DE102018203394A1 - A method of operating a sensor to detect at least a portion of a sample gas component having bound oxygen in a sample gas - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, wobei der Sensor (100) ein Sensorelement (110) umfasst. Das Sensorelement (110) weist eine erste Pumpzelle (112), die eine äußere Pumpelektrode (114) und eine innere Pumpelektrode (116) aufweist und die an einem ersten Hohlraum (126) anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle (130), welche eine Nernst-Elektrode (132) und eine Referenzelektrode (134) aufweist und die an einem Referenzgasraum (138) anliegt, und eine zweite Pumpzelle (140), die eine Pumpelektrode (142) und eine Gegenelektrode (144) aufweist und die an einem zweiten Hohlraum (145) anliegt, auf. Eine Nernstspannung der Nernstzelle (130) wird von einem ersten Soll-Wert auf einen zweiten Soll-Wert verändert, wobei der zweite Soll-Wert größer als der erste Soll-Wert ist. Mittels der äußeren Pumpelektrode (114) und der inneren Pumpelektrode (116) wird Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum (126) entfernt.A method is proposed for operating a sensor (100) for detecting at least a portion of a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the sensor (100) comprises a sensor element (110). The sensor element (110) has a first pumping cell (112) which has an outer pumping electrode (114) and an inner pumping electrode (116) and which bears against a first cavity (126) which is in communication with the measuring gas, a Nernst cell ( 130) having a Nernst electrode (132) and a reference electrode (134) and abutting a reference gas space (138), and a second pumping cell (140) having a pumping electrode (142) and a counter electrode (144) and which rests against a second cavity (145). A Nernst voltage of the Nernst cell (130) is changed from a first setpoint value to a second setpoint value, wherein the second setpoint value is greater than the first setpoint value. Oxygen is removed from the first cavity (126) by means of the outer pumping electrode (114) and the inner pumping electrode (116).
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Verfahren und Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenen Sauerstoff erzeugt wird, bekannt.From the prior art, a variety of methods and sensors for detecting at least a proportion of the measured gas component with bound oxygen in a gas mixture, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, by detecting a proportion of oxygen, by a reduction of the measured gas component with the bound oxygen is generated, known.
Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, die auch verkürzt oder vereinfacht als NOx-Sensoren oder Stickoxid-Sensoren bezeichnet werden, sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347 beschrieben.Sensors for detecting at least a portion of the measured gas component with bound oxygen in a gas mixture, which are also abbreviated or simply referred to as NO x sensors or nitrogen oxide sensors, are, for example, in Reif, K., Deitsche, KH. et al., Kraftfahrisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347.
Stickoxid-Sensoren (= NOx-Sensoren), die heutzutage in der Automobiltechnik eingesetzt werden, funktionieren nach dem Grenzstromprinzip, analog zu Sauerstoff-Sensoren, wie beispielsweise Lambda Sensoren. Ein solcher Stickoxid-Sensor umfasst eine Nernst-Konzentrationszelle, die auch Referenzzelle genannt wird, eine modifizierte Sauerstoffpumpzelle und eine weitere modifizierte Sauerstoffpumpzelle, die die sogenannte NOx-Zelle. Eine dem Abgas ausgesetzte äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode in einem ersten Hohlraum, der vom Abgas durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist, bilden die Sauerstoffpumpzelle. Im ersten Hohlraum befindet sich auch die Nernstelektrode und in einem Referenzgasraum die Referenzelektrode, die zusammen die Nernstzelle bilden. Die NOx-Zelle umfasst eine NOx-Pumpelektrode und eine Gegenelektrode. Die NOx-Pumpelektrode befindet sich einem zweiten Hohlraum, der mit dem ersten inneren Hohlraum verbunden und von diesem durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist. Die Gegenelektrode befindet sich in dem Referenzgasraum. Alle Elektroden in dem ersten und zweiten Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter.Nitrogen oxide sensors (= NO x sensors), which are used today in the automotive industry, work according to the limiting current principle, analogous to oxygen sensors, such as lambda sensors. Such a nitrogen oxide sensor comprises a Nernst concentration cell, which is also called a reference cell, a modified oxygen pump cell and a further modified oxygen pump cell, the so-called NO x cell. An outer pumping electrode exposed to the exhaust gas and an inner pumping electrode in a first cavity, which is separated from the exhaust gas by a diffusion barrier, form the oxygen pumping cell. The first cavity also contains the Nernst electrode and, in a reference gas space, the reference electrode, which together form the Nernst cell. The NO x cell includes a NO x pumping electrode and a counter electrode. The NO x pump electrode is located in a second cavity, which is connected to the first inner cavity and separated from it by a diffusion barrier. The counter electrode is located in the reference gas space. All electrodes in the first and second cavities have a common return conductor.
