DE102021210799A1 - Method for determining a gas concentration of a gas component in a gas using a sensor element - Google Patents

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Hana Nozickova
Tomas Kotrik
Thomas Seiler
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Gas-Konzentration einer Gaskomponente in einem Gas mittels eines Sensorelements (114) vorgeschlagen. Das Sensorelement (114) weist mindestens eine Pumpzelle (116) mit wenigstens zwei durch mindestens einen Festelektrolyten (118) miteinander verbundenen Pumpelektroden (134, 136) auf, wobei eine erste Pumpelektrode (134) dem Gas aussetzbar und eine zweite Pumpelektrode (136) durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere (128) von dem Gas getrennt und in einem Hohlraum (130) in dem Festelektrolyten (118) angeordnet ist. Das Verfahren umfasst Anlegen einer vorbestimmten Pumpspannung (UP) an die Pumpzelle (116), wobei die vorbestimmte Pumpspannung (UP) kleiner als eine Pumpspannung für einen Grenzstromfall ist, Anlegen einer Mess-Wechselspannung (Uz) an die Pumpzelle (116) während des Anlegens der vorbestimmten Pumpspannung (UP), Messen einer Impedanz (Z) der Pumpzelle (116) und Bestimmen der Gas-Konzentration der Gaskomponente in dem Gas basierend auf der gemessenen Impedanz (Z) der Pumpzelle (116).A method for determining a gas concentration of a gas component in a gas using a sensor element (114) is proposed. The sensor element (114) has at least one pump cell (116) with at least two pump electrodes (134, 136) connected to one another by at least one solid electrolyte (118), wherein a first pump electrode (134) can be exposed to the gas and a second pump electrode (136) through at least one porous diffusion barrier (128) separated from the gas and disposed in a cavity (130) in the solid electrolyte (118). The method includes applying a predetermined pump voltage (UP) to the pump cell (116), the predetermined pump voltage (UP) being less than a pump voltage for a limit current case, applying a measuring AC voltage (Uz) to the pump cell (116) during the application the predetermined pump voltage (UP), measuring an impedance (Z) of the pump cell (116) and determining the gas concentration of the gas component in the gas based on the measured impedance (Z) of the pump cell (116).

Description

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Abgassensoren bekannt.Numerous exhaust gas sensors are known from the prior art.

Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum dienen. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Bei dem Messgasraum kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt handeln. Bei dem Sensorelement kann es sich hierbei beispielsweise um eine Lambdasonde, insbesondere um eine Breitband-Lambdasonde, handeln. Lambdasonden sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160-165, beschrieben. Bei dem Anteil des Gases kann es sich beispielsweise um eine Zielgaskomponente, beispielsweise um Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe und/oder andere Arten von Gaskomponenten handeln. Prinzipiell kann es sich bei dem Sensorelement auch um einen anderen Sensor handeln, beispielsweise einen NOx-Sensor. Sensorelemente der genannten Art können insbesondere auf der Verwendung eines oder mehrerer Festelektrolyte basieren, also auf der Verwendung von Festkörpern, insbesondere keramischen Festkörpern, welche ionenleitende, insbesondere sauerstoffionenleitende, Eigenschaften aufweisen. Beispiele derartiger Festelektrolyte sind auf Zirkoniumdioxid basierende Festelektrolyte, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Bei Lambdasonden, insbesondere bei Breitband-Lambdasonden, kann eine in einen Messhohlraum eindiffundierende Menge an Sauerstoff (O2) und/oder Fettgas beispielsweise anhand eines Grenzstroms, insbesondere bei Einzellern, und/oder anhand eines zu einer Regelung einer Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms, insbesondere bei Doppelzellern, gemessen werden. Beispielsweise kann ein fließender Messstrom proportional zu einem O2-Gehalt und/oder zu einem Fettgas-Gehalt in einem Abgas sein. Eine Messung der Hohlraumkonzentration kann anhand einer Bestimmung einer Nernstspannung zwischen einer Nernstelektrode in dem Hohlraum und einer sauerstoffbespülten und/oder luftbespülten Referenzelektrode in einem Referenzraum erfolgen. Aus einem linearen Zusammenhang des Grenzstroms mit einem Sauerstoffpartialdruck kann eine Messung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Abgas durchgeführt werden.The invention is described below, without restricting further possible configurations, essentially with reference to methods and devices which are used for the quantitative and/or qualitative detection of at least a portion of a gas in a measurement gas space. For example, the gas can be an exhaust gas from an internal combustion engine, particularly in the motor vehicle sector. The measurement gas space can be an exhaust tract, for example. The sensor element can be, for example, a lambda probe, in particular a broadband lambda probe. Lambda sensors are described, for example, in Robert Bosch GmbH: Sensors in motor vehicles, 1st edition 2010, pages 160-165. The proportion of the gas can be, for example, a target gas component, for example oxygen and/or nitrogen and/or nitrogen oxides and/or hydrocarbons and/or other types of gas components. In principle, the sensor element can also be another sensor, for example an NOx sensor. Sensor elements of the type mentioned can in particular be based on the use of one or more solid electrolytes, ie on the use of solid bodies, in particular ceramic solid bodies, which have ion-conducting, in particular oxygen-ion-conducting, properties. Examples of such solid electrolytes are zirconia-based solid electrolytes, such as yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and/or scandium-doped zirconia (ScSZ). In the case of lambda probes, in particular in the case of broadband lambda probes, a quantity of oxygen (O 2 ) and/or fat gas diffusing into a measurement cavity can be determined, for example, using a limit current, in particular in the case of unicellular organisms, and/or using a quantity necessary for regulating a cavity concentration to λ=1 Pump current, especially in double cells, are measured. For example, a flowing measurement current can be proportional to an O 2 content and/or to a rich gas content in an exhaust gas. The cavity concentration can be measured by determining a Nernst voltage between a Nernst electrode in the cavity and an oxygen-flushed and/or air-flushed reference electrode in a reference space. A measurement of the oxygen partial pressure in the exhaust gas can be carried out from a linear relationship between the limiting current and an oxygen partial pressure.

Im Abgas oder in anderen zu erfassenden Gasen befinden sich jedoch nicht nur Sauerstoffanteile, sondern auch andere Gaskomponenten deren Erfassung von Interesse ist. Derartige Gaskomponenten sind insbesondere Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und Wasser.In the exhaust gas or in other gases to be detected, however, there are not only oxygen components, but also other gas components whose detection is of interest. Such gas components are in particular hydrogen, carbon dioxide and water.

Es ist beispielsweise bekannt, dass eine Kohlenstoffdioxid- oder Wasser-Konzentrationsmessung durch Lichtabsorption im Infrarotbereich erfolgen kann. Bei diesem Prinzip sind jedoch Verschmutzungen der optischen Bauteile (z.B. des Lichtfensters) problematisch, die zu einer Empfindlichkeitsabnahme oder Signaldrift über die Betriebszeit führen, weshalb derartige Sensoren nicht im Bereich eines Verbrennungsmotors anwendbar sind.It is known, for example, that a carbon dioxide or water concentration measurement can be carried out by light absorption in the infrared range. With this principle, however, contamination of the optical components (e.g. the light window) is problematic, which leads to a decrease in sensitivity or signal drift over the operating time, which is why such sensors cannot be used in the area of an internal combustion engine.

Weiterhin ist die Bestimmung von Wasser in gasförmigen Medien durch eine kapazitive Messung bekannt. Typischerweise wird dabei eine Polymermembran, deren reversible Wasseraufnahme mit dem Wassergehalt der umgebenden Atmosphäre korreliert, in das elektrische Feld zwischen zwei Elektroden gebracht. Durch Wasseraufnahme verstärkt sich das Dielektrikum und erhöht somit die Kapazität des Kondensators. Derartige Sensoren sind jedoch wegen der sehr beschränkten Einsatztemperatur des Polymermaterials nicht im Bereich des Verbrennungsmotors anwendbar.Furthermore, the determination of water in gaseous media by a capacitive measurement is known. Typically, a polymer membrane, whose reversible water uptake correlates with the water content of the surrounding atmosphere, is placed in the electric field between two electrodes. By absorbing water, the dielectric strengthens and thus increases the capacitance of the capacitor. However, such sensors cannot be used in the field of internal combustion engines because of the very limited operating temperature of the polymer material.

Darüber hinaus sind Kohlenstoffdioxidsensoren bekannt, die Hochtemperaturlonenleiter wie komplexe Phosphate (NASICON) bzw. Na-ß'' -Aluminat zur Kohlenstoffdioxidbestimmung verwenden. Das Grundprinzip derartiger Sensoren beruht auf einer leistungslosen Spannungsmessung an einer galvanischen Zelle mit alkaliionenleitenden Festelektrolyten. Derartige Kohlenstoffdioxidsensoren können jedoch sowohl während des Betriebs als auch im nicht betriebenen Zustand durch Einwirken von flüssigem Wasser und Herauslösen von Alkali- oder Erdalkaliionen irreversibel geschädigt werden.In addition, carbon dioxide sensors are known which use high-temperature ion conductors such as complex phosphates (NASICON) or Na-β''-aluminate for carbon dioxide determination. The basic principle of such sensors is based on a powerless voltage measurement on a galvanic cell with alkali ion-conducting solid electrolytes. However, carbon dioxide sensors of this type can be irreversibly damaged both during operation and in the non-operated state by the action of liquid water and the leaching of alkali metal or alkaline earth metal ions.

