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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Bei der mindestens einen Eigenschaft kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft oder Kombination von Eigenschaften handeln. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere beschrieben unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausgestaltung, bei welcher die Eigenschaft des Gases ein Anteil mindestens einer, vorzugsweise genau einer, Gaskomponente in dem Gas ist. Dieser Anteil kann beispielsweise als Prozentsatz oder als Partialdruck angegeben werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Gaskomponente um Stickoxide (NOx). Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine handeln.
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Vorrichtungen zur Bestimmung von NOx-Konzentrationen oder allgemein Nicht-Sauerstoffgasen, insbesondere bei vorhandenem Sauerstoffhintergrund, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich in verschiedener Weise bekannt. Beispielsweise sind derartige Vorrichtungen, welche grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können, aus
EP 0 769 693 A1 , aus
DE 10 2007 062 731 A1 , aus
DE 10 2008 040 314 A1 , aus
DE 10 2008 044 051 A1 , aus
DE 10 2008 044 374 A1 oder aus
DE 10 2009 047 359 bekannt. Beispielsweise kann es sich dabei um Festelektrolyt-Sensoren auf Zirkoniumdioxid-Basis handeln. Insbesondere können dabei, wie beispielsweise in
EP 0 769 693 A1 , in
DE 10 2008 044 051 A1 oder in
DE 10 2008 044 374 A1 beschrieben, Sensorelemente mit mehreren miteinander verbundenen Kammern verwendet werden, die untereinander durch eine oder mehrere Diffusionsbarrieren verbunden sind. In einer ersten Kammer, wobei auch mehrere Vorkammern vorgesehen sein können, wird Sauerstoff aus dem aus dem Messgasraum eindringenden Gas entfernt, so dass anschließend idealerweise kein Sauerstoff mehr vorhanden ist. In einer nachfolgenden Kammer zersetzt dann eine weitere Elektrode Stickoxid und pumpt den daraus entstandenen Sauerstoff als Ionenstrom zu einer Referenzelektrode oder zu einer anderen Elektrode. Der hierzu korrespondierende sehr kleine elektrische Strom, welcher typischerweise im Nanoampere- bis Mikroampere-Bereich liegt, kann gemessen werden und stellt ein Maß für die NO- bzw. NOx-Konzentration im Abgas dar.
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Weiterhin sind aus
DE 10 2008 044 051 A1 oder aus
DE 10 2008 044 374 A1 so genannte integrative keramische NOx-Sensoren bekannt, mittels derer eine quantitative, selektive Detektion verschiedener Gaskomponenten, insbesondere sauerstoffhaltiger Spezies wie NO
2, NO mit sehr hoher Auflösung möglich ist. Derartige integrative keramische Sensoren realisieren ein Messprinzip, bei welchem zunächst die auftretenden, sehr kleinen Mengen des zu detektierenden Gases, beispielsweise NOx, in einem vom Abgas getrennten Speicher in Form eines gasdichten Hohlraums als äquivalente Sauerstoffmenge akkumuliert werden. Diese gasdichte Kammer kann, wie in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben, auf zahlreiche Weisen genutzt werden, um auf eine Konzentration des Nicht-Sauerstoff-Abgases zu schließen, beispielsweise auf eine NOx-Konzentration. Beispielsweise kann in der gasdichten Kammer aktiv, also durch eine Pumpspannung, oder passiv, beispielsweise im Rahmen einer autonomen Pumpzelle, eine beispielsweise mit der NOx-Konzentration korrelierende Menge Sauerstoff gesammelt werden. Das Verfahren kann beispielsweise zyklisch betrieben werden, indem vor jedem Akkumulationszyklus die gasdichte Kammer leergepumpt wird. Akkumulations- und Entleerungsprozesse können sich abwechseln, wobei beispielsweise spannungs- oder stromgeführte Pumpprozesse eingesetzt werden können. Aus den Akkumulations- und Entleerungsprozessen können Parameter gewonnen werden, welche charakteristisch für die vorhandene NOx-Konzentration sind und mit dieser korrelieren. Beispielsweise kann während eines Entleerungsprozesses eine Zeitdauer Δt erfasst werden, welche bis zum Erreichen eines definierten Schwellwerts einer Nernstspannung notwendig ist. Die Nernstspannung kann beispielsweise zwischen einer in dem gasdichten Hohlraum angeordneten Elektrode und einer Referenzelektrode, beispielsweise in einer Luftreferenz, erfasst werden. Für mögliche Ausgestaltungen derartiger Verfahren kann beispielsweise auf
DE 10 2008 040 314 , auf
DE 10 2008 044 051 A1 , auf
DE 10 2008 044 374 A1 oder auf
DE 10 2009 047 359 verwiesen werden. Die dort beschriebenen Verfahren können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen. Weiterhin wird in
DE 10 2008 044 051 A1 auch beschrieben, dass während einer Akkumulations- oder Entleerungsphase (letztere wird dort auch als Regenerierungsphase bezeichnet) auftretende Ströme oder transferierte Ladungsmengen beispielsweise im Rahmen einer Mehrgrößenauswertung zur Generierung eines Sensorsignals höherer Genauigkeit herangezogen werden können. Die Verfahren können insgesamt auch in Kombination mit weiteren potentiometrischen und amperometrischen Verfahren zur Auswertung eines Kammerzustands des gasdichten Hohlraums angewandt werden. Für weitere Einzelheiten kann auf den genannten Stand der Technik verwiesen werden.
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Trotz der Verbesserungen, welche durch die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren erzielt werden konnten, besteht nach wie vor ein Bedarf an Sensoren und Verfahren für eine quantitative, selektive Detektion verschiedener Gaskomponenten, insbesondere sauerstoffhaltiger Spezies wie beispielsweise NO2 und/oder NO, mit sehr hoher Auflösung. Insbesondere sollen Störeinflüsse, welche das Ergebnis der Messungen beeinflussen können, möglichst weitgehend eliminiert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden dementsprechend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche insbesondere zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gas eingesetzt werden können. Bei der Gaskomponente kann es sich insbesondere um ein Nicht-Sauerstoffabgas handeln, vorzugsweise um ein Abgas ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoffdioxid und Stickstoffmonoxid. Das Verfahren und die Vorrichtung können insbesondere für eine quantitative, selektive Detektion einer oder mehrerer Gaskomponenten mit sehr hoher Auflösung eingesetzt werden.
