DE102017209300A1

DE102017209300A1 - 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

Info

Publication number: DE102017209300A1
Application number: DE102017209300.5A
Authority: DE
Inventors: Manuel Marks; Berndt Cramer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-12-06
Also published as: CN108982633A; CN108982633B

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes mindestens einer Komponente eines Sensors (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum (126) vorgeschlagen. Der Sensor (110) weist mindestens ein Sensorelement (114) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement (114) weist mindestens eine erste elektrochemische Zelle (130) auf. Die elektrochemische Zelle (130) umfasst mindestens eine erste Elektrode (118), mindestens eine zweite Elektrode (120) und mindestens einen die erste Elektrode (118) und die zweite Elektrode (120) verbindenden Festelektrolyten (116). Das Sensorelement (114) weist weiter mindestens eine zweite elektrochemische Zelle (134) auf. Die zweite elektrochemische Zelle (134) umfasst mindestens eine dritte Elektrode (122). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
a) Einstellen mindestens eines Diagnosewertes einer Führungsgröße zur Regelung der Komponente;
b) Erfassen einer Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder einer Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert;
c) Bestimmen mindestens einer charakteristischen Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße;
d) Bestimmen eines Zustands der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert.

A method for determining a state of at least one component of a sensor (110) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space (126) is proposed. The sensor (110) has at least one sensor element (114) for detecting the property of the measurement gas. The sensor element (114) has at least one first electrochemical cell (130). The electrochemical cell (130) comprises at least one first electrode (118), at least one second electrode (120) and at least one solid electrolyte (116) connecting the first electrode (118) and the second electrode (120). The sensor element (114) further comprises at least one second electrochemical cell (134). The second electrochemical cell (134) comprises at least a third electrode (122). The method comprises the following steps:
a) setting at least one diagnostic value of a reference variable for controlling the component;
b) detecting a plurality of measured values of a controlled variable for controlling the component and / or a plurality of measured values of a manipulated variable for controlling the component at different times for the diagnostic value;
c) determining at least one characteristic variable for a scattering of the plurality of measured values of the controlled variable and / or a scattering of the multiplicity of measured values of the manipulated variable as a function of the reference variable;
d) determining a state of the component from a comparison of the characteristic quantity with a diagnostic limit.

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 (Al₂Os) 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 can be ceramic solid electrolytes, such as zirconium dioxide (ZrO ₂ ), in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ), the small additions of aluminum oxide (Al ₂ Os) and / or silicon oxide (SiO ₂ ).

Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden oder als Stickoxidsensoren ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338 -1347, und Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Aufl. 2012, Seiten 160-165, bekannt sind. Mit Breitbandlambdasonden, insbesondere mit planaren Breitbandlambdasonden, 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 (Lambda) beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Stickoxid-Sensoren bestimmen sowohl die Stickoxid- als auch die Sauerstoffkonzentration im Abgas.For example, such sensors may be configured as so-called lambda probes or as nitrogen oxide sensors, as described, for example, by K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Automotive Handbook, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347, and Konrad Reif (ed.) "Sensors in the motor vehicle", 2nd edition 2012, pages 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 (lambda) describes this air-fuel ratio. Nitric oxide sensors determine both the nitrogen oxide and the oxygen concentration in the exhaust gas.

Durch Kombination einer Pumpzelle, der Messzelle und einer Sauerstoff-Referenzzelle, der Nernstzelle, kann ein Sensor zur Messung des Sauerstoffgehalts in einem Umgebungsgas aufgebaut werden. In einer Pumpzelle, die nach dem amperometrischen Pumpprinzip arbeitet, wandern 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 Sauerstoffpartialdruck in einem Hohlraum, in welchem das Umgebungsgas diffundieren kann, konstant zu halten, 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 Nernstzelle kann das Verhältnis des Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum zum Sauerstoff-Partialdruck in einem weiteren Referenzgasraum über die sich ausbildende Nernst-Spannung bestimmt werden.By 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 operating on the amperometric pumping principle, when a voltage or current is applied to the pumping electrodes located in different gas spaces, an oxygen ion current travels through a ceramic body (the oxygen-conducting solid electrolyte) separating the gas spaces (" pump"). If the pump cell is used to keep the oxygen partial pressure in a cavity in which the ambient gas can diffuse constant, it can be concluded by measuring the electric current to the transported amount of oxygen. This pumping current, in accordance with the law of diffusion, is 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.

Ein derartiger Sensor kann einen Regelkreis umfassen. Die elektrochemische Einheit eines derartigen Sensors kann dabei als Regelstrecke betrachtet werden. Führungsgröße ist eine Spannungsvorgabe an der Nernstzelle. Die Stellgröße dieses Regelkreises kann dabei eine Pumpspannung oder ein Pumpstrom am Pumpelektrodenpaar sein. Die Regelgröße ist die gemessene Nernst-Spannung, welche ein Maß für den an der Nernstzelle vorliegenden Sauerstoffpartialdruck ist. Ziel der Regelung ist, trotz Änderungen des Sauerstoffgehalts im Abgas, den Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum auf einem spezifizierten bzw. vorgegebenen Wert zu halten. Über die an das Pumpelektrodenpaar angelegte Spannung kann der Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum verändert werden. Durch das Pumpen kann die Gaskonzentration über die angelegte Pumpspannung aktiv beeinflusst werden.Such a sensor may comprise a control loop. The electrochemical unit of such a sensor can be considered as a controlled system. The reference variable is a voltage specification at the Nernst cell. The manipulated variable of this control loop can be a pump voltage or a pump current at the pump electrode pair. The controlled variable is the measured Nernst voltage, which is a measure of the oxygen partial pressure present at the Nernst cell. 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 to a specified or predetermined value. By means of the voltage applied to the pump electrode pair, the oxygen partial pressure in the cavity can be changed. By pumping the gas concentration can be actively influenced by the applied pumping voltage.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Pumpelektroden und Elektroden der Nernstzelle können auf vielfältige Weise geschädigt werden. Bekannte Analysemethoden zur Erkennung eines Elektrodenzustandes, wie beispielsweise Impedanzspektroskopie, sind aufwändig und während einer On-Board-Diagnose nur schwer durchführbar. Zudem sind spektroskopische Methoden meist auf eine einzelne Elektrode bezogen, jedoch nicht auf ein System.Despite the advantages of the sensors known from the prior art and methods for operating the same, they still have room for improvement. Pumping electrodes and electrodes of the Nernst cell can be damaged in many ways. Known analysis methods for detecting an electrode state, such as, for example, impedance spectroscopy, are complicated and difficult to carry out during an on-board diagnosis. In addition, spectroscopic methods are usually related to a single electrode, but not to a system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird daher in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustandes mindestens einer Komponente eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet und welches insbesondere erlaubt, eine Erkennung einer Schädigung und/oder Alterung verlässlich vorauszusagen und während einer On-Board-Diagnose durchführbar ist.It is therefore proposed in a first aspect, a method for determining a state of at least one component of a sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space, which at least largely avoids the disadvantages of known methods and which in particular allows detection of damage and / or aging reliably predictable and feasible during an on-board diagnosis.

Der 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, weist ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement weist mindestens eine erste elektrochemische Zelle auf. Die erste elektrochemische Zelle kann beispielsweise als Pumpzelle ausgebildet sein. Die erste elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Das Sensorelement weist weiter mindestens eine zweite elektrochemische Zelle. Die zweite elektrochemische Zelle kann als Referenzzelle, insbesondere als Nernstzelle, ausgebildet sein. Die zweite elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine dritte Elektrode. Beispielsweise kann die zweite elektrochemische Zelle mindestens eine vierte Elektrode aufweisen. Die dritte Elektrode und/oder die vierte können mit dem Festelektrolyten verbunden sind. Auch Ausgestaltungen ohne eine vierte Elektrode sind denkbar. Beispielsweise können die Elektroden der ersten elektrochemischen Zelle und der zweiten elektrochemischen Zelle derart kombiniert sein, dass beispielsweise nur drei Elektroden vorhanden sind. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Einstellen mindestens eines Diagnosewertes einer Führungsgröße zur Regelung der Komponente
b) Erfassen einer Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder einer Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert
c) Bestimmen mindestens einer charakteristischen Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße
d) Bestimmen eines Zustands der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert.

The 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, has a sensor element for detecting the property of the measurement gas. The sensor element has at least one first electrochemical cell. The first electrochemical cell may be formed, for example, as a pumping cell. The first electrochemical cell comprises at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. The sensor element further comprises at least a second electrochemical cell. The second electrochemical cell can be designed as a reference cell, in particular as a Nernst cell. The second electrochemical cell comprises at least a third electrode. By way of example, the second electrochemical cell may have at least one fourth electrode. The third electrode and / or the fourth can be connected to the solid electrolyte. Embodiments without a fourth electrode are also conceivable. For example, the electrodes of the first electrochemical cell and the second electrochemical cell may be combined such that, for example, only three electrodes are present. The proposed method comprises the following steps:

a) setting at least one diagnostic value of a reference variable for controlling the component
b) detecting a plurality of measured values of a controlled variable for controlling the component and / or a plurality of measured values of a manipulated variable for controlling the component at different times for the diagnostic value
c) determining at least one characteristic variable for a scattering of the plurality of measured values of the controlled variable and / or a scattering of the multiplicity of measured values of the manipulated variable as a function of the reference variable
d) determining a state of the component from a comparison of the characteristic quantity with a diagnostic limit.

Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Weiterhin können einer oder mehrere oder alle Verfahrensschritte auch wiederholt durchgeführt werden. Weiterhin können zwei oder mehrere der Verfahrensschritte auch ganz oder teilweise zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann, zusätzlich zu den genannten Verfahrensschritten auch weitere Verfahrensschritte umfassen.The process steps can be carried out in the order given. Also a different order is possible. Furthermore, one or more or all process steps can also be carried out repeatedly. Furthermore, two or more of the method steps may also be performed wholly or partially overlapping in time or simultaneously. The method may, in addition to the method steps mentioned, also comprise further method steps.

Unter einer Komponente kann grundsätzlich ein beliebiges Element des Sensors verstanden werden, insbesondere eine Komponente ausgewählt aus der Gruppe bestehen aus: dem Sensorelement, der zweiten elektrochemischen Zelle, mindestens einer Elektrode, mindestens einem Elektrodenpaar, beispielsweise einem Elektrodenpaar der zweiten elektrochemischen Zelle, oder auch einer anderen Komponente eines Regelkreises des Sensors. Unter einem Zustand der Komponente kann ein funktioneller Zustand verstanden werden, insbesondere eine Schädigung oder eine Alterung. Unter Bestimmen des Zustandes kann eine Erfassung einer Information über den Zustand verstanden werden, insbesondere einer Größe oder eines Wertes, welcher direkt oder indirekt mit dem Zustand der Komponente korreliert.In principle, a component can be understood to mean any element of the sensor, in particular a component selected from the group consisting of: the sensor element, the second electrochemical cell, at least one electrode, at least one electrode pair, for example a pair of electrodes of the second electrochemical cell, or else one other component of a control loop of the sensor. A state of the component can be understood as a functional state, in particular damage or aging. Determining the condition may be understood to mean detection of information about the condition, in particular a quantity or a value which correlates directly or indirectly with the condition of the component.

Unter einem Sensor kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Anteil einer Gaskomponente zu erfassen, insbesondere in einem Gasgemisch, beispielsweise in einem Messgasraum wie beispielsweise einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Der Sensor kann beispielsweise ein Breitbandlambdasensor oder ein NOx-Sensor sein.In principle, a sensor can be understood to mean any device which is set up to detect a portion of a gas component, in particular in a gas mixture, for example in a measuring gas space such as, for example, an exhaust gas tract of an internal combustion engine. The sensor may be, for example, a broadband lambda sensor or a NOx sensor.

Unter einem Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas kann ein Element verstanden werden, welches, beispielsweise als Bestandteil der Sensorvorrichtung eingerichtet ist oder dazu beitragen kann, einen Anteil einer Gaskomponente eines Gases zu detektieren. Hinsichtlich möglicher Ausgestaltungen des Sensorelements kann grundsätzlich auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Das Sensorelement kann insbesondere ein keramisches Sensorelement sein, insbesondere ein keramisches Sensorelement mit einem Schichtaufbau. Insbesondere kann das Sensorelement ein planares keramisches Sensorelement sein. Unter einer Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Gases verstanden werden. Grundsätzlich kann das Sensorelement jedoch eingerichtet sein, eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases zu erfassen, beispielsweise eine Temperatur und/oder ein Druck des Gases und/oder Partikel im Gas. Auch andere Eigenschaften sind grundsätzlich erfassbar. Das Gas kann grundsätzlich ein beliebiges Gas sein, beispielsweise Abgas, Luft, ein Luft-Kraftstoff-Gemisch oder auch ein anderes Gas. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Gas insbesondere um ein Luft-Kraftstoff-Gemisch handeln kann. Allgemein kann unter einem Messgasraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das zu erfassende Gas befindet. Die Erfindung kann insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar sein, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann. Auch andere Anwendungen sind jedoch denkbar.A sensor element for detecting at least a portion of a gas component in a gas can be understood as an element which, for example, is set up as a component of the sensor device or can contribute to detecting a proportion of a gas component of a gas. With regard to possible embodiments of the sensor element, reference may in principle be made to the above-mentioned prior art. The sensor element may in particular be a ceramic sensor element, in particular a ceramic sensor element with a layer structure. In particular, the sensor element may be a planar ceramic sensor element. A detection of at least one component of a gas component can be understood as a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the gas. In principle, however, the sensor element can be set up to detect any physical and / or chemical property of the gas, for example a temperature and / or a pressure of the gas and / or particles in the gas. Other properties are basically detectable. The gas can basically be any gas, for example exhaust gas, air, an air-fuel mixture or even another gas. The invention can be used in particular in the field of automotive engineering, so that the gas can be, in particular, an air-fuel mixture. In general, a measuring gas space can be understood as meaning a space in which the gas flows to detecting gas is located. The invention can be used in particular in the field of automotive engineering, so that it can be in the sample gas chamber in particular an exhaust tract of an internal combustion engine. However, other applications are conceivable.

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. Die Bezeichnung „erste“ und „zweite“, sowie „dritte“ und „vierte“ Elektrode werden als reine Bezeichnungen verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Elektroden vorhanden sind.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. The term "first" and "second", as well as "third" and "fourth" electrode are used as pure names and in particular provide no information about an order and / or whether, for example, even more electrodes are present.

Die erste Elektrode kann mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Insbesondere kann die erste Elektrode zumindest teilweise mit dem Messgasraum verbunden sein, beispielsweise kann die erste Elektrode direkt dem Gas des Messgasraums ausgesetzt sein und/oder durch eine gasdurchlässige poröse Schutzschicht mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Beispielsweise kann die erste Elektrode als eine äußere Pumpelektrode ausgestaltet sein.The first electrode can be acted upon with gas from the sample gas space. In particular, the first electrode may be at least partially connected to the measurement gas space, for example, the first electrode may be directly exposed to the gas of the measurement gas space and / or be acted upon by a gas-permeable porous protective layer with gas from the sample gas space. For example, the first electrode may be configured as an outer pumping electrode.

Die zweite Elektrode kann in mindestens einem Messhohlraum angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Elektrode als eine innere Pumpelektrode ausgestaltet sein. Unter einem Messhohlraum kann ein Hohlraum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, welcher eingerichtet sein kann, einen Vorrat einer Gaskomponente des Gases aufzunehmen. Der Messhohlraum kann ganz oder teilweise offen ausgestaltet sein. Weiter kann der Messhohlraum ganz oder teilweise gefüllt sein, beispielsweise mit einem porösen Medium, beispielsweise mit porösem Aluminiumoxid.The second electrode may be arranged in at least one measuring cavity. For example, the second electrode may be configured as an inner pumping electrode. A measuring cavity can be understood as a cavity within the sensor element which can be set up to receive a supply of a gas component of the gas. The measuring cavity can be configured completely or partially open. Furthermore, the measuring cavity can be completely or partially filled, for example with a porous medium, for example with porous alumina.

Der Messhohlraum kann über mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Unter einer Diffusionsbarriere kann eine Schicht aus einem Material verstanden werden, welches eine Diffusion eines Gases und/oder Fluides und/oder Ionen fördert, aber eine Strömung des Gases und/oder Fluides unterdrückt. Die Diffusionsbarriere kann insbesondere eine poröse keramische Struktur mit gezielt eingestellten Porenradien aufweisen. Die Diffusionsbarriere kann einen Diffusionswiderstand aufweisen, wobei unter dem Diffusionswiderstand der Widerstand zu verstehen ist, welchen die Diffusionsbarriere einem Diffusionstransport entgegensetzt.The measuring cavity can be acted upon by at least one diffusion barrier with gas from the sample gas space. A diffusion barrier can be understood as meaning a layer of a material which promotes diffusion of a gas and / or fluid and / or ions, but suppresses a flow of the gas and / or fluid. The diffusion barrier may in particular have a porous ceramic structure with specifically set pore radii. The diffusion barrier may have a diffusion resistance, wherein the diffusion resistance is to be understood as meaning the resistance which the diffusion barrier opposes to diffusion transport.

Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über mindestens einen Festelektrolyten verbunden und bilden die erste elektrochemische Zelle, insbesondere eine Pumpzelle. Durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Pumpspannung, an die erste und die zweite Elektrode kann Sauerstoff durch den Festelektrolyten hindurch aus dem Gas in den Messhohlraum hinein- oder herausgepumpt werden.The first electrode and the second electrode are connected via at least one solid electrolyte and form the first electrochemical cell, in particular a pumping cell. By applying a voltage, in particular a pumping voltage, to the first and the second electrode, oxygen can be pumped in or out through the solid electrolyte from the gas into the measuring cavity.

Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden 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 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. Bei einem Festelektrolyten kann es sich insbesondere um einen keramischen Festelektrolyten handeln, beispielsweise um Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Der Festelektrolyt kann vorzugsweise gasundurchlässig sein und/oder kann einen ionischen Transport, beispielsweise einen ionischen Sauerstofftransport, gewährleisten. Insbesondere kann es sich bei der ersten und der zweiten Elektrode um einen elektrisch leitfähigen Bereich handeln, beispielsweise eine elektrisch leitfähige metallische Beschichtung, welcher auf den mindestens einen Festelektrolyten aufgebracht werden kann und/oder in anderer Weise den Festelektrolyten kontaktieren kann. Insbesondere kann durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Pumpspannung, an die erste und die zweiten Elektrode Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere hindurch aus dem Gas in den Messhohlraum hinein- oder herausgepumpt werden.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 brown, 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. A solid electrolyte may in particular be a ceramic solid electrolyte, for example zirconium dioxide, in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and / or scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ). The solid electrolyte may preferably be gas-impermeable and / or may ensure ionic transport, for example ionic oxygen transport. In particular, the first and the second electrode can be an electrically conductive region, for example an electrically conductive metallic coating, which can be applied to the at least one solid electrolyte and / or can contact the solid electrolyte in another way. In particular, by applying a voltage, in particular a pumping voltage, to the first and second electrodes, oxygen can be pumped in or out of the gas into the measuring cavity through the diffusion barrier.