Die WO 2009/030547 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Wasser- oder Kohlendioxid-Konzentration in einem Gas mit einem Sensorelement umfassend einen Festelektrolytkörper, eine erste elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem ersten inneren Gasraum des Festelektrolytkörpers angeordnete erste innere Pumpelektrode und eine auf der dem Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers angeordnete erste äußere Pumpelektrode, wobei die erste innere Pumpelektrode und die erste äußere Pumpelektrode über eine Stromquelle miteinander verbunden sind, und eine zweite elektrochemische Pumpzelle umfassend eine in einem zweiten inneren Gasraum des Festelektrolytkörpers angeordnete zweite innere Pumpelektrode und eine auf der dem Messgas zugewandten Seite des Festelektrolytkörpers angeordnete zweite äußere Pumpelektrode, wobei die zweite innere Pumpelektrode und die zweite äußere Pumpelektrode über eine Stromquelle miteinander verbunden sind, in dem die erste Pumpzelle mit einer Pumpspannung betrieben wird, die nur zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O2--Ionen führt, und die zweite Pumpzelle mit einer höheren Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O2--Ionen als auch zur Spaltung von Wasser zu O2--Ionen führt, und aus der Differenz der Pumpströme der beiden Pumpzellen und/oder aus der aus den Pumpströmen resultierenden Spannungsdifferenz, die WasserKonzentration im Messgas ermittelt wird; oder die erste Pumpzelle mit einer Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O2--Ionen als auch zur Spaltung von Wasser zu O2--Ionen führt, und die zweite Pumpzelle mit einer höheren Pumpspannung betrieben wird, die sowohl zur Reduktion von molekularem Sauerstoff zu O2--Ionen als auch zur Spaltung von Wasser zu O2--Ionen und Kohlenstoffdioxid zu O2--Ionen führt, und aus der Differenz der Pumpströme der beiden Pumpzellen und/oder aus der aus den Pumpströmen resultierenden Spannungsdifferenz die Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Messgas ermittelt wird.The WO 2009/030547 A1 describes a method for determining the water or carbon dioxide concentration in a gas with a sensor element comprising a solid electrolyte body, a first electrochemical pump cell comprising a first inner pumping electrode arranged in a first inner gas space of the solid electrolyte body and a first inner pumping electrode on the side of the solid electrolyte facing the measurement gas first outer pumping electrode arranged on the rolyte body, the first inner pumping electrode and the first outer pumping electrode being connected to one another via a power source, and a second electrochemical pumping cell comprising a second inner pumping electrode arranged in a second inner gas space of the solid electrolyte body and one on the side of the measuring gas facing the Solid electrolyte body arranged second outer pump electrode, wherein the second inner pump electrode and the second outer pump electrode are connected to each other via a power source, in which the first pump cell is operated with a pump voltage that only leads to the reduction of molecular oxygen to O 2- ions, and the second pump cell is operated with a higher pump voltage, which leads both to the reduction of molecular oxygen to O 2- ions and to the splitting of water to O 2- ions, and from the difference in the pump currents of the two pump cells and/or from from the pump currents res resulting voltage difference, the water concentration in the sample gas is determined; or the first pump cell is operated with a pump voltage that leads both to the reduction of molecular oxygen to O 2- ions and to the splitting of water to O 2- ions, and the second pump cell is operated with a higher pump voltage that both leads to the reduction of molecular oxygen to O 2- ions and to the splitting of water to O 2- ions and carbon dioxide to O 2- ions, and from the difference in the pump currents of the two pump cells and/or from the pump currents The resulting voltage difference is used to determine the carbon dioxide concentration in the sample gas.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Erfassen von Gaskomponenten in einem Gas beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So ist die Erfassung verschiedener Gaskomponenten bislang aufwändig oder nur mit mehreren verschiedenen Sensoren möglich.Despite the advantages of the methods known from the prior art for detecting gas components in a gas, these still contain potential for improvement. Until now, the detection of different gas components has been complex or only possible with several different sensors.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird daher ein Verfahren zum Bestimmen einer Gas-Konzentration einer Gaskomponente in einem Gas mittels eines Sensorelements, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zum Bestimmen einer Gas-Konzentration einer Gaskomponente in einem Gas weitgehend vermeiden. Insbesondere sollen die Vorteile eines Sensorelements einer Breitbandlambdasonde hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten auch in kritischen oder schwierigen Einsatzbereichen mit einer Reduzierung der zur Erfassung verschiedener Gaskomponenten erforderlichen Anzahl an Messeinheiten oder Messzellen kombiniert werden.There is therefore a method for determining a gas concentration of a gas component in a gas using a sensor element, which largely avoids the disadvantages of known methods and devices for determining a gas concentration of a gas component in a gas. In particular, the advantages of a sensor element of a broadband lambda probe with regard to its possible uses, even in critical or difficult areas of use, should be combined with a reduction in the number of measuring units or measuring cells required for detecting different gas components.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Bestimmen einer Gas-Konzentration einer Gaskomponente in einem Gas mittels eines Sensorelements, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit wenigstens zwei durch mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbundenen Pumpelektroden aufweist, wobei eine erste Pumpelektrode dem Gas aussetzbar und eine zweite Pumpelektrode durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere von dem Gas getrennt und in einem Hohlraum in dem Festelektrolyten angeordnet ist, das umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

  • - Anlegen einer vorbestimmten Pumpspannung an die Pumpzelle, wobei die vorbestimmte Pumpspannung kleiner als eine Pumpspannung für einen Grenzstromfall ist,
  • - Anlegen einer Mess-Wechselspannung an die Pumpzelle während des Anlegens der vorbestimmten Pumpspannung,
  • - Messen einer Impedanz der Pumpzelle und
  • - Bestimmen der Gas-Konzentration der Gaskomponente in dem Gas basierend auf der gemessenen Impedanz der Pumpzelle.
A method according to the invention for determining a gas concentration of a gas component in a gas by means of a sensor element, wherein the sensor element has at least one pump cell with at least two pump electrodes connected to one another by at least one solid electrolyte, wherein a first pump electrode can be exposed to the gas and a second pump electrode can be exposed to at least one porous diffusion barrier is separated from the gas and arranged in a cavity in the solid electrolyte, which comprises the following steps, preferably in the order given:
  • - applying a predetermined pump voltage to the pump cell, the predetermined pump voltage being smaller than a pump voltage for a limit current case,
  • - applying a measurement AC voltage to the pump cell while applying the predetermined pump voltage,
  • - measuring an impedance of the pump cell and
  • - determining the gas concentration of the gas component in the gas based on the measured impedance of the pump cell.

Die Mess-Wechselspannung kann dabei insbesondere einen Effektivwert (rms - root mean square) von 30 mV aufweisen. Grundsätzlich kann der Effektivwert der Wechselspannung bevorzugt zwischen 10 mV und 100 mV betragen, besonders bevorzugt 30 mV.In this case, the measuring AC voltage can in particular have an effective value (rms—root mean square) of 30 mV. In principle, the effective value of the AC voltage can preferably be between 10 mV and 100 mV, particularly preferably 30 mV.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, mittels eines Sensorelements mit lediglich einer einzigen Pumpzelle eine Konzentration von Gaskomponenten, die sich von Sauerstoff unterscheiden, zu bestimmen. Dabei basiert das Messprinzip darauf, dass zu der angelegten Pumpspannung, die wie dem Fachmann bekannt eine Gleichspannung ist, eine Wechselspannung an die Pumpzelle angelegt und eine Impedanz der Pumpzelle gemessen wird. Der Betriebspunkt wird dabei so festgelegt, dass sowohl Sauerstoff als auch die Gaskomponente, die von Interesse ist, an der inneren Pumpelektrode dissoziiert werden. Dadurch wird eine Beschädigung der Pumpelektrode durch beispielsweise vorzeitige Alterung verhindert. Die gemessene Impedanz, die diffusionsgetriebenen Prozessen entspricht, hängt dabei von der Konzentration der jeweiligen Gaskomponente ab. Durch einen Vergleich einer Messung eines Pumpstroms im Grenzstrombetrieb, die den Sauerstoffgehalt ergibt, kann auf die Konzentration der jeweiligen Gaskomponente geschlossen werden.The method according to the invention has the advantage of using a sensor element with only a single pump cell to determine a concentration of gas components that differ from oxygen. The measuring principle is based on the fact that, in addition to the applied pump voltage, which is a DC voltage, as is known to those skilled in the art, an AC voltage is applied to the pump cell and an impedance of the pump cell is measured. The operating point is set in such a way that both oxygen and the gas component that is of interest are dissociated at the inner pumping electrode. This prevents damage to the pumping electrode, for example due to premature aging. The measured impedance, which corresponds to diffusion-driven processes, depends on the concentration of the respective gas component. By comparing a measurement of a pump current in the limit current operation, which gives the oxygen content, the concentration of the respective gas component can be deduced.

Die Konzentration kann dabei als qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben werden, 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.In this case, the concentration can be described as 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 proportion in the measurement gas. The oxygen content can be recorded, for example, in the form of a partial pressure and/or in the form of a percentage.

Bei dem Sensorelement kann es sich um ein Sensorelement für eine Lambdasonde, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde, handeln, wie es beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt ist. Ein derartiges Sensorelement weist einen Festelektrolyten und zwei durch den Festelektrolyten voneinander getrennte Elektroden auf. Der Festelektrolyt kann aus einer oder mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Das Sensorelement weist dabei weiterhin mindestens eine Pumpzelle auf.The sensor element can be a sensor element for a lambda probe, in particular a broadband lambda probe, as is known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in motor vehicles, 1st edition 2010, pp. 160-165. Such a sensor element has a solid electrolyte and two electrodes separated from one another by the solid electrolyte. The solid electrolyte can be formed from one or more solid electrolyte layers. The sensor element also has at least one pump cell.

Eine Breitband-Lambdasonde ist üblicherweise in Planartechnik aus mehreren Schichten aufgebaut und hat eine integrierte Heizung. Für das Messprinzip sind drei Teile entscheidend: die Pumpzelle zwischen Abgas und Messspalt/Messgas, der Diffusionskanal führt durch die Pumpzelle zwischen Abgas und Messgas und die Nernstzelle zwischen Messgas und Referenzgas. Der Sauerstoffgehalt des Messgases im Messspalt wird einerseits über das Abgas, das durch einen Diffusionskanal einwirkt, bestimmt und andererseits durch den Stromfluss der Pumpzelle beeinflusst. Durch den Pumpstrom wird je nach Polarität der angelegten Pumpspannung Sauerstoff von der Abgasseite der Zirkoniummembran in den Messspalt gepumpt bzw. aus diesem herausbefördert. Dabei wird der Pumpstrom durch einen äußeren Regler so geregelt, dass der Lambdawert im Messgas den Sauerstoffstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht und das Messgas im Messspalt konstant bei λ = 1 hält. Ein Lambdawert von 1 ist immer dann gegeben, wenn die Spannung an der Nernstzelle 0,45 V beträgt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Sauerstoffionen in das Messgas im Messspalt hinein, bei magerem Gemisch heraus. Über das Vorzeichen und die Größe dieses Stromes kann das Abgaslambda bestimmt werden. Die Regelung des Stromes erfolgt durch einen eigenen Steuerchip im Motorsteuergerät.A broadband lambda sensor is usually made up of several layers using planar technology and has an integrated heater. Three parts are decisive for the measuring principle: the pump cell between the exhaust gas and the measuring gap/measuring gas, the diffusion channel leading through the pump cell between the exhaust gas and the measuring gas and the Nernst cell between the measuring gas and the reference gas. The oxygen content of the measuring gas in the measuring gap is determined on the one hand by the exhaust gas, which acts through a diffusion channel, and on the other hand is influenced by the current flow of the pump cell. Depending on the polarity of the applied pump voltage, the pump current pumps oxygen from the exhaust gas side of the zirconium membrane into or out of the measuring gap. The pump current is regulated by an external controller in such a way that the lambda value in the sample gas exactly balances the oxygen flow through the diffusion channel and keeps the sample gas in the measuring gap constant at λ = 1. A lambda value of 1 is always given when the voltage at the Nernst cell is 0.45 V. In the case of a rich mixture, the pump current pumps oxygen ions into the measuring gas in the measuring gap and out in the case of a lean mixture. The exhaust gas lambda can be determined via the sign and magnitude of this current. The current is regulated by a separate control chip in the engine control unit.

Das Anlegen der Mess-Wechselspannung induziert einen Mess-Wechselstrom durch die Pumpzelle. Dabei kann die Impedanz als Widerstand gegen den induzierten Mess-Wechselstrom gemessen werden. Dadurch wird die Messgenauigkeit erhöht.The application of the AC measurement voltage induces an AC measurement current through the pump cell. The impedance can be measured as a resistance to the induced measuring alternating current. This increases the measurement accuracy.

Das Verfahren kann weiterhin Variieren einer Höhe der vorbestimmten Pumpspannung in Abhängigkeit von der Art der zu bestimmenden Gaskomponente umfassen. Dadurch können verschiedene Gaskomponenten erfasst werden.The method may further include varying a level of the predetermined pumping voltage depending on the type of gas component to be determined. This allows different gas components to be detected.

Die Höhe der Pumpspannung kann so eingestellt werden, dass diese größer als eine für einen Reduktionsbeginn oder Spaltungsbeginn der zu bestimmenden Gaskomponente erforderliche Pumpspannung ist. Dadurch wird eine Überlappung durch Dissozierungs- oder Spaltungsvorgänge anderer Gaskomponenten verhindert.The magnitude of the pumping voltage can be set in such a way that it is greater than a pumping voltage required for the start of reduction or start of splitting of the gas component to be determined. This prevents overlapping by dissociation or splitting processes of other gas components.

Das Verfahren kann zum Bestimmen der Konzentration mehrere verschiedener Gaskomponenten Anlegen mehrerer verschiedener Pumpspannungen und Messen der Impedanz der Pumpzelle bei den verschiedenen angelegten Pumpspannungen umfassen. Dadurch lassen sich auch die Konzentrationen verschiedener Gaskomponenten in Gasgemischen mittels eines einzigen Sensorelements bestimmen.The method to determine the concentration of several different gas components may include applying several different pumping voltages and measuring the impedance of the pumping cell at the different applied pumping voltages. As a result, the concentrations of different gas components in gas mixtures can also be determined using a single sensor element.

