CN115461616A

CN115461616A - 用于确定废气中的氧气浓度的方法

Info

Publication number: CN115461616A
Application number: CN202180030268.8A
Authority: CN
Inventors: D·迪克; M·菲德勒
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2021-04-12
Publication date: 2022-12-09
Also published as: DE102020205020A1; WO2021213826A1; EP4139670A1

Abstract

本发明涉及一种用于借助传感器元件(10)确定废气(100)中的氧气浓度(CO2)和氮氧化物浓度(C NOx)的方法。除了能斯特电压(U _VS)之外，还检测或者求取另外的参量(p)。由所述能斯特电压信号并且由所述另外的参量(p)确定经补偿的信号(x)，并且将所述经补偿的信号用作调节回路的调节参量。输出通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P _i)，作为所述废气(100)中的氧气浓度(C O2)的测量参量。

Description

用于确定废气中的氧气浓度的方法

背景技术

由现有技术DE 10 2015 201 396 A1已知一种用于测量废气中的氧气浓度的传感器元件。该传感器元件具有固体电解质、第一电极、第二电极、第三电极和第四电极。第一电极和第二电极这样与固体电解质连接，使得第一电极、第二电极和固体电解质形成泵浦电池。第三电极和第四电极这样与固体电解质连接，使得第三电极、第四电极和固体电解质形成能斯特电池。传感器还具有用于调节能斯特电池的能斯特电压的调节回路。该调节回路具有调节仪，该调节仪具有调设参量、第一调节参量和第二调节参量，其中，该调设参量是提供给泵浦电池的输出参量，第一调节参量是能斯特电池的能斯特电压，第二调节参量是第一电极上的电压。

发明内容

本发明基于发明人的以下认识：在现有技术中设置的、第一电机上的电压作为调节参量的应用具有以下问题，即该参量在λ＝1(即在由燃烧产生的废气的情况下，在所述燃烧中氧气和燃料以化学计量的比例存在)的范围中的废气的情况下与废气中的氧气浓度高度非线性地相关，使得在相应于提供给基础燃烧的燃料空气混合物为λ＝1的、废气中的氧气浓度的情况下，产生对调节器的干扰，该干扰在一定时间内导致对废气中的氧气浓度的检测是有误差的。

根据权利要求1的本发明超越这些已知的方案，并且涉及一种借助传感器元件确定废气中的氧气浓度的方法。在此可以认为，在根据本发明的方法中使用的传感器元件具有下述结构特征：在该传感器元件的内部具有空腔，该空腔通过进入开口与废气连接；在该传感器元件的内部还具有参考空间，该参考空间与空腔分开；具有电化学泵浦电池，该电化学泵浦电池具有第一电极，该第一电极在传感器元件的外侧上暴露在废气中，该电化学泵浦电池具有第二电极，该第二电极布置在空腔中，该电化学泵浦电池具有第一固体电解质，第一电极通过第一固体电解质与第二电极以传导氧离子的方式连接；具有电化学能斯特电池，该电化学能斯特电池具有第三电极，该第三电池布置在空腔中，该电化学能斯特电池具有第四电极，该第四电极布置在参考空间中，该电化学能斯特电池具有第二固体电解质，第三电极通过第二固体电解质与第四电极以传导氧离子的方式连接。

这例如是平面的陶瓷传感器元件，如由现有技术、例如由开篇提及的DE 10 2015201 396 A1原则上已知的那样。

固体电解质例如可以是陶瓷传感器元件的区域，所述区域由借助钇稳定的氧化锆(YSZ)构成并且因此在提高的温度范围中具有用于氧离子的传导性。

第二固体电解质可以与第一固体电解质分开地构造，或者可以在传感器元件的共同的层平面中由传感器元件的连贯的区域构成，该传感器元件由固体电解材料(例如YSZ)构成。

所述电极例如可以是金属陶瓷电极，所述金属陶瓷电极具有陶瓷部分和贵金属部分。所述贵金属可以是铂。电极的催化活性可以通过另外的贵金属的含量或另外的材料的含量以适当的方式选择，例如通过金含量降低。

可以设置，第三电极在空腔中在空间上与第二电极间隔开。例如，第三电极在空腔中在空间上与第二电极在横向方向上的间距可以大于或者明显大于空腔的高度(即垂直于该横向方向)(例如是至少两倍或者三倍)。

此外可以设置，第三电极的面重心在空腔中在空间上与第二电极的面重心间隔开。例如，第三电极的面重心在空腔中在空间上与第二电极在横向方向上的间距可以明显大于空腔的高度(即垂直于该横向方向)(例如是至少两倍或者五倍)。

根据本发明的方法设置，将位于空腔中的氧气浓度调节为恒定的值，其方式是：检测能斯特电压信号，该能斯特电压信号代表在能斯特电池上产生的能斯特电压；检测或者求取至少一个另外的参量；由能斯特电压信号并且由至少一个另外的参量求取经补偿的信号；求取误差信号作为额定值与经补偿的信号的差；向调节器提供误差信号作为输入参量；将调节器的输出参量施加到泵浦电池上，使得产生通过泵浦电池的电流。此外设置，将代表通过泵浦电池的电流的信号作为废气中的氧气浓度的测量参量输出。

信号，尤其是代表在能斯特电池上产生的能斯特电压的能斯特电压信号，一方面可以是以下模拟信号：该模拟信号的值与能斯特电压相同。但是，也可以是以下模拟信号：该模拟信号由能斯特电压一一对应地(eineindeutig)产生，即该模拟信号例如与能斯特电压成比例。也可以是所提到的信号的数字表示。

