DE102015206867A1 - Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space - Google Patents
Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space Download PDFInfo
- Publication number
- DE102015206867A1 DE102015206867A1 DE102015206867.6A DE102015206867A DE102015206867A1 DE 102015206867 A1 DE102015206867 A1 DE 102015206867A1 DE 102015206867 A DE102015206867 A DE 102015206867A DE 102015206867 A1 DE102015206867 A1 DE 102015206867A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- electrode
- pumping
- solid electrolyte
- cell
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/416—Systems
- G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
- G01N27/4175—Calibrating or checking the analyser
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (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, wobei das Sensorelement (12) einen Festelektrolyten (14), eine erste Elektrode (16), eine zweite Elektrode (18), eine dritte Elektrode (20) und eine Festelektrode (22) aufweist, wobei die erste Elektrode (16) und die zweite Elektrode (18) derart mit dem Festelektrolyten (14) verbunden sind, dass die erste Elektrode (16), die zweite Elektrode (18) und der Festelektrolyt (14) eine Pumpzelle (36) bilden, wobei die dritte Elektrode (20) und die vierte Elektrode (22) derart mit dem Festelektrolyten (14) verbunden sind, dass die dritte Elektrode (20), die vierte Elektrode (22) und der Festelektrolyt (14) eine Nernstzelle (40) bilden. Bei dem Verfahren wird eine Nernstspannung (UVS) der Nernstzelle (40) geregelt, wobei zur Regelung der Nernstspannung (UVS) mindestens eine Messgröße erfasst wird, wobei weiterhin eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus der Messgröße und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigierte Messgröße bestimmt wird, wobei aus der korrigierten Messgröße die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Pumpstrom (IP) und einer an die Pumpzelle (36) angelegten Spannung (UP).A 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 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, wherein the sensor element (12) comprises a solid electrolyte (14), a first electrode (16), a second electrode (18), a third electrode (20). and a fixed electrode (22), wherein 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), wherein 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). In the method, a Nernstspannung (UVS) of the Nernst cell (40) is regulated, wherein for controlling the Nernst voltage (UVS) at least one measured variable is detected, further a compensation variable is determined, wherein at least one corrected measured variable is determined from the measured variable and the compensation variable , wherein the property of the measurement gas in the measurement gas space is determined from the corrected measured variable, the compensation variable being at least partially dependent on a pumping current (IP) and a voltage (UP) applied to the pumping cell (36).
Description
Stand der TechnikState 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 oder als Stickoxidsensoren ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus
Durch Kombination einer Pumpzelle, der Messzelle, und einer Sauerstoff-Referenzzelle, der Nernst-Zelle, kann ein Sensor zur Messung des Sauerstoffgehalts in einem Umgebungsgas aufgebaut werden. In einer Pumpzelle, die nach dem amperometrischen Pumpprinzip arbeitet, diffundieren bei Anlegen einer Spannung oder eines Stromes an die Pumpelektroden, die sich in unterschiedlichen Gasräumen befinden, ein Sauerstoff-Ionenstrom durch einen keramischen Körper (den sauerstoffleitenden Festelektrolyten) der die Gasräume trennt („pumpen”). Wird die Pumpzelle dazu genutzt, den Sauerstoff-Partialdruck in einem Hohlraum, in das Umgebungsgas diffundieren kann, konstant zu halten, dann kann über die Messung des elektrischen Stroms auf die transportierte Menge Sauerstoff geschlossen werden. Dieser Pumpstrom ist, gemäß des Diffusionsgesetzes, direkt proportional zum Sauerstoff-Partialdruck im Umgebungsgas. Mit einer Nernst-Zelle kann das Verhältnis des Sauerstoff-Partialdrucks in im Hohlraum zum Sauerstoff-Partialdruck in einem weiteren Referenzgasraum über die sich ausbildende Nernstspannung bestimmt werdenBy combining a pump cell, the measuring cell, and an oxygen reference cell, the Nernst cell, a sensor can be set up to measure the oxygen content in an ambient gas. In a pump cell, which operates on the amperometric pumping principle, diffuse upon application of a voltage or a current to the pumping electrodes, which are located in different gas chambers, an oxygen ion current through a ceramic body (the oxygen-conducting solid electrolyte) which separates the gas chambers ("Pump "). If the pumping cell is used to keep the oxygen partial pressure constant in a cavity into which ambient gas can diffuse, then it is possible to deduce the transported amount of oxygen via the measurement of the electric current. This pumping current is, according to the law of diffusion, directly proportional to the partial pressure of oxygen in the ambient gas. With a Nernst cell, the ratio of the oxygen partial pressure in the cavity to the oxygen partial pressure in a further reference gas space can be determined via the Nernst voltage that is being formed
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 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 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 und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So wird bei Breitband-Lambdasonden und Stickoxidsensoren ein Pumpstromsignal ausgewertet, das im statischen Betrieb linear zur vorliegenden Sauerstoffkonzentration ist. Bei schnellen Fett-Mager-Wechseln, wie sie im Benzinmotor vorkommen, oder bei Dieselanwendungen mit NSC-Katalysator ist eine genaue Auswertung des Sauerstoffsignals erforderlich. Durch elektrochemische Umladungseffekte im Sensorelement kann der Pumpstrom bei dem Durchgang Fett-Mager oder Mager-Fett durch eine Welligkeit im Signal verfälscht werden, was als sogenannte Lambda = 1 – Welligkeit bekannt ist. Bei manchen Sensortypen ist die Lambda = 1 – Welligkeit so stark, dass eine Auswertung des Sauerstoffsignals für die oben genannten Applikationen nicht möglich ist.Despite the advantages of the sensors known from the prior art and methods for operating the same, they still have room for improvement. Thus, in the case of broadband lambda probes and nitrogen oxide sensors, a pump current signal is evaluated which, in static operation, is linear to the present oxygen concentration. Fast fat-lean changes, such as those found in gasoline engines, or diesel applications with NSC catalysts require accurate oxygen signal evaluation. By electrochemical charge effects in the sensor element, the pumping current in the passage fat-lean or lean-fat can be falsified by a ripple in the signal, which is known as so-called lambda = 1 - ripple. For some sensor types, the lambda = 1 ripple is so strong that an evaluation the oxygen signal is not possible for the above-mentioned applications.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere durch eine verbesserte Signalauswertung die Lambda = 1 – Welligkeit entfernt oder so deutlich reduziert wird, dass das korrigierte Signal annähernd dem real vorliegenden Sauerstoffgehalt insbesondere im Bereich um Lambda = 1 entspricht.A method is therefore proposed for operating a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, which at least largely avoids the disadvantages of known methods for operating these sensors and in which the lambda = 1 ripple is removed, in particular by improved signal evaluation is significantly reduced, that the corrected signal corresponds approximately to the real oxygen content, in particular in the range around lambda = 1.
