DE102009029690A1 - Method for determining component concentration of gas in measuring gas chamber of motor vehicle, involves completing evaluation of parameter of gas from measured current and measured voltage change that occurs due to current change - Google Patents

Method for determining component concentration of gas in measuring gas chamber of motor vehicle, involves completing evaluation of parameter of gas from measured current and measured voltage change that occurs due to current change Download PDF

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Thomas Classen
Martin Le-Huu
Benjamin Sillmann
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Abstract

The method involves applying voltage (Up) to a pump cell (118) comprising two electrodes (114, 116) and a solid electrolyte (112) in a measuring phase, where one of the electrodes (114) is arranged in a hollow chamber (120). Current (Ip) i.e. limiting current is measured by the pump cell in the measuring phase. The current is changed around a predetermined value in another measuring phase. Voltage change occurring due to the current change is measured. Evaluation of a parameter of a gas is completed from the current and voltage change. An independent claim is also included for a sensor arrangement for determining a parameter of an exhaust gas in a measuring gas chamber.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusammensetzungen zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde” bekannt sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie, spielen.The The invention is based on known sensor elements, which are based on electrolytic Properties of certain solids based, so the ability this solid to conduct certain ions. such Sensor elements are used in particular in motor vehicles, to measure air-fuel gas mixture compositions in which Case these sensor elements also known as "lambda probe" are and have an essential role in reducing pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology, play.

Mit der so genannten Luftzahl „Lambda” (λ) wird dabei allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen) Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette” Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss) eine Luftzahl λ < 1 auf, wohingegen „magere” Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken. Ausführungsbeispiele und Funktionsprinzipien derartiger Sensorelemente sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: „Sensoren im Kraftfahrzeug”, 1. Auflage 2001, S. 112-117 beschrieben.With the so-called air ratio "lambda" (λ), the relationship between an air mass actually offered and a theoretically required (ie stoichiometric) air mass for combustion is generally referred to in combustion technology. The air ratio is measured by means of one or more sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system of an internal combustion engine. Accordingly, "rich" gas mixtures (ie gas mixtures with a fuel surplus) have an air ratio λ <1, whereas "lean" gas mixtures (ie gas mixtures with a fuel deficiency) have an air ratio λ> 1. In addition to automotive technology, such and similar sensor elements are also used in other areas of technology (in particular combustion technology), for example in aviation technology or in the control of burners, for. B. in heating systems or power plants. Embodiments and functional principles of such sensor elements are, for example, in Robert Bosch GmbH: "Sensors in the motor vehicle", 1st edition 2001, pp. 112-117 described.

Derartige Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Eine Ausführungsvariante ist die so genannte „Sprungsonde”, deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den Fest elektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes ZrO2, YSZ) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt eingesetzt werden.Such sensor elements are now known in numerous different embodiments. One embodiment variant is the so-called "jump probe" whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured. Reference electrode and measuring electrode are connected to one another via the solid electrolyte, wherein doped zirconium dioxide (eg yttrium-stabilized ZrO 2 , YSZ) or similar ceramics are generally used as the solid electrolyte due to its oxygen-ion-conducting properties.

Alternativ oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte Pumpzellen zum Einsatz, bei denen eine elektrische Pumpspannung an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden angelegt wird, wobei ein Pumpstrom durch die Pumpzelle gemessen wird. Die Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die Pumpspannung derart gewählt wird, dass ein durch eine Diffusionsbarriere eintretender Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda einsetzen. In vielen Breitbandsensoren werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen”) und ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lasst sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers” durch Hinzufügen einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Doppelzeller” erweitern.alternative or in addition to jump probes also come so-called Pump cells are used in which an electrical pumping voltage applied to two electrodes connected across the solid electrolyte is, with a pumping current is measured by the pumping cell. The Sensor elements are usually in the so-called limit current operation operated, that is, in an operation in which the pumping voltage is chosen such that a through a diffusion barrier incoming oxygen completely to the counter electrode is pumped. In this mode, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, see above that such sensor elements often as proportional sensors be designated. In contrast to jump sensors can be such Proportionalsensoren as so-called broadband sensors about a comparatively wide range for the air ratio lambda deploy. In many broadband sensors, the sensor principles described above become also combined so that the sensor elements one or more after sensors operating on the jump sensor principle ("cells") and one or more proportional sensors. So let yourself For example, the principle described above, according to the pump cell principle working "single cell" by adding expand a jump cell (Nernst cell) into a "double cell".

Charakteristisches Merkmal der Breitband-Lambdasonden ist, dass sie zumindest theoretisch eine eindeutige, monotone Kennlinie über dem Lambdawert aufweisen, welche idealerweise linear verläuft. Auf diese Weise ermöglichen diese Sensorelemente eine Bestimmung des Sauerstoffgehalts über einen breiten Bereich. In der Praxis hat es sich jedoch gezeigt, dass Breitband-Lambdasonden um den λ = 1-Punkt herum nicht sehr genau arbeiten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass mehrzellige Breitband-Lambdasonden eine Vielzahl von Elektrodenzuleitungen benötigen. So benötigen beispielsweise Breitband-Lambdasonden mit einer Pumpzelle und einer Referenzelektrode sowie einem Heizelement in der Regel fünf oder vier Zuleitungen. Da Elektrodenzuleitungen einen erheblichen Kostenfaktor bei der Herstellung der Sensorelemente darstellen, stellt dies einen erheblichen Nachteil dar.characteristic Feature of the broadband lambda probes is that they at least theoretically a unique, monotone characteristic over the lambda value which is ideally linear. To this Way, these sensor elements allow a determination the oxygen content over a wide range. In the In practice, however, it has been shown that broadband lambda probes are around the λ = 1-point does not work very well around. Another disadvantage is in that multicellular broadband lambda probes use a variety of Need electrode leads. So need For example, broadband lambda probes with a pumping cell and a Reference electrode and a heating element usually five or four leads. Since electrode leads a considerable Represent cost factor in the production of the sensor elements, this represents a significant disadvantage.

Grundsätzlich sind also, aus Sicht der verminderten Elektroden – und somit Zuleitungszahl – einzellige Sensorelemente gegenüber mehrzelligen Sensorelementen zu bevorzugen. Beispielsweise lassen sich einzellige Sensorelemente derart aufbauen, dass beide Elektroden einer Pumpzelle jeweils in eigenen Hohlräumen angeordnet sind, welche jeweils über eine eigene Diffusionsbarriere vom Abgas getrennt sind. Eine Verbindung zu einem Referenz luftkanal entfällt somit bei einem derartigen Sensorelement. Ein so konstruiertes Sensorelement erlaubt eine Messung des Sauerstoffgehalts sowohl im mageren wie auch im fetten Abgas, d. h. sowohl bei einem Restsauerstoffgehalt bzw. bei einem Sauerstoffdefizit. Allerdings ist die Kennlinie eines solchen Sauerstoffsensors für sich genommen nicht eindeutig, sondern weist zum Beispiel bei Beaufschlagung des Sensorelements mit einer Konstantspannung oder einem Konstantstrom eine Kennlinie mit einem V-förmigen Verlauf auf, also eine Doppeldeutigkeit. Dies wird beispielsweise in DE 10 2005 054 144 A1 , auf welche bezüglich dieser Problematik Bezug genommen werden kann, erläutert. Diese Doppeldeutigkeit oder Mehrdeutigkeit führt dazu, dass beispielsweise aus einer einfachen Strom-Spannungs-Messung nicht eindeutig darauf geschlossen werden kann, ob sich das Gasgemisch im fetten oder mageren Luftzahlbereich befindet.Basically, therefore, from the point of view of the reduced electrodes - and thus the number of leads - unicellular sensor elements are preferable to multi-cell sensor elements. For example, unicellular sensor elements can be constructed in such a way that both electrodes of a pumping cell are each arranged in separate cavities, which are each separated from the exhaust gas via a separate diffusion barrier. A connection to a reference air duct is thus eliminated in such a sensor element. A sensor element constructed in this way allows a measurement of the oxygen content in both the lean and the rich exhaust gas, ie both at a residual oxygen content or at an oxygen deficit. However, the characteristic of such an oxygen sensor is not unique in itself, For example, when the sensor element is acted upon by a constant voltage or a constant current, it has a characteristic curve with a V-shaped profile, that is, ambiguity. This is for example in DE 10 2005 054 144 A1 , to which reference can be made with respect to this problem explained. This ambiguity or ambiguity means that, for example, from a simple current-voltage measurement can not be clearly concluded whether the gas mixture is in the rich or lean air range.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Sensorelement sowie ein Verfahren und eine Sensoranordnung bereit, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere ist das Sensorelement vergleichsweise einfach aufgebaut und weist vorzugsweise lediglich einen Einzeller-Aufbau auf.The The present invention therefore provides a sensor element and a method and a sensor arrangement which overcomes the disadvantages of known methods and avoid devices at least largely. In particular the sensor element constructed comparatively simple and preferably has only a single cell structure on.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Sensorelement mit zwei Diffusionsbarrieren und zwei Elektroden baulich so gestaltet werden kann und elektrisch so angesteuert werden kann, dass insgesamt eine eindeutige, im Lambda-Wert monotone Gesamtkennlinie erzeugt werden kann und so die Funktion beispielsweise einer Breitband-Lambdasonde erfüllt werden kann. Dabei kann sowohl die beschriebene V-Kennlinie gemessen werden, als auch eine zusätzliche eindeutige Aussage darüber getroffen werden, ob das Abgas fett oder mager ist, d. h. ob Lambda größer oder kleiner ist als 1. In anderen Worten beruht die vorliegende Erfindung auf dem Gedanken, dass ermittelt wird, auf welchem „Ast” der V-förmigen Kennlinie der aktuelle Arbeitspunkt liegt. Dabei lässt sich, da sich diese zusätzliche Aussage erfindungsgemäß sehr schnell gewinnen lasst, eine Messgeschwindigkeit, insbesondere eine Sample Rate, gegenüber herkömmlichen Verfahren deutlich erhöhen und eine Messtotzeit zur Gewinnung dieser zusätzlichen Aussage deutlich reduzieren. Die Gesamtzeit, welche für die eigentliche Messung und für die Gewinnung der zusätzlichen Aussage über den Luftzahlbereich benötigt wird, ist somit sehr gering. Ferner lässt sich die Auflösung der Mehrdeutigkeit durch Gewinnung der zusätzlichen Aussage auch bei einem gestörten Hintergrund jederzeit und eindeutig durchführen. Weiterhin führt die erfindungsgemäße zusätzliche Aussage dazu, dass sich auch die Auflösung im Bereich um λ = 1, d. h. in einem Bereich mit einem Sauerstoffgehalt im Abgas von ungefähr 0 Prozent, zusätzlich verbessern.The The present invention is based on the recognition that a sensor element structurally designed with two diffusion barriers and two electrodes can be and electrically controlled so that overall generates a unique, monotone in the lambda value overall characteristic can be and so the function, for example, a broadband lambda probe can be fulfilled. It can both the described V characteristic can be measured, as well as an additional clear statement about whether the exhaust fat or lean, d. H. Lambda bigger or bigger smaller than 1. In other words, the present invention is based on the idea that it is determined on which "branch" the V-shaped characteristic of the current operating point lies. there can be, since this additional statement let win very quickly according to the invention, a Measuring speed, especially a sample rate, compared significantly increase conventional processes and one Measuring dead time to obtain this additional statement clearly to reduce. The total time required for the actual measurement and for obtaining the additional statement about The air range is needed, is thus very low. Furthermore, the resolution of the ambiguity can be by obtaining the additional statement even at a Disturbed background at any time and clearly perform. Furthermore, the inventive leads additional statement that also the resolution in the range around λ = 1, d. H. in an area with an oxygen content in the exhaust of about 0 percent, in addition to improve.

Das vorgeschlagene Verfahren, das vorgeschlagene Sensorelement und die vorgeschlagene Sensoranordnung mit mindestens einem der erfindungsgemäßen Sensorelemente können allgemein zur Bestimmung mindestens eines physikalischen und/oder chemischen Parameters eines Gases in einem Messgasraum eingesetzt werden. Unter einem Parameter ist dabei grundsätzlich jede messbare physikalische und/oder chemische Eigenschaft zu verstehen. Insbesondere können die Verfahren und Vorrichtungen jedoch zur Bestimmung einer Konzentration bzw. eines Partialdrucks einer Gaskomponente des Gases in dem Messgasraum eingesetzt werden, insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffpartialdruckes in einem Abgas. Das vorgeschlagene Verfahren kann ein erfindungsgemäßes Sensorelement verwenden, und die Sensoranordnung ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Insofern kann für mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens jeweils auf die Vorrichtungen verwiesen werden, und für mögliche Ausgestaltungen der Vorrichtungen auf das Verfahren.The proposed methods, the proposed sensor element and the proposed sensor arrangement with at least one of the invention Sensor elements can generally be used to determine at least a physical and / or chemical parameter of a gas be used in a sample gas space. Below a parameter is basically any measurable physical and / or to understand chemical property. In particular, you can however, the methods and apparatus for determining a concentration or a partial pressure of a gas component of the gas in the sample gas space are used, in particular for the determination of an oxygen partial pressure in an exhaust. The proposed method can be an inventive Use sensor element, and the sensor arrangement is set up, to perform a method according to the invention. In this respect, for possible embodiments of the Each case referred to the devices, and for possible embodiments of the devices on the process.

Es wird ein Sensorelement verwendet, welches mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten aufweist. Diese erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Festelektrolyt bilden Bestandteile einer Pumpzelle. Vorzugsweise ist, wie oben beschrieben, das Sensorelement als Einzeller aufgebaut, d. h. es weist außer dieser Pumpzelle keine weiteren kontaktierten Elektroden auf. Unter einem Einzeller sind dabei jedoch grundsätzlich auch Sensorelemente umfasst, bei denen weitere, unkontaktierte Elektroden vorliegen und/oder bei denen vorhandene Elektroden zwei- oder mehrteilig mit mehreren miteinander verbundenen Teilelektroden ausgestaltet sind. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind dabei jeweils in mindestens einem ersten Hohlraum bzw. in mindestens einem zweiten Hohlraum angeordnet, wobei die Hohlräume voneinander getrennt ausgestaltet sein sollen. Über eine erste Diffusionsbarriere soll der erste Hohlraum bzw. die erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein und über eine zweite Diffusionsbarriere der zweite Hohlraum bzw. die zweite Elektrode. Die Hohlräume können ganz oder teilweise ungefüllt ausgestaltet sein, können jedoch auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen Medium ausgefüllt sein, beispielsweise einem hochporösen keramischen Medium, wie beispielsweise hochporösem Al2O3. Erfindungsgemäß weisen die beiden Hohlräume unterschiedliche Volumina auf, was, wie unten näher ausgeführt wird, eine Auflösung einer Mehrdeutigkeit der Kennlinien ermöglicht. Insbesondere ist das Volumen des ersten Hohlraums kleiner als das des zweiten Hohlraums.A sensor element is used which has at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. This first electrode, the second electrode and the solid electrolyte form components of a pumping cell. Preferably, as described above, the sensor element is constructed as a single cell, ie it has no further contacted electrodes except this pump cell. In principle, however, a single cell also includes sensor elements in which further, non-contacted electrodes are present and / or in which existing electrodes are designed in two or more parts with a plurality of interconnected partial electrodes. The first electrode and the second electrode are in each case arranged in at least one first cavity or in at least one second cavity, wherein the cavities are to be configured separated from one another. Via a first diffusion barrier, the first cavity or the first electrode should be acted upon with gas from the measurement gas space and the second cavity or the second electrode via a second diffusion barrier. The cavities may be wholly or partially unfilled, but may also be completely or partially filled with a gas-permeable medium, such as a highly porous ceramic medium, such as highly porous Al 2 O 3 . According to the invention, the two cavities have different volumes, which, as will be explained in greater detail below, enables a resolution of an ambiguity of the characteristic curves. In particular, the volume of the first cavity is smaller than that of the second cavity.

Alternativ, insbesondere aber zusätzlich, kann die Auflösung der Mehrdeutigkeit der Kennlinien dadurch ermöglicht bzw. verbessert werden, dass die erste Diffusionsbarriere dichter ausgeführt ist als die zweite Diffusionsbarriere, wobei unter der Dichtigkeit der Diffusionsbarriere insbesondere das Maß zu verstehen ist, mit dem ein Einströmen und/oder Eindiffundieren von Gasen, insbesondere von Sauerstoff und/oder von Kohlenwasserstoffen und/oder von CO und/oder CO2 und/oder von H2 und/oder von H2O, in die erste beziehungsweise zweite Kammer beeinträchtigt wird.Alternatively, but in particular additionally, the resolution of the ambiguity of the characteristic curves can be made possible or improved by the fact that the first diffusion barrier is made denser than the second diffusion barrier, wherein below the density the diffusion barrier is to be understood in particular the measure with which an influx and / or diffusion of gases, in particular oxygen and / or hydrocarbons and / or CO and / or CO 2 and / or H 2 and / or H 2 O, is affected in the first and second chamber.

