DE102009001242A1 - Sensor element e.g. four-wire-sensor element, for solid electrolyte gas sensor i.e. broadband-lambda sensor, has electrodes that are not contacted from outer side, and controller or regulator for executing dynamic measuring principle - Google Patents

Sensor element e.g. four-wire-sensor element, for solid electrolyte gas sensor i.e. broadband-lambda sensor, has electrodes that are not contacted from outer side, and controller or regulator for executing dynamic measuring principle Download PDF

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Berndt Cramer
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells

Abstract

The element (400) has a gas-tight pump chamber (420), an electrode (410) arranged in the pump chamber, and another electrode. The electrodes are not contacted from outer side, and a controller or regulator is realized for executing a dynamic measuring principle by supplying an electrical voltage to the electrodes. A diffusion-limited chamber limited by an autonomous pump cell is designed as a hollow chamber and filled with porous material. An internal heater (435) is provided for adjusting necessary operating temperature of the sensor element. An independent claim is also included for a method for operating a sensor element.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement für einen Festelektrolytgassensor, einen entsprechenden Festelektrolytgassensor sowie ein Verfahren zu deren Betrieb nach den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a sensor element for a solid electrolyte gas sensor, a corresponding solid electrolyte gas sensor and a method for their operation according to the preambles of the respective independent claims.

Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik sind als Festelektrolyt-Sauerstoffsensoren ausgebildete Breitband-Lambda-Sonden bekannt, mittels derer der Sauerstoffpartialdruck bzw. der Restsauerstoffpartialdruck eines Abgases gemessen werden kann. Diese Sonden bestehen aus einem Festelektrolyt, in dem ein als Pumpkammer dienender Hohlraum angeordnet ist, welcher über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas bspw. einer jeweiligen Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Des Weiteren beinhalten diese Sonden einen mit der Umgebungsluft verbundenen Luftreferenzkanal.in the The field of automotive engineering are as solid electrolyte oxygen sensors trained broadband lambda probes known by means of which the Oxygen partial pressure or the residual oxygen partial pressure of a Exhaust gas can be measured. These probes consist of a solid electrolyte, in which a serving as a pumping chamber cavity is arranged, which via a Diffusion barrier with the exhaust, for example. A respective internal combustion engine communicates. Furthermore, these probes include a Air reference channel connected to the ambient air.

Aus der genannten Pumpkammer wird bei sauerstoffreichem Abgas kontinuierlich Sauerstoff elektrochemisch abgeführt, wobei der dabei auftretende Sauerstoffdiffusionsstrom als Messgröße für den Sauerstoffpartialdruck im Abgas dient. Bei einem Abgas mit Sauerstoffdefizit dreht sich die Pumprichtung um.Out said pumping chamber becomes continuous with oxygen-rich exhaust gas Oxygen eluted electrochemically, wherein the occurring oxygen diffusion stream as a measure of the oxygen partial pressure used in the exhaust. When an exhaust gas with oxygen deficit turns the pumping direction.

Eine solche Breitband-Lambda-Sonde stellt ein drei elektrische Kontakte aufweisendes Dreielektrodensystem dar und benötigt deshalb, zusammen mit einem integrierten Heizelement (mit zwei Kontakten), insgesamt fünf Kontakte, welche einem Steuer-/Auswertegerät der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung (Pumpspannung) zwischen einer äußeren Pumpelektrode und einer inneren Pumpelektrode werden bekanntermaßen Sauerstoffionen von der innere Pumpelektrode zur äußeren Pumpelektrode oder umgekehrt transportiert. Die innere Pumpelektrode befindet sich in einer durch eine Diffusionsbarriere vom Abgas abgetrennten Pumpkammer. Durch diese Barriere wird die nachströmende Gasmenge in die Kammer begrenzt. Zusätzlich befindet sich eine Referenzelektrode in einem nach außen geführten Luftreferenzkanal mit konstantem Sauerstoffpartiafdruck.A Such broadband lambda probe provides three electrical contacts having three-electrode system and therefore requires, together with an integrated heating element (with two contacts), a total of five contacts, which a control / evaluation of the internal combustion engine be supplied. By applying an electrical voltage (pump voltage) between an outer pumping electrode and an inner pumping electrode are known to be oxygen ions from the inner pumping electrode to the outer pumping electrode or vice versa transported. The inner pumping electrode is located in a through a diffusion barrier separated from the exhaust gas pumping chamber. By this barrier will be the inflowing Gas volume limited in the chamber. In addition there is a reference electrode in one outward out Air reference channel with constant oxygen partial pressure.

Die Pumpspannung zwischen der äußeren und inneren Pumpelektrode wird im Stand der Technik so geregelt, dass sich an einer aus der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode gebildeten Nernstzelle eine konstante Spannung einstellt. Prinzipiell kann die Pumpspannung sowohl positive als auch negative Werte annehmen. Bei positiver Pumpspannung wird Sauerstoff aus der Pumpkammer herausgepumpt. Eine negative Pumpspannung erzwingt einen Transport von Sauerstoff in die Zelle, welcher dort mit den durch die Barriere diffundierenden Fettgasen abreagiert. Die Sauerstoffionen werden an der Außenelektrode durch Zersetzung von CO2 und H2O gewonnen.The pumping voltage between the outer and inner pumping electrodes is regulated in the prior art so that a constant voltage is established at a Nernst cell formed from the reference electrode and the inner pumping electrode. In principle, the pumping voltage can assume both positive and negative values. With a positive pumping voltage, oxygen is pumped out of the pumping chamber. A negative pumping voltage forces a transport of oxygen into the cell, which reacts there with the fat gases diffusing through the barrier. The oxygen ions are recovered at the outer electrode by decomposition of CO 2 and H 2 O.

Mittels der Regelung wird der Sauerstoffpartialdruck auf einen konstanten, niedrigen Wert eingestellt. Durch den auftretenden Gradienten des Sauerstoffpartialdrucks über die Diffusionsbarriere ergibt sich ein der Differenz der Partialdrücke proportionaler Diffusionsteifchenstrom. Der Pumpstrom durch den Festelektrolyten entspricht dieser nachströmenden Teilchenmenge unter Berücksichtigung der Ladungszahl. Über dem Sauerstoffpartialdruck aufgetragen ergibt sich eine lineare Kennlinie des Pumpstromes. Für den Verlauf des Pumpstromes über der Luftzahl Lambda muss, ausgehend vom gemessenen Sauerstoffpartialdruck im Abgas, auf die Luftzahl, welche nur für den Bereich vor der Verbrennungsreaktion definiert ist, zurückgerechnet werden.through the control is the oxygen partial pressure to a constant, set low value. Due to the occurring gradient of Oxygen partial pressure over the diffusion barrier results in a diffusion stirrer stream proportional to the difference of the partial pressures. The pumping current through the solid electrolyte corresponds to this inflowing particle quantity considering the charge number. about The oxygen partial pressure results in a linear Characteristic of the pumping current. For the course of the pumping current over The air ratio lambda must, starting from the measured oxygen partial pressure in the exhaust gas, on the air ratio, which only for the area before the combustion reaction is defined, recalculated become.

