EP3155411A1 - Verfahren zum betrieb einer sensorvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer sensorvorrichtung

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Publication number
EP3155411A1
EP3155411A1 EP15729362.2A EP15729362A EP3155411A1 EP 3155411 A1 EP3155411 A1 EP 3155411A1 EP 15729362 A EP15729362 A EP 15729362A EP 3155411 A1 EP3155411 A1 EP 3155411A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
electrode
measuring
current
determined
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP15729362.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Ledermann
Ronaldi Rusli
Rolf Reischl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3155411A1 publication Critical patent/EP3155411A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor

Definitions

  • Sensor device known. With such a sensor device, a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of a gas, in particular a detection of a gas component in an air-fuel mixture.
  • a sensor device Alternatively or additionally, however, other properties of the gas can also be detected with such a sensor device, for example any physical and / or chemical property of the gas.
  • several properties of the gas can be detected in principle. In particular, such
  • the gas may be, for example, an exhaust gas in a measuring gas chamber of an internal combustion engine, in particular in the motor vehicle sector, and in the measuring gas chamber
  • an exhaust tract for example, an exhaust tract.
  • Such sensor devices may include a sensor element for detecting at least a portion of a gas component of a gas.
  • a sensor element can be designed as a lambda probe as described in Konrad Reif (ed.) "Sensors in the Motor Vehicle", 2nd edition 2012, pages 160-165
  • a lambda probe can be used to determine a gas component of a gas mixture in a combustion chamber, for example the air ratio ⁇ , which indicates the air / fuel ratio.
  • a broadband lambda probe which generally operates on the principle of a pumping cell, preferably connected to a Nernst electrochemical cell, a determination can be made over a large range of ⁇ .
  • Such ceramic sensor elements are based on the use of electrolytic properties certain solids, in particular on ion-conducting properties of these
  • These sensor elements usually comprise a ceramic
  • Solid electrolyte preferably of zirconium and / or yttrium or also
  • Solid state layers preferably of zirconium dioxide.
  • Such a pumping cell may consist of two connected via a solid electrolyte
  • Electrodes in particular an inner and an outer pumping electrode, are formed.
  • the sensor device can have a controller which is set up to apply a pumping current to the pumping cell.
  • a sensor element can be operated with a direct current or in a pulse mode.
  • DE 10 2008 001 697 A1 describes that the pumping current is a
  • Duty cycle and an adjustable sign can be.
  • Sensor element with such a pumping current can as pulse operation of
  • suppression capacitances for protection for example against static
  • an electronics of the sensor device may be provided. From DE 10 2010 000 663 A1 is known that for the attenuation of radio frequency interference and
  • High voltage inputs between signal lines of the broadband lambda probe and the earth capacitors may be provided.
  • a charge transfer current flows in part via the pump cell of the sensor element and increases or decreases the pump current and must be taken into account in a characteristic calibration.
  • Switch positions Z_1 and Z_2 thereby enable an edge-triggered measurement of the voltage drop U G ND across the resistor R G ND for calibration of the charge-over correction.
  • the reloading of the capacitors is due to the flow of current through the
  • the voltage drop across the resistor R G ND voltages U gua for the switching position Z_1 and U gui for the switching position Z_2 therefore contain Umladeine.
  • T sd is the duration of the measurement conversion (integration time)
  • T p is the duration of the clock period of the pulse operation
  • R G ND s is the nominal value of a resistor.
  • T p and T m are each the duration of exposure of the sensor device with a positive or with a negative current pulse.
  • the sensor device can be subjected to three switching states, wherein in a first switching state, the sensor device with a positive
  • the sensor device with a negative current pulse and in a third switching state, the sensor device with a pulse pause, in which the sensor device is supplied with no current, can be acted upon.
  • the sensor device can be subjected to a pulse pause, for example with a fixed time duration of 185 ⁇ . Subsequently, the sensor device can be acted upon with a further switching state, for example with a negative current pulse. Then again, the
  • the duration of the pulse pause can be variable and, for example, be between 0 and 301 ⁇ .
  • the sensor device can be subjected to a further switching state, for example with a positive current pulse.
  • a duration of a switching state with a positive or a negative current pulse can be variable.
  • the duration can be between 90 and 391 ⁇ . Any change in the switching state can cause a charge reversal voltage swing at the suppression capacitors.
  • the amount of charge per Umladehub can be a difference of
  • Voltages at the suppression capacitors between two switching states can be determined. In each case, a voltage at the end of a switching state for
  • Switching state change can be made from the voltage difference dUsx between two
  • the sensor element with different current pulse patterns can be applied, for example with a pulse counter-pulse current pulse pattern (timing mode 1) or with a current pulse patterns with only negative pulses (timing mode 2).
  • timing mode 1 a correction formula for the recharging current
  • U ref is the reference value of the reference voltage of the sensor device and U p0 is the value of the pump voltage in the pulse pause
  • U i2 and U a2 are voltage values at the end of a switching state, for example, a switching state with a negative
  • Correction formulas can basically be used for the capacitance values of the suppression capacities.
  • a sensor device can be understood as any device which is set up to detect a proportion of a gas component, in particular in a gas mixture, for example in a measuring gas space such as, for example, an exhaust gas tract of an internal combustion engine.
  • the sensor device has at least one sensor element for detecting at least a portion of one
  • a sensor element for detecting at least a portion of a gas component in a gas may be understood to be an element which, for example, is part of a
  • Sensor device is set up or can contribute to a share of
  • the sensor element may in particular be a ceramic
  • Be sensor element in particular a ceramic sensor element with a
  • the sensor element can be a planar ceramic
  • Gas component can be a qualitative and / or quantitative detection of a
  • Gas component of the gas to be understood can be set up to detect any physical and / or chemical property of the gas, for example a temperature and / or a pressure of the gas and / or particles in the gas. Other properties are basically detectable.
  • the gas can basically be any gas, for example exhaust gas, air, an air-fuel mixture or even another gas.
  • the invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the gas can be, in particular, an air-fuel mixture.
  • a measuring gas space can be understood as meaning a space in which the gas to be detected is located.
  • the invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measuring gas chamber can be, in particular, an exhaust gas tract of an internal combustion engine.
  • the sensor element comprises at least a first electrode and at least one second electrode.
