DE102015201396A1

DE102015201396A1 - Sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space

Info

Publication number: DE102015201396A1
Application number: DE102015201396.0A
Authority: DE
Inventors: Dirk Daecke
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28

Abstract

Es wird ein Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst ein Sensorelement (12) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement (12) weist einen Festelektrolyten (14), eine erste Elektrode (16), eine zweite Elektrode (18), eine dritte Elektrode (20) und eine vierte Elektrode (22) auf. Die erste Elektrode (16) und die zweite Elektrode (18) sind derart mit dem Festelektrolyten (14) verbunden, dass die erste Elektrode (16), die zweite Elektrode (18) und der Festelektrolyt (14) eine Pumpzelle (36) bilden. Die dritte Elektrode (20) und die vierte Elektrode (22) sind derart mit dem Festelektrolyten (14) verbunden, dass die dritte Elektrode (20), die vierte Elektrode (22) und der Festelektrolyt (14) eine Nernstzelle (40) bilden. Der Sensor (10) weist weiterhin einen Regelkreis (48) zum Regeln einer Nernstspannung UVS der Nernstzelle (40) auf. Der Regelkreis (48) weist ein Regelgerät (50) auf, das eine Stellgröße, eine erste Regelgröße und eine zweite Regelgröße aufweist, wobei die Stellgröße eine der Pumpzelle (36) zugeführte Ausgangsgröße URS, IP ist, die erste Regelgröße eine Nernstspannung UVS der Nernstzelle (40) ist und die zweite Regelgröße eine Spannung UAPE an der ersten Elektrode (16) ist. Es wird weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, ein Computerprogramm, ein elektronisches Speichermedium und ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen.A sensor (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, is proposed. The sensor (10) comprises a sensor element (12) for detecting the property of the measurement gas. The sensor element (12) has a solid electrolyte (14), a first electrode (16), a second electrode (18), a third electrode (20) and a fourth electrode (22). The first electrode (16) and the second electrode (18) are connected to the solid electrolyte (14) such that the first electrode (16), the second electrode (18) and the solid electrolyte (14) form a pumping cell (36). The third electrode (20) and the fourth electrode (22) are connected to the solid electrolyte (14) such that the third electrode (20), the fourth electrode (22) and the solid electrolyte (14) form a Nernst cell (40). The sensor (10) furthermore has a control circuit (48) for regulating a Nernst voltage UVS of the Nernst cell (40). The control circuit (48) has a control device (50) which has a manipulated variable, a first controlled variable and a second controlled variable, the manipulated variable being an output variable URS, IP supplied to the pump cell (36), the first controlled variable being a Nernst voltage UVS of the Nernst cell (40) and the second controlled variable is a voltage UAPE at the first electrode (16). Furthermore, a method for operating a sensor (10) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, a computer program, an electronic storage medium and an electronic control unit is proposed.

Description

Stand der Technik State of the art

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur. A large number of sensors and methods for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space are known from the prior art. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a proportion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas part. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas are detectable, such as the temperature.

Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensoren bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können. In particular ceramic sensors are known from the prior art which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, that is, on the ion-conducting properties of these solids. In particular, these solids may be ceramic solid electrolytes, such as zirconia (ZrO ₂ ), in particular yttrium stabilized zirconia (YSZ) and scandium doped zirconia (ScSZ), the minor additions of alumina (Al ₂ O ₃ ) and / or silica (SiO ₂ ) ₂ ).

Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 , bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ(L ambda) beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. For example, such sensors can be configured as so-called lambda probes, as they are made, for example Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 , are known. With broadband lambda probes, in particular with planar broadband lambda probes, it is possible, for example, to determine the oxygen concentration in the exhaust gas over a large range and thus to deduce the air-fuel ratio in the combustion chamber. The air ratio λ (L ambda) describes this air-fuel ratio.

Die elektrochemische Einheit eines derartigen Sensors kann als Regelstrecke in einem Regelkreis betrachtet werden. Die Steuergröße dieses Regelkreises ist die Spannung am Pumpelektrodenpaar. Die Regelgröße ist die Nernstspannung, die gemessen wird. Ziel der Regelung ist, trotz Änderungen des Sauerstoffgehalts im Abgas, den Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum möglichst nah an einem spezifizierten bzw. vorgegebenen Wert zu halten. Zum Messen des Sauerstoffpartialdrucks im ersten Hohlraum bzw. des Verhältnisses des Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum zum Partialdruck in der Referenzzelle dient die Nernstspannung. Über die angelegte Spannung an das Pumpelektrodenpaar kann der Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum gesteuert werden. Dadurch, dass der Sauerstoff in den Hohlraum hineintransportiert oder aus diesem entfernt wird, was auch als Pumpen bezeichnet wird, kann die Gaskonzentration über die angelegte Pumpspannung aktiv beeinflusst werden. Alle Elektroden in dem Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter. Um auch negative Spannungen darstellen zu können, liegt diese virtuelle Masse auf einem erhöhten Potenzial zur elektrischen Masse. Auf diese Spannung werden die Nernstspannung oder die Spannung an der äußeren Pumpelektrode bezogen. The electrochemical unit of such a sensor can be regarded as a controlled system in a control loop. The control variable of this control loop is the voltage at the pump electrode pair. The controlled variable is the Nernst voltage that is measured. The aim of the scheme is, despite changes in the oxygen content in the exhaust gas to keep the oxygen partial pressure in the cavity as close to a specified or predetermined value. For measuring the oxygen partial pressure in the first cavity or the ratio of the oxygen partial pressure in the cavity to the partial pressure in the reference cell, the Nernst voltage is used. Via the applied voltage to the pump electrode pair, the oxygen partial pressure in the cavity can be controlled. The fact that the oxygen is transported into or removed from the cavity, which is also referred to as a pump, the gas concentration can be actively influenced by the applied pumping voltage. All electrodes in the cavity have a common return conductor. In order to be able to represent also negative voltages, this virtual mass lies on an increased potential for the electrical mass. This voltage is related to the Nernst voltage or the voltage at the outer pumping electrode.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten dies noch Verbesserungspotenzial. So hängt die Spannung an der äußeren Pumpelektrode, wie auch die Spannung an der Nernstelektrode, die als Regelgröße dient, von den Zuständen der Regelstrecke ab. Die Beschreibung der Regelstrecke im Zustandsraum, aus der der Regelalgorithmus abgeleitet werden kann, berücksichtigt allerdings nicht die Spannung an der äußeren Pumpelektrode und damit nicht alle Zustände der Regelstrecke. Bei der Messung der elektrischen Signale kann die zeitliche Änderung der Spannung der Reglerstellgröße und der äußeren Pumpelektrode unterschiedliche Zeitkonstanten und kurzzeitig sogar unterschiedliche Vorzeichen haben. Das Messsignal, das den Verlauf der Sauerstoffkonzentration widergeben soll, wird hierdurch deutlich verfälscht. Despite the advantages of sensors known from the prior art, this still offers room for improvement. Thus, the voltage at the outer pump electrode, as well as the voltage at the Nernst electrode, which serves as a controlled variable, depends on the states of the controlled system. However, the description of the controlled system in the state space from which the control algorithm can be derived does not take into account the voltage at the outer pumping electrode and thus not all states of the controlled system. When measuring the electrical signals, the time change of the voltage of the controller control variable and the outer pump electrode can have different time constants and, for a short time, even different signs. The measurement signal, which should reflect the course of the oxygen concentration, is thereby significantly falsified.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitegehend vermeidet und bei dem insbesondere die Anwendbarkeit der Regelung erweitert und verbessert werden kann. Therefore, a sensor is proposed for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space, which at least largely avoids the disadvantages of known sensors and in which, in particular, the applicability of the control can be expanded and improved.

Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement weist einen Festelektrolyten, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine dritte Elektrode und eine vierte Elektrode auf. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind derart mit dem Festelektrolyten verbunden, dass die erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Festelektrolyt eine Pumpzelle bilden. Die dritte Elektrode und die vierte Elektrode sind derart mit dem Festelektrolyten verbunden, dass die dritte Elektrode, die vierte Elektrode und der Festelektrolyt eine Nernstzelle bilden. Weiterhin weist der Sensor einen Regelkreis zum Regeln einer Nernstspannung der Nernstzelle auf. Der Regelkreis weist ein Regelgerät auf, das eine Stellgröße, eine erste Regelgröße und eine zweite Regelgröße aufweist. Die Stellgröße ist eine der Pumpzelle zugeführte Ausgangsgröße, die erste Regelgröße ist eine Nernstspannung der Nernstzelle und die zweite Regelgröße ist eine Spannung an der ersten Elektrode. A sensor according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a portion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprises a sensor element for detecting the property of the measurement gas. The sensor element comprises a solid electrolyte, a first electrode, a second electrode, a third electrode and a fourth electrode. The first electrode and the second electrode are connected to the solid electrolyte such that the first electrode, the second electrode and the solid electrolyte form a pumping cell. The third electrode and the fourth electrode are connected to the solid electrolyte such that the third electrode, the fourth electrode and the solid electrolyte form a Nernst cell. Furthermore, the sensor has a control circuit for regulating a Nernstspannung of Nernst cell up. The control loop has a control device which has a manipulated variable, a first controlled variable and a second controlled variable. The manipulated variable is an output variable supplied to the pump cell, the first controlled variable is a Nernst voltage of the Nernst cell and the second controlled variable is a voltage at the first electrode.

Die Ausgangsgröße kann eine der Pumpzelle zugeführte Spannung sein. Alternativ kann die Ausgangsgröße ein der Pumpzelle zugeführter Strom sein. Der Regelkreis kann einen Spannungsquelle, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Spannungstreiberbezeichnet wird, aufweisen. Die Ausgangsgröße ist dann eine der Pumpzelle von dem Spannungstreiber zugeführte Spannung. Alternativ kann der Regelkreis eine Stromquelle aufweisen. Die Ausgangsgröße ist dann ein der Pumpzelle von der Stromquelle zugeführter Strom. Zwischen dem Regelgerät und der ersten Elektrode kann ein Messwiderstand angeordnet sein. Ein Spannungsabfall über den Messwiderstand kann basierend auf der Spannung an der ersten Elektrode und der der Pumpzelle zugeführten Spannung von dem Regelgerät ermittelbar sein. Der Spannungsabfall über den Messwiderstand kann eine Differenz aus der der Pumpzelle zugeführten Spannung und der Spannung an der ersten Elektrode sein. Aus diesem Grund müssen zur Bestimmung des Spannungsabfalls über den Messwiderstand die Spannung an der ersten Elektrode und die Stellgröße gemessen werden. Der der Pumpzelle zugeführte Strom ist ein Strom durch den Messwiderstand. Bei Verwendung einer hochgenauen Stromquelle kann auch auf den Messwiderstand verzichtet werden, da mit dem Ausgangssignals des Regelgeräts auch der der Pumpzelle zugeführte Strom bekannt ist. Das Regelgerät kann zum Steuern der der Pumpzelle zugeführten Ausgangsgröße ausgebildet sein. Das Regelgerät kann alternativ zum Regeln der der Pumpzelle zugeführten Ausgangsgröße ausgebildet sein. Das Regelgerät kann zum Steuern und/oder zum Regeln einer Spannung an der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode ausgebildet sein. Entsprechend kann die der Pumpzelle zugeführte Spannung der Pumpzelle an der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode zugeführt werden. Das Regelgerät kann zum Steuern und/oder zum Regeln eines Stroms an der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode ausgebildet sein. Entsprechend kann der der Pumpzelle zugeführte Strom der Pumpzelle an der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode zugeführt werden. The output may be a voltage applied to the pump cell. Alternatively, the output may be a current supplied to the pump cell. The control circuit may have a voltage source, which is also referred to as a voltage driver in the context of the present invention. The output is then a voltage applied to the pump cell by the voltage driver. Alternatively, the control circuit may have a power source. The output is then a current supplied to the pump cell from the power source. Between the control device and the first electrode, a measuring resistor may be arranged. A voltage drop across the measuring resistor may be determinable by the controller based on the voltage at the first electrode and the voltage applied to the pumping cell. The voltage drop across the sense resistor may be a difference between the voltage applied to the pump cell and the voltage at the first electrode. For this reason, the voltage at the first electrode and the manipulated variable must be measured to determine the voltage drop across the measuring resistor. The current supplied to the pump cell is a current through the measuring resistor. When using a high-precision current source can also be dispensed with the measuring resistor, since with the output signal of the controller and the pump cell current supplied is known. The control device can be designed to control the output of the pump cell supplied output. The control device may alternatively be designed to regulate the pumping cell supplied output variable. The control device may be designed to control and / or regulate a voltage at the first electrode or the second electrode. Accordingly, the voltage supplied to the pump cell may be supplied to the pump cell at the first electrode or the second electrode. The control device may be designed to control and / or regulate a current at the first electrode or the second electrode. Accordingly, the current supplied to the pump cell may be supplied to the pump cell at the first electrode or the second electrode.

Es wird weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases vorgeschlagen, wobei der Sensor ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases umfasst, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine dritte Elektrode und eine Festelektrode aufweist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode derart mit dem Festelektrolyten verbunden sind, dass die erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Festelektrolyt eine Pumpzelle bilden, wobei die dritte Elektrode und die vierte Elektrode derart mit dem Festelektrolyten verbunden sind, dass die dritte Elektrode, die vierte Elektrode und der Festelektrolyt eine Nernstzelle bilden, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle geregelt wird, wobei eine Stellgröße, eine erste Regelgröße und eine zweite Regelgröße verwendet werden, wobei die Stellgröße eine der Pumpzelle zugeführte Ausgangsgröße ist, die erste Regelgröße eine Nernstspannung der Nernstzelle ist und die zweite Regelgröße eine Spannung an der ersten Elektrode ist. Furthermore, a method is proposed for operating a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, wherein the sensor comprises a sensor element for detecting the property of the measurement gas, wherein the sensor element comprises a solid electrolyte, a first electrode, a second electrode, a third electrode and a fixed electrode, wherein the first electrode and the second electrode are connected to the solid electrolyte such that the first electrode, the second electrode and the solid electrolyte is a pumping cell form, wherein the third electrode and the fourth electrode are connected to the solid electrolyte such that the third electrode, the fourth electrode and the solid electrolyte form a Nernst cell, wherein a Nernstspannung the Nernst cell is controlled, wherein a manipulated variable, a first controlled variable un d a second controlled variable can be used, wherein the manipulated variable is an output quantity supplied to the pump cell, the first controlled variable is a Nernst voltage of the Nernst cell and the second controlled variable is a voltage at the first electrode.

Die Ausgangsgröße kann eine der Pumpzelle zugeführte Spannung sein. Alternativ kann die Ausgangsgröße ein der Pumpzelle zugeführter Strom sein. Die Ausgangsgröße kann insbesondere eine der Pumpzelle von einer Spannungsquelle bzw. einem Spannungstreiber zugeführte Spannung sein. Alternativ kann die Ausgangsgröße ein der Pumpzelle von einer Stromquelle zugeführter Strom sein. Der Sensor kann bei diesem Verfahren einen Regelkreis mit einem Regelgerät aufweisen, wobei zwischen dem Regelgerät und der ersten Elektrode ein Messwiderstand angeordnet ist, wobei ein Spannungsabfall über den Messwiderstand basierend auf der Spannung an der ersten Elektrode und der der Pumpzelle zugeführten Spannung ermittelt wird. Der Spannungsabfall über den Messwiderstand kann bei dem genannten Verfahren eine Differenz aus der der Pumpzelle zugeführten Spannung und der Spannung an der ersten Elektrode sein. The output may be a voltage applied to the pump cell. Alternatively, the output may be a current supplied to the pump cell. The output variable may in particular be a voltage supplied to the pump cell by a voltage source or a voltage driver. Alternatively, the output may be a current supplied to the pump cell from a power source. In this method, the sensor may have a control circuit with a control device, wherein a measuring resistor is arranged between the control device and the first electrode, wherein a voltage drop across the measuring resistor is determined based on the voltage at the first electrode and the voltage supplied to the pumping cell. The voltage drop across the measuring resistor may be a difference between the voltage applied to the pumping cell and the voltage at the first electrode in the said method.

Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. In addition, a computer program is proposed which is set up to carry out each step of the method according to the invention.

Die Erfindung umfasst außerdem ein elektronisches Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum gespeichert ist. The invention also includes an electronic storage medium on which the computer program for carrying out the method according to the invention for operating the sensor according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas is stored in a measurement gas space.

Es wird weiterhin ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem erfindungsgemäßen Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des erfindungsgemäßen Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum umfasst. Furthermore, an electronic control unit is proposed which comprises the electronic storage medium according to the invention with the computer program according to the invention for carrying out the method according to the invention for operating the sensor according to the invention for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space.

Das Steuergerät kann dabei das Regelgerät sein oder umfassen. The controller may be or include the controller.

Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt. In the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green or brownling, which only becomes a solid electrolyte after sintering. In particular, the solid electrolyte may be formed as a solid electrolyte layer or from a plurality of solid electrolyte layers. In the context of the present invention, a layer is to be understood as a uniform mass in the areal extent of a certain height which lies above, below or between other elements.

Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. An electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode which may, for example, be deposited on the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.

Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. In the context of the present invention, a heating element is to be understood as meaning an element which serves for heating the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte becomes conductive to ions and which is approximately 350 ° C. Of this, the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the operating temperature. The operating temperature may be, for example, from 700 ° C to 950 ° C. The heating element may comprise a heating area and at least one feed track. In the context of the present invention, a heating region is to be understood as the region of the heating element which overlaps in the layer structure along an axis perpendicular to the surface of the sensor element with an electrode. Usually, during operation, the heating area heats up more than the supply track, so that they are distinguishable. The different heating can for example be realized in that the heating area has a higher electrical resistance than the supply track. The heating area and / or the supply line are formed for example as an electrical resistance path and heat up by applying an electrical voltage. The heating element may for example be made of a platinum cermet.

Unter einem Regelkreis ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein in sich geschlossene Wirkungsablauf für die Beeinflussung einer physikalischen Größe in einem technischen Prozess zu verstehen. Wesentlich hierbei ist die Rückführung des aktuellen Wertes, der auch als Ist-Wert bezeichnet wird, an das Regelgerät, das einer Abweichung vom Soll-Wert kontinuierlich entgegenwirkt. Der Regelkreis besteht aus der Regelstrecke, dem Regelgerät und einer negativen Rückkopplung des Ist-Werts als Regelgröße. Die Regelgröße wird mit dem Soll-Wert als Führungsgröße verglichen. Die Regelabweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert wird dem Regelgerät zugeführt, das daraus entsprechend der gewünschten Dynamik des Regelkreises eine Steuergröße für die Regelstrecke bildet. Unter der Regelstrecke ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Teil des Regelkreises zu verstehen, der die Regelgröße enthält, auf die das Regelgerät über die Steuer- oder Stellgröße wirken soll. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die elektrochemische Einheit des Sensors die Regelstrecke. In the context of the present invention, a closed loop is to be understood as meaning a self-contained course of action for influencing a physical variable in a technical process. Essential here is the feedback of the current value, which is also referred to as the actual value, to the control device, which counteracts a deviation from the target value continuously. The control loop consists of the controlled system, the controller and a negative feedback of the actual value as a controlled variable. The controlled variable is compared with the setpoint value as a reference variable. The control deviation between the actual value and the desired value is supplied to the control unit, which forms a control variable for the controlled system in accordance with the desired dynamics of the control loop. In the context of the present invention, the controlled system is that part of the control loop which contains the control variable to which the control device is to act via the control or manipulated variable. In the context of the present invention, the electrochemical unit of the sensor is the controlled system.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, zusätzlich zur Nernstspannung U_VS, die als Regelgröße dient, die Spannung U_APE an der äußeren Pumpelektrode als zusätzliches Reglereingangssignal zu nutzen. Da zur Strommessung die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung der Stellgröße U_RS und der Spannung U_APE an der äußeren Pumpelektrode gemessen wird, steht im integrierten Schaltkreis die gemessene Spannung U_APE an der äußeren Pumpelektrode bereits zur Verfügung, so dass keine zusätzlichen Messsignale generiert werden müssen. Das Spannungssignal U_APE der äußeren Pumpelektrode wird mit der Regelung verknüpft. A basic idea of the present invention is, in addition to the Nernst voltage U _VS , which serves as a controlled variable, to use the voltage U _APE at the outer pump electrode as an additional regulator input signal. Since the voltage difference between the voltage of the manipulated variable U _RS and the voltage U _APE at the outer pumping electrode is measured for current measurement, the measured voltage U _{APE is} already available in the integrated circuit at the outer pumping electrode, so that no additional measuring signals have to be generated. The voltage signal U _{APE of} the outer pumping electrode is linked to the control.

Eine RC-Brücke zwischen äußerer Pumpelektrode und Nernstelektrode kann als zusätzliche analoge Kompensationsschaltung im Regelkreis dienen. Eine solche RC-Brücke wird eingesetzt, um die Eigenschaften der Regelstrecke aus Sicht des Regelgerätes zu verbessern und so eine einfachere Regelung zu ermöglichen. Die RC-Brücke ist also Teil der Regelung des Sensors, auch wenn sie aus Sicht des beispielsweise digitalen Reglers im IC-Teil der Strecke zu sein scheint. An RC bridge between outer pump electrode and Nernst electrode can serve as additional analog compensation circuit in the control loop. Such an RC bridge is used to improve the properties of the controlled system from the perspective of the control device and thus to allow easier control. The RC bridge is thus part of the control of the sensor, even if it seems to be from the viewpoint of, for example, digital controller in the IC part of the track.

Bei der erfindungsgemäßen Regelung, die sowohl die Nernstspannung U_VS als auch die Spannung U_APE an der äußeren Pumpelektrode als Eingangsgrößen nutzt, ist eine analoge Kompensationsschaltung, wie beispielsweise eine RC-Brücke, nicht erforderlich, sofern der Regler die notwendige Ordnung hat. Der Regler mit mehreren Eingangsgrößen erfüllt die Funktion der RC-Brücke im Regelkreis mit. lm Gegensatz zur analogen Umsetzung mit der RC-Brücke kann hier die Zustandsinformation, die in der Spannung U_APE an der äußeren Pumpelektrode steckt, direkt dem Regelalgorithmus anstatt der Regelgröße U_VS zugeführt werden. In the scheme according to the invention, both the Nernst voltage U _VS and the Voltage U _APE on the outer pump electrode uses as input variables, an analog compensation circuit, such as an RC bridge, not required, if the controller has the necessary order. The controller with several input variables fulfills the function of the RC bridge in the control loop. In contrast to the analog implementation with the RC bridge, the state information, which is connected to the outer pump electrode in the voltage U _APE , can be fed directly to the control algorithm instead of the controlled variable U _VS.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors, 1 a basic structure of a sensor according to the invention,

2 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Regelkreises bei dem Sensor, 2 a basic structure of a control circuit according to the invention in the sensor,

3 ein Schaltbild eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 3 a circuit diagram of a sensor according to a first embodiment of the present invention,

4 ein Schaltbild eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 4 a circuit diagram of a sensor according to a second embodiment of the present invention,

5 ein Schaltbild eines Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 5 a circuit diagram of a sensor according to a third embodiment of the present invention and

6 ein Schaltbild eines Sensors gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 6 a circuit diagram of a sensor according to a fourth embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 10. Der in 1 dargestellte Sensor 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. 1 shows a basic structure of a sensor according to the invention 10 , The in 1 illustrated sensor 10 can be used to detect physical and / or chemical properties of a sample gas, wherein one or more properties can be detected. The invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas. The oxygen content can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. In principle, however, other types of gas components are detectable, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen. Alternatively or additionally, however, other properties of the measuring gas can also be detected. The invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas chamber can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine, with the measuring gas in particular being an exhaust gas.

Der Sensor 10 weist ein Sensorelement 12 auf. Das Sensorelement 12 kann als keramischer Schichtaufbau ausgebildet sein, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Das Sensorelement 12 weist einen Festelektrolyten 14, eine erste Elektrode 16, eine zweite Elektrode 18, eine dritte Elektrode 20 und eine vierte Elektrode 22 auf. Der Festelektrolyt 14 kann aus mehreren keramischen Schichten in Form von Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Beispielsweise umfasst der Festelektrolyt 14 eine Pumpfolie oder Pumpschicht, eine Zwischenfolie oder Zwischenschicht und eine Heizfolie bzw. Heizschicht, die übereinander bzw. untereinander angeordnet sind. Die Bezeichnung der Elektroden 16, 18, 20, 22 soll keine Gewichtung ihrer Bedeutung angeben, sondern lediglich ermöglichen, diese begrifflich zu unterscheiden. The sensor 10 has a sensor element 12 on. The sensor element 12 may be formed as a ceramic layer structure, as described in more detail below. The sensor element 12 has a solid electrolyte 14 , a first electrode 16 , a second electrode 18 , a third electrode 20 and a fourth electrode 22 on. The solid electrolyte 14 may be composed of a plurality of ceramic layers in the form of solid electrolyte layers or may comprise a plurality of solid electrolyte layers. For example, the solid electrolyte includes 14 a pumping film or pumping layer, an intermediate film or intermediate layer and a heating foil or heating layer, which are arranged one above the other or one below the other. The name of the electrodes 16 . 18 . 20 . 22 should not indicate a weighting of their meaning, but only allow them to be differentiated conceptually.