Die Höhe der angelegten Pumpspannungen kann ansteigen. Entsprechend werden die Gaskomponenten in der Reihenfolge ihrer Dissoziierungs- oder Spaltungsreaktion erfasst, so dass ein Überlappen der Bestimmung der Gaskomponenten verhindert wird.The magnitude of the applied pump voltages can increase. Accordingly, the gas components are detected in the order of their dissociation or decomposition reaction, so that the determination of the gas components is prevented from being overlapped.

Die vorbestimmte Pumpspannung kann je nach Lambda variieren und beispielsweise an Luft kleiner als 1,2 V sein, so dass der Onset der ZrO2-Zersetzung nicht erreicht wird. Dadurch wird zuverlässig eine Beschädigung der Pumpelektrode verhindert.The predetermined pump voltage can vary depending on the lambda and can be less than 1.2 V in air, for example, so that the onset of ZrO 2 decomposition is not reached. This reliably prevents damage to the pumping electrode.

Das Sensorelement kann weiterhin eine Nernstzelle aufweisen, wobei das Verfahren weiterhin Einregeln der Nernstzelle auf ein Lambda größer 1,0 umfassen kann. Dadurch wird die Messgenauigkeit erhöht, da in einer sauerstoffreichen Atmosphäre gemessen wird.The sensor element can also have a Nernst cell, and the method can also include adjusting the Nernst cell to a lambda greater than 1.0. This increases the measurement accuracy, since the measurement is carried out in an oxygen-rich atmosphere.

Eine Frequenz der Mess-Wechselspannung kann von 0,05 Hz bis 10 Hz, bevorzugter von 0,07 Hz bis 5,0 Hz und noch bevorzugter von 0,08 Hz bis 3,0 Hz sein. Da die Impedanzmessung im niedrigeren Frequenzbereich empfindlicher ist, kann so die Messgenauigkeit erhöht werden.A frequency of the measurement AC voltage can be from 0.05 Hz to 10 Hz, more preferably from 0.07 Hz to 5.0 Hz, and still more preferably from 0.08 Hz to 3.0 Hz. Since the impedance measurement is more sensitive in the lower frequency range, the measurement accuracy can be increased.

Die Gaskomponente kann mindestens eine Gaskomponente sein ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoff. Damit lassen sich die im Rahmen von Verbrennungsprozessen auftretenden wichtigsten Gaskomponenten erfassen.The gas component can be at least one gas component selected from the group consisting of water, hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and nitrogen. This allows the most important gas components occurring during combustion processes to be recorded.

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, das erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Bei einer Festelektrolytschicht handelt sich daher entsprechend dieser Definition um einen Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, der als Schicht ausgebildet ist.In the context of the present invention, a solid electrolyte is to be understood as meaning a body or object with electrolytic properties, ie with ion-conducting properties. In particular, it can be a ceramic solid electrolyte. This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation of a so-called green body or brown body, which only becomes a solid electrolyte after sintering. According to this definition, a solid electrolyte layer is a body or object with electrolytic properties that is formed as a layer.

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 oder auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialen sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.In the context of the present invention, an electrode is generally to be understood as an element which is able to contact the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained through the solid electrolyte and the electrode. Accordingly, the electrode can comprise an element on which the ions can be incorporated into the solid electrolyte and/or removed from the solid electrolyte. Typically, the electrodes include a noble metal electrode, which can be applied, for example, as a metal-ceramic electrode or on the solid electrolyte or can be connected to the solid electrolyte in some other way. Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other noble metals, such as gold or palladium, can also be used in principle.

Unter der Pumpspannung für einen Grenzstromfall kann diejenige an die Pumpzelle angelegte Pumpspannung verstanden werden, ab der auch bei einer weiteren Erhöhung der Pumpspannung kein oder nur ein unwesentlicher Anstieg des Pumpstroms mehr feststellbar ist, da an der inneren Pumpelektrode keine weiteren Sauerstoffmoleküle mehr reduziert werden. Der Pumpstrom, der diesem Plateau der Kennlinie entspricht, wird als Grenzstrom bezeichnet und ist proportional zur Konzentration von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasspezies in einer Gasmischung. Im Normalbetrieb einer Breitbandlambdasonde findet die eigentliche Messung des Sauerstoffgehalts im Grenzstromfall statt.The pump voltage for a limiting current drop can be understood as the pump voltage applied to the pump cell from which no or only an insignificant increase in the pump current can be detected even with a further increase in the pump voltage, since no further oxygen molecules are reduced at the inner pump electrode. The pumping current that corresponds to this plateau of the characteristic is called the limiting current and is proportional to the concentration of oxygen or oxygen-containing gas species in a gas mixture. In normal operation of a broadband lambda probe, the actual measurement of the oxygen content takes place in the limiting current case.

Sämtliche Konzentrationsangaben im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind in Volumenprozent angegeben, sofern nicht explizit etwas Anderes beschrieben ist.All concentration data in the context of the present disclosure are given in percent by volume, unless something else is explicitly described.

Unter der Diffusionsbarriere kann beispielsweise eine Schicht aus einem Material verstanden werden, welche eine Strömung des Gases und/oder eines Fluids und/oder des Gasgemischs und/oder der Gaskomponente unterdrückt, währenddessen die Schicht eine Diffusion des Gases und/oder des Fluids und/oder des Gasgemischs und/oder der Gaskomponente und/oder von Ionen fördert.The diffusion barrier can be understood, for example, as a layer made of a material which suppresses a flow of the gas and/or a fluid and/or the gas mixture and/or the gas component, while the layer prevents a diffusion of the gas and/or the fluid and/or of the gas mixture and/or the gas component and/or ions.

Unter dem Hohlraum kann ein Raum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, welcher zwar baulich von dem Messgasraum separiert ist, welcher aber dennoch mit der Gaskomponente und/oder dem Gasgemisch und/oder dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein kann, beispielsweise über mindestens einen Gaszutrittsweg und/oder über die Diffusionsbarriere. Bei dem Hohlraum kann es sich beispielsweise um eine Kammer handeln. Die Vorrichtung kann mindestens einen Referenzgasraum und/oder mindestens einen Referenzgaskanal umfassen. Bei dem Festelektrolyten kann es sich bevorzugt um einen ionenleitenden Festelektrolyten handeln. Über die Diffusionsbarriere, insbesondere zu dem Hohlraum hin, kann bevorzugt ein Gasaustausch, insbesondere des Gases und/oder zumindest eines Teils des Gases, möglich sein, bevorzugt durch Diffusion.The cavity can be understood to mean a space within the sensor element which is structurally separate from the measurement gas space, but which can nevertheless be acted upon by the gas component and/or the gas mixture and/or the gas from the measurement gas space, for example via at least one gas access path and /or across the diffusion barrier. The cavity can be a chamber, for example. The device can include at least one reference gas space and/or at least one reference gas channel. The solid electrolyte can preferably be an ion-conducting solid electrolyte. A gas exchange, in particular of the gas and/or at least part of the gas, can preferably be possible via the diffusion barrier, in particular towards the cavity, preferably by diffusion.

Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ dienen als reine Bezeichnungen und geben insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge oder ob beispielsweise noch weitere Pumpelektroden von den Pumpelektroden umfasst sind, beispielsweise mindestens eine dritte Pumpelektrode.The designations “first” and “second” serve as pure designations and in particular do not provide any information about a sequence or whether, for example, further pumping electrodes are included in the pumping electrodes, for example at least a third pumping electrode.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Gaskomponente eines Gases vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement. Bei der Bestimmung der Konzentration der Gaskomponente kann es sich prinzipiell um eine qualitative und/oder quantitative Erfassung des Anteils der Gaskomponente handeln.In a further aspect of the invention, a device for determining a gas component of a gas is proposed. The device comprises at least one sensor element. In principle, the determination of the concentration of the gas component can involve a qualitative and/or quantitative determination of the proportion of the gas component.

Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Ansteuerung. Die Ansteuerung ist eingerichtet, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen einer Gas-Konzentration einer Gaskomponente in einem Gas mittels des Sensorelements, wie vorstehend oder im Folgenden beschrieben, durchzuführen. Die Ansteuerung und/oder die Vorrichtung kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen. Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsvorrichtung in der Ansteuerung integriert sein. Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsvorrichtung aber auch zumindest teilweise separat von der Ansteuerung angeordnet sein. Die Ansteuerung und/oder die Datenverarbeitungsvorrichtung können beispielsweise mit dem Sensorelement verbunden und/oder verbindbar sein.The device includes at least one control. The control is set up to carry out the method according to the invention for determining a gas concentration of a gas component in a gas using the sensor element, as described above or below. The control and/or the device can have at least one data processing device. For example, the data processing device can be integrated in the control. For example, the data processing device can also be arranged at least partially separately from the control. The control and/or the data processing device can be and/or can be connected to the sensor element, for example.

Unter der Ansteuerung kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Funktion der Vorrichtung, insbesondere des Sensorelements, zu unterstützen und/oder zu steuern. Unter „verbindbar“ kann beispielsweise eine Eigenschaft verstanden werden, bei welcher eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann oder bereits besteht. Die Ansteuerung kann ganz oder teilweise getrennt von dem Sensorelement ausgestaltet sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein, beispielsweise in mindestens einen Stecker des Sensorelements und/oder der Vorrichtung. Die Ansteuerung kann mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Pumpstroms und/oder mindestens einer Pumpspannung und/oder zur Regelung der Pumpspannung und/oder zur Regelung des Pumpstroms umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerung und/oder das Sensorelement und/oder die Vorrichtung mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung aufweisen. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Spannungsquelle und/oder mindestens eine Stromquelle umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung eingerichtet sein, um das Sensorelement mit dem Pumpstrom und/oder mit der Pumpspannung zu beaufschlagen.Control can be understood to mean a device that is set up to support and/or control at least one function of the device, in particular of the sensor element. “Connectable” can be understood, for example, as a property in which an electrical connection can be made or already exists. The control can be completely or partially separate from the sensor element, but can also be fully or partially integrated into the sensor element, for example in at least one plug of the sensor element and/or the device. The control can include at least one voltage measuring device and/or at least one current measuring device for detecting at least one pump current and/or at least one pump voltage and/or for controlling the pump voltage and/or for controlling the pump current. Alternatively or additionally, the control and/or the sensor element and/or the device can have at least one application device. The application device can in particular comprise at least one voltage source and/or at least one current source. For example, the application device can be set up to apply the pump current and/or the pump voltage to the sensor element.