与此类似地，可以理解为代表通过泵浦电池的电流(Stromfluss)的信号。该信号可以作为通过电流以相同的方式给定的模拟信号，但是也可以是以下模拟信号：该模拟信号由电流一一对应地产生，即例如测量电阻上的电压降，该测量电阻被电流流过，并且该电压降一般与该电流成比例。也可以是以下信号：该信号例如在所阐述的调节器的信号处理中生成，并且根据该信号(例如与该信号成比例地)引起通过泵浦电池的电流。也可以是所提到的信号的数字表示。

与此类似地，可以理解为代表泵浦电池上的电压的信号。该信号可以作为通过第一电极与第二电极之间的电压以相同的方式给定的模拟信号，但是也可以是以下模拟信号：该模拟信号由电压一一对应地产生，即例如测量电阻上的电流，电压施加在该测量电阻上，并且该电流与该电压相关(例如与该电压成比例)。也可以是所提到的信号的数字表示。

额定值一方面可以是固定预给定的值。另一方面可以是以下值，该值虽然不是完全恒定的，然而在表征调节的时间常数(例如1s)内仅发生非常小的变化(例如小于1％)，例如响应于一定的外部事件，例如用于补偿传感器元件的或者与传感器元件合作的分析处理单元的老化效应或者温度漂移，或者响应于传感器元件的周围环境空气的氧分压的变化。

也可以设置不同的运行类型(例如正常运行类型，初始化运行类型，自校准运行类型等)，其中，在相应的运行类型内，个体的、但是固定的(或者仅发生非常缓慢的变化的，见上文)值设置为额定值。

至少一个另外的参量可以是唯一的参量，该唯一的参量不是能斯特电压并且也不是代表能斯特电压的参量。这可以是泵电流信号，该泵电流信号代表通过泵浦电池的电流；或者是泵浦电池信号，该泵浦电池信号代表泵浦电池上的电压；或者是调节器的输出参量；或者是在调节器的信息处理中生成的且与调节器的输出参量相关(例如与调节器的输出参量成比例)的信号。

但是，在本发明的另一种扩展方案中，也可以明确排除，该另外的参量是或者包括代表泵浦电池上的电压的泵浦电池信号。替代地，也可以明确排除，该另外的参量作为唯一的参量是代表泵浦电池上的电压的泵浦电池信号。

如果明确排除，该另外的参量与别的另外的参量一起是第一电极上的电压；和/或如果明确排除，该另外的参量作为唯一的另外的参量是第一电极上的电压，则这在两种情况下的优点在于，与废气中的氧气浓度部分强烈非线性相关的参量不纳入或不单独纳入到经补偿的信号中。

该至少一个另外的参量可以是多个参量，所述多个参量中的每个单个的参量不是能斯特电压并且也不是代表能斯特电压的参量。所述多个参量可以是两个参量、三个参量或者多于三个的参量。可以在此设置，所述多个参量包含以下参量中的至少两个参量：泵电流信号，该泵电流信号代表通过泵浦电池的电流；泵电流信号，该泵电流信号代表通过泵浦电池的电流；泵浦电池信号，该泵浦电池信号代表泵浦电池上的电压；调节器的输出参量；经补偿的信号的时间延迟的值。

如果所述至少一个另外的参量是多个参量，则由能斯特电压信号并且由至少一个另外的参量求取经补偿的信号这一特征意味着，由能斯特电压信号并且由包含在所述多个参量中的每个单个的参量求取经补偿的信号，即该经补偿的信号与能斯特电压信号并且与包含在所述多个参量中的每个参量相关。

尤其可以设置，向调节器提供误差信号作为调节器的唯一的输入参量。尤其可以设置，该调节器仅具有唯一的输出参量，即(必要时在放大后)施加到泵浦电池上的输出参量，使得产生通过泵浦电池的电流。

调节器的输出参量或调节器的唯一的输出参量例如可以是经调设的电压或者经调设的电流。使用经调设的电压的优点在于，其能够借助简单的器件实现，而使用经调设的电流的在当前情况下的优点在于较稳定的调节回路。

本发明所基于的另外的认识在于，从调节技术的角度看，传播时间出现在传感器元件内或在空腔内。如果氧气通过泵浦电池运输到空腔中去(或者从空腔中运输出来)，则虽然泵浦电池的区域中的、即第二电极的区域中的氧气浓度由此立刻发生变化，但是能斯特电压还不会立刻发生变化，而是当空腔中的氧气浓度在能斯特电池的区域中、即在第三电极的区域中也发生变化时，才发生变化。因此，视空腔的几何形状和第二电极和第三电极相对于彼此在空腔中的布置而定地，流逝一定的时间，直到在空腔内在泵浦电池(第二电极)上、也在能斯特电池(第三电池)上出现氧气浓度变化。

原则上，调节路段内的传播时间减小可能的调节带宽、即动态，可以以该动态进行稳定的调节。在当前情况下，这适用于作为调节参量的能斯特电压，如上所述。

但是，本发明现在恰恰基于以下内容：不将能斯特电压、而是将经补偿的信号用作调节参量。经补偿的信号比能斯特电压更好地代表整个空腔中的氧气浓度，因为除了能斯特电压之外还考虑至少一个另外的参量并且由此对空腔内的传播时间效应——就像从能斯特电压信号出发通过对所述传播时间效应的计算预期一样——进行补偿。

泵电流和代表该泵电流的信号包含关于氧气的信息，所述氧气目前在泵浦电池的区域中加入(eingefügt)到空腔中。因此，使用泵电流作为至少一个另外的参量，开启以下可能性：尚在能斯特电压根据空腔中的氧气浓度的变化发生变化之前，就在经补偿的信号中示出空腔中的氧气浓度的变化。换言之：在经补偿的信号中预期能斯特电压的未来的变化。