Die dritte Elektrode kann als eine von dem Messgasraum getrennt ausgebildete Referenzelektrode ausgestaltet sein. Die dritte Elektrode kann ganz oder zumindest teilweise mit einem Referenzgasraum verbunden sein, beispielsweise fluidisch und/oder über eine Gasverbindung. Unter einem Referenzgasraum kann ein Raum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, welcher mit einem Umgebungsraum, beispielsweise einem Umgebungsraum um eine Brennkraftmaschine, verbunden ist. Insbesondere kann in dem Umgebungsraum Luft sein. Der Referenzgasraum kann insbesondere über den Festelektrolyten mit dem Messhohlraum verbunden sein. Die vierte Elektrode kann als eine Nernst-Elektrode ausgestaltet sein, welche in dem Messhohlraum angeordnet sein kann.The third electrode may be configured as a reference electrode formed separately from the measurement gas space. The third electrode may be wholly or at least partially connected to a reference gas space, for example fluidically and / or via a gas connection. A reference gas space can be understood as a space within the sensor element which is connected to an ambient space, for example an environmental space around an internal combustion engine. In particular, may be in the ambient space air. The reference gas space may in particular be connected to the measuring cavity via the solid electrolyte. The fourth electrode may be configured as a Nernst electrode, which may be arranged in the measuring cavity.

Die vier Elektroden können als separate Elektrode ausgebildet sein, aber beispielsweise auch als kombinierte Elektroden. So kann das Sensorelement beispielsweise auch zwei elektrochemische Zellen mit nur drei Elektroden aufweisen, wobei eine Elektrode die Funktion von zwei der beschriebenen vier Elektroden übernimmt. Beispielsweise kann die Funktion von Pump- und Referenzzelle auch unter Verwendung nur eines Festelektrolyten realisiert sein.The four electrodes may be formed as a separate electrode, but for example as a combined electrode. For example, the sensor element can also have two electrochemical cells with only three electrodes, one electrode assuming the function of two of the four electrodes described. For example, the function of pump and reference cell can also be realized using only a solid electrolyte.

Das Sensorelement kann ein Heizelement aufweisen. 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 Zuleitungen umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau parallel zu den zwei längsten Hauptachsen der 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- oder Palladium-Verbindung hergestellt sein.The sensor element may have a heating element. 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 supply lines. In the context of the present invention, a heating region is to be understood as meaning the region of the heating element which overlaps in the layer structure parallel to the two longest main axes of the 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 or palladium compound.

Der Sensor kann einen Regelkreis aufweisen. Der Regelkreis kann einen Regler aufweisen, beispielsweise einen PI- oder PID-Regler. 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 kann die Regelstrecke, das Regelgerät und eine negativen Rückkopplung des Ist-Werts als Regelgröße aufweisen. Die Regelgröße kann mit dem Soll-Wert als Führungsgröße verglichen werden. Die Regelabweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert kann dem Regelgerät zugeführt werden, das daraus entsprechend der gewünschten Dynamik des Regelkreises eine Stellgröße, auch Steuergröße genannt, 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 Stellgröße wirken soll. Die elektrochemische Einheit des Sensors kann die Regelstrecke sein. Beispielsweise kann zwischen den Elektroden der zweiten elektrochemischen Zelle eine Spannung, insbesondere eine Nernst-Spannung, gemessen werden. Die gemessene Spannung kann mit einem Sollwert der Spannung verglichen werden. Durch Einstellen eines Pumpstroms zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kann die gemessene Spannung auf einen Sollwert geregelt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, zweite Auflage 2012, Seiten 160-165 bekannt. Der zur Regelung benötigte Pumpstrom kann proportional zum Anteil der Gaskomponente im Gas sein.The sensor can have a control loop. The control loop may have a regulator, for example a PI or PID controller. 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 can have the controlled system, the control device and a negative feedback of the actual value as a controlled variable. The controlled variable can be compared with the setpoint value as a reference variable. The control deviation between the actual value and the desired value can be supplied to the control device, which forms a control variable, also called 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 manipulated variable. The electrochemical unit of the sensor may be the controlled system. For example, a voltage, in particular a Nernst voltage, can be measured between the electrodes of the second electrochemical cell. The measured voltage can be compared with a voltage reference. By adjusting a pumping current between the first electrode and the second electrode, the measured voltage can be regulated to a desired value. Such a method is known for example from Konrad Reif (ed.) "Sensors in the motor vehicle", second edition 2012, pages 160-165. The pumping current required for control can be proportional to the proportion of the gas component in the gas.

Die Führungsgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Referenzspannung, beispielsweise einer Soll-Nernst-Spannung, insbesondere einer Nernst-Spannungsvorgabe; einem Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle; einem Referenzstrom, insbesondere einem Referenzpumpstrom. Die Regelgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Ist-Spannung an der zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere einem Maß für den an der zweiten elektrochemischen Zelle vorliegenden Sauerstoffpartialdruck; einem Ist-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere einem Maß für die Temperatur der zweiten elektrochemischen Zelle. Die Stellgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Pumpspannung, einem Pumpstrom, Heizerleistung. Unter dem Ausdruck „erfasst werden eines Messwertes“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Regelgröße und/oder die Stellgröße beispielsweise als Messsignal von dem Sensorelement ausgegeben wird und/oder die Regelgröße und/oder die Stellgröße von einem Steuergerät verarbeitet und/oder ausgewertet und/oder gespeichert wird.The reference variable may be at least one variable selected from the group consisting of: a reference voltage, for example a nominal Nernst voltage, in particular a Nernst voltage specification; a desired internal resistance of the second electrochemical cell; a reference current, in particular a reference pump current. The controlled variable may be at least one selected from the group consisting of: an actual voltage across the second electrochemical cell, in particular a measure of the oxygen partial pressure present at the second electrochemical cell; an actual internal resistance of the second electrochemical cell, in particular a measure of the temperature of the second electrochemical cell. The manipulated variable may be at least one size selected from the group consisting of: a pump voltage, a pump current, heater power. For the purposes of the present invention, the expression "acquiring a measured value" means that the controlled variable and / or the manipulated variable are output, for example, as a measuring signal from the sensor element and / or the controlled variable and / or the manipulated variable are processed by a control device and / or evaluated and / or stored.

Die Führungsgröße kann der Pumpstrom der Stellgröße sein. Beispielsweise kann die Spannung an der zweiten elektrochemischen Zelle des Sensorelements die Regelgröße sein. Die Führungsgröße kann eine Referenzspannung und/oder ein Referenzstrom sein, beispielsweise eine Nernst-Spannungsvorgabe. Die zugehörige Stellgröße kann die Pumpspannung der ersten elektrochemischen Zelle sein. The reference variable may be the pumping current of the manipulated variable. For example, the voltage across the second electrochemical cell of the sensor element may be the controlled variable. The reference variable may be a reference voltage and / or a reference current, for example a Nernst voltage specification. The associated manipulated variable may be the pumping voltage of the first electrochemical cell.

Beispielsweise kann, bei einer Temperaturregelung des Sensors, der Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle die Regelgröße sein. Führungsgröße kann ein Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle sein, Die zugehörige Stellgröße kann die Heizerleistung sein.For example, with a temperature control of the sensor, the internal resistance of the second electrochemical cell may be the controlled variable. Command variable may be a desired internal resistance of the second electrochemical cell, The associated manipulated variable may be the heater power.

Unter einer Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder einer Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße kann eine Wiederholungsmessung für jeden eingestellten Diagnosewert verstanden werden. Die Vielzahl kann dabei 5, 10, 20 und mehr Messungen umfassen.A plurality of measured values of a controlled variable for controlling the component and / or a multiplicity of measured values of a manipulated variable can be understood as a repetition measurement for each set diagnostic value. The plurality may include 5, 10, 20 and more measurements.