Ein erfindungsgemäßes 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, umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, 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 zur Regelung der Nernstspannung mindestens eine Messgröße erfasst wird, wobei weiterhin eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus der Messgröße und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigierte Messgröße bestimmt wird, wobei aus der korrigierten Messgröße die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Pumpstrom und einer an die Pumpzelle angelegten Spannung.An inventive method for operating a sensor 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, wherein the sensor element is 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 form a pumping cell, the third electrode and the fourth electrode are connected to the solid electrolyte in such a way that the third electrode, the fourth electrode and the solid electrolyte form a Nernst cell, wherein a Nernst voltage of the Nernst cell is regulated, wherein at least one measured variable is detected to regulate the Nernst voltage, wherein a compensation variable is further determined, wherein at least one corrected measured variable is determined from the measured variable and the compensation variable, the characteristic of the measuring gas in the measuring gas space being determined from the corrected measured variable, the compensation variable being at least partially dependent on a pumping current and on the Pump cell applied voltage.
Die Kompensationsgröße kann zumindest teilweise abhängig von einer zeitlichen Änderung des Pumpstroms und der an die Pumpzelle angelegten Spannung sein. Zur Bestimmung der Kompensationsgröße kann ein Strom-Äquivalent der an die Pumpzelle angelegten Spannung gebildet werden. Das Strom-Äquivalent kann basierend auf einer Impedanz der Pumpzelle gebildet werden. Die Impedanz der Pumpzelle kann basierend auf der an die Pumpzelle angelegten Spannung und dem Pumpstrom bestimmt werden. Die Impedanz der Pumpzelle kann mittels eines Adaptionsalgorithmus bestimmt werden. Zur Bestimmung der Kompensationsgröße kann ein sich zeitlich ändernden Anteil der an die Pumpzelle angelegten Spannung und ein sich zeitlich ändernden Anteil des Pumpstroms ermittelt werden. Der sich zeitlich ändernden Anteil der an die Pumpzelle angelegten Spannung kann mittels Hochpassfilterung, insbesondere mittels zeitlicher Differenzierung oder einer anderen Art von Hochpassfilterung, des Strom-Äquivalents der an die Pumpzelle angelegten Spannung ermittelt werden und der sich zeitlich ändernden Anteil des Pumpstroms mittels Hochpassfilterung, insbesondere mittels zeitlicher Differenzierung oder einer anderen Art von Hochpassfilterung, des Pumpstroms ermittelt werden. Zur Bestimmung der Kompensationsgröße kann ein Differenzsignal zwischen dem sich zeitlich ändernden Anteil des Pumpstroms und dem sich zeitlich ändernden Anteil der an die Pumpzelle angelegten Spannung gebildet werden. Die Kompensationsgröße kann basierend auf einer Tiefpassfilterung des Differenzsignals bestimmt werden. Die korrigierte Messgröße kann durch Subtraktion der Kompensationsgröße von der Messgröße bestimmt werden. Mit anderen Worten kann die korrigierte Messgröße bestimmt werden, indem die Kompensationsgröße von der Messgröße subtrahiert wird.The compensation quantity may be at least partially dependent on a temporal change of the pumping current and the voltage applied to the pumping cell. To determine the compensation quantity, a current equivalent of the voltage applied to the pumping cell can be formed. The current equivalent may be formed based on an impedance of the pump cell. The impedance of the pumping cell may be determined based on the voltage applied to the pumping cell and the pumping current. The impedance of the pumping cell can be determined by means of an adaptation algorithm. To determine the compensation variable, a time-varying proportion of the voltage applied to the pump cell and a time-varying proportion of the pump current can be determined. The time-varying proportion of the voltage applied to the pumping cell can be determined by means of high-pass filtering, in particular by means of time differentiation or another type of high-pass filtering, the current equivalent of the voltage applied to the pumping cell and the time-varying portion of the pumping current by means of high-pass filtering, in particular be determined by means of temporal differentiation or another type of high-pass filtering, the pump current. To determine the compensation variable, a difference signal between the time-varying proportion of the pumping current and the time-varying proportion of the voltage applied to the pumping cell can be formed. The compensation quantity may be determined based on a low-pass filtering of the difference signal. The corrected measured variable can be determined by subtracting the compensation variable from the measured variable. In other words, the corrected measured variable can be determined by subtracting the compensation variable from the measured variable.
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.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.Furthermore, an electronic storage medium is proposed, on which a computer program for carrying out the method according to the invention is stored.
Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.The invention further comprises an electronic control unit which comprises the electronic storage medium according to the invention with the said Computer program for carrying out the method according to the invention comprises.
Schließlich betrifft die Erfindung auch einen 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, umfassend ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, 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 der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät mit dem erfindungsgemäßen Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.Finally, the invention also relates to 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, comprising a sensor element for detecting the property of the measurement gas, wherein the sensor element is 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 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, wherein the sensor further comprises an electronic control unit with the computer program according to the invention for carrying out the invention en method.
