DE102010029027A1

DE102010029027A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors

Info

Publication number: DE102010029027A1
Application number: DE201010029027
Authority: DE
Inventors: Dirk Liemersdorf; Benjamin Sillmann; Berndt Cramer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2010-05-17
Publication date: 2011-11-17

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors (116) vorgeschlagen, insbesondere eines elektrochemischen Sensors (116) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112). Der elektrochemische Sensor (116) umfasst mindestens eine Pumpzelle (146) mit mindestens einer Arbeitselektrode (144) und mindestens einer Gegenelektrode (148) sowie mindestens eine Messzelle (152) mit mindestens zwei Messelektroden (154, 156). Die Pumpzelle (146) wird mit einem variablen Pumpstrom beaufschlagt, wobei der Pumpstrom derart eingestellt wird, dass sich in der Messzelle (152) eine vorgegebene Spannung einstellt. Zur Erzeugung des Pumpstroms wird ein Regler (174, 184) verwendet. Mindestens eine von dem Regler (174, 184) erzeugte Reglerinformation (178), insbesondere der Pumpstrom und/oder eine zu dem Pumpstrom korrelierende Größe (178), wird erfasst.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, welche auf elektrochemischen Eigenschaften basieren, insbesondere elektrochemischen Eigenschaften bestimmter Festelektrolyte. Unter einem Festelektrolyten wird dabei allgemein ein Festkörper verstanden, welcher in der Lage ist, eine oder mehrere Arten von Ionen zu leiten, beispielsweise schon oberhalb einer bestimmten Mindesttemperatur. Beispiele derartiger Festelektrolyte sind auf Zirkoniumdioxid basierende Festelektrolyte, wie beispielsweise Ytrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid. Auch andere Festelektrolyte sind jedoch bekannt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich einsetzbar. Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensoren bekannt, welche auf der Verwendung von Festelektrolyten basieren. Insbesondere handelt es sich hierbei um Gassensoren, welche zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum eingerichtet sind, beispielsweise zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung dieser Gase. Beispielsweise kann es sich dabei um Sensoren zur Bestimmung von Stickoxid-Anteilen in Abgasen handeln. Beispiele derartiger Sensoren sind in EP 0 769 693 A1 beschrieben. Andere Beispiele von Festelektrolyt-Sensoren sind sogenannte Lambdasonden, also Sensoren, welche zur Erfassung eines Sauerstoffanteils eingesetzt werden. Derartige Sensoren sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben.
Bei vielen aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren, wie beispielsweise den oben genannten NOx-Sensoren oder Breitband-Lambdasonden gemäß dem oben genannten Stand der Technik, werden eine oder mehrere so genannte Pumpzellen eingesetzt, also elektrochemische Zellen, welche derart betrieben werden, dass ein Ionenstrom durch den Festelektrolyten fließt. Bei diesen wird in vielen Fällen die Pumpzelle spannungsgeführt derart geregelt, dass sich ein bestimmtes Potential in einer Nernstschen Messzelle einstellt. Derartige Vorrichtungen weisen jedoch in der Praxis den Nachteil auf, dass in der Regel die Erfassung des Pumpstroms erforderlich ist. Diese ist aufwändig zu messen, beispielsweise in Form einer Spannungsmessung über einen Shuntwiderstand. Wünschenswert wären daher Vorrichtungen, welche eine Regelung einer Pumpzelle auf einfachere Weise ermöglichen und vorzugsweise gleichzeitig eine quantitative Erfassung eines Pumpstroms durch die Pumpzelle möglich machen.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors sowie eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Der elektrochemische Sensor kann grundsätzlich eine beliebige elektrochemische Vorrichtung umfassen oder Teil einer elektrochemischen Vorrichtung sein, welche zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum ausgestaltet ist. Die mindestens eine Eigenschaft kann beispielsweise mindestens eine physikalisch und/oder chemisch erfassbare Eigenschaft sein. Insbesondere kann es sich hierbei um einen Anteil mindestens einer Gaskomponente handeln, welcher qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann. Beispielsweise kann als Anteil ein Partialdruck und/oder ein prozentualer Anteil der Gaskomponente erfasst werden. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, und bei dem Messgasraum beispielsweise um einen Abgastrakt dieser Brennkraftmaschine, beispielsweise für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch grundsätzlich denkbar. Bei dem nachzuweisenden Gas kann es sich beispielsweise um Sauerstoff, Stickoxide (beispielsweise Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid oder allgemein NOx), Ammoniak, Kohlenwasserstoffe, Wasserstoff oder ähnliches handeln.
Der elektrochemische Sensor umfasst mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer Arbeitselektrode und mindestens einer Gegenelektrode. Insbesondere kann die Arbeitselektrode mit der Gegenelektrode über mindestens einen Festelektrolyten verbunden sein, beispielsweise einen oder mehrere der oben genannten Festelektrolyten. Insbesondere kann die Pumpzelle in Form eines Schichtaufbaus ausgestaltet sein. Die Arbeitselektrode und/oder die Gegenelektrode können beispielsweise als Metall-Keramik-Elektroden (CERMET-Elektroden) ausgestaltet sein, beispielsweise unter Verwendung von Platin- und/oder anderen Metallen als metallischer Komponente und einer auf Zirkoniumdioxid und/oder anderen Keramiken basierenden Keramikkomponente.
Der elektrochemische Sensor umfasst weiterhin mindestens eine Messzelle mit mindestens zwei Messelektroden. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Nernst-Zelle handeln. Die mindestens zwei Messelektroden können beispielsweise als Nernst-Elektrode und als Referenzelektrode und/oder als zwei Nernst-Elektroden ausgestaltet sein. Wiederum kann mindestens ein die Messelektroden verbindender Festelektrolyt vorgesehen sein, welcher mit den Festelektrolyten der Pumpzelle ganz oder teilweise identisch sein kann, welcher jedoch auch von dem Festelektrolyten der Pumpzelle getrennt ausgebildet sein kann. Bezüglich möglicher Materialien des Festelektrolyten kann auf die obige Beschreibung der Pumpzelle verwiesen werden.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Pumpzelle mit einem variablen Pumpstrom beaufschlagt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Pumpstromquelle verwendet werden, welche Bestandteil einer Steuerungsvorrichtung sein kann. Diese Steuerungsvorrichtung kann ganz oder teilweise in die elektrochemische Vorrichtung selbst integriert sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise unabhängig von dieser elektrochemischen Vorrichtung ausgestaltet sein. Unter einem Pumpstrom wird allgemein ein Strom verstanden, welcher durch die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und gegebenenfalls den Festelektrolyten der Pumpzelle fließt. Insbesondere kann dieser Pumpstrom vollständig oder teilweise als Ionenstrom durch den Festelektrolyten ausgestaltet sein, beispielsweise als Sauerstoff-Ionenstrom.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der Pumpstrom durch die Pumpzelle derart eingestellt, dass sich in der Messzelle eine vorgegebene Spannung einstellt. In anderen Worten kann ein variabler Strom in die Pumpzelle derart eingeprägt werden, dass sich an der Messzelle eine gewünschte Spannung einstellt. Die vorgegebene Spannung kann ein einzelner Spannungswert sein, welcher beispielsweise fest vorgegeben werden kann oder mit einem oder mehreren Toleranzintervallen vorgegeben werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die vorgegebene Spannung jedoch auch mehrere Spannungswerte umfassen, beispielsweise eine Spannungsfunktion oder eine vorgegebene zeitliche Abfolge von Spannungswerten.