调节器输出端(例如作为经调设的电压或者作为经调设的电流)同样包含关于氧气的信息，该氧气目前在泵浦电池的区域中插入到空腔中，使得该氧气能够用作在本发明的意义上的至少一个另外的参量。

这也适用于泵浦电池信号，该泵浦电池信号代表泵浦电池上的电压。

代表泵浦电池上的电压的泵浦电池信号一方面可以是“能斯特电压”U_NP1，该能斯特电压根据关联

得出，其中，P_P1APEO2是第一电极上的氧分压，P_{COM IPE O2}是第二电极上的、即废气中的部分压力。即，从物理角度看，该电位差实际上是“能斯特电压”。但是，在本发明的框架中，仅第三电极与第四电极之间的电压被称为能斯特电压。

但是，代表泵浦电池上的电压的泵浦电池信号也可以是参量U_P1＝U_NP1+I_P1*R_P1，即“能斯特电压”U_NP1和由通过泵浦电池的泵电流I_P1和泵浦电池的欧姆电阻R_P1引起的电压降的和。

另一方面，泵电流信号也可以是参量U_NP1-U_P1，即I_P1*R_P1，因为该泵电流信号代表流动通过泵浦电池的电流。

因为空腔通过进入开口与废气连接，因此，运输到空腔中的或者从空腔中运输出的氧气量与废气与空腔之间的部分压力差成比例。由于该氧气量恰好也以泵浦电池信号的方式表述，因此，该泵浦电池信号是另外的参量，该另外的参量能够用于形成经补偿的信号，该经补偿的信号能够比单独的能斯特电压更精确地且更动态地表示空腔中的氧气浓度。

通过将时间延迟的经补偿的信号用作至少一个另外的参量，可以实现反馈，通过该反馈，补偿的动态和稳定性在传感器元件内部的运输过程方面得到优化。以时间图像的方式表述且以简化的方式表述，该补偿应例如尽可能准确地在以下范围中进行：在该范围中，能斯特电压不充分地表示空腔中的实际的氧气浓度。

在本发明的一种数字的、时间离散的实现方式中，时间延迟在采样周期的数量级上，例如Ts＝1ms。与传感器元件中的第二电极与第三电极之间的气体耦合的时间常数τ相比，这是非常小的，例如τ＝大约1000ms或者更大。

该反馈改变总系统的频率特性。该反馈例如可以是窄带的或者宽带的。

传感器元件可以是NOx传感器，该NOx传感器不仅确定废气中的氧气浓度、还确定废气中的氮氧化物浓度。该NOx传感器尤其具有以下结构特征：在该NOx传感器的内部具有另外的空腔，该另外的空腔与所述空腔连接，并且该NOx传感器具有另外的泵浦电池，该另外的泵浦电池具有第五电极和第六电极和第三固体电解质，所述第五电极布置在另外的空腔中，所述第六电极布置在另外的空腔之外，所述第三固体电解质将第五电极和第六电极以传导氧离子的方式相互连接。

所述空腔可以与另外的空腔在空间上分开，例如通过通道形扩散电阻元件和/或多孔填充的扩散电阻元件。可以设置：第五电极的材料的催化活性比第二和/或者第三电极材料的催化活性更高，使得第五电极能够催化裂解NOx，但是第二和/或者第三电极不能(或者在较小的程度上)催化裂解NOx。

第三固体电解质可以与第一固体电解质分开地构造，或者可以例如在传感器元件的共同的层平面中由传感器元件的连贯的区域构成，该传感器元件由固体电解材料(例如YSZ)构成。第三固体电解质可以与第二固体电解质分开地构造，或者可以例如在传感器元件的共同的层平面中由传感器元件的连贯的区域构成，该传感器元件由固体电解材料(例如YSZ)构成。第一、第二和第三固体电解质也可以全部共同由传感器元件的连贯的区域构成，该传感器元件由固体电解材料(例如YSZ)构成。

可以运行该NOx传感器，其方式是，将电压施加到另外的泵浦电池上，并且将代表所产生的、通过第二泵浦电池的电流的参量作为废气中的氮氧化物浓度的测量参量输出。

这可以是以下NOx传感器，该NOx传感器仅包括三个电化学电池，即泵浦电池、能斯特电池和另外的泵浦电池。因此，传感器是特别简单的且特别有益于本发明。

也可以是以下传感器元件，该传感器元件除了能够测量氧气和NOx的浓度之外，还能够测量废气中的NH3和/或别的气体种类的浓度。

但是，替代地，传感器元件也可以是两池式宽带Lambda探针。

传感器元件可以是能够加热的传感器元件，该传感器元件具有能够从外部接通的电阻加热器。该加热尤其可以通过下述方式实现：检测代表传感器元件的温度的温度信号，并且将温度信号与另外的额定值进行比较，并且另外的调节器这样操控电阻加热器的电供给，使得传感器元件具有预给定的温度。该另外的额定值例如可以相应于传感器元件的在700℃至800℃的范围中的温度。

该另外的额定值可以是固定预给定的值或者缓慢地(以比通过另外的调节的时间常数预给定的方式慢得多)根据一定的事件来跟踪，例如根据传感器元件的老化。

调节器的输出参量可以(必要时在DA转换和/或放大之后)是施加到泵浦电池上的电压，使得产生通过泵浦电池的电流。替代地，调节器的输出参量可以(必要时在DA转换和/或放大之后)是电流。为此，能够设置受控制的电流源，该电流源施加到泵浦电池上。受控制的电压源的设置具有较小的复杂性的优点。在当前情况下，受控制的电流源可以具有较稳定的调节的优点。

本发明的一种重要扩展方案设置，由能斯特电压信号和至少一个另外的参量求取经补偿的信号，更确切地说作为能斯特电压信号与由至少一个另外的参量通过高通滤波和/或带通滤波得出的信号的函数。通过这种方式，能够进一步优化经补偿的信号用于精确地且以高动态表示空腔中的氧气浓度的适用性。