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 geschlossener 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 a self-contained course of action for influencing a physical quantity 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.
Unter einer Messgröße ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige physikalische und/oder chemische Größe und ein diese Größe(n) äquivalent anzeigendes Signal, d. h. ein äquivalentes Signal, zu verstehen. Bevorzugt handelt es sich bei der Messgröße um mindestens ein Messsignal des Sensorelements. Bevorzugt kann es sich bei der Messgröße um mindestens einen Pumpstrom, beispielsweise einen Grenzstrom, handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Messgröße um eine von dem Pumpstrom abhängige Größe handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Messgröße um eine Pumpspannung und/oder um eine umgesetzte Ladung handeln. Unter dem Ausdruck „erfasst werden” in diesem Zusammenhang ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Messgröße beispielsweise als Messsignal von dem Sensorelement ausgegeben wird und/oder die Messgröße von einem Steuergerät verarbeitet und/oder ausgewertet und/oder gespeichert wird.In the context of the present invention, a measurand is in principle any physical and / or chemical quantity and a signal which indicates this variable (s) equivalently, ie. H. an equivalent signal, to understand. The measured variable is preferably at least one measuring signal of the sensor element. The measured variable may preferably be at least one pumping current, for example a limiting current. By way of example, the measured variable may be a variable dependent on the pumping current. By way of example, the measured variable may be a pump voltage and / or a converted charge. In the context of the present invention, the expression "to be detected" in this context means that the measured variable is output, for example, as a measuring signal from the sensor element and / or the measured variable is processed and / or evaluated and / or stored by a control device.
Unter einer Kompensationsgröße ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige chemische und/oder physikalische Größe und ein diese Größe(n) äquivalent anzeigendes Signal, d. h. ein äquivalentes Signal, zu verstehen. Bevorzugt kann die Kompensationsgröße die gleiche physikalische und/oder chemische Größe umfassen wie die Messgröße. Bevorzugt kann es sich bei der Kompensationsgröße um eine Pumpstromabweichung handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Kompensationsgröße um mindestens einen Umladestrom und/oder mindestens eine Elektrodenladung handeln. Die Kompensationsgröße ist zumindest teilweise abhängig von einem Pumpstrom und einer an die Pumpzelle angelegten Spannung. Insbesondere ist die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig von einer zeitlichen Änderung des Pumpstroms und der an die Pumpzelle angelegten Spannung. Beispielsweise kann es sich bei der Kompensationsgröße um einen Maßstab für eine Verfälschung der Messgröße bedingt durch elektrochemische Umladungseffekte bei einem Lambda = 1 – Durchgang an den Elektroden der Pumpzelle handeln.In the context of the present invention, a compensation variable is to be understood to mean in principle any chemical and / or physical variable and a signal which indicates this variable (s) equivalently, ie an equivalent signal. Preferably, the compensation quantity can same physical and / or chemical size include as the measured variable. Preferably, the compensation variable may be a pump current deviation. By way of example, the compensation variable may be at least one recharging current and / or at least one electrode charge. The compensation quantity is at least partially dependent on a pumping current and a voltage applied to the pumping cell. In particular, the compensation quantity is at least partially dependent on a temporal change of the pumping current and the voltage applied to the pumping cell. By way of example, the compensation variable may be a criterion for a falsification of the measured variable due to electrochemical charge transfer effects in the case of a lambda = 1 passage at the electrodes of the pump cell.
Aus der Messgröße und der Kompensationsgröße wird mindestens eine korrigierte Messgröße bestimmt. Bei der korrigierten Messgröße kann es sich prinzipiell um eine beliebige chemische und/oder physikalische Größe und ein diese Größe(n) äquivalent anzeigendes Signal, d. h. ein äquivalentes Signal, handeln. Bevorzugt kann es sich bei der korrigierten Messgröße um die gleiche physikalische und/oder chemische Größe und/oder die Kompensationsgröße handeln. Bei der korrigierten Messgröße kann es sich insbesondere um eine Größe handeln, welche von Störeffekten bereinigt ist. Der Anteil des Gases in dem Messgasraum kann bevorzugt aus der korrigierten Messgröße genauer bestimmt werden als aus der Messgröße. Bei der Bestimmung der korrigierten Messgröße aus der Messgröße und der Kompensationsgröße kann es sich beispielsweise um eine Berechnung und/oder um eine Zuordnung handeln. Entsprechend kann der Anteil des Messgases in dem Messgasraum aus der korrigierten Messgröße beispielsweise durch Berechnung und/oder durch Zuordnung bestimmt werden. Beispielsweise kann bei der Bestimmung des Anteils des Messgases in dem Messgasraum aus der korrigierten Messgröße mindestens eine Kennlinie verwendet werden. Bei der Kennlinie kann es sich beispielsweise um eine Zuordnung der korrigierten Messgröße zu einem Anteil des Messgases handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Kennlinie um eine Zuordnung zwischen einem korrigierten Pumpstrom und einem Anteil an Sauerstoff in dem Messgas, beispielsweise einem Sauerstoffpartialdruck, handeln.At least one corrected measured variable is determined from the measured variable and the compensation variable. In principle, the corrected measured variable may be any chemical and / or physical quantity and a signal which indicates this variable (s) equivalently, ie. H. an equivalent signal, act. The corrected measured variable may preferably be the same physical and / or chemical variable and / or the compensation variable. The corrected measured variable may be, in particular, a variable which has been corrected for parasitic effects. The proportion of the gas in the measuring gas space can preferably be determined more accurately from the corrected measured variable than from the measured variable. The determination of the corrected measured variable from the measured variable and the compensation variable can be, for example, a calculation and / or an assignment. Accordingly, the proportion of the measurement gas in the measurement gas space can be determined from the corrected measured variable, for example by calculation and / or by association. For example, at least one characteristic can be used in the determination of the proportion of the measurement gas in the measurement gas space from the corrected measured variable. The characteristic can be, for example, an assignment of the corrected measured variable to a proportion of the measuring gas. For example, the characteristic may be an association between a corrected pumping current and a proportion of oxygen in the measuring gas, for example an oxygen partial pressure.