Zum Zweck der Einstellung des Pumpstroms wird ein Regler verwendet. Unter einem Regler wird dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Regelkreis oder ein Teil eines Regelkreises bezeichnet, in dem eine dynamische Größe (Regelgröße) mit Hilfe eines Stellglieds beeinflussbar ist. Ein Regelkreis ist üblicherweise ein geschlossener Wirk-Kreis (Regelkreis), mittels dessen eine automatische Steuerung und/oder Regelung einer Regelstrecke durchgeführt werden kann. Der Regelkreis umfasst üblicherweise ein Messglied zur Erfassung der mindestens einen Regelgröße der Regelstrecke welches einen Istwert bereitstellt. Dieser wird im Regler oder einer dem Regler vorgeschalteten Vergleichseinheit mit mindestens einer Führungsgröße (Sollwert) verglichen wobei mindestens eine Regeldifferenz erzeugt wird. Der Regler generiert aus der Regeldifferenz mindestens eine Steuergröße, welche an ein Stellglied zur Generierung mindestens einer an die Regelstrecke bereitzustellenden Stellgröße übermittelt wird oder welche bereits selbst als Stellgröße eingesetzt werden kann. Dementsprechend ist ein Regler eine Vorrichtung, welche zumindest eingerichtet ist, um aus einer Regeldifferenz zwischen einem Istwert und einem Sollwert eine Steuergröße und/oder eine Stellgröße zu erzeugen.
Insbesondere kann die Spannung der Messzelle als Istwert eines Regelkreises verwendet werden, die vorgegebene Spannung als Führungsgröße oder Sollwert, und über einen Regler kann eine Steuergröße erzeugt werden, welche unmittelbar dem Pumpstrom entspricht oder aus welcher über ein entsprechendes Stellglied, beispielsweise die Pumpstromquelle, der Pumpstrom als Stellgröße erzeugt wird. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens besteht insbesondere darin, dass mindestens eine von dem Regler erzeugte Reglerinformation erfasst wird.
Unter einer Erfassung ist dabei eine Nutzbarmachung der Reglerinformation für mindestens eine Funktion außerhalb des Reglers zu verstehen, was beispielsweise eine Speicherung der mindestens einen Reglerinformation, eine Weiterverarbeitung, eine Nutzung als Messgröße oder eine Nutzung allgemein für Zwecke, die nicht unmittelbar mit der Reglerfunktion des Reglers in Verbindung stehen, beinhalten kann. Wie unten noch näher ausgeführt wird, kann die Reglerinformation insbesondere als Messgröße verwendet werden, oder aus der Reglerinformation kann die Messgröße gebildet werden, wobei die Messgröße, wobei auch mehrere Messgrößen erfasst werden können, beispielsweise zur Bestimmung der Eigenschaft des Gases verwendet wird oder unmittelbar eine Information über die Eigenschaft des Gases liefern kann.
Unter einer Reglerinformation ist allgemein eine Information zu verstehen, beispielsweise ein Signal, insbesondere ein Spannungs- und/oder Stromsignal, wobei es sich insbesondere um ein analoges oder um ein digitales Signal handeln kann, welches von dem Regler erzeugt wird. Die Erzeugung kann dabei am Ausgang des Reglers erfolgen, so dass die Reglerinformation beispielsweise eine Reglerausgangsgröße sein kann oder eine Reglerausgangsgröße umfassen kann. Dementsprechend kann die Reglerinformation beispielsweise eine von dem Regler erzeugte Stellgröße umfassen. Insbesondere kann als Reglerinformation der Pumpstrom durch die Pumpzelle und/oder eine zu dem Pumpstrom korrelierende Messgröße, erfasst werden, beispielsweise unmittelbar am Ausgang des Reglers. Alternativ oder zusätzlich kann als Reglerinformation jedoch auch mindestens eine innerhalb des Reglers erzeugte Größe, beispielsweise eine Zwischengröße, erfasst werden.
Auf eine Messung des Pumpstroms, beispielsweise des Pumpstroms in der elektrochemischen Vorrichtung bzw. des elektrochemischen Sensors, beispielsweise über einen Shuntwiderstand, kann auf diese Weise verzichtet werden, da die Reglerinformation unmittelbar die Messgröße des Pumpstroms liefern kann. Insbesondere kann die Reglerinformation unmittelbar innerhalb des Regelkreises erfasst werden, beispielsweise innerhalb einer den Regler umfassenden Steuerungsvorrichtung. Auf eine zusätzliche Messvorrichtung zur Erfassung des Pumpstroms kann vollständig verzichtet werden, auch wenn eine derartige zusätzliche Messvorrichtung gleichwohl vorhanden sein kann. Die Stromregelung kann auch innerhalb der Reglerstruktur erfolgen, so dass der Ausgang des Reglers bereits einen Strom darstellen kann. Beispielsweise kann der Regler ein Steuersignal für eine Stromquelle liefern. Dabei kann das Steuersignal selbst als Reglerinformation erfasst und ggf. ausgewertet werden, beispielsweise zur Ermittlung der mindestens einen Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise der Regler selbst auch gleich den Strom, insbesondere den Pumpstrom, generieren. In diesem Fall kann zwar grundsätzlich auch der Pumpstrom (beispielsweise am Reglerausgang) als Reglerinformation erfasst werden. Bevorzugt ist es jedoch, nicht diese Reglerausgangsgröße zurückzumessen, sondern eine Größe innerhalb des Reglers als Reglerinformation zu erfassen und zu verwenden. Dies wird unten exemplarisch noch näher beschrieben.
