DE102004061355A1

DE102004061355A1 - Method and device for controlling a gas measuring probe

Info

Publication number: DE102004061355A1
Application number: DE200410061355
Authority: DE
Inventors: Berndt Cramer; Bernd Schumann; Thorsten Ochs; Helge Schichlein; Sabine Thiemann-Handler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-07-06
Also published as: WO2006067054A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln einer Gas-Messsonde, insbesondere einer Lambdasonde, mit einem Potentiostaten, der über einen Pumpstromzweig den Pumpstrom (I¶P¶) so regelt, dass sich in einer Messzelle (MZ) eine gewünschte Nernstspannung (U¶N¶) einstellt. Eine genaue Regelung der Messsonde wird dadurch erreicht, dass mittels einer Abschaltvorrichtung (S1) im Pumpstromzweig der Pumpstrom (I¶P¶) während der Regelung vorübergehend abgeschaltet wird, so dass während der Abschaltung die Messsonde über den Pumpstromzweig nicht belastet wird, wobei die Abschaltung nur so lange erfolgt, dass die Regelung des Pumpstromes (I¶P¶) gewährleistet bleibt (Fig. 2).The invention relates to a method and a device for regulating a gas measuring probe, in particular a lambda probe, with a potentiostat which regulates the pumping current (I¶P¶) via a pump current branch in such a way that a desired value is obtained in a measuring cell (MZ) Nernst voltage (U¶N¶) sets. Accurate regulation of the measuring probe is achieved by temporarily switching off the pumping current (I¶P¶) during regulation by means of a disconnecting device (S1) in the pumping current branch, so that the measuring probe is not loaded by the pumping current branch during the disconnection only so long that the regulation of the pumping current (I¶P¶) is ensured (Fig. 2).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln einer Gas-Messsonde, insbesondere einer Lambdasonde, mit einem Potentiostaten, der über einen Pumpstromzweig den Pumpstrom so regelt, dass sich in einer Messzelle eine gewünschte Nernstspannung einstellt, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The The invention relates to a method for controlling a gas measuring probe, in particular a lambda probe, with a potentiostat which has a Pump current branch regulates the pumping current so that in a measuring cell a desired Nernst voltage and to an apparatus for carrying out the method.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung zum Regeln einer Gas-Messsonde gehen als im Wesentlichen bekannt aus der DE 103 16 645 A1 mit darin angeführten weiteren Nachweisen hervor. Die Messsonde dient z.B. für die Abgasmessung von Verbrennungsmotoren.Such a method and apparatus for controlling a gas measuring probe are known from the DE 103 16 645 A1 with further evidence cited therein. The measuring probe is used, for example, for the exhaust gas measurement of internal combustion engines.

Derartige amperometrische Festelektrolyt-Abgassensoren bzw. Gas-Messsonden zum Nachweis von Sauerstoff und Schadgasen im Abgas besitzen eine Sensorkammer, die über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgasraum verbunden ist. In der Sensorkammer befindet sich eine innere Pumpelektrode. Sie bildet mit der im Abgas befindlichen äußeren Pumpelektrode eine Pumpzelle, über welche Sauerstoffionen durch das Elektrolytmaterial aus der Sensorkammer heraus oder in diese hineingepumpt werden können. Mit einer weiteren Elektrode, der Luftreferenzelektrode, die sich in einer Referenzluftatmosphäre befindet, bildet die innere Pumpelektrode eine Messzelle, mit der der Sauerstoffpartialdruck in der Sensorkammer gemessen werden kann. Der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer wird dabei über das aus der Thermodynamik bekannte Nernstpotential bestimmt. Die im thermodynamischen Gleichgewicht zwischen der Luftreferenzelektrode und der inneren Pumpelektrode sich ausbildende Potentialdifferenz ist demnach dem Logarithmus des Verhältnisses des Sauerstoffpartialdrucks in der Referenzluftatmosphäre zu dem Sauerstoffpartialdruck der Sensorkammer proportional.such amperometric solid electrolyte exhaust gas sensors or gas measuring probes for detection of oxygen and noxious gases in the exhaust gas have a sensor chamber, the above a diffusion barrier is connected to the exhaust gas space. In the sensor chamber there is an inner pump electrode. It forms with the in the exhaust located outer pumping electrode a pump cell, over which oxygen ions through the electrolyte material from the sensor chamber out or into this can be pumped. With another electrode, the air reference electrode, which is in a reference air atmosphere, the inner pumping electrode forms a measuring cell, with which the oxygen partial pressure can be measured in the sensor chamber. The oxygen partial pressure in the chamber is about determines the Nernstpotential known from thermodynamics. The in the thermodynamic equilibrium between the air reference electrode and the inner pump electrode is forming potential difference hence the logarithm of the relation the oxygen partial pressure in the reference air atmosphere to the Partial oxygen pressure of the sensor chamber proportional.