  • the term "first" and "second" electrode are considered pure Designations used and in particular give no information about a
  • Under an electrode may generally be an electrically conductive region of the
  • the first and the second electrode may in particular be designed as metal-ceramic electrodes, that is to say as so-called cermet electrodes, in particular as platinum cermet electrodes.
  • the second electrode is arranged in at least one measuring cavity.
  • a measuring cavity can be understood as a cavity within the sensor element which can be set up to receive a supply of a gas component of the gas.
  • the measuring cavity can be configured completely or partially open.
  • the measuring cavity can be completely or partially filled, for example with a porous medium, for example with porous alumina.
  • the second electrode may be configured as an inner pumping electrode.
  • the measuring cavity is at least one diffusion barrier with gas from the
  • a diffusion barrier can be understood as meaning a layer of a material which promotes or enables a diffusion of a gas and / or fluid and / or ions, but suppresses a flow of the gas and / or fluid.
  • the diffusion barrier may have a porous ceramic structure, in particular a porous ceramic structure with specifically set pore radii.
  • the diffusion barrier may have a diffusion resistance, wherein the diffusion resistance is to be understood as the resistance which the diffusion barrier opposes to a diffusion flow.
  • the first electrode and the second electrode are connected via at least one solid electrolyte and form a pumping cell.
  • a solid electrolyte may in particular be a ceramic solid electrolyte, for example zirconium dioxide, in particular yttrium-stabilized zirconium dioxide (YSZ) and / or scandium-doped zirconium dioxide (ScSZ).
  • the solid electrolyte may preferably be gas-impermeable and / or may ensure ionic transport, for example ionic oxygen transport.
  • the first and the second electrode can be an electrically conductive region, for example an electrically conductive metallic coating, which can be applied to the at least one solid electrolyte and / or in another way Can contact solid electrolyte.
  • a voltage in particular a pumping voltage
  • the sensor device furthermore has at least one controller.
  • a control can be understood as a device that is set up
  • the control can be central or decentralized.
  • Control may comprise at least one data processing device
  • At least one processor in particular at least one
  • the controller may for example be wholly or partially integrated into another device, for example in a control unit and / or in a
  • the sensor element may have at least one interface which can be connected to the controller.
  • the controller may also be completely or partially integrated into the sensor element or, alternatively, be integrated in whole or in part in other components of the sensor arrangement, for example in a plug.
  • a first signal line can be understood to mean any connection of the controller and the first electrode which is set up, at least one signal, in particular a current signal and / or a voltage signal, from the controller to the first electrode and / or from the first electrode to Transfer control.
  • the first signal line may be wholly or partly designed as a supply line and / or a cable and / or a switch.
  • Supply line can be realized, for example, wholly or partly as a supply line in a layer structure.
  • the controller is connected to the second electrode via at least one second signal line.
  • a second signal line can basically any
  • connection of the control and the second electrode are understood, which is adapted to transmit at least one signal, in particular a current signal and / or a voltage signal, from the controller to the second electrode and / or from the second electrode to the controller.
  • the second signal line may also be configured entirely or partially as a supply line and / or as a cable and / or switch.
  • the first signal line is connected to an electrical ground via at least one first interference suppression capacitance c1.
  • the second signal line is connected to the electrical ground via at least one second interference suppression capacitance c2.
  • Under an electrical ground can basically be understood an electrically conductive component having a reference potential, in particular a potential of 0 volts.
  • the designation as "first" and as "second" suppression capacity is used as a pure name and in particular gives no information about an order and / or whether, for example, further suppression capacities are available. Under the first and the second
  • Noise suppression capacity can basically be understood as meaning any electrical capacitors which are set up to dampen radio frequency interference and high voltage inputs, in particular to conduct radio frequency interference and high voltage inputs against the electrical ground and thus to ensure protection, for example against static charges.
  • At least one of the first signal line and the second signal line and the electrical ground is further arranged at least one measuring resistor.
  • a measuring resistor can in principle be understood any ohmic resistance at which a current and / or voltage measurement can be performed.
  • the first signal line and / or the second signal line can be connected to the electrical ground via the measuring resistor.
  • at least one switch can be provided in a connection comprising the measuring resistor between the first and / or the second signal line and the electrical ground.
  • a switch can be understood to mean any component, in particular an electrically conductive component, which is set up with the first and / or second signal line
  • measuring resistor and the electrical ground, in particular electrically, and / or a compound of the first and / or second signal line with the
  • the switch can connect the first and / or second signal line to the measuring resistor and the electrical ground and, in an open state, disconnect the first and / or second signal line from the measuring resistor and the electrical ground.
  • the measuring resistor and the second suppression capacitance c2 can be connected in parallel.
  • a functional current can be understood to mean any current which, in principle, can have any desired profile.
  • Function stream comprise at least one current pulse, more preferably, the functional stream having a pulsed periodic profile.
  • the functional current can be selected from the group consisting of: a sinusoidal functional current, a rectangular current, a triangular current, a sawtooth current.
  • the functional flow can also have a different course.
  • "operating the pump cell with a functional current” can be understood as meaning that the controller can be set up to apply the functional current to the pump cell, in particular the first and / or the second electrode
  • the functional current can furthermore have at least one pulse pause, wherein in a pulse pause the pump cell is not acted upon by a current pulse.
  • the controller may include switches, preferably, the controller may include a plurality of switches.
  • the switch described above may be provided in a connection between the second signal line and the electrical ground comprising the measuring resistor.
  • a second switch may be provided in a connection between the sensor element and a reference voltage source described in more detail below.
  • a switching state can in principle by a state of the electronic components, in particular a state of at least two switches, and / or by a
  • Flow direction of the pumping current can be defined.
  • the first interference suppression capacity c1 and the second interference suppression capacity c2 can basically a
  • the suppression capacitances can be taken into account.
  • the further operation of the sensor device can be corrected by the suppression capacitors caused overshoot.
  • the first and the second suppression capacity can be reloaded in a pulsed operation of the probe depending on an application with a positive or a negative pulse.
  • Such transhipment can lead to an additional current, in particular a recharging current, which can increase or decrease the pumping current.
  • Such changes in the pumping current can too
  • a characteristic curve of the sensor device can be understood as meaning a dependence of the pumping voltage on the air ratio ⁇ .