Aus der auf diese Weise erfassten mindestens einen Reglerinformation, beispielsweise dem Pumpstrom selbst oder einer Steuergröße, aus welcher mittels eines zusätzlichen Stellgliedes der Pumpstrom bereitgestellt werden kann, kann direkt oder indirekt auf die Eigenschaft des Gases geschlossen werden. Beispielsweise kann das Verfahren einen Algorithmus umfassen, welcher die erfasste Reglerinformation in die zu ermittelnde Eigenschaft des Gases, beispielsweise eine Konzentration und/oder einen Partialdruck mindestens einer Gaskomponente in dem Gas, umrechnet oder umwandelt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen sein, wobei die Steuerungsvorrichtung beispielsweise eine Rechenlogik und/oder eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfasst, die eingerichtet ist, um aus der mindestens einen Reglerinformation auf die mindestens eine Eigenschaft des Gases zu schließen. Beispielsweise kann dies durch eine Software- und/oder Hardware-Implementierung erfolgen. Beispielsweise können entsprechende Funktionen hinterlegt sein, mittels derer aus der Reglerinformation auf die Eigenschaft geschlossen werden kann. Alternativ oder zusätzlich können beispielsweise auch ein oder mehrere Tabellen, insbesondere elektronische Tabellen, beispielsweise Lookup-Tables, vorgesehen sein, die Umwandlung von der Reglerinformation in die Eigenschaft vorzunehmen. Das Ergebnis dieser Umwandlung kann gespeichert und/oder an eine weitere Vorrichtung ausgegeben werden (beispielsweise eine zentrale Motorsteuerung) und/oder kann einem Benutzer angezeigt werden.
Die Messelektroden können vollständig oder teilweise von den Elektroden der Pumpzelle, also der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode, verschieden ausgebildet sein. Dementsprechend können für die Messelektroden separate Elektroden eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch eine oder beide der Messelektroden mit mindestens einer der Elektroden der Pumpzelle identisch oder teilidentisch ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine der Messelektroden mit der Arbeitselektrode identisch oder teilidentisch ausgestaltet sein, sodass ein Elektrodensystem mit drei Elektroden oder mehreren Elektroden entsteht. Alternativ oder zusätzlich kann auch beispielsweise eine der Messelektroden mit der Gegenelektrode identisch oder teilidentisch ausgestaltet sein. Diese identische oder teilidentische Ausgestaltung ermöglicht insbesondere eine vereinfachte Kontaktierung der Elektroden.
Die Beaufschlagung der Pumpzelle kann insbesondere derart erfolgen, dass die Pumpzelle mit einem kontinuierlichen Pumpstrom beaufschlagt wird. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch eine unterbrochene Beaufschlagung der Pumpzelle mit Pumpstrom erfolgen, insbesondere eine gepulste Beaufschlagung der Pumpzelle mit Pumpstrom. Dabei können beispielsweise gleichförmige oder auch unregelmäßige Pulse eingesetzt werden. Entsprechend kann eine Pumpstromquelle ausgestaltet sein. Die Regelung des Pumpstroms kann beispielsweise eine Amplitudenregelung und/oder eine Frequenzregelung und/oder eine Regelung mittels einer Pulsweiten-Modulation umfassen.
Bei einer gepulsten Beaufschlagung der Pumpzelle mit Pumpstrom kann insbesondere zusätzlich auch eine Spannungskompensation oder eine Innenwiderstandsmessung erfolgen. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Wahl des Messzeitpunkts der Messzelle erfolgen. Dabei kann beispielsweise insbesondere ein Spannungsabfall über einem oder mehreren Zuleitungswiderständen und/oder einem Elektrolytwiderstand kompensiert werden. Insbesondere kann dabei die Spannung stromlos gemessen werden, da dabei ein zu einem Messfehler führender Spannungsabfall über einem Elektrolyt- und/oder Zuleitungswiderstand nicht auftritt.
Bezüglich der Ausgestaltung der Pumpzelle und der Messzelle bestehen mehrere Möglichkeiten, sodass das vorgeschlagene Verfahren im Rahmen zahlreicher Vorrichtungskonzepte, insbesondere Sensorkonzepte, einsetzbar ist.
Beispielsweise kann die Arbeitselektrode direkt oder indirekt mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Beispielsweise kann die Arbeitselektrode in einem mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbaren Elektrodenhohlraum im Inneren eines Schichtaufbaus angeordnet sein, welcher beispielsweise über eine oder mehrere Diffusionsbarrieren mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Arbeitselektrode jedoch auch direkt oder indirekt dem Messgasraum ausgesetzt sein, beispielsweise über eine poröse, gasdurchlässige Schutzschicht oder ohne derartige Schutzschicht. Die Gegenelektrode kann insbesondere in einem Referenzgasraum, insbesondere einer Luftreferenz, angeordnet sein. Unter einem Referenzgasraum ist dabei grundsätzlich ein von dem Messgasraum getrennt ausgebildeter Raum zu verstehen. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen abgeschlossenen Hohlraum handeln, also einen Hohlraum, welcher derart gegenüber der Umgebung und/oder dem Messgasraum abgedichtet ist, dass ein Gasaustausch aufgrund von Öffnungen lediglich auf einer Zeitskala stattfinden kann, welche im Vergleich zum Messzeitraum des Verfahrens vernachlässigbar ist. Insbesondere kann der Referenzgasraum vollständig gasdicht abgeschlossen sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzgasraum jedoch auch als offener Referenzgasraum ausgestaltet sein, beispielsweise als Luftreferenz, insbesondere als Referenzluftkanal. Beispielsweise kann die Luftreferenz mit einer Umgebung einer Brennkraftmaschine, insbesondere der Außenluft, in Verbindung stehen. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.
Allgemein können eine oder mehrere Messzellen und/oder eine oder mehrere Pumpzellen vorgesehen sein. Die mindestens eine Messzelle kann dabei vollständig getrennt von der mindestens einen Pumpzelle ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können sich die mindestens eine Pumpzelle und die mindestens eine Messzelle auch mindestens ein Bauelement teilen, beispielsweise mindestens einen Festelektrolyten und/oder mindestens eine Elektrode. Beispielsweise kann eine der Elektroden der Pumpzelle auch gleichzeitig oder zeitversetzt als Elektrode der Messzelle dienen. Grundsätzlich ist auch eine vollständig identische Ausgestaltung von Pump- und Messzelle möglich, beispielsweise indem zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Funktionen durch eine Zelle wahrgenommen werden. Beispielsweise kann ein Betrieb einer elektrochemischen Zelle erfolgen, die gleichzeitig oder zeitversetzt als Mess- und Pumpzelle verwendet wird. Ein anderer häufiger Fall ist ein System mit drei Elektroden für zwei Zellen, bei dem sich die Pumpzelle und die Messzelle eine Elektrode teilen. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind möglich.