Durch eine Regelungsschaltung wird die an der äußeren Pumpelektrode anliegende Pumpspannung so eingestellt, dass die zwischen der Luftreferenzelektrode und der inneren Pumpelektrode durch die Potentialdifferenz ausgebildete Nernstspannung und damit der Sauerstoffpartialdruck in der Kammer konstant gehalten werden, beispielsweise bei einer Nernstspannung von 450 mV für lambda = 1 und einer Temperatur von 800°C. Bei magerem Abgas, d.h. lambda > 1, wird in diesem Fall Sauerstoff aus der Sensorkammer nach außen gepumpt, bei fettem Abgas, d.h. lambda < 1, kehrt sich die Pumprichtung um, und es wird Sauerstoff aus dem Abgas (durch Zersetzung von Wasser und Kohlendioxid) in die Sensorkammer gepumpt. Für lambda = 1 im Abgas verschwindet der Pump strom. Der Pumpstrom ist demnach ein eindeutiges Maß für den Sauerstoffpartialdruck im Abgas. Für den Diffusionsgrenzstrom ist der Pumpstrom proportional dem Sauerstoffpartialdruck im Abgas. Zudem hängt der Pumpstrom über den Diffusionskoeffizienten für molekularen Sauerstoff in der Diffusionsbarriere von der Temperatur ab. Für die Einstellung der elektrischen Potentiale und die Wandlung der Elektrodenströme in Spannungssignale werden an sich bekannte elektrochemische Potentiostaten eingesetzt.By a control circuit is applied to the outer pump electrode Pump voltage adjusted so that between the air reference electrode and the inner pumping electrode formed by the potential difference Nernst voltage and thus the oxygen partial pressure in the chamber constant held, for example, at a Nernst voltage of 450 mV for lambda = 1 and a temperature of 800 ° C. With lean exhaust gas, i. lambda> 1, is in this Case of oxygen pumped out of the sensor chamber to the outside, with rich exhaust gas, i.e. lambda <1, the pumping direction reverses and oxygen is released from the exhaust gas (By decomposition of water and carbon dioxide) in the sensor chamber pumped. For lambda = 1 in the exhaust gas, the pump current disappears. The pumping current is accordingly a clear measure of the oxygen partial pressure in the exhaust. For the diffusion limit current, the pumping current is proportional to the oxygen partial pressure in the exhaust. In addition, depends the pumping current over the Diffusion coefficients for molecular oxygen in the diffusion barrier from the temperature from. For the adjustment of the electrical potentials and the conversion of the electrode currents Voltage signals become known electrochemical potentiostats used.

Da die Nernstspannung und der Pumpstrom temperaturabhängig sind, ist es für eine genaue Funktion der Messsonde vorteilhaft, dass das Sensorelement mit einem elektrischen Heizer unabhängig von den Umgebungsbedingungen auf eine fest vorgegebene Betriebstemperatur geregelt wird. Die Regelung der Heizenergie wird durch ein Temperatursignal des Sensorelementes vorgenommen, das beispielsweise mittels einer elektrischen Impedanzmessung der Messsonde zwischen der Luftreferenzelektrode und der inneren Pumpelektrode gewonnen wird. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass der ohmsche Widerstand des Elektrolytmaterials stark temperaturabhängig ist.There the Nernst voltage and the pump current are temperature dependent, is it for an accurate function of the probe advantageous that the sensor element with an electric heater regardless of the ambient conditions is regulated to a fixed predetermined operating temperature. The Control of heating energy is controlled by a temperature signal of the sensor element made, for example by means of an electrical impedance measurement the measuring probe between the air reference electrode and the inner Pump electrode is recovered. The effect is exploited that the ohmic resistance of the electrolyte material is highly temperature dependent.

Die Schaltungsanordnung eines herkömmlichen Potentiostaten mit Impedanzmessung hat den Nachteil, dass die Sollspannung für die Regelung am Potentiostateingang fehlerbehaftet ist und die Impedanzmessung für die Temperaturregelung durch den Potentiostaten verfälscht und dadurch ungenau wird.The Circuitry of a conventional Potentiostats with impedance measurement has the disadvantage that the target voltage for the Control at the potentiostat input is faulty and the impedance measurement for the Temperature control is distorted by the potentiostat and thus becomes inaccurate.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Regeln einer Gas-Messsonde der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch die eine genauere Regelung der Pumpspannung an der äußeren Pumpelektrode erreicht wird.Of the Invention is based on the object, a method and a device to provide for controlling a gas measuring probe of the type mentioned, by a more accurate control of the pumping voltage at the outer pumping electrode is reached.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Bei dem Verfahren ist demnach vorgesehen, dass mittels einer Abschaltvorrichtung im Pumpstromzweig der Pumpstrom während der Regelung vorübergehend abgeschaltet wird, so dass während der Abschaltung die Messsonde über den Pumpstromzweig nicht belastet wird, wobei die Abschaltung nur solange erfolgt, dass die Regelung des Pumpstromes gewährleistet bleibt. Bei der Vorrichtung ist vorgesehen, dass zur Steuerung der Abschaltvorrichtung und gegebenenfalls einer Aufschaltvorrichtung für die Einspeisung des Wechselstroms der Impedanzmesseinrichtung eine Steuereinrichtung vorhanden ist.These Task is with the features of claim 1 and the features of claim 6 solved. In the method, it is accordingly provided that by means of a shutdown device in the pumping current branch, the pumping current during the control temporarily is turned off, so while shutdown the probe over the pumping current branch is not loaded, the shutdown only as long as that ensures the regulation of the pumping current remains. In the apparatus is provided that for controlling the Switch-off and optionally a Aufschaltvorrichtung for the Infeed of the alternating current of the impedance measuring device, a control device is available.