Figurenlistecharacter list

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 result from the following description of preferred exemplary embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen:

  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
  • 2 ein Schaubild eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 3 einen Ausschnitt des Sensorelements im Bereich der Pumpzelle;
  • 4 Spannungs-Strom-Kennlinien eines Sensorelements einer Breitband-Lambdasonde für drei verschiedene Gase;
  • 5A und 5B Impedanzspektren, die bei den drei Gasen bei zwei unterschiedlichen Pumpspannungen gemessen wurden;
  • 6 Impedanzspektren, die bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 0,9 V gemessen wurden, für Gase, die Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser enthalten;
  • 7 Impedanzspektren, die bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 1,05 V gemessen wurden, für die zweiten und dritten Gase sowie für ein sechstes und siebtes Gas;
  • 8A bis 8E Kennlinien für die Impedanzabhängigkeit von der Konzentration;
  • 9A bis 9E Kennlinien für die Abhängigkeit des Phasenwinkels von der Konzentration; und
  • 10 Impedanzspektren, die bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 1,05 V gemessen wurden, für das oben genannte zweite Gas und ein achtes Gas.
Show it:
  • 1 an embodiment of a device according to the invention;
  • 2 a diagram of a method according to the invention;
  • 3 a section of the sensor element in the area of the pump cell;
  • 4 Voltage-current characteristics of a sensor element of a broadband lambda probe for three different gases;
  • 5A and 5B Impedance spectra measured for the three gases at two different pump voltages;
  • 6 Impedance spectra measured at an applied predetermined pumping voltage U P of 0.9 V for gases containing hydrogen, oxygen and water;
  • 7 Impedance spectra, measured with an applied predetermined pump voltage U P of 1.05 V, for the second and third gases and for a sixth and seventh gas;
  • 8A until 8E Characteristic curves for the dependence of the impedance on the concentration;
  • 9A until 9E Characteristic curves for the dependence of the phase angle on the concentration; and
  • 10 Impedance spectra measured with an applied predetermined pumping voltage U P of 1.05 V for the above second gas and an eighth gas.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 zur Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases 112 in einem Messgasraum umfasst mindestens ein Sensorelement 114. Das Sensorelement 114 weist mindestens eine Pumpzelle 116 mit wenigstens zwei durch mindestens einen Festelektrolyten 118 miteinander verbundenen Pumpelektroden 120 auf. Das Sensorelement 114 kann mindestens ein Heizelement 122 umfassen. Die Vorrichtung 110 umfasst mindestens eine Ansteuerung 124. Die Ansteuerung 124 ist eingerichtet, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Abgleich des Sensorelements 114 durchzuführen. Die Vorrichtung 110 und/oder die Ansteuerung 124 kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung 126 umfassen. Das Sensorelement 114 umfasst weiterhin mindestens eine poröse Diffusionsbarriere 128 und mindestens einen Hohlraum 130. Das Sensorelement 114 kann über mindestens eine Schnittstelle 132 mit der Ansteuerung 124 und/oder mit der Datenverarbeitungsvorrichtung 126 verbunden sein. Beispielsweise ist eine erste Pumpelektrode 134 dem Gas 112 aussetzbar und eine zweite Pumpelektrode 136 durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere 128 von dem Gas 112 getrennt und in dem Hohlraum 130 angeordnet. Die erste Pumpelektrode 134 ist dabei von einer Schutzschicht 138 bedeckt. Der Hohlraum 130 kann wie gezeigt ein Raum innerhalb des Sensorelements 114, welcher zwar baulich von dem Messgasraum separiert ist, welcher aber dennoch mit der Gaskomponente und/oder dem Gasgemisch und/oder dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein kann, beispielsweise über mindestens einen Gaszutrittsweg bzw. ein Gaszutrittsloch 140 und/oder über die Diffusionsbarriere 128. Aufgrund der beschriebenen räumlichen Anordnung der ersten Pumpelektrode 134 und der zweiten Pumpelektrode 136 kann die erste Pumpelektrode 134 auch als Außenpumpelektrode oder äußere Pumpelektrode und die zweite Pumpelektrode 136 als Innenpumpelektrode oder innere Pumpelektrode bezeichnet werden. In 1 an exemplary embodiment of a device 110 according to the invention is shown. Device 110 according to the invention for detecting at least a portion of a gas 112 in a measurement gas chamber comprises at least one sensor element 114. Sensor element 114 has at least one pump cell 116 with at least two pump electrodes 120 connected to one another by at least one solid electrolyte 118. The sensor element 114 can include at least one heating element 122 . Device 110 includes at least one control 124. Control 124 is set up to carry out the method according to the invention for adjusting sensor element 114. The device 110 and/or the Driver 124 may include at least one data processing device 126 . Sensor element 114 also includes at least one porous diffusion barrier 128 and at least one cavity 130. Sensor element 114 can be connected to control unit 124 and/or to data processing device 126 via at least one interface 132. For example, a first pumping electrode 134 can be exposed to the gas 112 and a second pumping electrode 136 is separated from the gas 112 by at least one porous diffusion barrier 128 and is arranged in the cavity 130 . In this case, the first pumping electrode 134 is covered by a protective layer 138 . As shown, cavity 130 can be a space within sensor element 114 which is structurally separate from the measurement gas space, but which can nevertheless be charged with the gas component and/or the gas mixture and/or the gas from the measurement gas space, for example via at least one gas access path or a gas access hole 140 and/or via the diffusion barrier 128. Due to the described spatial arrangement of the first pumping electrode 134 and the second pumping electrode 136, the first pumping electrode 134 can also be referred to as the outer pumping electrode or outer pumping electrode and the second pumping electrode 136 as the inner pumping electrode or inner pumping electrode .

Optional umfasst das Sensorelement 114 weiterhin eine Referenzelektrode 142. Die Referenzelektrode 142 kann beispielsweise zumindest teilweise in mindestens einem Referenzgaskanal 144 angeordnet sein. Der Referenzgaskanal 144 kann zumindest teilweise mit mindestens einem porösen Medium gefüllt sein. Weiterhin kann das Sensorelement 114 mindestens eine weitere Elektrode umfassen, beispielsweise weitere Elektroden, welche prinzipiell wie eine Pumpelektrode ausgestaltet sein können, wobei es sich bei den weiteren Elektroden beispielsweise auch um mindestens eine Nernstelektrode 146 handeln kann, also eine Elektrode, welche ein Nernstpotenzial erfassen kann, beispielsweise in Kombination mit der Referenzelektrode 142. So können die Nernstelektrode 146, die Referenzelektrode 142 und der Festelektrolyt 118 eine Nernstzelle 147 des Sensorelements 114 bilden.Optionally, the sensor element 114 also includes a reference electrode 142. The reference electrode 142 can be arranged at least partially in at least one reference gas channel 144, for example. The reference gas channel 144 can be at least partially filled with at least one porous medium. Furthermore, the sensor element 114 can comprise at least one further electrode, for example further electrodes, which in principle can be designed like a pump electrode, whereby the further electrodes can also be, for example, at least one Nernst electrode 146, i.e. an electrode which can detect a Nernst potential , for example in combination with the reference electrode 142. The Nernst electrode 146, the reference electrode 142 and the solid electrolyte 118 can form a Nernst cell 147 of the sensor element 114.

Weiterhin ist das Sensorelement 114 zumindest teilweise von einer Thermoschockschutzschicht 148 umgeben. Die Thermoschockschutzschicht 148 überdeckt dabei auch die Schutzschicht 138.Furthermore, sensor element 114 is at least partially surrounded by a thermal shock protection layer 148 . The thermal shock protection layer 148 also covers the protective layer 138.

Nachstehend wird ein erfindungsgemäßes Verfahren anhand der 2 beschrieben. In Schritt S10 umfasst das Verfahren Anlegen einer vorbestimmten Pumpspannung an die Pumpzelle, wobei die vorbestimmte Pumpspannung kleiner als eine Pumpspannung für einen Grenzstromfall ist. In Schritt S12 umfasst das Verfahren Anlegen einer Mess-Wechselspannung an die Pumpzelle während des Anlegens der vorbestimmten Pumpspannung. In Schritt S14 umfasst das Verfahren Messen einer Impedanz der Pumpzelle. In Schritt S16 umfasst das Verfahren Bestimmen der Gas-Konzentration der Gaskomponente in dem Gas basierend auf der gemessenen Impedanz der Pumpzelle.A method according to the invention is based on the 2 described. In step S10, the method includes applying a predetermined pump voltage to the pump cell, the predetermined pump voltage being less than a pump voltage for a limit current drop. In step S12, the method includes applying a measurement AC voltage to the pump cell while applying the predetermined pump voltage. In step S14, the method includes measuring an impedance of the pump cell. In step S16, the method includes determining the gas concentration of the gas component in the gas based on the measured impedance of the pump cell.

Nachstehend wird das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens näher anhand 3 beschrieben. 3 zeigt einen Ausschnitt des Sensorelements 114 im Bereich der Pumpzelle 116. Das Verfahren zum Bestimmen der Konzentration wird beispielhaft anhand eines Wassermoleküls (H2O) beschrieben. Wie oben beschrieben, wird an die Pumpzelle 116 die vorbestimmte Pumpspannung UP angelegt. Die Pumpspannung UP kann von einer Strom- und/oder Spannungsquelle 149 geliefert. Die Strom- und/oder Spannungsquelle 149 kann Teil der Ansteuerung 124 oder mit dieser verbunden sein. Analog zu Sauerstoff gelangt das Wassermolekül in den Hohlraum 130 des Sensorelements 114, wo es aufgrund der angelegten vorbestimmten Pumpspannung an der Oberfläche der negativ polarisierten zweiten Pumpelektrode 136 adsorbiert wird. Die vorbestimmte Pumpspannung UP ist geringfügig höher als diejenige Pumpspannung, bei der die Reduktion von Wasser beginnt, so dass das Wassermolekül zu einem Wasserstoffmolekül (H2) und einem Oxidion (O2-) reduziert bzw. dissoziiert wird. Das Wasserstoffmolekül diffundiert wieder aus dem Hohlraum 130 heraus und das Oxidion wird durch den Pumpstrom IP zu der ersten Pumpelektrode 134 gepumpt. Zusätzlich zu der vorbestimmte Pumpspannung UP wird mittels der Strom- und/oder Spannungsquelle 149 die Mess-Wechselspannung Uz an die Pumpzelle 116 angelegt. Das Anlegen der Mess-Wechselspannung Uz induziert einen Mess-Wechselstrom durch die Pumpzelle 116. Die Impedanz Z der Pumpzelle 116 wird als Widerstand gegen den durch die zusätzlich zur Pumpspannung UP angelegte Mess-Wechselspannung Uz induzierten Mess-Wechselstrom Iz gemessen.The basic principle of the method according to the invention is explained in more detail below 3 described. 3 shows a section of sensor element 114 in the region of pump cell 116. The method for determining the concentration is described using a water molecule (H 2 O) as an example. As described above, the predetermined pump voltage U P is applied to the pump cell 116 . The pump voltage U P can be supplied by a current and/or voltage source 149 . The current and/or voltage source 149 can be part of the control 124 or can be connected to it. Analogously to oxygen, the water molecule reaches cavity 130 of sensor element 114, where it is adsorbed on the surface of negatively polarized second pump electrode 136 due to the predetermined pump voltage applied. The predetermined pump voltage U P is slightly higher than the pump voltage at which the reduction of water begins, so that the water molecule is reduced or dissociated into a hydrogen molecule (H 2 ) and an oxide ion (O 2- ). The hydrogen molecule diffuses out of the cavity 130 again and the oxide ion is pumped to the first pumping electrode 134 by the pumping current I P . In addition to the predetermined pump voltage U P , the measuring AC voltage U z is applied to the pump cell 116 by means of the current and/or voltage source 149 . The application of the AC measurement voltage U z induces an AC measurement current through the pump cell 116. The impedance Z of the pump cell 116 is measured as resistance to the AC measurement current I z induced by the AC measurement voltage U z applied in addition to the pump voltage U P .