Das Verfahren kann beispielsweise auch auf eine Breitbandsonde vom Typ LSU angewandt werden, wie sie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, S. 158–159, beschrieben sind. In diesem Fall könnte beispielsweise eine Spannung einer ersten Messelektrode, die gleichzeitig als Arbeitselektrode (IPE) dient, gegenüber einer im einem Referenzgasraum (Luftreferenz) angeordneten zweiten Messelektrode gemessen und geregelt werden, indem ein Strom zwischen der Arbeitselektrode und einer im Abgas befindlichen Gegenelektrode (APE) eingeprägt wird. Letztere kann beispielsweise durch eine poröse Schutzschicht vom Abgas getrennt sein.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren beispielsweise auch auf einen NOx-Sensor angewandt werden, wie er beispielsweise in EP 0 769 693 A1 beschrieben ist. Hier kann beispielsweise ein Einprägen eines NOE-Zersetzungsstromes gegen eine äußere Pumpelektrode erfolgen, was bei einigen Sensorkonzepten schaltungstechnisch vorteilhaft sein kann.
Diese Beispiele zeigen, dass die Bezeichnungen „Arbeitselektrode” und „Gegenelektrode” grundsätzlich für beliebige Pumpelektroden der Pumpzelle stehen können. Weiterhin kann die Messzelle eingerichtet sein, um eine Spannungsmessung vorzunehmen und/oder eine Strommessung, so dass die Messelektroden beispielsweise als Nernstelektroden und/oder auch als Pumpelektroden eingerichtet oder verwendet werden können. Generell können dabei die Elektroden der Pumpzelle von den Elektroden der Messzelle getrennt ausgebildet sein oder auch ganz oder teilweise gemeinsam, so dass beispielsweise eine Gegenelektrode der Pumpzelle (über die beispielsweise eine Pumpspannung und/oder ein Pumpstrom aufgeprägt und/oder gemessen werden kann), möglicherweise, jedoch nicht notwendigerweise, gleich einer der Messelektroden, beispielsweise einer Gegenelektrode für eine Spannungsmessung als Regelgröße, sein kann.
Insbesondere kann das Verfahren derart betrieben werden, dass die Arbeitselektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt wird. Dies kann beispielsweise, wie oben ausgeführt, dadurch erfolgen, dass die Arbeitselektrode direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht oder auf andere Weise mit dem Messgasraum in Verbindung steht oder über beispielsweise mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden kann. Dabei können der Arbeitselektrode auch beispielsweise eine oder mehrere Kammern vorgeschaltet sein, in welchen beispielsweise auch bereits eine Aufbereitung des Gases erfolgen kann, wie dies beispielsweise in EP 0 769 693 A1 beschrieben wird. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Mindestens eine der Messelektroden kann insbesondere mit mindestens einem Elektrodenhohlraum in Verbindung stehen. Diese Verbindung kann dadurch erfolgen, dass die Messelektrode unmittelbar in dem Elektrodenhohlraum angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Messelektrode auch in einem weiteren Bereich angeordnet sein, beispielsweise in einem weiteren Hohlraum, welcher mit dem Elektrodenhohlraum in Verbindung steht, sodass ein Gasaustausch zwischen dem Elektrodenhohlraum und dem Bereich der Messelektrode möglich ist. Beispielsweise kann diese Verbindung auch wiederum mindestens eine Diffusionsbarriere umfassen. In dem mindestens einen Elektrodenhohlraum, in welchem die Messelektrode angeordnet ist, soll in diesem Fall vorzugsweise mindestens eine der Elektroden der Pumpzelle angeordnet sein, beispielsweise die Arbeitselektrode und/oder die Gegenelektrode. So kann die mindestens eine Messelektrode beispielsweise in einem Elektrodenhohlraum der Arbeitselektrode oder in einem Elektrodenhohlraum der Gegenelektrode angeordnet sein. Diese bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeigt allgemein, dass vorzugsweise die Messzelle derart angeordnet sein sollte, dass die erfasste Spannung der Messzelle den Betrieb der Pumpzelle in irgendeiner Weise charakterisieren sollte. Dies kann durch Erfassung eines Potentials auf der Arbeitselektroden-Seite und/oder durch Erfassung eines Potentials auf der Gegenelektroden-Seite mittels mindestens einer der Elektroden der Messzelle und/oder über entsprechende Potentialdifferenzen (Spannung der Messzelle) erfolgen.
Hierbei können besonders bevorzugt eine oder mehrere der folgenden Anordnungen eingesetzt werden, welche sich auf einfache Weise beispielsweise in bereits bekannte Sensoranordnungen elektrochemischer Sensoren integrieren lassen. So kann die Messzelle insbesondere eingerichtet sein, um eine Spannung zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich des elektrochemischen Sensors zu erfassen. Dies kann dadurch erfolgen, dass eine der Messelektroden in dem ersten Bereich und eine andere der Messelektroden in dem zweiten Bereich angeordnet ist. Unter einem Bereich ist dabei allgemein ein Ort des elektrochemischen Sensors zu verstehen, an welchem eine Messung möglich ist, beispielsweise ein Elektrodenhohlraum und/oder ein Referenzbereich.
Der erste Bereich und der zweite Bereich können insbesondere derart angeordnet sein, dass der erste Bereich mit einem Elektrodenhohlraum, in welchem die Arbeitselektrode angeordnet ist, identisch ist. Der zweite Bereich kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass dieser als Referenzgasraum ausgestaltet ist, wobei bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Referenzgasraums auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Derartige Anordnungen lassen sich insbesondere, wie unten noch näher erläutert wird, in Breitband-Lambdasonden integrieren, wie sie beispielsweise in dem oben beschriebenen Stand der Technik offenbart sind.
Alternativ oder zusätzlich kann der erste Bereich auch mit einem Elektrodenhohlraum, in welchem die Arbeitselektrode angeordnet ist, lediglich in einem Gasaustausch stehen. Dieser Gasaustausch kann beispielsweise über eine oder mehrere Diffusionsbarrieren erfolgen. Beispielsweise kann der erste Bereich einen Hohlraum umfassen, welcher mit dem Elektrodenhohlraum der Arbeitselektrode über eine oder mehrere Diffusionsbarrieren verbunden ist. Der zweite Bereich kann insbesondere als Referenzgasraum ausgestaltet sein. Dieses Ausführungsbeispiel lässt sich insbesondere in NOx-Sensoren einsetzen, beispielsweise den in EP 0 769 693 A1 beschriebenen NOx-Sensoren.