Dabei geht die Erfindung von folgenden Überlegungen aus, die anhand der 1 und 2 erläutert werden. In Bild 2 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild für das Sensorelement der in 1 gezeigten Gas-Messsonde, den inneren Regelkreis eines elektrochemischen Potentiostaten PO in schematischer Form und eine Impedanzmesseinrichtung IM dargestellt. Zuleitungswiderstände zu der äußeren Pumpelektrode APE, der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE sind vernachlässigt. Eine Spannung ULR zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE setzt sich aus einem Gleichanteil und einem Wechselanteil zusammen: ULR = UNIST + RIPE [IP + iLR(t)] = UNIST + RIPE·IP + uLR(t). The invention is based on the following considerations, based on the 1 and 2 be explained. In Figure 2 is an electrical equivalent circuit diagram for the sensor element of in 1 shown gas measuring probe, the inner loop of an electrochemical potentiostat PO in schematic form and an impedance measuring device IM shown. Lead resistances to the outer pumping electrode APE, the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE are neglected. A voltage ULR between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE is composed of a DC component and an AC component: ULR = UNIST + RIPE [I P + iLR (t)] = UNIST + RIPE · I P + uLR (t).

Hierin sind UNIST die Nernstspannung der Messzelle MZ und uLR die Wechselspannung, die aus der Impedanzanregung mit dem Wechselstrom iLR der Impedanzmesseinrichtung IM resultiert. Die Amplitude der resultierenden Wechselspannung |uLR| ist ein Maß für den Betrag der Impedanz der Strecke zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE. Der Widerstand RIPE des Elektrolyten zwischen der inneren Pumpelektrode IPE und der Luftreferenzelektrode LR multipliziert mit dem Pumpstrom I_P ist ein ohmscher Spannungsabfall, der aufgrund des Stromflusses durch den Elektrolyten längs der Strecke Luftreferenzelektrode LR zur inneren Pumpelektrode IPE entsteht und nachfolgend auch IR-Spannungsabfall genannt wird. Der in 2 weiterhin gezeigte Widerstand RAPE ist der Widerstand der Strecke zwischen der äußeren Pumpelektrode APE und der Luftreferenzelektrode LR. Für den gesamten ohmschen Widerstand des Elektrolyten gilt RGES = RIPE + RAPE. Wie sich die Widerstandsanteile RIPE und RAPE auf den Gesamtwiderstand RGES verteilen, ist nicht direkt messbar und hängt von der jeweiligen Sensorgeometrie ab. Zur Messung der Impedanz wird an der Luftreferenzelektrode LR der Wechselstrom iLR mit konstanter Amplitude eingeprägt, der über die innere Pumpelektrode IPE nach Masse abschließt.Here, UNIST is the Nernst voltage of the measuring cell MZ and uLR the AC voltage resulting from the impedance excitation with the AC current iLR of the impedance measuring device IM. The amplitude of the resulting AC voltage | uLR | is a measure of the amount of impedance of the path between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE. The resistance RIPE of the electrolyte between the inner pumping electrode IPE and the air reference electrode LR multiplied by the pumping current I _P is an ohmic voltage drop which arises due to the current flow through the electrolyte along the distance air reference electrode LR to the inner pumping electrode IPE and hereinafter also called IR voltage drop , The in 2 Further shown resistance RAPE is the resistance of the path between the outer pumping electrode APE and the air reference electrode LR. For the total ohmic resistance of the electrolyte RGES = RIPE + RAPE applies. How the resistance components RIPE and RAPE distribute themselves to the total resistance RGES is not directly measurable and depends on the respective sensor geometry. In order to measure the impedance, the alternating current iLR with constant amplitude is impressed on the air reference electrode LR and closes off to ground via the inner pumping electrode IPE.

Wie die Erfinder in einer näheren Betrachtung der Schaltungsanordnung eines solchen Potentiostaten PO mit Impedanzmessung gefunden haben, weist diese verschiedene Nachteile auf:

– Im statischen Betrieb, d.h. ohne Impedanzanregung, gilt für die Sollspannung am Potentiostat- bzw. Reglereingang UNSOLL = UNIST + RIPE·IP, d.h. die tatsächliche Nernstspannung UNIST der Messzellen MZ ist gegenüber der Sollspannung UNSOLL um den IR-Spannungsabfall fehlerhaft. Es kann daher für I_P ≠⁣ 0 nicht der gewünschte Sauerstoffpartialdruck pO2K der Sensorkammer eingestellt werden. Erfindungsgemäß wird durch die vorübergehende Abschaltung des Pumpstroms I_P der IR-Spannungsabfall kompensiert, während die Regelung unter Berücksichtigung dieses Spannungsabfalls wieder bei eingeschaltetem Pumpstrom I_P vorgenommen wird, so dass der IR-Spannungsabfall vollständig und unabhängig vom aktuellen Pumpstrom kompensiert wird und der Potentiostat PO auf die tatsächliche Nernstspannung regelt.

As the inventors have found in a closer examination of the circuit arrangement of such potentiostat PO with impedance measurement, this has several disadvantages:

- In static operation, ie without impedance excitation, applies to the setpoint voltage at the potentiostat or controller input UNSOLL = UNIST + RIPE · I P . ie the actual Nernst voltage UNIST of the measuring cells MZ is faulty with respect to the setpoint voltage UNSOLL by the IR voltage drop. It can therefore not be set for I _P ≠ ⁣ 0 the desired oxygen partial pressure pO2K the sensor chamber. According to the invention, the IR voltage drop is compensated by the temporary shutdown of the pump current I _P , while the control is again taking into account this voltage drop when the pump current I _P is switched on, so that the IR voltage drop is completely and independently compensated by the current pump current and the potentiostat PO regulates to the actual Nernst voltage.