Unter einem Diagnosewert kann grundsätzlich ein Wert der Führungsgröße verstanden werden, welcher vorgegeben und/oder vorgebbar ist, beispielsweise von einer Steuerung des Sensors. Der Diagnosewert kann ein von einem Sollwert abweichender Wert sein. Beispielsweise kann der Diagnosewert eine Verstimmung oder Variation der Führungsgröße sein. Beispielsweise kann die Führungsgröße die Soll-Nernst-Spannung sein. In einem Normalbetrieb des Sensors kann die Führungsgröße eine Nernst-Spannung von 425 mV sein. In Verfahrensschritt a) kann die Führungsgröße in einem Bereich um den eigentlichen Betriebspunkt variiert werden, beispielsweise 425mV ± 50 % oder 300 Ohm ± 25 %. Insbesondere sind auch asymmetrische Variationsbereiche möglich, beispielsweise einem Bereich von 50 mV bis 450 mV (180 Ohm bis 340 Ohm) bei einem Betriebspunkt von 425mV (280 Ohm) von 50 mV bis 450 mV variiert werden. Unter Einstellen eines Diagnosewertes kann eines oder mehreres von Festlegen, Vorgeben, Bestimmen, Verändern des Diagnosewertes verstanden werden. In Schritt a) des Verfahrens kann eine Vielzahl von Diagnosewerten eingestellt werden, beispielsweise vier Diagnosewerte, fünf Diagnosewerte oder auch mehr Diagnosewerte. Die Diagnosewerte, auch Stützstellen genannt, können nacheinander eingestellt werden. Die Diagnosewerte können kontinuierlich eingestellt werden. Beispielsweise können die Diagnosewerte kontinuierlich erhöht oder herabgesetzt werden, beispielsweise gemäß einer Rampenfunktion, insbesondere einer Spannungsrampe. Die Anzahl der Diagnosewerte kann von einer vorgegebenen oder vorgebbaren Verfahrensdauer abhängig sein. An jedem der Diagnosewerte kann eine Erfassung einer Vielzahl von Messwerten der Regelgröße und/oder der Stellgröße erfolgen. Beispielsweise können für fünf Diagnosewerte jeweils 20 Messpunkte erfasst werden. Eine Messzeit für jeden der Messpunkte kann 250 ms sein. Eine Gesamtdauer des Verfahrens kann unter Berücksichtigung von Rechen- und Einschwingzeiten zwischen 20 Sekunden und 1 Minute liegen, insbesondere kann das Verfahren etwa 30 Sekunden dauern.In principle, a diagnostic value can be understood as meaning a value of the reference variable which is predetermined and / or predefinable, for example by a controller of the sensor. The diagnostic value can be a value deviating from a setpoint. For example, the diagnostic value may be a detuning or variation of the reference variable. For example, the reference variable may be the nominal Nernst voltage. In normal operation of the sensor, the reference variable may be a Nernst voltage of 425 mV. In method step a), the reference variable can be varied within a range around the actual operating point, for example 425 mV ± 50% or 300 ohm ± 25%. In particular, asymmetric variation ranges are also possible, for example ranging from 50 mV to 450 mV (180 ohms to 340 ohms) at an operating point of 425 mV (280 ohms) from 50 mV to 450 mV. By setting a diagnostic value, one or more of defining, predetermining, determining, changing the diagnostic value can be understood. In step a) of the method, a plurality of diagnostic values can be set, for example four diagnostic values, five diagnostic values or even more diagnostic values. The diagnostic values, also called interpolation points, can be set one after the other. The diagnostic values can be set continuously. For example, the diagnostic values can be continuously increased or decreased, for example according to a ramp function, in particular a voltage ramp. The number of diagnostic values may depend on a predetermined or predefinable method duration. At each of the diagnostic values, a detection of a plurality of measured values of the controlled variable and / or the manipulated variable can take place. For example, 20 measurement points can be acquired for each of five diagnostic values. A measuring time for each of the measuring points can be 250 ms. Taking into account calculation and settling times, a total duration of the method can be between 20 seconds and 1 minute; in particular, the method can take about 30 seconds.

Die Diagnosewerte können derart eingestellt werden, dass eine Anzahl von Diagnosewerten in einem ersten Phasenbereich der Regelgröße, in welchem eine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, und eine Anzahl von Diagnosewerten in einem zweiten Phasenbereich, in welchem keine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, liegt. Die Anzahl der Diagnosewerte in dem jeweiligen Phasenbereich kann vorgebbar und/oder vorgegeben sein. Unter einer stabilen Regelung kann verstanden werden, dass eine Streuung der Regelgröße innerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwertes liegen. Eine Breite des ersten Phasenbereichs, auch Phasenreserve genannt, kann abhängig von dem Alter und/oder Schädigung der zu regelnden Komponente des Sensors sein. Durch eine Alterung und/oder Schädigung kann die Phasenreserve des Sensors verändert, insbesondere limitiert werden, und bei grenzlagiger Führungsgröße eine Neigung zu einer instabilen Regelung erhöht werden. Regelparameter eines neuen Sensors erlauben eine stabile und möglichst schnelle Regelung über einen breiten ersten Phasenbereich. Für Neusensoren können die Regelparameter für den Normalbetrieb mittellagig, beispielsweise eine Nernst-Spannung zwischen 200 und 400 mV, gewählt werden. Bei einem gealterten oder geschädigten Sensor kann der erste Phasenbereich, in dem eine stabile Regelung möglich ist, kleiner sein und eine Regelung abseits eines Standardsollwertes der Führungsgröße nicht mehr möglich sein. Für stark gealterte Sensoren können die Signale selbst bei normalem Betrieb eine Schwingung und erhöhte Streuung aufweisen.The diagnostic values may be set such that a number of diagnostic values are possible in a first phase range of the controlled variable in which a stable control to the reference variable and a number of diagnostic values in a second phase range in which no stable control of the reference variable is possible , lies. The number of diagnostic values in the respective phase range can be predefinable and / or predefined. A stable regulation can be understood to mean that a scatter of the controlled variable is within a predefined or predefinable limit value. A width of the first phase region, also called phase reserve, may be dependent on the age and / or damage of the component of the sensor to be controlled. By aging and / or damage, the phase margin of the sensor can be changed, in particular limited, and at grenzlagiger reference variable, a tendency to an unstable control can be increased. Control parameters of a new sensor allow stable and fast control over a wide first phase range. For new sensors, the control parameters for normal operation can be selected medium-level, for example a Nernst voltage between 200 and 400 mV. In the case of an aged or damaged sensor, the first phase range in which stable regulation is possible can be smaller and control beyond a standard nominal value of the reference variable can no longer be possible. For heavily aged sensors, the signals may exhibit vibration and increased dispersion even during normal operation.

Unter einer charakteristischen Größe kann ein Maß für die Streuung der Regelgröße und/oder der Stellgröße verstanden werden. Die charakteristische Größe kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Standardabweichung, insbesondere einer Standardabweichung in einem Zeitraum; einem anderem Maß für die Schwingungsanfälligkeit, insbesondere Spannweite, Quantilsabstand; Verschiebung eines charakteristischen Mittelwerts (asymmetrische Instabilität), Frequenzanalyse der Schwingung, insbesondere Bestimmung einer charakteristischen Frequenz. Unter Bestimmen einer charakteristischen Größe kann ein Auswerten und/oder ein Berechnen aus der erfassten Regelgröße und/oder Stellgröße verstanden werden. Das Bestimmen kann ein Aufsummieren der erfassten Regelgröße und/oder Stellgröße für jeden der Diagnosewerte und/oder ein Bilden eines Mittelwerts der erfassten Regelgröße und/oder Stellgröße für jeden der Diagnosewerte umfassen. Insbesondere kann das Bestimmen ein Bestimmen einer Standardabweichung umfassen.A characteristic variable can be understood as a measure of the scattering of the controlled variable and / or the manipulated variable. The characteristic quantity may be at least one size selected from the group consisting of: a standard deviation, in particular a standard deviation in a period of time; another measure of susceptibility to vibration, in particular span, quantile spacing; Displacement of a characteristic mean (asymmetric instability), frequency analysis of the vibration, in particular determination of a characteristic frequency. By determining a characteristic variable, an evaluation and / or a calculation from the detected controlled variable and / or manipulated variable can be understood. The determining may be an adding up of the detected controlled variable and / or manipulated variable for each of the diagnostic values and / or forming a Mean value of the detected controlled variable and / or manipulated variable for each of the diagnostic values. In particular, the determining may include determining a standard deviation.

Der Vergleich der charakteristischen Größe für die Streuung mit dem Diagnosegrenzwert kann ein Bestimmen einer Differenz und/oder einer Abweichung der charakteristischen Größe und des Diagnosegrenzwertes umfassen. Der Diagnosegrenzwert kann ein vorgegebener oder vorgebbarer Sollwert für die charakteristische Größe sein, beispielsweise ein Sollwert der Standardabweichung der erfassten Regelgröße und/oder Stellgröße. The comparison of the characteristic magnitude for the spread with the diagnostic threshold may include determining a difference and / or a deviation of the characteristic quantity and the diagnostic threshold. The diagnostic limit value may be a predetermined or predefinable setpoint value for the characteristic variable, for example a nominal value of the standard deviation of the detected controlled variable and / or manipulated variable.

Beispielsweise kann bei einer Vielzahl von Diagnosewerten eine lineare Interpolation zwischen der für jeden der Diagnosewerte bestimmten charakteristischen Größe erfolgen. Der Kurvenverlauf kann mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren, beispielsweise in der Steuerung hinterlegten, Kurvenverlauf verglichen werden. Aus dem Kurvenverlauf kann ein Grenzpunkt oder Grenzbereich für eine stabile Regelung bestimmt werden. Für Diagnosewerte in einem Grenzbereich zwischen dem ersten Phasenbereich und dem zweiten Phasenbereich und für Diagnosewerte in dem zweiten Phasenbereich kann ein Anstieg der Streuung der erfassten Regelgröße und/oder der erfassten Stellgröße beobachtet werden. Ursache der stärkeren Streuung des gealterten Sensors kann die Oszillationen im Regelsignal sein. Der Regler beginnt zu Schwingen. Die Phasenreserve kann mit Alterung oder Schädigung des Sensors und/oder der Regelzelle limiert werden, so dass der Punkt oder Bereich, in dem der Sensorregler zu schwingen beginnt, ein Maß für dessen Alterung oder Schädigung sein kann.For example, in the case of a plurality of diagnostic values, a linear interpolation can take place between the characteristic variable determined for each of the diagnostic values. The curve can be compared with a predetermined or predefinable, stored for example in the control, waveform. From the curve, a limit point or limit range for a stable control can be determined. For diagnostic values in a border region between the first phase region and the second phase region and for diagnostic values in the second phase region, an increase in the scatter of the detected controlled variable and / or the detected correcting variable can be observed. The cause of the greater dispersion of the aged sensor may be the oscillations in the control signal. The controller starts to oscillate. The phase margin may be limited with aging or damage to the sensor and / or the control cell, such that the point or range in which the sensor regulator begins to oscillate may be a measure of its aging or damage.

