes Sensorelement 114 mit den Kurven 164, 168:
Figure 00150002
In anderen Worten hängt bei einem intakten Sensorelement 114 der sich einstellende Pumpstrom IP kaum von der Führungsgröße UN,Soll ab, während bei polarisierenden Sensorelementen 114 ein starker Anstieg des Pumpstroms IP mit der Führungsgröße UN,Soll zu verzeichnen ist. Dies ist in 3 gezeigt. Hier bezeichnet die Kurve 170 den Pumpstrom IP eines intakten Sensorelements als Funktion der Führungsgröße UN,Soll, wohingegen die Kurve 172 den Pumpstrom eines polarisierenden Sensorelements 114 bezeichnet.Furthermore, in 2 on the right vertical axis, the Nernst voltages U N plotted as a function of the pumping voltage U P. Again, the solid curve indicates 166 a Nernst voltage of an intact sensor element 114 whereas the dashed curve shows 168 a Nernst voltage of a polarizing sensor element 114 denotes, that is, a sensor element 114 in which the second electrode 124 having the polarization effects described above. Starting from these curves 166 . 168 can describe the effect outlined above. Typically, in sensor devices 110 the in 1 described type the Nernst voltage to a value U N, set by 450 mV, which is an intact sensor element 114 the pump voltage U P, 1 corresponds. How out 2 recognizable, is the pumping current characteristic 162 such an intact sensor element 114 at this pumping voltage U P, 1 already in the saturation region and has at least approximately the value I S on. In a polarizing sensor element 114 on the other hand, it falls on the polarizing second electrode 124 , which both as an electrode for the pumping current measurement by the pumping cell 125 as well as Nernst electrode for the Nernst cell 139 is used, a high voltage at the passage resistance, which adds to the Nernst voltage. As a result, the effectively measured voltage U N reaches the electrode lead 144 in 1 even at smaller pump currents I P the value U N, target of 450 mV. In 2 this is illustrated by the fact that the Nernst voltage curve 168 of the polarizing sensor element 114 rises significantly earlier than the Nernst voltage curve 166 of the intact sensor element 114 , Accordingly, the curve reaches 168 even at a considerably smaller pumping voltage U P, 2 the value of 450 mV. At this pumping voltage U P, 2 is the pumping current characteristic 164 of the polarizing sensor element 114 but not yet in saturation, but at a value I P * at which the pumping current characteristic still rises sharply. While for an intact sensor element 114 thus essentially:
Figure 00150001
applies to a polarizing sensor element 114 with the curves 164 . 168 :
Figure 00150002
In other words, with an intact sensor element, it hangs 114 the self-adjusting pump current I P hardly from the reference variable U N, Soll from, while in polarizing sensor elements 114 a sharp increase in the pump current I P with the reference variable U N, target is recorded. This is in 3 shown. Here is the curve 170 the pump current I P of an intact sensor element as a function of the reference variable U N, Soll , whereas the curve 172 the pumping current of a polarizing sensor element 114 designated.