Die Elektroden können zu diesem Zweck auch so ausgelegt sein, dass diese unterschiedliche Flächen aufweisen, insbesondere dass die Elektrode in einem größeren der beiden Hohlräume und/oder in dem Hohlraum, der sich hinter der offeneren der beiden Diffusionsbarrieren befindet, eine größere Fläche aufweist als die Elektrode in dem jeweils anderen Hohlraum oder für sich alleine und/oder zusammen mit der ihr zugeordneten Hohlkammer eine größere Kapazität aufweist als die andere Elektrode, bzw. die andere Elektrode zusammen mit der anderen Hohlkammer.The Electrodes may also be designed for this purpose that they have different areas, in particular that the electrode is in a larger of the two Cavities and / or in the cavity that is behind the more open of the two diffusion barriers, a larger one Surface than the electrode in the other cavity or on her own and / or together with her assigned Hollow chamber has a larger capacity as the other electrode, or the other electrode together with the other hollow chamber.

Das Verfahren weist erfindungsgemäß eine Zweiteilung des Betriebsmodus auf, wobei mindestens zwei Messphasen vorgesehen sind. Die im Folgenden dargestellten Messphasen müssen jedoch nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden, und es können auch zusätzliche, nicht aufgeführte Messphasen durchgeführt werden. Auch können einzelne Messphasen ganz oder teilweise wiederholt durchgeführt werden.The Method according to the invention has a bipartition the operating mode, with at least two measuring phases provided are. The measuring phases described below must however, not necessarily performed in the order shown and it can be additional, not listed measuring phases are performed. Also Individual measuring phases can be completely or partially repeated be performed.

In einer ersten Messphase wird eine Spannung Up an die Pumpzelle angelegt und ein Strom Ip durch die Pumpzelle gemessen. Vorzugsweise erfolgt diese Messung im Grenzstrombetrieb der Pumpzelle.In a first measurement phase, a voltage U p is applied to the pump cell and a current I p measured by the pump cell. This measurement is preferably carried out in the limiting current operation of the pumping cell.

In einer zweiten Messphase wird dann der Strom Ip kurzfristig um einen vorgegebenen Wert ΔIp geändert. Dabei wird eine bei dieser Stromänderung auftretende Spannungsänderung ΔUp gemessen. Diese zweite Messphase dient der Gewinnung einer zusätzlichen Aussage, welche die Herstellung einer Eindeutigkeit der ersten Messphase ermöglicht. In einem Auswerteschritt wird dann aus dem Strom Ip und aus der Spannungsänderung ΔUp auf den zu ermittelnden Parameter des Gases geschlossen.In a second measurement phase, the current I p is then briefly changed by a predetermined value ΔI p . In this case, a voltage change ΔU p occurring in the case of this current change is measured. This second measuring phase serves to obtain an additional statement which makes it possible to produce a uniqueness of the first measuring phase. In an evaluation step, it is then concluded from the current I p and from the voltage change ΔU p to the parameter of the gas to be determined.

Alternativ ist es auch möglich, den Strom nicht kurzfristig um einen vorgegebenen Wert ΔIp zu ändern, sondern auf einen vorgegebenen Wert, insbesondere auf den Wert dessen Betrag nicht weniger als 500 μA und/oder nicht mehr als 50 mA beträgt, oder dessen Wert 0 mA ist.Alternatively, it is also possible not to change the current in the short term by a predetermined value ΔI p , but to a predetermined value, in particular to the value whose amount is not less than 500 uA and / or not more than 50 mA, or its value 0 mA is.

Wie oben beschrieben, kann der Parameter insbesondere eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer Gaskomponente in dem Gas, insbesondere eines Sauerstoff-Partialdrucks, umfassen. Dabei tritt häufig bei einzelligen Breitband-Sensorelementen zumindest teilweise ein nicht-eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Strom Ip und der Konzentration bzw. dem Partialdruck auf, beispielsweise in Form einer zumindest näherungsweise V-förmigen Ip(λ)-Kennlinie und/oder einer ebenfalls zumindest näherungsweise V-fömigen Ip(pO2)-Kennlinie, wobei pO2 beispielsweise der Partialdruck von Sauerstoff in dem Messgas ist. Dabei kann die gemessene Spannungsänderung ΔUp verwendet werden, um aus mehreren möglichen Konzentrationen, beispielsweise bei einer V-förmigen Kennlinie zwei mögliche Konzentrationen bzw. Partialdrücken, eine bestimmte Konzentration und/oder einen bestimmten Partialdruck auszuwählen, welcher dann dem zu messenden Parameter entspricht. In anderen Worten kann beispielsweise mit Hilfe der in der zweiten Messphase gewonnenen zusätzlichen Information über ΔUp bestimmt werden, ob sich das Gas in einem fetten Luftzahlbereich oder in einem mageren Luftzahlbereich befindet.As described above, the parameter may in particular comprise a concentration and / or a partial pressure of a gas component in the gas, in particular an oxygen partial pressure. Frequently, a unambiguous relationship between the current I p and the concentration or the partial pressure often occurs in unicellular broadband sensor elements, for example in the form of an at least approximately V-shaped I p (λ) characteristic curve and / or one likewise at least approximately V-shaped I p (pO 2) characteristic curve, wherein pO 2 is, for example, the partial pressure of oxygen in the measurement gas. In this case, the measured voltage change .DELTA.U p can be used to select from two possible concentrations, for example, in a V-shaped characteristic two possible concentrations or partial pressures, a certain concentration and / or a certain partial pressure, which then corresponds to the parameter to be measured. In other words, it can be determined, for example with the aid of the additional information about ΔU p obtained in the second measuring phase, whether the gas is in a rich air range or in a lean air range.

Zur Auflösung der Uneindeutigkeit, beispielsweise zur Bestimmung eines aktuellen Luftzahlbereichs (fett/mager), kann beispielsweise ein Schwellwertverfahren verwendet werden. Bei diesem Schwellwertverfahren kann beispielsweise die gemessene Spannungsänderung ΔUp mit einer oder mehreren Schwellwerten verglichen werden. Entsprechend dieses Vergleichs kann aus zwei oder mehr in Frage kommenden Konzentrationen und/oder Partialdrücken bzw. Bereichen der Konzentrationen und/oder des Partialdrucks ein bestimmter Partialdruck ausgewählt werden. Beispielsweise kann eine einfache Schwelle gesetzt werden, und es kann beispielsweise, wenn ΔUp diese Schwelle unterschreitet oder überschreitet, darauf geschlossen werden, dass ein bestimmter Luftzahlbereich vorliegt. Entsprechend kann dann aus beispielsweise einer V-förmigen Kennlinie der korrekte Wert ausgewählt werden, also dem gemessenen Pumpstrom Ip die korrekte Luftzahl λ zugeordnet werden.To resolve the ambiguity, for example, to determine a current air range (fat / lean), for example, a threshold value method can be used. In this threshold value method, for example, the measured voltage change ΔU p can be compared with one or more threshold values. According to this comparison, a specific partial pressure can be selected from two or more suitable concentrations and / or partial pressures or ranges of the concentrations and / or the partial pressure. For example, a simple threshold can be set, and it can, for example, when ΔU p falls below or exceeds this threshold, it can be concluded that there is a certain air range. Accordingly, the correct value can then be selected, for example, from a V-shaped characteristic curve, that is, the correct air ratio λ can be assigned to the measured pumping current I p .

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht also in der Zweiteilung des Betriebsmodus in die mindestens zwei Messphasen. Diese können beispielsweise, wie unten näher aufgeführt wird, zeitlich abwechselnd durchgeführt werden, oder intermittierend, in dem Sinne, dass lediglich zu vorgegebenen Zeiten oder in einem Bedarfsfall die zweite Messphase durchgeführt wird. In der ersten Messphase wird, beispielsweise in einem Konstantspannungs- oder Konstantstrommodus, der gegebenenfalls noch mehrdeutige Parameter, beispielsweise ein noch doppeldeutiger Lambdawert entsprechend einer V-förmigen Kennlinie, ermittelt. Alternierend oder zusätzlich dazu wird in der zweiten Messphase, beispielsweise im Rahmen einer sehr kurzfristigen Messung, durch die zusätzliche Information ΔUp die Mehrdeutigkeit durch eine zusätzliche Information aufgelöst. Beispielsweise kann festgestellt werden, ob das gegenwärtig vorliegende Abgas fett oder mager ist, d. h. ob die V-förmige Kennlinie Ip-Lambda sich auf dem „mageren Ast” oder „fetten Ast” befindet.A basic idea of the present invention therefore lies in the division of the operating mode into the at least two measuring phases. These can, for example, as described in more detail below, be carried out alternating in time, or intermittently, in the sense that the second measuring phase is carried out only at given times or in a case of need. In the first measurement phase, for example in a constant voltage or constant current mode, the possibly ambiguous parameter, for example a still ambiguous lambda value corresponding to a V-shaped characteristic curve, is determined. Alternately or additionally, in the second measuring phase, for example in the context of a very short-term measurement, the additional information ΔU p resolves the ambiguity with additional information. For example, it can be stated Whether the present exhaust gas is rich or lean, ie, whether the V-shaped characteristic I p -Lambda is on the "lean branch" or "fat branch".

Diese Auflösung der Mehrdeutigkeit erfolgt dadurch, dass künstlich eine Asymmetrie zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode herbeigeführt wird, durch die unterschiedlichen Volumina der Hohlräume und/oder durch die oben beschriebenen Maßnahmen. Dies wird im Folgenden am Beispiel eines Sauerstoffnachweises beschrieben, wobei die Erläuterung jedoch auf andere nachzuweisende Parameter oder Gaskomponenten entsprechend zu übertragen ist. Da, bei konstanter Stromrichtung bzw. konstanter Richtung der aufgegebenen Pumpspannung Up, im fetten und im mageren Luftzahlbereich einmal die eine Seite (Diffusionsbarriere) und ein anders mal die andere Seite (Diffusionsbarriere) limitierend wirkt (obwohl beide Diffusionsbarrieren, insbesondere im Fall unterschiedlich großer Hohlräume, gleich ausgestaltet sein können), führt die Asymmetrie der Anordnung dazu, dass sich im fetten bzw. mageren Luftzahlbereich die kurzfristige Änderung des Pumpstroms um ΔIp unterschiedlich in Konzentrationsänderungen in den Hohlräumen auswirkt. Aufgrund der stark nicht-linearen Kennlinie der Nernstspannung zwischen den beiden Elektroden wirkt sich diese Asymmetrie jedoch in einer starken Änderung der Pumpspannung aus, d. h. die Pumpspannungsänderungen ΔUp unterscheiden sich im fetten Luftzahlbereich und im mageren Luftzahlbereich stark. Hierdurch kann messtechnisch ermittelt werden, in welchem der beiden Hohlräume momentan eine Diffusionsbegrenzung vorliegt. Besteht die Diffusionsbegrenzung in der Kammer, aus welcher die Sauerstoffionen durch den Pumpstrom entfernt werden, so ist das Abgas mager. Besteht die Diffusionsbegrenzung hingegen in der Kammer, der durch den Pumpvorgang Sauerstoff zugeführt wird, so ist das Abgas fett. Die Geometrie des Sensorelements, kann dahingehend optimiert werden, dass diese Unterscheidung in vergleichsweise kurzer Zeit, beispielsweise deutlich unterhalb von 50 ms, mittels eines Strom- und/oder Spannungssignals erfolgen kann.This ambiguity is resolved by artificially inducing an asymmetry between the first electrode and the second electrode, by the different volumes of the cavities and / or by the measures described above. This will be described below using the example of oxygen detection, but the explanation has to be correspondingly transferred to other parameters or gas components to be detected. Since, with a constant current direction or constant direction of the applied pump voltage U p , in the rich and in the lean air range once the one side (diffusion barrier) and another times the other side (diffusion barrier) limiting (though both diffusion barriers, especially in the case of different sizes Cavities, can be configured the same), the asymmetry of the arrangement causes the short-term change in the pumping current by ΔI p in the rich or lean air-fuel range has different effects in changes in concentration in the cavities. Due to the strongly non-linear characteristic of the Nernst voltage between the two electrodes, this asymmetry, however, results in a marked change in the pump voltage, ie the pump voltage changes .DELTA.U p differ greatly in the rich air range and in the lean air range. In this way it can be determined metrologically, in which of the two cavities currently present a diffusion limitation. If the diffusion restriction in the chamber, from which the oxygen ions are removed by the pumping current, the exhaust gas is lean. On the other hand, if the diffusion limitation exists in the chamber to which oxygen is supplied by the pumping process, then the exhaust gas is rich. The geometry of the sensor element can be optimized so that this distinction can be made in a comparatively short time, for example well below 50 ms, by means of a current and / or voltage signal.

Ferner kann die Ansteuerung daraufhin optimiert werden, dass das erhaltene Signal in Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts des Abgases einen charakteristischen Verlauf um λ = 1 (0% Sauerstoff im Abgas) erhält. Die Kennlinie dieses Signals ähnelt in der Regel dem Signal einer Sprungsonde. Damit vereinigt das vorgeschlagene Verfahren in sich die Kennlinien einer vereinfachten Breitbandsonde und einer Sprungsonde. So kann bei einem Abgas um λ = 1 herum gezielt nur das Signal der zweiten Messphase ausgewertet werden, da dieses um λ = 1 herum genauer ist als das Breitbandsignal Ip. Insgesamt lassen sich damit eine vereinfachte Breitbandsonde und eine Sprungsonde in einem Sensorelement kombinieren, auf einem Komplexitätslevel, welcher lediglich knapp über demjenigen einer einfachen Sprungsonde liegt.Furthermore, the activation can then be optimized so that the obtained signal as a function of the oxygen content of the exhaust gas a characteristic curve by λ = 1 (0% oxygen in the exhaust gas) receives. The characteristic of this signal is usually similar to the signal of a jump probe. Thus, the proposed method combines in itself the characteristics of a simplified broadband probe and a jump probe. Thus, with an exhaust gas around λ = 1 targeted only the signal of the second measurement phase can be evaluated, since this is around λ = 1 is more accurate than the broadband signal I p . Overall, this allows a simplified broadband probe and a jump probe in a sensor element combine, at a complexity level, which is only slightly above that of a simple jump probe.

Die zweite Messphase, welche beispielsweise lediglich zur Auflösung der Mehrdeutigkeit verwendet werden kann (welche, wie oben beschrieben, jedoch auch zusätzlich ausgewertet werden kann), kann vorzugsweise lediglich kurzfristig eingeschaltet werden, beispielsweise als kurzfristige Unterbrechung der ersten Messphase. So kann insbesondere während eines überwiegenden ersten Anteils einer gesamten Messzeit das Sensorelement in der ersten Messphase betrieben werden, wobei das Sensorelement für einen zweiten Anteil der gesamten Messzeit, welcher beispielsweise maximal ein Drittel des ersten Anteils beträgt, in der zweiten Messphase betrieben wird. Beispielsweise kann die zweite Messphase auch lediglich dazu genutzt werden, um Kontrollmessungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass sich das Gasgemisch noch in dem in Frage kommenden Konzentrationsbereich und/oder Partialdruckbereich, beispielsweise einem fetten oder mageren Luftzahlbereich, befindet. So kann beispielsweise das Verfahren derart durchgeführt werden, dass entsprechend einer jeweils letzten durchgeführten zweiten Messphase eine Annahme über einen in Frage kommenden Konzentrationsbereich und/oder Partialdruckbereich, beispielsweise über einen Luftzahlbereich (fett/mager) gespeichert wird. In dem mindestens einen Auswerteschritt kann dann die gespeicherte Annahme verwendet werden. In regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen, beispielsweise in einem Bedarfsfall (zum Beispiel nach einem Lastwechsel der Brennkraftmaschine) kann dann eine zweite Messphase als Kontrollschritt durchgeführt werden, wobei aufgrund der in der zweiten Messphase gemessenen Spannungsänderung ΔUp die Annahme überprüft und gegebenenfalls aktualisiert werden kann. Beispielsweise kann die Annahme in Form eines „Flags” oder einer anderen Art von Variablenbelegung in einem Datenspeicher, beispielsweise einem flüchtigen oder nicht-flüchtigen Speicher, abgelegt werden, wobei bei der Auswertung des Pumpstroms Ip der ersten Messphase auf diesen gespeicherten Wert mit der Annahme über den Luftzahlbereich zurückgegriffen wird.The second measurement phase, which can be used for example only to resolve the ambiguity (which, as described above, but also can be additionally evaluated), preferably can only be switched on briefly, for example as a short-term interruption of the first measurement phase. Thus, the sensor element can be operated in the first measurement phase in particular during a predominant first portion of an entire measurement time, the sensor element being operated in the second measurement phase for a second portion of the total measurement time, which is for example a maximum of one third of the first component. For example, the second measurement phase can also only be used to carry out control measurements in order to ensure that the gas mixture is still in the concentration range and / or partial pressure range in question, for example a rich or lean air range. Thus, for example, the method can be carried out in such a way that an assumption about a candidate concentration range and / or partial pressure range, for example over an air-fuel ratio range (rich / lean), is stored in accordance with a respective last performed second measurement phase. The stored assumption can then be used in the at least one evaluation step. At regular or irregular intervals, for example in a case of need (for example, after a load change of the internal combustion engine) then a second measurement phase can be performed as a control step, which can be checked and optionally updated due to the voltage change ΔU p measured in the second measurement phase. For example, the assumption in the form of a "flag" or another type of variable assignment in a data memory, such as a volatile or non-volatile memory, stored, wherein in the evaluation of the pumping current I p the first measurement phase to this stored value with the assumption resorted to over the air range.