Darüber hinaus sind so genannte Mischpotenzialsensoren bekannt, welche ähnlich einer Lambda Sprungsonde aufgebaut sind und aus einer elektrochemischen Zelle bestehen, bei der sich eine erste Platin-Elektrode im Abgas befindet. Eine zweite Platin-Elektrode wird durch den Festelektrolyten vom Abgasraum getrennt und befindet sich mittels eines genannten Luftreferenzkanals im Ausgleich mit der Umgebungsluft.Furthermore So-called mixed potential sensors are known, which are similar to one Lambda jump probe are constructed and made of an electrochemical Cell exist in which a first platinum electrode in the exhaust located. A second platinum electrode is separated from the exhaust gas space by the solid electrolyte and is located by means of a said air reference channel in compensation with the ambient air.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schlägt vor, bei einem hier betroffenen Festelektrolytgassensor ein dynamisches Messprinzip vorzusehen, mittels dessen die Zahl der erforderlichen elektrischen Kontakte reduziert bzw. minimiert werden kann.The present invention proposes before, in a solid electrolyte gas sensor affected here a dynamic Provided by measuring the number of required electrical contacts can be reduced or minimized.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das dynamische Messprinzip zwei sich kontinuierlich abwechselnde Betriebs- oder Messphasen, wobei in der ersten Phase ein aktiver Pumpprozess erfolgt und wobei in der zweiten Phase die bei dem aktiven Pumpprozess sich ergebende Regelabweichung erfasst wird.In A preferred embodiment comprises the dynamic measuring principle two continuously alternating operating or measuring phases, wherein in the first phase, an active pumping process takes place and wherein in the second phase, the resulting in the active pumping process Control deviation is detected.

Die in der ersten Phase angewendete Pumpspannung wird bevorzugt so geregelt, dass am Ende der zweiten Phase die Pumpspannung einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Dieser Sollwert korrespondiert mit einem definierten Gaszustand innerhalb der Pumpkammer, wobei die in der ersten Phase angewendete Pumpspannung ein Maß darstellt für die über die Pumpkammer zufließende Sauerstoffmenge, welche ihrerseits einen Rückschluss auf die Sauerstoffkonzentration im Abgas ermöglicht.The the pumping voltage applied in the first phase is preferably regulated that at the end of the second phase, the pumping voltage is a predetermined Setpoint corresponds. This setpoint corresponds to a defined one Gas state within the pumping chamber, where in the first phase applied pumping voltage is a measure for the over the Pumping chamber inflowing Amount of oxygen, which in turn a conclusion on the oxygen concentration allowed in the exhaust.

Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl ein Sensorelement für einen Festelektrolytgassensor mit einer autonomen Pumpkammer, welche eine erste autonome Pumpelektrode sowie eine wenigstens zweite autonome Pumpelektrode aufweist, wobei die wenigstens zwei autonomen Pumpelektroden nicht von außen kontaktiert werden als auch ein Sensorelement für einen Festelektrolytgassensor mit einer autonomen Pumpkammer, welche eine erste autonome Pumpelektrode sowie eine wenigstens zweite autonome Pumpelektrode aufweist, welche von außen mit einer Steuerung, bspw. einer Steuerschaltung, Auswerteschaltung oder dgl., kontaktiert bzw. verbunden werden, wodurch die wenigstens zwei Pumpelektroden von außen in-situ veränderbar sind.The present invention relates both to a sensor element for a solid electrolyte gas sensor with an autonomous pumping chamber, which has a first autonomous pumping electrode and an at least second autonomous pumping electrode, wherein the at least two autonomous pumping electrodes are not contacted from the outside and a sensor element for a solid electrolyte gas sensor with an autonomous pumping chamber, which a first autonomous pumping electrode and at least a second autonomous Pumping electrode, which from the outside with a controller, for example. A control circuit, evaluation circuit or the like., Contacted or connected, whereby the at least two pumping electrodes are externally in situ variable.

Dabei kann vorgesehen sein, dass mittels der genannten Steuerung bevorzugt ein Diffusionsverhalten ähnlich wie bei einer Diffusionsbarriere erreicht wird, und zwar bevorzugt durch Beschaltung der Pumpelektroden mit einem elektrischen Widerstands. Mittels einer solchen Pumpzelle kann demnach die Funktion einer Diffusionsbarriere realisiert werden, wobei die Diffusionsbarriere, im Unterschied zum Stand der Technik, noch während des Betriebs der Pumpzelle (d. h. in-situ) verstellbar bzw. trimmbar ist.there can be provided that preferred by means of said control similar to a diffusion behavior as in a diffusion barrier is achieved, and preferably by wiring the pumping electrodes with an electrical resistance. By means of such a pumping cell, therefore, the function of a Diffusion barrier be realized, the diffusion barrier, in contrast to the prior art, even during operation of the pumping cell (i.e., in-situ) is adjustable or trimmable.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Sensorelement für einen Festelektrolytgassensor mit einer nicht autonomen Pumpkammer, bei der zusätzlich ein diffusionsbegrenzendes Element angeordnet ist und wobei die wenigstens zwei Pumpelektroden von außen kontaktiert werden.The The present invention also relates to a sensor element for a Solid electrolyte gas sensor with a non-autonomous pumping chamber, at the additional a diffusion-limiting element is arranged and wherein the at least two pumping electrodes are contacted from the outside.

In den zuvor genannten beiden Ausführungsformen kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an wenigstens zwei weiteren Elektroden eine Steuerung oder Regelung zur Durchführung des erfindungsgemäßen dynamischen Messprinzips realisiert werden.In the aforementioned two embodiments can by applying an electrical voltage to at least two further electrodes, a control or regulation for carrying out the dynamic according to the invention Measuring principle can be realized.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Festelektrolytgassensor nur zwei elektrische Kontakte bzw. elektrisch kontaktierte Elektroden auf und ist als 3- bzw. 4-Draht-Sensor ausgelegt.In In a preferred embodiment, the solid electrolyte gas sensor according to the invention only two electrical contacts or electrically contacted electrodes on and is designed as 3- or 4-wire sensor.

Der erfindungsgemäße Sensor ermöglicht die Messung diverser Gasspezies und kann als Breitband-Lambda-Sonde eingesetzt werden. Dabei ermöglicht der Sensor die quantitative, selektive Detektion verschiedener Gaskomponenten mit der genannten minimalen Sensorkomplexität. Insbesondere kann der Sensor für die Messung des Sauerstoff- bzw. des Restsauerstoffpartialdrucks verwendet werden, kann jedoch durch Modifikation der äußeren Pumpelektrode (z. B. Mischpotenzialelektrode) an die Detektion verschiedener Gasspezies angepasst werden.Of the inventive sensor allows the Measurement of various gas species and can be used as a broadband lambda probe be used. It allows the sensor the quantitative, selective detection of different gas components with said minimum sensor complexity. In particular, the sensor for the Measurement of the oxygen or the residual oxygen partial pressure used However, by modifying the outer pumping electrode (eg. Mixed potential electrode) to the detection of different gas species be adjusted.

Es ist anzumerken, dass der erfindungsgemäße Festelektrolytgassensor nicht nur im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik mit den genannten Vorteilen einsetzbar ist, sondern auch bei jeglichen Brennkraftmaschinen, Gasbrennern oder dgl., bei denen Lambda-Sonden der hier betroffenen Art zum Einsatz kommen.It It should be noted that the solid electrolyte gas sensor of the present invention not only in the field of automotive engineering with the mentioned Benefits can be used, but also in any internal combustion engine, Gas burners or the like. In which lambda probes of the species concerned here to Use come.