Bei Betrieb des Stickoxid-Sensor wird der sogenannten O2-Zelle der Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbunden ist, entfernt. Der dadurch resultierende Pumpstrom ist dann proportional zum Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. In der NOx-Zelle werden die Stickoxide abgepumpt. Das Stickoxid NOx in der in dem zweiten Hohlraum befindlichen Atmosphäre, wird durch Anlegen einer konstanten Pumpspannung reduziert bzw. abgebaut. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NOx stammt, wird in einen Referenzgasraum abgepumpt. So hat die angelegte Pumpspannung gegen den Widerstand der NOx-Zelle und durch die Konzentration des Stickoxids NOx bzw. Sauerstoffs einen Pumpstrom zur Folge, der proportional zum Gehalt an Stickoxid NOx bzw. Sauerstoff ist und das NOx-Messsignal darstellt.During operation of the nitrogen oxide sensor, the oxygen from the first cavity, which is connected to the exhaust gas via a diffusion barrier, is removed from the so-called O2 cell. The resulting pumping current is then proportional to the oxygen content of the ambient air in the sample gas or exhaust gas flow. The nitrogen oxides are pumped out in the NO x cell. The nitrogen oxide NO x in the atmosphere in the second cavity is reduced or reduced by applying a constant pumping voltage. The oxygen produced by reduction or degradation of the measurement gas component in the second cavity, which preferably originates from the reduction of the nitrogen oxide NO x , is pumped off into a reference gas space. Thus, the applied pumping voltage to the resistance of the NO x cell and the concentration of nitrogen oxide NO x or oxygen, a pumping current result, which is proportional to the content of nitrogen oxide NO x or oxygen and represents the NO x measurement signal.
Der dabei resultierende Pumpstrom IP2 ist somit ein Maß für die NOx-Konzentration der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. Eine Gold-Dotierung der Elektrode der O2-Zelle verhindert zusammen mit einer limitierten Pumpspannung die Zersetzung des NOx, welches sich dann als zusätzlicher O2-Pumpstrom bemerkbar machen würde und die eigentliche NOx-Messung der zweiten Zelle verfälschen würde.The resulting pumping current I P2 is thus a measure of the NO x concentration of the ambient air in the sample gas or exhaust gas stream. A gold doping of the electrode of the O2 cell together with a limited pumping voltage prevents the decomposition of the NOx, which would then be noticeable as an additional O2 pumping current and would falsify the actual NOx measurement of the second cell.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Zur Herstellung der Betriebsbereitschaft des Stickoxid-Sensors muss vorhandener Sauerstoff aus der NOx-Messzelle entfernt werden. Dies geschieht bislang durch Abpumpen des vorhandenen Sauerstoffs über die NOx-Elektrode. Die Oberfläche der NOx-Elektrode ist relativ klein. Eine zu hohe Stromdichte schädigt die Elektrode. Der zum Abpumpen zur Verfügung stehende Strom ist deshalb relativ gering, so dass für das Abpumpen des vorhandenen Sauerstoffs eine vergleichsweise lange Zeit von ca. 20 s benötigt wird.Despite the advantages of the sensors known from the prior art and methods for operating the same, they still have room for improvement. To establish readiness for operation of the nitric oxide sensor, existing oxygen must be removed from the NOx measuring cell. This has hitherto been done by pumping off the oxygen present via the NOx electrode. The surface of the NOx electrode is relatively small. Excessive current density damages the electrode. The current available for pumping is therefore relatively low, so that a relatively long time of about 20 s is required for pumping out the oxygen present.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem die Zeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft beim Start des Sensors deutlich reduziert wird.Therefore, a method is proposed for operating a sensor for detecting at least a portion of a sample gas component with bound oxygen in a measurement gas, which avoids the disadvantages of known methods for operating these sensors at least largely and in which the time to reach the operational readiness at the start of the sensor is significantly reduced.