DE102018213576A1

DE102018213576A1 - Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum

Info

Publication number: DE102018213576A1
Application number: DE102018213576.2A
Authority: DE
Inventors: Yannick Chauvet
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-13
Filing date: 2018-08-13
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) 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 (100) umfasst ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement (10) weist einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) auf, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels mehrerer Stromquellen (60) ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom ermittelt wird, wobei die Regelung der Nernstspannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers (56), eines Reglers (58) und eines Digital-Analog-Wandlers (59) erfolgt, wobei ein Ausgang des Reglers (58) einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler (59) liefert, wobei der Digital-Analog-Wandler (59) eine Kennlinie (64) für Ausgangssignale an die Stromquellen (60) aufweist, wobei die Kennlinie (64) mit Absenkungen (70) der Ausgangssignale versehen wird, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen (60) sind.

Description

Stand der Technik
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.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Sensoren mit keramischen Sensorelementen bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrO₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Siliziumoxid (SiO₂) enthalten können.
Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis.
Die Breitband-Lambdasonde misst die Sauerstoffkonzentration oder die Konzentration von Reduktionsmittel in einem Messgas. Für den emissionsoptimalen Betrieb eines Verbrennungsmotors ist die Information des Restsauerstoffes im Abgas von hoher Bedeutung. Für den Betrieb einer Breitband-Lambdasonde wird diese an einen speziell für diesen Zweck erstellten Auswertebaustein (ASIC) eines Steuergeräts angeschlossen. Die Hauptaufgabe des ASICs ist es, die Nernstspannung, gemessen zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode, auf einen gewissen Zielwert, meistens 450 mV, einzuregeln. Die Stellgröße mit der die Nernstspannung eingeregelt werden soll, ist der Pumpstrom, der vom ASIC zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode getrieben werden muss. Wenn die Nernstspannung nahe an ihrem Zielwert liegt, ist der dafür nötige Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Eine genaue Bestimmung des Pumpstroms ist daher die unumgängliche Voraussetzung für eine genaue Bestimmung der O2-Konzentration im Abgas.
Die Pumpstromquelle nimmt vom Nernstspannungs-Regler einen digitalen Soll-Wert für den Pumpstrom entgegen und soll diesen dann durch die Sonde treiben. Bei einem digitalen Regler, der in einem Mikrokontroller realisiert wird, wird der digitale Regler-Stellausgang durch einen Digital-Analog-Wandler (DAC - Digital-Analog-Converter) in die „analoge Welt“ überführt.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Damit die Regelung stabil arbeitet, muss der DAC in der Regel eine monoton steigende und stetige Kennlinie haben. Vereinfacht ausgedrückt sollte die DAC-Kennlinie keine „Sprünge“ haben die wesentlich größer als die DAC-Auflösung sind. Dies macht allerdings das DAC-Design in der Regel aufwändiger.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet und das den Aufwand für das Erstellen einer monotonen Kennlinie deutlich reduziert.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement weist einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle auf. Die Pumpzelle weist eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode auf. Mittels mehrere Stromquellen wird ein Pumpstrom durch die Pumpzelle getrieben. Eine Nernstspannung der Nernstzelle wird geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. Die Regelung der Nernstspannung erfolgt mittels eines Analog-Digital-Wandlers, eines digitalen Reglers und eines Digital-Analog-Wandlers. Ein Ausgang des Reglers liefert einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler Der Digital-Analog-Wandler weist eine Kennlinie für Ausgangssignale an die Stromquellen auf, wobei die Kennlinie mit Absenkungen der Ausgangssignale versehen wird, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen sind.
Bei einer Weiterbildung werden die Absenkungen der Ausgangssignale an Stellen der Kennlinie vorgesehen, die Schaltpunkten der Stromquellen entsprechen.
Bei einer Weiterbildung wird ein Ist-Wert des Pumpstroms basierend auf einem Soll-Wert für den Pumpstrom des Reglers berechnet.
Bei einer Weiterbildung ist der Regler ein PID-Regler.
Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen gewichtet, wobei die Absenkungen der Ausgangssignale in der Richtung der Gewichtung Summen der Toleranzwerte von vorhergehenden Stromquellen entsprechen.
Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen binär gewichtet.
Bei einer Weiterbildung werden die Stromquellen unabhängig voneinander abgeglichen.