Eine genaue Temperaturregelung wird dadurch erhalten, dass während der Abschaltung des Pumpstroms eine an der Messzelle wirksame Impedanzmesseinrichtung zugeschaltet wird, wobei die Ausgestaltung vorteilhaft darin besteht, dass mittels der Impedanzmesseinrichtung ein Wechselstrom konstanter Amplitude in die Messzelle eingespeist wird, dessen Periodendauer höchstens ein Drittel, besser höchstens ein Fünftel oder ein Sechstel der Abschaltdauer beträgt, und dass die Amplitude der sich mit dem Wechselstrom ergebenden Wechselspannung erfasst und als Maß für die Betriebstemperatur der Messsonde und deren Temperaturregelung herangezogen wird, wobei die Häufigkeit der Temperaturmessung (oder Impedanzmessung) so gewählt ist, dass sich bei der Temperaturregelung eine konstante Betriebstemperatur der Messsonde einstellt.A accurate temperature control is obtained by that during the Shutdown of the pumping current an effective at the measuring cell impedance measuring device is switched on, wherein the embodiment is advantageous that by means of the impedance measuring device, an alternating current more constant Amplitude is fed into the measuring cell, the period duration at the most a third, better at most a fifth or one-sixth of the turn-off duration, and that the amplitude which detects AC voltage resulting from the AC and as a measure of the operating temperature the measuring probe and its temperature control is used, wherein the frequency the temperature measurement (or impedance measurement) is chosen so that during the temperature control a constant operating temperature the probe adjusts.

Mit diesen Maßnahmen wird, wie die Erfinder erkannt haben, ein weiterer Nachteil einer herkömmlichen Schaltungsanordnung behoben, der darin besteht, dass im dynamischen Betrieb, d.h. mit Impedanzanregung, der Wechselanteil uLR der Spannung zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE ein periodisches Abweichen von der Spannung ULR von der Sollspannung UNSOLL bewirkt. Der Potentiostat PO regelt dieser Abweichung entgegen, indem er den Strom von der äußeren Pumpelektrode APE zu der inneren Pumpelektrode IPE entsprechend nachführt. Je nach Grenzfrequenz des Potentiostaten PO wird durch dieses Gegenregeln die Amplitude der Wechselspannung uLR mehr oder minder stark gedämpft, im Extremfall (bei sehr schnellem Potentiostaten PO oder sehr kleiner Frequenz der Impedanzanregung) verschwindet die Wechselspannung uLR sogar völlig. Für typischerweise eingesetzte Potentiostaten liegt die Verfälschung der Wechselspannung uLR in der Größenordnung des Messsignals und führt daher zu einem deutlichen Fehler bei der Impedanzmessung. Durch die Zuschaltung der Impedanzmesseinrichtung IM bzw. des Wechselstroms iLR während der Abschaltung des Pumpstroms wird ein Gegenregeln des Potentiostaten PO verhindert, so dass die Impedanzantwort in Form der Wechselspannung uLR des Systems nicht verfälscht wird. Damit ist eine genaue Impedanzmessung und daraus folgend Temperaturregelung möglich.With these measures is, as the inventors have realized, another disadvantage of a usual Fixed circuit arrangement that consists in that dynamic Operation, i. with impedance excitation, the alternating component uLR of the voltage between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE periodically deviating from the voltage ULR from the setpoint voltage Causes UNSOLL. The potentiostat PO regulates this deviation, by taking the current from the outer pumping electrode APE to the inner pumping electrode IPE nachzuführen. ever after limit frequency of the potentiostat PO is determined by this countermeasures the amplitude of the AC voltage uLR more or less attenuated in the Extreme case (with very fast potentiostat PO or very small frequency the impedance excitation) the AC voltage uLR even disappears completely. For typically Potentiostats used is the distortion of the AC voltage uLR in the order of magnitude of the measuring signal and leads therefore a significant error in the impedance measurement. By the Connection of the impedance measuring device IM or the alternating current iLR during the shutdown of the pump current becomes a counter-regulation of the potentiostat PO prevents, so that the impedance response in the form of AC voltage uLR of the system not distorted becomes. This is an accurate impedance measurement and consequent temperature control possible.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung für die Regelung besteht darin, dass die während der Einschaltung des Pumpstroms erfasste, betriebsbezogene Nernstspannung der Messzelle festgehalten wird, dass während der Abschaltung des Pumpstroms die unbelastete wahre Nernstspannung erfasst wird, dass aus einer Abweichung der wahren Nernstspannung und der betriebsbezogenen Nernstspannung eine Fehlergröße ermittelt wird und dass die Fehlergröße einem Reglereingang zugeführt wird und die Abweichung durch den Regler ausgeregelt wird. In dem Zeitraum der Potentiostatabschaltung, in dem kein Pumpstrom I_P durch das Sensorelement fließt, ist die Messzelle MZ unbelastet. Für den statischen Fall, d.h. iLR = 0, entspricht die Spannung zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE dann der Nernstspannung UNIST der Messzelle MZ. Durch den Vergleich mit der Spannung ULR bei fließendem Pumpstrom I_P kann der aktuelle Wert des IR-Spannungsabfalls gemessen werden. Dieser Wert bzw. eine entsprechende Größe wird als zusätzliche Sollspannung UIRK auf den Potentiostat- bzw. Regeleingang geschaltet. Mit diesem Verfahren wird auf die tatsächliche (unbelastete) Nernstspannung der Messzelle MZ geregelt, wodurch sich eine genaue Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks pO2K der Sensorkammer ergibt.An advantageous embodiment of the scheme is that the detected during operation of the pumping current, operating Nernstspannung the measuring cell is held that during the shutdown of the pumping current, the unloaded true Nernst voltage is detected that from a deviation of the true Nernst voltage and the operating Nernstspannung a Error size is determined and that the error size is fed to a controller input and the deviation is compensated by the controller. In the period of Potentiostatabschaltung in which no pumping current I _{P flows} through the sensor element, the measuring cell MZ is unloaded. For the static case, ie iLR = 0, the voltage between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE then corresponds to the Nernst voltage UNIST of the measuring cell MZ. By comparing with the voltage ULR with flowing pump current I _P , the current value of the IR voltage drop can be measured. This value or a corresponding variable is switched to the potentiostat or control input as additional setpoint voltage UIRK. With this method, the actual (unloaded) Nernst voltage of the measuring cell MZ is regulated, resulting in an accurate adjustment of the oxygen partial pressure pO2K of the sensor chamber.