In einem dritten Ausführungsbeispiel kann der erste Bereich auch mit einer Kammer identisch sein oder in Gasaustausch mit einer Kammer stehen, in welcher die Gegenelektrode angeordnet ist. Beispielsweise kann es sich bei dieser Kammer um einen Hohlraum handeln, welcher, wie oben beschrieben, vorzugsweise gasdicht abgeschlossen ist oder zumindest derart gasdicht ausgestaltet ist, dass ein Gasaustausch mit einer Umgebung und/oder dem Messgasraum auf anderem Wege als durch einen Ionenstrom durch den Festelektrolyten (also beispielsweise durch Gasdiffusion oder Gasströmung) entweder überhaupt nicht oder lediglich auf einer Zeitskala möglich ist, welche nicht dominant ist im Vergleich zu typischen Messdauern gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren. Der zweite Bereich kann insbesondere als Referenzgasraum ausgestaltet sein, wobei wiederum auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Dieses dritte Ausführungsbeispiel kann beispielsweise wiederum in NOx-Sensoren mit einem abgeschlossenen Hohlraum eingesetzt werden, in welchem über die Pumpzelle eine Gaskonzentration, beispielsweise eine Sauerstoffkonzentration, eingestellt wird. Beispielsweise können hierzu mehrphasige Messprinzipien eingesetzt werden, in welchem beispielsweise mindestens eine Akkumulationsphase verwendet wird, in welcher eine vorgegebene Gaskonzentration, beispielsweise Sauerstoffkonzentration, in der Kammer eingestellt wird, gefolgt von einer oder mehreren Regenerationsphasen, in welchen wieder ein Ausgangszustand hergestellt wird, beispielsweise durch ein Anlegen mindestens einer geeigneten Spannung oder Spannungssequenz. Auch andere Messprinzipien sind mit derartigen Anordnungen möglich.
Wie oben dargestellt, kann der elektrochemische Sensor insbesondere derart betrieben werden, dass mindestens eine Gaskomponente des Gases in dem Messgasraum qualitativ und/oder quantitativ nachgewiesen wird. Insbesondere kann es sich dabei um eine oder mehrere der folgenden Gaskomponenten handeln: Sauerstoff, Stickoxid, ein Kohlenwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff. Auch eine Kombination der genannten Gaskomponenten und/oder anderer Gaskomponenten kann jedoch grundsätzlich erfasst werden.
Dementsprechend wird in einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung mindestens eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Sensorvorrichtung zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung einer Gaskomponente in dem Messgasraum handeln. Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens elektrochemischen Sensor. Für mögliche Ausgestaltungen des elektrochemischen Sensors kann auf die entsprechenden Merkmale der obigen Beschreibung verwiesen werden. Auch eine andere Ausgestaltung ist jedoch grundsätzlich möglich. Der elektrochemische Sensor umfasst mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer Arbeitselektrode und mindestens einer Gegenelektrode. Weiterhin umfasst der elektrochemische Sensor mindestens eine Messzelle mit mindestens zwei Messelektroden. Weiterhin umfasst die Sensorvorrichtung mindestens eine Steuerungsvorrichtung, welche eingerichtet ist, um den elektrochemischen Sensor nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zu betreiben. Für weitere mögliche Ausgestaltungen kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensorvorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere lassen sich erfindungsgemäß eine quantitative Erfassung des Pumpstroms, beispielsweise eines NOx-Pumpstroms in einem NOx-Sensor und/oder eines Sauerstoff-Pumpstroms in einer Lambdasonde, oder Pumpströme in anderen Arten keramischer Sensoren, durch eine stromgeführte Regelung unter Verwendung der Reglerausgangsgröße als zur zu erfassenden Eigenschaft des Gases korrespondierende Ausgangsgröße des Systems verwenden. Dementsprechend kann beispielsweise, wie oben ausgeführt, ein Regler verwendet werden, welcher mindestens eine Reglerinformation, insbesondere einen Pumpstrom und/oder eine zu dem Pumpstrom korrelierende Größe, erzeugt bzw. aufweist, wobei aus dieser Reglerinformation auf eine Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum geschlossen wird, beispielsweise den Anteil der Gaskomponente. Die Reglerinformation kann also als Messgröße verwendet werden, oder aus der mindestens einen Reglerinformation kann auf mindestens eine Messgröße geschlossen werden. Beispielsweise kann somit die Reglerinformation, welche direkt oder indirekt als Reglerausgangsgröße generiert wird, zur Bestimmung der NOx-Konzentration und/oder zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration und/oder der Luftzahl verwendet werden. Die Regelung selbst liefert somit die Reglerinformation der Sensorvorrichtung. Erfindungsgemäß kann innerhalb eines keramischen Sensors, beispielsweise innerhalb eines NOx-Sensors oder eines Sauerstoff-Sensors, eine typischerweise verwendete Spannungsbeaufschlagung oder spannungsgeführte Regelung mit Strommessung, beispielsweise eine Konstantspannungsbeaufschlagung oder Spannungsgeführte Regelung der NOx-Zersetzungs-Elektrode (NOE) durch eine stromgeführte Regelung substituiert werden. Hierdurch kann auf die direkte Messung des NOx-Pumpstroms (I_Pump) verzichtet werden, da dieser die Reglerausgangsgröße darstellt. Hierdurch kann die Genauigkeit des Sensorsignals erheblich verbessert werden.
Kurze Beschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit einem elektrochemischen Sensor und einer Steuerungsvorrichtung in schematischer Darstellung;
2 und 3 verschiedene Ausführungsbeispiels von NOx-Sensoren zum Einsatz als elektrochemischer Sensor in einer Sensorvorrichtung gemäß 1;
4 ein Ausführungsbeispiel einer Breitband-Lambdasonde zum Einsatz als elektrochemischer Sensor in einer Sensorvorrichtung gemäß 1; und
5 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 1 mit einer geregelten Stromquelle, die in einem Mehrgrößenregler integriert ist.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist symbolisch ein schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt. Die Sensorvorrichtung 110 umfasst eine in 1 lediglich symbolisch angedeutete elektrochemische Vorrichtung 114 in Form eines elektrochemischen Sensors 116 sowie eine Steuerungsvorrichtung 118, welche mit dem elektrochemischen Sensor 116 über eine oder mehrere Schnittstellen 120 verbunden sein kann oder welche auch ganz teilweise in den elektrochemischen Sensor 116 selbst integriert sein kann.
In den 2–4 sind Ausführungsbeispiele derartiger Sensorvorrichtungen 110 gezeigt, in welchen Beispiele der elektrochemischen Sensoren 116 dargestellt sind. So zeigt 2 ein Ausführungsbeispiel einer Integration eines herkömmlichen NOx-Sensors in die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 110. 3 zeigt die Integration eines NOx-Sensors mit einer gasdichten Kammer, und 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensorvorrichtung 110 mit einer Breitband-Lambdasonde als elektrochemischer Sensor 116.