Die Messgröße kann mindestens einen Pumpstrom umfassen. Beispielsweise kann es sich bei dem Pumpstrom um die gesamte über die Pumpzelle umgesetzte Ladung pro Zeit handeln. Beispielsweise kann die Messgröße der Pumpstrom direkt oder ein den Pumpstrom anzeigendes Signal sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Pumpstrom auch um eine Messgröße handeln, welche von dem Pumpstrom abhängt. Beispielsweise kann die Messgröße eine von dem Pumpstrom abhängige Größe sein. Beispielsweise kann die Messgröße zumindest den Pumpstrom umfassen. Die Kompensationsgröße kann mindestens einen Umladestrom umfassen. Bei dem Umladestrom kann es sich um Ströme handeln, welche durch Ladeprozesse und/oder Entladeprozesse, beispielsweise bei Änderung des Anteils des Messgases in dem Messgasraum, auftreten können. Bei dem Umladestrom kann es sich um Ströme handeln, welche bei einem Lambda = 1 – Durchgang auftreten können. Die durch Umladung erzeugte Ladungsmenge bildet sich dann üblicherweise nicht in der Spannung des Reglers ab, denn die Quelle ist die wechselnde Nernstspannung an den Elektroden der Pumpzelle im Sensorelement. Die Ausgansspannung des Reglers ist bei einem Lambda = 1 – Durchgang nicht gestört, da diese zeitlich dem Lambda = 1 – Durchgang hinterherläuft.The measured variable may include at least one pumping current. For example, the pumping current may be the total charge transferred through the pumping cell per time. For example, the measured variable may be the pumping current directly or a signal indicating the pumping current. For example, the pumping current may also be a measured variable which depends on the pumping current. By way of example, the measured variable may be a quantity dependent on the pumping current. For example, the measured variable may comprise at least the pumping current. The compensation variable may include at least one charge transfer current. The charge-reversal current can be currents which can occur through charging processes and / or discharge processes, for example when the proportion of the measurement gas in the measurement gas space changes. The charge-reversal current can be currents which can occur with a lambda = 1 passage. The amount of charge generated by recharge then usually does not form in the voltage of the regulator, because the source is the alternating Nernst voltage at the electrodes of the pump cell in the sensor element. The output voltage of the controller is not disturbed in the case of a lambda = 1 - passage, since this time runs after the lambda = 1 - passage.
Die Messgröße, Kompensationsgröße und korrigierte Messgröße müssen entsprechend den vorherigen Ausführungen nicht als absolute Größen vorliegen. Die vorliegende Erfindung erlaubt explizit alternativ oder zusätzlich eine Korrektur der Messgröße bzw. Kompensation der Umladung auf Ebene der Signalverarbeitung, so dass es sich bei der Messgröße, Kompensationsgröße und korrigierte Messgröße entsprechend um diese charakterisierende Signale handeln kann.The measured variable, compensation variable and corrected measured variable do not have to be present as absolute values according to the previous statements. The present invention explicitly allows, alternatively or additionally, a correction of the measured variable or compensation of the transhipment at the level of the signal processing, so that the measured variable, compensation variable and corrected measured variable can correspond to these characterizing signals.
Unter einer Impedanz der Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht der Ohmsche Widerstand der Pumpzelle, sondern ein sensorelementspezifischer Zusammenhang zwischen Pumpspannung une einem Strom-Äquivalent der Pumpspannung zu verstehen, der unter anderem frequenzabhängig ist. Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist das Strom-Äquivalent der Pumpspannung gleich der Pumpspannung (z. B. bei geringer zeitlicher Änderung der O2-Konzentration im Abgas). Im hier Betrachteten DC-Fall (Grenzstrombetrieb), ist der Impedanzwert von der Sauerstoffkonzentration im Abgas aber auch von weiteren Abgasbedingungen, wie zum Beispiel der Gasgeschwindigkeit abhängig. Die Impedanz beschreibt im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere das Verhältnis von Strom-Äquivalent der Pumpspannung und Pumpspannung. Die Impedanz der Pumpzelle kann allgemein als komplexer Zahlenwert definiert werden. Die Impedanz der Pumpzelle kann somit auch frequenzabgängig sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Impedanz der Pumpzelle mit Hilfe eines Adaptionsalgorithmus aus den Kombinationen der Spannung an der Pumpzelle und dem Pumpstrom bestimmt werden. Die Impedanz der Pumpzelle kann als Funktion der an der Pumpzelle anliegenden Spannung (oder alternativ al Funktion des Pumpstroms) bestimmt werden. In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Signal generiert, das den sich ändernden Anteil der an die Pumpzelle angelegten Spannungen und Ströme widergibt. Dies kann zum Beispiel durch eine zeitliche Differenzierung oder eine andere Art der Hochpassfilterung erfolgen. Allgemein wird hier eine Hochpassfilterung durchgeführt. Unter einem Hochpass ist im Rahmend er vorliegenden Erfindung ein Filter zu verstehen, der hochfrequente Signalanteile oberhalb seiner Grenzfrequenz durchlässt, während niederfrequente Signalanteile gedämpft werden. Konstante oder nur langsam ändernde Signalkomponenten können so entfernt werden. Durch eine Filterung kann auch die Phase des Signals verändert werden. Zum Beispiel hat ein Differenzierer eine Phase von 90° (linearphasig). Hochpassfilter können im Rahmen der vorliegenden Erfindung als rekursive Filter oder nichtrekursive Filter realisiert werden. Sie können eine finite oder eine infinite Impulsantwort haben.In the context of the present invention, an impedance of the pumping cell does