Bei einer Weiterbildung wird jeder Stromquelle eine Absenkung des Ausgangssignals zugeordnet.
Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.
Weiterhin 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 umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle aufweist, wobei die Pumpzelle eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät aufweist oder mit einem elektronischen Steuergerät verbunden ist.
Unter einem Festelektrolytkörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise sauerstoffionenleitenden Eigenschaften, Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Beispielsweise kann der Festelektrolytkörper stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid aufweisen. Der Festelektrolytkörper kann auch aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist dabei eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
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 oder eine Spannung gemessen 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 Metallkeramikelektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platincermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einer Nernstzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Messzelle zu verstehen, die einen Festelektrolyten als Membran zwischen zwei Elektroden verwendet. Dabei nutzt man die Eigenschaft des Festelektrolyten, ab einer bestimmten Temperatur Ionen des zu messenden Messgases, wie beispielsweise Sauerstoffionen, elektrolytisch von der einen Elektrode zu der anderen transportieren zu können, wodurch eine sogenannte Nernstspannung entsteht. Durch diese Eigenschaft lässt sich der Unterschied des Partialdrucks des Messgases auf den verschiedenen Seiten der Membran bestimmen. Bei der Lambdasonde wird eine Seite der Membran dem Messgas ausgesetzt, während die andere Seite an einer Referenz liegt.
Unter einer Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle zu verstehen, bei der ein Gehalt einer Komponente des Messgases, wie beispielsweise Sauerstoff, in einem Messspalt einerseits über das Messgas, das durch einen Diffusionskanal einwirkt, bestimmt und andererseits durch den Stromfluss der Pumpzelle beeinflusst wird. Durch den Pumpstrom wird je nach Polarität Messgas von der Messgasseite der Festelektrolyt-Membran in den Messspalt gepumpt bzw. aus diesem herausbefördert. Dabei wird der Pumpstrom durch einen äußeren Regler so geregelt, dass der Lambdawert im Messgas den Messgasstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht und das Messgas im Messspalt konstant bei einem vorbestimmten Wert wie beispielsweise λ = 1 hält. Ein Lambdawert von 1 im Messspalt ist beispielsweise immer dann gegeben, wenn die Spannung an der Nernstzelle 0,45 V beträgt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Messgasionen in das Messgas im Messspalt hinein, bei magerem Gemisch heraus.
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 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 700 °C bis 950 °C sein.
Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, da dieser einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann also 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 Platincermet hergestellt sein.
Unter einem Stellwert ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein momentaner Wert einer Stellgröße eines Stellglieds zu verstehen. Die Stellgröße ist die Ausgangsgröße (die Stellung) des in der Steuerungs- und in der Regelungstechnik verwendeten Stellglieds, mit dessen Hilfe ein gezielter Eingriff in die Steuer- beziehungsweise Regelstrecke erfolgt.
Unter einem Toleranzwert ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Abweichung einer Größe vom Normzustand oder Normmaß zu verstehen, die die Funktion eines Systems oder Bauteils gerade noch nicht gefährdet. Genauer ist der Toleranzwert die fertigungstechnisch bedingte Abweichung eines Ist-Werts bzw. Ist-Ausgangsgröße eines Bauteils von einem Soll-Wert bzw. Soll-Ausgangsgröße zu verstehen. Mit anderen Worten ist der Toleranzwert der fertigungstechnisch bedingte Fehlergröße eines Bauteils bzw. die von einem Bauteil gelieferte Fehlergröße.