Das Sensorelement 12 weist ferner einen Gaszutrittsweg 24 auf. Der Gaszutrittsweg 24 weist ein Gaszutrittsloch 26 auf, das sich von einer Oberfläche 28 des Festelektrolyten 14 ins Innere des Schichtaufbaus des Sensorelements 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 14 ist ein Elektrodenhohlraum 30 vorgesehen, der das Gaszutrittsloch 26 umgibt, beispielsweise ringförmig oder rechteckig. Der Elektrodenhohlraum 30 ist Teil des Gaszutrittswegs 24 und steht kann über das Gaszutrittsloch 26 mit dem Messgasraum in Verbindung. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 26 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 28 des Festelektrolyten 14 in das Innere des Schichtaufbaus des Sensorelements 12. Insbesondere ist der Elektrodenhohlraum 30 im Wesentlichen ringförmig oder rechteckig ausgebildet und bei einer Betrachtung in einer Querschnittsansicht von drei Seiten von dem Festelektrolyten 14 begrenzt. Zwischen dem Gaszutrittsloch 26 und dem Elektrodenhohlraum 30 ist ein Kanal 32 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 24 ist. In diesem Kanal 32 ist eine Diffusionsbarriere 34 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 30 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht. The sensor element 12 also has a gas access path 24 on. The gas access route 24 has a gas entry hole 26 up, extending from a surface 28 of the solid electrolyte 14 inside the layer structure of the sensor element 12 extends. In the solid electrolyte 14 is an electrode cavity 30 provided that the gas access hole 26 surrounds, for example, annular or rectangular. The electrode cavity 30 is part of the gas access route 24 and can stand over the gas entry hole 26 in communication with the sample gas chamber. For example, the gas access hole extends 26 as a cylindrical blind hole perpendicular to the surface 28 of the solid electrolyte 14 in the interior of the layer structure of the sensor element 12 , In particular, the electrode cavity 30 formed substantially annular or rectangular and when viewed in a cross-sectional view of three sides of the solid electrolyte 14 limited. Between the gas access hole 26 and the electrode cavity 30 is a channel 32 arranged, which is also part of the Gaszutrittswegs 24 is. In this channel 32 is a diffusion barrier 34 arranged, which a subsequent flow of gas from the sample gas space into the electrode cavity 30 diminished or even prevented and only allows diffusion.

Die erste Elektrode 16 ist auf der auf der Oberfläche 28 des Festelektrolyten 14 angeordnet. Die erste 16 Elektrode kann das Gaszutrittsloch 26 ringförmig umgeben und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine nicht näher gezeigte gasdurchlässige Schutzschicht getrennt sein. Die zweite Elektrode 18 zweite Elektrode 18 ist in dem Elektrodenhohlraum 30 angeordnet. Die zweite Elektrode 18 kann ebenfalls ringförmig ausgestaltet sein und rotationssymmetrisch um das Gaszutrittsloch 26 angeordnet sein. Beispielsweise sind die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 koaxial zu dem Gaszutrittsloch 26 angeordnet. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sind derart mit dem Festelektrolyten 14 und insbesondere die Pumpschicht verbunden, insbesondere elektrisch verbunden, dass die erste Elektrode 16, die zweite Elektrode 18 und der Festelektrolyt 14 eine Pumpzelle 36 bilden. Über die Diffusionsbarriere 34 lässt sich ein Grenzstrom der Pumpzelle 36 einstellen. Der Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 über den Festelektrolyten 14 dar. The first electrode 16 is on the surface 28 of the solid electrolyte 14 arranged. The first 16 Electrode can enter the gas entry hole 26 surrounded annularly and from the sample gas space be separated for example by a gas-permeable protective layer not shown in detail. The second electrode 18 second electrode 18 is in the electrode cavity 30 arranged. The second electrode 18 can also be designed annular and rotationally symmetrical about the gas inlet hole 26 be arranged. For example, the first electrode 16 and the second electrode 18 coaxial with the gas inlet hole 26 arranged. The first electrode 16 and the second electrode 18 are so with the solid electrolyte 14 and in particular the pumping layer connected, in particular electrically connected, that the first electrode 16 , the second electrode 18 and the solid electrolyte 14 a pump cell 36 form. About the diffusion barrier 34 can be a limiting current of the pumping cell 36 to adjust. The limiting current thus provides a current flow between the first electrode 16 and the second electrode 18 over the solid electrolyte 14 represents.

Das Sensorelement 12 weist weiterhin einen Referenzgasraum 38 auf. Der Referenzgasraum 38 kann sich senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 26 in das Innere des Festelektrolyten 14 erstrecken. Wie oben erwähnt, ist das Gaszutrittsloch 26 zylindrisch ausgebildet, so dass die Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 26 parallel zu einer Zylinderachse des Gaszutrittslochs 26 verläuft. In diesem Fall erstreckt sich der Referenzgasraum 38 senkrecht zu der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 26. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass der Referenzgasraum 38 auch in einer gedachten Verlängerung des Gaszutrittslochs 26 und somit weiter im Inneren des Festelektrolyten 14 angeordnet sein kann. Der Referenzgasraum 38 muss nicht als makroskopischer Referenzgasraum ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Referenzgasraum 38 als so genannte gepumpte Referenz ausgeführt sein, das heißt als künstliche Referenz. The sensor element 12 also has a reference gas space 38 on. The reference gas space 38 may be perpendicular to a direction of extension of the gas inlet hole 26 into the interior of the solid electrolyte 14 extend. As mentioned above, the gas entry hole is 26 cylindrically shaped, so that the extension direction of the gas inlet hole 26 parallel to a cylinder axis of the gas inlet hole 26 runs. In this case, the reference gas space extends 38 perpendicular to the cylinder axis of the gas inlet hole 26 , It is expressly mentioned that the reference gas space 38 also in an imaginary extension of the gas access hole 26 and thus further inside the solid electrolyte 14 can be arranged. The reference gas space 38 does not have to be designed as a macroscopic reference gas space. For example, the reference gas space 38 be executed as a so-called pumped reference, that is, as an artificial reference.

Die dritte Elektrode 20 ist ebenfalls in dem Elektrodenhohlraum 30 angeordnet. Beispielsweise liegt die dritte Elektrode 20 der zweiten Elektrode 18 gegenüber. Die vierte Elektrode 22 ist in dem Referenzgasraum 38 angeordnet. Die dritte Elektrode 20 und die vierte Elektrode 22 sind derart mit Festelektrolyten 14 verbunden, dass die dritte Elektrode 20, die vierte Elektrode 22 und derjenige Teil des Festelektrolyten 14 zwischen der dritten Elektrode 22 und der vierten Elektrode 22 eine Nernstzelle 40 bilden. Mittels der Pumpzelle 36 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 36 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 30 die Bedingung λ (Lambda) = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 40 erfasst, indem eine Nernstspannung U_VS zwischen der dritten Elektrode 20 und der vierten Elektrode 22 gemessen wird. Da in dem Referenzgasraum 38 eine bekannte Gaszusammensetzung vorliegt bzw. diese einem Sauerstoffüberschuss ausgesetzt ist, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 30 geschlossen werden. The third electrode 20 is also in the electrode cavity 30 arranged. For example, the third electrode is located 20 the second electrode 18 across from. The fourth electrode 22 is in the reference gas space 38 arranged. The third electrode 20 and the fourth electrode 22 are so with solid electrolytes 14 connected to that third electrode 20 , the fourth electrode 22 and that part of the solid electrolyte 14 between the third electrode 22 and the fourth electrode 22 a Nernst cell 40 form. By means of the pumping cell 36 For example, a pumping current through the pumping cell 36 be adjusted so that in the electrode cavity 30 the condition λ (lambda) = 1 or another known composition prevails. This composition in turn is from the Nernst cell 40 detected by a Nernst voltage U _VS between the third electrode 20 and the fourth electrode 22 is measured. As in the reference gas space 38 a known gas composition is or is exposed to an excess of oxygen, based on the measured voltage on the composition in the electrode cavity 30 getting closed.