Bei dem elektrochemischen Sensor 110 gemäß 2 kann grundsätzlich zumindest weitgehend auf die EP 0 769 693 A1 verwiesen werden. Der elektrochemische Sensor 116 weist einen Festelektrolyt-Aufbau mit mehreren Festelektrolyten 122 auf. In diesem sind Elektrodenhohlräume 124 und 126 vorgesehen, wobei ein erster Elektrodenhohlraum 124 über eine Diffusionsbarriere 128 mit dem Messgasraum in Verbindung steht. Der erste Elektrodenhohlraum 124 steht seinerseits mit dem zweiten Elektrodenhohlraum 126 über eine weitere Diffusionsbarriere 130 in Verbindung. In dem ersten Elektrodenhohlraum 124 ist eine innere Sauerstoff-Pumpelektrode 132 angeordnet, beispielsweise eine Platin-Gold-Legierungselektrode, welche mit einer äußeren Sauerstoff-Pumpelektrode 134 auf Seiten des Messgasraums 112 zusammenwirkt, um Sauerstoff aus dem ersten Elektrodenhohlraum 124 abzupumpen. Weiterhin ist eine zweite innere Elektrode 136 vorgesehen, beispielsweise wiederum eine Platin-Gold-Elektrode, welche mit einer Referenzelektrode 138 in einer Luftreferenz 140, beispielsweise einem Referenzluftkanal, zusammenwirkt und eine Messzelle bildet. Weiterhin ist in dem zweiten Elektrodenhohlraum 126 eine katalytisch aktive NO-Pumpelektrode 142 vorgesehen, welche beispielsweise aus einem Platin-Rhodium-Material hergestellt ist und welche als Arbeitselektrode 144 einer Pumpzelle 146 wirkt und mit einer Gegenelektrode 148 in der Luftreferenz 140 zusammenwirkt. Weiterhin ist ein Heizelement 150 vorgesehen, welches eingerichtet ist, um den elektrochemischen Sensor 116 oder Teile desselben auf eine Arbeitstemperatur aufzuheizen.
In herkömmlicher Betriebsweise wird der elektrochemische Sensor 116 gemäß 2 zur Messung kleiner Gaskonzentrationen von nicht-Sauerstoffgasen, hauptsächlich NOx, bei vorhandenem Sauerstoffhintergrund eingesetzt. Es existieren mehrere Abschnitte oder Kammern, in diesem Fall in Form der Elektrodenhohlräume 124, 126 (wobei auch eine andere Anzahl an Kammern vorgesehen sein kann), welche jeweils durch Diffusionsbarrieren 130 getrennt sind. Der Sauerstoff wird an den Elektroden 132, 134 entfernt. Somit ist anschließend idealerweise kein Sauerstoff mehr vorhanden. Die NO-Pumpelektrode 142 zersetzt nun selektiv Stickoxide (NO oder NOx) und pumpt den daraus entstandenen Sauerstoff als Ionenstrom beispielsweise zur Gegenelektrode 148, welche als Referenzelektrode wirken kann. Der dazu korrespondierende, sehr kleine elektrische Strom, welcher typischerweise im Nanoampère- bis Mikroampère-Bereich liegt, wird gemessen und ist ein Maß für die NO- bzw. NOx-Konzentration im Abgas.
Im Stand der Technik wird in der Regel das Potential der Arbeitselektrode 144 gegenüber der Gegenelektrode 148, welche beispielsweise in der Luftreferenz 140 oder auch im Messgasraum 112 angeordnet sein kann, spannungsgeführt so geregelt dass sich eine bestimmte Spannung, beispielsweise zwischen der NO-Pumpelektrode 142 und der Gegenelektrode 148 einstellt. Die Pumpzelle 146 wirkt in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Messzelle 152, und die Elektroden 144 und 148 als Messelektroden 154, 156. Es existieren jedoch auch Konzepte, die Spannungen zwischen anderen Elektroden einregeln bzw. anlegen.
Bei dem elektrochemischen Sensor 116 im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist zunächst ein Aufbau ähnlich dem Aufbau gemäß 2 vorgesehen, sodass zunächst weitgehend auf die obige Beschreibung der 2 verwiesen werden kann. Im Unterschied zum Aufbau gemäß 2 ist jedoch in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Gegenelektrode 148 nicht in der Luftreferenz 140 angeordnet, sondern in einer geschlossenen Kammer 158. In dieser geschlossenen Kammer 158 ist weiterhin eine Hohlkammerelektrode 160 angeordnet, welche auch ganz oder teilweise mit der Gegenelektrode 148 identisch sein kann und welche mit einer Luftreferenzelektrode 162 in der Luftreferenz 140 zusammenwirkt. Das Potential der NO-Pumpelektrode 142 wird in diesem Fall vorzugsweise im Standardfall auch gegenüber der Luftreferenzelektrode 162 eingeregelt.
Der in 3 dargestellte integrative NOx-Sensor wird in der Regel derart betrieben, dass nicht direkt der Grenzstrom der Pumpzelle 146 als Reglerinformation verwendet wird, sondern dass der aus der NOx-Zersetzung resultierende Sauerstoff in der geschlossenen Kammer 158 akkumuliert wird und ein Spannungssignal ausgewertet wird. Die Potentiale der Elektroden in dieser Anordnung können ebenfalls geregelt werden. Bei einer zusätzlichen Reglerinformationsauswertung treten auch bei diesem Messprinzip typischerweise Reglerinformationen auf, die eine Auflösung im Nanoampère-Bereich erfordern.
Bei dem dritten, in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich, im Gegensatz zu den typischerweise für eine NOx-Messung verwendeten Beispielen gemäß den 2 und 3, um ein Ausführungsbeispiel mit einer typischen Breitband-Lambdasonde. Wiederum ist ein Aufbau mit einer Pumpzelle 146 vorgesehen. Diese Pumpzelle 146 umfasst eine in einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnete Arbeitselektrode 144 und eine im Messgasraum 112 angeordnete und von dem Messgasraum 112 lediglich durch eine poröse Schutzschicht 164 getrennte Gegenelektrode 148. Der Elektrodenhohlraum 126 ist über eine Diffusionsbarriere 130 und ein Gaszutrittsloch 166 mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Weiterhin ist in dem Elektrodenhohlraum 126 eine erste Messelektrode 154 einer Messzelle 152 angeordnet, welche mit einer in einer Luftreferenz 140 angeordneten zweiten Messelektrode 156 zusammenwirkt. Auch in diesem Fall können die erste Messelektrode 154 und die Arbeitselektrode 144 weder ganz oder teilweise getrennt oder auch ganz oder teilweise gemeinsam ausgebildet sein. Die Breitband-Lambdasonde gemäß 4 wird typischerweise derart betrieben, dass eine Pumpspannung der Pumpzelle 146 über das Spannungssignal der Messzelle 152 derart geregelt wird, dass im Elektrodenhohlraum 126 die Luftzahl Lambda = 1 vorliegt. Für weitere Einzelheiten des Betriebs der Breitbandsonde gemäß 4 kann weitgehend auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 verwiesen werden.