如果至少一个另外的参量是多个参量，则由所述多个参量可以首先求取用于高通滤波和/或带通滤波的唯一的输入参量q。然后，高通滤波和/或带通滤波的输出参量z是起作用的(angesprochen)信号，由该信号通过与能斯特电压信号的求和形成经补偿的信号。

例如，输入参量q可以由多个参量g_i的线性函数形成，即q＝Σc_i*g_i，其具有全部不等于零的系数c_i。替代地，单个的、但是并非全部的c_i可以是零。

用于由信号z(高通滤波和/或带通滤波的输出参量)和能斯特电压信号确定经补偿的信号x的函数可以是简单的数学求和，但是也可以是加权求和，使得经补偿的信号x由能斯特电压信号U_VS和信号z得出，例如根据x＝k₁*U_VS+k₂*z，其具有不等于零的系数k₁和k₂。

可以设置，高通滤波和/或带通滤波在传感器元件和运行该传感器元件的方式方面得到优化。高通滤波和/或带通滤波的输出端尤其是不等分(gleichanteilsfrei)。这反应以下情况：在该情况中，当将能斯特电压用作调节参量时，通调节器已经正确地考虑到另外的参量(例如泵电流)对于静态值和对于另外的参量(例如泵电流)的极其缓慢的变化的影响。即，在静态情况或极其缓慢的变化方面，该不等分的补偿避免调节参量的失真。

此外，尤其可以设置，高通滤波和/或带通滤波将低于0.5Hz的频谱分量以至少3dB衰减。

此外，尤其可以设置，高通滤波和/或带通滤波将2Hz与5Hz之间的频谱分量以小于3dB衰减。

本发明还涉及一种计算机程序，该设置用于所述方法的在上文中阐述的步骤，一种非易失性存储器，在该非易失性存储器上存储有计算机程序，和一种分析处理和控制单元，该分析处理和控制单元包括这样一种非易失性存储器。

该方法的相应的步骤可以在分析处理和控制单元中通过模拟信号处理部件或者通过数字信号处理部件进行。在任何情况下，用于执行根据本发明的方法的分析处理和控制单元具有以下内容：输入端，以便检测能斯特电压信号，该能斯特电压信号代表在能斯特电池上产生的能斯特电压；信息处理单元，以便由能斯特电压信号并且由至少一个另外的参量求取经补偿的信号；减法器，以便求取误差信号作为额定值与经补偿的信号的差；调节器，以便向调节器提供误差信号作为输入参量；输出端，以便将调节器的输出参量输出给泵浦电池，使得实现通过泵浦电池的电流，其目标是将位于空腔中的氧气浓度调节为恒定的值，并且以便将代表通过泵浦电池的电流的信号作为废气中的氧气浓度的测量参量输出。

信号处理单元、减法器和调节器一方面可以通过物理的、彼此不同的部件实现。另一方面也可以完全地或部分地是共同在计算单元内实现的功能。

附图说明

图1示意性地示出宽带Labmda探针的、由现有技术已知的传感器元件。

图2示意性地示出NOx传感器的、由现有技术已知的传感器元件。

图3示出NOx传感器的、由现有技术已知的传感器元件的片段。

图4示出根据本发明的方法的实施例的流程图。

图5示出图2中的传感器元件，该传感器元件与根据本发明的分析处理和控制单元的实施例电连接。

图6示例性地示出图5中的分析处理和控制单元的信号处理单元。

图7a、7b示例性地示出图6中的信号处理单元的滤波器的特性(图7a：幅度特性曲线；图7b：输入信号的和配属的输出信号的时间曲线)。

图8a、8b示出典型的、根据本发明产生的测量值。

具体实施方式

图1示意性地示出宽带Labmda探针的、由现有技术原则上已知的传感器元件10，根据本发明的方法例如能够结合该传感器元件执行，并且根据本发明的分析处理和控制单元例如能够结合该传感器元件运行。

传感器元件10在其内部具有空腔30，该空腔通过进入开口32且通过多孔扩散屏障34与废气100流体连接。该传感器元件在其内部还具有参考空间38，参考气体位于在该参考空间中并且该参考空间与空腔30分开，即在传感器元件10内与空腔30不流体连接。所述参考气体例如可以是空气或者氧气。参考空间38例如与周围环境的空气流体连接。然而也可以是传感器元件10内的封闭空间，在该封闭空间中例如维持一定的氧分压。

此外，传感器元件10还具有电化学泵浦电池36。电化学泵浦电池36由第一电极16(也被称为：外泵浦电池，APE)、由第二电极18(也被称为：内泵浦电池，IPE)以及由第一固体电解质14a构成，所述第一电极在传感器元件10的外侧上直接地或者通过气体可通过的保护层暴露在废气100中，所述第二电机布置在空腔30中，第一电极通过所述第一固体电解质与第二电极18以传导氧离子的方式连接。

此外，传感器元件10还具有电化学泵浦电池40。电化学能斯特电池40由第三电极20(也被称为：能斯特电极，NE)、由第四电极22(也被称为：参考电极，RE)以及由第二固体电解质14b构成，所述第三电极布置在空腔30中，第三电极20通过所述第二固体电解质与第四电极22以传导氧离子的方式连接。

在该例子中，第一固体电解质14a和第二固体电解质14b共同构造为唯一的连贯的固体电解质体14。替代地，第一固体电解质14a和第二固体电解质14b可以是彼此电绝缘的，例如通过由氧化铝构成的层。