In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 26 ist ein Heizelement 42 in dem Schichtaufbau des Sensorelements 12 angeordnet. Das Heizelement 42 weist einen Heizbereich 44 und elektrische Zuleitungsbahnen 46 auf. Der Heizbereich 44 ist beispielsweise mäanderförmig ausgebildet. Das Heizelement 42 ist in dem Festelektrolyten 14 zwischen der Zwischenschicht und der Heizschicht angeordnet. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass das Heizelement 42 beidseitig von einer dünnen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, umgeben ist, auch wenn dies in den Figuren nicht näher dargestellt ist. Mit anderen Worten ist zwischen der Zwischenschicht und dem Heizelement 42 sowie zwischen dem Heizelement 42 und der Heizschicht die dünne Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Da eine derartige Schicht beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt ist, wird diese nicht näher beschrieben. Für weitere Details bezüglich der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material wird daher auf den oben genannten Stand der Technik, verwiesen, dessen Inhalt betreffend die Schicht aus dem elektrischen Material durch Verweis hierin eingeschlossen ist. In the extension of the extension direction of the gas access hole 26 is a heating element 42 in the layer structure of the sensor element 12 arranged. The heating element 42 has a heating area 44 and electrical supply tracks 46 on. The heating area 44 For example, it is meandering. The heating element 42 is in the solid electrolyte 14 disposed between the intermediate layer and the heating layer. It is expressly mentioned that the heating element 42 is surrounded on both sides by a thin layer of an electrically insulating material, such as alumina, even if this is not shown in detail in the figures. In other words, between the intermediate layer and the heating element 42 and between the heating element 42 and the heating layer arranges the thin layer of the electrically insulating material. Since such a layer is known for example from the above-mentioned prior art, this will not be described in detail. For further details regarding the layer of the electrically insulating material, reference is therefore made to the above-mentioned prior art, the content of which relating to the layer of the electrical material is incorporated herein by reference.

2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Regelkreises 48 des Sensors 10. Der Sensor 10 weist weiterhin den Regelkreis 48 zum Regeln einer Nernstspannung U_VS der Nernstzelle 40 auf. Der Regelkreis 48 weist ein Regelgerät 50 auf. Das Regelgerät 50 kann Teil eines elektronischen Steuergeräts 52 sein. Alternativ ist das Steuergerät 52 das Regelgerät 50 bzw. diese sind identisch. Das Steuergerät 52 kann Bestandteil des Sensors 10 sein oder kann ein externes bzw. separates Steuergerät sein, wie beispielsweise ein Motorsteuergerät. Das Steuergerät 52 umfasst ein elektronisches Speichermedium, wie beispielsweise einen Speicherchip. Auf dem Speichermedium ist ein Computerprogramm gespeichert, das geeignet ist, die nachstehend beschriebene Regelung durchzuführen. Das Regelgerät 50 weist eine Stellgröße, eine erste Regelgröße und eine zweite Regelgröße auf. Die Stellgröße ist eine der Pumpzelle 36 zugeführte Ausgangsgröße. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Ausgangsgröße eine Spannung U_RS, die der Pumpzelle 36 zugeführt wird. Die erste Regelgröße ist eine Nernstspannung U_VS der Nernstzelle 40. Die zweite Regelgröße ist eine Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16. Ein Ausgang des Regelgeräts 50 ist mit einem Analog-Digital-Wandler 54 verbunden. Zwischen dem Regelgerät 50 und der ersten Elektrode 16 ist ein Messwiderstand 56 angeordnet. Der Messwiderstand 56 ist genauer zwischen dem Analog-Digital-Wandler 54 und der ersten Elektrode 16 angeordnet. Die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 wird erfasst. Weiterhin wird die der Pumpzelle 36 zugeführte Spannung U_RS erfasst. Basierend auf der der Pumpzelle 36 zugeführten Spannung U_RS und der Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 ist eine Spannungsabfall U_IP über den Messwiderstand 56 von dem Regelgerät 50 ermittelbar. So ist der Spannungsabfall U_IP über den Messwiderstand 56 die Differenz aus der Stellgröße in Form der angelegten Stellgröße in Form der Spannung U_RS und der Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16. Auf diese weise kann darüber hinaus der von der Sauerstoffkonzentration abhängige Strom I_O2, der in die Pumpzelle 36 fließt, aus dem Spannungsabfall U_IP über den Messwiderstand 56 bestimmt werden, da der Messwiderstand 56 zwischen einem Ausgang des Regelgeräts 50 und der ersten Elektrode 16 angeordnet ist. 2 shows a basic structure of a control circuit according to the invention 48 of the sensor 10 , The sensor 10 still has the control loop 48 for controlling a Nernst voltage U _{VS of} the Nernst cell 40 on. The control loop 48 has a controller 50 on. The control device 50 can be part of an electronic control unit 52 be. Alternatively, the controller 52 the control device 50 or these are identical. The control unit 52 can be part of the sensor 10 or may be an external or separate control device, such as an engine control unit. The control unit 52 includes an electronic storage medium, such as a memory chip. On the storage medium, a computer program is stored, which is suitable to carry out the regulation described below. The control device 50 has a manipulated variable, a first controlled variable and a second controlled variable. The manipulated variable is one of the pump cell 36 supplied output. In the illustrated embodiment, the output is a voltage U _RS , that of the pump cell 36 is supplied. The first controlled variable is a Nernst voltage U _{VS of} the Nernst cell 40 , The second controlled variable is a voltage U _APE at the first electrode 16 , An output of the controller 50 is with an analog-to-digital converter 54 connected. Between the controller 50 and the first electrode 16 is a measuring resistor 56 arranged. The measuring resistor 56 is more accurate between the Analog to digital converter 54 and the first electrode 16 arranged. The voltage U _APE at the first electrode 16 is recorded. Furthermore, that of the pumping cell 36 supplied voltage U _RS detected. Based on the pump cell 36 supplied voltage U _RS and the voltage U _APE at the first electrode 16 is a voltage drop U _IP across the measuring resistor 56 from the control device 50 determined. So the voltage drop is U _IP over the measuring resistor 56 the difference between the manipulated variable in the form of the applied manipulated variable in the form of the voltage U _RS and the voltage U _APE at the first electrode 16 , In this way, beyond the dependent of the oxygen concentration current I _O2 , in the pumping cell 36 flows, from the voltage drop U _IP via the measuring resistor 56 be determined because the measuring resistance 56 between an output of the controller 50 and the first electrode 16 is arranged.

Grundsätzlich lässt sich der Sensor 10 mit einem erfindungsgemäßen Verfahren derart betreiben, dass der durch die Diffusionsbarriere 34 bei Sauerstoffüberschuss, d.h. λ > 1, hindurch tretende molekulare Sauerstoff aus dem Elektrodenhohlraum 30 über die Pumpzelle 36 zur Abgasseite bzw. zu dem Messgasraum entfernt wird. Bei Sauerstoffmangel, d.h. λ < 1, ändert der Pumpstromregler des Regelgeräts 50 die Polarität und transportiert Sauerstoff in den Elektrodenhohlraum 30. Der Sauerstoff wird durch Spaltung von Wassermolekülen erzeugt. Der hinter der Diffusionsbarriere 34 vorhandene Sauerstoffpartialdruck kann mit Hilfe der Nernstspannung U_VS im Verhältnis zum Sauerstoffpartialdruck in dem Referenzgasraum 38 gemessen werden. Eine elektronische Regelung des Regelgeräts 50 sorgt dafür, dass der Pumpstrom I_O2 so angepasst wird, dass der Sauerstoffpartialdruck seinem Sollwert λ = 1 entspricht. Um die Spannung U_VS an der dritten Elektrode 20, die auch als Nernst-Elektrode bezeichnet werden kann, auf ihrem Soll-Wert von beispielsweise 450 mV zu halten, wird die Spannung U_RS geregelt, so dass in dem Elektrodenhohlraum 30 ein stöchiometrisches Gemisch λ = 1 vorliegt. Basically, the sensor can be 10 operate with a method according to the invention such that the through the diffusion barrier 34 in the case of oxygen excess, ie λ> 1, molecular oxygen passing out of the electrode cavity 30 over the pumping cell 36 is removed to the exhaust side or to the sample gas space. In the absence of oxygen, ie λ <1, the pump current controller of the controller changes 50 the polarity and transports oxygen into the electrode cavity 30 , The oxygen is generated by splitting water molecules. The behind the diffusion barrier 34 Existing oxygen partial pressure can with the help of the Nernst voltage U _VS in relation to the oxygen partial pressure in the reference gas space 38 be measured. An electronic control of the controller 50 ensures that the pumping current I _O2 is adjusted so that the oxygen partial pressure corresponds to its setpoint λ = 1. To the voltage U _VS at the third electrode 20 , which may also be referred to as a Nernst electrode, to maintain its target value of, for example, 450 mV, the voltage U _{RS is} controlled, so that in the electrode cavity 30 a stoichiometric mixture λ = 1 is present.