Der Pumpstrom IP, der dem Fluss der Oxidionen des gemessenen Gases entspricht, ist sehr klein und seine Empfindlichkeit gegenüber dem gemessenen Gas ist schwach, da die Pumpspannung UP auf den Beginn der Reduktionsschwelle weit entfernt von der Pumpspannung, die zum Erreichen des Grenzstroms zum Pumpen des Gases nötig ist, eingestellt ist. Andererseits ist die Impedanz viel empfindlicher bei diesem Potenziallevel und die Konzentrationsabhängigkeit ist auf diese Weise messbar. Dabei gibt es zwei Vorteile, die Impedanzmessung mit den zuvor beschriebenen Einstellungen der Pumpspannung zu verwenden. Wenn Gase, wie beispielsweise Wasser bei ausreichend hohem Potenzial gepumpt werden, um den Grenzstrom zu erreichen, finden zusätzliche elektrochemische Prozesse mit langsamer Kinetik statt, die zu einer beschleunigten Elektrodenalterung führen könnten. Das Einstellen der vorbestimmten Pumpspannung auf einen Wert unterhalb der Pumpspannung für einen Grenzstromfall schützt somit die Pumpzelle 116. Außerdem können Gase, wie beispielsweise Wasser und Kohlenstoffdioxid, bei Verwendung des Grenzstroms nicht getrennt gemessen werden, da ihre Reduktionsschwellen einander überlappen. Allerdings ist die Anfangsspannung für die Reduktion von Wasser ungefähr 100 mV niedriger als diejenige für Kohlenstoffdioxid. Daher kann durch Einstellen des Betriebspunkts auf einen Wert zwischen diesen beiden Anfangsspannungen das Impedanzsignal von Wasser von dem kombinierten Impedanzsignal der beiden Gase unterschieden werden.The pump current I P corresponding to the flow of oxide ions of the measured gas is very small and its sensitivity to the measured gas is weak, since the pump voltage U P at the beginning of the reduction threshold is far from the pump voltage required to reach the limit current to the Pumping the gas is necessary is set. On the other hand, the impedance is much more sensitive at this potential level and the concentration dependence is measurable in this way. There are two advantages to using the impedance measurement with the previously described pump voltage settings. If Gases such as water are pumped at high enough potential to reach the limiting current, additional electrochemical processes with slow kinetics take place, which could lead to accelerated electrode aging. Setting the predetermined pumping voltage below the pumping voltage for a current limit case thus protects the pump cell 116. Additionally, gases such as water and carbon dioxide cannot be measured separately using the current limit because their reduction thresholds overlap. However, the onset potential for the reduction of water is about 100 mV lower than that for carbon dioxide. Therefore, by setting the operating point to a value between these two initial voltages, the impedance signal from water can be distinguished from the combined impedance signal from the two gases.

4 zeigt Spannungs-Strom-Kennlinien eines Sensorelements 114 einer Breitband-Lambdasonde für drei verschiedene Gase gemessen bei 700°C. Auf der X-Achse 150 ist die an die Pumpzelle 116 angelegte Pumpspannung UP in V aufgetragen. Auf der Y-Achse 152 ist der zugehörige Pumpstrom IP in A aufgetragen. Das erste Gas enthält 4,5 % Sauerstoff, 2 % Wasser und 93,5 % Stickstoff. Das zweite Gas enthält 4,5 % Sauerstoff, 3 % Kohlenstoffdioxid und 92,5 % Stickstoff. Das dritte Gas enthält 4,5 % Sauerstoff und 95,5 % Stickstoff. Mit 154 ist dabei in 4 die Spannungs-Strom-Kennlinie des ersten Gases, mit 156 die Spannungs-Strom-Kennlinie des zweiten Gases und mit 158 die Spannungs-Strom-Kennlinie des dritten Gases angegeben. Die Kennlinien 154, 156, 158 zeigen eine oder zwei Reduktionsstufen. Eine erste Reduktionsstufe tritt für alle Gasmischungen zwischen ungefähr 0,0 bis 0,9 V auf und resultiert aus der Reduktion von molekularem Sauerstoff und dem Pumpen dieses Sauerstoffs durch die Pumpzelle 116. Der Pumpstrom an dem Plateau der ersten Reduktionsstufe ist proportional zur Konzentration von Sauerstoff. Die zweite Reduktionstufe, die für das erste Gas bei 0,86 V anfängt, wie durch einen Pfeil 160 angegeben, und für das zweite Gas bei 0,93 V anfängt, wie durch einen Pfeil 162 angegeben, ist der Reduktion von Wasser im Fall des ersten Gases und Kohlenstoffdioxid im Fall des zweiten Gases und dem Pumpen der aus den Molekülen dieser Gase entfernten Oxidionen zuzuordnen. Der an dem Plateau der zweiten Reduktionsstufe gemessene Strom ist proportional der Gesamtkonzentration aus Sauerstoff und Wasser im Fall des ersten Gases und Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid im Fall des zweiten Gases. Der Anstieg des Stroms oberhalb des Levels, das der Pumpspannung von ungefähr 1,2 V im Fall des dritten Gases entspricht, zusammen mit der bei allen drei Kurven vorhandenen Hysterese bedeutet, dass weitere elektrochemische Prozesse außer der Reduktion der Gase an der Elektrodengrenzfläche bei höheren Spannungen stattfinden. Diese Prozesse involvieren vermutlich die Elektrode oder den Elektrolyten selbst (z. B. ZrO2-Zersetzung) und können zu einer beschleunigten Elektrodenalterung führen. Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert das Risiko der irreversiblen Elektrodenalterung verursacht durch wiederholtes Anlegen hoher Pumpspannungen an die Pumpzelle 116 durch die Impedanzspektroskopiemessung in Verbindung mit einer an die Pumpzelle 116 angelegten Pumpgleichspannung. Dadurch ist das Sensorelement 114 in Betrieb, d.h. Oxidionenpumpen, während die Impedanzmessung durchgeführt wird. 4 shows voltage-current characteristics of a sensor element 114 of a broadband lambda probe for three different gases measured at 700°C. The pump voltage U P in V applied to the pump cell 116 is plotted on the X-axis 150 . The associated pump current I P in A is plotted on the Y axis 152 . The first gas contains 4.5% oxygen, 2% water and 93.5% nitrogen. The second gas contains 4.5% oxygen, 3% carbon dioxide and 92.5% nitrogen. The third gas contains 4.5% oxygen and 95.5% nitrogen. With 154 is in 4 the voltage-current characteristic of the first gas, 156 the voltage-current characteristic of the second gas and 158 the voltage-current characteristic of the third gas. The characteristic curves 154, 156, 158 show one or two reduction stages. A first stage reduction occurs for all gas mixtures between about 0.0 to 0.9 V and results from the reduction of molecular oxygen and the pumping of that oxygen by pump cell 116. The pumping current at the plateau of the first stage reduction is proportional to the concentration of oxygen . The second reduction stage, beginning at 0.86 V for the first gas, as indicated by arrow 160, and at 0.93 V for the second gas, as indicated by arrow 162, is the reduction of water in the case of of the first gas and carbon dioxide in the case of the second gas and pumping the oxide ions removed from the molecules of these gases. The current measured at the plateau of the second reduction stage is proportional to the total concentration of oxygen and water in the case of the first gas and oxygen and carbon dioxide in the case of the second gas. The increase in current above the level corresponding to the pumping voltage of about 1.2 V in the case of the third gas, together with the hysteresis present in all three curves, means that electrochemical processes other than the reduction of gases at the electrode interface occur at higher voltages take place. These processes presumably involve the electrode or the electrolyte itself (e.g. ZrO 2 decomposition) and can lead to accelerated electrode aging. The method according to the invention prevents the risk of irreversible electrode aging caused by repeated application of high pump voltages to the pump cell 116 by the impedance spectroscopy measurement in connection with a pump DC voltage applied to the pump cell 116. As a result, the sensor element 114 is in operation, ie oxide ion pumping, while the impedance measurement is being carried out.

Wie zuvor beschrieben, ist die an die Pumpzelle 116 angelegte vorbestimmte Pumpspannung geringfügig höher als die Anfangsspannung der zweiten Reduktionsstufe. Dadurch kann die an die Pumpzelle 116 angelegte Gesamtspannung unterhalb der Grenze von 1,2 V gehalten werden und der Unterschied zwischen den Signalen von Wasser und Kohlenstoffdioxid kann gesehen werden, was schwierig wäre, wenn Spannungen verwendet werden würden, die dem oberen Plateau der Strom-Spannungs-Kennlinie entsprechen würden, aufgrund des Überlappens der Reduktionsschwellen von Wasser und Kohlenstoffdioxid. Während der für das erste Gas gemessene Pumpstrom, der geringfügig oberhalb der Reduktion von Wasser (oder Kohlenstoffdioxid) ist, sehr nah an dem Pumpstrom für die Sauerstoffreduktion ist, ist die Impedanzmessung in diesem Spannungsbereich viel empfindlicher.As previously described, the predetermined pumping voltage applied to the pumping cell 116 is slightly higher than the initial voltage of the second reduction stage. This allows the total voltage applied to the pump cell 116 to be kept below the 1.2 V limit and the difference between the signals from water and carbon dioxide can be seen, which would be difficult if voltages close to the upper plateau of the current Voltage characteristics would correspond due to the overlapping of the reduction thresholds of water and carbon dioxide. While the pumping current measured for the first gas, which is slightly above the reduction of water (or carbon dioxide), is very close to the pumping current for oxygen reduction, the impedance measurement is much more sensitive in this voltage range.

Die 5A und 5B zeigen Impedanzspektren, die bei den drei Gasen bei zwei unterschiedlichen Pumpspannungen gemessen wurden. Auf der X-Achse 150 ist jeweils die reelle Impedanz ReZ in Ω aufgetragen. Auf der Y-Achse 152 ist jeweils die imaginäre Impedanz ImZ in Ω aufgetragen. Mit 164 ist dabei jeweils die Impedanz-Kennlinie des ersten Gases, mit 166 die Impedanz-Kennlinie des zweiten Gases und mit 168 die Impedanz-Kennlinie des dritten Gases angegeben. Für 5A wurde die Impedanz bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 0,9 V gemessen. Für 5B wurde die Impedanz bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 1,0 V gemessen. Bei beiden vorbestimmten Pumpspannungen UP wird der gesamte in den Hohlraum 130 eingedrungene Sauerstoff umgehend herausgepumpt, was einen steilen Anstieg der in einem niedrigen Frequenzbereich von ungefähr 3 Hz gemessenen Impedanz bewirkt. Bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 0,9 V in 5A wird Wasser an der zweiten Pumpelektrode 136 zusätzlich zu Sauerstoff reduziert und diese neue Quelle an Oxidionen verringert die Impedanz oder genauer den Diffusionswiderstandsanteil der Impedanz in dem niedrigen Frequenzbereich. Andererseits kann Kohlenstoffdioxid nicht bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 0,9 V reduziert werden. Daher weicht das Impedanzspektrum 164 des ersten Gases von den Spektren 166, 168 des zweiten und dritten Gases ab. Bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 1,0 V werden sowohl Wasser als auch Kohlenstoffdioxid an der zweiten Pumpelektrode 136 reduziert und die Spektren 164, 166 des ersten und zweiten Gases weichen von dem Referenzspektrum 168 des dritten Gases ab.The 5A and 5B show impedance spectra measured for the three gases at two different pump voltages. The real impedance ReZ in Ω is plotted on the x-axis 150 in each case. The imaginary impedance ImZ in Ω is plotted on the Y-axis 152 in each case. In each case, 164 indicates the impedance characteristic of the first gas, 166 indicates the impedance characteristic of the second gas and 168 indicates the impedance characteristic of the third gas. For 5A the impedance was measured when a predetermined pump voltage U P of 0.9 V was applied. For 5B the impedance was measured when a predetermined pump voltage U P of 1.0 V was applied. At both predetermined pumping voltages U P , all of the oxygen that has entered the cavity 130 is pumped out immediately, causing a steep increase in the impedance measured in a low frequency range of approximately 3 Hz. With an applied predetermined pump voltage U P of 0.9 V in 5A water is reduced at the second pumping electrode 136 in addition to oxygen and this new source of oxide ions reduces the impedance or more precisely the diffusion resistance part of the impedance in the low frequency range. On the other hand, carbon dioxide cannot with an applied predetermined pump voltage U P of 0.9 V be reduced. Therefore, the impedance spectrum 164 of the first gas differs from the spectra 166, 168 of the second and third gases. When a predetermined pump voltage U P of 1.0 V is applied, both water and carbon dioxide are reduced at the second pump electrode 136 and the spectra 164, 166 of the first and second gas deviate from the reference spectrum 168 of the third gas.