Zeichnungdrawing

Die Erfindung wird nachfolgend, unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen, anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele eingehender beschrieben, aus denen weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervorgehen. In den Zeichnungen werden identische oder funktionell gleiche Merkmale mit übereinstimmenden Bezugszeichen referenziert.The The invention will be described below with reference to the attached drawings. using preferred embodiments described in more detail, from which further features and advantages of Invention emerge. In the drawings, identical or functionally identical features with matching reference numerals referenced.

Im Einzelnen zeigenin the Show individual

1 einen Längsschnitt durch ein Sensorelement einer Breitband-Lambda-Sonde gemäß dem Stand der Technik; 1 a longitudinal section through a sensor element of a broadband lambda probe according to the prior art;

2 einen Querschnitt durch ein Sensorelement eines Mischpotenzialsensors gemäß dem Stand der Technik; 2 a cross section through a sensor element of a mixed potential sensor according to the prior art;

3 einen Längsschnitt durch ein Sensorelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Festelektrolytgassensors; 3 a longitudinal section through a sensor element according to a first embodiment of the solid electrolyte gas sensor according to the invention;

4 einen den 1 und 2 ähnlichen Längsschnitt durch Sensorelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Festelektrolytgassensors; 4 a the 1 and 2 similar longitudinal section through the sensor element according to a second embodiment of the solid electrolyte gas sensor according to the invention;

5 einen den 1 und 2 ähnlichen Längsschnitt durch Sensorelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Festelektrolytgassensors; 5 a the 1 and 2 similar longitudinal section through sensor element according to a third embodiment of the solid electrolyte gas sensor according to the invention;

6 einen den 1 und 2 ähnlichen Längsschnitt durch Sensorelement gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Festelektrolytgassensors; 6 a the 1 and 2 similar longitudinal section through sensor element according to a fourth embodiment of the solid electrolyte gas sensor according to the invention;

7 eine Draufsicht auf einen trimmbaren Widerstandsmäander zur Kalibrierung des Sauerstofftransports in einem erfindungsgemäßen Festelektrolytgassensor; 7 a plan view of a trimmable resistance meander for calibrating the oxygen transport in a solid electrolyte gas sensor according to the invention;

8 eine schematische Darstellung des bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung (5) zugrunde liegenden Messprinzips; 8th a schematic representation of the in the third embodiment of the invention ( 5 ) underlying measurement principle;

9a eine schematische Darstellung der sich aus dem Messprinzip gemäß der 8 ergebenden Sensorspannung über mehrere Messzyklen, wobei gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel die Pumpspannung in einer Phase 2 als Regelgröße dient; und 9a a schematic representation resulting from the measuring principle according to the 8th resulting sensor voltage over several measuring cycles, wherein according to a first embodiment, the pumping voltage in a phase 2 as a controlled variable is used; and

9b eine schematische Darstellung der gemäß 8 sich ergebenden Sensorspannung über einen einzelnen Messzyklus, wobei gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel das Flächenintegral des transienten Verlaufs der Pumpspannung in der Phase 2 als Regelgröße dient. 9b a schematic representation of the according to 8th resulting sensor voltage over a single measurement cycle, wherein according to a second embodiment, the area integral of the transient curve of the pump voltage in phase 2 serves as a controlled variable.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

Im Stand der Technik werden Festelektrolyt-Sauerstoffsensoren vorwiegend zur Messung der Sauerstoffpartialdrucks bzw. des Restsauerstoffpartialdrucks als Breitband-λ-Sonde im Abgas von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die 1 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen einen Festelektrolyten 100 aufweisenden Sauerstoffsensors. Dieses drei Kontakte (nicht gezeigt) aufweisende Dreielektrodensystem benötigt zu sammen mit einem integrierten Heizelement 115, welches zwei Kontakte (nicht gezeigt) erfordert, insgesamt fünf Kontakte, die einem (nicht gezeigten) Steuer-/Auswertegerät der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs zugeführt werden müssen.In the prior art, solid electrolyte oxygen sensors are mainly used for measuring the oxygen partial pressure or the residual oxygen partial pressure as a broadband λ probe in the exhaust gas of motor vehicles. The 1 shows the schematic structure of such a solid electrolyte 100 having oxygen sensor. This three-contact (not shown) having three-electrode system required together with an integrated heating element 115 , which requires two contacts (not shown), a total of five contacts, which must be supplied to a (not shown) control / Auswertegerät the internal combustion engine of the motor vehicle.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung (Pumpspannung) 130 zwischen einer äußeren Pumpelektrode (APE) 135 und einer inneren Pumpelektrode (IPE) 140 werden Sauerstoffionen von der inneren Pumpelektrode (IPE) 140 zur äußeren Pumpelektrode (APE) 135, oder umgekehrt, transportiert. Die innere Pumpelektrode 140 befindet sich in einer durch eine Diffusionsbarriere (poröse Keramik) 145 vom Abgasraum 150 abgetrennten Pumpkammer 155. Durch diese Barriere 145 wird die nachströmende Gasmenge in die Pumpkammer 155 begrenzt. Eine Referenzelektrode (RE) 160 befindet sich in einem nach außen geführten, einen im Wesentlichen konstanten Sauerstoffpartialdruck aufweisenden Luftreferenzkanal 165.By applying an electrical voltage (pump voltage) 130 between an outer pumping electrode (APE) 135 and an inner pumping electrode (IPE) 140 become oxygen ions from the inner pump electrode (IPE) 140 to the outer pumping electrode (APE) 135 , or vice versa, transported. The inner pump electrode 140 is located in one through a diffusion barrier (porous ceramic) 145 from the exhaust room 150 separated pumping chamber 155 , Through this barrier 145 the inflowing gas becomes the pumping chamber 155 limited. A reference electrode (RE) 160 is located in an outwardly directed, a substantially constant oxygen partial pressure having air reference channel 165 ,

Die Pumpspannung 130 zwischen APE 135 und IPE 140 wird so geregelt, dass sich an einer dadurch gebildeten Nernstzelle 170 (Referenzelektrode RE 160 vs. innere Pumpelektrode IPE 140) eine konstante Spannung von URE-IPE = Usoll einstellt. Prinzipiell kann die Pumpspannung 130 sowohl positive als auch negative Werte annehmen. Bei positiver Pumpspannung 130 wird Sauerstoff aus der Pumpkammer 155 herausgepumpt. Eine negative Pumpspannung erzwingt dagegen einen Transport von Sauerstoff in die Pumpkammer 155, welcher dort mit den durch die Barriere 145 diffundierenden Fettgasen abreagiert. Die Sauerstoffionen werden an der Außenelektrode 135 durch Zersetzung von CO2 und H2O gewonnen.The pumping voltage 130 between APE 135 and IPE 140 is regulated so that at a Nernst cell formed thereby 170 (Reference electrode RE 160 vs. inner pumping electrode IPE 140 ) sets a constant voltage of U RE-IPE = U should . In principle, the pumping voltage 130 accept both positive and negative values. At positive pump voltage 130 oxygen gets out of the pumping chamber 155 pumped out. On the other hand, a negative pumping voltage forces a transport of oxygen into the pumping chamber 155 , which there with the through the barrier 145 Abreacted to diffusing fat gases. The oxygen ions are at the outer electrode 135 obtained by decomposition of CO 2 and H 2 O.