Genau dieser Zusammenhang wird jedoch vorzugsweise bei einem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt. Bei einem derartigen Verfahren wird in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle 125 unter Verwendung der Führungsgröße UN,Soll geregelt oder gesteuert betrieben und aus dem Pumpstrom auf die Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum 112, beispielsweise auf den Sauerstoffpartialdruck, geschlossen. In mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens wird hingegen die Führungsgröße UN,Soll verändert, beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag ΔUN,Soll. Dabei wird die Veränderung des Pumpstroms ΔIP erfasst. In der Kurve 170 in 3 ist diese Änderung nahezu 0 oder sehr klein. In einem nicht-intakten Sensorelement 114 mit der Kurve 172 hingegen ist ein sehr steiler Anstieg von IP mit der Führungsgröße UN,Soll, zumindest im Betriebspunkt von 450 mV, zu verzeichnen. In anderen Worten ist ΔIP dividiert durch ΔUN,Soll größer als 0. Dieses ΔIP (oder, was gleichbedeutend ist, ΔIP dividiert durch ΔUN,Soll oder, was ebenfalls gleichbedeutend ist, I'P) kann mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Wenn dieser mindestens eine Schwellwert mindestens erreicht wird oder überschritten wird, so kann darauf geschlossen werden, dass das Sensorelement 114 nicht mehr intakt ist. In diesem Fall kann beispielsweise eine Warnung ausgegeben werden oder die Führungsgröße UN,Soll kann angepasst werden. Beispielsweise kann die Führungsgröße IN,Soll erhöht werden, beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag. Danach kann ein weiterer Kontrollschritt durchlaufen werden und gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung weiter erhöht werden, sofern die oben beschriebene Schwellwertbedingung nach wie vor nicht erfüllt ist und die Änderung ΔIP nach wie vor zu groß ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass UN in 2 derart erhöht wird, dass sich UP,2 so weit nach rechts in 2 verschiebt, dass der Pumpstrom IP* sich an den Sättigungspumpstrom IS annähert.However, precisely this relationship is preferably used in a method according to the invention. In such a method, the pump cell is in at least one measuring step 125 using the reference variable U N, controlled or controlled operated and pumped from the flow on the property of the gas in the sample gas space 112 , For example, the oxygen partial pressure, closed. In contrast, in at least one control step of the method, the reference variable U N, target is changed, for example by a predetermined amount ΔU N, Soll . In this case, the change in the pumping current ΔI P is detected. In the curve 170 in 3 this change is almost 0 or very small. In a non-intact sensor element 114 with the curve 172 on the other hand is a very steep increase of the reference variable I P D L, Soll, recorded at least at the operating point of 450 mV. In other words, ΔI P is divided by ΔU N, target is greater than 0. This ΔI P (or, which means ΔI P divided by ΔU N, Soll or, which is also equivalent, I ' P ) can be at least one threshold be compared. If this at least one threshold is at least reached or exceeded, then it can be concluded that the sensor element 114 is no longer intact. In this case can For example, a warning can be issued or the reference variable U N, target can be adjusted. For example, the reference variable I N, Soll can be increased, for example, by a predetermined amount. Thereafter, a further control step can be run through and, if appropriate, the setpoint Nernst voltage can be further increased, provided that the above-described threshold condition is still not met and the change ΔI P is still too large. In this way it can be achieved that U N in 2 is increased so that U P, 2 so far to the right in 2 shifts that the pumping current I P * approaches the saturation pumping current I S.

Das Verfahren kann beispielsweise derart durchgeführt werden, dass in festen Zeitabständen, beispielsweise alle 5 Stunden und/oder vorzugsweise bei einem mageren Abgaszustand, vorzugsweise – aber nicht notwendig – im Schubbetrieb, die Änderung des Pumpstroms IP bei einer Erhöhung von UN,Soll detektiert und daraufhin gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung UN,Soll erhöht wird. Dann kann ein weiterer Testzyklus, d. h. ein weiterer Kontrollschritt, durchlaufen und gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung UN,Soll weiter erhöht werden. Optional können sich weitere Kontrollschritte anschließen. Vorzugsweise wird die Änderung ΔIP bei einer UN,Soll-Erhöhung und nachfolgender Absenkung gemessen, um eine Redundanz der Daten zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Soll-Nernstspannung UN,Soll bei dieser oder auch bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie auch eine oder