  • the method may include the following steps:
  • a) a first measuring step wherein in the first measuring step, the pumping cell with a first switching state, z 0 , is applied, wherein in the first measuring step, a pumping voltage U p0 is detected and a first voltage U g o is determined at the measuring resistor, wherein in the first measuring step further a voltage Uc a o between the first electrode and the electrical ground and a voltage Uc i0 between the second electrode and the electrical ground is determined;
  • a voltage Uc a 2 between the first electrode and the measuring resistor and a voltage Uc i2 between the second electrode and the measuring resistor is determined, wherein further in the second switching state, a voltage U gua is detected at the measuring resistor and a charge amount Q gua of the charging current is determined from an overshoot;
  • a third measuring step wherein in the third measuring step, the pumping cell with a third switching state, z 1; is applied, wherein in the third measuring step, a voltage Uc a1 between the first electrode and the measuring resistor and a voltage Uc M between the second electrode and the measuring resistor is determined, and wherein a voltage U gui on the Measuring resistance is detected and a charge amount Q gU i of the charging current is determined from an overshoot.
  • the method steps can be carried out, for example, in the order mentioned. But also a different order is possible. In principle, one or more or all process steps can also be carried out repeatedly.
  • the terms "first measuring step”, “second measuring step” and “third measuring step” are used as a pure name and in particular give no information about an order and / or whether, for example, further measuring steps are available.
  • the pumping voltage U p0 can be detected at one end of a pulse pause of the functional current .
  • An end of a pulse pause can be understood as meaning a time within a pulse pause before a new pause
  • Action is taken with a current pulse.
  • the sensor element In the first switching state, the sensor element can be charged with a reference voltage.
  • Switching state can be understood as a currentless state, in particular a state of a pulse break, in which the pumping cell is not acted upon by a current pulse.
  • the second switch in the first switching state, may have a closed state and thus the sensor element with a
  • the reference voltage in the pulse pause can basically be chosen so that the voltage is greater than the largest possible negative polarization of the pumping cell. Thus, it can be prevented that a potential of the first electrode falls below the potential of the electrical ground.
  • the reference voltage may be greater than 2V.
  • the reference voltage can be 3.3V.
  • the sensor device may comprise an analog-to-digital converter having a reference voltage of 3.3V.
  • Voltage determination can be voltages between other elements of the
  • the voltage Uc i0 between the second electrode and the electrical ground may be equal to
  • the voltage Uc a o between the first electrode and the electrical ground may be the sum of the reference voltage and the pumping voltage U p0 .
  • the voltage Uc a 2 and the voltage Uc i2 can be determined after a transient process.
  • the voltage Uc a i and the voltage Ucn can after a Transient process can be determined. Under a transient process may be a period of time until reaching a pump voltage value, which a
  • Deviation less than 20% of a steady state value of the pumping voltage preferably a deviation of less than 15% and particularly preferably a deviation of less than 10% of a steady state value of the pumping voltage, be understood.
  • a final state of the first switching state would basically have to be measured.
  • an accurate measurement of the final state can not be done.
  • Voltage values take place, for example an averaging over 70 ⁇ .
  • the resulting detection error may be due to a depolarization movement of the
  • a measuring cycle can be understood as meaning a period in which at least one of the method steps a) -c) can be carried out.
  • the method steps a) -c) can all be carried out within one measuring cycle or can be carried out individually in each case in one measuring cycle.
  • a measuring cycle 666 may preferably be long.
  • the first electrode In the second switching state, the first electrode may be connected to the measuring resistor. In particular, in one comprising the measuring resistor
  • the sensor element In the second switching state, the sensor element can be subjected to a negative current pulse, so that the pumping current flows from the second electrode to the first electrode.
  • the pump cell In the second switching state, the pump cell can be acted upon by a current pulse of the functional current, in particular a negative pulse, and wherein the
  • a positive pulse can be understood to mean a pulse in which the current flows from the first electrode to the second electrode and via a switch to the measuring resistor.
  • a negative pulse the current flows from the second electrode to the first electrode and via a switch to the measuring resistor.
  • a recharge of Entstörkapazticianen can in particular take place when switching between different switching states.
  • the second electrode may be connected to the measuring resistor.
  • the first switch may be closed and a
  • the sensor element can be acted upon by a positive current pulse so that the pumping current flows from the first electrode to the second electrode.
  • the pumping cell with a current pulse of the
  • a charge amount Q gua of the charge- reversal current can be determined from overshoot.
  • an area under a time course of an overshoot may be proportional to the charge amount of the charge-reversal current.
  • the voltage U gua can be determined by integrating a voltage signal over a pulse duration.
  • the voltage U gua can be determined by integration over an integration time of at most 100 ⁇ , preferably of at most 80 ⁇ and particularly preferably of about 71 ⁇ , for example 70 ⁇ 5 ⁇ .
  • the integration time may be 71 ⁇ .
  • an integration time which is longer than 71 ⁇ may be possible in principle.
  • Sensor device may comprise a sigma-delta converter.
  • the sigma-delta converter can be set up to integrate a voltage signal detected at the measuring resistor over a period of time, in particular over the integration time.
  • the integration can take place starting with the application of a switch-on edge.
  • a switch-on edge can be understood to mean a behavior of the pump voltage when the current pulse is acted upon. From the voltage U gua thus determined, that can
  • the sensor device may comprise at least one power source, which may be arranged at all
  • the current source can be a constant current source.
  • Deviations such as a voltage transition of the at least one power source can Generate measurement errors.
  • the difference of the voltages U g0 and Ug Ua can be proportional to the charge amount of the charge- reversal current.
  • the conversion time may be 70 ⁇ .
  • the sensor device may be configured to perform a determination of the charge quantities Q gu and Q gua .
  • the sensor device can be set up
  • Process step a) - c) perform.
  • the sensor device can be set up to control a starting time for a measuring cycle and / or a change between the switching states, preferably to precisely control ⁇ seconds.
  • the sensor device may comprise a combination of an analog low-pass filter and a delta-sigma converter.
  • an analog integrator could be used with its final value sampled and AD converted.
  • the method may further comprise the following steps:
  • a first determining step wherein a difference dUc i2 of the voltage Uc i0 and the voltage Uc i2 and a difference dUc a 2 of the voltage Uc a o and the voltage Uc a2 is determined;
  • a second determining step wherein a difference dUc M of the voltage Uc i0 and the voltage Uc M and a difference dUc a1 of the voltage Uc a0 and the voltage Uc a1 are determined;
  • the method steps can be carried out, for example, in the order mentioned. But also a different order is possible. In principle, one or more or all process steps can also be carried out repeatedly.