Die Regelung auf URE-IPE = Usoll entspricht einer Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks auf einen konstanten, niedrigen Wert. Durch den auftretenden Gradienten des Sauerstoffpartialdrucks über die Diffusionsbarriere 145 ergibt sich ein der Differenz der Partialdrücke proportionaler Diffusionsteilchenstrom. Der Pumpstrom durch den Festelektrolyten 100 entspricht dieser nachströmenden Teilchenmenge unter Berücksichtigung der Ladungszahl.The control on U RE-IPE = U should correspond to a setting of the oxygen partial pressure to a constant, low value. Due to the occurring gradient of the oxygen partial pressure over the diffusion barrier 145 results in the difference of the partial pressures proportional diffusion particle stream. The pumping current through the solid electrolyte 100 corresponds to this inflowing particle quantity taking into account the charge number.

Über den Sauerstoffpartialdruck aufgetragen ergibt sich eine lineare Kennlinie des Pumpstromes. Für den Verlauf des Pumpstromes über der Luftzahl λ muss ausgehend vom gemessenen Sauerstoffpartialdruck im Abgas auf die Luftzahl, welche nur für den Bereich vor der Verbrennungsreaktion definiert ist, zurückgerechnet werden.On the Plotted oxygen partial pressure results in a linear characteristic the pumping current. For the course of the pumping current over the air ratio λ must starting from the measured oxygen partial pressure in the exhaust gas on the Air ratio, which only for the Range defined before the combustion reaction is recalculated become.

Die 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Sensorelement eines Mischpotenzialsensors gemäß dem Stand der Technik. Neben diesen Breitband-Sonden existieren sogenannte Mischpotenzialsensoren, die ähnlich einer Lambda-Sprungsonde (LSF 4.2) aufgebaut sind und aus eine elektrochemische Zelle 300 aufweisen, bei der eine erste Platin-Elektrode 305 im Abgasstrom der jeweiligen Brennkraftmaschine angeordnet ist. Eine zweite Platin-Elektrode 310 wird durch den Festelektrolyten (YSZ) 315 vom Abgasraum 150 separiert und befindet sich über einen Luftreferenzkanal 320 im Ausgleich mit der Umgebungsluft.The 2 shows a cross section through a sensor element of a mixed potential sensor according to the prior art. In addition to these broadband probes exist so-called mixed potential sensors, which are similar to a lambda-jump probe (LSF 4.2) are constructed and an electrochemical cell 300 in which a first platinum electrode 305 is arranged in the exhaust stream of the respective internal combustion engine. A second platinum electrode 310 becomes through the solid electrolyte (YSZ) 315 from the exhaust room 150 separated and is located above an air reference channel 320 in compensation with the ambient air.

Bei der katalytisch aktiven, im Abgasstrom angeordneten Platin-Elektrode 305 stellt sich in der Nähe der Elektrodenoberfläche das elektrochemische Gleichgewicht ein. Bei dieser Standard-Sonde (LSF-Sonde) ergibt sich die Differenz der Elektrodenpotenziale entsprechend der folgenden Nernstgleichung (Gl. 1).In the catalytically active, arranged in the exhaust stream platinum electrode 305 In the vicinity of the electrode surface, the electrochemical equilibrium is established. With this standard probe (LSF probe) the difference of the electrode potentials results according to the following Nernst equation (equation 1).

Figure 00070001
Figure 00070001

Durch Modifikation der äußeren Sensorefektrode SE (Aufbringen eines zusätzlichen Elektrodenmaterials oder Austausch des Elektrodenmaterials) verhält sich diese Elektrode 305 nicht mehr entsprechend einer Gleichgewichtselektrode sondern folgt den Eigenschaften einer Mischpotenzialelektrode, deren Elektrodenpotenzial durch die Kinetik der Elektrodenreaktion bestimmt ist. Das Sensorsignal UM ergibt sich aus der Differenz der beiden Elektrodenpotenziale:

Figure 00070002
By modification of the outer sensor electrode SE (application of an additional electrode material or replacement of the electrode material), this electrode behaves 305 no longer according to an equilibrium electrode but follows the properties of a mixed potential electrode whose electrode potential is determined by the kinetics of the electrode reaction. The sensor signal U M results from the difference between the two electrode potentials:
Figure 00070002

Die Referenzelektrode (RE) 310 liegt auf Bezugspotenzial der Messschaltung (GND). Das Referenzpotenzial ist folglich unabhängig von der Gasatmosphäre festgelegt.The reference electrode (RE) 310 is at the reference potential of the measuring circuit (GND). The reference potential is thus determined independently of the gas atmosphere.

Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 200 wird nun anhand des in der 3 gezeigten Längsschnitts durch ein solches Sensorelement beschrieben. Das Sensorelement 200 besteht aus einer elektrochemischen Zelle (zwei Elektroden 215, 205 und sauerstoffionenleitender Festelektrolyt 315, z. B. yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid, YSZ), bei der die erste Elektrode 215 in einer diffusionsbegrenzten Kammer 155 (Hohlraum oder gefüllt mit porösem Material) angeordnet ist. Die zweite Elektrode 205 ist entweder an der Außenseite (nahe dem Abgasstrom 150) des Sensors 200 (Variante 1, 3) oder in einem Luftreferenzkanal 425 (Variante 2, 4, Elektrode ,405') angeordnet.The structure of a sensor element according to the invention 200 will now be based on in the 3 shown longitudinal section through such a sensor element described. The sensor element 200 consists of an electrochemical cell (two electrodes 215 . 205 and oxygen ion-conducting solid electrolyte 315 , z. Yttria-stabilized zirconia, YSZ) in which the first electrode 215 in a diffusion-limited chamber 155 (Cavity or filled with porous material) is arranged. The second electrode 205 is either on the outside (near the exhaust stream 150 ) of the sensor 200 (Variant 1 . 3 ) or in an air reference channel 425 (Variant 2 . 4 , Electrode, 405 ') arranged.

Um eine ausreichende Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten 315, 415 zu erreichen, wird das Sensorelement 200 bzw. 400 durch einen internen Heizer 335, 435 auf die erforderliche Betriebstemperatur eingestellt.To ensure sufficient ionic conductivity of the solid electrolyte 315 . 415 to reach, becomes the sensor element 200 respectively. 400 through an internal heater 335 . 435 adjusted to the required operating temperature.

In der 4 sind die Pumpkammer mit dem Bezugszeichen 420 und die erste Elektrode mit dem Bezugszeichen 410 versehen.In the 4 are the pumping chamber by the reference numeral 420 and the first electrode by the reference numeral 410 Mistake.

Die in den 5 und 6 dargestellten Sensorvarianten 3 und 4 besitzen demgegenüber eine gasdichte Pumpkammer 505, welche entweder als Hohlraum oder gefüllt mit einem porösen Material (definierte Verringerung des Gesamt-Kammervolumens) ausgeführt werden kann.The in the 5 and 6 illustrated sensor variants 3 and 4 In contrast, have a gas-tight pumping chamber 505 , which can be performed either as a cavity or filled with a porous material (defined reduction of the total chamber volume).