mehrere andere Führungsgrößen, permanent oszillieren, beispielsweise mit einer Amplitude von 10 mV und beispielsweise mit einer Frequenz von 100 Hz. Der Mittelwert dieser Oszillation kann durch eine Regelungseinrichtung so auf einen Minimalwert eingeregelt werden, dass eine resultierende Pumpstromamplitude einen bestimmten Schwellwert, beispielsweise 20 μA, nicht überschreitet.The method can for example be carried out such that at fixed time intervals, for example every 5 hours and / or preferably in a lean exhaust gas state, preferably - but not necessary - in overrun, the change of the pump current I P with an increase of U N, target detected and then optionally the target Nernst voltage U N, Soll is increased. Then another test cycle, ie a further control step, can be run through and, if appropriate, the setpoint Nernst voltage U N, setpoint can be further increased. Optionally, further control steps may follow. Preferably, the change .DELTA.I P is measured at a U N, target increase and subsequent reduction to produce a redundancy of the data. Alternatively or additionally, the target Nernst voltage U N, set in this or in other embodiments of the inventive method, as well as one or more other control variables, permanent oscillate, for example with an amplitude of 10 mV, and for example with a frequency of 100 Hz. The mean value of this oscillation can be regulated by a control device to a minimum value such that a resulting pump current amplitude does not exceed a specific threshold value, for example 20 μA.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde oben am Beispiel eines mehrzelligen Sensorelements 114 beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann das oben beschriebene Verfahren jedoch auch an einer einzelligen Lambdasonde angewandt werden, beispielsweise an einem Sensorelement 114, welches lediglich die Pumpzelle 125 aufweist. In diesem Fall kann beispielsweise die Soll-Nernstspannung UN,Soll durch eine Soll-Pumpspannung UP,Soll ersetzt werden. Da die Kurve 164 in 2 erheblich später die Sättigung IS erreicht als die intakte Kurve 162, kann ebenfalls mittels eines Schwellwertverfahrens in dem Kontrollschritt detektiert werden, wenn die Pumpzelle 125 nicht mehr im Grenzstrombetrieb läuft. In diesem Fall kann beispielsweise die Soll-Pumpspannung UP,Soll erhöht werden, was ebenfalls wiederum in einem oder mehreren Schritten, optional auch iterativ und/oder oszillierend, erfolgen kann.The inventive method was above the example of a multi-cell sensor element 114 described. Alternatively or additionally, however, the method described above can also be applied to a single-cell lambda probe, for example to a sensor element 114 which is just the pump cell 125 having. In this case, for example, the desired Nernst voltage U N, target can be replaced by a desired pump voltage U P, Soll . Because the curve 164 in 2 significantly later saturation I S reaches than the intact curve 162 can also be detected by a threshold method in the control step when the pump cell 125 no longer running in limit current mode. In this case, for example, the desired pumping voltage U P, Soll can be increased, which in turn can also take place in one or more steps, optionally also iteratively and / or oscillatingly.

Durch das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Sensorvorrichtung 110 kann eine hohe Robustheit gegen eine Elektrodenpolarisation erreicht werden. Zudem erlaubt das oben beschriebene Verfahren einen kontinuierlichen Betrieb des Sensorelements 114 bei einer abgesenkten Temperatur, welche beispielsweise mittels eines in 1 nicht dargestellten Heizelements eingestellt werden kann. Beispielsweise kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren in einer oder mehreren der oben dargestellten Varianten eine Temperatur der Pumpzelle 125 auf einen Wert von 500 bis 800°C eingestellt werden, insbesondere auf einen Wert von 600 bis 700°C. Durch diese abgesenkte Temperatur des Sensorelements 114 und insbesondere der Pumpzelle 125 kann ein Heizleistungsbedarf deutlich vermindert werden. Weiterhin lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der dadurch realisierbaren Robustheit gegenüber einer Elektrodenpolarisation auch die Menge an katalytisch aktivem Edelmetall in einer oder mehreren der Elektroden 120, 124 und 132, insbesondere in der IPE 124, deutlich reduzieren. Weiterhin kann die Detektion einer Elektrodenpolarisation in dem mindestens einen Kontrollschritt, beispielsweise durch Variation der Führungsgröße und insbesondere der Soll-Nernstspannung, auch in einem oder mehreren der oben beschriebenen Verfahren als Auslöser für einen Regenerationsprozess, beispielsweise mittels einer zeitweisen Pumpstromumkehr und/oder einer zeitweisen oder permanenten Temperaturerhöhung und/oder einem zeitweisen