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Sensor ein Sensorelement umfasst, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle, welche eine Nernst-Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wird eine Nernstspannung der Nernstzelle von einem ersten Soll-Wert auf einen zweiten Soll-Wert verändert. Der zweite Soll-Wert ist größer als der erste Soll-Wert. Mittels der ersten Pumpzelle bzw. der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode wird Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum entfernt.In a method according to the invention for operating a sensor for detecting at least a portion of a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the sensor comprises a sensor element, wherein the sensor element, a first pump cell, an outer pumping electrode and an inner pump Having a pumping electrode and which abuts a first cavity, which is in communication with the measurement gas, a Nernst cell, which has a Nernst electrode and a reference electrode and which abuts a reference gas space, and a second pump cell, the pump electrode and has a counter electrode and which abuts a second cavity, a Nernstspannung the Nernst cell is changed from a first target value to a second target value. The second setpoint value is greater than the first setpoint value. Oxygen is removed from the first cavity by means of the first pumping cell or the outer pumping electrode and the inner pumping electrode.
In der ersten Pumpzelle ist bereits nach kurzer Zeit von beispielsweise weniger als 2s der gewünschte Betriebspunkt mit einer O2-Konzentration von ca. 10-6 mbar = 1ppm erreicht. Wird das Nernstpotenzial der Nernstzelle durch Vorgabe eines neuen Sollwerts für die Nernstspannung so verändert, dass dem Regler ein Gas mit höherem Sauerstoffpartialdruck vorgetäuscht wird, erhöht dieser die Pumpspannung an der ersten Pumpzelle, wodurch ein erhöhter Pumpstrom fließt. Somit versucht die erste Pumpzelle noch stärker Sauerstoff abzupumpen, obwohl die Zelle bereits von Sauerstoff geleert ist. Durch den Sauerstoffkonzentrationsgradienten zwischen der ersten Pumpzelle (ca. 1ppm) und der zweiten Pumpzelle (>>1ppm) diffundiert nun Sauerstoff aus der zweiten Pumpzelle bzw. dem zweiten Hohlraum in die erste Pumpzelle bzw. in den ersten Hohlraum und wird dort abgepumpt. Dadurch verkürzt sich die Zeit bis zur Betriebsbereitschaft der zweiten Pumpzelle.In the first pumping cell, after a short time of, for example, less than 2 s, the desired operating point with an O 2 concentration of about 10 -6 mbar = 1 ppm is reached. If the Nernst potential of the Nernst cell is changed by setting a new setpoint for the Nernst voltage so that the regulator is simulated a gas with higher oxygen partial pressure, this increases the pumping voltage at the first pump cell, whereby an increased pumping current flows. Thus, the first pump cell tries even more to pump off oxygen, although the cell is already emptied of oxygen. Due to the oxygen concentration gradient between the first pumping cell (about 1 ppm) and the second pumping cell (>> 1 ppm), oxygen now diffuses out of the second pumping cell or the second cavity into the first pumping cell or into the first cavity and is pumped out there. This shortens the time until the second pump cell is ready for operation.
Bei einer Weiterbildung weist der zweite Soll-Wert eine elektrische Spannung in einem Bereich von 425 mV bis 800 mV und bevorzugt 430 mV bis 650 mV auf. Diese Spannung ist ausreichend für eine schnelle Entfernung von Sauerstoff aus der zweiten Pumpzelle.In a further development, the second desired value has an electrical voltage in a range from 425 mV to 800 mV and preferably 430 mV to 650 mV. This voltage is sufficient for a quick removal of oxygen from the second pumping cell.