  • the terms "first determining step”, “second determining step” and “third determination step” are used as a pure name and in particular give no information about an order and / or about whether, for example, more determination steps are available.
  • the suppression capacitances d and c 2 can be determined by solving a linear system of equations. In particular, the
  • a current which is as small as possible can be understood as meaning a current of less than 16 mA, preferably less than 12.5 mA, and particularly preferably of 10 mA.
  • the sensor device can have an adjustable current source, which makes it possible to regulate the current for operating the sensor element and thus enables an adjustment.
  • the sensor element can be operated with a current of 10 mA. Other currents are possible.
  • the measuring resistor can in this
  • the preferred embodiment may have a resistance of 100 ⁇ , and a resistance of the sensor element may be 26 ⁇ , for example. However, other resistances are possible.
  • the voltage U ci (1/2), for example, from 3.3 V to 1, 26 V are reloaded. Other voltages are possible.
  • Switching state be chosen so that a pump voltage measurement performed can be.
  • a duration of the pulse pause in comparison to the entire measurement cycle is not too large.
  • the duration of the pulse pause may amount to 15%, preferably 10% and particularly preferably 5%, of the measurement cycle.
  • the pump voltage over several switching cycles the pump voltage make no changes, since the voltage values to be detected can be distributed over several cycles over time.
  • the sensor device may comprise a sigma-delta converter, the method having a non-linearity correction.
  • real sigma-delta converters can not reproduce non-linear signals linearly but only distorted compared to an ideal sigma-delta converter signal, so that a nonlinearity correction of the voltage values may be necessary.
  • the non-linearity correction can be carried out with a correction function, which can depend on the interference suppression capacities.
  • the correction function can be performed by comparing a real sigma-delta converter with a simulated, ideal sigma-delta converter. To a mode of operation of the sigma-delta converter also during the
  • Correction step a determination of uncorrected interference suppression capacities with an uncorrected sigma-delta converter signal and a nonlinearity correction with the non-corrected interference suppression capacitances are performed.
  • corrected differences of the voltage values (U gui - U g0 ) and (U gua - U g o) can be determined and a determination of corrected interference suppression capacities can be made.
  • these correction steps can be carried out individually or both repeatedly to achieve a desired accuracy of the nonlinearity correction.
  • a sensor device is proposed. The sensor device has at least one sensor element for
  • the sensor element comprises at least one first electrode and at least one second electrode, wherein the second electrode is arranged in at least one measuring cavity.
  • the measuring cavity is over at least one
  • the first electrode and the second electrode are connected via at least one solid electrolyte and form a pumping cell.
  • the sensor device furthermore has at least one controller, which is connected to the first electrode via at least one first signal line.
  • the controller is connected to the second electrode via at least one second signal line.
  • the first signal line is connected to an electrical ground via at least one first interference suppression capacitance c1.
  • the second signal line is connected to the electrical ground via at least one second interference suppression capacitance c2.
  • At least one measuring resistor is arranged between the electrical ground and at least one of the first signal line and the second signal line.
  • the controller is set up to operate the pump cell with a functional stream.
  • the sensor device is set up to carry out a method according to one of the embodiments mentioned above or below.
  • the controller may be set up to perform the method, for example programmatically.
  • the controller may be set up to perform the method, for example programmatically.
  • the sensor device reference may accordingly be made to the above description of the method.
  • the invention further relates to computer programs which are adapted to perform each step of the inventive method, electronic storage medium on which such a computer program is stored and electronic
  • Control devices comprising such an electronic storage medium.
  • Suppressor capacities are taken into account in a characteristic calibration. Furthermore, can such use of the sensor device also for applications in which
  • Figure 1 A - 1 C an equivalent circuit diagram of a sensor device in three switching states for
  • FIG. 2 shows a schematic overview of a determination of a charge-reversal current
  • Figure 3A - 3C time course of a pumping current, voltage waveform across a first and second electrode and the course of a voltage difference of
  • FIGS. 1A-1C show an equivalent circuit diagram of a sensor device 110 in three switching states for carrying out a method according to the invention.
  • the sensor arrangement 1 10 has at least one sensor element 1 12 for detecting at least a portion of a gas component in a gas in a measuring gas chamber 1 14.
  • the measuring gas chamber 14 may in particular be an exhaust gas tract of an internal combustion engine and the gas may be an exhaust gas.
  • the sensor element 12 may be configured to determine a proportion of oxygen in the gas.
  • the sensor element 1 12 comprises at least a first electrode 1 16 and a second electrode 1 18.
  • the first electrode 1 16 may, for example, as an outer
  • the first electrode 1 18 can be acted upon with gas from the measuring gas chamber 1 14 and be connected, for example, with a gas-permeable layer with the measuring gas chamber 1 14.
  • the second electrode 1 18 is arranged in at least one measuring cavity 120, which is not shown here.
  • the measuring cavity 120 is connected to the measuring gas chamber 14 via at least one diffusion barrier 122.
  • the sensor element may have a gas inlet channel.
  • the Measuring cavity 120 may be designed to be completely or partially open and may be constructed in several parts.
  • the measuring cavity 120 may be completely or partially filled, for example, with porous alumina.
  • the second electrode 1 18 may be designed as an internal pumping electrode the equivalent circuit diagrams of Figures 1 A - 1 C as IPE
  • the first electrode 1 16 and the second electrode 1 18 are connected via at least one solid electrolyte 124 (also not shown here), for example of yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and / or scandium-doped zirconia (ScSZ).
  • solid electrolyte 124 also not shown here
  • YSZ yttrium-stabilized zirconia
  • ScSZ scandium-doped zirconia
  • the first electrode 16 and the second electrode 118 form a pumping cell 126.
  • the sensor device 110 further has at least one controller 128.
  • the controller 128 may be wholly or partially integrated into the sensor element 1 12, or alternatively be integrated in whole or in part in another component, for example in a plug and / or a motor control.
  • the controller 128 is connected to the first electrode 1 16 via at least one first signal line 130.
  • the controller 128 is connected via at least one second signal line 132 to the second electrode.
  • the first signal line 130 is connected to an electrical ground 136 via at least one first interference suppression capacitance c1, identified by the reference numeral 134.