Beispielsweise sinkt bei einer sprungartigen Erhöhung des Sauerstoffgehalts im Elektrodenhohlraum 30 die Nernstspannung U_VS, die als erste Regelgröße dient. Um eine Soll-Nernstspannung und damit den Sauerstoffpartialdruck in dem Elektrodenhohlraum 30 wieder herzustellen, muss die Stellgröße U_RS am Ausgang des Regelgeräts 50 erhöht werden. Da die Stellgröße, die Spannung U_RS, erhöht wird, kann ein höherer Pumpstrom I_O2 fließen. Dieser Pumpstrom I_O2 dient als Messsignal für den Sauerstoffgehalt im Messgas. Die erste Regelgröße, die Nernstspannung U_VS, wird näherungsweise konstant gehalten. Die Stellgröße, die Spannung U_RS, wird erhöht um mehr Sauerstoff aus dem Elektrodenhohlraum 30 entfernen zu können. Aus dem Spannungsabfall U_IP über den Messwiderstand 56 kann der Sauerstoffgehalt des Umgebungsgases bestimmt werden. For example, decreases in a sudden increase in the oxygen content in the electrode cavity 30 the Nernst voltage U _VS , which serves as the first controlled variable. To a nominal Nernstspannung and thus the oxygen partial pressure in the electrode cavity 30 the control variable U _RS at the output of the controller must be restored 50 increase. Since the manipulated variable, the voltage U _RS , is increased, a higher pumping current I _{O2 can} flow. This pumping current I _O2 serves as a measuring signal for the oxygen content in the measuring gas. The first controlled variable, the Nernst voltage U _VS , is kept approximately constant. The manipulated variable, the voltage U _RS , is increased by more oxygen from the electrode cavity 30 to be able to remove. From the voltage drop U _IP via the measuring resistor 56 the oxygen content of the ambient gas can be determined.

Zusätzlich zur Nernstspannung U_VS, die als erste Regelgröße dient, wird erfindungsgemäß die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16, die auch als äußere Pumpelektrode bezeichnet werden kann, als zweite Regelgröße bzw. zusätzliches Eingangssignal des Regelgeräts 50 genutzt. Ein die Nernstspannung U_VS anzeigende Signal kann dabei über einen Analog-Digital-Wandler 58 geführt werden und dem Regelgerät 50 dann als Eingangssignal zugeführt werden. Ein die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 anzeigendes Signal kann dabei über einen Analog-Digital-Wandler 60 geführt werden und dem Regelgerät 50 dann als Eingangssignal zugeführt werden. Da zur Strommessung die Spannungsdifferenz zwischen U_RS und U_APE gemessen wird, steht im integrierten Schaltkreis des Regelkreises 48 die gemessene Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 bereits zur Verfügung. Die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 wird wegen der Messung des Pumpstroms I_O2 bereits gemessen und liegt intern als digitales Signal vor. Bei herkömmlichen Sensoren mit einer Regelung der Pumpspannung wird dieses Signal nicht mit der Regelung logisch verknüpft. Das heißt, dass erfindungsgemäß keine zusätzlichen Messsignale generiert werden müssen. Erfindungsgemäß wird nun das Spannungssignal U_APE der ersten Elektrode 16 mit der Regelung des Regelgeräts 50 verknüpft wird. In addition to the Nernst voltage U _VS , which serves as the first controlled variable, according to the invention, the voltage U _APE at the first electrode 16 , which may also be referred to as an outer pumping electrode, as a second controlled variable or additional input signal of the control device 50 used. A signal indicating the Nernst voltage U _VS can thereby be transmitted via an analog-to-digital converter 58 be guided and the control device 50 then be supplied as an input signal. A the voltage U _APE at the first electrode 16 indicating signal can be via an analog-to-digital converter 60 be guided and the control device 50 then be supplied as an input signal. Since the voltage difference between U _RS and U _{APE is} measured for current measurement, the control circuit has an integrated circuit 48 the measured voltage U _APE at the first electrode 16 already available. The voltage U _APE at the first electrode 16 is already measured because of the measurement of the pump current I _O2 and is present internally as a digital signal. In conventional sensors with a regulation of the pump voltage, this signal is not logically linked to the control. This means that according to the invention no additional measurement signals have to be generated. According to the invention, the voltage signal U _{APE of} the first electrode 16 with the regulation of the control device 50 is linked.

Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass dem Regelalgorithmus des Regelgeräts 50 die Spannungen an mehreren Elektroden 16, 18, 20, 22 der elektrochemischen Zellen Pumpzelle 36 und Nernstzelle 40 des Sensors 10 zur Verfügung stehen. Zusätzlich benötigt der Regelalgorithmus noch den Regler-Sollwert, das heißt die Soll-Nernstspannung. In den typischen Konfigurationen hat der Regelalgorithmus die Eingangsgrößen Nernstspannung U_VS, Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 alias äußere Pumpelektrode und Regler-Sollwert in Form der Soll-Nernstspannung. Alternativ sind auch andere Ausführungen des Regelalgorithmus möglich, die Spannungsänderungen an der zweiten Elektrode 18, die auch als innere Pumpelektrode bezeichnet werden kann, nutzen. The invention thus provides that the control algorithm of the control device 50 the voltages at several electrodes 16 . 18 . 20 . 22 the electrochemical cell pump cell 36 and Nernst cell 40 of the sensor 10 be available. In addition, the control algorithm still requires the controller setpoint, that is, the nominal Nernst voltage. In the typical configurations, the control algorithm has the inputs Nernst voltage U _VS , voltage U _APE at the first electrode 16 alias outer pumping electrode and controller setpoint in the form of the nominal Nernst voltage. Alternatively, other embodiments of the control algorithm are possible, the voltage changes to the second electrode 18 , which can also be referred to as the inner pumping electrode, use.

3 zeigt ein Schaltbild eines Sensors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist eine konkrete Ausführungsform des oben beschriebenen Regelkreises 48 dargestellt. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das Regelgerät 50 zum Steuern der Spannung U_RS und damit zum Steuern der Pumpspannung U_APE ausgebildet. Zu diesem Zweck weist die Regelkreis 48 einen Eine Spannungsquelle bzw. einen Spannungstreiber 62 auf. Der Spannungstreiber 62 ist insbesondere ein gesteuerter Spannungstreiber 62. Der Spannungstreiber 62 ist zwischen dem Ausgang des Regelgeräts 50 und dem Messwiderstand 56 angeordnet. Die erste Elektrode 16, die zweite Elektrode 18, die dritte Elektrode 20 und die vierte Elektrode 22 sind jeweils als Ersatzschaltbild aus einem Widerstand und einem Kondensator dargestellt, die parallel geschaltet sind. Der Festelektrolyt 14 zwischen den Elektroden 16, 18, 20, 22 ist ebenfalls als Ersatzschaltbild in Form eines Widerstands dargestellt. Sowohl die Pumpzelle 36 als auch die Nernstzelle 40 weisen einen elektrischen Anschluss 100 mit dem die zweite Elektrode 18 bzw. innere Pumpelektrode und die dritte Elektrode 20 bzw. Nernstelektrode mit einer elektrischen Schaltung 101 verbunden werden, die ein festes elektrisches Bezugspotential an der zweiten Elektrode 18 und der dritten Elektrode 20 einstellt. In der Ausführungsform in 3 haben die Pumpzelle 36 und die Nernstzelle 40 ein gemeinsames Bezugspotential und die zweite Elektrode 18 und die dritte Elektrode 20 haben den gemeinsamen elektrischen Anschluss 100. Die Nernstspannung U_VS an der vierten Elektrode 22, die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 und auch die der Pumpzelle 36 zugeführte Spannung U_RS an dem Spannungstreiber 62 werden auf das elektrische Potential der zweiten Elektrode 18 und der dritten Elektrode 20 bezogen. Auch bei dieser Ausführungsform stehen dem Regelgerät 50 die Nernstspannung U_VS, die Soll-Nernstspannung und die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 zur Verfügung. 3 shows a circuit diagram of a sensor 10 according to a first embodiment of the present invention. Here is a concrete embodiment of the control loop described above 48 shown. At the in 3 embodiment shown is the control device 50 designed to control the voltage U _RS and thus to control the pumping voltage U _APE . For this purpose, the control circuit 48 a A voltage source or a voltage driver 62 on. The voltage driver 62 is in particular a controlled voltage driver 62 , Of the voltage driver 62 is between the output of the controller 50 and the measuring resistor 56 arranged. The first electrode 16 , the second electrode 18 , the third electrode 20 and the fourth electrode 22 are each shown as an equivalent circuit of a resistor and a capacitor, which are connected in parallel. The solid electrolyte 14 between the electrodes 16 . 18 . 20 . 22 is also shown as an equivalent circuit in the form of a resistor. Both the pump cell 36 as well as the Nernst cell 40 have an electrical connection 100 with the second electrode 18 or inner pumping electrode and the third electrode 20 or Nernst electrode with an electrical circuit 101 be connected, which has a fixed electrical reference potential at the second electrode 18 and the third electrode 20 established. In the embodiment in FIG 3 have the pump cell 36 and the Nernst cell 40 a common reference potential and the second electrode 18 and the third electrode 20 have the common electrical connection 100 , The Nernst voltage U _VS at the fourth electrode 22 , the voltage U _APE at the first electrode 16 and also the pump cell 36 supplied voltage U _RS at the voltage driver 62 be at the electrical potential of the second electrode 18 and the third electrode 20 based. Also in this embodiment are the control device 50 the Nernst voltage U _VS , the target Nernst voltage and the voltage U _APE at the first electrode 16 to disposal.