Unter einem ASIC (= application-specific integrated circuit) ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine anwendungsspezifische integrierte elektronische Schaltung zu verstehen, die als integrierter Schaltkreis realisiert ist. Die Funktion eines ASICs wird somit in den meisten Fällen nicht mehr verändert.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist der bewusste Verzicht auf die Monotonie der Kennlinie des Digital-Analog-Wandlers (DAC). So wurde herausgefunden, dass sich eine stabile Regelung erzielen lässt, wenn eine Kennlinie definiert wird, die zwar negative Sprünge hat, aber an keiner Stelle einen positiven Sprung. Ganz allgemein kann das vorgestellte angewendet werden, wenn im DAC an einer Kennlinienstelle etwas umgeschalten werden muss. Dann stellt sich die Frage, ob es nach dem umschalten „nahtlos“ bzw. stetig in der Kennlinie weitergeht oder nicht. Falls ein „nahtloser“ Übergang Aufwand erzeugt, kann gemäß dem Prinzip darauf verzichtet werden und stattdessen bewusst der Kennlinie bzw. dem typischen Design ein negativer Sprung verpasst werden, um diesen Aufwand zu sparen.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 einen Querschnitt eines Sensors,
2 ein schematisches Schaltbild des Sensors und eines Steuergeräts,
3 eine Darstellung eines Digital-Analog-Wandlers mit Stromquellen,
4 eine Kennlinie des Digital-Analog-Wandlers,
5 ein erstes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers,
6 ein zweites Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers und
7 ein drittes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 100 mit einem Sensorelement 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das in 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ und/oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 umfasst einen Festelektrolytkörper bzw. Festelektrolyten 12. Das Sensorelement 10 weist weiterhin einen Gaszutrittsweg 14 auf. Der Gaszutrittsweg 14 weist ein Gaszutrittsloch 16 auf, das sich von einer Außenseite oder Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 ins Innere des Festelektrolyten 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 12 ist ein Elektrodenhohlraum 20 vorgesehen, der an das Gaszutrittsloch 16 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 20 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 20 ist Teil des Gaszutrittswegs 14 und kann über das Gaszutrittsloch 16 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 16 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 in das Innere des Festelektrolyten 12. Zwischen dem Gaszutrittsloch 16 und dem Elektrodenhohlraum 20 ist ein Kanal 22 angeordnet, welcher ebenfalls Bestandteil des Gaszutrittswegs 14 ist. Der Kanal 22 bzw. der Elektrodenhohlraum 20 ist radial bzw. senkrecht bezüglich des Gaszutrittslochs 16 angeordnet. In diesem Kanal 22 ist eine Diffusionsbarriere 24 angeordnet. Die Diffusionsbarriere 24 vermindert oder verhindert sogar ein Nachströmen von Messgas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 20 und ermöglicht lediglich eine Diffusion des Messgases. In den Festelektrolytkörper 12 und von dem Elektrodenhohlraum 20 getrennt ist ein Referenzgaskanal 26 bzw. Abluftkanal ausgebildet.
Des Weiteren weist das Sensorelement 10 ein Heizelement 28 auf. Das Heizelement 28 ist in einer gedachten Verlängerung der Richtung, in der sich das Gaszutrittsloch 16 erstreckt, in dem Festelektrolytkörper 12 unterhalb des Elektrodenhohlraums 20 und des Referenzgaskanals 26 angeordnet. Das Heizelement 28 weist einen Heizbereich 30, eine erste Zuleitungsbahn 32 und eine zweite Zuleitungsbahn 34 auf. Die erste Zuleitungsbahn 32 ist dabei mit einem Pluspol 36 des Heizbereichs 30 verbunden. Die zweite Zuleitungsbahn 34 ist mit einem Minuspol 38 des Heizbereichs 30 verbunden.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Pumpzelle 40 auf. Die Pumpzelle 40 weist eine erste Elektrode, die als äußere Pumpelektrode 42, und eine zweite Elektrode, die als innere Pumpelektrode 44 bezeichnet wird, auf. Die äußere Pumpelektrode 42 ist auf der dem Messgas aussetzbaren Oberfläche 18 des Festelektrolytkörpers 12 angeordnet. Die innere Pumpelektrode 44 ist in dem Elektrodenhohlraum 20 auf einer der äußeren Pumpelektrode 42 zugewandten Seite angeordnet. Die Pumpzelle 40 umfasst weiterhin den Teil des Festelektrolyten 12 zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der innere Pumpelektrode 44. Über die Diffusionsbarriere 24 lässt sich ein Grenzstrom in der Pumpzelle 40 einstellen. Der Grenzstrom stellt dabei einen Stromfluss zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 44 über den Festelektrolyten 12 zwischen diesen dar.