Auf diese Weise kann eine Konzentration von Wasser und Kohlenstoffdioxid gemessen werden, wenn sie in Mischung mit Sauerstoff vorliegen. In einer Mischung, die alle drei Gaskomponenten enthält, kann das Signal von Wasser von dem kumulativen Signal von Wasser und Kohlenstoffdioxid getrennt werden, indem zuerst die niedrigere vorbestimmte Pumpspannung UP, die geringfügig oberhalb des Beginns der Wasserreduktion ist, und dann die höhere vorbestimmte Pumpspannung UP, die geringfügig oberhalb des Beginns der Kohlenstoffdioxidreduktion ist, angelegt wird.In this way, a concentration of water and carbon dioxide can be measured when they are mixed with oxygen. In a mixture containing all three gas components, the signal from water can be separated from the cumulative signal from water and carbon dioxide by first using the lower predetermined pumping voltage U P , which is slightly above the start of water reduction, and then the higher predetermined pumping voltage U P , which is slightly above the start of carbon dioxide reduction.

Mit dem vorliegend offenbarten Verfahren ist es auch möglich, die Konzentration reduzierender Gase zu messen, die als geringfügige Komponenten in Mischungen mit Sauerstoff vorliegen. 6 zeigt Impedanzspektren, die bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 0,9 V gemessen wurden, für Gase, die Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser enthalten. Auf der X-Achse 150 ist die reelle Impedanz ReZ in Ω aufgetragen. Auf der Y-Achse 152 ist die imaginäre Impedanz ImZ in Ω aufgetragen. Mit 164 ist dabei jeweils die Impedanz-Kennlinie des oben genannten ersten Gases, mit 168 die Impedanz-Kennlinie des oben genannten dritten Gases, mit 170 die Impedanz-Kennlinie eines vierten Gases und mit 172 die Impedanz-Kennlinie eines fünften Gases angegeben. Das vierte Gas wurde aus dem dritten Gas durch Zugabe von 0,5 % Wasserstoff in die Mischung hergestellt, gefolgt von der Zugabe einer entsprechenden Menge an Sauerstoff, um Lambda von 1,3 konstant zu halten, was dem Lambda-Wert der ersten bis dritten Gase entspricht. Das fünfte Gas wurde aus dem ersten Gas durch Zugabe von 0,5 % Wasserstoff in die Mischung hergestellt, gefolgt von einer entsprechenden Menge Sauerstoff, um ein konstantes Lambda von 1,3 zu halten. Dabei kann Wasserstoff eindeutig durch Impedanzmessung sowohl in dem vierten als auch fünften Gas erfasst werden, was bedeutet, dass die Signale bzw. Kennlinien 168, 170 additiv sind. Das Signal, das Wasserstoff entspricht, wird nicht durch das Signal für Wasser überschrieben.With the presently disclosed method it is also possible to measure the concentration of reducing gases present as minor components in mixtures with oxygen. 6 12 shows impedance spectra measured with an applied predetermined pump voltage U P of 0.9 V for gases containing hydrogen, oxygen and water. The real impedance ReZ in Ω is plotted on the X-axis 150 . The imaginary impedance ImZ is plotted in Ω on the Y-axis 152 . 164 indicates the impedance characteristic of the first gas mentioned above, 168 the impedance characteristic of the third gas mentioned above, 170 the impedance characteristic of a fourth gas and 172 the impedance characteristic of a fifth gas. The fourth gas was prepared from the third gas by adding 0.5% hydrogen to the mixture, followed by adding an appropriate amount of oxygen to keep lambda constant at 1.3, which is the lambda value of the first through third gases. The fifth gas was prepared from the first gas by adding 0.5% hydrogen to the mixture, followed by an appropriate amount of oxygen to maintain a constant lambda of 1.3. In this case, hydrogen can be clearly detected by impedance measurement both in the fourth and fifth gas, which means that the signals or characteristic curves 168, 170 are additive. The signal corresponding to hydrogen is not overwritten by the signal for water.

Analoge Ergebnisse sind für Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid in 7 gezeigt. 7 zeigt Impedanzspektren, die bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 1,05 V gemessen wurden, für die oben genannten zweiten und dritten Gase sowie für ein sechstes und siebtes Gas. Auf der X-Achse 150 ist die reelle Impedanz ReZ in Ω aufgetragen. Auf der Y-Achse 152 ist die imaginäre Impedanz ImZ in Ω aufgetragen. Mit 166 ist dabei jeweils die Impedanz-Kennlinie des oben genannten zweiten Gases, mit 168 die Impedanz-Kennlinie des oben genannten dritten Gases, mit 174 die Impedanz-Kennlinie des sechsten Gases und mit 176 die Impedanz-Kennlinie des siebten Gases angegeben. Das sechste Gas wurde durch Zugabe von 0,5 % Kohlenmonoxid in das dritte Gas hergestellt, gefolgt von der Zugabe einer entsprechenden Menge Sauerstoff, um das konstante Lambda von 1,3 zu halten. Das siebte Gas wurde durch Zugabe von 0,5 % Kohlenmonoxid in das zweite Gas hergestellt, wiederum gefolgt von der entsprechenden Sauerstoffmenge, um das konstante Lambda von 1,3 zu halten. Die Signale sind auch im Fall von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid additiv. Jedoch zeigt ein Vergleich der 6 und 7, dass die Messempfindlichkeit für Wasserstoff höher als für Kohlenstoffmonoxid ist.Analogous results are found for carbon monoxide and carbon dioxide 7 shown. 7 shows impedance spectra, which were measured with an applied predetermined pump voltage U P of 1.05 V, for the above-mentioned second and third gases and for a sixth and seventh gas. The real impedance ReZ in Ω is plotted on the X-axis 150 . The imaginary impedance ImZ is plotted in Ω on the Y-axis 152 . 166 indicates the impedance characteristic of the above-mentioned second gas, 168 the impedance characteristic of the above-mentioned third gas, 174 the impedance characteristic of the sixth gas and 176 the impedance characteristic of the seventh gas. The sixth gas was prepared by adding 0.5% carbon monoxide to the third gas, followed by adding an appropriate amount of oxygen to maintain the constant lambda of 1.3. The seventh gas was prepared by adding 0.5% carbon monoxide to the second gas, again followed by the appropriate amount of oxygen to maintain the constant lambda of 1.3. The signals are also additive in the case of carbon monoxide and carbon dioxide. However, a comparison of 6 and 7 that the measurement sensitivity for hydrogen is higher than for carbon monoxide.

Der Grund, warum es möglich ist, sowohl Wasserstoff als auch Kohlenstoffmonoxid zu erfassen, auch wenn diese nicht zu Oxidionen durch die angelegte Pumpspannung reduziert werden können, liegt darin, dass diese Gase mit Sauerstoff an den platinhaltigen Pumpelektroden 134, 136 reagieren, um ein Gleichgewicht zu erreichen: CO + ½ O2 ↔CO2 (1) H2 + ½ O2 ↔ H2O (2) The reason it is possible to detect both hydrogen and carbon monoxide, even though these cannot be reduced to oxide ions by the applied pumping voltage, is because these gases react with oxygen at the platinum-containing pumping electrodes 134, 136 to achieve equilibrium to reach: CO + ½ O2 ↔CO2 (1) H2 + ½ O2H2O (2)

Wasser und Kohlenstoffdioxid, die durch diese Reaktion erzeugt wurden, werden dann an der zweiten Pumpelektrode 136 durch die angelegte Pumpgleichspannung reduziert, was zu den in den 6 und 7 gezeigten Signalen bzw. Kennlinien 174, 176 führt.Water and carbon dioxide generated by this reaction are then reduced at the second pumping electrode 136 by the applied DC pumping voltage, resulting in the in FIGS 6 and 7 shown signals or characteristics 174, 176 leads.

Man beachte, dass die zuvor beschriebenen beispielhaften Gasmischungen gemessen wurden, als die Nernstzelle 147 mit einem Lambda größer 1 eingeregelt wurde. Genauer wurden die Gasmischungen mit einem konstanten Lambda von 1,3 gemessen, was bedeutet, dass eine Zugabe eines reduzierenden Gases immer von einer Zugabe einer entsprechenden Menge an Sauerstoff gemäß den obigen Gleichungen (1) und (2) begleitet war. Der in allen angegebenen Gasmischungen vorliegende prozentuale Gehalt an nicht abreagiertem Sauerstoff, d. h. der ausgeglichene Prozentsatz, der von einer Lambdasonde gemessen wurde, ist konstant. Dies ist der richtige Ansatz, der Betriebsbedingungen in Verbrennungsprozessen widerspiegelt, bei denen eine Regelung auf ein konstantes Lambda die wesentliche Steuerungsmaßnahme ist.It should be noted that the exemplary gas mixtures described above were measured when the Nernst cell 147 was regulated with a lambda greater than 1. More precisely, the gas mixtures were measured with a constant lambda of 1.3, which means that addition of a reducing gas was always accompanied by addition of a corresponding amount of oxygen according to equations (1) and (2) above. The percentage of unreacted oxygen present in all specified gas mixtures, ie the compensated percentage as measured by an oxygen sensor was is constant. This is the correct approach, reflecting operating conditions in combustion processes where constant lambda control is the essential control measure.

Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen jeder Gaskomponente verwendet werden, die zu Oxidionen in dem sicheren Potentialbereich, d.h. bei einer Spannung unterhalb des oberen Endes des Plateaus für die Sauerstoffreduktion und unterhalb des Beginns der Reduktionsstufe der ZrO2-Zersetzung mit langsamer Kinetik, reduziert wird oder die zu Molekülen oxidiert wird, die wiederum unter diesen Bedingungen reduzierbar sind.In principle, the method according to the invention can be used to determine any gas component which is reduced to oxide ions in the safe potential range, ie at a voltage below the upper end of the plateau for oxygen reduction and below the start of the reduction stage of slow kinetic ZrO 2 decomposition or which is oxidized to molecules which in turn are reducible under these conditions.

Aus den obigen Erläuterungen ist klar, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen einer großen Bandbreite an Gasen unter Verwendung einer herkömmlichen Breitband-Lambdasonde verwendbar ist. Um die Geeignetheit des Verfahrens zum auch quantitativen Messen einer Konzentration der Gaskomponente zu bewerten, muss die Konzentrationsabhängigkeit bestimmter Komponenten von der komplexen Impedanz bei einer einzigen Frequenz analysiert werden. Da der größte Effekt verschiedener Gase auf die Impedanzspektren im niedrigen Frequenzbereich zu sehen ist, wo die diffusionsgetriebenen Prozesse manifestiert sind, wurde die Frequenz von 0,1 Hz hier als Betriebspunkt gewählt. Außer dem reellen Impedanzteil ReZ und dem imaginären Impedanzteil ImZ, die in den 5A bis 7 oben aufgetragen sind, kann die komplexe Impedanz in der polaren Form durch den Betrag |Z| (Abstand des Punkts vom Ursprung in der komplexen Ebene) und der Phasenwinkel Φ (Tangens des Winkels ist gleich dem imaginären Teil der Impedanz geteilt durch den reellen Teil) beschrieben werden.It is clear from the above explanations that the method according to the invention can be used to detect a wide range of gases using a conventional broadband lambda sensor. In order to evaluate the suitability of the method for also quantitatively measuring a concentration of the gas component, the concentration dependence of certain components on the complex impedance at a single frequency must be analyzed. Since the greatest effect of different gases on the impedance spectra can be seen in the low frequency range, where the diffusion-driven processes are manifested, the frequency of 0.1 Hz was chosen as the operating point here. Except for the real impedance part ReZ and the imaginary impedance part ImZ, which are included in the 5A until 7 plotted above, the complex impedance in the polar form can be represented by the magnitude |Z| (distance of the point from the origin in the complex plane) and the phase angle Φ (tangent of the angle is equal to the imaginary part of the impedance divided by the real part).