Nachteilig an der oben skizzierten bisherigen Betriebsweise der elektrochemischen Sensoren 116 gemäß den 2–4 ist jedoch in vielen Fällen, dass als Messgröße ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 146 erfasst werden muss. Beispielsweise muss in den Vorrichtungen gemäß den 2 und 3 ein NOx-Pumpstrom über eine Spannungsmessung über einen Shuntwiderstand in der Steuerungsvorrichtung 118 erfasst werden. Erfindungsgemäß wird jedoch in den Vorrichtungen 110 gemäß den 2–4 der Pumpstrom der elektrochemischen Sensoren 116 durch eine stromgeführte Regelung unter Verwendung einer Reglerausgangsgröße als Reglerinformation zur Bestimmung der NOx-Konzentration (Ausführungsbeispiele in den 2 und 3) bzw. der Sauerstoffkonzentration (Ausführungsbeispiele in 4) ersetzt. Dementsprechend wird eine Steuerungsvorrichtung mit einer Regelung 168 gemäß beispielsweise dem Ausführungsbeispiel in 1 eingesetzt. In 1 ist symbolisch der elektrochemische Sensor 116 dargestellt. Dabei ist die Arbeitselektrode mit der Bezugsziffer 144 als „WE” (Working Electrode) bezeichnet, und die Gegenelektrode 148 mit „CE” (Counter Electrode). Die Messelektroden 154 und 156 der Messzelle 152 sind mit E1 und E2 bezeichnet.
Die Steuerungsvorrichtung 118, die Pumpzelle 146 und die Messzelle 152 bilden gemeinsam einen Regelkreis 170. Regelgröße des Regelkreises 170 ist die zwischen den Messelektroden 154, 156 anliegende Spannung, welche als von einer Spannungsmessvorrichtung 172 als Messglied erfasst wird. Diese Istspannung U_Ist wird mit einer Führungsgröße in Form einer Sollspannung U_Soll verglichen und die Regeldifferenz einem Regler 174 zugeführt. Alternativ kann der Vergleich, bei welchem eine Regeldifferenz generiert wird, auch im Regler 174 selbst erfolgen. Der Regler 174 generiert wiederum als Steuergröße einen Pumpstrom I_Pump oder eine Steueranweisung für ein Stellglied, exemplarisch dargestellt in Form einer gesteuerten Stromquelle 176. Typischerweise generiert der Regler 174 eine dem zu steuernden Pumpstrom proportionale Spannung, die dann durch eine Stromquelle 176 in den Strom umgewandelt wird. Gleichzeitig kann die Steuergröße I_Pump als Reglerinformation 178 erfasst werden, um hieraus das Ergebnis der Messung der Sensorvorrichtung 110 abzuleiten, beispielsweise die NOx-Konzentration (beispielsweise in den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 und 3) und/oder eine Sauerstoffkonzentration (beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4). Von der Stromquelle 176 und/oder einem Verstärker und/oder einer entsprechenden Stromquelle, die auch wiederum als Regler ausgestaltet sein kann, wird dann der Strom durch die Pumpzelle 146 gesteuert.
In 1 ist also ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem der Regler 174 selbst ein Steuersignal I_Pump für die Stromquelle 176 liefert, wobei letztere beispielsweise auch einfach als Verstärker ausgestaltet sein kann. Das Steuersignal I_Pump kann dann selbst als Reglerinformation 178 erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Stromquelle 176 selbst auch als geregelte Stromquelle ausgestaltet sein oder betrieben werden. In 5 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß 1 dargestellt, welches letztgenannte Möglichkeit zeigt, also die Möglichkeit, dass auch die Stromquelle 176 als geregelte Stromquelle ausgestaltet sein kann. Das Ausführungsbeispiel entspricht zunächst weitgehend dem Beispiel gemäß 1, so dass auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Durch die Stromquelle 176 werden eine Pumpspannung U_P und ein Pumpstrom I_P erzeugt. Der Pumpstrom wird von einer Strommessvorrichtung 180 als I_P,IST erfasst und mit einem in 5 mit I_P* bezeichneten, von dem Regler 174 generierten Soll-Signal, beispielsweise einem Soll-Pumpstrom, verglichen, beispielsweise in einer Vergleichsvorrichtung 182, um die Regelabweichung für den Regler 186 zu generieren. Der Soll-Pumpstrom I_P* kann selbst als Reglerinformation 178 verwendet werden. Der Regler 174 bildet die Führungsgröße für den unterlagerten Stromregelkreis, also beispielsweise hier der Stromregler 186, die Vergleichsvorrichtung 182 und die Strommessvorrichtung 180. Verschiedene andere Ausgestaltungen des Reglers sind möglich.
Das hier anhand der 1 und 5 beschriebene Verfahren beinhaltet also die Regelung einer Anordnung elektrochemischer Zellen durch Einprägen eines variablen Stroms in die Pumpzelle 146, sodass sich an der Messzelle 152 eine gewünschte Spannung einstellt. Dabei können keine, eine oder beide zu regelnden Elektroden 144, 148 jeweils auch eine Messelektrode 154, 156 darstellen. Da der Reglerausgang des Reglers 174 oder (alternativ oder zusätzlich) der Reglers 184 bereits die gewünschte Reglerinformation 178 darstellen kann oder ein Signal, aus welchem diese Reglerinformation 178 ableitbar ist, kann auf eine aufwändige Messung des Pumpstroms durch die Pumpzelle 146, beispielsweise des NOx-Pumpstroms und/oder des Sauerstoffpumpstroms, verzichtet werden.
Alternativ zu einer kontinuierlichen Stromeinprägung kann die Stromeinprägung mit der Vorrichtung gemäß den 1 und/oder 5 auch gepulst erfolgen. Dies kann gegenüber einer spannungsgeführten Regelung einen messtechnischen Vorteil bei der Umladung von Doppelschicht-Kapazitäten darstellen, da in der Regel keine für die Messung kritischen Stromspitzen auftreten. Insbesondere im Fall eines gepulsten Betriebes kann durch eine geeignete Wahl des Messzeitpunkts der Messzelle 152 zusätzlich beispielsweise auch eine Spannungskompensation oder eine Innenwiderstandsmessung vorgenommen werden. Dies geschieht durch geeignete Wahl des Messzeitpunktes der Regelgröße.