Bei einer Weiterbildung wird das elektronische Steuergerät über mindestens vier elektrische Anschlüsse mit dem Sensorelement verbunden, wobei das elektronische Steuergerät zumindest über einen ersten gesonderten Anschluss für die erste Pumpzelle, einen zweiten gesonderten Anschluss für die zweite Pumpzelle, über einen Anschluss für die Nernstspannung und über einen gemeinsamen Anschluss verfügt. Damit lassen sich verschiedene Spannungen, Ströme und Potentiale an dem Sensorelement messen, die zur Beschreibung qualitativer und quantitativer Eigenschaften des Messgases dienen.In one development, the electronic control unit is connected to the sensor element via at least four electrical connections, wherein the electronic control unit has at least a first separate connection for the first pump cell, a second separate connection for the second pump cell, a connection for the Nernst voltage and a common connection features. This allows different voltages, currents and potentials on the sensor element to be measured, which serve to describe qualitative and quantitative properties of the measurement gas.
Bei einer Weiterbildung wird auf die Nernstspannung der Nernstzelle mittels des Steuergeräts geregelt. Das Steuergerät weist somit einen Regler auf, der in diesem integriert sein kann. Damit lässt sich die Nernstspannung besonders genau einstellen.In a further development, the Nernst voltage of the Nernst cell is regulated by means of the control unit. The controller thus has a controller which may be integrated in this. This makes it possible to set the Nernst voltage very precisely.
Bei einer Weiterbildung wird die Nernst-Elektrode mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden und die Referenzelektrode wird mit dem Anschluss für eine Nernstspannung verbunden. Damit lässt sich die Nernstzelle genau regeln.In a further development, the Nernst electrode is connected to the common connection and the reference electrode is connected to the connection for a Nernst voltage. This allows the Nernst cell to be precisely regulated.
Bei einer Weiterbildung wird die Pumpelektrode mit dem gemeinsamen Anschluss verbunden, wobei die Gegenelektrode mit dem zweiten gesonderten Anschluss verbunden wird, wobei an die Pumpelektrode und die Gegenelektrode eine elektrische Pumpspannung angelegt wird. Dabei stellt sich ein Pumpstrom zwischen der Pumpelektrode und der Gegenelektrode ein. Damit wird ein geeigneter Pumpbetrieb der zweiten Pumpzelle sichergestellt.In a further development, the pump electrode is connected to the common terminal, wherein the counter electrode is connected to the second separate terminal, wherein an electric pump voltage is applied to the pump electrode and the counter electrode. In this case, a pumping current between the pumping electrode and the counter electrode is established. This ensures a suitable pumping operation of the second pumping cell.
Bei einer Weiterbildung wird mittels des zweiten Soll-Werts der Nernstspannung der Nernstzelle ein Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum im Vergleich zu einem Sauerstoffpartialdruckunterschied zwischen dem ersten Hohlraum und dem zweiten Hohlraum bei dem ersten Soll-Wert der Nernstspannung vergrößert. Dadurch kann besonders gut bzw. schnell Sauerstoff aus dem zweiten Hohlraum in den ersten Hohlraum durch die Diffusionsbarriere gelangen.In a further development, an oxygen partial pressure difference between the first cavity and the second cavity is increased by means of the second setpoint value of the Nernst voltage of the Nernst cell compared to an oxygen partial pressure difference between the first cavity and the second cavity at the first nominal value of the Nernst voltage. As a result, oxygen can pass from the second cavity into the first cavity through the diffusion barrier particularly well or quickly.
Bei einer Weiterbildung wird das Sensorelement zumindest während des Entfernens des Sauerstoffs aus dem ersten Hohlraum beheizt. Dies beschleunigt das Entfernen von Sauerstoff zusätzlich, da sichergestellt wird, dass der Festelektrolyt ausreichend für Sauerstoffionen leitend ist.In a development, the sensor element is heated at least during the removal of the oxygen from the first cavity. This additionally accelerates the removal of oxygen, since it ensures that the solid electrolyte is sufficiently conductive for oxygen ions.
Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.In addition, a computer program is proposed which is set up to carry out each step of the method according to the invention.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.Furthermore, an electronic storage medium is proposed, on which a computer program for carrying out the method according to the invention is stored.
Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.The invention furthermore encompasses an electronic control unit which contains the electronic storage medium according to the invention with the said computer program for carrying out the method according to the invention.
Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zum Nachweis mindestens eines Anteils einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend ein Sensorelement, wobei das Sensorelement eine erste Pumpzelle, die einer äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist und die an einem ersten Hohlraum anliegt, welcher mit dem Messgas in Verbindung steht, eine Nernstzelle, welcher eine Nernst-Elektrode und eine Referenzelektrode aufweist und die an einem Referenzgasraum anliegt, und eine zweite Pumpzelle, die eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode aufweist und die an einem zweiten Hohlraum anliegt, wobei der Sensor weiterhin ein erfindungsgemäßes elektronisches Steuergerät aufweist.Finally, the invention also relates to a sensor for detecting at least a portion of a measuring gas component with bound oxygen in a measuring gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, comprising a sensor element, wherein the sensor element comprises a first pumping cell having an outer pumping electrode and an inner pumping electrode and the abuts a first cavity, which is in communication with the measurement gas, a Nernst cell having a Nernst electrode and a reference electrode and at a reference gas space is applied, and a second pumping cell having a pumping electrode and a counter electrode and which abuts a second cavity, wherein the sensor further comprises an inventive electronic control unit.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.In the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties. In particular, it may be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green or brownling, which only becomes a solid electrolyte after sintering. In particular, the solid electrolyte may be formed as a solid electrolyte layer or from a plurality of solid electrolyte layers. In the context of the present invention, a layer is to be understood as a uniform mass in the areal extent of a certain height which lies above, below or between other elements.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall-Keramik-Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.An electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes comprise a noble metal electrode which may, for example, be deposited on the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens zwei Zuleitungsbahnen umfassen. Die Zuleitungsbahnen werden nachfolgend auch als Zuleitung bezeichnet.In the context of the present invention, a heating element is to be understood as meaning an element which serves for heating the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature. The functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte becomes conductive to ions and which is approximately 350 ° C. Of this, the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the operating temperature. The operating temperature may be, for example, from 700 ° C to 950 ° C. The heating element may comprise a heating area and at least two feed tracks. The supply tracks are also referred to below as a supply line.
Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn bzw. Zuleitung, 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 bei Anlegen einer elektrischen Spannung, da durch diese ein elektrischer Strom fließt. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein. Die Erfindung ist direkt durch eine verkürzte Wartezeit bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft nach Start des Sensors nachweisbar. Die jeweiligen Potenziale können an den Zuleitungen gemessen werden.In the context of the present invention, a heating region is to be understood as the region of the heating element which overlaps in the layer structure along an axis perpendicular to the surface of the sensor element with an electrode. Usually, the heating area heats up during operation more than the supply line or supply line, 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 designed, for example, as an electrical resistance path and heat up when an electrical voltage is applied, since an electrical current flows through them. The heating element may for example be made of a platinum cermet. The invention is directly detectable by a shortened waiting time until the operational readiness is reached after starting the sensor. The respective potentials can be measured at the supply lines.
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 prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors und -
2 Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a basic structure of a sensor according to the invention and -
2 Flowchart of a method according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der Sensor
Das Sensorelement
Die in dem Gasgemisch weiterhin enthaltene Messgaskomponente Stickoxid NOx mit dem gebundenen Sauerstoff gelangt, insbesondere durch Diffusion, weitgehend unbeeinflusst in eine zweite Pumpzelle
Während die NOx-Pumpelektrode
Das Sensorelement
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das elektronische Steuergerät
In Schritt
Daraufhin wird in Schritt
In der ersten Pumpzelle
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