not mean the ohmic resistance of the pumping cell, but rather a sensor-element-specific relationship between pumping voltage and a current equivalent of the pumping voltage, which is, inter alia, frequency-dependent. Under certain operating conditions, the current equivalent of the pumping voltage is equal to the pumping voltage (eg, with little change in the O2 concentration in the exhaust gas over time). In the DC case considered here (limiting current operation), the impedance value depends on the oxygen concentration in the exhaust gas but also on further exhaust gas conditions, such as, for example, the gas velocity. In the context of the present invention, the impedance describes in particular the ratio of current equivalent of the pump voltage and pump voltage. The impedance of the pumping cell can generally be defined as a complex numerical value. The impedance of the pumping cell can thus also be frequency-dependent. In the context of the present invention, the impedance of the pumping cell can be determined by means of an adaptation algorithm from the combinations of the voltage at the pumping cell and the pumping current. The impedance of the pumping cell can be determined as a function of the voltage applied to the pumping cell (or alternatively as a function of the pumping current). In a further step of the method according to the invention is generates a signal that reflects the changing portion of the voltages and currents applied to the pump cell. This can be done for example by a time differentiation or another type of high-pass filtering. Generally, high-pass filtering is performed here. In the context of the present invention, a high pass is to be understood as meaning a filter which transmits high-frequency signal components above its cut-off frequency, while low-frequency signal components are attenuated. Constant or slow changing signal components can be removed. Filtering can also change the phase of the signal. For example, a differentiator has a phase of 90 ° (linear phase). High-pass filters can be realized within the scope of the present invention as recursive filters or non-recursive filters. You can have a finite or infinite impulse response.
Bei einer Lambda-1 Welligkeit zeigen das Pumpstromsignal und die Spannung an der Pumpzelle einen unterschiedlichen Verlauf. Die Information über ein Auseinanderlaufen der Spannungen und Ströme, die an die Pumpzelle angelegt werden, steckt in der Differenz der Änderungssignale der Spannung und des Stromes, die an die Pumpzelle angelegt werden. Dieses Differenzsignal ist auch ein Maß für die Verschiebung von Ladungen bei der Umladung der elektrochemischen Zellen. Eine Umladung der elektrochemischen Zelle bewirkt, eine Änderung im Strom, ohne eine Änderung der an der Pumpzelle angelegten Spannung. Durch die Änderung der Nernstspannung an den Elektroden der Pumpzelle wird ein Umladungsstrom erzeugt. Dieser Umladungsstrom wird dem eigentlichen Signal aus dem Grenzstrom-Betrieb überlagert. Im Differenzsignal wird dann nur die Änderung des Umladungsstroms abgebildet.With a lambda-1 ripple, the pump current signal and the voltage on the pump cell show a different course. The information about divergence of the voltages and currents applied to the pumping cell is in the difference of the voltage and current change signals applied to the pumping cell. This difference signal is also a measure of the shift of charges during the transfer of the electrochemical cells. Recharging the electrochemical cell causes a change in the current without a change in the voltage applied to the pumping cell. By changing the Nernst voltage at the electrodes of the pumping cell, a charge-reversal current is generated. This recharge current is superimposed on the actual signal from the limiting current operation. In the difference signal then only the change of the charge current is mapped.
Das Differenzsignal der Stromänderungen wird über ein Zeitintervall aufsummiert, während dieses Summensignal graduell wieder reduziert wird. Dadurch erhält man ein dem Umladungssstrom äquivalentes Signal, das Umladungs-Kompensationssignal. Hierzu kann das Differenzsignal mit einem Tiefpass gefiltert werden. Unter einem Tiefpass ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Filter zu verstehen, der niederfrequente Signalanteile unterhalb seiner Grenzfrequenz durchlässt, während hochfrequente Signalanteile gedämpft werden. Aufgabe des Tiefpassfilters ist, den Verlauf des Signals des Differenzsignals über das Zeitintervall der Störung zu summieren. Ist das Differenzsignal klein, wird das Kompensationsstromsignal gegen Null gehen. Eine einfache Tierfpass-Umsetzung kann zum Beispiel mit einem Leaky-Integrator erreicht werden. In einer alternativen Umsetzung können die Eigenschaften des Tiefpasses in Abhängigkeit von der Größe des Eingangssignals geändert werden.The difference signal of the current changes is summed over a time interval, while this sum signal is gradually reduced again. This results in a charge equivalent to the Umladungssstrom signal, the charge-reversal compensation signal. For this purpose, the difference signal can be filtered with a low-pass filter. In the context of the present invention, a low-pass filter is to be understood as meaning a filter which transmits low-frequency signal components below its cut-off frequency, while high-frequency signal components are attenuated. The task of the low-pass filter is to sum the course of the signal of the difference signal over the time interval of the disturbance. If the difference signal is small, the compensation current signal will go to zero. A simple Tierfpass implementation can be achieved, for example, with a leaky integrator. In an alternative implementation, the characteristics of the low-pass filter may be changed depending on the size of the input signal.