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Bei dem Verfahren wird ein Sensorelement mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem die Elektroden verbindenden Festelektrolyten verwendet. Bei dem Festelektrolyten kann es sich insbesondere um einen Festelektrolyten auf Zirkoniumdioxid-Basis handeln, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Das Sensorelement kann grundsätzlich auf viele verschiedene Weisen ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik aufgeführt sind. Beispielsweise können Sensorelemente zum Einsatz kommen, wie sie in
DE 10 2008 044 051 A1 , in
DE 10 2007 062 731 A1 , in
DE 10 2008 044 374 A1 oder in
DE 10 2009 047 359 A1 beschrieben sind. Beispiele derartiger Sensorelemente werden unten noch näher beschrieben.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden mittels mindestens zweier unterschiedlicher Messmethoden unter Verwendung des Sensorelements mindestens zwei mit der Eigenschaft korrelierende Messgrößen erzeugt. Diese Messgrößen können beispielsweise in Form von Spannungen und/oder Potenzialen und/oder Strömen und/oder auf andere Weise bereitgestellt werden, insbesondere als elektrische Größen, aus welchen sich direkt oder beispielsweise unter Verwendung analytischer, empirischer oder semi-empirischer Umrechnungen, beispielsweise einer oder mehrerer Kalibrationsgrößen, auf die Eigenschaft schließen lässt. In anderen Worten werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren mindestens zwei Messgrößen erzeugt, vorzugsweise mindestens zwei verschiedene Messgrößen, beispielsweise Messgrößen, welche unterschiedlicher physikalischer Natur sind und welche mittels mindestens zweier unterschiedlicher Messmethoden erzeugt werden, wobei jedoch die mindestens zwei Messgrößen mit derselben Eigenschaft, welche mit dem Verfahren erfasst werden soll, korrelieren, beispielsweise mit einem NOx-Anteil in dem Gas. Aus diesen mindestens zwei Messgrößen wird ein gemeinsamer Messwert der Eigenschaft generiert. Diese Generierung eines gemeinsamen Messwerts kann beispielsweise dadurch erfolgen, wie unten noch näher ausgeführt wird, dass die Messgrößen direkt oder nach Umwandlung in entsprechende Messwerte in eine Kompensationsfunktion einfließen, wobei die Messgrößen oder aus diesen Messgrößen ermittelte Messwerte, welche die Eigenschaft wiedergeben, als Variablen der Kompensationsfunktion verwendet werden. Auf diese Weise kann aus den Messgrößen ein gemeinsamer Messwert der Eigenschaft generiert werden.
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Das Sensorelement kann insbesondere mindestens eine mit dem Gas oder einem Teil des Gases beaufschlagbare erste Elektrode und mindestens eine in einem gasdichten Hohlraum angeordnete zweite Elektrode aufweisen. Beispielsweise kann eine erste Elektrode katalytische Eigenschaften aufweisen und kann eingerichtet sein, um eine sauerstoffhaltige Gaskomponente in dem Gas, beispielsweise NO oder NOx, zu zersetzen und den dabei entstehenden Sauerstoff als Sauerstoffionen in einen Festelektrolyten einzubauen. Beispielsweise können die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch den Festelektrolyten miteinander verbunden sein. Die erste Elektrode wird dementsprechend im Folgenden auch als NOE (NO-Zersetzungselektrode) bezeichnet. Die zweite Elektrode, welche als einzelne Elektrode ausgestaltet sein kann oder welche auch mehrere miteinander verbundene oder voneinander elektrisch isolierte Teilelektroden umfassen kann, ist in mindestens einem gasdichten Hohlraum angeordnet. Dieser gasdichte Hohlraum kann unausgefüllt ausgestaltet sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen, porösen Material ausgefüllt sein. Der Hohlraum kann einteilig ausgestaltet sein, kann jedoch auch mehrere Teil-Hohlräume umfassen, welche fluidisch miteinander in Verbindung stehen, so dass ein Gasaustausch zwischen diesen Teil-Hohlräumen möglich ist. Unter einem gasdichten Hohlraum ist allgemein ein Hohlraum zu verstehen, welcher abgeschlossen ist in dem Sinne, dass ein Entweichen von Gas aus diesem Hohlraum und/oder ein Eindringen von Gas in diesen Hohlraum, abgesehen von der Möglichkeit eines Ab-/Zutransports durch den Festelektrolyten in Ionenform, zumindest derart stark verlangsamt ist, dass beispielsweise ein Ausgleich eines Konzentrationsunterschieds zwischen einem Gas innerhalb des Hohlraums und einem Gas außerhalb des Hohlraums auf einer Zeitskala erfolgt, welche im Rahmen typischer Messungen vernachlässigbar ist, beispielsweise auf einer Zeitskala von mehreren Minuten, vorzugsweise mehreren Stunden oder sogar mehreren Tagen. Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine in einem Referenzgasraum angeordnete dritte Elektrode aufweisen. Unter einem Referenzgasraum ist allgemein ein Gasraum zu verstehen, welcher von dem Messgasraum vorzugsweise getrennt ausgebildet ist und in welchem eine definierte Atmosphäre herrscht oder zumindest herstellbar ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Referenzgasraum um eine Luftreferenz handeln, vorzugsweise um einen Referenzluftkanal. Die dritte Elektrode wird somit im Folgenden auch als Referenzelektrode (RE) bezeichnet. Die mindestens eine in dem gasdichten Hohlraum angeordnete zweite Elektrode wird auch als Hohlkammerelektrode (HKE) bezeichnet. Bezüglich weiterer möglicher Ausgestaltungen des Sensorelements kann auf den oben genannten Stand der Technik, insbesondere auf die
DE 10 2008 044 051 A1 , dort insbesondere auf die
5 und
6, oder auf
DE 10 2008 044 374 A1 , dort insbesondere auf die
12 bis
15, verwiesen werden. Die erste Elektrode kann unmittelbar mit dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die erste Elektrode lediglich mit einem Teil des Gases aus dem Messgasraum beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck kann die erste Elektrode, wie ebenfalls in dem genannten Stand der Technik beschrieben, über mindestens einen Gasdiffusionsweg mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein, wobei in dem Gasdiffusionsweg beispielsweise eine oder mehrere Diffusionsbarrieren vorgesehen sein können. Weiterhin können der ersten Elektrode eine oder mehrere Vorkammern in dem Gasdiffusionsweg vorgeschaltet sein, welche beispielsweise kaskadiert angeordnet sein können. In diesen Vorkammern können beispielsweise Sauerstoff-Pumpelektroden angeordnet sein, so dass aus dem Diffusionsweg beispielsweise Sauerstoff zumindest weitgehend entfernt werden kann, bevor das Gas zu der ersten Elektrode gelangt. Auch diesbezüglich kann auf den oben genannten Stand der Technik und zusätzlich beispielsweise auf
EP 0 769 693 A1 verwiesen werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn, bei Verwendung eines Sensorelements gemäß einer oder mehreren der zuvor beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen, ein Verfahren eingesetzt wird, bei welchem zumindest eine der mindestens zwei Messmethoden, vorzugsweise beide der Messmethoden, auf einem oder mehreren Verfahren basieren, bei welchem in einem Akkumulationsprozess der gasdichte Hohlraum unter Verwendung der zweiten Elektrode als Pumpelektrode mit mindestens einer Gasspezies, vorzugsweise Sauerstoff, befüllt wird und/oder bei welchem die Gasspezies unter Verwendung der zweiten Elektrode als Pumpelektrode in einem Prozess, welcher im Folgenden auch als Entleerungsprozess bezeichnet wird, vollständig oder teilweise aus dem gasdichten Hohlraum entfernt wird, wobei aus dem Akkumulationsprozess und/oder dem Entleerungsprozess die Messgröße erzeugt wird. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen dieses Verfahrens kann beispielsweise auf die
DE 10 2008 040 314 A1 , die
DE 10 2008 044 051 A1 oder auf die
DE 10 2009 047 359 verwiesen werden. Die mindestens eine Messgröße kann beispielsweise aus einer Messung erzeugt werden, welche während des Akkumulationsprozesses und/oder während des Entleerungsprozesses erzeugt wird, beispielsweise einem Strom, welcher während eines oder beider dieser Prozesse erzeugt wird und/oder einer anderen charakteristischen Größe.