在该例子中，传感器元件10此外还具有电阻加热器44，该电阻加热器借助绝缘层42相对于固体电解质体14电绝缘。借助电阻加热器44，固体电解质体14能够加热为以下温度：在该温度的情况下，该固体电解质体具有用于氧离子的传导性，例如是780℃。

第一电极16、第二电极18、第三电极20、第四电极22和电阻加热器44能够通过传感器元件10的输入线路15与分析处理和控制装置60(见图5)的输出端和输入端电连接。

宽带Labmda探针的在图1中示出的传感器元件10的基本作用原理是，借助作为调设元件的泵浦电池36和作为测量元件的能斯特电池40来调整空腔中的恒定的氧气浓度并且将泵电流用作用于废气100中的氧气浓度c_O2的测量参量。

图2示意性地示出NOx传感器的、由现有技术原则上已知的传感器元件10，根据本发明的方法例如能够结合该传感器元件执行。

与在图1中示出的传感器元件10一样，该传感器元件在其内部具有空腔30，该空腔通过进入开口32且通过多孔扩散屏障34与废气100流体连接。该传感器元件在其内部还具有参考空间38，参考气体位于在该参考空间中并且该参考空间与空腔30分开。

该示例中，传感器元件10此外还具有电阻加热器44。

第一电极16、第二电极18、第三电极20、第四电极22和电阻加热器44能够通过传感器元件10的输入线路15与分析处理与控制装置60的输出端和输入端电连接。

此外，NOx传感器的传感器元件10在其内部具有另外的空腔31，该另外的空腔与空腔30流体连接，例如通过另外的多孔扩散屏障35。此外，传感器元件10具有另外的电化学泵浦电池37(也被称为：NOx电池)，该另外的电化学泵浦电池包括第五电极24(也被称为：NOx电极，NOE)、包括第六电极26(也被称为：NOCE，NOx腔室电极)并且包括第三固体电解质14c，所述第五电极布置在另外的空腔31中，所述第六电极布置在另外的空腔31之外，所述第三固体电解质将第五电极24和第六电极26以传导氧离子的方式相互连接。

与在该例子中一样，第三固体电解质14c可以与第一固体电解质14a和第二固体电解质14b共同构造为唯一的连贯的固体电解质体14。但是，替代地，第一固体电解质14a、第二固体电解质14b和第三固体电解质14c也可以成对地彼此电绝缘，或所提到的三个固体电解质14a、14b、14c中的仅一个固体电解质可以是与另外两个固体电解质电绝缘的。

设置：第五电极24的材料的催化活性比第二和第三电极18、20的材料的催化活性更高，使得第五电极24能够催化裂解NOx，但是第二和第三电极18、20不能(或者几乎不能)催化裂解NOx。例如，第二和第三电极18、20可以由金属陶瓷构成，该金属陶瓷的金属部分分别不仅包含铂、还包含金，而第五电极24作为金属部分仅包含铂、而不包含金。

NOx传感器的在图2中示出的传感器元件10的基本作用原理是，首先与宽带Lambda探针的在参考图1阐述的传感器元件相似，借助作为调设元件的泵浦电池36和作为测量元件的能斯特电池40来调整空腔30中的恒定的氧气浓度并且将泵电流用作用于废气100中的氧气浓度c_O2的测量参量。然而，在当前情况下(图2；NOx传感器的传感器元件)，这样做的条件是，第二和第三电极18、20的催化活性或施加到泵浦电池36上的电压一直减小，直到NOx分子的电化学裂解目前仍然完全停止或者在很大程度上停止。

NOx传感器的在图2中示出的传感器元件10的基本作用原理还在于，在第五电极上使NOx分子电化学裂解，借助另外的电化学泵浦电池37以电化学的方式泵出在此变得自由的氧原子或氧离子，并且将在此流动的另外的泵电流用作用于废气100中的NOx浓度c_NOx的测量参量。如果在另外的电化学泵浦电池37还使剩余的分子氧(O₂)裂解并且以电化学的方式泵出，则这作为贡献(Betrag)纳入另外的泵电流中。然而，由于氧气浓度通过构造在电化学能斯特电池40上的能斯特电压U_VS是准确地已知的，因此，该贡献可以通过计算减去。

图3示出根据图2的、NOx传感器的、由现有技术原则上已知的传感器元件10的片段。在该剖面示意图中，示出NOx传感器的传感器元件10的一定的尺寸。

据此，空腔30是在通过进入开口32和扩散屏障34进入到传感器元件10中的废气的流动方向上细长的且在垂直于该流动方向低的或窄的腔室。在该空腔的面向进入开口32的部分30a中，第二电极18面式地延伸。在该空腔的背离该进入开口的部分30b中，第三电极20面式地延伸。

在该例子中设置，第三电极20的面重心在空腔30中与第二电极18的面重心的横向(在图3中从左向右)间距是空腔30的高度(在图3中从上向下)的至少五倍。

该尺寸(Dimensionierung)的优点一方面在于，构造在能斯特电池40上的能斯特电压U_VS是用于另外的电化学泵浦电池37上的氧气浓度的精确的量度，因此基于另外的泵电流和该另外的泵电流的在上文中阐述的在计算方面的补偿，能够精确地确定废气100的NOx含量。

另一方面，由于该尺寸，在空腔30内发生在进入开口32处或泵浦电池36(第二电极18)处的氧气浓度变化也出现在能斯特电池40(第三电极20)处并且因此被探测到之前，流逝一定的时间。因此，如果不采取另外的措施，则通过上文阐述的调节回路对空腔30中的恒定的氧气浓度的稳定和对废气100的氧气含量c_O2的确定是受到妨碍的或是低动态的。