In einem abschließenden Schritt wird das Umladungs-Kompensationssignal vom gemessenen Pumpstromsignal subtrahiert bzw. abgezogen. Aus dem korrigierten Pumpstromsignal kann nun ein Signal abgeleitet werden, das die Konzentrationen und zeitlichen Änderungen des Sauerstoffgehalts des Umgebungsgases wiedergibt. In nachfolgenden Schritten kann mit Hilfe von Kennfeldern aus dem korrigierten Pumpstromsignal ein kalibriertes Sauerstoff-Signal abgeleitet werden.In a final step, the charge-transfer compensation signal is subtracted from the measured pump current signal. From the corrected pumping current signal, a signal representing the concentrations and changes over time of the oxygen content of the ambient gas can now be derived. In subsequent steps, a calibrated oxygen signal can be derived from the corrected pump current signal with the aid of characteristic maps.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, durch eine verbesserte Signalauswertung die Lambda = 1 – Welligkeit zu entfernen oder stark zu reduzieren. Die elektrochemische Ursache der Signalstörung, eine Umladung der aktiven Elektroden, wird durch zusätzliche Auswertung von elektrischen Größen zumindest näherungsweise korrigiert.A basic idea of the present invention is to remove or greatly reduce the lambda = 1 ripple by an improved signal evaluation. The electrochemical cause of the signal disturbance, a recharge of the active electrodes, is at least approximately corrected by additional evaluation of electrical quantities.
Die Lambda-1-Welligkeit beim Mager/Fett-(Fett/Mager-)-Gaswechsel kann in einem Verarbeitungsschritt im Mikrocontroller mit Hilfe der gemessenen Signale des Pumpstroms und der Pumpspannung näherungsweise kompensiert werden. Bei einem Gaswechsel treten an den Elektroden Spannungen und Ströme auf, die zu einer Ladungsverschiebung führen. Eine Änderung der Nernstspannung, also der Regelgröße, tritt verzögert auf. Der hiermit verbundene Stromfluss erscheint als Lambda-1-Welligkeit im Sauerstoffsignal.The
In dem Nachverarbeitungsschritt im Mikrocontroller kann aus der zeitlichen Änderung der Pumpspannungs- und Pumpstromsignale ein Signal bestimmt werden, das der Ladungsverschiebung entspricht. Hiermit kann die Störung, also die Lambda-1-Welligkeit, kompensiert werden. Über den charakteristischen Widerstand der Pumpzelle bzw. deren Impedanz kann ein Zusammenhang zwischen der Spannung an der Pumpzelle und Pumpstrom bestimmt werden. Diese Impedanz kann eine Funktion der an der Pumpzelle anliegenden Spannung oder des Pumpstroms sein. Dieser charakteristische Widerstand kann für den Fett- und Magerbetrieb mit festen Werten oder durch adaptiv gelernte, für die Sonde spezifische Werte bestimmt werden.In the post-processing step in the microcontroller, a signal corresponding to the charge shift can be determined from the time change of the pump voltage and pump current signals. Hereby, the disturbance, ie the
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet UVS eine Referenzzellenspannung, die die Nernstspannung ist, die sich zwischen der Referenzelektrode im ersten Gashohlraum und der Referenzelektrode ausbildet. Im Regelkreis dient UVS als Regelgröße. UP ist die an die Pumpzelle angelegte Spannung. UIP ist der Spannungsabfall am Messwiderstand RShunt der Pumpzelle (UIP = RShunt·IPIP ist der Pumpstrom, der die Menge der gepumpten Sauerstoffionen bestimmtIn the context of the present invention, U VS denotes a reference cell voltage, which is the Nernst voltage that forms between the reference electrode in the first gas cavity and the reference electrode. In the control loop, U VS serves as a controlled variable. U P is the voltage applied to the pumping cell. U IP is the voltage drop at the measuring resistor R Shunt of the pump cell (U IP = R Shunt * I P I P is the pump current which determines the amount of oxygen ions pumped
Die an die Pumpzelle angelegte Spannung wird als Spannungsdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode und der Bezugsspannung am gemeinsamen Rückleiter gemessen. Der Spannungsabfall am Messwiderstand der Pumpzelle wird als Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang der vom O2-Regler gesteuerten Spannungsquelle oder alternativ vom O2-Regler gesteuerten Stromquelle und der Spannung an der äußeren Pumpelektrode gemessen. Der Spannungsabfall UIP am Messwiderstand wird vom Pumpstrom IP bestimmt. Im statischen Fall ist dieser Pumpstrom wiederum proportional zu der zu messenden Sauerstoffkonzentration im Umgebungsgas. Die Stellgröße der Regelstrecke kann eine Spannung oder ein Strom an der Pumpzelle sein. Hier sind alternative Strukturen möglich, bei denen aber jeweils Pumpstrom IP und Pumpspannung UP gemessen werden können. Bei einer spannungsgeführten Regelung an der äußeren Pumpelektrode ist die Stellgröße entweder die Spannung an der äußeren Pumpelektrode UP oder die Spannung URS am Messwiderstand URS = UP + RShunt·IP, wobei RShunt der Ohmsche Widerstand des Messwiderstands ist. Bei einer stromgeführten Regelung an der äußeren Pumpelektrode ist die Stellgröße der Strom an der äußeren Pumpelektrode. Bei einer alternativen spannungsgeführten Regelung wird die Spannung an der inneren Pumpelektrode über eine Regelung der Spannung UP an der Äußeren Pumpelektrode auf einer gemeinsamen Referenzspannung gehalten, Ein Spannungstreiber an einem Messwiderstand RShunt zur inneren Pumpelektrode wird mit dem Vs Regler geregelt. Alternativ wird der Stromtreiber am Messwiderstand zur inneren Pumpelektrode geregelt. Die Regelgröße ist die Nernst-Spannung UVS, die zwischen der Referenzelektrode und der Bezugsspannung am gemeinsamen Rückleiter gemessen wird.The voltage applied to the pumping cell is called the voltage difference between the outer Pump electrode and the reference voltage measured at the common return conductor. The voltage drop across the measuring resistor of the pumping cell is measured as a voltage difference between the output of the voltage controlled by the O2 regulator or alternatively by the O2 regulator controlled current source and the voltage at the outer pumping electrode. The voltage drop U IP at the measuring resistor is determined by the pumping current I P. In the static case, this pumping current is again proportional to the oxygen concentration to be measured in the ambient gas. The manipulated variable of the controlled system can be a voltage or a current at the pump cell. Here, alternative structures are possible, but where in each case pumping current I P and pumping voltage U P can be measured. In the case of a voltage-controlled control on the outer pumping electrode, the manipulated variable is either the voltage at the outer pumping electrode U P or the voltage U RS at the measuring resistor U RS = U P + R shunt * I P , where R shunt is the ohmic resistance of the measuring resistor. In a current-controlled control at the outer pumping electrode, the manipulated variable is the current at the outer pumping electrode. In an alternative voltage-controlled regulation, the voltage at the inner pumping electrode is kept at a common reference voltage by regulating the voltage U P at the outer pumping electrode. A voltage driver at a measuring resistor R shunt to the inner pumping electrode is regulated by the Vs regulator. Alternatively, the current driver is controlled at the measuring resistor to the inner pumping electrode. The controlled variable is the Nernst voltage U VS , which is measured between the reference electrode and the reference voltage at the common return conductor.