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Insbesondere kann mindestens eine der Messgrößen ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer während des Akkumulationsprozesses fließenden Ladungsmenge; einem während des Akkumulationsprozesses fließenden Strom; einer während des Entleerungsprozesses fließenden Ladungsmenge; einem während des Entleerungsprozesses fließenden Strom; einer während des Akkumulationsprozesses zwischen der zweiten Elektrode und mindestens einer weiteren Elektrode, insbesondere der dritten Elektrode, vorliegenden Spannung; einer während des Entleerungsprozesses zwischen der zweiten Elektrode und mindestens einer weiteren Elektrode, insbesondere der dritten Elektrode, vorliegenden Spannung; einer charakteristischen Zeitdauer des Akkumulationsprozesses; einer charakteristischen Zeitdauer des Entleerungsprozesses; einer Messung eines Kreisstroms zwischen mindestens einer ersten Teilelektrode der zweiten Elektrode und mindestens einer zweiten Teilelektrode der zweiten Elektrode; einer Messung eines Stroms zwischen mindestens zwei außerhalb des gasdichten Hohlraums angeordneten Elektroden, insbesondere der ersten Elektrode und der dritten Elektrode; einer Messung einer zwischen mindestens zwei außerhalb des gasdichten Hohlraums angeordneten Elektroden fließenden Ladungsmenge, insbesondere der ersten Elektrode und der dritten Elektrode; einer charakteristischen Größe eines zeitlichen Verlaufs eines während des Akkumulationsprozesses fließenden Stroms; einer charakteristischen Größe eines zeitlichen Verlaufs einer während des Akkumulationsprozesses erfassten Spannung; einer charakteristischen Größe eines zeitlichen Verlaufs einer während des Akkumulationsprozesses fließenden Ladungsmenge; einer charakteristischen Größe eines zeitlichen Verlaufs eines während des Entleerungsprozesses fließenden Stroms; einer charakteristischen Größe eines zeitlichen Verlaufs einer während des Entleerungsprozesses erfassten Spannung; einer charakteristischen Größe eines zeitlichen Verlaufs einer während des Entleerungsprozesses fließenden Ladungsmenge. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen dieses Verfahrens kann ebenfalls auf den genannten Stand der Technik verwiesen werden. Beispielsweise kann bezüglich einer Messung eines Kreisstroms zwischen mindestens einer ersten Teilelektrode und mindestens einer zweiten Teilelektrode der zweiten Elektrode auf die
DE 10 2008 044 051 A1 verwiesen werden.
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Die Messgrößen können zeitlich seriell oder auch zeitlich parallel oder auch zeitlich überlappend erzeugt werden. Wie oben ausgeführt, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter anderem zwischen Messgrößen und Messwerten unterschieden, welche nicht notwendigerweise identisch sein müssen. Bei Messgrößen handelt es sich um physikalisch erfassbare Größen, beispielsweise elektronisch erfassbare Größen, Zeitdauern, Parameter einer Anpassungskurve, Ladungsmengen oder andere erfassbare Messgrößen. Diese Messgrößen korrelieren mit der zu erfassenden Eigenschaft. Als Messwerte werden hingegen aus den Messgrößen abgeleitete Werte der Eigenschaft selbst bezeichnet, welche somit beispielsweise ein experimentelles Ergebnis einer Quantifizierung der zu erfassenden Eigenschaft darstellen, beispielsweise einen Anteil der mindestens einen zu erfassenden Komponente, beispielsweise eine Konzentration und/oder einen Partialdruck einer Nicht-Sauerstoff-Gaskomponente in dem Gas, beispielsweise einen NOx-Anteil. Die Messwerte lassen sich also aus den Messgrößen ableiten, müssen jedoch nicht notwendigerweise identisch mit diesen sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens können die Messgrößen zunächst in einer ersten Auswertungsstufe jeweils in entsprechende Messwerte der Eigenschaft umgewandelt werden. Existieren beispielsweise n Messgrößen, wobei n eine natürliche Zahl ≥ 2 ist, so können beispielsweise n entsprechende Messwerte der Eigenschaft erzeugt werden. Für diese Umwandlung der Messwerte in die Eigenschaft können beispielsweise eine oder mehrere Kalibrationsfunktionen und/oder eine oder mehrere Kennlinienfunktionen verwendet werden. In einer optionalen zweiten Auswertungsstufe kann dann aus den Messwerten der gemeinsame Messwert der Eigenschaft erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch, wie oben ausgeführt, der gemeinsame Messwert auch unmittelbar aus den Messgrößen erzeugt werden, beispielsweise indem die Messgrößen mittels einer gemeinsamen Umwandlungsfunktion in den gemeinsamen Messwert der Eigenschaft umgewandelt werden.
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In der optionalen zweiten Auswertungsstufe kann insbesondere eine so genannte Kompensationsfunktion verwendet werden, wobei die Kompensationsfunktion eine Funktion ist, deren Variablen die Messwerte der Eigenschaft sind. Die Messwerte der Eigenschaft werden also als Variablen der Kompensationsfunktion verwendet, um auf diese Weise den gemeinsamen Messwert der Eigenschaft zu erzeugen, beispielsweise einen gemeinsamen Messwert eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gas, beispielsweise eines NOx-Anteils. Die Kompensationsfunktion kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, eine Mittelwertbildung umfassen, insbesondere eine Bildung eines arithmetischen Mittelwerts der Messwerte. Dabei können die einzelnen Messwerte auch gewichtet werden. So können die Messwerte der Eigenschaft in der Kompensationsfunktion beispielsweise jeweils mit Wichtungsfaktoren multipliziert werden, wobei die Wichtungsfaktoren auch den Wert 0 einnehmen können. Die Wichtungsfaktoren können insbesondere von den Eigenschaften und der Qualität der jeweiligen Messgröße und/oder des jeweiligen Messwerts abhängig sein. Die Wichtungsfaktoren können festgelegt sein, können jedoch optional auch variabel sein, beispielsweise indem die Wichtungsfaktoren alle, einzeln oder in Gruppen situativ angepasst werden.
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Die Messwerte können auch beispielsweise einer Plausibilitätsbetrachtung unterzogen werden und/oder auf andere Weise bewertet werden, was ebenfalls in die Wichtungsfaktoren einfließen kann. So können beispielsweise die Messwerte mit einer oder mehreren Plausibilitätsschwellen verglichen werden, wobei, wenn beispielsweise die Messwerte außerhalb eines Plausibilitätsbereichs liegen, diese beispielsweise verworfen (Wichtungsfaktor 0) oder mit sehr kleinen Wichtungsfaktoren versehen werden können. Die Plausibilitätsbetrachtung kann mit einem oder mehreren fest vorgegebenen Plausibilitätsbereichen erfolgen, kann jedoch auch mit dynamisch vorgebbaren Plausibilitätsbereichen erfolgen. Beispielsweise kann ein Plausibilitätsbereich um einen gemeinsamen Mittelwert der Messwerte definiert werden. So können beispielsweise Messwerte, welche um mindestens einen vorgegebenen Betrag oder um mehr als einen vorgegebenen Betrag von dem Mittelwert abweichen, verworfen oder mit geringen Wichtungsfaktoren versehen werden. Beispielsweise ist es auf diese Weise auch möglich, das vorgeschlagene Verfahren dynamisch auszugestalten.