Das Verfahren kann einen Ausgabeschritt umfassen, bei welchem ein Ergebnis des Vergleichs ausgegeben wird, beispielweise ein Einhalten des Diagnosegrenzwertes oder ein Über- oder Unterschreiten des Diagnosegrenzwertes. Bei einem Überschreiten des Diagnosegrenzwertes kann eine Warnung, beispielsweise eine Fehlermeldung und/oder ein akustisches Signal, ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Ergebnis in der Steuerung, beispielsweise in einem Datenspeicher der Steuerung, hinterlegt werden.The method may include an output step in which a result of the comparison is output, for example a compliance with the diagnostic limit value or an exceeding or undershooting of the diagnostic limit value. If the diagnostic limit value is exceeded, a warning, for example an error message and / or an acoustic signal, can be output. Alternatively or additionally, the result can be stored in the controller, for example in a data memory of the controller.

Aus dem Vergleich der charakteristischen Größe mit dem Diagnosewert kann ein Prädiktor für einen Ausfall und/oder Ausfallzeitpunkt bestimmt werden. So kann ein Ausfall außerhalb von regulären Wartungsintervallen vermieden werden. Für die Vorhersage kann ein zeitlicher Verlauf der Ergebnisse des Vergleichs, insbesondere einer zeitlichen Änderung, mit einem Resultat für einen sicheren Ausfall des Reglers verglichen werden und damit eine Vorhersage für den wahrscheinlichen Ausfall getroffen werden.From the comparison of the characteristic quantity with the diagnosis value, a predictor for a failure and / or a failure time can be determined. This helps to avoid a failure outside regular maintenance intervals. For the prediction, a time profile of the results of the comparison, in particular of a change over time, can be compared with a result for a reliable failure of the controller and thus a prediction for the probable failure can be made.

In einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist. In einem weiteren Aspekt wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst. Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, mindestens einen Diagnosewert einer Führungsgröße zur Regelung mindestens einer Komponente eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum einzustellen. Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, eine Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder eine Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert zu erfassen. Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, mindestens eine charakteristische Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße zu bestimmen. Das elektronische Steuergerät ist eingerichtet, einen Zustand der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert zu bestimmen. Hinsichtlich der Definitionen und Ausführungsformen wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.In a further aspect, a computer program is proposed which is set up to carry out each step of the method according to the invention. Furthermore, an electronic storage medium is proposed, on which a computer program for carrying out the method according to the invention is stored. In a further aspect, an electronic control unit is proposed which comprises the electronic storage medium according to the invention with the said computer program for carrying out the method according to the invention. The electronic control unit is set up to set at least one diagnosis value of a reference variable for controlling at least one component of a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space. The electronic control unit is set up to detect a plurality of measured values of a controlled variable for controlling the component and / or a plurality of measured values of a manipulated variable for controlling the component at different times for the diagnostic value. The electronic control unit is set up to determine at least one characteristic variable for a scattering of the multiplicity of measured values of the controlled variable and / or a scattering of the multiplicity of measured values of the manipulated variable as a function of the reference variable. The electronic control unit is configured to determine a state of the component from a comparison of the characteristic quantity with a diagnosis limit value. With regard to the definitions and embodiments, reference is made to the description of the method according to the invention.

In einem weiteren Aspekt wird ein 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 vorgeschlagen. Der Sensor weist ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement weist mindestens eine erste elektrochemische Zelle auf. Die erste elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine erste Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Das Sensorelement weist weiter mindestens eine zweite elektrochemische Zelle auf. Die zweite elektrochemische Zelle umfasst mindestens eine dritte Elektrode. Der Sensor weist weiterhin ein elektronisches Steuergerät mit dem erfindungsgemäßen Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf. Hinsichtlich der Definitionen und Ausführungsformen wird auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.In a further aspect, 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 is proposed. The sensor has a sensor element for detecting the property of the measurement gas. The sensor element has at least one first electrochemical cell. The first electrochemical cell comprises at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. The sensor element furthermore has at least one second electrochemical cell. The second electrochemical cell comprises at least a third electrode. The sensor further has an electronic control unit with the computer program according to the invention for carrying out the method according to the invention. With regard to the definitions and embodiments, reference is made to the description of the method according to the invention.

Die vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen sind vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen. Eine On-Board-Diagnose zur Alterungsbestimmung der an der Regelung beteiligten elektrochemischen Zellen des Abgassensors kann ermöglicht werden, für alle geregelten Sensoren mit einer Regelung, beispielsweise einer PI- oder PID-Regelung. So können im Betrieb geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden, ein Ausfall während des Betriebs vermieden werden und Standzeiten minimiert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine vereinfachte und schnelle Funktionsbestimmung des Sensors im Vergleich zu bekannten Verfahren. The proposed methods and devices are advantageous over known methods and devices. An on-board diagnosis for determining the aging of the electrochemical cells of the exhaust gas sensor involved in the control can be made possible for all controlled sensors with a control, for example a PI or PID control. In this way, suitable countermeasures can be taken during operation, a failure during operation can be avoided and downtimes can be minimized. The method according to the invention enables a simplified and rapid function determination of the sensor in comparison to known methods.

Figurenlistelist of figures

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:

1 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors,
2 eine schematische Darstellung eines ersten und zweiten Phasenbereichs,
3A und 3B eine schematische Darstellung einer Änderung der Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte für drei Zustände des Sensors (3A) und eine schematische Darstellung einer numerischen Implementierung anhand von Stützstellen (3B), und
4A bis C schematische Darstellungen eines Einflusses einer Variation der Führungsgröße auf ein NO-Signal, ein Sauerstoff-Signal, und die Regelgröße für drei Zustände des Sensors.

Show it:

1 a schematic structure of a sensor according to the invention,
2 a schematic representation of a first and second phase region,
3A and 3B a schematic representation of a change in the standard deviation of the scattering as a function of the diagnostic values for three states of the sensor ( 3A ) and a schematic representation of a numerical implementation based on interpolation points ( 3B ), and
4A to C schematic representations of an influence of a variation of the reference variable on an NO signal, an oxygen signal, and the control variable for three states of the sensor.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 110. Der in 1 dargestellte Sensor 110 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases in einem Messgasraum 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. Wie in 1 schematisch dargestellt, kann das Abgas in den Sensor strömen, gekennzeichnet mit Richtungspfeil 112. 1 shows a basic structure of a sensor according to the invention 110 , The in 1 illustrated sensor 110 can be used to detect physical and / or chemical properties of a sample gas in a sample gas space, 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. As in 1 shown schematically, the exhaust gas can flow into the sensor, marked with directional arrow 112 ,

Der Sensor 110 weist ein Sensorelement 114 auf. Das Sensorelement 114 kann als keramischer Schichtaufbau ausgebildet sein, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. In der in 1 gezeigten Ausführungsform weist das Sensorelement 114 einen Festelektrolyten 116, eine erste Elektrode 118, eine zweite Elektrode 120, eine dritte Elektrode 122 und eine vierte Elektrode 124 auf. Der Festelektrolyt 116 kann aus mehreren keramischen Schichten in Form von Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Beispielsweise umfasst der Festelektrolyt 116 eine Pumpfolie oder Pumpschicht, eine Zwischenfolie oder Zwischenschicht und eine Heizfolie bzw. Heizschicht, die übereinander bzw. untereinander angeordnet sind. Das Sensorelement 110 kann einen Gaszutrittsweg aufweisen. Der Gaszutrittsweg kann ein Gaszutrittsloch aufweisen, das sich von einer Oberfläche des Festelektrolyten 116 ins Innere des Schichtaufbaus des Sensorelements 114 erstreckt.The sensor 110 has a sensor element 114 on. The sensor element 114 may be formed as a ceramic layer structure, as described in more detail below. In the in 1 embodiment shown, the sensor element 114 a solid electrolyte 116 , a first electrode 118 , a second electrode 120 , a third electrode 122 and a fourth electrode 124 on. The solid electrolyte 116 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 116 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 sensor element 110 may have a Gaszufrittsweg. The gas access path may include a gas access hole extending from a surface of the solid electrolyte 116 inside the layer structure of the sensor element 114 extends.

Die erste Elektrode 118 kann auf der Oberfläche des Festelektrolyten 116 angeordnet sein. Die erste Elektrode118 kann mit Gas aus dem Messgasraum 126 beaufschlagbar sein. Insbesondere kann die erste Elektrode zumindest teilweise mit dem Messgasraum verbunden sein, beispielsweise kann die erste Elektrode direkt dem Gas des Messgasraums 126 ausgesetzt sein und/oder durch eine gasdurchlässige poröse Schutzschicht mit Gas aus dem Messgasraum126 beaufschlagbar sein. Beispielsweise kann die erste Elektrode 118 als eine äußere Pumpelektrode ausgestaltet sein.The first electrode 118 can on the surface of the solid electrolyte 116 be arranged. The first electrode 118 can with gas from the sample gas space 126 be acted upon. In particular, the first electrode may be at least partially connected to the measurement gas space, for example, the first electrode directly to the gas of the sample gas space 126 be exposed and / or by a gas-permeable porous protective layer with gas from the sample gas space 126 be acted upon. For example, the first electrode 118 be designed as an outer pumping electrode.