Bei der Signalnachverarbeitung im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden grundsätzlich die folgenden Schritte durchgeführt:
- 1. Normierung der Pumpspannung auf Pumpstrom mit einem Verhältnis IP(UP)/UP;
- 2. zeitliche Änderung von IP_aus_UP und IP, die aus einer Differenzierung bzw. einer Hochpassfilterung erfolgt;
- 3. Differenz von d/dt (IP_aus_UP) und d/dt (IP)
- 4. Tiefpassfilterung von (d/dt(IP) – d/dt(IP_aus_UP)), die einen Korrekturterm ergibt;
- 5. Kompensation des Fehlers im Messgassignal.
- 1. Normalization of the pumping voltage to pumping current with a ratio I P (U P ) / U P ;
- 2. temporal change of I P_out_UP and I P , which takes place from a differentiation or a high-pass filtering ;
- 3. Difference of d / dt (I P_out_UP ) and d / dt (I P )
- 4. low-pass filtering of (d / dt (I P ) -d / dt (I P_out_UP )) yielding a correction term;
- 5. Compensation of the error in the measured gas signal.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief 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:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der Sensor
Das Sensorelement
Die erste Elektrode
Das Sensorelement
Die dritte Elektrode
In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs
Der Pumpstrom IP kann ausgedrückt werden: RShunt [Ω] der Widerstand des Messwiderstands
Die Impedanz ZP der Pumpzelle
Die Impedanz ZP der Pumpzelle
Das so aus UIP umgewandelte Signal wird einem Hochpassfilter
Nachfolgend wird ein Differenzsignal DIO2 zwischen dem sich zeitlich ändernden Anteil dIP des Pumpstroms IP und dem sich zeitlich ändernden Anteil dUP der an die Pumpzelle
Dieses Differenzsignal DIO2 ist auch ein Maß für die Verschiebung von Ladungen bei der Umladung der elektrochemischen Zellen. Eine Umladung der elektrochemischen Zelle bewirkt eine Änderung im Strom, ohne eine Änderung der an der Pumpzelle
Die Kompensationsgröße wird mittels einer Tiefpassfilterung des Differenzsignals DIO2 bestimmt. Hierzu kann das Differenzsignal DIO2 mit einem Tiefpassfilter
Die korrigierte Messgröße wird schließlich durch Subtraktion der Kompensationsgröße von der Messgröße bestimmt. So wird insbesondre das Umladungs-Kompensationssignal IKomp vom gemessenen Pumpstromsignal IP abgezogen, beispielsweise in der Form:
Aus dem korrigierten Pumpstromsignal IPO2 kann nun ein Signal abgeleitet werden, das die Konzentrationen und zeitlichen Änderungen des Sauerstoffgehalts des Messgases wiedergibt. Nachfolgend kann mit Hilfe von mindestens einem Kennfeld
Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren gilt grundsätzlich, dass der Pumpstrom der Pumpzelle und die an die Pumpzelle angelegte Spannung zueinander bezogen werden müssen. Die weiteren Rechenschritte müssen nicht notwendigerweise in äquivalenten Strömen erfolgen. Die Division der Spannungen durch die Impedanzen können vermieden werden. Alternativ kann mit deren Kehrwerten oder anderen äquivalenten Faktoren multipliziert werden.In the method described above, in principle, the pumping current of the pumping cell and the voltage applied to the pumping cell must be related to one another. The further computation steps do not necessarily have to take place in equivalent streams. The division of the voltages by the impedances can be avoided. Alternatively, they can be multiplied by their reciprocals or other equivalent factors.