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In die Kompensationsfunktion können neben den Messwerten der Eigenschaft weiterhin eine oder mehrere Kompensationsgrößen einfließen. Mittels dieser Kompensationsgrößen lassen sich beispielsweise ein oder mehrere Störfaktoren eliminieren oder zumindest vermindern. Die mindestens eine Kompensationsgröße kann insbesondere ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einer Kompensationsgröße zur Kompensation einer Sensortemperatur des Sensorelements; einer Kompensationsgröße zur Kompensation parasitärer Leckströme; einer Kompensationsgröße zur Kompensation eines bekannten Driftverhaltens des Sensorelements; einer Kompensationsgröße zur Kompensation eines Einflusses mindestens eines Heizelements, insbesondere einer Heizereinkopplung; einer Kompensationsgröße zur Kompensation einer Querempfindlichkeit der Erfassung der Eigenschaft bezüglich mindestens einer weiteren Eigenschaft des Gases, insbesondere hinsichtlich einer Querempfindlichkeit auf weitere Gaskomponenten des Gases; einer Kompensationsgröße zur Kompensation einer Drift einer Auswertungsschaltung einer Ansteuerung, insbesondere einer Temperaturdrift.
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Das Verfahren kann insbesondere mindestens eine in-situ-Kalibrierung des Sensorelements umfassen. Diese in-situ-Kalibrierung kann insbesondere regelmäßig oder auch unregelmäßig in einem laufenden Betrieb durchgeführt werden. Bei der Generierung des gemeinsamen Messwerts und/oder bei der optionalen Generierung der Messwerte der ersten und/oder der zweiten Auswertungsstufe kann optional die mindestens eine in-situ-Kalibrierung berücksichtigt werden. Diese in-situ-Kalibrierung kann eine in-situ-Kalibrierung des Sensorelements oder von Teilen des Sensorelements (was im Rahmen der vorliegenden Erfindung gleichbedeutend sein soll) sein. So kann beispielsweise das Verfahren mindestens eine in-situ-Kalibration umfassen, mittels derer beispielsweise Driften und/oder Offsets erfasst und berücksichtigt werden können. Beispielsweise können bei dieser mindestens einen in-situ-Kalibration mittels derselben Messmethode bei unterschiedlichen, definiert vorgegebenen Werten der mindestens einen zu erfassenden Eigenschaft mehrere Messgrößen erfasst werden, so dass beispielsweise eine oder mehrere Kalibrationskurven oder Kalibrationsfunktionen zur Umwandlung der mittels dieser Messmethode erfassten Messgröße in einen entsprechenden Messwert kalibriert werden können, beispielsweise um eine Drift und/oder einen Offset auszugleichen. Alternativ oder zusätzlich kann auch die oben beschriebene mindestens eine optionale Kompensationsfunktion kalibriert oder angepasst werden. Diese in-situ-Kalibrierung des Sensorelements kann im laufenden Betrieb durchgeführt werden und kann insbesondere im Rahmen einer dritten Auswertungsstufe erfolgen. Die Auswertungsstufen können insbesondere nacheinander durchgeführt werden, vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge, können jedoch auch grundsätzlich zeitlich parallel oder zeitlich überlappend durchgeführt werden und/oder können in einer anderen Reihenfolge als der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement mit mindestens zwei Elektroden und mindestens einem die Elektroden verbindenden Festelektrolyten. Die Vorrichtung weist weiterhin eine Ansteuerung auf. Diese Ansteuerung kann beispielsweise eine oder mehrere elektronische Komponenten aufweisen und/oder mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung. Die Vorrichtung kann beispielsweise ganz oder teilweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis realisiert werden und/oder kann ganz oder teilweise beispielsweise in eine Motorsteuerung integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerung auch ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein oder zumindest mit dem Sensorelement verbunden sein. Die Ansteuerung ist eingerichtet, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen. Beispielsweise kann dies eine programmtechnische Ausgestaltung sein, beispielsweise indem mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung der Ansteuerung programmtechnisch ausgestaltet ist, um die oben dargestellten Verfahrensschritte durchzuführen. Für weitere mögliche Ausgestaltungen der Vorrichtung kann dementsprechend auf die obige Beschreibung des Verfahrens verwiesen werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. So kann insbesondere mittels eines integrativen keramischen Sensors, also mittels eines Sensors mit mindestens einem gasdichten Hohlraum, bei sehr geringen Gaskonzentrationen, insbesondere unterhalb der bisherigen Auflösungsgrenze, beispielsweise für ein definiertes Zeitintervall ein Durchschnitts-Konzentrationswert mindestens einer zu detektierenden Gaskomponente ermittelt werden oder auch ein kontinuierlicher Messwert für die mindestens eine zu erfassende Eigenschaft generiert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Messprinzipien können, insbesondere unter Verwendung eines integrativen keramischen NOx-Sensors, durch das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Mehrgrößenauswertung unterschiedliche Messgrößen, welche beispielsweise mit der zu detektierenden NOx-Konzentration korreliert sein können, gezielt gemessen und miteinander verrechnet werden. Auf diese Weise kann ein gemeinsamer Messwert generiert werden, welcher präziser ausgestaltet werden kann als bei herkömmlichen Verfahren und welcher in geringerem Maße störanfällig oder rauschanfällig ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung können beispielsweise gezielt unterschiedliche Typen von Messgrößen erfasst werden. Beispielsweise können unterschiedliche Typen von Messgrößen in Form von Spannungen, Strömen, Ladungsmengen, Zeiträumen, Zeitpunkten oder ähnlichen unterschiedlichen Messgrößen erfasst werden. Die mindestens zwei, vorzugsweise mehr als zwei unterschiedlichen Messgrößen können vorzugsweise auch an unterschiedlichen Orten des Sensorelements erfasst werden. Somit können typspezifische, zeitlich-spezifische oder auch orts-spezifische Störungen im Rahmen der nachfolgenden Mehrgrößenauswertung erfindungsgemäß deutlich verringert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich somit durch die Verwendung von mehreren parallel oder seriell durchgeführten Erfassungen von Messgrößen, welche bezüglich des gleichen Messvolumens erfasst werden können und welche mit der gleichen, zu detektierenden Eigenschaft des Gases, beispielsweise der NOx-Konzentration, korreliert sind, vorzugsweise direkt korreliert sind, von den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren abgrenzen. Im Stand der Technik wird üblicherweise nur eine direkte Messgröße, beispielsweise ein Strom, pro Messphase verwendet, welche dann gegebenenfalls nur durch nicht mit der NOx-Konzentration selbst korrelierte Messgrößen wie beispielsweise der Temperatur in parasitären Fehlern wie einer Temperaturabhängigkeit kompensiert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind insbesondere im Rahmen einer On-Board-Diagnose (OBD) einsetzbar, wie dies beispielsweise in zukünftigen Abgasgesetzgebungen vorgeschrieben ist. Dabei können beispielsweise für Stickoxide Grenzwerte vorgeschrieben sein, welche unterhalb der Auflösungsgrenze aktuell erhältlicher Vorrichtungen und Verfahren liegen können, welche jedoch mit dem erfindungsgemäß präzisierten Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 ein Ausführungsbeispiel einer möglichen Messmethode zur Bestimmung einer Messgröße;