Der zweite Anteil kann dabei beispielsweise eine Dauer aufweisen, welche 30 ms, vorzugsweise 10 ms und besonders bevorzugt 5 ms oder 1 ms nicht übersteigt. Alternativ oder zusätzlich können die erste Messphase und die zweite Messphase auch getaktet durchgeführt werden, d. h. in einem in vorgegebenen Zeitabständen durchgeführten Wechsel zwischen der ersten Messphase und der zweiten Messphase.Of the The second portion may, for example, have a duration which 30 ms, preferably 10 ms and more preferably 5 ms or 1 ms does not exceed. Alternatively or additionally the first measurement phase and the second measurement phase also performed clocked be, d. H. in one at predetermined intervals performed Change between the first measurement phase and the second measurement phase.

Die Messung der Spannungsänderung ΔUp kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass nach einer vorgegebenen Zeit nach Umschalten in die zweite Messphase die Pumpspannung Up gemessen wird und diese mit der zuvor in der ersten Messphase angelegten Pumpspannung Up verglichen wird. Diese Messung der Pumpspannung nach einer vorgegebenen Zeit t* nach Umschalten in die zweite Messphase bedeutet de facto eine Messung der Pumpspannungsänderung ΔUp, welche zumindest näherungsweise proportional zu einer zusätzlichen geflossenen Ladungsmenge ΔQ = ΔUp·t* ist.The measurement of the voltage change .DELTA.U p can be done, for example, that after ei After a switchover to the second measuring phase, the pumping voltage U p is measured at a predetermined time and this is compared with the pumping voltage U p previously applied in the first measuring phase. This measurement of the pumping voltage after a predetermined time t * after switching to the second measuring phase de facto means a measurement of the pumping voltage change .DELTA.U p , which is at least approximately proportional to an additional amount of charge flowed .DELTA.Q = .DELTA.U p * t *.

Insgesamt kann das Sensorelement in der ersten Messphase beispielsweise in einem Konstantspannungsmodus betrieben werden. In der zweiten Messphase kann das Sensorelement in einem Konstantstrommodus betrieben werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar, wie unten noch näher erläutert wird.All in all can the sensor element in the first measurement phase, for example in operated in a constant voltage mode. In the second measurement phase For example, the sensor element can be operated in a constant current mode. However, other embodiments are conceivable, as below is explained in more detail.

Wie oben beschrieben, kann in einem Luftzahlbereich um λ = 1 herum die Kennlinie der Pumpspannungsänderung, also die ΔUp-Lambda-Kennlinie, als zusätzliche Information zur exakten Bestimmung der Konzentration und/oder des Partialdrucks verwendet werden. In diesem Bereich, in welchem ΔUp, ähnlich zur Nernstspannungs-Kennlinie, einen steilen Verlauf zeigt, kann bei kleinen Lambda-Werten bzw. Lambda-Werten um λ = 1 herum, in welchen die V-förmige Ip-Kennlinie fehlerbehaftet sein kann, exaktere Werte liefern als diese Ip-Kennlinie.As described above, in an air number range around λ = 1, the characteristic of the pump voltage change, that is, the ΔU p lambda characteristic, can be used as additional information for accurately determining the concentration and / or the partial pressure. In this area, in which ΔU p , similar to the Nernst voltage characteristic, shows a steep course, can at λ Lamb 1 small lambda values or lambda values in which the V-shaped I p characteristic can be faulty , provide more exact values than this I p characteristic.

Der Zustand, bei dem λ = 1 ist, kann auch bei gealtertem Sensorelement noch zuverlässig durch ein Minimum des Pumpstromes erkannt werden, ohne dass die genaue Kenntnis des Absolutwertes des Pumpstromes (nahe 0 mA) entscheidend wäre. Es ist ferner möglich, im Betrieb des Sensorelements diese Kenntnis, dass ein Zustand, bei dem λ = 1 ist, vorliegt, dazu zu nutzen, die Kennlinie der Pumpspannungsänderung, also die ΔUp-Lambda-Kennlinie, an einen Alterungszustand des Sensorelements anzupassen. Beispielsweise können gesetzte Schwellen angepasst werden, aus deren Unter- bzw. Überschreitung auf den Luftzahlbereich geschlossen wird, angepasst werden.The condition in which λ = 1, even with aged sensor element can still be reliably detected by a minimum of the pumping current, without the accurate knowledge of the absolute value of the pumping current (near 0 mA) would be crucial. It is also possible, during operation of the sensor element, to know that a state in which λ = 1 exists is to be used to adapt the characteristic of the pump voltage change, that is to say the ΔU p lambda characteristic, to an aging state of the sensor element. For example, set thresholds can be adjusted, from the undershoot or overshoot is closed to the air range, be adjusted.

Es ist auch möglich, im Anschluss an einen Durchgang des Pumpstroms durch ein Minimum, also im Anschluss an einen Übergang des Abgases zwischen „Fett” und „Mager”, aus der zeitlichen Ableitung von ΔUp festzustellen, in welche Richtung der Gaswechsel stattfand, also welches Abgas momentan vorliegt beziehungsweise wie hoch dessen Sauerstoffpartialdruck ist. Mit dieser Information kann ebenfalls die ΔUp-Lambda-Kennlinie aktualisiert werden.It is also possible, following a passage of the pumping current through a minimum, ie following a transition of the exhaust gas between "rich" and "lean", from the time derivative of ΔU p determine in which direction the gas exchange took place, ie which exhaust gas is currently present or what its oxygen partial pressure is. With this information, the ΔU p lambda characteristic can also be updated.

Wie oben beschrieben, beruht das Messprinzip darauf, dass, insbesondere durch die unterschiedlichen Volumina der Hohlräume, und/oder durch andere, oben beschriebene Maßnahmen, eine Asymmetrie in der Pumpzelle geschaffen wird, da sich die Zufuhr bzw. Abfuhr bestimmter Gaskomponenten aus den Hohlräumen in unterschiedlichen Konzentrationsänderungen niederschlagen. Auf diese Weise kann die jeweils gerade begrenzende Diffusionsbarriere ermittelt werden. Aufgrund der stark nicht-linearen Nernstspannungs-Kennlinie machen sich dabei bereits kleine Veränderungen im Verhältnis der Volumina in einer deutlichen Änderung der Steilheit des ΔUp-Kennlinienverlaufs bemerkbar.As described above, the measuring principle is based on the fact that, in particular by the different volumes of the cavities, and / or by other measures described above, an asymmetry in the pump cell is created because the supply or discharge of certain gas components from the cavities in precipitate different concentration changes. In this way, the currently limiting diffusion barrier can be determined. Due to the strongly non-linear Nernst voltage characteristic curve, even small changes in the ratio of the volumes make themselves noticeable in a significant change in the steepness of the ΔU p characteristic curve.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der zweite Hohlraum ein um einen Faktor 1,1 bis 50, vorzugsweise um einen Faktor 1,2 bis 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 1,5 bis 3 größeres Volumen aufweist als der erste Hohlraum. Der kleinere der beiden Hohlräume, also nach der hier verwendeten Nomenklatur der erste Hohlraum, kann grundsätzlich auch ein sehr kleines Volumen aufweisen, bis hin zu dem Extremfall, in welchem dieses Volumen zumindest nahezu ganz verschwindet, also Null wird. Der Begriff des Hohlraums ist somit zwar bevorzugt dahingehend zu verstehen, dass dieser einen Raum endlichen Volumens beinhaltet, ist jedoch weit zu fassen, so dass auch der beschriebene Grenzfall, in welchem das Volumen eines Hohlraums zumindest näherungsweise verschwindet, umfasst sein soll. In letzterem Fall kann beispielsweise die erste Diffusionsbarriere unmittelbar an die erste Elektrode angrenzen. Auch dieser Fall, in welchem der erste Hohlraum ein Volumen Null aufweist, soll somit von Gegenstand der Erfindung umfasst sein. Insgesamt sind die Verhältnisse der Hohlraumvolumina und diese Volumina selbst über die Lebensdauer der Sensorelemente hinweg, im Gegensatz beispielsweise zu den Eigenschaften der Diffusionsbarrieren, vergleichsweise geringen Änderungen unterworfen, so dass das erfindungsgemäße Messprinzip eine hohe Langzeitstabilität aufweist.Especially it is preferred if the second cavity is a factor of 1.1 to 50, preferably by a factor of 1.2 to 5 and more preferably by a factor of 1.5 to 3 larger volume as the first cavity. The smaller of the two cavities, So according to the nomenclature used here, the first cavity can basically also have a very small volume, up to the extreme case, in which this volume is at least almost completely disappears, so it becomes zero. The concept of the cavity is Thus, although preferred to understand that this one Space of finite volume, but is to be construed broadly, so that also the described borderline case, in which the volume of a Cavity at least approximately disappears includes should be. In the latter case, for example, the first diffusion barrier immediately adjacent to the first electrode. Again, this case in which the first cavity has a zero volume, so should to be covered by the subject invention. Overall, the conditions the void volumes and these volumes themselves over the Life of the sensor elements away, in contrast, for example on the properties of the diffusion barriers, comparatively minor changes subjected, so that the measuring principle of the invention has a high long-term stability.

Besonders bevorzugt ist es ferner, wenn sich die Dichtheit der ersten Diffusionsbarriere von der Dichtheit der zweiten Diffusionsbarriere deutlich unterscheidet, insbesondere wenn bei einer gegebenen Differenz des Sauerstoffpartialdrucks der entlang beider Diffusionsbarrieren anliege, bei einer Betriebstemperatur des Sensors, insbesondere bei 750°C, die Rate des Sauerstofftransports durch die erste Diffusionsbarriere um mindestens 15%, insbesondere um mindestens 30%, besonders bevorzugt um mindestens 50%, kleiner ist als Rate des Sauerstofftransports durch die zweite Diffusionsbarriere.Especially It is further preferred if the tightness of the first diffusion barrier clearly different from the tightness of the second diffusion barrier, especially if at a given difference in oxygen partial pressure which abuts along both diffusion barriers, at an operating temperature of the sensor, especially at 750 ° C, the rate of oxygen transport through the first diffusion barrier by at least 15%, in particular to at least 30%, more preferably at least 50%, is smaller as rate of oxygen transport through the second diffusion barrier.

Das Sensorelement kann insbesondere einen Schichtaufbau umfassen. Dabei können der erste Hohlraum und der zweite Hohlraum in unterschiedlichen Schichtebenen angeordnet sein. Beispielsweise kann der erste Hohlraum auf einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche des Sensorelements angeordnet sein und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine gasdichte Abdeckung und die erste Diffusionsbarriere getrennt sein, wohingegen der zweite Hohlraum in einer tiefer gelegenen Schicht des Sensorelements angeordnet sein kann und beispielsweise über ein Gaszutrittsloch mit Gas beaufschlagt werden kann. Alternativ können die beiden Hohlräume jedoch auch in tiefer gelegenen Schichtebenen des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise in derselben oder in verschiedenen tiefer gelegenen Schichtebenen, und können beispielsweise beide über ein Gaszutrittsloch, über eine Stirnfläche des Sensorelements oder über verschiedene, einander gegenüberliegende Flächen bzw. Seiten des Sensorelements mit Gas beaufschlagt werden. Wiederum alternativ können die beiden Sensorelemente auch in derselben Schichtebene angeordnet sein, beispielsweise wiederum in einer Schichtebene auf der Oberfläche des Sensorelements und/oder in tiefer gelegenen Schichtebenen des Schichtaufbaus. In letzterem Fall ist beispielsweise wiederum eine Beaufschlagung mit Gas aus dem Messgasraum über Gaszutrittslöcher möglich.The sensor element may in particular comprise a layer structure. In this case, the first cavity and the second cavity may be arranged in different layer planes. For example, the first cavity may be located on a surface of the sensor element facing the measurement gas space be arranged and separated from the measuring gas space, for example, by a gas-tight cover and the first diffusion barrier, whereas the second cavity may be disposed in a lower layer of the sensor element and may be acted upon, for example via a gas inlet hole with gas. Alternatively, however, the two cavities can also be arranged in deeper layer planes of the sensor element, for example in the same or in different deeper layer planes, and for example, both via a gas inlet hole, over an end face of the sensor element or on different, opposing surfaces or sides of the Sensor element are exposed to gas. Again alternatively, the two sensor elements can also be arranged in the same layer plane, for example once again in a layer plane on the surface of the sensor element and / or in deeper layer planes of the layer structure. In the latter case, for example, it is again possible to apply gas from the measuring gas space via gas inlet holes.

Die vorgeschlagene Sensoranordnung weist neben mindestens einem erfindungsgemäßen Sensorelement weiterhin mindestens eine Steuerung auf. Diese Steuerung kann beispielsweise ganz oder teilweise in einer Motorsteuerung einer Brennkraftmaschine integriert sein oder kann auch ganz oder teilweise als separate Steuerung ausgebildet sein. Die Steuerung kann eine oder mehrere elektronische Komponenten umfassen sowie, alternativ oder zusätzlich, einen oder mehrere Mikroprozessoren. Die Steuerung ist insbesondere eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise programmtechnisch zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet sein, beispielsweise durch Ausstattung mit einem entsprechenden Computerprogramm.The proposed sensor arrangement has in addition to at least one inventive Sensor element further at least one controller. This control For example, all or part of a motor control be integrated into an internal combustion engine or may also be wholly or partially be designed as a separate control. The controller can be a or more electronic components as well as, alternatively or additionally, one or more microprocessors. The control is particularly adapted for carrying out the inventive Process. For this purpose, the controller can, for example programmatically be set up to carry out the method, for example by equipping with a corresponding computer program.

Die Steuerung kann insbesondere eine elektrische Energiequelle umfassen. Diese mindestens eine elektrische Energiequelle kann beispielsweise eine Spannungsquelle, beispielsweise eine Konstantspannungsquelle und/oder eine einstellbare bzw. regelbare Konstantspannungsquelle, und/oder eine Stromquelle, beispielsweise eine Konstantstromquelle und/oder eine regelbare bzw. einstellbare Konstantstromquelle umfassen.The Control may in particular comprise an electrical energy source. This at least one electrical energy source can, for example, a Voltage source, for example, a constant voltage source and / or an adjustable constant-voltage source, and / or a Power source, such as a constant current source and / or a comprise adjustable or adjustable constant current source.

Wie oben dargelegt, werden die Messphasen 1 und 2 vorzugsweise in unterschiedlichen Messmodi durchgeführt. So kann insbesondere die erste Messphase in einem Konstantspannungsmodus durchgeführt werden, und die zweite Messphase in einem Konstantstrommodus. Messtechnisch wäre hierfür also eine Umschaltung beispielsweise von einer Konstantspannungsquelle auf eine Konstantstromquelle erforderlich. Da dies apparativ einen vergleichsweise hohen Aufwand bedeuten würde, ist es besonders bevorzugt, lediglich entweder eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle vorzuhalten. Um dennoch in der jeweils anderen Messphase den erforderlichen Betriebsmodus bereitstellen zu können, kann dann eine Stromquelle bzw. eine Spannungsquelle simuliert werden.As As stated above, the measurement phases 1 and 2 are preferably in different Measurement modes performed. Thus, in particular, the first measurement phase be performed in a constant voltage mode, and the second measurement phase in a constant current mode. Metrologically So this would be a switch, for example from a constant voltage source to a constant current source required. Since this would mean a relatively high outlay in terms of apparatus, it is particularly preferred to use only either a voltage source or to provide a power source. Nevertheless, in each other Measuring phase to provide the required operating mode can then a current source or a voltage source can be simulated.

So kann die Energiequelle beispielsweise lediglich eine Spannungsquelle umfassen, mittels derer in der ersten Messphase die Spannung Up erzeugt wird. Die Steuerung kann dann eingerichtet sein, um in der zweiten Messphase mittels der Spannungsquelle eine Stromquelle zu simulieren und auf diese Weise die Stromänderung ΔIp zu erzeugen. Alternativ kann die Energiequelle eine Stromquelle umfassen, mittels derer in der ersten Messphase eine Spannungsquelle simuliert werden kann, um die Spannung Up zu erzeugen, wobei in der zweiten Messphase mittels dieser Stromquelle die Stromänderung ΔIp erzeugt werden kann.For example, the energy source may comprise only one voltage source, by means of which the voltage U p is generated in the first measurement phase. The controller can then be set up to simulate a current source in the second measuring phase by means of the voltage source and in this way to generate the current change ΔI p . Alternatively, the energy source may comprise a current source by means of which in the first measurement phase a voltage source can be simulated in order to generate the voltage U p , wherein in the second measurement phase the current change ΔI p can be generated by means of this current source.