Die Kurve
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
- K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 [0003] K. Reif, Deitsche, KH. et al., Automotive Handbook, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pp. 1338-1347 [0003]
Claims (15)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015206867.6A DE102015206867A1 (en) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space |
PCT/EP2016/057535 WO2016165997A1 (en) | 2015-04-16 | 2016-04-06 | Method for operating a sensor for sensing at least one property of a measurement gas in a measurement gas space |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015206867.6A DE102015206867A1 (en) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102015206867A1 true DE102015206867A1 (en) | 2016-10-20 |
Family
ID=55661464
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102015206867.6A Pending DE102015206867A1 (en) | 2015-04-16 | 2015-04-16 | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102015206867A1 (en) |
WO (1) | WO2016165997A1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018166677A1 (en) * | 2017-03-14 | 2018-09-20 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measured gas in a measurement gas chamber |
FR3078779A1 (en) * | 2018-03-06 | 2019-09-13 | Robert Bosch Gmbh | A method of managing a sensor for determining a portion of a measurement gas component combined with oxygen and a sensor for carrying out the method |
WO2020011652A1 (en) * | 2018-07-12 | 2020-01-16 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating an electrochemical sensor based on solid electrolytes |
WO2021213826A1 (en) * | 2020-04-21 | 2021-10-28 | Robert Bosch Gmbh | Method for determining an oxygen concentration in a waste gas |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102017209300A1 (en) * | 2017-06-01 | 2018-12-06 | Robert Bosch Gmbh | Method for determining a state of at least one component of a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space |
DE102017219449A1 (en) | 2017-10-30 | 2019-05-02 | Robert Bosch Gmbh | Absaugaufsatz |
CN112881325B (en) * | 2021-01-26 | 2022-06-17 | 杭州麦乐克科技股份有限公司 | Concentration detection method of infrared carbon dioxide sensor based on null shift estimation |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10033730A1 (en) * | 2000-07-12 | 2002-01-24 | Siemens Ag | Circuit arrangement for the compensation of disturbances in the control loop of a linear lambda probe |
DE102007054391A1 (en) * | 2007-11-14 | 2009-05-20 | Robert Bosch Gmbh | Gas sensor with time-varying reference potential |
DE102010029027A1 (en) * | 2010-05-17 | 2011-11-17 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating electrochemical sensor in board diagnostic sensor system for detecting property of gas in gas measuring chamber, involves setting pumping current, and detecting pumping current produced by controller |
DE102010031060A1 (en) * | 2010-07-07 | 2012-01-12 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a sensor element |
DE102011005694A1 (en) * | 2011-03-17 | 2012-09-20 | Robert Bosch Gmbh | Method for in-situ calibration of sensor element for detecting gas component in gas measuring chamber for motor vehicle, involves detecting pump current through pump cell as a function of time for detecting extremum pump current |
DE102012220567A1 (en) * | 2012-11-12 | 2014-06-12 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a sensor element |
DE102013212288A1 (en) * | 2013-06-26 | 2014-12-31 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a sensor element and sensor device |
-
2015
- 2015-04-16 DE DE102015206867.6A patent/DE102015206867A1/en active Pending
-
2016
- 2016-04-06 WO PCT/EP2016/057535 patent/WO2016165997A1/en active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338–1347 |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018166677A1 (en) * | 2017-03-14 | 2018-09-20 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measured gas in a measurement gas chamber |
CN110418960A (en) * | 2017-03-14 | 2019-11-05 | 罗伯特·博世有限公司 | Method for running the sensor of at least one characteristic for detecting the measurement gas in measurement gas space |
CN110418960B (en) * | 2017-03-14 | 2022-12-06 | 罗伯特·博世有限公司 | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space |
FR3078779A1 (en) * | 2018-03-06 | 2019-09-13 | Robert Bosch Gmbh | A method of managing a sensor for determining a portion of a measurement gas component combined with oxygen and a sensor for carrying out the method |
WO2020011652A1 (en) * | 2018-07-12 | 2020-01-16 | Robert Bosch Gmbh | Method for operating an electrochemical sensor based on solid electrolytes |
WO2021213826A1 (en) * | 2020-04-21 | 2021-10-28 | Robert Bosch Gmbh | Method for determining an oxygen concentration in a waste gas |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016165997A1 (en) | 2016-10-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102015206867A1 (en) | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space | |
EP3596453B1 (en) | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measured gas in a measurement gas chamber | |
DE102012220567A1 (en) | Method for operating a sensor element | |
EP1616174B1 (en) | Method for operating a gas sensor | |
WO2008077745A1 (en) | Method for operating a sensor element, and sensor element for determining the concentration of gas components in a gas mixture | |
DE102018201266A1 (en) | Method for determining an adjusted compensation factor of an amperometric sensor and amperometric sensor | |
WO2011048121A1 (en) | Device and method for controlling an exhaust gas sensor | |
DE102018203313A1 (en) | A method of operating a sensor to detect at least a portion of a sample gas component having bound oxygen in a sample gas | |
WO2019170639A1 (en) | Method for operating a sensor for detecting at least a fraction of a measurement subject gas component with bound oxygen in a measurement subject gas | |
DE102010031299A1 (en) | Device for determining a property of a gas in a measuring gas space | |
WO2020260330A1 (en) | Method for the operation of an exhaust gas sensor for an internal combustion engine, and exhaust gas sensor for an internal combustion engine | |
DE102017209300A1 (en) | Method for determining a state of at least one component of a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space | |
EP2106544B1 (en) | Sensor element with offset current by way of h2o decomposition | |
EP3788356B1 (en) | Method for operating a sensor for detecting at least a portion of a measurement gas component having bound oxygen in a measurement gas | |
DE102015201396A1 (en) | Sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space | |
DE102011005882A1 (en) | Device for determining oxygen contents in exhaust gas to control processing of fuel-air mixture of internal combustion engine, has control unit, where curve is stored in unit for determining characteristic of sensor element | |
DE102013221298A1 (en) | Method for calibrating sensor element for detecting e.g. gas component of measurement gas in gas measuring chamber, involves determining pitch error of measuring signal based on the comparison of reference value and actual value | |
DE102012200026A1 (en) | Method for e.g. determining concentration of gas constituent in exhaust gas of internal combustion engine, involves determining temperature based on computed quotients and predetermined correlation between quotients and temperature | |
WO2018206191A1 (en) | Method for determining the temperature of a solid electrolyte gas sensor | |
EP3818367B1 (en) | Method for operating a sensor for detecting at least one portion of a measurement gas component having bound oxygen in a measurement gas | |
WO2009144051A1 (en) | Lambda step-change probe with alternating reference | |
DE102016208506A1 (en) | Method for operating a sensor element for detecting at least one property of a measurement gas in a sample gas space | |
DE102009027133A1 (en) | Method for operating probe for determining gas components in gas mixture, particularly exhaust gas component of exhaust gas in internal combustion engine, involves arranging two electrodes on sensor element in form of solid electrolyte | |
DE102022211385A1 (en) | Method for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas chamber of an internal combustion engine | |
WO2015189055A1 (en) | Method for operating a sensor apparatus |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01N0027410000 Ipc: G01N0027419000 |