示例性地在图4和图5中示出的根据本发明的方法和设备，能够克服该缺陷。为此，首先设置，将位于空腔30中的氧气浓度调节为恒定的值，例如在下述方法步骤V1至V6中：

-在第一方法步骤V1中，通过传感器元件的输入端61和传感器元件的AD转换器67与传感器元件10的相应的输入线路15连接的分析处理和控制单元60检测能斯特电压信号，该能斯特电压信号代表在能斯特电池40上产生的能斯特电压U_VS。

-在第二方法步骤V2中，分析处理和控制单元60检测至少一个另外的参量p，例如通过相应的输入端61和AD转换器67，所述相应的输入端和AD转换器与传感器元件10的相应的输入线路15连接。

-在第三方法步骤V3中，分析处理和控制单元60的信号处理单元63由能斯特电压信号且由至少一个另外的参量p求取经补偿的信号x。

-在第四方法步骤V4中，分析处理和控制单元60的减法器64将误差信号e求取为额定值r与经补偿的信号x的差。

-在第五方法步骤V5中，向调节器62(例如PID调节器)提供误差信号e作为输入参量。

-在第六方法步骤V6中，将调节器62的输出参量u施加到泵浦电池36上，使得产生通过泵浦电池36的电流I_P1。

调节器36的输出参量在此可以与通过泵浦电池35的电流I_P1相同。另一方面，调节器36的输出参量也可以是泵电压或者数字参量，该数字参量通过DA转换器66施加到泵浦电池36上。

在第七方法步骤V7中设置，通过分析处理和控制单元60的输出端65将代表通过泵浦电池36的电流I_P1的信号作为废气100中的氧气浓度C_O2的测量参量输出，例如输出给与分析处理和控制单元60连接的马达控制器。

另外，在本例子中设置以下：

-在第八方法步骤V8中，通过分析处理和控制单元60的输出端65和传感器元件10的相应的输入线路15，将电压U_P2施加到另外的泵浦电池37上。

-在第九方法步骤V9中，通过分析处理和控制单元60的输出端65将所产生的、代表通过另外的泵浦电池37的电流I_P2的信号作为废气100中的氮氧化物浓度c_NOx的测量参量输出，例如输出给与分析处理和控制单元60连接的马达控制器。

所述至少一个另外的参量p例如是唯一的参量，例如是泵电流信号，该泵电流信号代表通过泵浦电池36的电流I_P1，或者是泵浦电池信号，该泵浦电池信号代表泵浦电池36上的电压U_P1，或者是调节器62的输出参量u。

所述至少一个另外的参量p也可以是两个参量(或多个参量，即2个、3个、4个参量等等)，所述参量尤其包含以下参量中的至少两个(或至少多个)：泵电流信号，该泵电流信号代表通过泵浦电池36的电流I_P1；泵浦电池信号，该泵浦电池信号代表泵浦电池36上的电压U_P1；调节器62的输出参量u；经补偿的信号x‘的时间延迟的值(参见下面的阐述)。

现在，参考图6，更详细地阐述第三方法步骤V3以及分析处理和控制单元60的信号处理单元63的结构，在所述第三方法步骤中，分析处理和控制单元60的信号处理单元63由能斯特电压信号并且由至少一个另外的参量p求取经补偿的信号x。

在该例子中，除了能斯特电压之外，首先有三个另外的参量p纳入到对经补偿的信号x的求取中，即通过泵浦电池36的电流I_P1、施加在第一电极16与第二电极18之间的泵浦电池36上的电压U_P1和调节器62的输出参量u。在该例子中，通过加权求和，由这三个另外的参量形成唯一的求平均的另外的参量p‘，例如根据p‘＝u*k1+Up1*k2+Uip1*k3，其中，ki可以具有正符号或者负符号。

中间参量q又通过加权的平均值形成，加权的平均值由先前形成的另外的参量p‘和经补偿的信号x‘的时间延迟的值(参见下面的阐述)组成。

中间参量q例如根据公式q＝c1*p‘+c2*x‘来计算，其具有正的和/或负的、但是分别不等于零的系数c1、c2。

在该例子中设置，中间参量q是滤波器69的、例如数字滤波器69的输入参量。这例如可以是IIR滤波器(infinite impuls response，无限脉冲响应)。数字滤波器69的输出参量是z。

在该例子中，经补偿的信号x被计算为输出参量z与能斯特电压U_VS的和。替代地，经补偿的信号x也可以通过求加权的和、或通过求加权的平均值来计算。

上面已经提到的、时间延迟的、经补偿的信号x‘通过下述方式形成：(时间不延迟的)经补偿的信号x在时间上被延迟，例如在本发明的数字的、时间离散的实现方式的情况下以一时间周期延迟。该延迟Ts主要用于避免所谓的逻辑循环。在该例子中，延迟Ts借助延迟元件68实现并且例如是1ms，这与传感器元件10的时间常数相比(例如在空腔30内从第二电极18至第三电极20的典型的气体传播时间/扩散时间：1000ms)是非常小的值。

在该例子中设置，滤波器69的作用相应于高通滤波和/或带通滤波。即，滤波器69例如可以是带通和/或高通。

在该例子中，所述滤波实现，无平均值的信号施加在滤波器69的输出端上。此外，尤其可以设置，高通滤波和/或带通滤波将低于0.5Hz的频谱分量以至少3dB衰减。此外，尤其可以设置，高通滤波和/或带通滤波将2Hz与5Hz之间的频谱分量以小于3dB衰减。附加地可以设置，通过该滤波将高于20Hz的频谱分量(噪声)以大于3dB衰减。这种类型的滤波器69的示例性幅度特性曲线在图7a中示出。图7b在上部分中示例性地示出到该滤波器69中的输入信号q的时间变化过程，并且在下部分中示出来自该滤波器69的配属的经平整的且无平均值的输出信号z的时间变化过程。