  • the second signal line 132 is connected to the electrical ground 136 via at least one second interference suppression capacitance c2, identified by the reference numeral 138.
  • at least one measuring resistor 140 is furthermore arranged.
  • the first signal line 130 and / or the second signal line 132 can via the
  • Measuring resistor 140 to be connected to the electrical ground 136. Preferably, in a connection comprising the measuring resistor 140 between the first
  • Signal line 130 and / or the second signal line 132 and the electrical ground 136 at least one switch 142 may be provided.
  • Suppression capacity c1 134, and / or the measuring resistor 140 and the suppression capacity c2 138 may be connected in parallel.
  • the controller 128 may be configured to operate the pumping cell 126 with a functional current, in particular a pulsed square-wave current. In the method, by applying the pumping cell 128 with a plurality of different switching states, the first suppressing capacitance c1, 134, and the second suppressing capacitance c2, 138 are determined.
  • FIG. 1A shows a first switching state 144.
  • the inventive method may include a first measuring step in which the pumping cell 126 is acted upon by the first switching state 144.
  • the first switching state 144 may be a de-energized state; in particular, the pumping cell 126 may be acted upon by the first switching state 144 during a pulse pause of the functional current.
  • the first electrode 1 16 can be acted upon by a current source 145.
  • a pump voltage U p0 can be detected and a first measuring step.
  • Voltage U g0 be determined on the measuring resistor 140.
  • the arrow 146 indicates the direction of the pumping voltage U p0 .
  • the pumping voltage U p0 can be detected at one end of a pumping pause of the functional current.
  • a voltage Uc a o between the first electrode 1 16 and the electrical ground 136 and a voltage Uc i0 between the second electrode 1 18 and the electrical ground 136 can be determined.
  • the sensor element 1 12, in particular the second electrode 1 18, are subjected to a reference voltage.
  • Reference voltage source 148 which is adapted to pressurize the sensor element 1 12 with a reference voltage.
  • the reference voltage may be 3.3V.
  • a switch 150 may be arranged, wherein in a closed state of the switch 150, the reference voltage source 148 and the sensor element 1 12 are connected.
  • Arrow 152 indicates the direction of the pumping current.
  • FIG. 1B shows a second switching state 154.
  • the method according to the invention can comprise a second measuring step in which the pumping cell 126 can be acted upon by the second switching state 154.
  • the pumping cell 126 can be acted upon by a current pulse of the functional current, in particular a negative pulse, with the first interference suppression capacitance c1 134 and the second interference suppression capacitance c2 138 being transferred.
  • the first signal line 130 may be connected to the measuring resistor 140, wherein the switch 142 between the first signal line and the measuring resistor 140 may be closed.
  • a voltage Uc a2 between the first electrode 1 16 and the measuring resistor 140 and a voltage Uc i2 between the second electrode 1 18 and the measuring resistor 140 can be determined.
  • the voltage Uc a2 and the voltage Uc i2 can be determined after a transient process.
  • a second voltage U gua can be detected at the measuring resistor 140 and a charge quantity Q gua of the recharging current can be detected from a
  • the determination of the charge quantity Q gua of the charge- reversal current is shown schematically in FIG. In the left-hand column of FIG. 2, a possible time profile of the voltage across the measuring resistor is shown. This voltage signal can
  • Signal component 156 may be a function, such as here a
  • the function current to be the following voltage signal of the voltage U g0 , which is shown in the middle column of Figure 2 as a thick solid line.
  • a second signal component 158 may be the overshoot caused by a recharge of the suppression capacitors 134, 138.
  • Signal component 158 is shown in the middle column of Figure 2 as a thin solid line.
  • the voltage U gua can be determined by integration of the voltage signal over a pulse duration. In particular, the voltage U gua through
  • Integration over an integration time are determined, which corresponds for example to a minimum pulse duration of a current pulse.
  • the pulse duration of a current pulse may be, for example, 90 ⁇ to 391 ⁇ . However, other pulse durations are possible in principle.
  • the sensor device 110 may comprise a sigma-delta converter.
  • the sigma-delta converter may be configured to supply the voltage signal over a period of time,
  • the integration can take place starting with the application of a switch-on edge.
  • the voltage signal without overshoot in particular the first signal component, can be subtracted.
  • the difference 160 of the voltages U g0 and U gua is shown in the left-hand column of FIG. 2 as a thick dashed line and may be proportional to the charge quantity Q gua of the charge- reversal current .
  • FIG. 1C shows a third switching state 162.
  • the inventive method may include a third measuring step, in which the pumping cell 126 with the third Switching state 162 is applied. In the third switching state 162, the
  • a voltage Uc a i between the first electrode 1 16 and the measuring resistor 140 and a voltage Uc n between the second electrode 1 18 and the measuring resistor 140 can be determined.
  • the voltage Uc a i and the voltage Ucn can be determined after a transient process.
  • a voltage U gui on the measuring resistor 140 can be detected and a charge quantity Q gui of the charge- reversal current can be determined from an overshoot.
  • a determination of the charge quantity Q gui can analogously to the determination outlined in FIG.
  • Switching between the various switching states can occur, in particular, between the first switching state 144 and the second switching state 154, the second switching state 154 and the first switching state 144, the first switching state 144 and the third switching state 154 and the third switching state 162 and the first switching state 144.
  • the method can be a first
  • the method may include a second determining step wherein a difference dUc M of the voltage Uc i0 and the voltage Ucn and a difference dUc a i of the voltage Uc a0 and the voltage Uc a i is determined. Furthermore, the method may have a third determination step, wherein the suppression capacitances d and c 2 are determined. In the third determination step, the suppression capacitances d 134 and c 2 138 can be determined by solving a linear system of equations.
  • FIG. 3A shows the time profile of the pumping current with which the sensor element 12 can be acted upon.
  • the sensor element 1 12 can be operated in pulse mode, in which in this embodiment, the pumping cell 126 is acted upon by a pulsed current.
  • positive and negative current pulses of the functional current in this case a square-wave current, can be recognized in FIG. 3A.
  • FIG. 3C shows the profile of a voltage difference AU between the first electrode 16 and the second electrode 118. Both the pump current in FIG. 3A and the voltage difference in FIG. 3C show overshoots, deviations from the rectangular function, due to charge-reversal currents of the suppressor capacitors 134, 138.