Unter einer ”Simulierten Energiequelle” ist ein Modus zu verstehen, in dem durch eine geeignete Regelung der vorhandenen Energiequelle eine andere Art einer Energiequelle ”simuliert” wird. Dies kann durch einen geeigneten Regler, z. B. einen kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen, bzw. einen Werte- und/oder Zeit-diskreten Regler erfolgen. So kann beispielsweise eine Spannungsquelle dadurch simuliert werden, dass ein Strom derart eingeprägt wird, dass sich eine einzustellende Sollspannung ausbildet. Die Simulation einer Stromquelle mittels einer Spannungsquelle kann auf entsprechende Weise erfolgen. Die vorhandene Energiequelle kann moduliert betrieben werden, z. B. durch eine zeit- oder amplitudenmodulierte Pulsweitenmodulation (PWM). In einer derartigen Betriebsweise kann auf unterschiedliche Messgrößen geregelt werden, z. B. auf die Spannung in der Aus-Phase einer amplitudenmodulierten PWM, um beispielsweise eine Strom-Widerstands-Kompensation (IR-Kompensation) durchzuführen. Durch Messung von weiteren Spannungen der PWM lässt sich in einer solchen Betriebsweise z. B. auch der betroffene ohmsche Innenwiderstand messen, aus dem sich die Sensortemperatur ermitteln lässt.Under a "simulated energy source" is a mode to be understood by an appropriate regulation of existing ones Energy source another type of energy source is "simulated". This can be done by a suitable controller, for. B. a continuous or quasi-continuous, or a value and / or time discrete Controller done. For example, a voltage source can thereby be simulated that a current is impressed such that to form a set target voltage. The simulation a power source by means of a voltage source can be at appropriate Done way. The existing energy source can be operated modulated be, for. B. by a time or amplitude modulated pulse width modulation (PWM). In such a mode of operation can be different Measured variables are regulated, for. B. on the voltage in the off phase of an amplitude modulated PWM, for example perform a current-resistance compensation (IR compensation). By measuring further voltages of the PWM can be in such an operation z. B. also the affected ohmic Measure the internal resistance from which the sensor temperature is determined leaves.

Unter einer „Simulation” kann also beispielsweise ein Messmodus verstanden werden, bei welchem zwar de facto die jeweils andere der Größen U, I als die tatsächlich eigentlich zu regelnde und/oder steuernde Größe ermittelt wird, wobei jedoch in beispielsweise regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen durch Kontrollmessungen ermittelt wird, ob die tatsächlich zu regelnde Größe dem Sollwert entspricht. So kann beispielsweise eine Spannungsquelle dadurch simuliert werden, dass ein Strom derart eingestellt wird, dass sich die einzustellende Sollspannung ausbildet. In regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen kann beispielsweise dann durch eine Spannungsmessung überprüft werden, ob die Spannung noch dem Sollwert entspricht, und der Strom kann entsprechend nachgeregelt werden. Die Simulation einer Stromquelle mittels einer Spannungsquelle kann auf entsprechende Weise erfolgen. Auf diese Weise lässt sich die elektrische Steuerung der Sensoranordnung vergleichsweise einfach ausgestalten, so dass auch das erfindungsgemäße Verfahren, welches auf der genannten Umschaltung zwischen den Betriebsphasen beruht, messtechnisch einfach realisiert werden kann.Thus, a "simulation" can be understood, for example, as a measurement mode in which, in fact, the respective other of the variables U, I is determined as the actual quantity and / or variable to be actually controlled, but at regular or irregular intervals, for example, by control measurements it is determined whether the actually controlled variable corresponds to the setpoint. Thus, for example, a voltage source can be simulated by adjusting a current such that the setpoint voltage to be set is formed. In regular or irregular moderate intervals, for example, then be checked by a voltage measurement, if the voltage is still the setpoint, and the current can be readjusted accordingly. The simulation of a current source by means of a voltage source can be carried out in a corresponding manner. In this way, the electrical control of the sensor arrangement can be made comparatively simple, so that also the method according to the invention, which is based on the mentioned switching between the operating phases, can be easily realized metrologically.

Mit anderen Worten basiert die Wirkung der vorliegenden Erfindung darauf, durch gezielten Transport von Sauerstoffionen an einer der beiden Elektroden eine Referenzgasumgebung einzustellen (zum Beispiel sauerstoffreich, wie nachfolgend erläutert), ähnlich einer gepumpten Referenz. Dies geschieht, indem in der zweiten Messphase zunächst gezielt Sauerstoffionen zu dieser Elektrode transportiert werden. Des weiteren wird in der zweiten Messphase, nachdem sich ein gewisser Zustand eingestellt hat, eine Messung der Nernstspannung der anderen Elektrode gegen diese erzeugte Referenz vorgenommen. Ist das Abgas fett, wird eine betragsmäßig große Nernstspannung gemessen, ist es mager, so wird eine betragsmäßig kleine Nernstspannung gemessen. Analog dazu kann eine sauerstoffarme Referenz erzeugt werden, bei der sich Stromrichtungen und relative Potentiale umkehren.With in other words, the effect of the present invention is based on by targeted transport of oxygen ions to one of the two electrodes to set a reference gas environment (for example oxygen rich, as explained below), similar to a pumped one Reference. This is done by first targeted in the second measurement phase Oxygen ions are transported to this electrode. Furthermore will be in the second measurement phase after getting a certain state has set a measurement of the Nernst voltage of the other electrode made against this generated reference. If the exhaust gas is fat, will a magnitude large Nernst tension measured, it is lean, so is an amount measured small Nernst voltage. Similarly, a low-oxygen reference be generated at the current directions and relative potentials turning back.

In der vorliegenden Erfindung kommt jedoch noch ein weiterer Effekt zur Unterscheidung von fettem und magerem Abgas zum tragen: Im mageren Fall wird an der ersten Elektrode molekularer Sauerstoff zersetzt und gegen ein Gas mit hohem Sauerstoffgehalt (λ > 1) gepumpt. Bei der Variation des Pumpstroms ändert sich dies (gegenüber dem nachfolgenden Fall) höchstens geringfügig und der Hub von ΔUp ist klein. Im fetten Fall (λ < 1) hingegen wird an der ersten Elektrode CO2 und H2O zersetzt, was bei den anliegenden Pumpspannungen (beispielsweise bei 450 mV) nur möglich ist, weil sich durch die Gaszusammensetzung an der zweiten Elektrode (λ = 1) eine ausreichende effektive Pumpspannung ergibt (geringe Gegenspannung). Da sich bei einer kurzzeitigen Änderung des Pumpstroms die Gaszusammensetzung aufgrund der dichteren Diffusionsbarriere und/oder dem kleineren Hohlraum rasch ändert (λ << 1 oder λ >> 1), ändert sich auch die Nernstgegenspannung erheblich, und es ergibt sich zur Aufrechterhaltung des geänderten Pumpstroms ein erheblicher Hub von ΔUp.In the present invention, however, another effect for distinguishing between rich and lean exhaust gas comes into play: in the lean case, molecular oxygen is decomposed at the first electrode and pumped against a gas with a high oxygen content (λ> 1). In the case of the variation of the pumping current, this changes at most slightly (compared with the following case) and the stroke of ΔU p is small. In the rich case (λ <1), however, CO 2 and H 2 O are decomposed at the first electrode, which is only possible with the applied pump voltages (for example at 450 mV) because the gas composition at the second electrode (λ = 1 ) gives a sufficient effective pumping voltage (low reverse voltage). Since, in the case of a brief change in the pumping current, the gas composition changes rapidly due to the denser diffusion barrier and / or the smaller cavity (λ << 1 or λ >> 1), the Nernst countervoltage also changes considerably, and the changed pumping current is maintained a significant stroke of ΔU p .

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.embodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description explained in more detail.

Es zeigenIt demonstrate

1 eine Kennlinie einer typischen Sprungsonde; 1 a characteristic of a typical jumping probe;

2 eine Kennlinie einer typischen mehrzelligen Breitbandsonde; 2 a characteristic of a typical multicell broad-band probe;

3 und 4 verschiedene Ausführungsbeispiele von dem Stand der Technik entsprechenden, einzelligen Sensorelementen; 3 and 4 different embodiments of the prior art, single-cell sensor elements;

5 eine typische Kennlinie der Sensorelemente in den 3 und 4; 5 a typical characteristic of the sensor elements in the 3 and 4 ;

6 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensorelements; 6 an embodiment of a sensor element according to the invention;

7 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte Kennlinien; und 7 Characteristics determined by the method according to the invention; and

8 einen schematischen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. 8th a schematic flowchart of an embodiment of a method according to the invention.

In den 1 und 2 sind typische Messkurven bekannter Sensorelemente dargestellt. So zeigt 1 einen Signalverlauf einer Sprungsonde, bei welcher die Spannung zwischen zwei Elektroden gemessen wird. Eine dieser Elektroden kann beispielsweise einem Referenzluftraum ausgesetzt sein, mit einer bekannten Gasgemischzusammensetzung. Die Messkurve folgt der Gleichung:

Figure 00140001
In the 1 and 2 typical measuring curves of known sensor elements are shown. So shows 1 a waveform of a jump probe, in which the voltage between two electrodes is measured. For example, one of these electrodes may be exposed to a reference air space with a known gas mixture composition. The trace follows the equation:
Figure 00140001

Dabei bezeichnet R die universelle Gaskonstante, T die Temperatur, F die Faraday-Konstante und

Figure 00140002
und
Figure 00140003
die Partialdrücke des Sauerstoffs im Abgas (Messgasraum) bzw. dem Referenzluftraum. Die Nernstspannung ist hier als Funktion der Konzentration des Sauerstoffs c (O2) aufgetragen und zeigt einen charakteristischen Sprungverlauf bei 0% Sauerstoff (λ = 1).Here R denotes the universal gas constant, T the temperature, F the Faraday constant and
Figure 00140002
and
Figure 00140003
the partial pressures of the oxygen in the exhaust gas (sample gas space) or the reference air space. The Nernst voltage is plotted here as a function of the concentration of the oxygen c (O 2 ) and shows a characteristic jump course at 0% oxygen (λ = 1).

In 2 ist demgegenüber ein typischer Signalverlauf (hier bezeichnet als „I”) schematisiert als Funktion der Sauerstoffkonzentration bzw. der Luftzahl für eine dem Stand der Technik entsprechende, mehrzellige Breitband-Lambdasonde aufgetragen. Für das Messprinzip dieser Breitband-Lambdasonden kann beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, Seiten 116 bis 117 verwiesen werden. Es ist zu erkennen, dass das Signal zumindest näherungsweise einen eindeutigen, linearen Verlauf aufweist.In 2 In contrast, a typical signal curve (referred to here as "I") is shown schematically as a function of the oxygen concentration or the air ratio for a prior art multi-cell broadband lambda probe. For the measuring principle of these broadband lambda probes, for example, on Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2001, pages 116 to 117 to get expelled. It can be seen that the signal has at least approximately a clear, linear course.

Im Gegensatz zu dem mit einer Sprungsonde gemessenen Signal gemäß 1 und dem mit einem mehrzelligen Breitbandsondenaufbau gemessenen Signal gemäß 2 sind in den 3 und 4 einfache, dem Stand der Technik entsprechende und als Pumpzellen ausgestaltete Sensorelemente 110 in Schnittdarstellung schematisch gezeigt. Die Sensorelemente umfassen jeweils einen Festelektrolyten 112, welcher eine erste Elektrode 114 und eine zweite Elektrode 116 verbindet. Der Festelektrolyt 112 und die Elektroden 114, 116 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 118. Die Elektroden 114 und 116 sind dabei im Wesentlichen gleichwertig. Die erste Elektrode 114 ist in einem ersten Hohlraum 120 angeordnet, welcher über eine erste Diffusionsbarriere 122 mit einem Messgasraum 124 in Verbindung steht, und die zweite Elektrode 116 ist in einem zweiten Hohlraum 126 angeordnet, welcher über eine zweite Diffusionsbarriere 128 mit dem Messgasraum in Verbindung steht. Die Elektroden 114, 116 sind über Elektrodenzuleitungen 130, 132 kontaktierbar.In contrast to the signal measured with a jump probe according to 1 and that with egg According to a multi-cell broadband probe structure, the measured signal 2 are in the 3 and 4 simple, the prior art and designed as a pump cell sensor elements 110 shown schematically in section. The sensor elements each comprise a solid electrolyte 112 which is a first electrode 114 and a second electrode 116 combines. The solid electrolyte 112 and the electrodes 114 . 116 together form a pump cell 118 , The electrodes 114 and 116 are essentially equivalent. The first electrode 114 is in a first cavity 120 arranged, which via a first diffusion barrier 122 with a sample gas chamber 124 communicates, and the second electrode 116 is in a second cavity 126 arranged, which via a second diffusion barrier 128 communicates with the sample gas space. The electrodes 114 . 116 are via electrode leads 130 . 132 contactable.

Der Festelektrolyt 112 kann beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkondioxid (YSZ) umfassen. Die Elektroden 114, 116 können beispielsweise Edelmetallelektroden umfassen, beispielsweise Platin-Elektroden, insbesondere in Form von Keramik-Metall-Kompositen (Cermet). Die Diffusionsbarrieren 122, 128 können beispielsweise ein poröses keramisches Material umfassen, beispielsweise ein Aluminiumoxid oder ein Zirkonoxid.The solid electrolyte 112 may include, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ). The electrodes 114 . 116 For example, they may comprise noble metal electrodes, for example platinum electrodes, in particular in the form of ceramic-metal composites (cermet). The diffusion barriers 122 . 128 For example, they may comprise a porous ceramic material, such as an alumina or a zirconia.

Die Ausführungsbeispiele gemäß den 3 und 4 unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Anordnung der Pumpzelle 118. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Elektroden 114, 116 auf gegenüberliegenden Seiten des schichtförmigen Festelektrolyten 112 angeordnet sind, und somit in unterschiedlichen Schichtebenen des Sensorelements 110 angeordnet sind, sind die Elektroden 114, 116 bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel in derselben Schichtebene angeordnet. In diesem Fall sind die Elektroden 114, 116 beispielsweise an der Oberfläche des Sensorelements 118 angeordnet und durch eine Abdeckschicht 134 von dem Messgasraum 124 getrennt. Weiterhin kann, was lediglich in 4 dargestellt ist, ein Heizelement 136 vorgesehen sein, mittels dessen beispielsweise die Eigenschaften des Festelektrolyten 112 und/oder der Diffusionsbarrieren 122, 128, insbesondere die Grenzströme, eingestellt werden können. Ein derartiges Heizelement 136 kann beispielsweise auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 vorgesehen sein.The embodiments according to the 3 and 4 differ essentially by the arrangement of the pumping cell 118 , While in the embodiment according to 3 the electrodes 114 . 116 on opposite sides of the layered solid electrolyte 112 are arranged, and thus in different layer planes of the sensor element 110 are arranged, are the electrodes 114 . 116 at the in 4 shown embodiment arranged in the same layer plane. In this case, the electrodes are 114 . 116 for example, on the surface of the sensor element 118 arranged and through a cover layer 134 from the sample gas space 124 separated. Furthermore, what is only in 4 is shown, a heating element 136 be provided by means of which, for example, the properties of the solid electrolyte 112 and / or the diffusion barriers 122 . 128 , in particular the limit currents, can be adjusted. Such a heating element 136 can for example in the embodiment according to 3 be provided.

Weiterhin können die Hohlräume 120, 126 entweder als vollständig ungefüllte Hohlräume ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können diese Hohlräume 120, 126 auch ganz oder teilweise mit einem hochporösen Material gefüllt sein, beispielsweise einem gasdurchlässigen, hochporösen Aluminiumoxid.Furthermore, the cavities 120 . 126 be designed either as completely unfilled cavities. Alternatively or additionally, these cavities 120 . 126 also be completely or partially filled with a highly porous material, such as a gas-permeable, highly porous alumina.

Wird bei den Sensorelementen 110 gemäß den Ausführungsbeispielen in den 3 und 4 bei Temperaturen von typischerweise 500 bis 1100°C eine externe Spannung angelegt (in 3 beispielhaft angedeutet durch „500 mV”), so kann zwischen den Elektroden 114, 116 ein Sauerstoffionenstrom gemessen werden. Die angelegte Spannung wird auch als Pumpspannung Up bezeichnet und der gemessene Strom als Pumpstrom Ip. Ein derartiger Pumpstrom Ip zeigt den in 5 dargestellten typischen Verlauf als Funktion der Sauerstoffkonzentration bzw. des Sauerstoffpartialdrucks im Gas des Messgasraums 128, beispielsweise einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Charakteristisch für die in 5 dargestellte Kennlinie ist die V-Förmigkeit, d. h. ein monotones Absinken des Sauerstoffstroms im fetten Abgas (λ < 1, in 5 mit 138 bezeichnet) mit zunehmendem Sauerstoffdefizit, und ein monotones Ansteigen im mageren Abgas (in 5 mit der Bezugsziffer 140 bezeichnet) mit ansteigendem Sauerstoffgehalt. Ein ähnlicher Verlauf gilt für eine Beschaltung der Sensor elemente 110 mit einem konstanten Strom und ein Messen der Spannung. Aufgrund der dargestellten Doppeldeutigkeit, d. h. dass einem bestimmten Pumpstrom zwei Lambda-Werte zuzuordnen sind, kann kein eindeutiger Rückschluss auf den Sauerstoffgehalt des Abgases erfolgen.Is at the sensor elements 110 according to the embodiments in the 3 and 4 at temperatures of typically 500 to 1100 ° C applied an external voltage (in 3 exemplified by "500 mV"), so can between the electrodes 114 . 116 an oxygen ion current can be measured. The applied voltage is also referred to as pumping voltage U p and the measured current as pumping current I p . Such a pumping current I p shows the in 5 illustrated typical course as a function of the oxygen concentration or the oxygen partial pressure in the gas of the sample gas space 128 , For example, an exhaust gas of an internal combustion engine. Characteristic of the in 5 characteristic curve shown is the V-shape, ie a monotone decrease in the oxygen flow in the rich exhaust gas (λ <1, in 5 With 138 referred to) with increasing oxygen deficiency, and a monotone increase in the lean exhaust gas (in 5 with the reference number 140 designated) with increasing oxygen content. A similar course applies to a wiring of the sensor elements 110 with a constant current and measuring the voltage. Due to the illustrated ambiguity, ie that a given pumping current two lambda values are assigned, no clear conclusion can be made on the oxygen content of the exhaust gas.