Tabelle 1 fasst Konzentrationsabhängigkeiten von allen vier Termen gemessen bei einer Frequenz von 0,1 Hz für Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff über einen konstanten Hintergrund von Wasser mit 2 % und Kohlenstoffmonoxid über einen einem konstanten Hintergrund von Kohlenstoffdioxid mit 3 % zusammen. Tabelle 1 Gas Up/V Konzentration / % ReZ / Ω ImZ/Ω |Z|/Ω Φ/Ω a) H2 0,9 0 1246 -3413 3633 -69,9 0,02 1227 -3324 3543 -69,7 0,05 1355 -3169 3447 -66,9 0,1 1693 -2693 3181 -57,8 0,5 1021 -296 1064 -16,1 1 575 -85 582 -8,4 b) CO 1,15 0 2411 -4675 5260 -62,7 0,04 2464 -4852 5442 -63,1 0,06 2472 -4923 5509 -63,3 0,1 2484 -4981 5565 -63,5 0,2 2611 -5039 5675 -62,6 0,3 2693 -5128 5793 -62,3 0,4 2778 -5096 5804 -61,4 0,5 2939 -5040 5834 -59,7 c)CO2 1,15 2 2606 -948 2773 -20,0 2,3 1998 -501 2060 -14,1 2,5 1754 -364 1791 -11,7 2,8 1486 -246 1506 -9,4 3 1420 -219 1437 -8,8 3,3 1286 -170 1297 -7,5 3,5 1211 -146 1219 -6,9 4 1073 -109 1079 -5,8 d) H2 mit Konstantem Hintergrund von 2 % H2O 0,9 0 1668 -928 1909 -29,1 0,02 1592 -823 1792 -27,3 0,05 1473 -673 1619 -24,5 0,1 1303 -502 1396 -21,1 0,5 668 -114 677 -9,7 1 462 -51 465 -6,3 e) CO mit konstantem Hintergrund von 3 % CO2 1,15 0 1460 -233 1478 -9,1 0,04 1412 -213 1428 -8,6 0,06 1395 -207 1410 -8,4 0,1 1359 -195 1373 -8,1 0,2 1321 -181 1334 -7,8 0,3 1262 -162 1272 -7,3 0,4 1217 -148 1226 -6,9 0,5 1176 -137 1184 -6,7 Table 1 summarizes concentration dependencies of all four terms measured at a frequency of 0.1 Hz for hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen over a constant background of water at 2%, and carbon monoxide over a constant background of carbon dioxide at 3%. Table 1 gas Up/V concentration / % ReZ / Ω ImZ/Ω |Z|/Ω Φ/Ω a) H2 0.9 0 1246 -3413 3633 -69.9 0.02 1227 -3324 3543 -69.7 0.05 1355 -3169 3447 -66.9 0.1 1693 -2693 3181 -57.8 0.5 1021 -296 1064 -16.1 1 575 -85 582 -8.4 b) CO 1:15 0 2411 -4675 5260 -62.7 0.04 2464 -4852 5442 -63.1 0.06 2472 -4923 5509 -63.3 0.1 2484 -4981 5565 -63.5 0.2 2611 -5039 5675 -62.6 0.3 2693 -5128 5793 -62.3 0.4 2778 -5096 5804 -61.4 0.5 2939 -5040 5834 -59.7 c) CO2 1:15 2 2606 -948 2773 -20.0 2.3 1998 -501 2060 -14.1 2.5 1754 -364 1791 -11.7 2.8 1486 -246 1506 -9.4 3 1420 -219 1437 -8.8 3.3 1286 -170 1297 -7.5 3.5 1211 -146 1219 -6.9 4 1073 -109 1079 -5.8 d) H 2 with constant background of 2% H 2 O 0.9 0 1668 -928 1909 -29.1 0.02 1592 -823 1792 -27.3 0.05 1473 -673 1619 -24.5 0.1 1303 -502 1396 -21.1 0.5 668 -114 677 -9.7 1 462 -51 465 -6.3 e) CO with a constant background of 3% CO 2 1:15 0 1460 -233 1478 -9.1 0.04 1412 -213 1428 -8.6 0.06 1395 -207 1410 -8.4 0.1 1359 -195 1373 -8.1 0.2 1321 -181 1334 -7.8 0.3 1262 -162 1272 -7.3 0.4 1217 -148 1226 -6.9 0.5 1176 -137 1184 -6.7

Tabelle 1: Abhängigkeiten der vier komplexen Impedanzterme von der Konzentration von a) Wasserstoff, b) Kohlenmonoxid, c) Kohlendioxid, d) Wasserstoff über konstanten Untergrund von Wasser (2 %) und e) Kohlenmonoxid über konstanten Untergrund von Kohlendioxid (3 %)Table 1: Dependencies of the four complex impedance terms on the concentration of a) hydrogen, b) carbon monoxide, c) carbon dioxide, d) hydrogen over constant background of water (2%) and e) carbon monoxide over constant background of carbon dioxide (3%)

Die Abhängigkeiten des Betrags und des Phasenwinkels sind auch graphisch in den 8A bis 8 und 9A bis 9E dargestellt. Analog zu den ersten bis siebten Gasen wurden all Gasmischungen mit einem konstanten Lambdawert erhalten mit 4,5 % Sauerstoffanteil gemessen durch die Referenzlambdasonde. Die Impedanzmessungen wurden mit einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 0,9 V für Wasserstoff und Wasser und mit einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 1,15 V für Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid durchgeführt.The dependencies of the magnitude and the phase angle are also shown graphically in FIGS 8A until 8th and 9A until 9E shown. Analogously to the first to seventh gases, all gas mixtures were obtained with a constant lambda value with 4.5% oxygen content measured by the reference lambda probe. The impedance measurements were carried out with an applied predetermined pump voltage UP of 0.9 V for hydrogen and water and with an applied predetermined pump voltage UP of 1.15 V for carbon monoxide and carbon dioxide.

Die 8A bis 8E zeigen Kennlinien für die Impedanzabhängigkeit von der Konzentration. Auf der X-Achse 150 ist Betrag |Z| der Impedanz in Ω aufgetragen. Auf der Y-Achse 152 ist die Konzentration in % aufgetragen. Mit 178 ist in 8A dabei die Impedanzbetrag-Kennlinie von Wasserstoff dargestellt. Mit 180 ist in 8B dabei die Impedanzbetrag-Kennlinie von Kohlenstoffmonoxid dargestellt. Mit 182 ist in 8C dabei die Impedanzbetrag-Kennlinie von Kohlenstoffdioxid dargestellt. Mit 184 ist in 8D dabei die Impedanzbetrag-Kennlinie von Wasserstoff vor dem Wasserhintergrund dargestellt. Mit 186 ist in 8E dabei die Impedanzbetrag-Kennlinie von Kohlenstoffmonoxid vor dem Kohlenstoffdioxidhintergrund dargestellt.The 8A until 8E show characteristic curves for the dependence of the impedance on the concentration. On the X-axis 150 is magnitude |Z| of the impedance in Ω. The concentration in % is plotted on the Y-axis 152 . With 178 is in 8A the impedance magnitude characteristic of hydrogen is shown. With 180 is in 8B the impedance magnitude characteristic of carbon monoxide is shown. With 182 is in 8C the impedance magnitude characteristic of carbon dioxide is shown. With 184 is in 8D the impedance magnitude characteristic of hydrogen is shown against the water background. With 186 is in 8E the impedance magnitude characteristic of carbon monoxide is shown against the carbon dioxide background.

Die 9A bis 9E zeigen Kennlinien für die Abhängigkeit des Phasenwinkels von der Konzentration. Auf der X-Achse 150 ist der Phasenwinkel Φ der Impedanz in ° (Grad) aufgetragen. Auf der Y-Achse 152 ist die Konzentration in % aufgetragen. Mit 188 ist in 9A dabei die Phasenwinkel-Kennlinie von Wasserstoff dargestellt. Mit 190 ist in 9B dabei die Phasenwinkel-Kennlinie von Kohlenstoffmonoxid dargestellt. Mit 192 ist in 9C dabei die Phasenwinkel-Kennlinie von Kohlenstoffdioxid dargestellt. Mit 194 ist in 9D dabei die Phasenwinkel-Kennlinie von Wasserstoff vor dem Wasserhintergrund dargestellt. Mit 196 ist in 9E dabei die Phasenwinkel-Kennlinie von Kohlenstoffmonoxid vor dem Kohlenstoffdioxidhintergrund dargestellt.The 9A until 9E show characteristic curves for the dependence of the phase angle on the concentration. The phase angle Φ of the impedance in ° (degrees) is plotted on the X-axis 150 . The concentration in % is plotted on the Y-axis 152 . With 188 is in 9A the phase angle characteristic of hydrogen is shown. With 190 is in 9B the phase angle characteristic of carbon monoxide is shown. With 192 is in 9C the phase angle characteristic of carbon dioxide is shown. With 194 is in 9D the phase angle characteristic of hydrogen is shown against the water background. With 196 is in 9E the phase angle characteristic of carbon monoxide is shown against the carbon dioxide background.

Wie in den 8A bis 9E sowie Tabelle 1 gesehen werden kann, sind die Terme der komplexen Impedanz nicht-linear abhängig von der Konzentration aller untersuchten Gase. Dabei ist interessant, dass die Konzentrationsabhängigkeiten des Betrags (8A bis 8E) konvexen Charakter im Fall von Wasser, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid haben, während sie konkaven Charakter im Fall von Kohlenstoffmonoxid in dem gemessenen Konzentrationsbereich haben. Tatsächlich scheint die für Wasserstoff gemessene Kurve 178, 188 ihre Krümmung von konkav bei sehr niedrigen Konzentrationen zu konvex bei höheren Konzentrationen zu ändern. Die Form der Kurve wird wahrscheinlich durch eine Kombination von Diffusionsrate und Konzentration des jeweiligen Gases beeinflusst mit einem Anstieg dieser Mengen, die zu einer konvexeren Form der Kurve führen. Die Konzentrationsabhängigkeit von Kohlenstoffmonoxid gemessen über einen Hintergrund von Kohlenstoffdioxid stütz diese Schlussfolgerung, da der relativ hohe konstante Gehalt an Kohlenstoffdioxid den Impendanzbetrag verringert, während die Form der für Kohlenstoffmonoxid gemessenen Kurve geändert wird. Die 9A bis 9E zeigen, dass die Konzentrationsabhängigkeiten des Phasenwinkels Trends in ihrer konkaven Form gegenläufig zu den Konzentrationsabhängigkeiten des Betrags folgen, und dass die Zunahme der Gasdiffusionsrate und Konzentration zu einer konkaveren Form der Kurven führt. As in the 8A until 9E and Table 1, the complex impedance terms are non-linearly dependent on the concentration of all gases under study. It is interesting that the concentration dependencies of the amount ( 8A until 8E ) have convex character in the case of water, hydrogen and carbon dioxide, while they have concave character in the case of carbon monoxide in the measured concentration range. In fact, the curve 178, 188 measured for hydrogen appears to change curvature from concave at very low concentrations to convex at higher concentrations. The shape of the curve is likely affected by a combination of diffusion rate and concentration of the gas in question, with increases in these amounts resulting in a more convex shape of the curve. The concentration dependence of carbon monoxide measured over a Hin The background of carbon dioxide supports this conclusion since the relatively high constant level of carbon dioxide reduces the impedance magnitude while changing the shape of the curve measured for carbon monoxide. The 9A until 9E show that the concentration dependencies of phase angle follow trends in their concave shape in the opposite direction to the concentration dependencies of magnitude, and that increasing gas diffusion rate and concentration leads to a more concave shape of the curves.