分析处理和控制单元60(例如见图5)此外还设置用于将传感器元件10的温度调节为预给定的温度。为此，该传感器元件例如对能斯特电池40的和/或泵浦电池36的和/或另外的泵浦电池37的电阻进行分析处理。该电阻形成传感器元件10的温度的测量参量，即温度信号。将该温度信号与另外的额定值进行比较，并且另外的调节器这样操控电阻加热器的电供给(U_H)，使得传感器元件10具有预给定的温度。

已验证且根据图8a和图8b示出具有如图2所示的传感器元件10的根据本发明的设备和根据本发明的方法的以下能力：动态且同时还精确地测量不仅氧气浓度c_O2、而且氮氧化物浓度c_NOX。

为此，来自气体混合装置的气体混合物围绕根据图2的传感器元件10流动。该气体混合物由氮气和氧气组成，水含量为1％。相应于由稀燃烧产生的废气，直到时间点2000ms为止，氧气含量相对较高(6％)。相应地，测量出正的泵电流I_P(U_IP>0)。下面，相应于富燃烧，氧含量非常低，其中，氧气缺乏(Sauerstoffmangel)为1.5％。相应地，测量出负的泵电流I_P(U_IP<0)。

在由现有技术已知的方法和已知的分析处理和控制单元的情况下，在通过λ＝1点时(当U_IP＝0mV时)，能够观察到明显的波动(图8a中的虚线)，而借助根据本发明的方法和根据本发明的分析处理和控制单元，该波动几乎完全停止(图8a中的实线)。

在图8b中示出所测量的NOx浓度c_NOx。虽然测量气体实际上不具有NOx分量，但是不仅已知的方法/设备(图8b中的虚线)、而且根据本发明的方法/设备(图8b中的实线)都在通过λ＝1点时显示瞬时不等于零的NOx信号。然而，借助根据本发明的方法/设备，该NOx信号比在借助已知的方法/设备的情况下小得多。

Claims

1.一种用于借助传感器元件(10)确定废气(100)中的氧气浓度(c_O2)的方法，所述传感器元件具有以下：

在所述传感器元件的内部具有空腔(30)，所述空腔通过进入开口(32)与所述废气(100)连接，

在所述传感器元件的内部还具有参考空间(38)，所述参考空间与所述空腔(30)分开，

电化学泵浦电池(36)，所述电化学泵浦电池具有第一电极(16)、第二电极(18)和第一固体电解质(14a)，所述第一电极在所述传感器元件(10)的外侧上暴露在所述废气(100)中，所述第二电极布置在所述空腔(30)中，所述第一电极(16)通过所述第一固体电解质与所述第二电极(18)以传导氧离子的方式连接，

电化学能斯特电池(40)，所述电化学能斯特电池具有第三电极(20)、第四电极(22)和第二固体电解质(14b)，所述第三电池布置在所述空腔(30)中，所述第四电极布置在所述参考空间(38)中，所述第三电极(20)通过所述第二固体电解质与所述第四电极(22)以传导氧离子的方式连接，

其中，所述方法设置，将位于所述空腔(30)中的氧气浓度调节为恒定的值，其方式是：

检测能斯特电压信号，所述能斯特电压信号代表在所述能斯特电池上产生的能斯特电压(U_vs)，

检测或者求取至少一个另外的参量(p)，

由所述能斯特电压信号并且由所述至少一个另外的参量(p)求取经补偿的信号(x)，

将额定值(r)与所述经补偿的信号(x)的差求取为误差信号(e)，

向调节器(62)提供所述误差信号(e)作为输入参量，

将所述调节器(62)的输出参量(u)施加到所述泵浦电池(36)上，使得产生通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P1)，

其中，所述方法设置，输出代表通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P1)的信号，作为所述废气(100)中的氧气浓度(c_O2)的测量参量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个另外的参量(p)是下述参量中的一个参量，或者是包含下述参量中的至少一个参量的多个参量：泵电流信号，所述泵电流信号代表通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P1)；泵浦电池信号，所述泵浦电池信号代表所述泵浦电池(36)上的电压(U_P1)；所述调节器(62)的所述输出参量(u)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一个另外的参量(p)是包含下述参量中的至少两个参量的多个参量：泵电流信号，所述泵电流信号代表通过所述泵浦电池的电流(I_P1)；泵浦电池信号，所述泵浦电池信号代表所述泵浦电池(36)上的电压(U_P1)；所述调节器(62)的所述输出参量(u)；所述经补偿的信号(x‘)的时间延迟的值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述至少两个参量中的一个参量是所述经补偿的信号(x‘)的时间延迟的值。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，除了所述氧气浓度(c_O2)之外，确定所述废气(100)中的氮氧化物浓度(c_NOx)，其方式是：

所述传感器元件(10)在所述传感器元件的内部具有另外的空腔(31)，所述另外的空腔与所述空腔(30)连接，所述传感器元件(10)具有另外的泵浦电池(37)，所述另外的泵浦电池具有第五电极(24)、第六电极(26)和第三固体电解质(14c)，所述第五电极布置在所述另外的空腔(31)中，所述第六电极布置在所述另外的空腔(31)之外，所述第三固体电解质将所述第五电极(22)和所述第六电极(24)以传导氧离子的方式相互连接，