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3A bis 3C weitere mögliche Ausführungsbeispiele zur Bestimmung von Messgrößen; und
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4 ein Ausführungsbeispiel einer Erzeugung eines gemeinsamen Messwerts einer NOx-Konzentration aus mehreren, mit der NOx-Konzentration korrelierenden Messgrößen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
1 ist ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
110 zur Erfassung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum
112 dargestellt. Bei dem Messgasraum
112 kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine handeln. Für mögliche Einzelheiten der Ausgestaltung der Vorrichtung
110 sowie deren Betriebsweise kann grundsätzlich auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden, beispielsweise auf
DE 10 2008 044 051 A1 , auf
DE 10 2008 044 374 A1 oder auf
DE 10 2008 040 314 A1 . Die Vorrichtung
110 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sensorelement
114 und eine mit dem Sensorelement
114 verbundene Ansteuerung
116. Das Sensorelement
114 kann beispielsweise als keramisches Sensorelement ausgestaltet sein, mit einem keramischen Schichtaufbau. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Sensorelement eine erste Elektrode
118, welche auch als NOE bezeichnet wird, eine in einem gasdichten Hohlraum
120 angeordnete zweite Elektrode, welche eine oder mehrere Teilelektroden
124,
126 umfassen kann und welche auch als HKE1 und HKE2 bezeichnet werden, sowie eine optionale dritte Elektrode
128, welche in einem Referenzgasraum
130, beispielsweise einem Referenzluftkanal, angeordnet ist und welche auch als RE (Referenzelektrode) bezeichnet wird. Der gasdichte Hohlraum
120 und der Referenzgasraum
130 können jeweils unausgefüllt ausgestaltet sein, können jedoch auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen, porösen Medium ausgefüllt sein. Die Elektroden
118,
122 und
128 sind vorzugsweise über mindestens einen Festelektrolyten
132, beispielsweise auf der Basis von YSZ, miteinander verbunden.
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Die erste Elektrode 118 kann, wie in 1 dargestellt, in einem Elektrodenhohlraum 134 angeordnet sein, welcher ebenfalls unausgefüllt oder ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen porösen Medium ausgefüllt ausgestaltet sein kann. Dieser Elektrodenhohlraum 134 kann über eine oder mehrere Diffusionsbarrieren 136 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar sein. Dem Elektrodenhohlraum 134 in dem Gasdiffusionsweg vorgeschaltet können eine oder mehrere Pumpkammern 138 sein, ebenfalls unausgefüllt oder ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen porösen Medium ausgefüllt, aus welchen mittels Sauerstoff-Pumpelektroden 140, 142 Sauerstoff entfernt werden kann. Auf diese Weise kann durch die Sauerstoff-Pumpelektroden 140, 142, welche vorzugsweise nicht-katalytische Eigenschaften aufweisen, molekularer Sauerstoff aus dem auf dem Diffusionsweg zur NOE 118 vordringenden Gas entfernt werden. Die Sauerstoff-Pumpkammer 138 kann auch mehrfach vorgesehen sein, so dass beispielsweise eine kaskadierte Sauerstoffentfernung vorgesehen sein kann.
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Die Ansteuerung 116 kann beispielsweise eine Pumpspannungsquelle und/oder eine Pumpstromquelle zur Beaufschlagung der Sauerstoff-Pumpelektroden 140, 142 umfassen. Weiterhin kann die Ansteuerung 116 eine oder mehrere Beaufschlagungsvorrichtungen zur Beaufschlagung mit einer Pumpspannung und/oder einem Strom aufweisen, welche beispielsweise paarweise oder einzeln mit einer oder mehreren der folgenden Elektrodenpaare verbunden sein kann: NOE-HKE1, NOE-HKE2, HKE1-HKE2, NOE-RE, HKE1-RE, HKE2-RE. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere Messvorrichtungen vorgesehen sein, welche beispielsweise eine Spannung zwischen einem oder mehreren der vorgenannten Elektrodenpaare erfassen können. Weiterhin kann die Ansteuerung 160 mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen, welche beispielsweise eingerichtet sein kann, um, unter Verwendung der Beaufschlagungsvorrichtung und/oder unter Verwendung der Messvorrichtung, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Bezüglich der möglichen Betriebsweise der Sensorvorrichtung 110 kann, wie oben ausgeführt, auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden. Für die quantitative Bestimmung der zu detektierenden Gaskomponente, beispielsweise NOx oder andere Gasspezies, können für die NOE 118 selektiv pumpende Elektrodenmaterialien verwendet werden und/oder die Selektivität durch einen elektrochemisch unterstützenden Pumpprozess, beispielsweise eine charakteristische Zersetzungsspannung sauerstoffhaltiger Gase, unterstützt werden. Zusätzlich kann, wie oben ausgeführt, die mindestens eine Pumpkammer 138 vorgesehen sein, mit mindestens einer Sauerstoffpumpzelle, welche beispielsweise diffusionsbegrenzt betrieben werden kann und in welcher beispielsweise molekularer Sauerstoff mittels mindestens einer selektiven Sauerstoffpumpzelle, beispielsweise mit geringer katalytischer Aktivität (beispielsweise Au-Pt-Elektrodenmaterialien) entfernt werden kann. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass der in 1 gezeigte Aufbau des Sensorelements 114 lediglich exemplarisch zu verstehen ist. Alternativ zu dem dargestellten Aufbau sind auch andere horizontale und/oder vertikale Anordnungen der einzelnen gezeigten Elemente möglich. Des Weiteren ist auch beispielsweise eine Reduzierung der Elektrodenanzahl möglich, beispielsweise indem die Elektroden 124, 126 ganz oder teilweise zu einer gemeinsamen zweiten Elektrode 122 zusammengefasst werden.