Es konnte oben somit gezeigt werden, dass die Konzentrationsabhängigkeiten für verschiedene reduzierbare und oxidierbare Gase gemessen werden können, wenn die Gaskomponente, an der Interesse besteht, die einzige weitere Komponente in der Gasmischung außer Sauerstoff und Stickstoff ist oder wenn eine bekannte Menge eines anderen messbaren Gases vorliegt. Die Situation wird komplizierter, wenn die Mischung aus einer Kombination von Gasen in unbekannten Konzentrationen besteht.It could thus be shown above that the concentration dependencies for different reducible and oxidizable gases can be measured when the gas component of interest is the only other component in the gas mixture besides oxygen and nitrogen or when a known amount of another measurable gas is present present. The situation becomes more complicated when the mixture consists of a combination of gases in unknown concentrations.

Der Unterschied zwischen der Empfindlichkeit der Messung gegenüber der Konzentration von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid ist in 10 gezeigt. 10 zeigt Impedanzspektren, die bei einer angelegten vorbestimmten Pumpspannung UP von 1,05 V gemessen wurden, für das oben genannte zweite Gas und ein achtes Gas. Das achte Gas enthielt 2,5 % Kohlendioxid und 0,5 % Kohlenmonoxid. Damit blieb der gesamte Kohlenstoffgehalt gegenüber dem zweiten Gas gleich. Der Sauerstoffgehalt im achten Gas wurde so eingestellt, dass das konstante Lambda von 1,3 wie bei den anderen Gasen erhalten blieb.The difference between the sensitivity of the measurement to the concentration of carbon monoxide and carbon dioxide is in 10 shown. 10 Figure 12 shows impedance spectra measured with an applied predetermined pumping voltage U P of 1.05 V for the above second gas and an eighth gas. The eighth gas contained 2.5% carbon dioxide and 0.5% carbon monoxide. The total carbon content remained the same as in the second gas. The oxygen content in the eighth gas was adjusted to maintain the constant lambda of 1.3 as with the other gases.

Auf der X-Achse 150 ist die reelle Impedanz ReZ in Ω aufgetragen. Auf der Y-Achse 152 ist die imaginäre Impedanz ImZ in Ω aufgetragen. Mit 166 ist dabei jeweils die Impedanz-Kennlinie des oben genannten zweiten Gases, mit 198 die Impedanz-Kennlinie des oben genannten achten Gases gemeint. Die Gesamt-Kohlenstoffkonzentration enthalten in Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid ist bei beiden Gasmischungen dieselbe, was bedeutet, dass es, falls die Empfindlichkeit des Verfahrens für sowohl Kohlenstoffmonoxid als auch Kohlenstoffdioxid identisch wäre, keinen Unterschied in dem Signal 166 des zweiten Gases und in dem Signal 198 des achten Gases geben sollte. 10 zeigt, dass die Empfindlichkeit des Verfahrens für Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid tatsächlich unterschiedlich ist. Da der Unterschied in dem niedrigen Frequenzbereich der Spektren sichtbar ist, wird er hauptsächlich dem Unterschied zwischen den Diffusionsraten von Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoffmonoxid zugeordnet. Da der Gesamt-Kohlenstoffgehalt bei beiden Gasen gleich war, ist auch im Falle einer vollständigen Umsetzung des CO zu CO2 im achten Gas die CO2-Konzentration im achten Gas genauso groß wie die CO2-Konzentration im zweiten Gas. Damit scheidet eine unterschiedliche CO2-Konzentration als Erklärung der unterschiedlichen Impedanzspektren aus.The real impedance ReZ in Ω is plotted on the X-axis 150 . The imaginary impedance ImZ is plotted in Ω on the Y-axis 152 . 166 in each case means the impedance characteristic of the second gas mentioned above, and 198 means the impedance characteristic of the eighth gas mentioned above. The total carbon concentration contained in carbon dioxide and carbon monoxide is the same for both gas mixtures, which means that if the sensitivity of the method for both carbon monoxide and carbon dioxide were identical, there would be no difference in the signal 166 of the second gas and in the signal 198 of the eighth gas should give. 10 shows that the sensitivity of the method is actually different for carbon monoxide and carbon dioxide. Since the difference is visible in the low frequency range of the spectra, it is mainly attributed to the difference between the diffusion rates of carbon dioxide and carbon monoxide. Since the total carbon content was the same for both gases, the CO 2 concentration in the eighth gas is the same as the CO 2 concentration in the second gas, even if the CO to CO 2 in the eighth gas is completely converted. A different CO 2 concentration is therefore ruled out as an explanation for the different impedance spectra.

Der Unterschied in den Diffusionsraten von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid und in den entsprechenden Empfindlichkeiten ist jedoch nicht ausreichend groß, um eine zuverlässige Messung mit einer herkömmlichen Lambdasonde zu erlauben, falls beide Gase in unbekannten Konzentrationen vorliegen. Das heißt, dass die Messung begrenzt auf die Fälle bleibt, in denen nur eines dieser Gase in einer unbekannten Konzentration vorliegt.However, the difference in the diffusion rates of carbon monoxide and carbon dioxide and in the respective sensitivities is not large enough to allow a reliable measurement with a conventional oxygen sensor when both gases are present in unknown concentrations. This means that the measurement is limited to cases where only one of these gases is present in an unknown concentration.

Ein größerer Unterschied der Empfindlichkeiten ist wahrscheinlich im Fall eines analogen Paars an Gasmischungen mit Wasser und Wasserstoff zu sehen, da der Unterschied zwischen den Diffusionsraten von Wasser und Wasserstoff viel größer als derjenige von Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid ist. In diesem Fall ist die gleichzeitige Messung von diesen zwei Gasen wahrscheinlich zuverlässiger. Außerdem kann das Paar Wasser/ Wasserstoff von dem Paar Kohlenstoffmonoxid / Kohlenstoffdioxid unterschieden werden, da das zuerst genannte Paar unter Verwendung einer niedrigeren Pumpgleichspannung gemessen wird, bei der das zuletzt genannte Paar überhaupt nicht erfasst wird, wie in den 4 und 5 gezeigt ist.A larger difference in sensitivities is likely to be seen in the case of an analogous pair of gas mixtures containing water and hydrogen, since the difference between the diffusion rates of water and hydrogen is much larger than that of carbon monoxide and carbon dioxide. In this case, the simultaneous measurement of these two gases is likely to be more reliable. In addition, the water/hydrogen pair can be distinguished from the carbon monoxide/carbon dioxide pair since the former pair is measured using a lower DC pumping voltage at which the latter pair is not detected at all, as in FIGS 4 and 5 is shown.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2009030547 A1 [0007]WO 2009030547 A1 [0007]

Claims (10)

Verfahren zum Bestimmen einer Gas-Konzentration einer Gaskomponente in einem Gas mittels eines Sensorelements (114), wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (116) mit wenigstens zwei durch mindestens einen Festelektrolyten (118) miteinander verbundenen Pumpelektroden (134, 136) aufweist, wobei eine erste Pumpelektrode (134) dem Gas aussetzbar und eine zweite Pumpelektrode (136) durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere (128) von dem Gas getrennt und in einem Hohlraum (130) in dem Festelektrolyten (118) angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst: - Anlegen einer vorbestimmten Pumpspannung (UP) an die Pumpzelle (116), wobei die vorbestimmte Pumpspannung (UP) kleiner als eine Pumpspannung für einen Grenzstromfall ist, - Anlegen einer Mess-Wechselspannung (Uz) an die Pumpzelle (116) während des Anlegens der vorbestimmten Pumpspannung (UP), - Messen einer Impedanz (Z) der Pumpzelle (116) und - Bestimmen der Gas-Konzentration der Gaskomponente in dem Gas basierend auf der gemessenen Impedanz (Z) der Pumpzelle (116).Method for determining a gas concentration of a gas component in a gas by means of a sensor element (114), the sensor element (114) having at least one pump cell (116) with at least two pump electrodes (134, 136) connected to one another by at least one solid electrolyte (118). , wherein a first pumping electrode (134) is exposable to the gas and a second pumping electrode (136) is separated from the gas by at least one porous diffusion barrier (128) and is arranged in a cavity (130) in the solid electrolyte (118), the method comprising : - application of a predetermined pump voltage ( UP ) to the pump cell (116), the predetermined pump voltage ( UP ) being smaller than a pump voltage for a limit current case, - application of a measuring AC voltage (U z ) to the pump cell (116) during the application of the predetermined pump voltage ( UP ), - measuring an impedance (Z) of the pump cell (116) and - determining the gas concentration of the gas component in the gas end on the measured impedance (Z) of the pump cell (116). Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Anlegen der Mess-Wechselspannung (Uz) einen Mess-Wechselstrom durch die Pumpzelle (116) induziert, wobei die Impedanz (Z) als Widerstand gegen den induzierten Mess-Wechselstrom gemessen wird.Method according to the preceding claim, wherein the application of the measuring AC voltage (U z ) induces a measuring AC current through the pump cell (116), the impedance (Z) being measured as resistance to the induced measuring AC current. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Variieren einer Höhe der vorbestimmten Pumpspannung (UP) in Abhängigkeit von der Art der zu bestimmenden Gaskomponente.Method according to one of the preceding claims, further comprising varying a level of the predetermined pump voltage ( UP ) depending on the type of gas component to be determined. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Höhe der Pumpspannung (UP) so eingestellt wird, dass diese größer als eine für einen Reduktionsbeginn oder spaltungsbeginn der zu bestimmenden Gaskomponente erforderliche Pumpspannung (UP) ist.Method according to the preceding claim, wherein the magnitude of the pump voltage ( UP ) is set such that it is greater than a pump voltage ( UP ) required for the start of reduction or start of splitting of the gas component to be determined. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren zum Bestimmen der Konzentration mehrere verschiedener Gaskomponenten Anlegen mehrerer verschiedener Pumpspannungen (UP) und Messen der Impedanz (Z) der Pumpzelle (116) bei den verschiedenen angelegten Pumpspannungen (UP) umfasst.Method according to one of the two preceding claims, wherein the method for determining the concentration of several different gas components comprises applying several different pump voltages ( UP ) and measuring the impedance (Z) of the pump cell (116) at the different applied pump voltages ( UP ). Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Höhe der angelegten Pumpspannungen (UP) ansteigt.Method according to one of the two preceding claims, in which the level of the pump voltages ( UP ) applied increases. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vorbestimmte Pumpspannung (UP) kleiner als 1,2 V ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the predetermined pump voltage (U P ) is less than 1.2 V. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement weiterhin eine Nernstzelle aufweist, wobei das Verfahren weiterhin Einregeln der Nernstzelle auf ein Lambda größer 1,0 umfasst.Method according to one of the preceding claims, wherein the sensor element also has a Nernst cell, wherein the method further comprises adjusting the Nernst cell to a lambda greater than 1.0. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Frequenz der Mess-Wechselspannung (Uz) von 0,05 Hz bis 10 Hz, bevorzugter von 0,07 Hz bis 5,0 Hz und noch bevorzugter von 0,08 Hz bis 3,0 Hz ist.Method according to one of the preceding claims, wherein a frequency of the measuring AC voltage (U z ) is from 0.05 Hz to 10 Hz, more preferably from 0.07 Hz to 5.0 Hz and even more preferably from 0.08 Hz to 3.0 Hz is. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gaskomponente mindestens eine Gaskomponente ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoff.A method according to any one of the preceding claims, wherein the gas component is at least one gas component selected from the group consisting of water, hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and nitrogen.
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