Eine genaue Regelung über längere Dauer wird dabei dadurch sichergestellt, dass unter wiederholter Abschaltung beim Regelungsbetrieb der Messsonde eine fortlaufende Ausregelung der Abweichung durchgeführt wird.A exact regulation over longer Duration is thereby ensured that under repeated Shutdown during control operation of the probe a continuous Adjustment of the deviation is carried out.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, dass die Steuereinrichtung auch zwei Abtast-Halte-Glieder zum Bereitstellen der betriebsbezogenen Nernstspannung und der wahren Nernstspannung und einen Vergleichen zum Ermitteln der Abweichung und eine Zuführvorrichtung der Fehlergröße zu dem Reglereingang des Potentiostaten umfasst.A advantageous embodiment of the device is that the Control means also two sample-and-hold members for providing the operational Nernst voltage and the true Nernst voltage and a comparison for determining the deviation and a feeding device the size of the error Reglereingang the potentiostat includes.

Zeichnungendrawings

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described below with reference to the drawings explained in more detail. It demonstrate:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer Gas-Messsonde, 1 a schematic cross-sectional view of a gas measuring probe,

2 eine schematische Schaltungsanordnung mit einem elektrischen Ersatzschaltbild des Sensorelementes einer Gas-Messsonde, einem Potentiostaten und einer Impedanzmesseinrichtung, 2 a schematic circuit arrangement with an electrical equivalent circuit diagram of the sensor element of a gas measuring probe, a potentiostat and an impedance measuring device,

3 einen zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen einer Luftreferenzelektrode und einer inneren Pumpelektrode vor, während und nach einer Potentiostat-Abschaltung und des zeitlichen Mittelwertes derselben, 3 a time profile of the voltage between an air reference electrode and an inner pumping electrode before, during and after a potentiostat shutdown and the time average of the same,

4 das Prinzip einer Messschaltung für eine zusätzliche Sollspannung für die Regelung, 4 the principle of a measuring circuit for an additional setpoint voltage for the control,

5 zeitliche Verläufe der Spannung zwischen der Luftreferenzelektrode und der inneren Pumpelektrode sowie einer Pumpspannung vor und während der Potentiostat-Abschaltung, wenn ein Wechselstrom der Impedanzmesseinrichtung auch bei angeschaltetem Potentiostaten an der Luftreferenzelektrode anliegt und 5 time profiles of the voltage between the air reference electrode and the inner pumping electrode and a pumping voltage before and during the potentiostat shutdown, when an alternating current of the impedance measuring device is applied to the air reference electrode even when the potentiostat is switched on and

6 Messergebnisse einer Temperaturmessung ohne Potentiostat-Abschaltung und mit einer erfindungsgemäßen Potentiostat-Abschaltung für verschiedene Sauerstoffpartialdrücke des Abgases. 6 Measurement results of a temperature measurement without potentiostat shutdown and with a potentiostat shutdown according to the invention for different oxygen partial pressures of the exhaust gas.