Zur Erläuterung des V-förmigen Verlaufs wird im Folgenden beispielhaft davon ausgegangen, dass die Pumpspannung Up als Festspannung in ihrem Vorzeichen derart gewählt ist, dass Sauerstoffionen in dem keramischen Festelektrolyten 112 von der zweiten Elektrode 116 zur ersten Elektrode 114 gezogen werden, wie dies in 3 symbolisch dargestellt ist. Auch eine andere Pumprichtung ist jedoch grundsätzlich möglich. Der Grund für den monotonen Anstieg des Sensorsignals gemäß 5 im mageren Bereich 140 besteht darin, dass der Nachstrom von Sauerstoffmolekülen durch die zweite Diffusionsbarriere 128 begrenzt wird. Es kann mit einer Konstantspannung von typischerweise 300 bis 600 mV nur soviel Sauerstoff durch die keramische Diffusionsbarriere 128 transportiert werden und somit als Strom gemessen werden, wie Sauerstoff in gleichem stofflichem Umfang durch die Diffusionsbarriere 128 nachströmt. Dies ist das Prinzip einer Grenzstromsonde im mageren Bereich 140. Die Tatsache, dass vor der ersten Elektrode 114 eine weitere Diffusionsbarriere 122 vorhanden ist, ändert hieran nichts grundsätzliches. Der Ausbau der Sauerstoffionen an der ersten Elektrode 114 erfolgt ungebremst, da sich hier ohnehin mageres Abgas befindet, welches durch zusätzlichen, über die Diffusionsbarriere 122 nur langsam abfließenden Sauerstoff noch etwas magerer gestaltet wird. Auf die Nernstgegenspannung hat dies jedoch nur einen sehr geringen Einfluss, da sich das Signal, wie aus 1 ersichtlich ist, im mageren Bereich bei einer weiteren Hinzufügung von Sauerstoff nur noch unwesentlich ändert.In order to explain the V-shaped profile, it is assumed below by way of example that the pump voltage U p is selected as a fixed voltage in its sign such that oxygen ions in the ceramic solid electrolyte 112 from the second electrode 116 to the first electrode 114 be pulled like this in 3 is shown symbolically. However, another pumping direction is possible in principle. The reason for the monotonous increase of the sensor signal according to 5 in the lean area 140 is that the wake of oxygen molecules through the second diffusion barrier 128 is limited. It can with a constant voltage of typically 300 to 600 mV only as much oxygen through the ceramic diffusion barrier 128 be transported and thus measured as a current, such as oxygen in the same material extent through the diffusion barrier 128 nachströmt. This is the principle of a lean-flow limit current probe 140 , The fact that in front of the first electrode 114 another diffusion barrier 122 is present, this does not change anything fundamental. The expansion of the oxygen ions at the first electrode 114 takes place unbraked, since there is already lean exhaust gas, which by additional, on the diffusion barrier 122 only slowly draining oxygen is made even leaner. On the Nernstgegenspannung this, however, has only a very small influence, since the signal, as from 1 it can be seen, in the lean area with a further addition of oxygen changes only insignificantly.

Im fetten Abgas (Bereich 138 in 5) ist hingegen praktisch kein Sauerstoff in dem zweiten Hohlraum 126 vorhanden. Daher wird durch das Anlegen der Pumpspannung Up an der zweiten Elektrode 116 praktisch kein molekularer Sauerstoff zerlegt. Vielmehr werden hier andere sauerstoffhaltige Gase, insbesondere H2O und/oder CO2, unter Sauerstoffabspaltung in H2 bzw. CO umgewandelt, also in nicht vollständig oxidierte Gase. Im Prinzip wäre ein solcher Vorgang durch den Nachstrom der oxidierten Gase H2O und CO2 begrenzt. Praktisch dominiert hier jedoch ein anderer Mechanismus. So findet an der ersten Elektrode 114 im fetten Abgas eine Umkehrreaktion statt, bei welcher nicht vollständig oxidierte Gase, wie beispielsweise H2 und CO, und andere nicht abgesättigte Moleküle mit Sauerstoff abgesättigt werden, d. h. weiter oder vollständig oxidiert werden. Diese aber sind in ihrem Nachstrom durch die erste Diffusionsbarriere 122 begrenzt. Wird mehr Sauerstoffausgebaut als nicht abgesättigte Moleküle vorhanden sind oder über die erste Diffusionsbarriere 122 nachgeliefert werden können, so steigt die Nernst-Gegenspannung an, und der Strom wird unterbunden. Bestimmend im mageren Luftzahlbereich 140 ist also die Gasgemischzusam mensetzung im zweiten Hohlraum 126, wohingegen im fetten Luftzahlbereich 138 die Gaszusammensetzung im ersten Hohlraum 120 dominiert. Bei einer Umpolung der Pumpspannung, welche in 3 beispielhaft mit 500 mV angegeben ist, kehren sich die Verhältnisse um, da die Elektroden 114, 116 im Wesentlichen gleichwertig sind.In the rich exhaust gas (area 138 in 5 ), however, is virtually no oxygen in the second cavity 126 available. Therefore, by applying the pumping voltage U p to the second electrode 116 virtually no molecular oxygen decomposed. Rather, other oxygen-containing gases, in particular H 2 O and / or CO 2 , are converted with the elimination of oxygen into H 2 or CO, ie not completely oxidized gases. In principle, such an operation would be limited by the backflow of the oxidized gases H 2 O and CO 2 . Practically dominated here, however, another mechanism. So takes place at the first electrode 114 In the rich exhaust gas, a reverse reaction takes place, in which not fully oxidized gases, such as H 2 and CO, and other unsaturated molecules are saturated with oxygen, that are further or completely oxidized. But these are in their wake by the first diffusion barrier 122 limited. More oxygen is being built up than non-saturated molecules are present or beyond the first diffusion barrier 122 can be replenished, then the Nernst counter voltage increases, and the current is suppressed. Determining in the lean air range 140 So is the Gasgemischzusam composition in the second cavity 126 whereas in the fat air range 138 the gas composition in the first cavity 120 dominated. At a reversal of the pump voltage, which in 3 is given as an example with 500 mV, the conditions are reversed because the electrodes 114 . 116 are essentially equivalent.

Die in der 6 dargestellte Ausführung einer Sensoranordnung 142 gemäß der Erfindung sieht vor, dass die Hohlräume 120, 126 unterschiedlich dimensioniert sind. Insbesondere ist das Volumen des ersten Hohlraums 120 kleiner als das des zweiten Hohlraums 126. Ferner ist die erste Diffusionsbarriere 122 dichter ausgeführt als die zweite Diffusionsbarriere 128. Die Sensoranordnung 142 umfasst ein Sensorelement 110 sowie eine Steuerung 144, welche in 6 lediglich symbolisch dargestellt ist und welche unten näher erläutert wird. Die Steuerung 144 kann über die Elektrodenzuleitungen 130, 132 mit den Elektroden 114, 116 verbunden sein, kann diese mit einer Spannung und/oder einem Strom beaufschlagen (in 6 ist beispielhaft eine Pumpspannung von 450 mV dargestellt) und kann, wie in 6 über die Schnittstelle 146 angedeutet, mit zusätzlichen Informationen von außen beaufschlagt werden bzw. Informationen nach außen abgeben.The in the 6 illustrated embodiment of a sensor arrangement 142 According to the invention provides that the cavities 120 . 126 are dimensioned differently. In particular, the volume of the first cavity 120 smaller than that of the second cavity 126 , Furthermore, the first diffusion barrier 122 denser than the second diffusion barrier 128 , The sensor arrangement 142 includes a sensor element 110 and a controller 144 , what a 6 is shown only symbolically and which is explained in more detail below. The control 144 can via the electrode leads 130 . 132 with the electrodes 114 . 116 be connected, this can apply a voltage and / or current (in 6 is exemplified by a pump voltage of 450 mV) and can, as in 6 over the interface 146 be hinted at, be charged with additional information from the outside or submit information to the outside.

In 6 ist dabei symbolisch ein Sensorelement 110 ähnlich dem in 3 dargestellten Aufbau gezeigt, also in einem Aufbau mit einer vertikalen Anordnung der Pumpzelle 118 mit einander gegenüberliegenden Elektroden 114, 116. Analog wäre jedoch auch ein Aufbau ähnlich zu 4 denkbar oder ein anderer, nicht dargestellter Aufbau des Sensorelements 110.In 6 is symbolically a sensor element 110 similar to the one in 3 shown construction, ie in a structure with a vertical arrangement of the pumping cell 118 with opposing electrodes 114 . 116 , Analogously, however, a structure would be similar to 4 conceivable or another, not shown construction of the sensor element 110 ,

Mit der in 6 dargestellten Sensoranordnung 142 kann grundsätzlich eine Kennlinie analog zu 5 aufgenommen werden. Diese Kennlinie ist in 7 dargestellt und dort mit der Bezugsziffer 148 gekennzeichnet. Sie zeigt den typischen, aus 5 bekannten V-förmigen Verlauf mit der genannten Mehrdeutigkeit. Die Aufnahme eines Pumpstroms Ip bei einer vorgegebenen Pumpspannung Up wird auch als erste Messphase bezeichnet. Wie aus der Mehrdeutigkeit gemäß 7 zu erkennen ist, lässt sich jedoch beispielsweise aus einem gemessenen Pumpstrom von 100 μA nicht mit Sicherheit sagen, ob eine Sauerstoffkonzentration von –1,75% oder eine Sauerstoffkonzentration von ca. 1% vorliegt.With the in 6 illustrated sensor arrangement 142 can basically a characteristic similar to 5 be recorded. This characteristic is in 7 represented and there with the reference number 148 characterized. It shows the typical, from 5 known V-shaped course with the said ambiguity. The inclusion of a pumping current I p at a predetermined pumping voltage U p is also referred to as the first measuring phase. As from the ambiguity according to 7 It can be seen, however, for example, from a measured pump current of 100 uA can not say for sure whether an oxygen concentration of -1.75% or an oxygen concentration of about 1% is present.

Zur Auflösung dieser Mehrdeutigkeit wird eine zweite Messphase vorgeschlagen, bei welcher durch eine kurzfristig gezielte Erhöhung oder Verminderung des Pumpstroms um einen Betrag ΔIp ermittelt wird, in welcher Kammer gerade eine Begrenzung vorliegt. Fällt das Antwortsignal, d. h. die Spannungsänderung zwischen den Elektroden 114, 116 (oder alternativ die Stromänderung zwischen diesen Elektroden) groß aus, so ist gegenwärtig der kleinere der beiden Hohlräume 120, 126 bestimmend bzw. begrenzend. Fällt die Antwort hin gegen klein aus, so ist der größere der beiden Hohlräume 120, 126 bestimmend, da eine größere Gasänderung für ein entsprechend großes Signal erforderlich ist. Was als „große Antwort” bzw. „kleine Antwort” bezeichnet wird, kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Schwellwerte bestimmt werden. Ein Beispiel eines derartigen Schwellwerts ist in 7 mit der Bezugsziffer 150 bezeichnet. Die Kennlinie der zweiten Messphase, also die bei einer Stromänderung um ΔIp gemessene Änderung der Pumpspannung ΔUp, welche sich auf die linke Skala bezieht, ist in 7 mit der Bezugsziffer 152 bezeichnet. Liegt der in der zweiten Messphase gemessene Messwert entsprechend in dem dargestellten Beispiel oberhalb des Schwellwerts 150, so dominiert der kleinere erste Hohlraum 120, und das Abgas im Messgasraum 124 befindet sich im fetten Luftzahlbereich 138, wohingegen bei einem Messwert unterhalb des Schwellwerts 150 der größere zweite Hohlraum 126 dominiert und sich das Abgas im Messgasraum 124 im mageren Luftzahlbereich 140 befindet. Mit Hilfe dieser zusatzlichen Information kann die Zweideutigkeit des zuvor gemessenen Pumpstromes aufgelöst werden. So kann nun beispielsweise bei einem Messsignal in der zweiten Messphase kleiner als dem vorgegebenen Schwellwert 150 erkannt werden, dass dem Pumpstrom von 100 μA in diesem dargestellten Beispiel eine Zusammensetzung von 1% Sauerstoff entspricht.To dissolve this ambiguity a second measuring phase is proposed in which by a short-term selective increase or decrease of the pump current by an amount .DELTA.I p is determined, in which chamber a boundary just present. If the response signal, ie the voltage change between the electrodes, falls 114 . 116 (or alternatively, the current change between these electrodes) is large, so is currently the smaller of the two cavities 120 . 126 determining or limiting. If the answer turns out to be small, then the larger of the two cavities 120 . 126 determining, since a larger gas change is required for a correspondingly large signal. For example, what is referred to as a "big answer" or "small answer" may be determined by means of one or more thresholds. An example of such a threshold is in 7 with the reference number 150 designated. The characteristic of the second measuring phase, ie the measured at a current change of .DELTA.I p changing the pumping voltage .DELTA.U p, which refers to the left scale, is in 7 with the reference number 152 designated. If the measured value measured in the second measuring phase is correspondingly above the threshold value in the illustrated example 150 , so dominates the smaller first cavity 120 , and the exhaust gas in the sample gas space 124 is in the rich air range 138 whereas at a reading below the threshold 150 the larger second cavity 126 dominates and the exhaust gas in the sample gas space 124 in the lean air range 140 located. With the help of this additional information, the ambiguity of the previously measured pumping current can be resolved. Thus, for example, in the case of a measuring signal in the second measuring phase, it may be smaller than the predetermined threshold value 150 It can be seen that the pump current of 100 μA in this illustrated example corresponds to a composition of 1% oxygen.

Der Schwellwert 150, ab welchem ein Signal als groß oder klein gewertet wird, hängt insbesondere von der relativen Größe der Volumina der Hohlräume 120, 126, bzw. von der Dichtheit der Diffusionsbarrieren 122, 128 ab. Weiterhin hängt der Schwellwert 150 in der Regel von der zusätzlichen oder weniger umgepumpten Ladungsmenge bzw. der Stromänderung ΔIp ab. Da die Hohlraumgrößen 120, 126 nur in geringem Maße Alterungen unterworfen sind, insbesondere geringeren Alterungseffekten als die sich in der Regel über die Lebensdauer des Sensorelementes 110 langsam zusetzenden Diffusionsbarrieren 120, 128, kann der Wert der Volumina der Hohlräume 120, 126, insbesondere der Wert des Verhältnisses dieser Volumina, in der Regel sehr genau über die Lebensdauer der Sensorelemente 110 vorgegeben werden. Alternativ kann dieses Verhältnis bzw. der Schwellwert 150 auch im Betrieb, beispielsweise in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abstanden, bei λ = 1 neu bestimmt werden, beispielsweise indem das Minimum der Kennlinie 148 erkannt wird und der zugehörige Wert der Kennlinie 152 bestimmt wird.The threshold 150 , from which a signal is considered large or small depends in particular on the relative size of the volumes of the cavities 120 . 126 , or from the tightness of the diffusion barriers 122 . 128 from. Furthermore, the threshold depends 150 As a rule, from the additional or less pumped charge amount or the current change .DELTA.I p . Because the cavity sizes 120 . 126 are subject only to a small extent aging, in particular lower aging effects than those usually over the life of the sensor element 110 slowly adding diffusion barriers 120 . 128 , the value of the volumes of the cavities 120 . 126 , in particular the value of the ratio of these volumes, usually very accurately over the life of the sensor elements 110 be specified. Alternatively, this ratio or the threshold value 150 also in operation, for example, at regular or irregular intervals, be re-determined at λ = 1, for example by the minimum of the characteristic 148 is detected and the associated value of the characteristic 152 is determined.