Die zweite Elektrode 120 kann in mindestens einem Messhohlraum 128 angeordnet sein. Beispielsweise kann die zweite Elektrode 120 als eine innere Pumpelektrode ausgestaltet sein. Der Messhohlraum 128 kann ganz oder teilweise offen ausgestaltet sein. Weiter kann der Messhohlraum 128 ganz oder teilweise gefüllt sein, beispielsweise mit einem porösen Medium, beispielsweise mit porösem Aluminiumoxid. Der Messhohlraum 128 kann über mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum 126 beaufschlagbar sein.The second electrode 120 can in at least one measuring cavity 128 be arranged. For example, the second electrode 120 be designed as an inner pumping electrode. The measuring cavity 128 can be designed completely or partially open. Next, the measuring cavity 128 be completely or partially filled, for example with a porous medium, for example with porous alumina. The measuring cavity 128 can via at least one diffusion barrier with gas from the sample gas space 126 be acted upon.

Die erste Elektrode 118 und die zweite Elektrode 120 sind über den mindestens einen Festelektrolyten 116 verbunden und bilden eine erste elektrochemische Zelle 130, insbesondere eine Pumpzelle. Durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Pumpspannung, an die erste Elektrode 118 und die zweite Elektrode120 kann Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere hindurch aus dem Gas in den Messhohlraum 128 hinein- oder herausgepumpt werden. The first electrode 118 and the second electrode 120 are above the at least one solid electrolyte 116 connected and form a first electrochemical cell 130 , in particular a pumping cell. By applying a voltage, in particular a pumping voltage, to the first electrode 118 and the second electrode 120 Oxygen can pass through the diffusion barrier from the gas into the measurement cavity 128 be pumped in or out.

Die dritte Elektrode 122 kann als eine von dem Messgasraum 126 getrennt ausgebildete Referenzelektrode ausgestaltet sein. Die dritte Elektrode 122 kann zumindest teilweise mit einem Referenzgasraum 132 verbunden sein, beispielsweise fluidisch und/oder über eine Gasverbindung. Der Referenzgasraum 132 kann insbesondere über den Festelektrolyten 116 mit dem Messhohlraum 128 verbunden sein. Die vierte Elektrode 124 kann als eine Nernst-Elektrode ausgestaltet sein, welche in dem Messhohlraum 128 angeordnet sein kann. Die dritte Elektrode 122 und die vierte Elektrode 124 können über den mindestens einen Festelektrolyten 116 verbunden sein und bilden eine zweite elektrochemische Zelle 134, insbesondere eine Nernstzelle. The third electrode 122 can as one of the sample gas space 126 be formed separately formed reference electrode. The third electrode 122 can be at least partially with a reference gas space 132 be connected, for example, fluidly and / or via a gas connection. The reference gas space 132 can in particular on the solid electrolyte 116 with the measuring cavity 128 be connected. The fourth electrode 124 can be configured as a Nernst electrode, which in the measuring cavity 128 can be arranged. The third electrode 122 and the fourth electrode 124 can over the at least one solid electrolyte 116 be connected and form a second electrochemical cell 134 , in particular a Nernst cell.

Mittels der ersten elektrochemischen Zelle 130 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die erste elektrochemische Zelle 130 derart eingestellt werden, dass in dem Messhohlraum 128 die Bedingung λ (Lambda) = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der zweiten elektrochemischen Zelle 134 erfasst, indem eine Spannung V_N zwischen der dritten Elektrode 122 und der vierten Elektrode 124 gemessen wird. Da in dem Referenzgasraum 132 eine bekannte Gaszusammensetzung vorliegt bzw. diese einem Sauerstoffüberschuss ausgesetzt ist, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Messhohlraum 128 geschlossen werden.By means of the first electrochemical cell 130 For example, a pumping current through the first electrochemical cell 130 be adjusted so that in the measuring cavity 128 the condition λ (lambda) = 1 or another known composition prevails. This composition in turn is from the second electrochemical cell 134 detected by a voltage V _N between the third electrode 122 and the fourth electrode 124 is measured. As in the reference gas space 132 a known gas composition is or is exposed to an excess of oxygen, based on the measured voltage on the composition in the measuring cavity 128 getting closed.

Weiter kann das Sensorelement 114 eine NOx-Messzelle 136 aufweisen, welche von eine über den Festelektrolyt verbundenen fünften Elektrode 138, welche in einem zweiten Messhohlraum angeordnet ist, und sechsten Elektrode 140, welche in dem Referenzgasraum 132 angeordnet ist, gebildet wird. Das Sensorelement 114 kann somit drei Elektrodenpaare umfassen, das Elektrodenpaar der ersten elektrochemischen Zelle 130, das Elektrodenpaar der zweiten elektrochemischen Zelle 134 und das Elektrodenpaar der NOx-Messzelle 136.Next, the sensor element 114 a NOx measuring cell 136 which of a connected via the solid electrolyte fifth electrode 138 , which is arranged in a second measuring cavity, and sixth electrode 140 , which in the reference gas space 132 is arranged is formed. The sensor element 114 may thus comprise three electrode pairs, the electrode pair of the first electrochemical cell 130 , the electrode pair of the second electrochemical cell 134 and the electrode pair of the NOx measuring cell 136.

Der Sensor 110 kann einen Regelkreis aufweisen. Der Regelkreis kann einen Regler aufweisen, beispielsweise einen PI- oder PID-Regler. Der Regelkreis kann eine Regelstrecke, ein Regelgerät und eine negative Rückkopplung des Ist-Werts als Regelgröße aufweisen. Die Regelgröße kann mit dem Soll-Wert als Führungsgröße verglichen werden. Die Regelabweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert kann dem Regelgerät zugeführt werden, das daraus entsprechend der gewünschten Dynamik des Regelkreises eine Stellgröße, auch Steuergröße genannt, für die Regelstrecke bildet. Die elektrochemische Einheit des Sensors 114 kann die Regelstrecke sein. Beispielsweise kann zwischen der vierten Elektrode 124 und der dritten Elektrode 122 eine Spannung, insbesondere eine Nernst-Spannung, gemessen werden. Die gemessene Nernst-Spannung kann mit einem Sollwert der Nernst-Spannung verglichen werden. Durch Einstellen eines Pumpstroms zwischen der ersten Elektrode 118 und der zweiten Elektrode 120 kann die gemessene Nernst-Spannung auf den Sollwert der Nernst-Spannung geregelt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, zweite Auflage 2012, Seiten 160-165 bekannt. Der zur Regelung benötigte Pumpstrom kann proportional zum Anteil der Gaskomponente im Gas sein.The sensor 110 can have a control loop. The control loop may have a regulator, for example a PI or PID controller. The control loop may have a controlled system, a control device and a negative feedback of the actual value as a controlled variable. The controlled variable can be compared with the setpoint value as a reference variable. The control deviation between the actual value and the desired value can be supplied to the control device, which forms a control variable, also called control variable, for the controlled system in accordance with the desired dynamics of the control loop. The electrochemical unit of the sensor 114 can be the controlled system. For example, between the fourth electrode 124 and the third electrode 122 a voltage, in particular a Nernst voltage, are measured. The measured Nernst voltage can be compared with a nominal value of the Nernst voltage. By adjusting a pumping current between the first electrode 118 and the second electrode 120 The measured Nernst voltage can be regulated to the nominal value of the Nernst voltage. Such a method is for example from Konrad Reif (ed.) "Sensors in the motor vehicle", second edition 2012, pages 160 - 165 known. The pumping current required for control can be proportional to the proportion of the gas component in the gas.

Der Sensor 110 umfasst ein elektronisches Steuergerät 142, welches eingerichtet ist, mindestens einen Diagnosewert einer Führungsgröße zur Regelung mindestens einer Komponente eines Sensors 114 einzustellen. Das elektronische Steuergerät 142 ist eingerichtet, eine Vielzahl von Messwerten einer Regelgröße zur Regelung der Komponente und/oder eine Vielzahl von Messwerten einer Stellgröße zur Regelung der Komponente zu verschiedenen Zeitpunkten für den Diagnosewert zu erfassen. Das elektronische Steuergerät 142 ist eingerichtet, mindestens eine charakteristische Größe für eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Regelgröße und/oder eine Streuung der Vielzahl der Messwerte der Stellgröße als Funktion der Führungsgröße zu bestimmen. Das elektronische Steuergerät 142 ist eingerichtet, einen Zustand der Komponente aus einem Vergleich der charakteristischen Größe mit einem Diagnosegrenzwert zu bestimmen.The sensor 110 includes an electronic control unit 142 , which is set up, at least one diagnostic value of a reference variable for controlling at least one component of a sensor 114 adjust. The electronic control unit 142 is configured to detect a plurality of measured values of a controlled variable for controlling the component and / or a plurality of measured values of a manipulated variable for controlling the component at different times for the diagnostic value. The electronic control unit 142 is set up to determine at least one characteristic variable for a scattering of the plurality of measured values of the controlled variable and / or a scattering of the plurality of measured values of the manipulated variable as a function of the reference variable. The electronic control unit 142 is arranged to determine a state of the component from a comparison of the characteristic quantity with a diagnostic limit value.