Beaufschlagen mit Fettgas, verwendet werden. Derartige Maßnahmen haben im Allgemeinen einen regenerierenden Effekt.By the method described above and the sensor device described above 110 a high robustness against an electrode polarization can be achieved. In addition, the method described above allows a continuous operation of the sensor element 114 at a lowered temperature, which for example by means of a in 1 not shown heating element can be adjusted. For example, with the proposed method in one or more of the variants presented above, a temperature of the pumping cell 125 be set to a value of 500 to 800 ° C, in particular to a value of 600 to 700 ° C. Due to this lowered temperature of the sensor element 114 and in particular the pumping cell 125 a heating power requirement can be significantly reduced. Furthermore, the amount of catalytically active noble metal in one or more of the electrodes can also be determined with the proposed method and the resulting robustness with respect to electrode polarization 120 . 124 and 132 especially in the IPE 124 , significantly reduce. Furthermore, the detection of an electrode polarization in the at least one control step, for example by varying the command variable and in particular the target Nernst voltage, in one or more of the methods described above as a trigger for a regeneration process, for example by means of a temporary pumping current reversal and / or a temporary or permanent increase in temperature and / or a temporary application of grease gas can be used. Such measures generally have a regenerating effect.

Die Veränderung der Führungsgröße kann bei beliebigen erfindungsgemäßen Verfahren sowohl in positiver als auch in negativer Richtung erfolgen. So wurden oben im Wesentlichen Erhöhungen der Führungsgröße beschrieben. Wie in 2 erkennbar ist, sind jedoch grundsätzlich auch Erniedrigungen der Führungsgröße möglich, beispielsweise indem eine Soll-Nernstspannung nicht nur erhöht, sondern, alternativ oder zusätzlich, auch abgesenkt wird, um eine Polarisation zu detektieren.The change in the reference variable can be carried out in any method according to the invention both in the positive and in the negative direction. Thus, substantially increases in the reference variable have been described above. As in 2 can be seen, but in principle also decreases in the reference variable are possible, for example by not only increasing a nominal Nernst voltage, but, alternatively or additionally, also lowered to detect a polarization.

Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Sensorvorrichtung 110 wurden am Beispiel von Sensorvorrichtungen 110 zur Detektion von Sauerstoff in dem Messgasraum 112 dargestellt. Auch für andere Anwendungen sind das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensorvorrichtung 110 jedoch grundsätzlich geeignet. So kann das vorgeschlagene Verfahren grundsätzlich beispielsweise auch auf NOx-Sensoren angewandt werden, so dass die Sensorvorrichtung 110 beispielsweise zur Detektion eines NOx-Anteils in dem Messgasraum 112 einsetzbar sein kann. Derartige Sensorelemente sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich ebenfalls bekannt.The method described above and the sensor device described above 110 were using the example of sensor devices 110 for the detection of oxygen in the sample gas space 112 shown. Also for other applications are the proposed method and the proposed sensor device 110 but basically suitable. For example, the proposed method can in principle also be applied to NOx sensors, so that the sensor device 110 for example, for detecting a NOx content in the Measuring gas chamber 112 can be used. Such sensor elements are basically also known from the prior art.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005056515 A1 [0002] DE 102005056515 A1 [0002]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0001] Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, edition 2007, pages 154-159 [0001]
  • Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0002] Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, edition 2007, pages 158-159 [0002]
  • Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0008] Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, edition 2007, pages 158-159 [0008]
  • Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0019] Robert Bosch GmbH: Sensors in motor vehicles, Edition 2007, pages 158-159 [0019]

Claims (12)