Ausführungsbeispielembodiment

1, auf die auch schon vorstehend Bezug genommen ist, zeigt eine an sich bekannte Gas-Messsonde, insbesondere Lambdasonde für die Abgasmessung von Brennkraftmaschinen mit schematisch angegebener elektrischer Beschaltung. 2, auf die ebenfalls schon vorstehend Bezug genommen ist, zeigt das entsprechende elektrische Ersatzschaltbild des Sensorelementes der Messsonde sowie einen Potentiostaten PO und eine Impedanzmesseinrichtung IM mit einer Abschaltvorrichtung S1 in einem Pumpstromzweig des Potentiostaten PO zu einer äußeren Pumpelektrode APE, mit der ein Pumpstrom I_P unter Steuerung durch eine (nicht gezeigte) Steuereinrichtung im Vergleich zu dem gesamten Regelungsvorgang wiederholt kurzzeitig (für eine Dauer von weniger als 5 % oder weniger als 1 % des Regelbetriebs) abschaltbar ist. Zur Wirkungsweise der Gas-Messsonde wird auf die eingangs gemachten Ausführungen hingewiesen, in denen auch der erfindungsgemäße Aufbau nach 2 prinzipiell schon erläutert ist. Nachfolgend wird auf die Funktionsweise unter Bezugnahme auch auf die übrigen Zeichnungen näher eingegangen. 1 , to which reference has already been made, shows a per se known gas measuring probe, in particular lambda probe for the exhaust gas measurement of internal combustion engines with schematically indicated electrical wiring. 2 , to which reference has also already been made, shows the corresponding electrical equivalent circuit diagram of the sensor element of the measuring probe and a potentiostat PO and an impedance measuring device IM with a shutdown S1 in a pumping current branch of the potentiostat PO to an outer pumping electrode APE, with a pumping current I _P below Control by a (not shown) control device in comparison to the entire control process repeatedly briefly (for a period of less than 5% or less than 1% of the control mode) can be switched off. For the operation of the gas measuring probe reference is made to the statements made in the introduction, in which also the structure according to the invention 2 already explained in principle. In the following, the mode of operation will be described in more detail with reference to the remaining drawings.

In 3 ist der zeitliche Verlauf der Abschaltung des Pumpstromes I_P mittels der Abschaltvorrichtung S1 und die Impedanzmessung mittels der Impedanzmesseinrichtung IM näher dargestellt. Während der Abschaltung ist der Pumpstrom I_P gleich 0 und der Wechselstrom iLR mit der Aufschaltvorrichtung S2 unter Steuerung mittels der Steuereinrichtung aufgeschaltet, d.h. iLR ≠⁣ 0. Für die Spannung ULR zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE ergibt sich ULR = UNIST + uLR. Durch Tiefpassfilterung der Spannung ULR wird aus dieser Spannung die zeitlich gemittelte Spannung ULRTP zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE gebildet. Dadurch verschwindet der Wechselanteil uLR, und es wird die tatsächliche Nernstspannung UNIST der Messzelle MZ gemessen, die also der tiefpassgefilterten Spannung U2 zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IPE entspricht. Vor und nach der Abschaltung, d.h. bei angeschaltetem Potentiostaten PO bzw. eingeschaltetem Pumpstrom I_P, gilt I_P ≠⁣ 0 und für den durch die Impedanzmesseinrichtung IM eingeprägten Wechselstrom iLR = 0. Hinter dem Tiefpass TP wird im belasteten Fall die gemittelte Spannung U1 = UNIST + RIPE·IP gemessen. Wie 4 zeigt, werden die jeweiligen mit dem Tiefpass TP gefilterten, vor der Abschaltung und während der Abschaltung gemessenen Spannungswerte U1 bzw. U2 bis zur nächsten Messung in einem ersten bzw. weiteren Abtast-Halte-Glied SH1, SH2 gespeichert. Aus den tiefpassgefilterten Spannungen U1, U2 vor der Abschaltung bzw. während der Abschaltung wird in einem Vergleicher V die Differenz gebildet und die Abweichung erhalten: UIRK = U1 – U2,wobei die Abweichung als zusätzliche Sollspannung UIRK zur Kompensation bei der Regelung dem Regeleingang des Potentiostaten PO zugeführt wird, wie 2 zeigt. Aus den vorstehenden Gleichungen ergibt sich UIRK = RIPE·IP,d.h. es wird der aktuelle IR-Spannungsabfall gemessen. Ferner gilt mit der Sollspannung UNSOLL + UIRK = UNIST + RIP·IP und mit den obigen Beziehungen ferner UNSOLL = UNIST. In 3 the time course of the shutdown of the pumping current I _P by means of the shutdown device S1 and the impedance measurement by means of the impedance measuring device IM is shown in more detail. During the shutdown, the pumping current I _{P is} equal to 0 and the alternating current iLR is connected to the connection device S2 under the control of the control device, ie iLR ≠ ⁣ 0. For the voltage ULR between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE, ULR = UNIST + ULR. By low-pass filtering the voltage ULR from this voltage, the time-averaged voltage ULRTP between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE formed. As a result, the alternating component uLR disappears, and the actual Nernst voltage UNIST of the measuring cell MZ is measured, which corresponds to the low-pass filtered voltage U2 between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IPE. Before and after the shutdown, ie when the potentiostat PO or the pumping current I _P is switched on, I _P ≠ ⁣ 0 and for the alternating current iLR = 0 impressed by the impedance measuring device IM. After the low pass TP, the averaged voltage is in the loaded case U1 = UNIST + RIPE · I P measured. As 4 shows, the respective filtered with the low-pass TP, measured before shutdown and during shutdown voltage values U1 and U2, respectively, to the next measurement in a first and further sample-and-hold circuit SH1, SH2 stored. From the low-pass filtered voltages U1, U2 before the shutdown or during the shutdown, the difference is formed in a comparator V and the deviation is obtained: UIRK = U1 - U2, wherein the deviation is supplied as additional target voltage UIRK for compensation in the control of the control input of the potentiostat PO, such as 2 shows. From the above equations follows UIRK = RIPE · I P . ie the current IR voltage drop is measured. Furthermore, with the target voltage UNSOLL + UIRK = UNIST + RIP · I P and further with the above relationships UNSOLL = UNIST.