Die Führungsgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Referenzspannung, beispielsweise einer Soll-Nernst-Spannung, insbesondere einer Nernst-Spannungsvorgabe; einem Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle; einem Referenzstrom, insbesondere einem Referenzpumpstrom. Die Regelgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Ist-Spannung an der zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere einem Maß für den an der zweiten elektrochemischen Zelle vorliegenden Sauerstoffpartialdruck; einem Ist-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle, insbesondere einem Maß für die Temperatur der zweiten elektrochemischen Zelle. Die Stellgröße kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Pumpspannung, einem Pumpstrom, Heizerleistung. Beispielsweise kann die Nernst-Spannung an der zweiten elektrochemischen Zelle 134 die Regelgröße sein. Die Führungsgröße kann eine Nernst-Spannungsvorgabe sein. Beispielsweise kann die Führungsgröße im Normalbetrieb des Sensors 425 mV sein. Die zugehörige Stellgröße kann die Pumpspannung der ersten elektrochemischen Zelle 130 sein. Beispielsweise kann, bei einer Temperaturregelung des Sensors 114, der Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle 134 die Regelgröße sein. Führungsgröße kann ein Soll-Innenwiderstand der zweiten elektrochemischen Zelle 134 sein, welcher beispielsweise in einem Normalbetrieb im Bereich von 230 Ω liegt. Die zugehörige Stellgröße kann die Heizerleistung sein.The reference variable may be at least one variable selected from the group consisting of: a reference voltage, for example a nominal Nernst voltage, in particular a Nernst voltage specification; a desired internal resistance of the second electrochemical cell; a reference current, in particular a reference pump current. The controlled variable may be at least one selected from the group consisting of: an actual voltage across the second electrochemical cell, in particular a measure of the oxygen partial pressure present at the second electrochemical cell; an actual internal resistance of the second electrochemical cell, in particular a measure of the temperature of the second electrochemical cell. The manipulated variable may be at least one size selected from the group consisting of: a pump voltage, a pump current, heater power. For example, the Nernst voltage at the second electrochemical cell 134 be the controlled variable. The reference variable can be a Nernst voltage specification. For example, in normal operation of the sensor, the reference variable may be 425 mV. The associated manipulated variable can be the pumping voltage of the first electrochemical cell 130 be. For example, at a temperature control of the sensor 114 , the internal resistance of the second electrochemical cell 134 be the controlled variable. Reference variable may be a desired internal resistance of the second electrochemical cell 134 which is, for example, in a normal operation in the range of 230 Ω. The associated manipulated variable can be the heater output.

Die Diagnosewerte können derart eingestellt werden, dass eine Anzahl von Diagnosewerten in einem ersten Phasenbereich 144 der Regelgröße, in welchem eine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, und eine Anzahl von Diagnosewerten in einem zweiten Phasenbereich 146, in welchem keine stabile Regelung auf die Führungsgröße möglich ist, liegt. Die Anzahl der Diagnosewerte in dem jeweiligen Phasenbereich kann vorgebbar und/oder vorgegeben sein. Bei einer stabilen Regelung kann eine Streuung der Regelgröße innerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Grenzwertes liegen. 2 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Phasenbereichs 144 und des zweiten Phasenbereichs 146 als Funktion der Regelgröße V_Reg.The diagnostic values may be set such that a number of diagnostic values are in a first phase range 144 the controlled variable, in which a stable control on the reference variable is possible, and a number of diagnostic values in a second phase range 146 , in which no stable regulation on the reference variable is possible. The number of diagnostic values in the respective phase range can be predefinable and / or predefined. With a stable control, a scatter of the controlled variable can be within a predetermined or predefinable limit value. 2 shows a schematic representation of the first phase range 144 and the second phase range 146 as a function of the controlled variable V _Reg .

Eine Breite des ersten Phasenbereichs 144 kann abhängig von dem Alter und/oder Schädigung der zu regelnden Komponente des Sensors 114 sein. Durch eine Alterung und/oder Schädigung kann die Phasenreserve verändert, insbesondere limitiert werden, und bei grenzlagiger Führungsgröße eine Neigung zu einer instabilen Regelung erhöht werden. Regelparameter eines neuen Sensors erlauben eine stabile und möglichst schnelle Regelung über einen breiten ersten Bereich. Für Neusensoren können die Regelparameter für den Normalbetrieb mittellagig, beispielsweise eine Nernst-Spannung zwischen 200 und 400 mV, gewählt werden. Beispielsweise kann ein Arbeitspunkt W_P in der Mitte des ersten Phasenbereichs 144 gewählt werden. Bei einem gealterten oder geschädigten Sensor kann der erste Bereich, in dem eine stabile Regelung möglich ist, kleiner sein und eine Regelung abseits eines Standardsollwertes der Führungsgröße nicht mehr möglich sein. Für stark gealterte Sensoren können die Signale selbst bei normalem Betrieb eine Schwingung und erhöhte Streuung aufweisen.A width of the first phase range 144 may depend on the age and / or damage of the component of the sensor to be controlled 114 be. By aging and / or damage, the phase margin can be changed, in particular limited, and at grenzlagiger reference variable, a tendency to an unstable control can be increased. Control parameters of a new sensor allow a stable and fast control over a wide first range. For new sensors, the control parameters for normal operation can be selected medium-level, for example a Nernst voltage between 200 and 400 mV. For example, an operating point W _{P may be} in the middle of the first phase range 144 to get voted. In the case of an aged or damaged sensor, the first region in which stable regulation is possible can be smaller and control beyond a standard nominal value of the reference variable can no longer be possible. For heavily aged sensors, the signals may exhibit vibration and increased dispersion even during normal operation.

Das elektronische Steuergerät 142 kann eingerichtet sein, eine Wiederholungsmessung der Regelgröße und/oder Stellgröße für jeden eingestellten Diagnosewert durchzuführen, beispielsweise 5, 10, 20 und mehr Messungen. Die charakteristische Größe kann mindestens eine Größe sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einer Standardabweichung, insbesondere einer Standardabweichung in einem Zeitraum; einem anderem Maß für die Schwingungsanfälligkeit, insbesondere Spannweite, Quantilsabstand; Verschiebung eines charakteristischen Mittelwerts (asymmetrische Instabilität), Frequenzanalyse der Schwingung, insbesondere Bestimmung einer charakteristischen Frequenz.The electronic control unit 142 may be arranged to perform a repeat measurement of the controlled variable and / or manipulated variable for each set diagnostic value, for example 5, 10, 20 and more measurements. The characteristic quantity may be at least one size selected from the group consisting of: a standard deviation, in particular a standard deviation in a period of time; another measure of susceptibility to vibration, in particular span, quantile spacing; Displacement of a characteristic mean (asymmetric instability), frequency analysis of the vibration, in particular determination of a characteristic frequency.

3A zeigt eine schematische Darstellung einer Änderung der Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte V_s für drei Zustände des Sensors 114. Der Diagnosewert kann ein von einem Sollwert abweichender Wert sein. Beispielsweise kann der Diagnosewert eine Verstimmung oder Variation der Führungsgröße sein. Beispielsweise kann die Führungsgröße die Soll-Nernst-Spannung sein. In einem Normalbetrieb des Sensors kann die Führungsgröße eine Nernst-Spannung von 425 mV sein. Das elektronische Steuergerät kann eingerichtet sein, die Führungsgröße in einem Bereich um den eigentlichen Betriebspunkt variiert werden, beispielsweise 425mV ± 50 % oder 300 Ohm ± 25 %. Insbesondere sind auch asymmetrische Variationsbereiche möglich, beispielsweise einem Bereich von 50 mV bis 450 mV (180 Ohm bis 340 Ohm) bei einem Betriebspunkt von 425mV (280 Ohm) von 50 mV bis 450 mV variiert werden. Kurve 148 zeigt die Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte V_s für einen Neusensor. Kurve 150 zeigt die Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte V_s für einen gealterten Sensor. Kurve 152 zeigt die Standardabweichung der Streuung in Abhängigkeit der Diagnosewerte V_s für einen stark gealterten Sensor. Der Grenzpunkt für eine stabile Regelung verschiebt sich mit zunehmendem Alter. 3A shows a schematic representation of a change in the standard deviation of the scattering function of the diagnostic values V _s for three states of the sensor 114 , The diagnostic value can be a value deviating from a setpoint. For example, the diagnostic value may be a detuning or variation of the reference variable. For example, the reference variable may be the nominal Nernst voltage. In normal operation of the sensor, the reference variable may be a Nernst voltage of 425 mV. The electronic control unit can be set up, the reference variable can be varied within a range around the actual operating point, for example 425mV ± 50% or 300 ohm ± 25%. In particular, asymmetric variation ranges are also possible, for example ranging from 50 mV to 450 mV (180 ohms to 340 ohms) at an operating point of 425 mV (280 ohms) from 50 mV to 450 mV. Curve 148 shows the standard deviation of the scattering as a function of the diagnostic values V _s for a new sensor. Curve 150 shows the standard deviation of the scattering as a function of the diagnostic values V _s for an aged sensor. Curve 152 shows the standard deviation of the scattering as a function of the diagnosis values V _s for a strongly aged sensor. The threshold for stable control shifts with age.