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Nernstzelle 46 auf. Die Nernstzelle 46 umfasst eine dritte Elektrode 48 und eine vierte Elektrode 50. Die dritte Elektrode 48 befindet sich dabei angrenzend an den Heizbereich 30 des Heizelements 28 in dem Elektrodenhohlraum 20. In dem Referenzgaskanal 26 ist die vierte Elektrode 50 angeordnet. Die vierte Elektrode 50 kann als sogenannte gepumpte Referenz in dem Referenzgaskanal 26 angeordnet sein. Das heißt, der Referenzgaskanal 26 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d.h. eine künstliche Referenz. Die innere Pumpelektrode 44 und die dritte Elektrode 48 sind dabei über den Festelektrolytkörper 12 miteinander gekoppelt. Die dritte Elektrode 48, die vierte Elektrode 50 und der Teil des Festelektrolyten 12 zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 bilden beispielsweise die Nernstzelle 46. Mittels der Pumpzelle 40 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 20 die Bedingung λ = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 46 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 26 oder in der vierten Elektrode 50, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum 20 geschlossen werden. Entsprechend dem beschriebenen Aufbau kann die dritte Elektrode 48 als Nernstelektrode und die vierte Elektrode 50 als Referenzelektrode bezeichnet werden.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung des Aufbaus des Sensorelements 10 ergibt, ist dieses als sogenannter Zweizeiler ausgebildet, bei dem die Pumpzelle 40 und die Nernstzelle 46 getrennt ausgebildet sind. Alternativ kann das Sensorelement 10 als sogenannter Einzeller ausgebildet sein, bei dem Pumpzelle 40 und Nernstzelle 46 kombiniert sind. Ein solcher Einzeller benötigt für seine Funktion lediglich zwei Elektroden. Im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Aufbau eines Zweizeilers entfallen die erste Elektrode 42 und die zweite Elektrode 44. Dabei dient die dritte Elektrode 48 als innere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Nernstelektrode der Nernstzelle 46, da diese auf einer gemeinsamen Leitung liegen. Die vierte Elektrode 50 dient dabei als äußere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Referenzelektrode der Nernstzelle 46.
2 zeigt ein schematisches Schaltbild des Sensors 100 und eines Steuergeräts 52. Das Steuergerät 52 umfasst einen ASIC 54. Der ASIC 54 umfasst einen Analog-Digital-Wandler 56, einen Regler 58, einen Digital-Analog-Wandler 59, mehrere Stromquellen 60 und eine virtuelle Masse 62. Der Regler 58 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein PID-Regler, kann jedoch grundsätzlich alternativ eine andere Art von Regler sein, wie beispielsweise ein PI-Regler. Der Sensor 100 ist an Pins RE, APE und IPE an den ASIC 54 angeschlossen. Die Nernstzelle 46 ist dabei an die Pins RE und IPE angeschlossen und die Pumpzelle 40 ist an die Pins IPE und APE angeschlossen. Der ASIC 54 misst die Nernstspannung zwischen RE und IPE. Die Pins RE und IPE sind mit dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers 56 verbunden. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 56 ist mit dem Eingang des Reglers 58 verbunden. Der gemessene Wert der Nernstspannung ist der Haupteingang in den Regler 58. Der Ausgang des Reglers 58 ist mit dem Eingang des Digital-Analog-Wandlers 59 verbunden. Der Ausgang des Digital-Analog-Wandlers 59 ist mit dem Eingang der Stromquellen 60 verbunden. Der Ausgang der Stromquelle 60 ist mit dem Pin APE verbunden. Der Regler 58 ermittelt mit dem neusten Nernstspannungswert einen neuen Sollwert für den Pumpstrom. Dieser Sollwert wird an die Stromquelle 60 übergeben, die daraufhin einen Strom von APE zur IPE treibt, den sogenannten Pumpstrom. Dabei liefert der Ausgang des Reglers 58 einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler 59. Der tatsächlich geflossene Strom kann an einem Messwiderstand R_mVG gemessen werden, indem die abfallende Spannung über den Widerstand R_mVG gemessen wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird grundsätzlich mittels der Stromquellen 60 ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 getrieben. Die Nernstspannung der Nernstzelle 40 wird somit mittels des Analog-Digital-Wandlers 56, des Reglers 58 und des Digital-Analog-Wandlers 59 geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements 10 wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt.