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Mittels der in
1 gezeigten Vorrichtung
110 sind eine Vielzahl unterschiedlicher Messmethoden realisierbar, mittels derer zu der zu erfassenden Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum
112 korrelierende Messgrößen erzeugt werden können. Für mögliche Ausführungsbeispiele kann auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden, insbesondere auf die in
DE 10 2008 040 314 A1 ,
DE 10 2008 044 374 A1 , in
DE 10 2008 044 051 A1 oder in
DE 10 2009 047 359 beschriebenen Verfahren. Ein Beispiel der Bestimmung von Messgrößen ist in
2 dargestellt. Dieses Beispiel basiert auf einer mehrteiligen Messmethode, mit mindestens einem Entleerungsprozess
144 und mindestens einem Akkumulationsprozess
146. Entleerungsprozess
144 und Akkumulationsprozess
146 können auch mehrfach durchgeführt werden, beispielsweise alternierend. In dem Entleerungsprozess
144 kann, beispielsweise durch Pumpen von der HKE2
126 zu der RE
128, Sauerstoff aus dem gasdichten Hohlraum
120 vollständig oder teilweise entfernt werden. Der Entleerungsprozess kann beispielsweise aktiv, durch Aufprägen einer Pumpspannung und/oder eines Pumpstroms, betrieben werden. In dem Akkumulationsprozess
146 kann aktiv, beispielsweise durch einen Pumpstrom und/oder eine Pumpspannung zwischen der NOE
118 zu der HKE1
124, oder passiv, durch Ausnutzen einer vorhandenen Spannung (beispielsweise einer Nernstspannung), Sauerstoff in dem gasdichten Hohlraum
120 akkumuliert werden. Dabei können während des Entleerungsprozesses
144 und/oder während des Akkumulationsprozesses
146 eine oder mehrere Messgrößen erfasst werden. Beispielsweise können dafür eine oder mehrere der oben beschriebenen Messvorrichtungen der Ansteuerung
116 verwendet werden. Beispielsweise kann während des Entleerungsprozesses
144 eine Nernstspannung zwischen einer oder beiden der Elektroden HKE1 und HKE2 (
124,
126) und der RE
128 erfasst werden, wie in
2 dargestellt. Aufgetragen ist in
2 die Nernstspannung zwischen der HKE2
126 und der RE
128, welche dort als U
LR-HKE2 bezeichnet wird, als Funktion der Zeit t. Nach Beendigung des Entleerungsprozesses
144 nimmt diese Nernstspannung den Wert U
LR-HKE2,init ein. Der Entleerungsprozess
144 kann beispielsweise spannungs- oder auch stromgeführt als Pumpprozess ausgestaltet sein. Anschließend wird in dem Akkumulationsprozess
146 beispielsweise durch Anlegen einer Pumpspannung zwischen der NOE
118 und der HKE1
124 der aus der NO-Zersetzung gewonnene Sauerstoff, korreliert mit der NOx-Konzentration, in den gasdichten Hohlraum
120, welcher als Akkumulationskammer dient, gepumpt. Folglich erhöht sich die Sauerstoffkonzentration in dem gasdichten Hohlraum
120, wodurch sich wiederum die Spannung zwischen der HKE2
126 und der RE
128 verändert, wie in
2 dargestellt. Diese Spannung kann beispielsweise als Funktion der Zeit erfasst werden und kann selbst als Messgröße dienen und/oder als Ausgangspunkt für eine Bestimmung einer oder mehrerer Messgrößen. Als Messgröße kann beispielsweise, wie in
2 gezeigt, eine Zeitdauer Δt verwendet werden, welche benötigt wird, um von der Ausgangsspannung nach Beendigung des Entleerungsprozesses
144 zu einer Triggerspannung (U
LR-HKE2,trigger) zu gelangen. Mit steigender NO-Konzentration wird der gasdichte Hohlraum
120 schneller gefüllt, und es resultiert ein schnellerer Abfall der Spannung. Auch dies ist in
2 gezeigt, aus welcher hervorgeht, dass sich die Zeiten Δt
1 und Δt
2 für unterschiedliche NO-Konzentrationen c
1 und c
2 unterscheiden. Die Zeiten Δt
1 bzw. Δt
2 können somit als Messgröße verwendet werden.
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Die in
2 dargestellte Messmethode zur Erfassung einer Messgröße, die zu der zu erfassenden Eigenschaft korreliert, stellt nur eine von zahlreichen Möglichkeiten dar. Bezüglich weiterer Möglichkeiten kann auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Beispielsweise können weitere potentiometrische und/oder amperometrische Verfahren zur Auswertung eines Kammerzustands des gasdichten Hohlraums
120 angewandt werden, gegebenenfalls in Kombination mit unterschiedlichen Zyklen zur Entleerung und/oder Akkumulation. Alternativ oder zusätzlich können andere Messmethoden eingesetzt werden, bei welchen beispielsweise eine transferierte Ladungsmenge bei dem Akkumulationsprozess
146 und/oder bei dem Entleerungsprozess
144 bestimmt werden. Wiederum alternativ oder zusätzlich können als Messgrößen beispielsweise ein oder mehrere zwischen der NOE
118 und der RE
128 parallel zum Leerpumpen des gasdichten Hohlraums
120 fortgeführte Grenzströme erfasst werden. Alle diese Messgrößen können direkt mit der zu erfassenden Eigenschaft korrelierte Informationen tragen, beispielsweise direkt mit der NOx-Konzentration in dem Messgasraum
112 korrelierte Informationen. Alternativ oder zusätzlich können auch beispielsweise die in
DE 10 2008 044 051 A1 beschriebenen Kreisströme zwischen der HKE1
124 und der HKE2
126 zur Erfassung mindestens einer Messgröße herangezogen werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mindestens zwei Messgrößen erfasst, welche mit unterschiedlichen Messmethoden, beispielsweise einer oder mehreren der oben beschriebenen Messmethoden, erzeugt werden. Aus diesen wird ein gemeinsamer Messwert der Eigenschaft, beispielsweise der NOx-Konzentration, erzeugt. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise eine Verbesserung des Gesamtsensorsignals der Vorrichtung 110 erzielen.
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Weitere, alternativ oder zusätzlich einsetzbare, Messgrößen sind in den
3A bis
3C dargestellt. So zeigt beispielsweise
3A schematisch eine akkumulierte geflossene Ladungsmenge
150 als Funktion der Zeit, welche zwischen der NOE
118 und der HKE1
124 während eines Akkumulationsvorgangs fließen. Die Ladungsmenge
150 kann auch als Q
1 bezeichnet werden.
3B zeigt schematisch einen Triggerzeitpunkt
152 entsprechend dem in
2 dargestellten Verfahren, unter Verwendung einer Spannung zwischen HKE2
126 und RE
128. Anstelle einer Angabe einer Zeitdifferenz Δt, wie in
3B, können auch beispielsweise Zeitpunkte angegeben werden, beispielsweise Zeitpunkte T
1, T
2, ..., T
n.
3C zeigt schematisch eine gesamte geflossene Ladungsmenge
150 bei einem Entleerungsprozess
144, welcher auch als Initialisierungsphase bezeichnet wird, welche zwischen HKE2
126 und RE
128 fließen. Die Ladungsmenge kann auch beispielsweise als Q
2 bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich zu den anhand der
3A bis
3C genannten Messgrößen oder einer oder mehreren der oben genannten Messgrößen lassen sich auch beispielsweise eine gepumpte Ladungsmenge zwischen der NOE
118 und der RE
128 zur Aufrechterhaltung eines Grenzstroms an dem gasdichten Hohlraum
120 vorbei bestimmen, und/oder eine oder mehrere Messgrößen aus der Messung eines Kreisstroms zwischen den beiden Hohlkammerelektroden
124,
126, analog beispielsweise zur
DE 10 2008 044 051 A1 . Weitere Messgrößen, die mit der NOx-Konzentration korreliert sind, beispielsweise durch Auswertung der zeitlichen Spannungs- und Stromverläufe bei Akkumulation und/oder Entleerung, sind möglich. Die Stufen in den
3A bis
3C resultieren aus einer experimentellen stufenförmigen Erhöhung einer NO-Konzentration.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also seriell und/oder parallel mittels unterschiedlicher Messmethoden mehrere Messgrößen erfasst, welche mit der gleichen zu detektierenden Ausgangsgröße bzw. Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum 112 korrelieren, vorzugsweise direkt korrelieren.