Der Vorteil gegenüber dem spannungsgeführten gepulsten Betriebe besteht darin, dass die Einschaltstromspitzen mit dem in erster Näherung DT₁-förmigen Verlauf der Stromantwort bei einer spannungsgeführten Betriebsweise problematisch zu messen sind. Bei Strompulsen verhält sich die Spannungsantwort hingegen in erster Näherung integrativ und kann zudem vorteilhafterweise in der Pulspause gemessen werden, was den Effekt hat, dass die parasitären Spannungsabfälle über den ohmschen Widerständen nicht mitgemessen werden. Dies kann zu einer Verbesserung der Sensorsignaleigenschaften führen, wie z. B. geringere Nichtlinearität sowie erhöhte Dynamik.
Die Sensorvorrichtung 110 gemäß den 1 und/oder 5 lässt sich auf verschiedene Weisen einsetzen. Nach einem konventionellen Messbetrieb kann beispielsweise in der Anordnung gemäß 2 die Spannung zwischen der NO-Pumpelektrode 142 und der Gegenelektrode 148, welche in diesem Fall auch als Messelektroden 154, 156 wirken, oder einer beliebigen anderen Spannung im elektrochemischen Sensor 116, durch Einprägen des Stroms durch die Pumpzelle 146 geregelt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann ein integratives Messprinzip eingesetzt werden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Spannung zwischen der NO-Pumpelektrode 142, welche dann als erste Messelektrode 154 wirkt, und der Luftreferenzelektrode 162, welche dann als zweite Messelektrode 156 wirken kann, geregelt werden, in dem der Pumpstrom durch die Pumpzelle 146 während einer Akkumulationsphase eingeprägt wird. Grundsätzlich lässt sich ein integratives Messprinzip jedoch auf andere Weise realisieren, in dem eine andere Art eines geregelten Pumpprozesses eingesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Messverfahren und die Steuerungsvorrichtung 118 können beispielsweise mittels einer analogen und/oder analog/digitalen und/oder digitalen Auswerteschaltung realisiert werden. Die genannten Komponenten sind als Hardwarekomponenten und/oder auch ganz oder teilweise als Softwarekomponenten einsetzbar. Das beschriebene Verfahren und die Sensorvorrichtung 110 können grundsätzlich beispielsweise für den Einsatz als On-Board-Diagnose-Sensorik für die Funktionsüberprüfung die Adaption eines Katalysators, beispielsweise eines auf selektive katalytische Reduktion basierenden Katalysators, eingesetzt werden. Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise in keramischen Sensoren, insbesondere NOx-Sensoren, für die Messung des NOx-Pumpstroms und/oder eines anderen Stroms einer geregelten elektrochemischen Zelle verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0769693 A1 [0001, 0022, 0024, 0027, 0040]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0001]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, S. 158–159 [0021]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158–159 [0045]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines elektrochemischen Sensors (116) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), umfassend mindestens eine Pumpzelle (146) mit mindestens einer Arbeitselektrode (144) und mindestens einer Gegenelektrode (148), weiterhin umfassend mindestens eine Messzelle (152) mit mindestens zwei Messelektroden (154, 156, wobei die Pumpzelle (146) mit einem variablen Pumpstrom beaufschlagt wird, wobei der Pumpstrom derart eingestellt wird, dass sich in der Messzelle (152) eine vorgegebene Spannung einstellt, wobei zur Erzeugung des Pumpstroms ein Regler (174, 184) verwendet wird, wobei mindestens eine von dem Regler (174, 184) erzeugte Reglerinformation (178), insbesondere der Pumpstrom und/oder eine zu dem Pumpstrom korrelierende Reglerinformation (178), erfasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei aus der Messgröße (178) auf eine Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Messelektroden (154, 156) zumindest teilweise identisch ist mit mindestens einer der Elektroden (144, 148) der Pumpzelle (146).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beaufschlagung der Pumpzelle (146) gemäß einem Verfahren erfolgt, ausgewählt aus: einer Beaufschlagung der Pumpzelle (146) mit einem kontinuierlichen Pumpstrom; eine unterbrochene Beaufschlagung der Pumpzelle (146) mit Pumpstrom, insbesondere eine gepulste Beaufschlagung der Pumpzelle (146) mit Pumpstrom.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine gepulste Beaufschlagung der Pumpzelle (146) mit Pumpstrom erfolgt, wobei zusätzlich eine Spannungskompensation oder eine Innenwiderstandsmessung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitselektrode (144) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die Gegenelektrode (148) in einem Referenzgasraum, insbesondere einer Luftreferenz (140), angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Arbeitselektrode (144) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagt wird, wobei mindestens eine der Messelektroden (154, 156) mit mindestens einem Elektrodenhohlraum (124, 126) in Verbindung steht, in welchem mindestens eine der Elektroden (144, 148) der Pumpzelle (146) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messzelle (152) eingerichtet ist, um eine Spannung zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich des elektrochemischen Sensors (116) zu erfassen, wobei der erste Bereich und der zweite Bereich ausgewählt sind aus: – einem ersten Bereich, welcher mit einem Elektrodenhohlraum (126), in welchem die Arbeitselektrode (144) angeordnet ist, identisch ist und einem zweiten Bereich, welcher als Referenzgasraum (140) ausgestaltet ist; – einem ersten Bereich, welcher mit einem Elektrodenhohlraum (126), in welchem die Arbeitselektrode (144) angeordnet ist, in einem Gasaustausch steht und einem zweiten Bereich, welcher als Referenzgasraum (140) ausgestaltet ist; – einem ersten Bereich, welcher mit einer Kammer (158) identisch ist oder in einem Gasaustausch mit der Kammer (158) steht, wobei die Gegenelektrode (148) in der Kammer (158) angeordnet ist, und einem zweiten Bereich, welcher als Referenzgasraum (140) ausgestaltet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elektrochemische Sensor (116) derart betrieben wird, dass mindestens eine Gaskomponente des Gases in dem Messgasraum (112) nachgewiesen wird, insbesondere eine oder mehrere der folgenden Gaskomponenten: Sauerstoff; ein Stickoxid; ein Kohlenwasserstoff; Ammoniak; Wasserstoff.
Sensorvorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Erfassung einer Gaskomponente in dem Messgasraum (112), umfassend mindestens einen elektrochemischen Sensor (116), wobei der elektrochemische Sensor (116) mindestens eine Pumpzelle (146) mit mindestens einer Arbeitselektrode (144) und mindestens einer Gegenelektrode (148) umfasst, wobei der elektrochemische Sensor (116) weiterhin mindestens eine Messzelle (152) mit mindestens zwei Messelektroden (154, 156) umfasst, wobei die Sensorvorrichtung (110) weiterhin mindestens eine Steuerungsvorrichtung (118) umfasst, wobei die Steuerungsvorrichtung (118) eingerichtet ist, um den elektrochemischen Sensor (116) nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zu betreiben.