3 zeigt eine Darstellung eines Digital-Analog-Wandlers 59 mit Stromquellen. Beispielhaft wird im Folgenden ein Digital-Analog-Wandler 59betrachtet, der einen digitalen Wert in einen entsprechenden Strom wandelt. Der Digital-Analog-Wandler 59 ist hierbei eine digital einstellbare Stromquelle. Diese wird als Regler-Ausgangssignal bzw. als Stellgröße verwendet. Die Kennlinie des Digital-Analog-Wandlers 59 soll möglichst monoton steigend sein und eine ausreichend feine Auflösung haben. Ein einfaches Design des Digital-Analog-Wandlers 59 z.B. mit gewichteten Stromquellen 60 ist dabei nicht immer ohne weiteres möglich, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird. Das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt einen Digital-Analog-Wandler 59 mit einzelnen binär gewichteten 2µA, 4µA, 8µA, bis 2048µA Stromquellen 60. Ein Binärwert von beispielsweise 100 0000b stellt dabei einen Stromwert von 128µA ein. Der Binärwert 011 1111b stellt idealerweise genau ein Inkrement bzw. LSB („least significant bit“) kleiner ein, also 128µA-2µA = 126µA. Angenommen die binär gewichteten Stromquellen 60 haben z.B. eine +/-2% Toleranz. Bei einem Wechsel von 011 1111b zu 100 0000b schalten sich im Ausführungsbeispiel dabei sechs kleineren Stromquellen 60 ab und eine größere Stromquelle 60 schaltet sich ein. Angenommen die sechs kleineren Stromquellen 60 haben alle eine +2% Toleranz, die größere Stromquelle 60 eine -2% Toleranz. Dann erfolgt ein Wechsel von126µA*102%=128,5µA auf 128*98%=125,4µA. Folglich resultiert dies in einen kleineren Ausgangswert, obwohl ein größerer Sollwert eingestellt wird. Die Kennlinie hat an dieser Stelle eine Nichtmonotonie. Bei „umgekehrten“ Toleranzen, d.h. die kleineren Stromquellen 60 haben alle eine -2% Toleranz, die größere Stromquelle 60 eine +2% Toleranz, resultiert dies in einen Kennliniensprung, der größer ist als ein oder mehrere LSB. Manche Stromwerte fehlen dann in der Ausganskennlinie und können mit keinem Binärcode eingestellt werden. Mit anderen Worten, ist für eine PID-Regelung ein positiver Kennliniensprung problematisch. Der Grund ist, dass es bei einem positiven Kennliniensprung manche Stellwerte nicht gibt. Liegt der Arbeitspunkt der Regelstrecke auf dieser Kennlinienstelle, kann es sein dass der Regler den „Wunsch-Wert“ nie bekommt. Es gibt entweder zu große oder zu kleine Werte. Der Regler springt dann ständig zwischen zu großen oder zu kleinen Werten hin und her. Dies kann zu instabilem Regelverhalten führen. Speziell bei einer Anwendungen mit hohem D-Anteil im Regler ist ein instabiles Verhalten mit ungünstigem Digital-Analog-Wandler sichtbar, beispielsweise per Simulation.
Um die gewünschten Anforderungen zu erreichen muss entweder Abgleichaufwand getrieben werden und/oder im Design des Digital-Analog-Wandlers 59 schaltungstechnische Maßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann ab einer gewissen Stromquellengröße nicht mehr binär, sondern linear gewichtet werden. Dadurch erhöht sich allerdings die Anzahl an Stromquellen 60 und damit der schaltungstechnische Aufwand.
4 zeigt eine Kennlinie 64 des Digital-Analog-Wandlers 59 bei dem erfindungsgenmäßen Verfahren. Auf der X-Achse 66 ist das Eingangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Auf der Y-Achse 68 ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Die Kennlinie 64 wird mit Absenkungen 70 der Ausgangssignale versehen, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen 60 sind. Die Absenkungen 70 der Ausgangssignale werden an Stellen der Kennlinie 64 vorgesehen, die Schaltpunkten der Stromquellen 60 entsprechen. Dabei wird jeder Stromquelle 60 eine Absenkung 70 des Ausgangssignals zugeordnet.