Beispielsweise kann eine Vielzahl von Diagnosewerten eingestellt werden. 3B zeigt eine schematische Darstellung einer numerischen Implementierung anhand von fünf Stützstellen für einen Neusensor (Kurve 154), einen gealterten Sensor (Kurve 156) und einen stark gealterten Sensor (Kurve 158). Auch eine Einstellung von mehr als fünf Diagnosewerten ist jedoch denkbar. Die Diagnosewerte können nacheinander eingestellt werden. Die Diagnosewerte können kontinuierlich eingestellt werden. Beispielsweise können die Diagnosewerte kontinuierlich erhöht oder herabgesetzt werden, beispielsweise gemäß einer Rampenfunktion, insbesondere einer Spannungsrampe. Die Anzahl der Diagnosewerte kann von einer vorgegebenen oder vorgebbaren Verfahrensdauer abhängig sein. An jedem der Diagnosewerte kann eine Erfassung einer Vielzahl von Messwerten der Regelgröße und/oder der Stellgröße erfolgen. Beispielsweise können für fünf Diagnosewerte jeweils 20 Messpunkte erfasst werden. Eine Messzeit für jeden der Messpunkte kann 250 ms sein. Eine Gesamtdauer des Verfahrens kann unter Berücksichtigung von Rechen- und Einschwingzeiten zwischen 20 Sekunden und 1 Minute liegen, insbesondere kann das Verfahren etwa 30 Sekunden dauern. Beispielsweise kann eine lineare Interpolation zwischen der für jeden der Diagnosewerte bestimmten charakteristischen Größe erfolgen. Der Kurvenverlauf kann mit einem vorgegebenen oder vorgebbaren, beispielsweise in der Steuerung hinterlegten, Kurvenverlauf verglichen werden. Aus dem Kurvenverlauf kann ein Grenzpunkt oder Grenzbereich für eine stabile Regelung bestimmt werden. Für Diagnosewerte in einem Grenzbereich zwischen dem ersten Phasenbereich und dem zweiten Phasenbereich und für Diagnosewerte in dem zweiten Phasenbereich kann ein Anstieg der Streuung der erfassten Regelgröße und/oder der erfassten Stellgröße beobachtet werden. Ursache der stärkeren Streuung des gealterten Sensors kann die Oszillationen im Regelsignal sein. Der Regler beginnt zu schwingen. Die Phasenreserve kann mit Alterung oder Schädigung des Sensors und/oder der Regelzelle limitiert werden, so dass der Punkt oder Bereich, in dem der Sensorregler zu schwingen beginnt, ein Maß für dessen Alterung oder Schädigung sein kann.For example, a plurality of diagnostic values can be set. 3B shows a schematic representation of a numerical implementation based on five nodes for a new sensor (curve 154 ), an aged sensor (curve 156 ) and a strongly aged sensor (curve 158 ). However, a setting of more than five diagnostic values is also conceivable. The diagnostic values can be set one after the other. The diagnostic values can be set continuously. For example, the diagnostic values can be continuously increased or decreased, for example according to a ramp function, in particular a voltage ramp. The number of diagnostic values may depend on a predetermined or predefinable method duration. At each of the diagnostic values, a detection of a plurality of measured values of the controlled variable and / or the manipulated variable can take place. For example, 20 measurement points can be acquired for each of five diagnostic values. A measuring time for each of the measuring points can be 250 ms. Taking into account calculation and settling times, a total duration of the method can be between 20 seconds and 1 minute; in particular, the method can take about 30 seconds. For example, a linear interpolation can take place between the characteristic variable determined for each of the diagnostic values. The curve can be compared with a predetermined or predefinable, stored for example in the control, waveform. From the curve, a limit point or limit range for a stable control can be determined. For diagnostic values in a border region between the first phase region and the second phase region and for diagnostic values in the second phase region, an increase in the scatter of the detected controlled variable and / or the detected correcting variable can be observed. The cause of the greater dispersion of the aged sensor may be the oscillations in the control signal. The controller starts to vibrate. The phase margin may be limited with aging or damage to the sensor and / or the control cell, so that the point or range in which the sensor controller begins to oscillate may be a measure of its aging or damage.

4A bis 4C zeigen schematische Darstellungen eines Einflusses einer Variation der Führungsgröße auf ein NOx-Signal (NOx), ein Sauerstoff-Signal (O₂), und die Regelgröße V_S als Funktion der Zeit t für drei Zustände des Sensors, nämlich neu 160, gealtert 162 und stark gealtert 162. In 4A ist die Soll-Nernst-Spannung 425 mV, in 4B 225 mV und in 4C ist die Nernst-Spannung « 225 mV. Während die Nernst-Spannung bei einem neuen Sensor konstant, in einem breiten Phasenbereich, geregelt werden kann, zeigt ein gealterter Sensor mit zunehmendem Alter ein zunehmend instabiles Verhalten. Die 4A bis 4C zeigen, dass sich die Instabilität des Reglers auch auf das NOx-Signal und das Sauerstoff-Signal auswirkt. 4A to 4C 12 show schematic representations of an influence of a variation of the reference variable on a NOx signal (NOx), an oxygen signal (O ₂ ), and the controlled variable V _S as a function of the time t for three states of the sensor, namely new 160 , aged 162 and aged strongly 162 , In 4A is the nominal Nernst voltage 425 mV, in 4B 225 mV and in 4C is the Nernst voltage «225 mV. While the Nernst voltage in a new sensor can be controlled constantly, in a wide phase range, an aged sensor shows an increasingly unstable behavior with increasing age. The 4A to 4C show that the instability of the regulator also affects the NOx signal and the oxygen signal.

Claims

Method for determining a state of at least one component of a sensor (110) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space (126), wherein the sensor (110) has at least one sensor element (114) for detecting the property of the measurement gas, wherein the sensor element (114) at least one first electrochemical cell (130), wherein the first electrochemical cell (130) at least one first electrode (118), at least one second electrode (120) and at least one of the first electrode (118) and the second electrode ( 120), the sensor element (114) further comprising at least one second electrochemical cell (134), the second electrochemical cell (134) comprising at least one third electrode (122), the method comprising the following steps : a) setting at least one diagnostic value of a reference variable for controlling the component; b) detecting a plurality of measured values of a controlled variable for controlling the component and / or a plurality of measured values of a manipulated variable for controlling the component at different times for the diagnostic value; c) determining at least one characteristic variable for a scattering of the plurality of measured values of the controlled variable and / or a scattering of the multiplicity of measured values of the manipulated variable as a function of the reference variable; d) determining a state of the component from a comparison of the characteristic quantity with a diagnostic limit.

Method according to the preceding claim, wherein from the comparison of the characteristic quantity with the diagnosis value, a predictor for a failure and / or failure time is determined.

The method of any one of the preceding claims, wherein the characteristic quantity is at least one size selected from the group consisting of: one standard deviation; another measure of susceptibility to vibration, in particular span, quantile spacing; Displacement of a characteristic mean, frequency analysis of the vibration, in particular determination of a characteristic frequency.

Method according to one of the preceding claims, wherein in step a) a plurality of diagnostic values is set.

Method according to the preceding claim, wherein the diagnostic values are set such that a number of diagnostic values in a first phase range of the controlled variable, in which a stable control on the reference variable is possible, and a number of diagnostic values in a second phase range, in which no stable Regulation on the reference variable is possible lie.

Method according to one of the preceding claims, wherein the reference variable is at least one variable selected from the group consisting of: a reference voltage, for example a nominal Nernst voltage, in particular a Nernst voltage specification; a desired internal resistance of the second electrochemical cell (134); a reference current, in particular a reference pump current.

Method according to the preceding claim, wherein the reference variable is the nominal Nernst voltage, wherein in method step a) the reference variable is varied within a range around the actual operating point.

Method according to the preceding claim, wherein the reference variable is the pumping current of the manipulated variable.

Method according to one of the preceding claims, wherein the controlled variable is at least one size selected from the group consisting of: an actual voltage to second electrochemical cell (134), an actual internal resistance of the second electrochemical cell (134), a pumping current of the second electrochemical Cell.

Method according to one of the preceding claims, wherein the manipulated variable is at least one size selected from the group consisting of: a pump voltage, a pump current, heater power.

Computer program adapted to perform each step of the method according to one of the preceding claims.

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

Electronic control unit (142), which comprises an electronic storage medium according to the preceding claim, wherein the electronic control unit (142) is set up, at least one diagnostic value of a reference variable for controlling at least one component of a sensor (110) for detecting at least one property of a measurement gas in one The electronic control unit (142) is set up to detect a multiplicity of measured values of a control variable for controlling the component and / or a multiplicity of measured values of a control variable for controlling the component at different times for the diagnostic value. 142) is arranged to determine at least one characteristic variable for a scattering of the plurality of measured values of the controlled variable and / or a scattering of the plurality of measured values of the manipulated variable as a function of the reference variable, wherein the electronic control device (142) ei is determined to determine a state of the component from a comparison of the characteristic size with a diagnostic limit.

Sensor (110) for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space (126) comprising a sensor element (114) for detecting the property of the measurement gas, wherein the sensor element (114) at least a first electrochemical cell (130), wherein the first electrochemical Cell (130) at least one first electrode (118), at least one second electrode (120) and at least one of the first electrode (118) and the second electrode (120) connecting solid electrolyte (116), wherein the sensor element (114) further at least a second electrochemical cell (134), wherein the second electrochemical cell (134) comprises at least one third electrode (122), the sensor further comprising an electronic control device (142) according to the preceding claim.