Zur Erläuterung des Messprinzips der zwei Messphasen sei nochmals auf die Nernstspannungskurve in 1 verwiesen, welche die Spannung an der Pumpzelle 118 verdeutlicht. Dabei wird ein Messverfahren mit der ersten und der zweiten Messphase zunächst im mageren Luftzahlbereich 140 und dann im fetten Luftzahlbereich 138 erläutert. Im mageren Luftzahlbereich, beispielsweise bei einer Sauerstoffkonzentration von 3% im Messgasraum 124, wird beispielsweise in der ersten Messphase eine Pumpspannung von 450 mV zwischen die Elektroden 114, 116 gelegt. Im Folgenden sei wiederum die oben beschriebene Polarität angenommen, bei welcher die zweite Elektrode 116 als Einbauelektrode für Sauerstoff fungiert, also mit einem negativen Elektrodenpotential beaufschlagt wird. Die Erläuterung für eine umgekehrte Pumpspannung erfolgt jedoch analog. In diesem mageren Luftzahlbereich ist der begrenzenden Faktor der Nachtstrom des Sauerstoffs durch die zweite Diffusionsbarriere 128. Ohne Pumpstrom liegt in beiden Hohlräumen 120, 126 eine Atmosphäre von ca. 3% Sauerstoff vor, was in 1 symbolisch mit dem Magerpunkt 154 angedeutet ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Prozentangaben lediglich beispielhaft zu verstehen sind.To explain the principle of measurement of the two measuring phases, let us again refer to the Nernst voltage curve in 1 referred to the voltage at the pump cell 118 clarified. In this case, a measuring method with the first and the second measurement phase initially in the lean air range 140 and then in the rich air range 138 explained. In the lean air range, for example, at an oxygen concentration of 3% in the sample gas space 124 For example, in the first measurement phase, a pump voltage of 450 mV is applied between the electrodes 114 . 116 placed. In the following, again assume the polarity described above, in which the second electrode 116 acts as a mounting electrode for oxygen, so it is acted upon by a negative electrode potential. However, the explanation for a reverse pumping voltage is analogous. In this lean air range, the limiting factor is the night-time flow of oxygen through the second diffusion barrier 128 , Without pumping current lies in both cavities 120 . 126 an atmosphere of about 3% oxygen in front of what is in 1 symbolic with the lean point 154 is indicated. It should be noted, however, that the percentages are to be understood as exemplary only.

Wird nun in der ersten Messphase eine konstante Pumpspannung Up zwischen die Elektroden 114, 116 angelegt, so fließt ein Pumpstrom Ip durch die Pumpzelle 118. Wird die Pumpzelle 118 im Grenzstrombereich betrieben, so wird der Sauerstoffvollständig aus dem zweiten Hohlraum 126 herausgepumpt, so dass dort ungefähr die Bedingung λ = 1 bzw. C(O2) = 0 (d. h. Sauerstoffkonzentration Null) herrscht. Dies ist in 1 symbolisch mit der Bezugsziffer 156 (λ = 1-Punkt) angedeutet. Der in den ersten Hohlraum 120 gepumpte Sauerstoff bewirkt, dass das Gasgemisch in diesem ersten Hohlraum 120 noch ein wenig magerer wird, was jedoch an dem Elektrodenpotential der zweiten Elektrode 114 praktisch nichts ändert. Zwischen den Elektroden 114, 116 liegt also die Spannung von beispielsweise 450 mV an. Beispielsweise wird bei dieser Spannung ein Pumpstrom Ip von 310 μA gemessen. Mittels der Kennlinie 148 in 7 lassen sich nunmehr zwei potentielle Sauerstoffkonzentrationen als mögliche Kandidaten für die tatsächliche Sauerstoffkonzentration im Messgasraum 124 ermitteln.Will now in the first measurement phase, a constant pumping voltage U p between the electrodes 114 . 116 applied, so a pumping current I p flows through the pumping cell 118 , Will the pump cell 118 operated in the limiting current range, the oxygen is completely from the second cavity 126 pumped out so that there approximately the condition λ = 1 or C (O 2 ) = 0 (ie oxygen concentration zero) prevails. This is in 1 symbolically with the reference number 156 (λ = 1 point) indicated. The one in the first cavity 120 pumped oxygen causes the gas mixture in this first cavity 120 becomes a little leaner, but at the electrode potential of the second electrode 114 practically nothing changes. Between the electrodes 114 . 116 So is the voltage of for example 450 mV. For example, at this voltage, a pump current I p of 310 μA is measured. By means of the characteristic 148 in 7 Now, two potential oxygen concentrations can be considered as possible candidates for the actual oxygen concentration in the sample gas space 124 determine.

Nun folgt die zweite Messphase, in welcher von einer Konstantspannungsmessung kurzfristig auf eine Konstantstrommessung umgeschaltet wird. Dabei wird der Pumpstrom Ip kurzfristig um einen fest vorgegebenen ΔIp erhöht oder alternativ, da ΔIp auch negativ gewählt werden kann, erniedrigt. Alternativ kann der Pumpstrom Ip in dieser Phase auch auf einen festen Wert eingestellt oder eingeregelt werden.Now follows the second measuring phase in which a constant voltage measurement switches over to a constant current measurement. In this case, the pump current I p is temporarily increased by a fixed ΔI p or alternatively, since ΔI p can also be selected negative, decreased. Alternatively, the pumping current I p in this phase can also be set or adjusted to a fixed value.

Da die Pumpzelle 118 bereits vor der Erhöhung (bzw. Erniedrigung) um ΔIp im Grenzstrom betrieben wurde, findet nun in dem zweiten Hohlraum 126 eine Zersetzung von Sauerstoff enthaltenden Gasen statt, beispielsweise eine Wasserzersetzung. Die dabei entstehenden Sauerstoffionen werden zum ersten Hohlraum 120 gepumpt. Nun macht es sich bemerkbar, dass sich in 1 die zweite Elektrode 116, welche im größeren Hohlraum 126 angeordnet ist, im steilen Bereich der Kennlinie angeordnet ist. Bei einem fest vorgegebenen Betrag ΔIp wird eine fest vorgegebene Zahl von Sauerstoffmolekülen, ggfs. Wassermolekülen im großen Hohlraum 126 zersetzt. Dadurch wird die Atmosphäre in diesem zweiten Elektroden hohlraum 126 etwas fetter, jedoch, da sich diese Zersetzung einer konstanten Anzahl von Wasserstoffmolekülen auf ein vergleichsweise großes Volumen des Hohlraums 126 verteilt, bzw. über die vergleichsweise offene Diffusionsbarriere 128 schnell Wasser bzw. O2 oder CO2 nachströmen kann, sinkt die Konzentration des Sauerstoffs in dem Elektrodenhohlraum insgesamt relativ geringfügig ab (eine negative Sauerstoffkonzentration gilt in dieser Figur als Sauerstoffmangel). Während sich der Magerpunkt 154, also die Atmosphäre im ersten Elektrodenhohlraum 120 auf der Kurve in 1, ein wenig nach rechts bewegt, bewegt sich die Atmosphäre in dem zweiten Hohlraum 126 von dem λ = 1-Punkt 156 lediglich geringfügig nach links. Dadurch ist ein Anstieg in der Pumpspannung um ΔUp zu verzeichnen, welcher jedoch vergleichsweise gering ausfällt. Dies ist in 7 symbolisch mit dem Punkt 158 bezeichnet, welcher ein Beispiel eines Messpunktes eines Pumpstrom-Anstiegs ΔUp im mageren Bereich zeigt. Dieser Pumpstrom-Anstieg 158 liegt unterhalb der Schwelle 150, woraus sich wiederum darauf schließen lässt, dass die Luftzahl im mageren Bereich 140 liegt. Diese Information der zweiten Messphase kann genutzt werden, um dem in der ersten Messphase gemessenen Pumpstrom Ip einen eindeutigen Wert zuzuordnen.Because the pump cell 118 was already operated before the increase (or decrease) by ΔI p in the limiting current, now finds in the second cavity 126 a decomposition of oxygen-containing gases instead, for example, a water decomposition. The resulting oxygen ions become the first cavity 120 pumped. Now it is noticeable that in 1 the second electrode 116 which are in the larger cavity 126 is arranged, is arranged in the steep region of the characteristic. At a fixed amount .DELTA.I p is a fixed predetermined number of oxygen molecules, if necessary. Water molecules in the large cavity 126 decomposed. This will cause the atmosphere in this second electrode cavity 126 something fatter, however, because this decomposition of a constant number of hydrogen molecules to a comparatively large volume of the cavity 126 distributed, or over the relatively open diffusion barrier 128 If water or O 2 or CO 2 can rapidly flow in, the concentration of oxygen in the electrode cavity as a whole decreases relatively negligibly (a negative oxygen concentration in this figure is considered an oxygen deficiency). While the lean point 154 that is, the atmosphere in the first electrode cavity 120 on the curve in 1 moved a little to the right, the atmosphere moves in the second cavity 126 from the λ = 1 point 156 only slightly to the left. This results in an increase in the pumping voltage by ΔU p , which, however, is comparatively low. This is in 7 symbolic with the dot 158 which shows an example of a measuring point of a pumping current increase ΔU p in the lean region. This pumping current increase 158 is below the threshold 150 , which in turn suggests that the air ratio in the lean area 140 lies. This information of the second measuring phase can be used to set the pumping current I p measured in the first measuring phase assign a clear value.

Analog wird im Folgenden die Situation im fetten Luftzahlbereich 138 erläutert. Ausgangspunkt sei beispielsweise ein Sauerstoff-Unterschuss von 3%, was in 1 symbolisch mit einem Fettpunkt 160 bezeichnet ist. Wiederum sei darauf hingewiesen, dass es sich bei diesem Beispiel lediglich um eine von vielen möglichen Situationen handelt. In diesem Fettpunkt 160 herrscht zunächst, sofern keine Pumpspannung angelegt wird, wieder in beiden Hohlräumen 120, 126 eine Atmosphäre mit einem negativen Sauerstoffgehalt von 3%, also einem Sauerstoffunterschuss von 3% gegenüber einem stöchiometrischen Gleichgewicht.Analogously, the following is the situation in the rich air range 138 explained. The starting point, for example, is an oxygen deficit of 3%, which is in 1 symbolic with a bold point 160 is designated. Again, it should be noted that this example is just one of many possible situations. In this fat point 160 If no pumping voltage is applied, first of all there prevails again in both cavities 120 . 126 an atmosphere with a negative oxygen content of 3%, ie an oxygen deficit of 3% compared to a stoichiometric equilibrium.

Nun wird wiederum zunächst die erste Messphase durchgeführt, in welcher, mit gleicher Polung wie im oben beschriebenen Fall des mageren Gasgemischs, eine Pumpspannung Up an die Pumpzelle 118 angelegt wird. Es findet, wie oben beschrieben, an der ersten Elektrode 114 eine Umkehrreaktion statt, bei welcher nicht vollständig oxidierte Gaskomponenten, wie beispielsweise Brenngase (zum Beispiel Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff durch ausgebauten Sauerstoff oxidiert werden. Ein begrenzender Faktor ist somit die zwar erste Diffusionsbarriere 122 und der Nachstrom an Brenngasen durch diese erste Diffusionsbarriere. Im Grenzstrombetrieb wird also Sauerstoff durch den Festelektrolyten 112 vom zweiten Hohlraum 126 in den ersten Hohlraum 120 gepumpt, um dort mit Fettgasen zu reagieren. Durch diesen Abtransport von Sauerstoff aus dem zweiten Hohlraum 126 wird die Atmosphäre im zweiten Hohlraum 126 geringfügig fetter, so dass der Arbeitspunkt in diesem zweiten Hohlraum 126 vom Fettpunkt 160 in 1 geringfügig nach links wandert. Wie aus der Nernstkurve in 1 zu erkennen ist, ändert sich dadurch das Elektrodenpotential der zweiten Elektrode 116 jedoch nur unwesentlich.Now, in turn, first the first measurement phase is performed, in which, with the same polarity as in the case of the lean gas mixture described above, a pumping voltage U p to the pumping cell 118 is created. It finds, as described above, at the first electrode 114 an inverse reaction takes place in which non-fully oxidized gas components, such as fuel gases (for example, hydrocarbons, hydrogen are oxidized by oxygen that has been removed.) A limiting factor is thus the first diffusion barrier 122 and the post-flow of fuel gases through this first diffusion barrier. In the limiting current operation, therefore, oxygen is through the solid electrolyte 112 from the second cavity 126 in the first cavity 120 pumped to react there with fat gases. By this removal of oxygen from the second cavity 126 the atmosphere is in the second cavity 126 slightly fatter, leaving the working point in this second cavity 126 from the fat point 160 in 1 slightly to the left. As from the Nernst curve in 1 can be seen, thereby changing the electrode potential of the second electrode 116 but only insignificantly.

Im Gegensatz dazu reagieren jedoch alle durch den Festelektrolyten 112 nachgelieferten Sauerstoffmoleküle unmittelbar mit Brenngasen in dem ersten Hohlraum 120. Durch die erste Diffusionsbarriere 122 werden gerade so viele Fettgase in den ersten Hohlraum 120 nachgeliefert, dass die nachgelieferten Fettgase und die durch den Festelektrolyten 112 transportieren Sauerstoffmoleküle sich stöchiometrisch die Waage halten. Dies bedeutet jedoch nichts anderes, als dass im ersten Hohlraum 120 der stöchiometrische Gleichgewichtspunkt λ = 1 vorliegt. In anderen Worten wandert der Arbeitspunkt im ersten Hohlraum 120 hin zum λ = 1-Punkt 156. Die Gasgemischszusammensetzung im zweiten Hohlraum 120 wandert noch etwas weiter in den Bereich der fetten Gasgemischszusammensetzung, beispielsweise in Richtung auf den Punkt 160, was jedoch an der Spannung praktisch nichts ändert. Zwischen den beiden Elektroden 114, 116 liegt also wiederum beispielsweise die Pumpspannung von 450 mV an, entsprechend beispielsweise, da die Grenzströme der Diffusionsbarrieren 122, 128 sich unterscheiden können, ein Pumpstrom von Ip = 160 μA.In contrast, however, all react through the solid electrolyte 112 supplied oxygen molecules directly with fuel gases in the first cavity 120 , Through the first diffusion barrier 122 Just as many fat gases are in the first cavity 120 replenished that the subsequently supplied grease gases and by the solid electrolyte 112 transport oxygen molecules stoichiometrically balance each other. However, this means nothing else than that in the first cavity 120 the stoichiometric equilibrium point λ = 1 is present. In other words, the operating point travels in the first cavity 120 towards the λ = 1 point 156 , The mixed gas composition in the second cavity 120 Moves a little further into the area of the rich gas mixture composition, for example towards the point 160 , which does not change the voltage. Between the two electrodes 114 . 116 So again, for example, is the pumping voltage of 450 mV, corresponding, for example, since the boundary currents of the diffusion barriers 122 . 128 may differ, a pump current of I p = 160 uA.

Nun wird wiederum auf die zweite Messphase umgeschaltet, und der Pumpstrom Ip wird um einen konstanten Wert ΔIp erhöht (bzw. erniedrigt), und zwar um den gleichen Wert ΔIp wie im oben beschriebenen mageren Fall. Beispielsweise kann dies wiederum eine Stromerhöhung um ΔIp = 300 μA sein. Insgesamt fließen also jetzt kurzfristig in der zweiten Messphase 460 μA. Nun macht es sich bemerkbar, dass, im Gegensatz zum oben beschriebenen mageren Fall, im fetten Luftzahlbereich der Arbeitspunkt der mit dem kleineren Hohlraum 120 ausgestatteten ersten Elektrode 114 im Bereich von λ = 1 liegt, also im steilen Bereich der Nernstkurve. Während also durch die kurzfristige Pumpstromerhöhung in der zweiten Messphase die Atmosphäre in dem zweiten Hohlraum 126 geringfügig nach links vom Punkt 160 in 1 wandert, wandert die Atmosphäre im ersten Hohlraum 120 vom λ = 1-Punkt 156 aus in 1 nach rechts, da die Atmosphäre in diesem Hohlraum 120 in Richtung des mageren Luftzahlbereichs verschoben wird. Da durch die konstante Stromerhöhung ΔIp die gleiche Zahl an Molekülen zersetzt wird wie im oben beschriebenen mageren Fall, sich diese Zahl zersetzter Moleküle nunmehr jedoch auf das kleinere Volumen des ersten Hohlraums 120 verteilt, ändert sich prozentual betrachtet die Atmosphäre in diesem ersten Hohlraum 120 im fetten Fall stärker als die Atmosphäre im zweiten Hohlraum 126 im mageren Fall. Gleichzeitig können durch die dichtere Diffusionsbarriere 122 nur eingeschränkt Fettgas Moleküle nachströmen, die mit dem gepumpten Sauerstoff reagieren. Ein weiterer Effekt ist, dass dabei die notwendige Pumpspannung ansteigt, da während der zweiten Messphase der Inhalt des Hohlraums 120 mager wird. Aufgrund des stark nichtlinearen Verlaufs der Nernstkennlinie in 1 wirkt sich dies in einer erheblich größeren Änderung ΔUp der Pumpspannung Up aus als im mageren Fall. Dies ist in 7 symbolisch mit dem Punkt 162 dargestellt, welcher den Pumpspannungs-Anstieg im Fettbereich charak terisiert. Dieser Pumpspannungsanstieg 162 liegt erheblich über dem Schwellwert 150, so dass aus dem Vergleich mit dem Schwellwert 150 darauf geschlossen werden kann, dass eine fette Gasgemischzusammensetzung in dem Messgasraum 124 vorliegt. Diese Information der zweiten Messphase, gemeinsam mit der zuvor in der ersten Messphase gewonnenen Information über den Pumpstrom Ip, ermöglicht wiederum eine eindeutige Zuordnung des Messsignals der ersten Messphase zu einer Sauerstoffkonzentration, einem Sauerstoffpartialdruck und/oder einer Luftzahl λ. Die beschriebenen Spannungsmessungen können vorteilhaft in einem unbelasteten Zustand der Pumpzelle erfolgen.Now, in turn, the second measuring phase is switched over and the pumping current I p is increased (or decreased) by a constant value ΔI p by the same value ΔI p as in the lean case described above. For example, this in turn may be a current increase by ΔI p = 300 μA. In total, 460 μA are now flowing in the second measuring phase at short notice. Now it is noticeable that, in contrast to the lean case described above, in the rich air range, the operating point is the one with the smaller cavity 120 equipped first electrode 114 is in the range of λ = 1, ie in the steep region of the Nernst curve. So while the short-term pumping current increase in the second measurement phase, the atmosphere in the second cavity 126 slightly to the left of the point 160 in 1 wanders, wanders the atmosphere in the first cavity 120 from the λ = 1 point 156 out in 1 to the right, because the atmosphere in this cavity 120 is moved in the direction of the lean air range. Since the same number of molecules is decomposed by the constant current increase ΔI p as in the lean case described above, this number of decomposed molecules now, however, on the smaller volume of the first cavity 120 In terms of percentage, the atmosphere changes in this first cavity 120 in the rich case stronger than the atmosphere in the second cavity 126 in the lean case. At the same time, through the denser diffusion barrier 122 only limited flow of fat molecules, which react with the pumped oxygen. Another effect is that it increases the necessary pumping voltage, because during the second measurement phase, the contents of the cavity 120 gets lean. Due to the strongly nonlinear course of the Nernst characteristic in 1 This affects a much larger change ΔU p of the pumping voltage U p than in the lean case. This is in 7 symbolic with the dot 162 illustrated, which terized the pump voltage increase in the fat area charak. This pump voltage increase 162 is significantly above the threshold 150 , so that out of the comparison with the threshold 150 can be concluded that a rich gas mixture composition in the sample gas space 124 is present. This information of the second measurement phase, together with the information about the pumping current I p previously obtained in the first measurement phase, in turn allows an unambiguous assignment of the measurement signal of the first measurement phase to an oxygen concentration, an oxygen partial pressure and / or an air ratio λ. The described voltage measurements can advantageously take place in an unloaded state of the pumping cell.