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Mittels dieser Messgrößen lässt sich ein gemeinsamer Messwert der mindestens einen zu erfassenden Eigenschaft, beispielsweise hier der NOx-Konzentration, generieren. Dies kann beispielsweise in einem mehrstufigen Auswertungsverfahren erfolgen, welches anhand der 4 beschrieben werden kann. Exemplarisch sind hier vier Messgrößen M1 bis M4 dargestellt, welche mittels unterschiedlicher Messmethoden erzeugt werden. Aus diesen Messgrößen kann, beispielsweise unter Verwendung einer unmittelbaren Kompensationsfunktion, ein Messwert der Eigenschaft, hier beispielsweise ein mit c(NOx) bezeichneter Messwert, erzeugt werden. Alternativ kann jedoch auch das in 4 gezeigte ein-, zwei- oder viel-stufige Verfahren verwendet werden. Das mehrstufige Verfahren weist den Vorteil auf, dass bei diesem insbesondere sowohl bei der Entwicklung, bei der Applikation als auch bei späteren Korrekturen und/oder bei einem späteren Abgleich oder einer in-situ-Kalibrierung während des Betriebs die der jeweiligen Stufe zugehörigen Kennlinien und/oder Parameter auf Basis physikalischer Zusammenhänge, wie beispielsweise einer diagnostizierten Leckstromerhöhung, gezielt und in einfacher Weise für die jeweilig betroffene Stufe modifiziert werden können. Dies ist bei einer komplexen Gesamtformel aus Aufwandsgründen nur sehr begrenzt möglich.
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In einer ersten Auswertungsstufe bei dem in 4 gezeigten Verfahren, welche mit der Bezugsziffer 154 bezeichnet ist, können aus den einzelnen Messgrößen M1 bis M4 zugehörige Messwerte der Eigenschaft generiert werden. Diese sind hier mit c(NOx)M1 bis c(NOx)M4 bezeichnet. Beispielsweise können in dieser ersten Auswertungsstufe 154 die zu den Messgrößen M1 bis M4 korrelierenden Messwerte der NOx-Konzentration anhand jeweils für die Messmethode vorgegebener oder bestimmbarer Kennlinien, welche auch dynamisch vorgegeben werden können und/oder beispielsweise durch Kalibrationsprozesse regelmäßig angepasst werden können, bestimmt werden. Beispielsweise können Kennlinienberechnungen mit Polynomen zweiter oder höherer Ordnung durchgeführt werden, wobei die Messgrößen beispielsweise als Variablen in diese Polynome einfließen. Die Koeffizienten dieser Polynome können beispielsweise in einem oder mehreren Kalibrationsprozessen, welche, wie unten noch näher ausgeführt, auch in situ durchgeführt werden können oder auch wiederholt durchgeführt werden können, empirisch, semiempirisch oder auch analytisch bestimmt werden. Im Weiteren kann diese erste Auswertestufe zwei oder mehr weitere Unterstufen enthalten, welche beispielsweise stufenweise eine Berechnung der Messwerte mit unterschiedlichen Kompensations-/Kennlinienfunktionen durchführen, beispielsweise eine Kompensation des Quereinflusses aufgrund eines bekannten Zusammenhangs zwischen einem Sauerstoffgehalt in dem Messgasraum 112 und der Berechnung der Eigenschaft. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Polynom zweiter Ordnung oder höherer Ordnung verwendet werden, welches diesen bekannten Zusammenhang widerspiegelt und welches beispielsweise in Form einer oder mehrerer zugehöriger Kennlinien in der Ansteuerung 116 hinterlegt sein kann. Alternativ oder zusätzlich sind weitere mathematische Formen einer Kompensation, beispielsweise einer Division oder komplexerer Funktionen, denkbar. Als weitere Kompensationsgrößen, die in der Mehrgrößenauswertung gemäß beispielsweise 2 berücksichtigt werden können, können beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Kompensationsgrößen genannt werden: eine Sensortemperatur, parasitäre Leckströme, ein bekanntes Driftverhalten, ein Heizereinfluss eines oder mehrerer Heizelemente (siehe z. B. die Bezugsziffer 158 in 1), eine Querempfindlichkeit auf weitere Gase, eine Drift der Ansteuerung 116 und/oder einer in dieser enthaltenen Auswertungsschaltung (beispielsweise eine Temperaturdrift oder ähnliche Driften).
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In einer zweiten Auswertungsstufe, welche in 4 mit der Bezugsziffer 156 bezeichnet ist, können mittels einer Kompensationsfunktion die in der ersten Auswertungsstufe 154 ermittelten Messwerte zur Ermittlung des gemeinsamen Messwerts der Eigenschaft verwendet werden. Diese Kompensationsfunktion wird in 4 mit f bezeichnet, und als Variablen fließen in diese Kompensationsfunktion die einzelnen Messwerte der Eigenschaft ein. Mittels dieser Kompensationsfunktion f kann eine Kompensation der aus den unterschiedlichen Messgrößen berechneten NO-Konzentrationen bzw. einzelnen Messwerten aufgrund der systembedingt typischerweise auftretenden und/oder situativer Störeinflüsse und/oder Fehlerquellen erfolgen. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Polynom zweiter Ordnung oder höherer Ordnung verwendet werden, welches diesen bekannten Zusammenhang widerspiegelt und welches beispielsweise in Form einer oder mehrerer zugehöriger Kennlinien in der Ansteuerung 116 hinterlegt sein kann. Alternativ oder zusätzlich sind weitere mathematische Formen einer Kompensation, beispielsweise einer Division oder komplexerer Funktionen, denkbar.
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Als Ergebnis der zweiten Auswertungsstufe 156 wird ein gemeinsamer Messwert der Eigenschaft, beispielsweise hier dargestellt als c(NOx) aus den mehreren, mit unterschiedlichen Messmethoden bestimmten Messgrößen ermittelt.
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Optional können das erfindungsgemäße Verfahren und insbesondere die zweite Auswertungsstufe 156 vor oder während der Bildung der Kompensationsfunktion eine oder mehrere Vorstufen 160 umfassen, welche zu einer Verrechnung der aus der ersten Auswertungsstufe 154 resultierenden unterschiedlichen Messgrößen und Messwerte führen und/oder beitragen und beispielsweise die in 4 exemplarisch dargestellten Gewichtungsfaktoren ermitteln und für die nachfolgende Verrechnung in der zweiten Auswertestufe zur Verfügung stellen.