Angenommen die Stromquellen 60 haben eine 2% Toleranz. Legt man die einzelne Stromquellen 60 typisch nicht auf den „Idealwert“ von beispielsweise 1024µA aus, sondern bewusst um 2% zu klein auf beispielsweise 1003µA, dann kann auch unter worst-case Bedingungen nie ein positiver Sprung in der Kennlinie 64 vorkommen. Die negative „Sprunghöhe“ wird worst-case dadurch zwar grösser, aber das stört die Regelung nicht. Der PID-Regler 58 gleicht dies aus. Die Absenkungen 70 der Ausgangssignale entsprechen in der Richtung der Gewichtung Summen der Toleranzwerte von vorhergehenden Stromquellen 60. So muss die bewusste und damit typische Absenkung an einer Kennlinienstelle über die gesamte folgende Kennlinie beibehalten werden. Im Falle des Digital-Analog-Wandlers 59 mit binär gewichteten Stromquellen 60 muss daher die nachfolgende Stromquelle 60 nicht nur um die eigene Strom-Toleranz abgesenkt werden, sondern auch um die Summe aller vorangehenden typischen Absenkungen 70. Dies ist darin begründet, dass in der Kennlinie 64 nur negative Kennliniensprünge vorkommen dürfen, aber nie positive „Rücksprünge“. Die Abweichung zum „Idealwert“ wird zwar damit immer grösser, aber das ist für die Anwendung nicht relevant, da der PID-Regler 58 dieses ausgleicht. Die Anwendung benötigt zwar den tatsächlichen Stromwert. Aber da diese nichtmonotone Kennlinie 64 eine zwar „unorthodoxe“ aber genauso gut definierte Kennlinie ist wie übliche Kennlinien auch, kann sie im Steuergerät 52 hinterlegt werden. Der tatsächliche Stromwert kann per Software aus dem Sollwert des PID-Reglers 58 berechnet werden und einer übergeordneten Applikations-Software als tatsächlicher Strom-Istwert zur Verfügung gestellt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine nach unten korrigierte „gezackte“ Kennlinie mit nur negativen Sprüngen vorgesehen, bei der das Regler-Verhalten einwandfrei ist. Bei einem negativen Kennlinien-Sprung, d.h. Absenkung 70, findet der Regler 58 seinen „Wunsch-Wert“. Denn es gibt diesen sogar zweimal. Auf einen der beiden Werte wird sich die Regelstrecke festlegen. Welcher von beiden hängt davon ab, ob Regelstrecke sich von „oben“ oder von „unten“ annähert. Speziell bei einem binär gewichteten Digital-Analog-Wandler 59 kann eine solche gezackte Kennlinie 64 mit Absenkungen 70 zusätzlich helfen, um die Schaltvorgänge zu vereinfachen. Angenommen die Regelstrecke hat ihren Arbeitspunkt bei einem Übergang von z.B. binär 1000 0000, dann kann es passieren, dass der Regler 58 aus Systemgründen berechtigt ständig zwischen 1000 000 und 01111111 hin und her springt. Dabei schalten sich viele Stromquellen 60 ständig ein- und aus. Bei „gezackter“ Kennlinie 64 mit Absenkungen 70 ist dies nicht der Fall. An genannten Stellen erzeugt die Kennlinie 64 eine Hysterese. Die größeren Stromquellen 60 des Digital-Analog-Wandlers 59 werden dadurch nur einmal bei größerer Regelstrecken-Änderung umgeschaltet. Nachdem der Regler 58 einmal über die Kennlinien-Sprungstelle gekippt ist, wird sozusagen nur noch mit den kleinen Stromquellen 60 „feinjustiert“. Es werden nicht mehr alle umgeschaltet. Das zeitliche Umschalt- und Einschwingverhalten der Stromquellen 60 ist damit unkritischer und vereinfacht das Design des Digital-Analog-Wandlers 59. Nachstehend wird dies ausführlicher erläutert.
5 zeigt ein erstes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers 59 basierend auf dem Beispiel der 3. Auf der X-Achse 66 ist das Eingangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Auf der Y-Achse 68 ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Die Kennlinie 64 ist bei diesem Beispiel mit einer Absenkung 70 bei Bit 10 und einem positiven Sprung 72 bei Bit 11 versehen. Angenommen der Digital-Analog-Wandler 59 hat eine negative Nichtmonotonie bei dem Ausgangssignalwert 1024 µA. Dann wird der Regler 58 im Bereich des Sollwerts 1024 µA nicht schwingen, sondern im Bereich um den Sollwert 2048 µm. Denn im Bereich um Bit 10 findet der Regler 58 seinen Wunschwert. Im Bereich um Bit 11 gibt es manche Werte nicht, sondern nur zu große oder zu kleine. Der Regler findet seinen Wunschwert daher für den Sollwert 2048 µA nicht und schwingt um diesen Bereich.