  • FIG. 3C illustrates the time profile of the voltages U x determined in the method according to the invention.
  • the curve 164 shows the profile of the voltage at the
  • Measuring resistor 140 falling voltage The curve 166 or the curve 168 shows the profile of the voltage between the electrical ground 136 and the first electrode 1 16 and the second electrode 1 18.
  • the sensor element 1 12 can be acted upon by the first switching state 144.
  • the voltage Uc i0 between the second electrode 1 18 and the electrical ground 136 is denoted by the reference numeral 170 and the voltage Uc a o between the first electrode 16 and the electrical ground 136 is designated by the reference numeral 172.
  • the sensor element 1 12 can be acted upon by the second switching state 154.
  • the voltage Uc a2 between the first electrode 1 16 and the measuring resistor 140 is denoted by the reference numeral 174 and the voltage Uc i2 between the second electrode 1 18 and the measuring resistor 140 is designated by the reference numeral 176.
  • the sensor element 1 12 can be repeatedly applied to the first switching state 144. Further, at the time t3, the sensor element 1 12 can be acted upon by the third switching state 162.
  • the voltage Uc a i between the first electrode 1 16 and the measuring resistor 140 is denoted by the reference numeral 178 and the voltage Uc n between the second electrode 1 18 and the measuring resistor 140 is designated by the reference numeral 180.
  • the suppression capacitors 134, 138 Pulsed operation with a pulsed loading of the pumping cell 126 with current and / or voltage, the suppression capacitors 134, 138 can be considered and
  • the interference suppression capacitors 134, 138 can be taken into account when determining a characteristic curve of the sensor device 1 10.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betrieb einer Sensorvorrichtung (110) vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung (110) weist mindestens ein Sensorelement (112) zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas in einem Messgasraum (114) auf. Das Sensorelement (112) umfasst mindestens eine erste Elektrode (116) und mindestens eine zweite Elektrode (118). Die zweite Elektrode (118) ist in mindestens einem Messhohlraum (120) angeordnet. Der Messhohlraum (120) ist über mindestens eine Diffusionsbarriere (122) mit Gas aus dem Messgasraum (114) beaufschlagbar. Die erste Elektrode (116) und die zweite Elektrode (118) sind über mindestens einen Festelektrolyten (124) verbunden und bilden eine Pumpzelle (126). Die Sensorvorrichtung (110) weist weiterhin mindestens eine Steuerung (128) auf. Die Steuerung (128) ist über mindestens eine erste Signalleitung (130) mit der ersten Elektrode (116) verbunden. Die Steuerung (128) ist über mindestens eine zweite Signalleitung (132) mit der zweiten Elektrode (118) verbunden. Die erste Signalleitung (130) ist über mindestens eine erste Entstörkapazität c1 (134) mit einer elektrischen Masse (136) verbunden. Die zweite Signalleitung (132) ist über mindestens eine zweite Entstörkapazität c2 (138) mit der elektrischen Masse (136) verbunden. Zwischen der elektrischen Masse (136) und mindestens einer der ersten Signalleitung (130) und der zweiten Signalleitung (132) ist mindestens ein Messwiderstand (140) angeordnet. Die Steuerung (128) ist eingerichtet, die Pumpzelle (126) mit einem Funktionsstrom zu betreiben. Bei dem Verfahren werden durch Beaufschlagung der Pumpzelle (126) mit mehreren verschiedenen Schaltzuständen die erste Entstörkapazität c1 (134) und die zweite Entstörkapazität c2 (138) bestimmt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betrieb einer Sensorvorrichtunq Stand der Technik Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich Verfahren zum Betrieb einer
Sensorvorrichtung bekannt. Mit einer solchen Sensorvorrichtung kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente eines Gases erfolgen, insbesondere eine Erfassung einer Gaskomponente in einem Luft-Kraftstoff-Gemisch. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Gases mit einer solchen Sensorvorrichtung erfassbar, beispielsweise eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases. Auch mehrere Eigenschaften des Gases können grundsätzlich erfasst werden. Insbesondere können derartige
Sensorvorrichtungen im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden. Bei dem Gas kann es sich beispielsweise um ein Abgas in einem Messgasraum einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, und bei dem Messgasraum
beispielsweise um einen Abgastrakt.
Derartige Sensorvorrichtungen können ein Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente eines Gases aufweisen. Beispielsweise kann ein Sensorelement wie in Konrad Reif (Hrsg.)„Sensoren im Kraftfahrzeug", 2. Auflage 2012, Seite 160-165, beschrieben als Lambda-Sonde ausgestaltet sein. Die Lambda-Sonde kann sowohl als Zweipunkt-Lambda-Sonde als auch als Breitband-Lambda-Sonde, insbesondere als eine planare Breitband-Lambda-Sonde, ausgestaltet sein. Mit einer Lambda-Sonde kann ein Gasanteil eines Gasgemisches in einem Brennraum bestimmt werden, beispielsweise die Luftzahl λ, die das Luft-Kraftstoff-Verhältnis angibt. Mit
Zweipunkt-Lambda-Sonden ist eine Bestimmung des Luft- Kraftstoff- Verhältnisses nur in einem engen Bereich, bei stöchiometrischen Gemischen (λ=1 ), möglich. Dagegen kann mit einer Breitband-Lambda-Sonde, welche in der Regel nach dem Prinzip einer Pumpzelle, vorzugsweise verbunden mit einer elektrochemischen Nernst-Zelle, arbeiten, eine Bestimmung über einen großen Bereich von λ erfolgen. Derartige keramische Sensorelemente basieren auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper, insbesondere auf ionenleitenden Eigenschaften dieser
Festkörper. Diese Sensorelemente umfassen meist einen keramischen
Festkörperelektrolyt bevorzugt aus Zirkonium und/oder Yttrium oder auch
Festkörperschichten bevorzugt aus Zirkoniumdioxid.
Eine derartige Pumpzelle kann aus zwei über einen Festelektrolyten verbundene
Elektroden, insbesondere eine innere und eine äußere Pumpelektrode, gebildet werden. Grundsätzlich kann die Sensorvorrichtung eine Steuerung aufweisen, welche eingerichtet ist, die Pumpzelle mit einem Pumpstrom zu beaufschlagen. Beispielsweise kann ein Sensorelement mit einem Gleichstrom oder in einem Pulsbetrieb betrieben werden.