Im vorliegenden Verfahren werden also durch die starke Nicht-Linearität der Nernstspannungskurve gemäß 1 enorme Signalverstärkungen hervorgerufen, die schon bei einer kurzfristigen Stromanregung signifikante Spannungssprünge hervorrufen kann. So können minimale Änderungen des Lambda-Wertes der getesteten Kammer die Nernstgegenspannung um bis zu mehrere 100 mV verschieben. Damit können durch kleinste Umpump-Vorgänge um einen Strom ΔIp hier klar auswertbare Antwortsignale ΔUp erzielt werden. Schon eine Erhöhung oder Erniedrigung des Pumpstromes um 100 μA für 10 ms oder sogar nur für 1 ms reicht aus, um bei geeignet gewählter Sensorelement-Geometrie ein Signal beispielsweise von 300 mV im mageren und nur 50 mV im fetten Bereich zu erzielen. Alternativ kann in dieser Phase ein fester Pumpstrom Ip gewählt werden. Die Unterscheidung dieser beiden Signale ist schaltungstechnisch leicht zu bewerkstelligen und könnte sich als unanfällig gegenüber typischen elektromagnetischen Störungen (EMV-Störungen) im automobilen Umfeld erweisen.In the present method, therefore, the strong non-linearity of the Nernst voltage curve in accordance with 1 caused enormous signal amplifications, which can cause significant voltage jumps even with a short-term current excitation. Thus, minimal changes in the lambda value of the tested chamber can shift the Nernst reverse voltage by up to several 100 mV. Thus clearly evaluable response signals .DELTA.U p can be achieved by pumped circulation smallest operations to a current .DELTA.I p here. An increase or decrease of the pump current by 100 μA for 10 ms or even only for 1 ms is sufficient to achieve a signal of, for example, 300 mV in the lean and only 50 mV in the rich region with suitably selected sensor element geometry. Alternatively, a fixed pump current I p can be selected in this phase. The distinction between these two signals is technically easy to accomplish and could prove to be unaffected by typical electromagnetic interference (EMC) in the automotive environment.

In 8 ist ein möglicher Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens stark schematisiert dargestellt. Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 164 schematisch ein Timing, also eine Zeitsteuerung, welche zwischen zwei Messphasen 166, 168 umschaltet. Wie oben beschrieben, beinhaltet dabei die erste Messphase beispielsweise eine Messung des Pumpstroms bei vorgegebener Pumpspannung. Die zweite Messphase 168 beinhaltet eine kurzfristige Pumpstromerhöhung, gefolgt von einer Messung der damit verbundenen Pumpspannungsänderung. Daneben können weitere Messphasen vorgegeben sein. Wie oben beschrieben, kann beispielsweise eine getaktete Umschaltung zwischen den Messphasen 166, 168 erfolgen oder eine bedarfsweise Einschaltung der zweiten Messphase 168. Zu diesem Zweck kann das Timing 164 beispielsweise, was in 8 mit der Bezugsziffer 170 bezeichnet ist, auf zusätzlicher Informationen zurückgreifen, beispielsweise Informationen über einen Lastwechsel eines Motors oder eine sonstige Änderung eines Betriebszustandes einer Brennkraftmaschine, was eine erneute Kontrollmessung in Form einer zweiten Messphase 168 nötig machen könnte.In 8th is a possible flowchart of a method according to the invention shown very schematically. The reference number denotes 164 schematically a timing, so a timing, which between two measurement phases 166 . 168 switches. As described above, the first measuring phase includes, for example, a measurement of the pumping current at a predetermined pumping voltage. The second measurement phase 168 includes a short-term pump current boost, followed by a measurement of the associated pump voltage change. In addition, further measurement phases can be predetermined. As described above, for example, a clocked switching between the measuring phases 166 . 168 or, if necessary, switching on the second measuring phase 168 , For this purpose, the timing can be 164 for example, what in 8th with the reference number 170 is referred to, resort to additional information, such as information about a load change of an engine or any other change in an operating condition of an internal combustion engine, which is a renewed control measurement in the form of a second measurement phase 168 could make necessary.

Wie oben beschrieben, wird aus der zweiten Messphase 168 eine Zusatzinformation gewonnen (Schritt 172), welche in einem Auswerteschritt 174 zur Auswertung des Pumpstromsignals aus der ersten Messphase 166 herangezogen werden kann, um die oben beschriebene Mehrdeutigkeit dieses Signals aufzulösen.As described above, the second measurement phase becomes 168 obtained additional information (step 172 ), which in an evaluation step 174 for evaluation of the pump current signal from the first measurement phase 166 can be used to resolve the above-described ambiguity of this signal.

Alternativ kann, wie in 8 durch den gestrichelten Pfeil 176 dargestellt ist, auch eine direkte Auswertung der Informationen aus der zweiten Messphase 168 erfolgen. Beispielsweise kann, wie oben beschreiben, in einem Luftzahlbereich um λ = 1 herum (d. h. um C(O2) = 0% herum) eine unmittelbare Auswertung der durch die Pumpstromerhöhung ΔIp verursachten Pumpspannungsänderung ΔUp aus der zweiten Messphase 168 erfolgen, da die Kennlinie 152 in diesem Bereich einen charakteristischen steilen Verlauf aufweist und unter Umständen einfacher und zuverlässiger auszuwerten ist als die Kennlinie 148, welche in diesem Bereich häufig mit Unsicherheiten behaftet ist.Alternatively, as in 8th through the dashed arrow 176 is shown, also a direct evaluation of the information from the second measurement phase 168 respectively. For example, as above described, in an air speed range at λ = 1 around (ie C (O 2) = 0% around) an immediate evaluation of the p by the pumping current increase .DELTA.I pumping voltage variation .DELTA.U p caused from the second measurement phase 168 done because the characteristic 152 In this area has a characteristic steep course and may be easier and more reliable to evaluate than the characteristic curve 148 , which is often subject to uncertainties in this area.

Anhand der in 6 symbolisch dargestellten Steuerung 144 soll auch eine Ausführungsform der Ansteuerung im Folgenden beispielhaft beschrieben werden. Die Steuerung 144 weist in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eine elektrische Energiequelle 178 in Form von beispielsweise einer Stromquelle 180 auf. Diese elektrische Energiequelle 178 wird vorzugsweise für beide Messphasen eingesetzt. Anstelle einer Stromquelle 180 kann, alternativ oder zusätzlich, eine Spannungsquelle vorgesehen sein, wie oben beschrieben. Weiterhin weist die Steuerung 144 in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Spannungsmessvorrichtung 182 auf, welche der Stromquelle 180 parallel geschaltet ist, sowie eine Strommessvorrichtung 184, welche in Reihe zu der elektrischen Energiequelle 178 geschaltet ist.On the basis of in 6 symbolically represented control 144 An embodiment of the control will also be described below by way of example. The control 144 points in the in 6 illustrated embodiment, an electrical energy source 178 in the form of, for example, a power source 180 on. This electrical energy source 178 is preferably used for both measuring phases. Instead of a power source 180 may, alternatively or additionally, be provided a voltage source, as described above. Furthermore, the controller has 144 in the 6 illustrated embodiment, a voltage measuring device 182 on which of the power source 180 is connected in parallel, as well as a current measuring device 184 which are in series with the source of electrical energy 178 is switched.

Die Stromquelle 180 wird an die beiden Sensorelektroden 114, 116 über die Elektrodenzuleitungen 130, 132 angeschlossen. Der Strom Ip wird in der ersten Messphase so gewählt, dass sich zwischen den beiden Elektroden 114, 116 die gewünschte Pumpspannung Up von beispielsweise 450 mV einstellt. Dies kann insbesondere auch geregelt erfolgen. Die Elektrodenspannung kann, um den Einfluss des Innenwiderstands der Pumpzelle 118 bzw. des Sensorelements 110 zu eliminieren, auch durch Modulation des Stromes gemessen werden. Durch diese Maßnahme lasst sich die Zeit, bis ein stationärer Zustand erreicht wird, stark verkürzen.The power source 180 is applied to the two sensor electrodes 114 . 116 via the electrode leads 130 . 132 connected. The current I p is chosen in the first measurement phase so that between the two electrodes 114 . 116 sets the desired pumping voltage U p of, for example, 450 mV. This can also be done in a regulated manner. The electrode voltage can affect the internal resistance of the pumping cell 118 or the sensor element 110 also be measured by modulation of the current. By this measure, let the time until a steady state is achieved, greatly shorten.

Ist der Zustand eines gleich bleibenden Pumpstromes Ip erreicht, wird dieser Stromwert beispielsweise zwischengespeichert. Ist dieser Zustand eines gleich bleibenden Stromes erreicht, so kann die erste Messphase prinzipiell beendet werden. Nun wird für eine festgelegte Zeit dieser Strom Ip zuzüglich (wahlweise abzüglich) des Feststromwertes ΔIp eingeprägt.If the state of a constant pumping current I p is reached, this current value is temporarily stored, for example. If this state of a constant current is reached, the first measurement phase can be terminated in principle. Now, for a fixed time, this current I p plus (optionally minus) the fixed current value ΔI p is impressed.

Waren zuvor beispielsweise 310 μA notwendig, um die 450 mV aufrechtzuerhalten, so wird nun der Strom beispielsweise auf 410 μA erhöht. Bei einer Erniedrigung kann der Strom dabei auch insgesamt negativ werden. Nach einer definierten Zeit (beispielsweise 10 ms oder auch nur 100 μs) wird die erreichte Spannung gemessen und diese Spannung bzw. die Differenz ΔUp zu einer zuvor benötigten Spannung, mit einem Referenzwert (Schwellwert 150 in 7) verglichen. Ist die gemessene Spannungsdifferenz bzw. Spannung größer als der Schwellwert 150, so ist das Abgas fett, ist die gemessene Spannung bzw. Spannungsdifferenz unter dem Schwellwert 150, so ist das Abgas mager. Bei einer umgekehrten Auslegung des Sensorelements 110 in 6, also bei einem im Vergleich zum zweiten Hohlraum 126 größeren ersten Hohlraum 120 oder bei einer Umpolung gegenüber dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, wären die Verhältnisse umgekehrt und die Kurve 152 beispielsweise an der Schwellwertachse 150 oder einer Symmetrieachse gespiegelt. In 7 ist der Schwellwert 150 derart gewählt, dass dieser bei ca. 150 mV liegt, entsprechend dem Minimum der Ip-Kennlinie 148. Durch diese Information kann zwischen den beiden Kennlinien (fett und mager) umgeschaltet werden und aus dem in der ersten Messphase gewonnenen Messwert, welcher noch zweideutig ist, ein eindeutiger Messwert bezüglich der Sauerstoffkonzentration, der Luftzahl oder des Sauerstoffpartialdrucks ausgegeben werden. Danach kann der beschriebene Zyklus mit den Messphasen von vorne beginnen.For example, if 310 μA was required beforehand to maintain the 450 mV, the current is now increased to 410 μA, for example. With a reduction, the current can also be negative overall. After a defined time (for example 10 ms or even 100 μs), the voltage reached is measured and this voltage or the difference .DELTA.U p to a previously required Voltage, with a reference value (threshold 150 in 7 ) compared. Is the measured voltage difference or voltage greater than the threshold value 150 , so the exhaust gas is rich, is the measured voltage or voltage difference below the threshold 150 , so the exhaust is lean. In a reverse interpretation of the sensor element 110 in 6 , ie at one compared to the second cavity 126 larger first cavity 120 or at a pole reversal compared to the embodiment described above, the conditions would be reversed and the curve 152 for example, at the threshold value axis 150 or a symmetry axis mirrored. In 7 is the threshold 150 chosen such that it is about 150 mV, corresponding to the minimum of the I p characteristic 148 , By means of this information, it is possible to switch over between the two characteristic curves (rich and lean) and output a clear measured value with regard to the oxygen concentration, the air ratio or the oxygen partial pressure from the measured value obtained in the first measuring phase, which is still ambiguous. Thereafter, the cycle described can begin with the measurement phases from the beginning.