4 zeigt ein Schaltbild eines Sensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist eine konkrete Ausführungsform des oben beschriebenen Regelkreises 48 dargestellt. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorherigen Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist das Regelgerät 50 zum Regeln der Spannung U_RS ausgebildet. Der Regelkreis 48 weist eine Stromquelle 64 auf. Die Stromquelle 64 ist insbesondere eine gesteuerte Stromquelle 64. Dabei wird als Ausgangsgröße ein der Pumpzelle 36 zugeführter Strom I_P verwendet. Das Regelgerät 50 bestimmt somit nicht eine Spannung, sondern den Strom I_P. Die Stromquelle 64 ist zwischen dem Ausgang des Regelgeräts 50 und der ersten Elektrode 16 angeordnet. Dabei kann der Messwiderstand 56 entfallen, da von der Stromquelle 64 das Ausgangssignal zur Verfügung steht. In diesem Fall sollte die Stromquelle 64 eine hoch präzise Stromquelle sein, d.h. eine Stromquelle mit vergleichsweiser geringer Streuung. Bei Verwendung einer hochgenauen Stromquelle kann der Messwiderstand 56 entfallen, da mit dem Ausgangssignals des Regelgeräts 50 auch der Pumpstrom I_P bekannt ist. Auch bei dieser Ausführungsform stehen dem Regelgerät 50 die Nernstspannung U_VS und Soll-Nernstspannung und die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 zur Verfügung. Indirekt bestimmt aber der Stromausgang wieder aufgrund des ohmschen Zusammenhangs am Messwiderstand 56 die Spannung U_RS. So ergibt sich die Spannung U_RS indirekt als Summe aus der U_APE an der ersten Elektrode 16 und R_shunt·I_P, wobei R_shunt der Ohm’sche Widerstand des Messwiderstands 56 ist. 4 shows a circuit diagram of a sensor 10 according to a second embodiment of the present invention. Here is a concrete embodiment of the control loop described above 48 shown. Hereinafter, only the differences from the previous embodiment will be described and the same components are given the same reference numerals. At the in 4 embodiment shown is the control device 50 designed to regulate the voltage U _RS . The control loop 48 has a power source 64 on. The power source 64 is in particular a controlled current source 64 , In this case, the output is one of the pumping cell 36 supplied current I _P used. The control device 50 thus determines not a voltage, but the current I _P. The power source 64 is between the output of the controller 50 and the first electrode 16 arranged. In this case, the measuring resistor 56 omitted because of the power source 64 the output signal is available. In this case, the power source should be 64 be a highly accurate power source, ie a power source with comparatively low dispersion. When using a high-precision power source, the measuring resistor 56 omitted, as with the output signal of the controller 50 also the pumping current I _{P is} known. Also in this embodiment are the control device 50 the Nernst voltage U _VS and target Nernst voltage and the voltage U _APE at the first electrode 16 to disposal. Indirectly, however, the current output determined again due to the ohmic relationship at the measuring resistor 56 the voltage U _RS . Thus, the voltage U _RS results indirectly as the sum of the U _APE at the first electrode 16 and R _shunt * I _P , where R _{shunt is} the _ohmic resistance of the measuring resistor 56 is.

Eine Variante der Schaltungen in 3 und 4 (nicht dargestellt) sieht vor, den Messwiderstand 56 für den von der Sauerstoffkonzentration abhängigen Strom I_O2, der in die Pumpzelle 36 fließt, zwischen der zweiten Elektrode 18 bzw. der inneren Pumpelektrode und der Schaltung 101, die ein festes Bezugspotential an der ersten Elektrode 18 erzeugt, zu platzieren. Der von der Sauerstoffkonzentration abhängige Strom I_O2, der über die erste Elektrode 16 in die Pumpzelle 36 hineinfließt, fließt über den Rückleiter an der zweiten Elektrode 18 wieder zurück. Bei dieser Variante ist ein Spannungsabfall U_IP über den Messwiderstand 56 somit basierend auf einer Spannung an der zweiten Elektrode 18 und einer Spannung an der Schaltung 101 ermittelbar. A variant of the circuits in 3 and 4 (not shown) provides the measuring resistor 56 for the oxygen concentration dependent current I _O2 entering the pump cell 36 flows, between the second electrode 18 or the inner pumping electrode and the circuit 101 which has a fixed reference potential at the first electrode 18 generated, to place. The oxygen concentration dependent current I _O2 , via the first electrode 16 in the pump cell 36 flows in, flows through the return conductor at the second electrode 18 back again. In this variant, there is a voltage drop U _IP across the measuring resistor 56 thus based on a voltage at the second electrode 18 and a voltage on the circuit 101 determined.

5 zeigt ein Schaltbild eines Sensors 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist eine konkrete Ausführungsform des oben beschriebenen Regelkreises 48 dargestellt. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist das Regelgerät 50 zum Steuern einer Spannung an der zweiten Elektrode 18 ausgebildet. Der Messwiderstand 56 ist zwischen dem Ausgang des Regelgeräts 50 und der zweiten Elektrode 18 angeordnet. Der Regelkreis 48 weist den gesteuerten Spannungstreiber 62, der wie bei der ersten Ausführungsform zwischen dem Ausgang des Regelgeräts 50 und dem Messwiderstand 56 angeordnet ist. Auch bei dieser Ausführungsform stehen dem Regelgerät 50 die Nernstspannung U_VS und Soll-Nernstspannung und die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 zur Verfügung. 5 shows a circuit diagram of a sensor 10 according to a third embodiment of the present invention. Here is a concrete embodiment of the control loop described above 48 shown. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components are given the same reference numerals. At the in 5 embodiment shown is the control device 50 for controlling a voltage at the second electrode 18 educated. The measuring resistor 56 is between the output of the controller 50 and the second electrode 18 arranged. The control loop 48 indicates the controlled voltage driver 62 as in the first embodiment between the output of the control device 50 and the measuring resistor 56 is arranged. Also in this embodiment are the control device 50 the Nernst voltage U _VS and target Nernst voltage and the voltage U _APE at the first electrode 16 to disposal.

6 zeigt ein Schaltbild eines Sensors 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist eine konkrete Ausführungsform des oben beschriebenen Regelkreises 48 dargestellt. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu der vorherigen Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist das Regelgerät 50 zum Steuern eines Stroms an der zweiten Elektrode 18 ausgebildet. Der Regelkreis 48 weist die gesteuerte Stromquelle 64 auf, die zwischen dem Ausgang des Regelgeräts 50 und der zweiten Elektrode 18 angeordnet ist. Dabei kann der Messwiderstand 56 entfallen, da von der Stromquelle 64 das Ausgangssignal zur Verfügung steht. In diesem Fall sollte die Stromquelle 64 eine hoch präzise Stromquelle sein, d.h. eine Stromquelle mit vergleichsweiser geringer Streuung. Auch bei dieser Ausführungsform stehen dem Regelgerät 50 die Nernstspannung U_VS und Soll-Nernstspannung und die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 zur Verfügung. 6 shows a circuit diagram of a sensor 10 according to a fourth embodiment of the present invention. Here is a concrete embodiment of the control loop described above 48 shown. Hereinafter, only the differences from the previous embodiment will be described and the same components are given the same reference numerals. At the in 6 embodiment shown is the control device 50 for controlling a current at the second electrode 18 educated. The control loop 48 indicates the controlled current source 64 on that between the output of the controller 50 and the second electrode 18 is arranged. In this case, the measuring resistor 56 omitted because of the power source 64 the output signal to Available. In this case, the power source should be 64 be a highly accurate power source, ie a power source with comparatively low dispersion. Also in this embodiment are the control device 50 the Nernst voltage U _VS and target Nernst voltage and the voltage U _APE at the first electrode 16 to disposal.