Die Gaszutritt bzw. die Gaszutrittsbegrenzung wird bei den Sensor-Varianten 3 und 4 durch eine autonome Pumpzelle gebildet. Es ist allerdings hervorzuheben, dass die vorliegende Erfindung auch bei einer nicht autonomen Pumpzelle mit den hierin beschriebenen Vorteilen eingesetzt werden kann, wie bspw. Den Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4.The gas inlet or the gas inlet limit is in the sensor variants 3 and 4 formed by an autonomous pumping cell. It is to be noted, however, that the present invention may also be applied to a non-autonomous pumping cell having the advantages described herein, such as the embodiments of FIGS 3 and 4 ,

Entsprechend des Sauerstoff-Konzentrationsgradienten zwischen dem Abgas und der gasdichten Pumpzelle 505 ergibt sich eine Nernstspannung (zwei Nernst- bzw. Sauerstoffelektroden, z. B. Pt-Pt), welche im Fall einer belasteten bzw. kurzgeschlossenen Zelle ohne Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung einen Transport von Sauerstoff in die Kammer 505 oder aus der Kammer 505 hinaus bewirkt. Alternativ kann auch eine Mischpotenzialelektrode als äußere autonome Pumpelektrode (AUPE1) 510 verwendet werden, wodurch der Sensor je nach Elektrodenmaterial zur Detektion von Sauerstoff (Mischpotenzialbildung u. a. für HC und CO mit Sauerstoff) als auch zur Detektion weiterer Gasspezies (selektive Mischpotenzialbildung z. B. NH3, NOx, CO, etc.) geeignet ist.According to the oxygen concentration gradient between the exhaust gas and the gas-tight pumping cell 505 This results in a Nernst voltage (two Nernst or oxygen electrodes, eg Pt-Pt), which in the case of a loaded or short-circuited cell without application of an external electrical voltage, a transport of oxygen into the chamber 505 or from the chamber 505 out causes. Alternatively, a mixed potential electrode may also be used as the outer autonomous pumping electrode (AUPE1). 510 Depending on the electrode material, the sensor is suitable for detecting oxygen (mixed potential formation, inter alia, for HC and CO with oxygen) and for detecting further gas species (selective mixed potential formation, eg NH 3 , NO x , CO, etc.).

Die Elektrode bzw. Elektroden sind entsprechend der zu detektierenden Gasspezies (z. B. Sauerstoff, NH3, NOx) entweder Nernstelektroden (z. B. Pt, Pd, Ir, Ta) oder Mischpotenzialelektroden (z. B. Au, Ag, Cu, Zn) oder jeweils Kombinationen aus diesen Materialien bzw. Kombinationen mit weiteren Bestandteilen, insbesondere solche mit keramischen Anteilen wie die so genannten „Cermets”.According to the gas species to be detected (eg oxygen, NH 3 , NO x ), the electrode or electrodes are either Nernst electrodes (eg Pt, Pd, Ir, Ta) or mixed potential electrodes (eg Au, Ag, Cu, Zn) or in each case combinations of these materials or combinations with further constituents, in particular those with ceramic constituents such as the so-called "cermets".

Der Sauerstofftransport kann durch die Belastung der Pumpzelle 505 über einen Widerstand (Leerlauf bis Kurzschluss) eingestellt werden. Dies kann beispielsweise über einen in der 7 gezeigten trimmbaren Widerstandsmäander 700 (z. B. Laserabgleich) erfolgen, der zugleich beim Herstellungsprozess als einfache und günstige Möglichkeit der Sensorkalibrierung (z. B. aufgrund herstellungsbedingter Exemplarstreuung) genutzt werden kann. Unter normalen Herstellungsbedingungen ist im Allgemeinen kein solcher Abgleich erforderlich.The oxygen transport can be due to the load of the pump cell 505 be set via a resistor (open circuit to short circuit). This can be done for example in the 7 shown trimmable resistance meander 700 (eg laser alignment), which can also be used in the manufacturing process as a simple and cost-effective way of calibrating the sensor (eg due to production-related sample scattering). Under normal manufacturing conditions, no such adjustment is generally required.

Die resultierende Spannung ist im Fall von zwei Sauerstoffelektroden durch den sich einstellenden Sauerstoffpartialdruck (Konzentration und/oder Änderung des Absolutdrucks) bestimmt. Durch die Verwendung einer gasdichten Kammer 505 (nur definierter Gaszufluss über die autonome Pumpzelle und durch den aktiven Pumpprozess) können im Vergleich zur Gaszuflussbegrenzung mittels einer (vorbeschriebenen) porösen Diffusionsbarriere 145 (Standard LSP oder LSU; siehe Variante 1 und 2) aufgrund des fehlenden konvektiven Austauschs und folglich Unter- bzw. Überdruck und/oder durch einen sehr geringen Sauerstoffpartialdruck in der Kammer 505 auch Elektrodenspannungen größer |U| > 0,9 V auftreten. Z. B. kann somit auch ohne Vorhandensein eines realen Fett-Gases, resultierend aus einem Unterdruck in der Kammer 505 eine Nernstspannung von größer 450 mV gegen eine Luftreferenz erreicht werden.The resulting voltage is determined in the case of two oxygen electrodes by the self-adjusting oxygen partial pressure (concentration and / or change in the absolute pressure). By using a gastight chamber 505 (Only defined gas flow via the autonomous pump cell and through the active pumping process) can be compared to the gas flow limitation by means of a (previously described) porous diffusion barrier 145 (Standard LSP or LSU, see Variations 1 and 2) due to the lack of convective exchange and consequently to underpressure or overpressure and / or a very low oxygen partial pressure in the chamber 505 also electrode voltages greater | U | > 0.9V occur. Thus, for example, even without the presence of a real rich gas, resulting from a negative pressure in the chamber 505 a Nernst voltage of greater than 450 mV against an air reference can be achieved.

Dieser Effekt kann auch für einen Betrieb einer LSP mit autonomer Pumpzelle (statt Diffusionsbarriere) verwendet werden, welche dann aufgrund des resultierenden negativen Stromes im Fett-Bereich (λ < 1) auch als Breitbandsonde eingesetzt werden kann.This Effect can also for operation of an LSP with autonomous pump cell (instead of diffusion barrier) which are then due to the resulting negative Current in the fat range (λ <1) also as a broadband probe can be used.

Die beschriebene autonome Pumpzelle 505 weist die folgenden Eigenschaften und Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:

  • • Ein Sauerstofftransport ist auch ohne Anlegen einer äußeren Spannung bzw. Stromes möglich und es werden dafür nur zwei weitere elektrische Kontakte benötigt.
  • • Gemäß Variante 3 und 4 erfolgt eine vollständige Trennung der Messelektroden vom Abgas wodurch Vergiftungserscheinungen, Rußablagerung, etc. an den Messelektroden wirksam vermieden werden.
  • • Die Kennlinie des Gaszuflusses über die Sauerstoffionenleitung ist abhängig von der Differenz der Sauerstoffpartialdrücke, d. h. der Konzentration und/oder Änderung des Absolutdrucks zwischen AUPE1 510 und AUPE2 515.
  • • Bei Verwendung zweier Nernstelektroden ergibt sich für die autonome Pumpzelle die Überlagerung einer LSF-Kennlinie UN = f(λ) und einem Anteil aufgrund einer Änderung des Absolutdrucks. Der daraus resultierende Strom bei Belastung oder Kurzschluss führt zu einem Sauerstofftransport durch die Zelle.
  • • Bei Verwendung von mindestens einer Mischpotenzialelektrode ergibt sich für die autonome Pumpzelle die Überlagerung einer Mischpotenzialkennlinie UM = f(λ) (abgeflachte LSF-Kennlinie) und einem Anteil aufgrund einer Änderung des Absolutdrucks. Der daraus resultierende Strom bei Belastung oder Kurzschluss führt zu einem Sauerstofftransport durch die Zelle. Diese Variante kann sowohl als Sauerstoffsensor als auch für die Detektion weiterer Gasspezies verwendet werden.
  • • Die elektrische Verbindung der beiden zur autonomen Zelle (Elektrode 1, AUPE1|Festelektrolyt|Elektrode 2, AUPE2) gehörenden Elektroden kann neben der in 5 beschriebenen Variante (elektrisch-leitende Widerstandsschicht) auch direkt durch die Verwendung eines mischleitenden Festelektrolyten (ionische und elektrische Leitfähigkeit) realisiert werden. Das System ist somit über sich selbst kurzgeschlossen bzw. belastet. Der Belastungsgrad kann durch die Höhe der elektrischen Leitfähigkeit (Materialeigenschaften des Elektrolyten) eingestellt werden.
The described autonomous pump cell 505 has the following characteristics and advantages over the prior art:
  • • An oxygen transport is possible even without applying an external voltage or current and only two more electrical contacts are needed for this.
  • According to variants 3 and 4, the measuring electrodes are completely separated from the exhaust gas, as a result of which poisoning phenomena, soot deposits, etc. at the measuring electrodes are effectively avoided.
  • • The characteristic of the gas flow via the oxygen ion line is dependent on the difference of the oxygen partial pressures, ie the concentration and / or change of the absolute pressure zwi AUPE1 510 and AUPE2 515 ,
  • • When two Nernst electrodes are used, the autonomous pump cell is overlaid with an LSF characteristic U N = f (λ) and a proportion due to a change in the absolute pressure. The resulting current under load or short circuit results in oxygen transport through the cell.
  • • If at least one mixed potential electrode is used, the result for the autonomous pump cell is the superposition of a mixed potential characteristic U M = f (λ) (flattened LSF characteristic) and a component due to a change in the absolute pressure. The resulting current under load or short circuit results in oxygen transport through the cell. This variant can be used both as an oxygen sensor and for the detection of other gas species.
  • • The electrical connection between the two electrodes belonging to the autonomous cell (Electrode 1, AUPE1 | Solid electrolyte | Electrode 2, AUPE2) can be found next to the in 5 described variant (electrically conductive resistance layer) can be realized directly by the use of a mixed conductive solid electrolyte (ionic and electrical conductivity). The system is thus short-circuited or loaded over itself. The load level can be adjusted by the level of electrical conductivity (material properties of the electrolyte).

Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Messprinzip exemplarisch am Beispiel der Variante 3 für die quantitative Detektion von Sauerstoff beschrieben. Für die Detektion weiterer Gasspezies kann, wie bereits beschrieben, ein analoges Messprinzip unter Berücksichtigung der modifizierten Mischpotenzialelektroden verwendet werden. In der 8 ist dazu ein erfindungsgemäßer Sensor 600 inklusive Peripherie (Auswertungs schaltung 605 und Heizerregelung 610) schematisch dargestellt. Die genannte Auswertungschaltung 605 umfasst beispielsweise:

  • • Eine Steuerungseinheit 615 zur zeit-(oder strom- oder ladungs- oder spannungs-)gesteuerten Umschaltung zwischen verschiedenen Modi (Spannungs-, Stromquelle, Belastung, etc.)
  • • Eine Spannungsquelle 620
  • • Eine Stromquelle 625
  • • Eine Spannungsmessung 630
  • • Eine Strommessung bzw. Ladungsmessung 635 sowie
  • • Belastungswiderstände 640, 640', ... (Leerlauf bis Kurzschluss)
In the following, the measurement principle according to the invention is exemplified by the example of the variant 3 for the quantitative detection of oxygen. For the detection of further gas species, as already described, an analog measuring principle can be used taking into account the modified mixed potential electrodes. In the 8th is a sensor according to the invention 600 including peripherals (evaluation circuit 605 and heater control 610 ) shown schematically. The named evaluation circuit 605 includes for example:
  • • One control unit 615 For time (or current or charge or voltage) controlled switching between different modes (voltage, current source, load, etc.)
  • • A voltage source 620
  • • A power source 625
  • • A voltage measurement 630
  • • A current measurement or charge measurement 635 such as
  • • load resistances 640 . 640 ' , ... (open circuit to short circuit)

Für den erfindungsgemäßen Sensor 600 wird ein dynamisches Messprinzip verwendet, welches mindestens aus zwei sich kontinuierlich abwechselnden Phasen 705, 710 besteht (Fall 1, blaue Kennlinie siehe 9a).For the sensor according to the invention 600 a dynamic measuring principle is used, which consists of at least two continuously alternating phases 705 . 710 exists (case 1, blue characteristic see 9a ).

In ,Phase 1' 705 erfolgt ein geregelter (aktiver) Pumpprozess, bei dem als Steuergröße die Spannung U (oder der Strom/oder die Ladungsmenge Q) zwischen PE1 und PE2 zugrunde gelegt werden. In ,Phase 2' 710 wird eine Messung der Regelabweichung durchgeführt, z. B. durch Messung des transienten Spannungsverlaufs bei passiver Belastung der Messelektroden PE1 und PE2 über einen Widerstand. Die Spannungsdifferenz wird somit in Phase 2 als Regelgröße und in Phase 1 als Stellgröße verwendet.In 'Phase 1' 705 a regulated (active) pumping process takes place, in which the voltage U (or the current / or the charge quantity Q) between PE1 and PE2 is taken as the control variable. In 'Phase 2' 710 a measurement of the control deviation is performed, for. B. by measuring the transient voltage curve with passive loading of the measuring electrodes PE1 and PE2 via a resistor. The voltage difference is thus used in phase 2 as a controlled variable and in phase 1 as a manipulated variable.

Die Pumpspannung zwischen PE1 und PE2 UPhase1 wird nun in Phase 1 so geregelt, dass am Ende der Messphase (Phase 2) die Spannung UPhase2 dem Sollwert UPhase2,Soll entspricht. Dies entspricht einem definierten Gaszustand innerhalb der autonomen Pumpkammer. Die dafür notwendige Pumpspannung innerhalb der Phase 1 bzw. der korrespondierende Strom oder Ladungsmenge ist ein Maß für die über die autonome Pumpkammer zufließende Sauerstoffmenge, welche ihrerseits einen Rückschluss auf die Sauerstoffkonzentration im Abgas ermöglicht.The pump voltage between PE1 and PE2 U Phase1 is now controlled in Phase 1 so that at the end of the measurement phase (Phase 2), the voltage U Phase2 corresponds to the setpoint U Phase2, Soll . This corresponds to a defined gas state within the autonomous pumping chamber. The necessary pumping voltage within phase 1 or the corresponding current or charge quantity is a measure of the amount of oxygen flowing in via the autonomous pumping chamber, which in turn makes it possible to draw conclusions about the oxygen concentration in the exhaust gas.

Dabei lassen sich zwei Fälle unterscheiden:

  • Fall 1: Für die notwendige Pumpspannung gilt UPhase1 < 0, d. h Sauerstoff wird über die aktive Pumpzelle in die Kammer hinein gepumpt.
  • Fall 2: Für die notwendige Pumpspannung gilt UPhase1 > 0, d. h Sauerstoff wird über die aktive Pumpzelle aus der Kammer heraus gepumpt.
There are two different cases:
  • Case 1: For the necessary pump voltage U Phase1 <0, d. h Oxygen is pumped into the chamber via the active pumping cell.
  • Case 2: For the necessary pump voltage U Phase1 > 0, d. h Oxygen is pumped out of the chamber via the active pump cell.

Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel wird das Flächen-Integral (Sollwert integral (UPhase2) = 0) des transienten Verlaufes der Spannung in Phase 2 als Regelgröße verwendet (9b). Weitere mögliche Regelgrößen sind der zugehörige Strom oder die Ladungsmenge.According to an alternative embodiment, the area integral (setpoint integral (U phase2 ) = 0) of the transient characteristic of the voltage in phase 2 is used as the controlled variable ( 9b ). Other possible controlled variables are the associated current or the amount of charge.

Je nach Anwendungsfall und Sensorvariante ergeben sich bevorzugte Sollzustände der Pumpkammer (verschiedene Sauerstoffkonzentrationen und verschiedene Absolutdrücke), wie z. B.:

  • • Sollwert ist eine Sauerstoffkonzentration von 21% in der Kammer
  • • Kammer wird auf eine hohe Sauerstoffkonzentration geregelt > 21% (somit existiert für alle Abgaszustände ein Sauerstofffluss aus der Kammer heraus)
  • • Kammer wird auf einem definierten Überdruck gehalten
  • • Kammer wird auf einem definierten Unterdruck gehalten
  • • Kammer wird auf einem fiktiven (da kein Fettgas und nur Unterdruck vorhanden) λ = 1-Zustand geregelt
Depending on the application and sensor variant, there are preferred target states of the pumping chamber (different oxygen concentrations and different absolute pressures), such. B .:
  • • Setpoint is an oxygen concentration of 21% in the chamber
  • • chamber is regulated to a high oxygen concentration> 21% (thus an oxygen flow out of the chamber exists for all exhaust gas conditions)
  • • Chamber is kept at a defined overpressure
  • • Chamber is kept at a defined negative pressure
  • • Chamber is controlled on a fictitious (since there is no grease gas and only negative pressure) λ = 1 state

Prinzipiell kann jeder mögliche Zustand der Kammer als Sollzustand verwendet werden.in principle can anyone possibly State of the chamber can be used as a target state.

Im Falle einer geregelten Pumpspannung in Phase 1 UPhase1 kann zusätzlich zum Gleichspannungsanteil noch eine beliebige Spannungsfunktion überlagert werden. Dies kann z. B. bei Verwendung einer sinusförmigen Spannungsfunktion in einem material- und geometrieabhängigen Frequenz-Bereich (beispielsweise von 1–100 kHz) durch die Bestimmung des Elektrolytwiderstandes für eine Temperaturregelung des Sensors genutzt werden.In the case of a regulated pumping voltage in phase 1 U Phase1 , an arbitrary voltage function can be superposed in addition to the DC voltage component. This can be z. B. when using a sinusoidal voltage function in a material and geometry-dependent frequency range (for example, 1-100 kHz) can be used by the determination of the electrolyte resistance for temperature control of the sensor.

Dabei können z. B. folgende Parameter für die Pumpphase verwendet werden: UPhase1(t) = A·sin(2πf·t) + Bmit:
A = 50 mV
B = geregelter Wert
f = 1 kHz
τPhase1 = 5 ms
τPhase2 = 5 msThis z. B. the following parameters are used for the pumping phase: U Phase1 (t) = A · sin (2πf · t) + B With:
A = 50 mV
B = regulated value
f = 1 kHz
τ phase1 = 5 ms
τ phase2 = 5 ms

In der anschließenden Messphase (Phase 2) wird sprunghaft von dem aktiv eingeprägten Potenzial aus der Pumpphase auf eine passive, definierte Belastung des Elektrodenpotenzials (Widerstand RL) umgestellt (siehe 6). Für die genannte Belastung wird z. B. ein Lastwiderstand von RL = 100 Ω verwendet.In the subsequent measurement phase (phase 2), the actively injected potential from the pumping phase jumps to a passive, defined load of the electrode potential (resistance R L ) 6 ). For the mentioned load is z. B. a load resistance of R L = 100 Ω used.

Im Folgenden wird eine Variante des vorbeschriebenen Messprinzips beschrieben. Bei dieser Variante treten in den beiden Phasen folgende Zustände auf. In Phase 1 wird die Messzelle im Leerlauf (offenen Klemmen) betrieben und ist somit inaktiv. Die autonome Pumpzelle ist entweder belastet oder kurzgeschlossen und die Pumpkammer füllt sich entsprechend der Abgaszusammensetzung mit Sauerstoff oder es wird Sauerstoff aus ihr herausgepumpt. In Phase 2 wird an die Messzelle von außen eine Spannung (Konstantspannung oder Spannungsfunktion) angelegt und somit Sauerstoff in die Kammer oder aus der Kammer heraus gepumpt. Diese zeitliche Länge der Phase 2 kann bestimmt sein durch ein festes Zeitintervall (Messgröße ist der Strom bzw. Ladungsmenge), eine definierte transferierte Ladungsmenge (Messgröße ist die notwendige Transferzeit) oder das Unterschreiten eines vorgegebenen Minimalstroms (Messgröße: Zeit).in the A variant of the above-described measuring principle will be described below. In this variant, the following states occur in the two phases. In phase 1, the measuring cell is operated in idle (open terminals) and is thus inactive. The autonomous pump cell is either loaded or shorted and the pumping chamber fills according to the exhaust gas composition with oxygen or oxygen is pumped out of it. In Phase 2 is connected to the measuring cell from the outside a voltage (constant voltage or voltage function) and thus oxygen in the chamber or pumped out of the chamber. This time length of phase 2 can be determined be by a fixed time interval (measured variable is the current or charge quantity), a defined transferred charge quantity (measured variable is the necessary transfer time) or falling below a predetermined Minimum current (measured variable: time).

Der hier beschriebene Gassensor kann, in Abhängigkeit der Sensorvariante (Aufbau und Elektrodenmaterial), dem angewendeten Messprinzip und der vorliegenden Temperatur, für die quantitative Bestimmung diverser Gasbestandteile verwendet werden, wie bspw. Sauerstoff, brennbare Gase (Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff, Ammoniak, etc.) oder sauerstoffhaltige Gase (Stickoxide, Kohlenstoffmonoxid etc.).Of the here described gas sensor, depending on the sensor variant (Structure and electrode material), the applied measuring principle and the present temperature, for the quantitative determination of various gas components are used, such as oxygen, flammable gases (hydrocarbons, hydrogen, Ammonia, etc.) or oxygen-containing gases (nitrogen oxides, carbon monoxide Etc.).