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Erfassung mindestens einer Gaskomponente in dem Gas, wobei mindestens ein Sensorelement (114) verwendet wird, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst, wobei aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) auf die Eigenschaft geschlossen wird, wobei in mindestens einem Messschritt des Verfahrens die Pumpzelle (125) unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert betrieben wird, wobei in mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens die Führungsgröße (148) verändert wird und eine Veränderung des Pumpstroms erfasst wird.Method for determining at least one property of a gas in a measuring gas space ( 112 ), in particular for detecting at least one gas component in the gas, wherein at least one sensor element ( 114 ) is used, wherein the sensor element ( 114 ) at least one pump cell ( 125 ) with at least one first electrode ( 120 ), at least one second electrode ( 124 ) and at least one the first electrode ( 120 ) and the second electrode ( 124 ) connecting solid electrolyte ( 123 ), wherein from a pumping current through the pumping cell ( 125 ) is closed to the property, wherein in at least one measuring step of the method, the pumping cell ( 125 ) using at least one reference variable ( 148 ) is controlled or controlled, wherein in at least one control step of the method, the reference variable ( 148 ) is changed and a change in the pumping current is detected. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Führungsgröße (148) in dem Messschritt angepasst wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt.Method according to the preceding claim, wherein the reference variable ( 148 ) is adjusted in the measuring step, in particular is increased if the change in the pumping current in the control step no longer meets at least one threshold condition. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Anpassung der Führungsgröße (148) iterativ erfolgt, so lange bis die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt die mindestens eine Schwellwertbedingung erfüllt.Method according to the preceding claim, wherein the adaptation of the reference variable ( 148 ) iteratively until the change in pumping current in the control step satisfies the at least one threshold condition. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Regenerationsschritt eingeleitet wird, wenn in dem Kontrollschritt festgestellt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, insbesondere ein Regenerationsschritt mit mindestens einer Pumpstromumkehr in der Pumpzelle (125) und/oder einer zeitweisen oder permanenten Temperaturerhöhung und/oder mit einem zeitweisen Beaufschlagen mit Fettgas.Method according to one of the preceding claims, wherein at least one regeneration step is initiated if it is determined in the control step that the change in the pumping current no longer fulfills the at least one threshold condition, in particular a regeneration step with at least one pumping current reversal in the pump cell ( 125 ) and / or a temporary or permanent increase in temperature and / or with a temporary application of grease gas. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (124) ausgewählt ist aus: einer mit mindestens einem Referenzgasraum (134) in Verbindung stehenden Elektrode (124), insbesondere einer mit mindestens einem Referenzgaskanal (138) in Verbindung stehenden Elektrode (124); einer in einem Elektrodenhohlraum (126) angeordneten Elektrode (124).Method according to one of the preceding claims, wherein the second electrode ( 124 ) is selected from: one with at least one reference gas space ( 134 ) associated electrode ( 124 ), in particular one with at least one reference gas channel ( 138 ) associated electrode ( 124 ); one in an electrode cavity ( 126 ) arranged electrode ( 124 ). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpzelle (125) in dem Messschritt in einem Grenzstrombetrieb betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the pump cell ( 125 ) is operated in the measuring step in a limit current operation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) mindestens einen Sollwert eines Potenzials und/oder einer Spannung an der zweiten Elektrode (124) umfasst.Method according to one of the preceding claims, wherein the reference variable ( 148 ) at least one desired value of a potential and / or a voltage at the second electrode ( 124 ). Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Elektrode (124) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagt wird, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens eine Referenzelektrode (132) in mindestens einem Referenzgasraum (134) umfasst, wobei eine Nernstspannung UN zwischen der zweiten Elektrode (124) und der Referenzelektrode (132) erfasst wird, wobei in dem Messschritt der Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) unter Verwendung einer Soll-Nernstspannung UN,Soll als Führungsgröße (148) geregelt wird.Method according to the preceding claim, wherein the second electrode ( 124 ) with gas from the sample gas space ( 112 ) is applied, wherein the sensor element ( 114 ) further at least one reference electrode ( 132 ) in at least one reference gas space ( 134 ), wherein a Nernst voltage U N between the second electrode ( 124 ) and the reference electrode ( 132 ), wherein in the measuring step the pumping current through the pumping cell ( 125 ) using a desired Nernst voltage U N, setpoint as a reference variable ( 148 ) is regulated. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Kontrollschritt die Soll-Nernstspannung UN,Soll um einen Wert ΔUN,Soll verändert wird, wobei die Änderung ΔIp des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird, wobei die Soll-Nernstspannung verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderung ΔIp den Schwellwert erreicht oder überschreitet.Method according to the preceding claim, wherein in the control step, the setpoint Nernst voltage U N, setpoint is changed by a value ΔU N, Soll , wherein the change ΔI p of the pumping current is detected and compared with at least one threshold value, wherein the setpoint Nernst voltage changes is increased, in particular, when the change .DELTA.I p reaches or exceeds the threshold. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) eine Pumpspannung Up umfasst, wobei in dem Kontrollschritt die Pumpspannung um einen Wert ΔUp verändert wird, wobei die Änderung ΔIp des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird, wobei in dem Messschritt die Pumpspannung verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderung ΔIp den Schwellwert erreicht oder überschreitet.Method according to one of the preceding claims, wherein the reference variable ( 148 ) Comprises a pump voltage U p, wherein the pump voltage and the change is detected .DELTA.I p of the pump current and compared with at least one threshold value is changed by a value .DELTA.U p in the control step, wherein the pumping voltage is changed in the measuring step, in particular increased, when the change ΔI p reaches or exceeds the threshold value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) einen Pumpstrom Ip umfasst, wobei in dem Kontrollschritt der Pumpstrom um einen Wert ΔIp verändert wird, wobei eine Änderung ΔUp einer Pumpspannung und/oder eine Änderung ΔUN einer Nernstspannung erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden, wobei in dem Messschritt der Pumpstrom verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderungen ΔUp bzw. ΔUN den Schwellwert überschreiten oder nicht unterschreiten.Method according to one of the preceding claims, wherein the reference variable ( 148 ) comprises a pumping current I p , wherein in the control step the pumping current is changed by a value ΔI p , wherein a change ΔU p of a pumping voltage and / or a change ΔU N of a Nernst voltage are detected and compared with at least one threshold value, wherein in the measuring step the pumping current is changed, in particular is increased, when the changes .DELTA.U p or .DELTA.U N exceed the threshold or not fall below. Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens ein Sensorelement (114), wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst, wobei die Sensorvorrichtung (110) weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement (114) verbundene Steuerung (118) umfasst, wobei die Steuerung (118) eingerichtet ist, um aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) auf die Eigenschaft zu schließen, wobei die Steuerung (118) weiterhin eingerichtet ist, um in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle (125) unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert zu betreiben, wobei die Steuerung (118) weiterhin eingerichtet ist, um in mindestens einem Kontrollschritt die Führungsgröße (148) zu verändern und eine Veränderung des Pumpstroms zu erfassen.Sensor device ( 110 ) for detecting at least one property of a gas in a sample gas space ( 112 ), in particular using a method according to one of the preceding claims, comprising at least one sensor element ( 114 ), wherein the sensor element ( 114 ) at least one pump cell ( 125 ) with at least one first electrode ( 120 ), at least one second electrode ( 124 ) and at least one the first electrode ( 120 ) and the second electrode ( 124 ) connecting solid electrolyte ( 123 ), wherein the Sensor device ( 110 ) at least one with the sensor element ( 114 ) connected control ( 118 ), wherein the controller ( 118 ) is adapted to be pumped by the pumping cell ( 125 ) to close the property, the controller ( 118 ) is further set up in at least one measuring step, the pump cell ( 125 ) using at least one reference variable ( 148 ) controlled or controlled, the controller ( 118 ) is further set up in at least one control step, the reference variable ( 148 ) and detect a change in pumping current.
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