Der IR-Spannungsabfall kann demnach mit dem vorgestellten Verfahren vollständig und unabhängig vom aktuellen Pumpstrom I_P kompensiert werden, so dass der Potentiostat PO auf die tatsächliche Nernstspannung regeln kann.The IR voltage drop can thus be compensated completely and independently of the current pumping current I _P using the method presented, so that the potentiostat PO can regulate the actual Nernst voltage.

Für den Fall vollständiger Kompensation befindet sich das System an der Stabilitätsgrenze, bei hoher Abschaltfrequenz kann das System instabil werden. Es ist dann notwendig, nur eine Kompensationsspannung x·UIRK mit 0 < x < 1 auf den Potentiostat- bzw. Regeleingang zurückzuführen.In the case complete Compensation is the system at the stability limit, at high cut-off frequency, the system may become unstable. It is then only one compensation voltage x · UIRK with 0 <x <1 on the potentiostat or control input due.

Die Potentiostat-Abschaltung bzw. Abschaltung des Pumpstromes I_P wird periodisch durchgeführt, so dass eine kontinuierliche Nachführung der zusätzlichen Sollspannung UIRK möglich ist. Dabei wird die Abschaltdauer und Abschaltperiode so gewählt, dass der statische Sensorbetrieb bzw. Regelungsbetrieb nicht beeinträchtigt wird. Laboruntersuchungen haben ergeben, dass dies für eine Abschaltdauer < 5 % der Betriebszeit gewährleistet ist. Generell sollten Abschaltdauer und Abschaltperiode so klein wie möglich gewählt werden.The potentiostat shutdown or shutdown of the pumping current I _P is performed periodically, so that a continuous tracking of the additional target voltage UIRK is possible. In this case, the switch-off duration and switch-off period are selected so that the static sensor operation or control operation is not impaired. Laboratory studies have shown that this is guaranteed for a shutdown <5% of the operating time. In general, the switch-off duration and switch-off period should be selected as small as possible.

Nachfolgend wird die vorstehend ebenfalls schon angesprochene Impedanzmessung insbesondere unter Bezugnahme auf die 2, 3 und 5 näher erläutert. Für den Wechselanteil der Spannung ULR zwischen der Luftreferenzelektrode LR und der inneren Pumpelektrode IP gilt bei ausreichend hoher Frequenz der Impedanzanregung, d.h. des Wechselstroms iLR, für das sich daraus ergebende Impedanzsignal in Form der Wechselspannung uLR uLR = RIPE·iLR,wobei sich der elektrische Widerstand RIPE des Elektrolyten in Abhängigkeit der Sensortemperatur ändert. Bei konstanter Amplitude des Wechselstroms iLR ist die Amplitude der Wechselspannung uLR demnach ein Maß für die Sensortemperatur, denn der Widerstand RIPE ist thermisch aktiviert.Hereinafter, the above-also already mentioned impedance measurement in particular with reference to the 2 . 3 and 5 explained in more detail. For the alternating component of the voltage ULR between the air reference electrode LR and the inner pumping electrode IP, the impedance excitation, ie the alternating current iLR, applies at the sufficiently high frequency for the resulting impedance signal in the form of the alternating voltage uLR uLR = RIPE · iLR, wherein the electrical resistance RIPE of the electrolyte changes as a function of the sensor temperature. With a constant amplitude of the alternating current iLR, the amplitude of the alternating voltage uLR is therefore a measure of the sensor temperature, because the resistor RIPE is thermally activated.

Das Impedanzsignal geht als Störung in den Potentiostat-Regelkreis ein. Wie in 5 für den Fall eines rechteckförmigen Impedanzstroms iLR bzw. einer Impedanzanregung dargestellt, wird das Impedanzsignal bei angeschaltetem Potentiostaten PO verzerrt, da der Potentiostat PO durch Nachführen der Spannung UAPELR zwischen der äußeren Pumpelektrode APE und der Luftreferenzelektrode LR dem Wechselanteil uLR entgegenregelt. Die Stärke der Verzerrung hängt von der jeweiligen Bauart, dem aktuellen Innenwiderstand und den Frequenzeigenschaften des verwendeten Potentiostaten PO ab.The impedance signal enters the potentiostat control circuit as a fault. As in 5 In the case of a rectangular impedance current iLR or an impedance excitation, the impedance signal is distorted when the potentiostat PO is switched on, since the potentiostat PO counteracts the alternating component uLR by feeding the voltage UAPELR between the outer pumping electrode APE and the air reference electrode LR. The magnitude of the distortion depends on the particular design, the current internal resistance and the frequency characteristics of the potentiostat PO used.

Während der Abschaltung entfällt das Gegenregeln des Potentiostaten PO, der zeitliche Verlauf des Impedanzsignals ist rechteckförmig, und aus seiner Amplitude kann der Widerstand RIPE mit höherer Genauigkeit bestimmt werden, wie 5 erkennen lässt.During the shutdown eliminates the counter-regulation of the potentiostat PO, the timing of the impedance signal is rectangular, and from its amplitude, the resistance RIPE can be determined with higher accuracy, such as 5 lets recognize.