Claims (17)

Sensorelement für einen Festelektrolytgassensor, welches eine autonome Pumpkammer, einen Heizer und eine in der autonomen Pumpkammer angeordnete erste autonome Pumpelektrode sowie eine wenigstens zweite autonome Pumpelektrode aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei autonomen Pumpelektroden nicht von außen kontaktiert werden und dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an wenigstens zwei weiteren Elektroden eine Steuerung oder Regelung zur Durchführung eines dynamischen Messprinzips realisiert wird.Sensor element for a solid electrolyte gas sensor, which has an autonomous pumping chamber, a heater and a arranged in the autonomous pumping chamber first autonomous pumping electrode and at least a second autonomous pumping electrode, characterized in that the at least two autonomous pumping electrodes are not contacted from the outside and that by applying an electrical Voltage is realized at least two further electrodes, a control or regulation for performing a dynamic measuring principle. Sensorelement für einen Festelektrolytgassensor, welches eine Pumpkammer, einen Heizer, eine in der Pumpkammer angeordnete erste Pumpelektrode, eine wenigstens zweite Pumpelektrode sowie ein diffusionsbegrenzendes Element aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Pumpelektroden von außen kontaktiert werden und dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an wenigstens zwei weiteren Elektroden eine Steuerung oder Regelung zur Durchführung eines dynamischen Messprinzips realisiert wird.Sensor element for a solid electrolyte gas sensor, which has a pumping chamber, a heater, a arranged in the pumping chamber first pump electrode, one at least second pumping electrode and a diffusion-limiting element, characterized characterized in that the at least two pumping electrodes contacted from the outside be and that by applying an electrical voltage to at least two other electrodes, a control or regulation for performing a dynamic measuring principle is realized. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Messprinzip zwei sich kontinuierlich abwechselnde Messphasen umfasst, wobei in einer ersten Phase ein aktiver Pumpprozess erfolgt und wobei in einer zweiten Phase die sich ergebende Regelabweichung erfasst wird.Sensor element according to claim 1 or 2, characterized that the dynamic measuring principle is two continuously alternating Measuring phases, wherein in a first phase, an active pumping process takes place and wherein in a second phase, the resulting control deviation is detected. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der ersten Phase angewendete Pumpspannung so geregelt wird, dass am Ende der zweiten Phase die Spannung einem vorgegebenen Sollwert entspricht.Sensor element according to claim 3, characterized that the pumping voltage applied in the first phase is so regulated is that at the end of the second phase, the voltage a predetermined Setpoint corresponds. Sensorelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Sollwert mit einem definierten Gaszustand innerhalb der Pumpkammer korrespondiert, wobei die in der ersten Phase angewendete Pumpspannung ein Maß ist für die über die Pumpkammer zufließende Sauerstoffmenge, welche ihrerseits einen Rückschluss auf die Sauerstoffkonzentration im Abgas ermöglicht.Sensor element according to claim 4, characterized in that that the predetermined setpoint with a defined gas state within the pumping chamber corresponds, the applied in the first phase Pump voltage is a measure for the over the Pumping chamber inflowing Amount of oxygen, which in turn a conclusion on the oxygen concentration allowed in the exhaust. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine aufgrund des dynamischen Messprinzips reduzierte bzw. minimierte Anzahl an elektrischen Kontakten des Sensorelements.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized by a due to the dynamic measuring principle reduced or minimized number of electrical contacts of the sensor element. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement als 3- bzw. 4-Draht-Sensor ausgelegt ist und nur zwei elektrische Kontakte bzw. elektrisch kontaktierte Elektroden aufweist.Sensor element according to one of the preceding the claims, characterized in that the sensor element is designed as a 3- or 4-wire sensor and has only two electrical contacts or electrically contacted electrodes. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen aus den wenigstens zwei Pumpelektroden und einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyt gebildeten elektrochemischen Zelle, bei der die erste Pumpelektrode in einer diffusionsbegrenzten oder durch eine autonome Pumpzelle zutrittsbegrenzte Kammer angeordnet ist.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized by one of the at least two pumping electrodes and an oxygen ion-conducting one Solid electrolyte formed electrochemical cell, in which the first Pump electrode in a diffusion-limited or by an autonomous Pump cell access limited chamber is arranged. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die diffusionsbegrenzte oder durch eine autonome Pumpzelle zutrittsbegrenzte Kammer als Hohlraum oder mit porösem Material gefüllt ausgebildet ist.Sensor element according to claim 8, characterized that the diffusion-limited or by an autonomous pumping cell Access restricted chamber as cavity or with porous material filled is trained. Sensorelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer gasdicht ausgebildet ist.Sensor element according to claim 8, characterized that the pumping chamber is gas-tight. Sensorelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere dritte Pumpelektrode in einem Luftreferenzkanal oder auf der Außenseite des Sensorelementes angeordnet ist.Sensor element according to one of claims 8 to 10, characterized in that a further third pumping electrode in an air reference channel or on the outside of the sensor element is arranged. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Pumpelektroden entsprechend der zu detektierenden Gasspezies, insbesondere Sauerstoff oder NH3 oder NOxx, entweder als Nernstelektroden, insbesondere aus Pt, Pd, Ir oder Ta, oder als Mischpotenzialelektroden, insbesondere aus Au, Ag, Cu oder Zn, oder aus Kombinationen aus diesen Materialien oder aus Kombinationen mit weiteren Bestandteilen, insbesondere solche mit keramischen Anteilen („Cermets”), ausgebildet sind.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two pumping electrodes corresponding to the gas species to be detected, in particular oxygen or NH 3 or NOx x , either as Nernstelektroden, in particular Pt, Pd, Ir or Ta, or as mixed potential electrodes, in particular Au, Ag, Cu or Zn, or combinations of these materials or combinations with other constituents, in particular those with ceramic portions ("cermets") are formed. Festelektrolytgassensor zur Detektion von Gasen, gekennzeichnet durch ein Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Solid electrolyte gas sensor for the detection of gases, characterized by a sensor element according to one of the preceding Claims. Verfahren zum Betrieb eines Sensorelementes bzw. eines Festelektrolytgassensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung von zu detektierenden Gasen anhand eines dynamischen Messprinzips erfolgt, welches mindestens aus zwei sich kontinuierlich abwechselnden Betriebs- oder Messphasen gebildet ist.Method for operating a sensor element or a solid electrolyte gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the measurement of gases to be detected is based on a dynamic measuring principle takes place, which consists of at least two continuously alternating operating or measuring phases formed is. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsphase ein geregelter Pumpprozess durchgeführt wird, wobei als Steuergröße eine elektrische Größe den wenigstens zwei Pumpelektroden zugrunde gelegt wird und dass in der zweiten Betriebsphase eine Messung der resultierenden Regelabweichung durchgeführt wird.Method according to claim 14, characterized in that that a controlled pumping process is carried out in the first operating phase, as a control variable one electrical size at least is based on two pumping electrodes and that in the second Operating phase, a measurement of the resulting control deviation is performed. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Messung der resultierenden Regelabweichung durch Erfassung des transienten Spannungsverlaufs bei passiver Belastung der wenigstens zwei Pumpelektroden erfolgt.Method according to claim 15, characterized in that that said measurement of the resulting control deviation by detection the transient voltage curve at passive load of at least two pumping electrodes takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpspannung zwischen den wenigstens zwei Pumpelektroden in der ersten Betriebsphase so eingeregelt wird, dass am Ende einer Messphase die Messspannung oder das zugehörige Integral der Messspannung einem Sollwert entspricht, wobei die sich ergebende Pumpspannung oder der korrespondierende Pumpstrom oder die korrespondierende Pumpladungsmenge als Maß für die über die Pumpkammer zufließende Sauerstoffmenge, welche ihrerseits einen Rückschluss auf die Sauerstoffkonzentration im Abgas ermöglicht, angenommen werden.Method according to one of claims 14 to 16, characterized that the pumping voltage between the at least two pumping electrodes is adjusted in the first phase of operation so that at the end of a Measuring phase, the measuring voltage or the associated integral of the measuring voltage corresponds to a desired value, wherein the resulting pumping voltage or the corresponding pumping current or the corresponding one Pumpladungsmenge as a measure of the over the Pumping chamber inflowing Amount of oxygen, which in turn a conclusion on the oxygen concentration allows in the exhaust, be accepted.
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