Beispielsweise beschreibt DE 10 2008 001 697 A1 , dass der Pumpstrom ein
impulsförmiger Pumpstrom mit einer festen Frequenz, einem veränderbaren
Tastverhältnis und einem einstellbaren Vorzeichen sein kann. Ein Betrieb eines
Sensorelements mit einem derartigen Pumpstrom kann als Pulsbetrieb des
Sensorelements bezeichnet werden.
Grundsätzlich können in Signalleitungen, beispielsweise in einem Kabelbaum der Sensorvorrichtung, Entstörkapazitäten zum Schutz, beispielsweise vor statischen
Aufladungen, einer Elektronik der Sensorvorrichtung vorgesehen sein. Aus DE 10 2010 000 663 A1 ist bekannt, dass zur Dämpfung von Hochfrequenzstörungen und
Hochspannungseinträgen zwischen Signalleitungen der Breitband-Lambdasonde und der Erde Kondensatoren vorgesehen sein können. Bei einem Pulsbetrieb des
Sensorelements können diese Kapazitäten ständig umgeladen werden. Ein Umladestrom fließt zu einem Teil über die Pumpzelle des Sensorelements und erhöht bzw. verringert den Pumpstrom und muss bei einer Kennlinienkalibrierung berücksichtigt werden.
Weiter wird in DE 10 2010 000663 A1 ein Verfahren zur Kalibrierung einer
Umladekorrekturkennlinie beschrieben. Durch einen periodischen Wechsel zwischen zwei Schaltzuständen Z_1 und Z_2 wird bewirkt, dass an einem inneren
Pumpelektrodenanschluss IPE und an einem äußeren Pumpelektrodenanschluss APE der Breitbandlambdasonde ein impulsförmiger Pumpstrom lSQ anliegt. Die
Schaltstellungen Z_1 und Z_2 ermöglichen dabei eine flankengetriggerte Messung des Spannungsabfalls U GND über dem Widerstand RGND zur Kalibrierung der Umladekorrektur. Der Umladevorgang der Kondensatoren bildet sich auf den Stromfluss über den
Widerstand RGND ab. Die über den Widerstand RGND abfallenden Spannungen Ugua für die Schaltstellung Z_1 und Ugui für die Schaltstellung Z_2 enthalten daher Umladeinformationen. Der Umladestrom dlum ist der wichtigste Anteil zur Kalibrierung und wird in DE 10 2010 000663 A1 durch dlum = Fum-(Ugui - Ugua / RGNDS) berechnet, mit Fum = Tsd / Tp. Dabei ist Tsd die Dauer der Messwandlung (Integrationszeit), Tp die Dauer der Taktperiode des Pulsbetriebs und RGNDs der Sollwert eines Widerstands.
Grundsätzlich kann ohne Berücksichtigung des Umladestroms lpum ein mittlerer
Pumpstrom lp0 aus einem gestellten, effektiven Tastverhältnis IPS und dem gemessenen Strom einer Konstantstromquelle der Sensorvorrichtung lsq berechnet werden: lp0 = IPS- lsq, wobei das effektive Tastverhältnis IPS = (Tp -Tm)/ Tcydus ist. Tcydus ist dabei die Zeitdauer eines Messzyklus, beispielsweise kann Tcydus = 666 με betragen. Tp und Tm sind jeweils die Zeitdauer einer Beaufschlagung der Sensorvorrichtung mit einem positiven bzw. mit einem negativen Strompuls. Mit Berücksichtigung des Umladestroms lpum kann ein durchschnittlicher Pumpstrom lp aus lp = lp0 + lpum bestimmt werden. In dem Messzyklus kann die Sensorvorrichtung mit drei Schaltzuständen beaufschlagt werden, wobei in einem ersten Schaltzustand die Sensorvorrichtung mit einem positiven
Strompuls, in einem zweiten Schaltzustand die Sensorvorrichtung mit einem negativen Strompuls und in einem dritten Schaltzustand die Sensorvorrichtung mit einer Pulspause, in welcher die Sensorvorrichtung mit keinem Strom beaufschlagt wird, beaufschlagt werden kann. Beispielsweise kann zunächst die Sensorvorrichtung mit einer Pulspause beaufschlagt werden, beispielsweise mit einer festen Zeitdauer von 185 με. Anschließend kann die Sensorvorrichtung mit einem weiteren Schaltzustand, beispielsweise mit einem negativen Strompuls beaufschlagt werden. Wiederum anschließend kann die
Sensorvorrichtung mit einer weiteren Pulspause beaufschlagt werden. Die Dauer der Pulspause kann dabei variabel sein und beispielsweise zwischen 0 und 301 με betragen. Nach der Pulspause kann die Sensorvorrichtung mit einem weiteren Schaltzustand beaufschlagt werden, beispielsweise mit einem positiven Strompuls. Eine Dauer eines Schaltzustands mit einem positiven oder einem negativen Strompuls kann dabei variabel sein. Beispielsweise kann die Dauer zwischen 90 und 391 με betragen. Jede Änderung des Schaltzustands kann einen Umladespannungshub an den Entstörkapazitäten verursachen. Die Ladungsmenge pro Umladehub kann aus einer Differenz der
Spannungen an den Entstörkapazitäten zwischen zwei Schaltzuständen bestimmt werden. Dabei kann jeweils eine Spannung am Ende eines Schaltzustands zur
Bestimmung der Differenz verwendet werden. Eine Ladungsmenge dQsx pro
Schaltzustandsänderung kann aus der Spannungsdifferenz dUsx zwischen zwei
Schaltzuständen multipliziert mit einem jeweiligen Kapazitätswert der Entstörkapazität cn bestimmt werden: dQsx = cn -dUsx. Der durchschnittliche Umladestrom lumsx einer Schaltzustandsänderung kann aus lumsx = dQsx / TcyC|US bestimmt werden. Werden nun alle Umladungen, deren Strom durch das Sensorelement fließt addiert, kann der gesamt Umladestrom lpum durch das Sensorelement bestimmt werden. Dieser Umladestrom kann bei der Berechnung des Sondenstroms berücksichtigt werden, insbesondere kann eine Korrektur des Sondenstroms erfolgen. Beispielsweise kann in dem Pulsbetrieb das Sensorelement mit verschiedenen Strom-Impulsmustern (Timingmode) beaufschlagt werden, beispielsweise mit einem Puls-Gegenpuls Strom-Impulsmuster (Timingmode 1 ) oder mit einem Strom-Impulsmustern mit nur negativen Impulsen (Timingmode 2). In dem Timingmode 1 kann eine Korrekturformel für den Umladestrom
lpum = [d (Ui2 -Uref) + ca (Ua2 - Uref - Up0)] / Tcydus sein, wobei Uref der Sollwert der Referenzspannung der Sensorvorrichtung und Up0 der Wert der Pumpspannung in der Pulspause ist. Ui2 und Ua2 sind Spannungswerte am Ende eines Schaltzustands, beispielsweise einem Schaltzustand mit einem negativen
Strompuls, wobei die Spannung Ua2 zwischen der äußeren Elektrode und einer Masse gemessen werden kann und die Spannung Ui2 zwischen der inneren Elektrode und der Masse gemessen werden kann. Weiter sind c, und ca Kapazitätswerte der
Entstörkapazitäten. In dem Timingmode 2 kann eine Korrekturformel für den Umladestrom lpum = [d (Ui2 + Ui4 - 2-Uref) -2 ca (Ua2 + Uref + Up0)] / Tcydus sein, wobei Ui4 ein Spannungswerte am Ende eines Schaltzustands ist, beispielsweise einem Schaltzustand mit einem positiven Strompuls. Zur Bestimmung der
Korrekturformeln können grundsätzlich für die Kapazitätswerte der Entstörkapazitäten Sollwerte der Bauteile eingesetzt werden.