Wie oben beschrieben und wie in 8 durch die Bezugsziffer 176 angedeutet, kann das Antwortsignal ΔUp, also die Spannungserhöhung bzw. Spannungserniedrigung, wahlweise eine Stromerhöhung bzw. Stromerniedrigung, auch direkt als Maß für die Gasgemischzusammensetzung verwendet werden. Die Signalkurve 152 entspricht bis auf einen Skalierungsfaktor und einen Offset im Wesentlichen der Kennlinie einer Sprungsonde, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt ist. Diese ist bekanntermaßen im Bereich um λ = 1 besonders genau. Der Offset kann beispielsweise im Betrieb bestimmt werden, beispielsweise als Wert der zweiten Messphase bei minimalem Signal der ersten Messphase. Um die Genauigkeit der so erhaltenen Breitbandsonde noch zu steigern, kann daher im Bereich um λ = 1 statt dem verrechneten Gesamtsignal direkt auch das Spannungssignal ΔUp (positiv oder negativ oder, alternativ, auch das Stromsignal) verwendet werden. Um die Genauigkeit noch weiter zu steigern und eine besonders einfache Art der Auswertung zu ermöglichen, könnte im Bereich um λ = 1 statt dem verrechneten Gesamtsignal direkt auch das Spannungssignal ΔUp abzüglich des Offsets verwendet werden. Dieses Signal ist im Bereich um λ = 1 bis auf einen Gain-Fehler ein sehr genaues Lambdasignal. Damit werden die Vorteile einer Breitbandsonde und einer Sprungsonde in einem einzigen Sensorelement 110 kombiniert.As described above and as in 8th by the reference number 176 indicated, the response signal .DELTA.U p , so the voltage increase or voltage decrease, either an increase in current or current reduction, can also be used directly as a measure of the gas mixture composition. The signal curve 152 is up to a scaling factor and an offset substantially the characteristic of a jump probe, as for example in 1 is shown. This is known to be particularly accurate in the range around λ = 1. The offset can be determined during operation, for example, as the value of the second measurement phase with a minimum signal of the first measurement phase. In order to increase the accuracy of the broadband probe thus obtained still, therefore, also the voltage signal directly .DELTA.U p can be used (positive or negative, or alternatively, also the current signal) in the region around λ = 1, instead of the charged overall signal. In order to increase the accuracy even further and to enable a particularly simple type of evaluation, the voltage signal ΔU p less the offset could be used directly in the range around λ = 1 instead of the total signal being calculated. This signal is in the range around λ = 1 except for a gain error, a very accurate lambda signal. Thus, the advantages of a broadband probe and a jump probe in a single sensor element 110 combined.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Strom nicht um einen bestimmten Wert ΔIp erhöht oder erniedrigt, sondern für eine gewisse Zeit auf einen festen Wert, z. B. auf 0 gesetzt. Auch dies entspricht jedoch einer Änderung des Stromes Ip um einen Wert ΔIp(Ip), wobei jedoch in diesem Fall der Wert ΔIp gerade dem zuvor in Messphase 1 gemessenen Strom Ip entspricht und ein negatives Vorzeichen aufweist. Dadurch wird der eindringende Nachstrom durch die erste Diffusionsbarriere 122 bzw. die zweite Diffusionsbarriere 128 in Relation zur Größe des Hohlraums 120 bzw. 126 gemessen. Bei geeigneter Wahl dieser Parameter zueinander kann damit ebenfalls ein V-förmiger Verlauf der Spannungsantwort erzielt werden, anstelle der Kennlinie 152 in 7, welche der Kennlinie einer Sprungsonde ähnelt. Durch Vergleich eines jeden derart erzielten Spannungswertes mit einem erwarteten Wert kann ebenfalls zwischen einem fetten Luftzahlbereich 138 und einem mageren Luftzahlbereich 140 unterschieden werden. Gleiches gilt, wenn nicht auf einen Strom Ip = 0, sondern auf einen anderen festgelegten Wert Ip gesprungen wird, oder wenn bei Konstantspannungsbetrieb die Spannung kurzfristig unterbrochen oder auf einen anderen Wert geschaltet wird. Der intrinsische Nachteile dieser Ausführungsformen gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform ist jedoch, dass keine derart eindeutige Kennlinie wie im oben beschriebenen Verfahren erzielt wird. Ferner erlaubt das oben beschriebene Verfahren die Wahl der Diffusionsbarriereeigenschaften der Diffusionsbarrieren 122, 128 unabhängig von der Größe der Hohlräume 120, 126. Dies ermöglicht eine größere Freiheit beim Aufbau des Sensorelements 110.In an alternative embodiment of the invention, the current is not increased or decreased by a certain value ΔI p , but for some time to a fixed value, e.g. B. set to 0. However, this also corresponds to a change of the current I p by a value .DELTA.I p (I p ), but in this case the value .DELTA.I p just corresponds to the previously measured in the measuring phase 1 current I p and has a negative sign. As a result, the incoming downstream flow through the first diffusion barrier 122 or the second diffusion barrier 128 in relation to the size of the cavity 120 respectively. 126 measured. With a suitable choice of these parameters to each other can thus also a V-shaped curve of the voltage response can be achieved, instead of the characteristic 152 in 7 which resembles the characteristic of a jump probe. By comparing each voltage value thus obtained with an expected value can also be between a rich air range 138 and a lean air range 140 be differentiated. The same applies if it is not jumped to a current I p = 0, but to another set value I p , or if in constant voltage operation, the voltage is temporarily interrupted or switched to another value. However, the intrinsic disadvantage of these embodiments over the embodiment described above is that no such unique characteristic is achieved as in the method described above. Furthermore, the method described above allows the choice of the diffusion barrier properties of the diffusion barriers 122 . 128 regardless of the size of the cavities 120 . 126 , This allows greater freedom in the construction of the sensor element 110 ,

In verschiedenen Ausprägungsformen können initiale Spannungssprünge oder Stromsprünge direkt auch nach Änderung des Stromes bzw. der Spannung als Maß für den Innenwiderstand des Sensorelements 110 und damit für dessen Temperatur verwendet werden.In various forms of expression, initial voltage jumps or current jumps can also be used directly after changing the current or the voltage as a measure of the internal resistance of the sensor element 110 and therefore used for its temperature.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • - Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2001, Seiten 116 bis 117 [0052] - Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2001, pages 116 to 117 [0052]

Claims (17)

Verfahren zur Bestimmung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Messgasraum (124), insbesondere zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente des Gases, insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffpartialdrucks in einem Abgas, wobei ein Sensorelement (110) verwendet wird, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine erste Elektrode (114), mindestens eine zweite Elektrode (116) und mindestens einen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (116) verbindenden Festelektrolyten (112) aufweist, wobei die erste Elektrode (114) in einem ersten Hohlraum (120) angeordnet ist und über eine erste Diffusionsbarriere (122) mit Gas aus dem Messgasraum (124) beaufschlagt wird, wobei die zweite Elektrode (116) in einem von dem ersten Hohlraum (120) getrennten zweiten Hohlraum (126) angeordnet ist und über eine zweite Diffusionsbarriere (128) mit Gas aus dem Messgasraum (124) beaufschlagt wird, wobei der erste Hohlraum (120) und der zweite Hohlraum (126) unterschiedliche Volumina aufweisen, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Messphasen aufweist: – in einer ersten Messphase wird eine Spannung Up an eine die erste Elektrode (114), die zweite Elektrode (116) und den Festelektrolyten (112) umfassende Pumpzelle (118) angelegt und ein Strom Ip, vorzugsweise ein Grenzstrom, durch die Pumpzelle (118) gemessen; und – in einer zweiten Messphase wird der Strom Ip um einen vorgegebenen Wert ΔIp geändert, wobei eine bei dieser Stromänderung auftretende Spannungsänderung ΔUp gemessen wird, wobei in mindestens einem Auswerteschritt aus dem Strom Ip und aus der Spannungsänderung ΔUp auf den Parameter des Gases geschlossen wird.Method for determining at least one parameter of a gas in a measuring gas space ( 124 ), in particular for determining a concentration of a gas component of the gas, in particular for determining an oxygen partial pressure in an exhaust gas, wherein a sensor element ( 110 ) is used, wherein the sensor element ( 110 ) at least one first electrode ( 114 ), at least one second electrode ( 116 ) and at least one the first electrode ( 114 ) and the second electrode ( 116 ) connecting solid electrolyte ( 112 ), wherein the first electrode ( 114 ) in a first cavity ( 120 ) and via a first diffusion barrier ( 122 ) with gas from the sample gas space ( 124 ), the second electrode ( 116 ) in one of the first cavity ( 120 ) separate second cavity ( 126 ) and via a second diffusion barrier ( 128 ) with gas from the sample gas space ( 124 ) is applied, wherein the first cavity ( 120 ) and the second cavity ( 126 ) have different volumes, the method having at least the following measurement phases: in a first measurement phase, a voltage U p is applied to a first electrode ( 114 ), the second electrode ( 116 ) and the solid electrolyte ( 112 ) comprehensive pump cell ( 118 ) and a current I p , preferably a limiting current, through the pumping cell ( 118 ) measured; and - in a second measurement phase, the current I p is changed by a predetermined value .DELTA.I p , wherein a change in voltage occurring during this current change .DELTA.U p is measured, wherein in at least one evaluation step from the current I p and from the voltage change .DELTA.U p to the parameter the gas is closed. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Parameter eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer Gaskomponente in dem Gas umfasst, wobei ein zumindest teilweise nicht-eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Strom Ip und der Konzentration und/oder dem Partialdruck besteht, wobei die gemessene Spannungsänderung ΔUp verwendet wird, um aus mehreren möglichen Konzentrationen und/oder Partialdrücken eine bestimmte Konzentration und/oder einen bestimmten Partialdruck auszuwählen.Method according to the preceding claim, wherein the parameter comprises a concentration and / or a partial pressure of a gas component in the gas, wherein an at least partially non-unique relationship between the current I p and the concentration and / or the partial pressure, wherein the measured voltage change ΔU p is used to select from a plurality of possible concentrations and / or partial pressures a certain concentration and / or a certain partial pressure. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Schwellwertverfahren verwendet wird, wobei die Spannungsänderung ΔUp mit einer oder mehreren Schwellwerten verglichen wird, wobei entsprechend dieses Vergleichs aus zwei oder mehr in Frage kommenden Konzentrationen und/oder Partialdrücken eine bestimmte Konzentration und/oder ein bestimmter Partialdruck ausgewählt wird.Method according to the preceding claim, wherein a threshold value method is used, wherein the voltage change ΔU p is compared with one or more threshold values, according to this comparison of two or more candidate concentrations and / or partial pressures a certain concentration and / or a certain partial pressure is selected. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) während eines überwiegenden ersten Anteils einer Gesamtmesszeit in der ersten Messphase betrieben wird, wobei das Sensorelement (110) für einen maximal ein Drittel des ersten Anteils dauernden zweiten Anteils der Gesamtmesszeit in der zweiten Messphase betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 110 ) is operated during a predominant first portion of a total measurement time in the first measurement phase, wherein the sensor element ( 110 ) is operated for a maximum of one third of the first portion lasting second portion of the total measurement time in the second measurement phase. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei entsprechend einer jeweils letzen durchgeführten zweiten Messphase eine Annahme über einen Frage kommenden Konzentrationsbereich und/oder Partialdruckbereich gespeichert wird, insbesondere ein Vorliegen einer fetten oder einer mageren Gasgemischszusammensetzung in dem Messgasraum (124), wobei in dem mindestens einen Auswerteschritt die gespeicherte Annahme verwendet wird, wobei in regelmäßigen oder unregelmäßigen Anständen eine zweite Messphase als Kontrollschritt durchgeführt wird, wobei aufgrund der in der zweiten Messphase gemessenen Spannungsänderung ΔUp die Annahme überprüft und/oder aktualisiert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein according to a respective last performed second measurement phase an assumption about a concentration range and / or partial pressure range coming forth is stored, in particular a presence of a rich or lean gas mixture composition in the sample gas space ( 124 ), wherein in the at least one evaluation step, the stored assumption is used, wherein in regular or irregular circumstances, a second measurement phase is performed as a control step, wherein due to the voltage change ΔU p measured in the second measurement phase, the assumption is checked and / or updated. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Anteil eine Dauer aufweist, welche 10 Millisekunden und vorzugsweise 5 Millisekunden nicht übersteigt.Method according to one of the two preceding claims, wherein the second portion has a duration which is 10 milliseconds and preferably does not exceed 5 milliseconds. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungsänderung ΔUp nach einer vorgegebenen Zeit nach Umschalten in die zweite Messphase gemessen wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the voltage change .DELTA.U p is measured after a predetermined time after switching to the second measuring phase. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Messphase und die zweite Messphase getaktet durchgeführt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the first measurement phase and the second measurement phase performed clocked become. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) in der ersten Messphase in einem Konstantspannungsmodus betrieben wird, wobei das Sensorelement (110) in der zweiten Messphase in einem Konstantstrommodus betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 110 ) is operated in the first measuring phase in a constant voltage mode, wherein the sensor element ( 110 ) is operated in the second measuring phase in a constant current mode. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Konzentration und/oder ein Partialdruck von Sauerstoff in dem Gas ermittelt wird, wobei in einem Bereich um eine Luftzahl λ = 1 herum zur exakten Bestimmung der Konzentration und/oder des Partialdrucks ein bekannter Zusammenhang zwischen ΔUp und der Konzentration und/oder des Partialdrucks verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a concentration and / or a partial pressure of oxygen in the gas is determined, wherein in a range around an air ratio λ = 1 around for the exact determination of the concentration and / or the partial pressure, a known relationship between ΔU p and the concentration and / or the partial pressure is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpzelle (118) bei mindestens einer Spannungsmessung unbelastet ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the pump cell ( 118 ) is unloaded at least one voltage measurement. Sensorelement (110) zur Bestimmung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Messgasraum (124), insbesondere zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente des Gases, insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffpartialdrucks in einem Abgas, wobei das Sensorelement (110) mindestens eine erste Elektrode (114), mindestens eine zweite Elektrode (116) und mindestens einen die erste Elektrode (114) und die zweite Elektrode (116) verbindenden Festelektrolyten (112) aufweist, wobei die erste Elektrode (114) in einem ersten Hohlraum (120) angeordnet ist und über eine erste Diffusionsbarriere (122) mit Gas aus dem Messgasraum (124) beaufschlagt wird, wobei die zweite Elektrode (116) in einem von dem ersten Hohlraum (120) getrennten zweiten Hohlraum (126) angeordnet ist und über eine zweite Diffusionsbarriere (128) mit Gas aus dem Messgasraum (124) beaufschlagt wird, wobei der erste Hohlraum (120) und der zweite Hohlraum (126) unterschiedliche Volumina aufweisen.Sensor element ( 110 ) for determination min at least one parameter of a gas in a sample gas space ( 124 ), in particular for determining a concentration of a gas component of the gas, in particular for determining an oxygen partial pressure in an exhaust gas, wherein the sensor element ( 110 ) at least one first electrode ( 114 ), at least one second electrode ( 116 ) and at least one the first electrode ( 114 ) and the second electrode ( 116 ) connecting solid electrolyte ( 112 ), wherein the first electrode ( 114 ) in a first cavity ( 120 ) and via a first diffusion barrier ( 122 ) with gas from the sample gas space ( 124 ), the second electrode ( 116 ) in one of the first cavity ( 120 ) separate second cavity ( 126 ) and via a second diffusion barrier ( 128 ) with gas from the sample gas space ( 124 ) is applied, wherein the first cavity ( 120 ) and the second cavity ( 126 ) have different volumes. Sensorelement (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Hohlraum (126) ein um einen Faktor 1,1 bis 50, vorzugsweise um einen Faktor 1,2 bis 5 und besonders bevorzugt um einen Faktor 1,5 bis 3 größeres Volumen aufweist als der erste Hohlraum (120).Sensor element ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the second cavity ( 126 ) has a volume larger by a factor of 1.1 to 50, preferably by a factor of 1.2 to 5 and particularly preferably by a factor of 1.5 to 3, than the first cavity ( 120 ). Sensorelement (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (110) einen Schichtaufbau umfasst, wobei der erste Hohlraum (120) und der zweite Hohlraum (126) in derselben Schichtebene oder in unterschiedlichen Schichtebenen angeordnet sind.Sensor element ( 110 ) according to one of the two preceding claims, wherein the sensor element ( 110 ) comprises a layer structure, wherein the first cavity ( 120 ) and the second cavity ( 126 ) are arranged in the same layer plane or in different layer planes. Sensorelement (110) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die erste Diffusionsbarriere (122) dichter ausgeführt ist als die zweite Diffusionsbarriere (128), insbesondere deutlich dichter.Sensor element ( 110 ) according to one of claims 11 to 13, wherein the first diffusion barrier ( 122 ) is made denser than the second diffusion barrier ( 128 ), in particular significantly denser. Sensoranordnung (142) zur Bestimmung mindestens eines Parameters eines Gases in einem Messgasraum (124), insbesondere zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente des Gases, insbesondere zur Bestimmung eines Sauerstoffpartialdrucks in einem Abgas, umfassend mindestens ein Sensorelement (110) nach einem der vorhergehenden, auf ein Sensorelement (110) gerichteten Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens eine Steuerung (144) zur Ansteuerung des Sensorelements (110), wobei die Sensoranordnung (142) eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche durchzuführen.Sensor arrangement ( 142 ) for determining at least one parameter of a gas in a measuring gas space ( 124 ), in particular for determining a concentration of a gas component of the gas, in particular for determining an oxygen partial pressure in an exhaust gas, comprising at least one sensor element ( 110 ) according to one of the preceding, to a sensor element ( 110 ), further comprising at least one controller ( 144 ) for controlling the sensor element ( 110 ), wherein the sensor arrangement ( 142 ) is arranged to perform a method according to one of the preceding method claims. Sensoranordnung (142) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuerung (144) eine Energiequelle (178) umfasst, wobei die Steuerung (144) eingerichtet ist, um die Energiequelle (178) in der ersten Messphase und der zweiten Messphase auf eine der folgenden Weisen zu betreiben: – die Energiequelle (178) umfasst eine Spannungsquelle, wobei die Steuerung (144) eingerichtet ist, um mittels der Spannungsquelle in der ersten Messphase die Spannung Up zu erzeugen, wobei die Steuerung (144) eingerichtet ist, um in der zweiten Messphase mittels der Spannungsquelle eine Stromquelle zu simulieren und auf diese Weise die Stromänderung ΔIp zu erzeugen; – die Energiequelle (178) umfasst eine Stromquelle (180), wobei die Steuerung (144) eingerichtet ist, um mittels der Stromquelle (180) in der ersten Messphase eine Spannungsquelle zu simulieren und die Spannung Up zu erzeugen, wobei die Steuerung (144) eingerichtet ist, um in der Messphase mittels der Stromquelle (180) die Stromänderung ΔIp zu erzeugen.Sensor arrangement ( 142 ) according to the preceding claim, wherein the controller ( 144 ) an energy source ( 178 ), wherein the controller ( 144 ) is set up to the energy source ( 178 ) in the first measuring phase and the second measuring phase in one of the following ways: - the energy source ( 178 ) comprises a voltage source, the controller ( 144 ) is arranged to generate the voltage U p by means of the voltage source in the first measuring phase, wherein the controller ( 144 ) is arranged to simulate a current source in the second measuring phase by means of the voltage source and in this way to generate the current change ΔI p ; - the energy source ( 178 ) comprises a power source ( 180 ), whereby the controller ( 144 ) is set up by means of the power source ( 180 ) in the first measuring phase to simulate a voltage source and to generate the voltage U p , wherein the controller ( 144 ) is set up in the measuring phase by means of the power source ( 180 ) to produce the current change ΔI p .
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