7 zeigt ein Schaltbild eines Sensors 10 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist eine konkrete Ausführungsform des oben beschriebenen Regelkreises 48 dargestellt. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorherigen Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform basiert der Regelkreis 48 auf dem Regelkreis 48 des Sensors 10 von beispielsweise der ersten Ausführungsform bzw. dem in 2 gezeigten Regelkreis 48. Bei dieser Konfiguration hat der Regelalgorithmus die Eingangsgrößen Nernstspannung U_VS, ein Fehlersignal in Form von beispielsweise einer Differenz aus Nernstspannung U_VS und Soll-Nernstspannung sowie Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16. Dabei wird ein aus der Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 erzeugtes Signal mit dem Fehlersignal verknüpft, um daraus eine Eingangsgröße für das Regelgerät 50 zu bilden. Das die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 anzeigende Signal kann vor der Verknüpfung mit dem Fehlersignal über eine digitale Schaltung 66 geführt werden. 7 shows a circuit diagram of a sensor 10 according to a fifth embodiment of the present invention. Here is a concrete embodiment of the control loop described above 48 shown. Hereinafter, only the differences from the previous embodiments will be described and the same components are given the same reference numerals. At the in 7 the embodiment shown, the control loop is based 48 on the control loop 48 of the sensor 10 of, for example, the first embodiment or in 2 shown control loop 48 , In this configuration, the control algorithm has the input quantities Nernst voltage U _VS , an error signal in the form of, for example, a difference between Nernst voltage U _VS and nominal Nernst voltage and voltage U _APE at the first electrode 16 , In this case, one of the voltage U _APE at the first electrode 16 generated signal associated with the error signal to form an input variable for the control device 50 to build. This is the voltage U _APE at the first electrode 16 indicating signal may be prior to linking to the error signal via a digital circuit 66 be guided.

Ein Nachweis der vorliegenden Erfindung am Produkt kann einfach durchgeführt werden. Die Leitung zwischen der ersten Elektrode 16 und dem Analog-Digital-Wandler 60 wird aufgetrennt, die Leitung von dem Regelgerät 50 zu der ersten Elektrode 16 bleibt aber bestehen. Anstelle des die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 anzeigenden Signals wird nun das Signal eines Signalgenerators eingekoppelt. Ist die Regelung nun massiv gestört, dann, dann wird ein Regelkreis 48 mit mehreren Eingangsgrößen, verwendet, die auch das die Spannung U_APE an der ersten Elektrode 16 anzeigenden Signal nutzt. Bleibt die Regelung ungestört oder wird das den Sauerstoffgehalt anzeigende Messsignal gestört, dann wird der oben beschriebene Regelkreis 48 nicht verwendet. Detection of the present invention on the product can be easily performed. The wire between the first electrode 16 and the analog-to-digital converter 60 is disconnected, the line from the controller 50 to the first electrode 16 but remains. Instead of the voltage U _APE at the first electrode 16 indicating signal is now coupled to the signal of a signal generator. If the regulation is now massively disturbed, then, then becomes a control loop 48 with multiple input sizes, which also uses the voltage U _APE at the first electrode 16 indicating signal. If the control remains undisturbed or if the measurement signal indicating the oxygen content is disturbed, then the control loop described above becomes 48 not used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 [0003]

Claims

Sensor ( 10 ) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a portion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprising a sensor element ( 12 ) for detecting the property of the measuring gas, wherein the sensor element ( 12 ) a solid electrolyte ( 14 ), a first electrode ( 16 ), a second electrode ( 18 ), a third electrode ( 20 ) and a fourth electrode ( 22 ), wherein the first electrode ( 16 ) and the second electrode ( 18 ) in such a way with the solid electrolyte ( 14 ), that the first electrode ( 16 ), the second electrode ( 18 ) and the solid electrolyte ( 14 ) a pump cell ( 36 ), the third electrode ( 20 ) and the fourth electrode ( 22 ) in such a way with the solid electrolyte ( 14 ), that the third electrode ( 20 ), the fourth electrode ( 22 ) and the solid electrolyte ( 14 ) a Nernst cell ( 40 ), the sensor ( 10 ), a control loop ( 48 ) for controlling a Nernst voltage U _{VS of} the Nernst cell ( 40 ), the control loop ( 48 ) a control device ( 50 ), which has a manipulated variable, a first controlled variable and a second controlled variable, wherein the manipulated variable is one of the pumping cell ( 36 ) output variable U _RS , I _P , the first controlled variable is a Nernst voltage U _{VS of} the Nernst cell ( 40 ) and the second controlled variable is a voltage U _APE at the first electrode ( 16 ).

Sensor ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the output is one of the pumping cell ( 36 ) supplied voltage U _RS or one of the pump cell ( 36 ) supplied current I _P is.

Sensor ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the control loop ( 48 ) a voltage driver ( 62 ) and the output of one of the pump cell ( 36 ) from the voltage driver ( 62 ) supplied voltage U _RS or the control loop ( 48 ) a power source ( 64 ) and the output of a pump cell ( 36 ) from the power source ( 64 ) supplied current I _P is.

Sensor ( 10 ) according to the preceding claim, wherein between the control device ( 50 ) and the first electrode ( 16 ) a measuring resistor ( 56 ), wherein a voltage drop U _IP across the measuring resistor ( 56 ) based on the voltage U _APE at the first electrode ( 16 ) and the pump cell ( 36 ) supplied voltage U _RS from the controller ( 50 ) can be determined.

Sensor ( 10 ) according to claim 3, further comprising an electrical circuit ( 101 ) for generating a fixed electrical reference potential at the second electrode ( 18 ) is formed, wherein between the electrical circuit ( 101 ) and the second electrode ( 18 ) a measuring resistor ( 56 ), wherein a voltage drop U _IP across the measuring resistor ( 56 ) based on a voltage at the second electrode ( 18 ) and a voltage at the circuit ( 101 ) can be determined.

Sensor ( 10 ) according to one of the two preceding claims, wherein the pump cell ( 36 ) supplied current I _P1 a current through the measuring resistor ( 56 ).

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the control device ( 50 ) for controlling or regulating the pumping cell ( 36 ) is formed output quantity supplied.

Sensor ( 10 ) according to one of claims 1 to 6, wherein the control device ( 50 ) for controlling and / or regulating a voltage or a current at the first electrode ( 16 ) or the second electrode ( 18 ) is trained.

Method for operating a sensor ( 10 ) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a portion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprising a sensor element ( 12 ) for detecting the property of the measuring gas, wherein the sensor element ( 12 ) a solid electrolyte ( 14 ), a first electrode ( 16 ), a second electrode ( 18 ), a third electrode ( 20 ) and a fixed electrode, wherein the first electrode ( 16 ) and the second electrode ( 18 ) in such a way with the solid electrolyte ( 14 ), that the first electrode ( 16 ), the second electrode ( 18 ) and the solid electrolyte ( 14 ) a pump cell ( 36 ), the third electrode ( 20 ) and the fourth electrode ( 22 ) in such a way with the solid electrolyte ( 14 ), that the third electrode ( 20 ), the fourth electrode ( 22 ) and the solid electrolyte ( 14 ) a Nernst cell ( 40 ), wherein a Nernst voltage U _{VS of} the Nernst cell ( 40 ), wherein a manipulated variable, a first controlled variable and a second controlled variable are used, wherein the manipulated variable is one of the pumping cell ( 36 ), the first controlled variable is a Nernst voltage U _{VS of} the Nernst cell ( 40 ) and the second controlled variable is a voltage U _APE at the first electrode ( 16 ).

Method according to the preceding claim, wherein the output variable is one of the pumping cell ( 36 ) supplied voltage U _RS or one of the pump cell ( 36 ) supplied current I _P is.

Method according to the preceding claim, wherein the output variable is one of the pumping cell ( 36 ) from a voltage driver ( 62 ) supplied voltage U _RS or one of the pump cell ( 36 ) from a power source ( 64 ) supplied current I _P is.

Computer program which is set up to perform each step of the method according to one of the three preceding claims.

An electronic storage medium on which a computer program according to claim 12 is stored.

Electronic control unit ( 52 ) comprising an electronic storage medium according to claim 13.

Electronic control unit ( 52 ) according to the preceding claim, wherein the control device is the control device ( 50 ) is or comprises.