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Im einfachsten Fall kann, wie beispielsweise in 4 gezeigt, in der zweiten Auswertestufe 156 eine gewichtete Mittelwertbildung der Messwerte aus der ersten Auswertungsstufe 154 erfolgen, wobei die Messwerte der Eigenschaft jeweils mit Wichtungsfaktoren (in 4 mit A, B, C und D bezeichnet), welche in den einen oder mehreren Vorstufen 160 ermittelt werden, versehen werden können. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Summenbildung der in der ersten Stufe 154 ermittelten einzelnen Messwerte, jeweils multipliziert mit den zugehörigen Wichtungsfaktoren, erfolgen, gefolgt gegebenenfalls von einer Multiplikation mit einem Normierungsfaktor, beispielsweise einer Division durch die Summe der Wichtungsfaktoren. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Arten der Wichtung möglich. Die Wichtungsfaktoren können beispielsweise von den Eigenschaften und der Qualität der jeweiligen Messgröße und/oder des jeweiligen Messwerts abhängig sein und können beispielsweise optional ebenfalls während des Betriebs in-situ an die aktuelle Situation angepasst werden. Auf diese Weise können beispielsweise in-situ niedrige NO-Konzentrationen oder hohe NO-Konzentrationen und/oder hoher Sauerstoffquereinfluss und/oder hohe Temperaturabweichungen und/oder hohe Heizereinkopplungen und/oder altersabhängige Verschiebungen der Signalqualitäten der unterschiedlichen Messgrößen berücksichtigt und gegebenenfalls ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine situativ-optimierte Mehrgrößenauswertung erfolgen. Neben dem exemplarisch dargestellten Fall einer arithmetischen Mittelwertbildung können, alternativ oder zusätzlich, andere, teilweise wesentlich komplexere Verrechnungsmethoden der Messgrößen, gegebenenfalls gekoppelt mit einer statistischen Betrachtung, mit Schätzersystemen, mit Informationen aus anderen Sensorelementen, mit Beobachtersystemen und/oder andere Methoden eingesetzt werden und zielführend sein.
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Die Wichtungsfaktoren A, B, C und D in 4 können beispielsweise in einem oder mehreren Schritten bestimmt werden, welche in 4 als ”situativ-optimierte Mehrgrößenauswertung” 162 bezeichnet sind. Hierbei können beispielsweise ein oder mehrere der folgenden Verfahren angewandt werden. So kann beispielsweise eine demokratische Entscheidung erfolgen, bei welcher beispielsweise einzelne Messgrößen verworfen werden (Wichtungsfaktor 0, siehe z. B. C = 0 in 4), beispielsweise wenn deren resultierender Messwert und/oder deren Messgröße außerhalb eines Plausibilitätsbereichs liegt und/oder außerhalb eines Toleranzbands, beispielsweise um einen Mittelwert sämtlicher Messwerte. Alternativ oder zusätzlich kann eine Plausibilitätsüberprüfung erfolgen, beispielsweise indem überprüft wird, ob die Messwerte außerhalb von Plausibilitätsbereichen liegen. Weiterhin können in dieser Plausibilitätsüberprüfung auch diagnostizierte Fehler oder ähnliches berücksichtigt werden. Weiterhin können, ebenfalls alternativ oder zusätzlich, bei der situativ-optimierten Mehrgrößenauswertung 162 auch ein oder mehrere diagnostizierte Alterungseffekte berücksichtigt werden.
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Weiterhin können bei dem vorgeschlagenen Verfahren, wie oben ausgeführt, in einer oder mehreren der bereits skizzierten Auswertungsstufen und/oder in einer oder mehreren zusätzlichen Auswertungsstufen, auch eine oder mehrere Maßnahmen zum Abgleich und zu einer in-situ-Kalibrierung, d. h. einer Kalibrierung im laufenden Betrieb der Vorrichtung
110, durchgeführt werden. Auf diese Weise können beispielsweise Informationen über eine Verschiebung von Kennlinien, beispielsweise in Form eines Offsets und/oder einer veränderten Steigung, gewonnen werden und somit eine Genauigkeitssteigerung der Vorrichtung
110 über die Lebensdauer hinweg erreicht werden. Beispiele derartiger Verfahren sind in
DE 10 2009 047 359 dargestellt. Beispielsweise kann bei einer derartigen in-situ-Kalibrierung eine Schattenfüllung der gasdichten Kammer
120 erfolgen, also eine Akkumulation ohne externe Akkumulationspumpspannung. Weiterhin kann bei einer derartigen Kalibrierung eine gezielte definierte Kammerfüllung des gasdichten Hohlraums
120 erfolgen, welche beispielsweise strom- und/oder ladungsgesteuert erfolgen kann. Auf diese Weise können beispielsweise gezielt bestimmte Zustände hergestellt und für eine Kalibrierung verwendet werden. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann eine gezielte Messung einer Kammer- bzw. Elektrodenkapazität des gasdichten Hohlraums
120 und/oder eines oder mehrerer der oben genannten Elektrodenpaare erfolgen. So können beispielsweise gezielt Zustände bekannter Natur hergestellt werden, entsprechende Messwerte aufgenommen werden und daraus beispielsweise Kalibrationskennlinien gewonnen werden.
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Allgemein kann beispielsweise auch eine zusätzliche Information über eine Drift und/oder Alterung des Sensorelements 114 durch einen Vergleich beispielsweise einer relativen Drift zwischen zwei unterschiedlichen Messgrößen gewonnen werden. Beispielsweise kann eine Veränderung eines oder mehrerer Offsets zwischen mit der Akkumulation in die Kammer hineingepumpten Ladungsmengen im Vergleich zu mindestens einer im nachfolgenden oder vorgelagerten Entleerungsprozess 144 entfernten Ladungsmenge erfolgen. Mittels eines derartigen Vergleichs unterschiedlicher Messgrößen, beispielsweise über eine Zeitdauer hinweg, kann beispielsweise eine integrierte Alterungskompensation über eine Lebensdauer der Vorrichtung 110 und des Sensorelements 114 erzielt bzw. deutlich verbessert werden. Ebenfalls auf diese Weise kann beispielsweise eine gering alternde, aber mit hohem Rauschen behaftete Messgröße durch eine langfristige Betrachtung zur Kennlinienkorrektur einer hochgenauen, jedoch alterungsbehafteten Messgröße verwendet werden. Auch diesbezüglich bietet die Mehrgrößenauswertung somit erhebliche Vorteile, da sich beispielsweise die mit den unterschiedlichen Messmethoden gewonnenen unterschiedlichen Messgrößen auf unterschiedliche Weise über die Zeit hinweg verändern können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0769693 A1 [0002, 0002, 0008]
- DE 102007062731 A1 [0002, 0006]
- DE 102008040314 A1 [0002, 0009, 0025, 0029]
- DE 102008044051 A1 [0002, 0002, 0003, 0003, 0003, 0006, 0008, 0009, 0010, 0025, 0029, 0030, 0032]
- DE 102008044374 A1 [0002, 0002, 0003, 0003, 0006, 0008, 0025, 0029]
- DE 102009047359 [0002, 0003, 0009, 0029, 0041]
- DE 102008040314 [0003]
- DE 102009047359 A1 [0006]