其中，所述方法设置，将电压(U_P2)施加到所述另外的泵浦电池(37)上，并且输出代表所产生的、通过所述第二泵浦电池(37)的电流(I_P2)的参量，作为所述废气中的氮氧化物浓度(c_NOx)的测量参量。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将所述传感器元件(10)的温度调节为预给定的温度，其方式是：所述传感器元件(10)具有能够从外部接通的电阻加热器(44)，并且所述方法设置，检测代表所述传感器元件(10)的温度的温度信号，并且将所述温度信号与另外的额定值进行比较，并且另外的调节器如此操控所述电阻加热器(44)的电供给，使得所述传感器元件(10)具有所述预给定的温度。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述调节器(62)的所述输出参量(u)是施加到所述泵浦电池(36)上的电压，使得产生通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P1)。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，由所述能斯特电压信号和所述至少一个另外的参量(p)求取所述经补偿的信号(x)，将所述经补偿的信号求取为所述能斯特电压信号与以下信号的和：所述信号由所述至少一个另外的参量(p)通过高通滤波和/或带通滤波得出。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述高通滤波和/或带通滤波将低于0.5Hz的频谱分量以至少3dB衰减。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述高通滤波和/或带通滤波将2Hz与5Hz之间的频谱分量以小于3dB衰减。

11.一种计算机程序，所述计算机程序设置用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法的步骤。

12.一种非易失性存储器，在所述非易失性存储器上存储有根据前一项权利要求所述的计算机程序。

13.一种分析处理和控制单元，所述分析处理和控制单元包括根据前一项权利要求所述的非易失性存储器。

14.尤其根据前一项权利要求所述的用于求取废气(100)中的氧气浓度(c_O2)的分析处理和控制单元，其中，为了与具有以下的传感器元件(10)共同作用：

电化学能斯特电池(40)，所述电化学能斯特电池具有第三电极(20)、第四电极(22)和第二固体电解质(14b)，所述第三电池布置在所述空腔(30)中，所述第四电极布置在参考空间(38)中，所述第三电极(20)通过所述第二固体电解质与所述第四电极(22)以传导氧离子的方式连接，

所述分析处理和控制单元(60)具有以下：

输入端(61)，以用于检测能斯特电压信号，所述能斯特电压信号代表在所述能斯特电池上产生的能斯特电压(U_VS)，

信息处理单元(63)，以用于由所述能斯特电压信号并且由至少一个另外的参量(p)求取经补偿的信号(x)，

减法器(64)，以用于将额定值(r)与所述经补偿的信号(x)的差求取为误差信号(e)，

调节器(62)，以用于向所述调节器提供所述误差信号(e)作为输入参量，

输出端(65)，以用于将所述调节器(62)的输出参量(u)输出给所述泵浦电池(36)，使得实现通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P1)，其目标是将位于所述空腔(30)中的氧气浓度调节为恒定的值，并且用于输出代表通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P1)的信号，作为所述废气(100)中的氧气浓度(c_O2)的测量参量。

15.根据前一项权利要求所述的分析处理和控制单元，其特征在于，所述至少一个另外的参量(p)是下述参量中的一个参量，或者是包括下述参量中的至少一个参量的多个参量：泵电流信号，所述泵电流信号代表通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P1)；泵浦电池信号，所述泵浦电池信号代表所述泵浦电池(36)上的电压(U_P1)；所述调节器(62)的输出参量(u)；

或者，所述至少一个另外的参量(p)是包含下述参量中的至少两个参量的多个参量：泵电流信号，所述泵电流信号代表通过所述泵浦电池(36)的电流(I_P1)；泵浦电池信号，所述泵浦电池信号代表所述泵浦电池(36)上的电压(U_P1)；所述调节器(62)的输出参量(u)；所述经补偿的信号(x‘)的时间延迟的值，其中，尤其所述至少两个参量中的一个参量是所述经补偿的信号(x‘)的时间延迟的值。

16.根据前两项权利要求中任一项所述的分析处理和控制单元，所述分析处理和控制单元另外还用于确定所述废气(100)中的氮氧化物浓度(c_NOx)，其中，所述传感器元件(10)在所述传感器元件的内部具有另外的空腔(31)，所述另外的空腔与所述空腔(30)连接，所述传感器元件(10)具有另外的泵浦电池(37)，所述另外的泵浦电池具有第五电极(24)、第六电极(26)和第三固体电解质(14c)，所述第五电极布置在所述另外的空腔(31)中，所述第六电极(26)布置在所述另外的空腔(31)之外，所述第三固体电解质将所述第五电极(22)和所述第六电极(24)以传导氧离子的方式相互连接，

其中，所述分析处理和控制单元(60)具有输出端(65)，以用于将电压(U_P2)施加到所述另外的泵浦电池(37)上；并且具有输入端(61)，以用于检测代表所产生的、通过所述第二泵浦电池(37)的电流(I_P2)的参量；并且还具有输出端(65)，以用于输出代表所产生的、通过所述第二泵浦电池(37)的电流(I_P2)的参量，作为所述废气(100)中的氮氧化物浓度(c_NOx)的测量参量。

17.根据前三项权利要求中任一项所述的分析处理和控制单元，其特征在于，所述分析处理和控制单元具有能够操控的电压源，以用于借助所述调节器(62)的输出信号(u)操控所述分析处理和控制单元，并且用于将所产生的电压(U_P1)施加到所述泵浦电池(36)上。

18.根据前四项权利要求中任一项所述的分析处理和控制单元，其特征在于，所述信号处理单元(63)具有高通滤波器和/或带通滤波器(69)并且具有求和器，以用于将所述经补偿的信号(x)求取为所述能斯特电压信号与以下信号的和：所述信号由所述至少一个另外的参量(p)通过高通滤波和/或带通滤波得出。

19.根据前一项权利要求所述的分析处理和控制单元，其特征在于，所述高通滤波器和/或带通滤波器(69)将低于0.5Hz的频谱分量以至少3dB衰减。

20.根据前两项权利要求中任一项所述的分析处理和控制单元，其特征在于，所述高通滤波器和/或带通滤波器(69)将2Hz与5Hz之间的频谱分量以小于3dB衰减。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的分析处理和控制单元的应用，所述分析处理和控制单元用于执行根据权利要求1至10所述的方法。