6 zeigt ein zweites Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers 59 basierend auf dem Beispiel der 3. Auf der X-Achse 66 ist das Eingangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Auf der Y-Achse 68 ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Die Kennlinie 64 ist bei diesem Beispiel mit einem positiven Sprung 72 bei Bit 10 und mit einer Absenkung 70 bei Bit 11 versehen. Angenommen der Digital-Analog-Wandler 59 hat eine negative Nichtmonotonie bei dem Ausgangssignalwert 2048 µA. Dann wird der Regler 58 im Bereich des Sollwerts 2048 µA nicht schwingen, sondern im Bereich um den Sollwert 1024 µm. Denn im Bereich um Bit 11 findet der Regler 58 seinen Wunschwert. Im Bereich um Bit 10 gibt es manche Werte nicht, sondern nur zu große oder zu kleine. Der Regler findet seinen Wunschwert daher für den Sollwert 1024 µA nicht und schwingt um diesen Bereich.
7 zeigt ein drittes Diagramm zur Darstellung des Verhaltens des Digital-Analog-Wandlers 59 basierend auf dem Beispiel der 3. Auf der X-Achse 66 ist das Eingangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Auf der Y-Achse 68 ist das Ausgangssignal des Digital-Analog-Wandlers 59 dargestellt. Die Kennlinie 64 ist dabei mit zwei Absenkungen bei Bit 10 und Bit 11 versehen. Wenn die dem Bit 10 entsprechende Stromquelle 60 ihren worst case Maximalwert annimmt, wird der Digital-Analog-Wandler 59 beim Umschalten die obere Kennlinie 74 durchfahren. Wenn die dem Bit 10 entsprechende Stromquelle 60 ihren worst case Minimalwert annimmt, wird der Digital-Analog-Wandler 59 beim Umschalten die untere Kennlinie 76 durchfahren. In beiden Fällen gibt es keine positiven Sprünge in der Kennlinie 64. Der Regler 58 wird daher immer seinen Wunschwert finden. Es gibt keine fehlenden Werte.
Das Verfahren hilft somit nicht nur um die Monotonie-Anforderung des Digital-Analog-Wandlers 59 zu vereinfachen, sondern vereinfacht Dank der Hysterese-Eigenschaft auch die Umschalt-Vorgänge im Design des Digital-Analog-Wandlers 59. Auch wenn ein Digital-Analog-Wandler 59 beschrieben wurde für eine PID-Regelung der Nernst-Spannung mit einem Strom als Stellgröße, eignet sich das Verfahren ebenso für einen Digital-Analog-Wandler 59 mit Stromausgang oder Spannungsausgang.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels mehrerer Stromquellen (60) ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom ermittelt wird, wobei die Regelung der Nernstspannung mittels eines Analog-Digital-Wandlers (56), eines Reglers (58) und eines Digital-Analog-Wandlers (59) erfolgt, wobei ein Ausgang des Reglers (58) einen digitalen Stellwert für den Digital-Analog-Wandler (59) liefert, wobei der Digital-Analog-Wandler (59) eine Kennlinie (64) für Ausgangssignale an die Stromquellen (60) aufweist, wobei die Kennlinie (64) mit Absenkungen (70) der Ausgangssignale versehen wird, die größer als Toleranzwerte der Stromquellen (60) sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Absenkungen (70) der Ausgangssignale an Stellen der Kennlinie (64) vorgesehen werden, die Schaltpunkten der Stromquellen (60) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Ist-Wert des Pumpstroms basierend auf einem Soll-Wert für den Pumpstrom des Reglers (58) berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Regler (58) ein PID-Regler ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stromquellen (60) gewichtet werden, wobei die Absenkungen (70) der Ausgangssignale in der Richtung der Gewichtung Summen der Toleranzwerte von vorhergehenden Stromquellen (60) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Stromquellen (60) binär gewichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stromquellen (60) unabhängig voneinander abgeglichen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jeder Stromquelle (60) eine Absenkung (70) des Ausgangssignals zugeordnet wird.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
Elektronisches Steuergerät (52), welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.
Sensor (100) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei der Sensor (100) weiterhin ein elektronisches Steuergerät (52) nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.