Aus der Impedanzmessung wird ein Temperatursignal bestimmt, das der Amplitude der Wechselspannung uLR proportional ist. In 6 sind Verläufe dieses Temperatursignals bei Variation des Sauerstoffpartialdrucks im Abgas pO2A gezeigt. Im Fall ohne Abschaltung ist das Temperatursignal bei gleicher Temperatur kleiner als im Fall mit Abschaltung, da die Amplitude des Impedanzsignals ohne Abschaltung durch das Gegenregeln des Potentiostaten PO gedämpft und verzerrt ist. Diese Fehlerquelle entfällt während der Abschaltung.From the impedance measurement, a temperature signal is determined which is proportional to the amplitude of the AC voltage uLR. In 6 are curves of this temperature signal with variation of the oxygen partial pressure in the exhaust gas pO2A shown. In the case without shutdown, the temperature signal at the same temperature is smaller than in the case of shutdown, since the amplitude of the impedance signal is attenuated and distorted without shutdown by the counter-regulation of the potentiostat PO. This source of error is eliminated during the shutdown.

Außerdem zeigt das Temperatursignal bei abgeschaltetem Potentiostaten eine Querempfindlichkeit zu dem Sauerstoffpartialdruck des Abgases pO2A. Dieser Effekt wird durch die unterschiedlichen Pumpströme I_P verursacht, die den jeweiligen Sauerstoffpartialdrücken des Abgases entsprechen. Hierdurch ändert sich der Potentiostat-Innenwiderstand, der in die Messung eingeht. Diese Fehlerquelle wird bei abgeschaltetem Potentiostaten PO ebenfalls vermieden.In addition, the temperature signal shows a cross-sensitivity to the oxygen partial pressure of the exhaust gas pO2A with the potentiostat off. This effect is caused by the different pumping currents I _P , which correspond to the respective oxygen partial pressures of the exhaust gas. This changes the potentiostat internal resistance, which is included in the measurement. This error source is also avoided when the potentiostat PO is switched off.

Eine weitere Anwendung der Potentiostat-Abschaltung ergibt sich aus der Messung der Abweichung zwischen den Spannungen U1 und U2 bzw. derzusätzlichen Sollspannung UIRK. Der Widerstand RIPE kann aus einer der vorstehend angegebenen Gleichungen zu RIPE = UIRK/IP bestimmt werden. Dazu muss entweder der Pumpstrom I_P durch die äußeren Bedingungen festgelegt sein (Eichbetrieb bei definiertem Sauerstoffpartialdruck des Abgases pO2A und Sensortemperatur), oder aber die zusätzliche Sollspannung UIRK muss durch den aktuellen Messwert des Pumpstromes I_P dividiert werden. Der erste Fall hat den Nachteil, dass der Widerstand RIPE nur im Eichbetrieb und nicht im Normalbetrieb zur Verfügung steht. Der zweite Fall erfordert zusätzlichen Schaltungsaufwand. Vorteilhaft ist in beiden Fällen, dass eine Impedanzmessvorrichtung IM entfallen kann.Another application of the potentiostat shutdown results from the measurement of the deviation between the voltages U1 and U2 and the additional setpoint voltage UIRK. The resistor RIPE can be obtained from one of the equations given above RIPE = UIRK / I P be determined. For this purpose, either the pumping current I _P must be determined by the external conditions (calibration operation at defined oxygen partial pressure of the exhaust gas pO2A and sensor temperature), or else the additional setpoint voltage UIRK must be divided by the current measured value of the pumping current I _P. The first case has the disadvantage that the resistor RIPE is only available in calibration mode and not in normal operation. The second case requires additional circuitry. It is advantageous in both cases that an impedance measuring device IM can be omitted.

Claims

Method for regulating a gas measuring probe, in particular a lambda probe, with a potentiostat PO that regulates the pumping current (I _P ) via a pump current branch so that a desired Nernst voltage (U _N ) is established in a measuring cell (MZ), characterized in that the pumping current (I _P ) is temporarily switched off during the control by means of a disconnection device (S1) in the pumping current branch, so that the measuring probe is not loaded via the pumping current branch during disconnection, the disconnection taking place only so long as the regulation of the pumping current (I _P ) is guaranteed.

A method according to claim 1, characterized in that during the switching off of the pumping current (I _P ) an effective at the measuring cell (MZ) impedance measuring device (IM) is switched on.

Method according to claim 2, characterized in that that by means of the impedance measuring device IM an alternating current (iLR) constant amplitude is fed into the measuring cell (MZ) whose Period duration at most one-third of the shut-off duration is, and that the amplitude the alternating voltage (uLR) resulting from the alternating current (iLR) recorded and as a measure of the operating temperature of Measuring probe and its temperature control is used, wherein the frequency the impedance measurement chosen is that in the temperature control, a constant operating temperature the probe adjusts.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that during operation of the pumping current (I _P ) detected, operating Nernstspannung (U1) of the measuring cell (MZ) is recorded, that during the switching off of the pumping current (I _P ), the unloaded true Nernst voltage (U2) it is detected that an error variable is determined from a deviation of the true Nernst voltage (U2) and the operating Nernst voltage (U1) and that the error variable is fed to a controller input and the deviation is compensated by the controller.

Method according to claim 5, characterized in that that under repeated shutdown during control operation of the probe a continuous adjustment of the deviation is carried out.

Apparatus for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized in that for controlling the shutdown device (S1) and optionally a Aufschaltvorrichtung (S2) for the feed of the alternating current (iLR) of the impedance measuring device (IM) a control device is available.

Device according to claim 6, characterized in that the control device also has two sample-and-hold elements (SH1, SH2) for providing the operational Nernst voltage (U1) and the true Nernst voltage (U2) and a comparator (V) for Determining the deviation and a feeding device of the error size to the Regulator input of the potentiostat (PO) includes.