Derartige bekannte Verfahren zur Kalibrierung, insbesondere der Kennlinienkalibrierung, sind abhängig von Kapazitätswerten der Entstörkapazitäten. Grundsätzlich können für diese Kapazitätswerte Sollwerte der Bauteile eingesetzt werden. Hierbei werden jedoch nicht Exemplarstreuungen, ein möglicher Temperaturgang und auch nicht eine mögliche Langzeitdrift der Kapazitätswerte berücksichtigt. Für Anwendungen kann jedoch eine Pumpstromgenauigkeit von kleiner als ± 10 μΑ gefordert sein. Bei Kapazitätstoleranzen von bis zu ± 30 % bei λ=1 kann eine Kalibrierung mittels der Sollwerte der
Entstörkapazitäten zu Pumpstrom-Ungenauigkeiten führen. So können Überschwinger in einem Spannungsverlauf, insbesondere im Spannungsverlauf einer Pumpspannung auftreten, welche für Anwendungen nicht akzeptabel sein können. Offenbarung der Erfindung Es wird daher ein Verfahren zum Betrieb einer Sensorvorrichtung vorgeschlagen, welches die zu erwartenden Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere soll eine Pumpstromgenauigkeit von kleiner als ± 10 μΑ erreicht werden. Unter einer Sensorvorrichtung kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, einen Anteil einer Gaskomponente zu erfassen, insbesondere in einem Gasgemisch, beispielsweise in einem Messgasraum wie beispielsweise einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine. Die Sensorvorrichtung weist mindestens ein Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils einer
Gaskomponente in einem Gas in einem Messgasraum auf. Unter einem Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas kann ein Element verstanden werden, welches, beispielsweise als Bestandteil einer
Sensorvorrichtung, eingerichtet ist oder dazu beitragen kann, einen Anteil einer
Gaskomponente eines Gases zu detektieren. Hinsichtlich möglicher Ausgestaltungen des Sensorelements kann grundsätzlich auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Das Sensorelement kann insbesondere ein keramisches
Sensorelement sein, insbesondere ein keramisches Sensorelement mit einem
Schichtaufbau. Insbesondere kann das Sensorelement ein planares keramisches
Sensorelement sein. Unter einer Erfassung mindestens eines Anteils einer
Gaskomponente kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer
Gaskomponente des Gases verstanden werden. Grundsätzlich kann das Sensorelement jedoch eingerichtet sein, eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Gases zu erfassen, beispielsweise eine Temperatur und/oder ein Druck des Gases und/oder Partikel in dem Gas. Auch andere Eigenschaften sind grundsätzlich erfassbar. Das Gas kann grundsätzlich ein beliebiges Gas sein, beispielsweise Abgas, Luft, ein Luft- Kraftstoff-Gemisch oder auch ein anderes Gas. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Gas insbesondere um ein Luft- Kraftstoff-Gemisch handeln kann. Allgemein kann unter einem Messgasraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das zu erfassende Gas befindet. Die
Erfindung ist wie oben ausgeführt insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann. Auch andere Anwendungen sind jedoch denkbar. Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode. Die Bezeichnung„erste" und„zweite" Elektrode werden als reine Bezeichnungen verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine
Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Elektroden vorhanden sind. Unter einer Elektrode kann allgemein ein elektrisch leitender Bereich des
Sensorelements verstanden werden, welcher beispielsweise mit Strom oder Spannung beaufschlagt werden kann. Die erste und die zweite Elektrode können insbesondere als Metall-Keramik-Elektroden, also als so genannte Cermet-Elektroden, insbesondere als Platin-Cermet-Elektroden, ausgestaltet sein.
Die zweite Elektrode ist in mindestens einem Messhohlraum angeordnet. Unter einem Messhohlraum kann ein Hohlraum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, welcher eingerichtet sein kann, einen Vorrat einer Gaskomponente des Gases aufzunehmen. Der Messhohlraum kann ganz oder teilweise offen ausgestaltet sein. Weiter kann der Messhohlraum ganz oder teilweise gefüllt sein, beispielsweise mit einem porösen Medium, beispielsweise mit porösem Aluminiumoxid. Beispielsweise kann die zweite Elektrode als eine innere Pumpelektrode ausgestaltet sein.
Der Messhohlraum ist über mindestens eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem
Messgasraum beaufschlagbar. Unter einer Diffusionsbarriere kann eine Schicht aus einem Material verstanden werden, welches eine Diffusion eines Gases und/oder Fluides und/oder Ionen fördert oder ermöglicht, aber eine Strömung des Gases und/oder Fluides unterdrückt. Die Diffusionsbarriere kann insbesondere eine poröse keramische Struktur aufweisen, insbesondere eine poröse keramische Struktur mit gezielt eingestellten Porenradien aufweisen. Die Diffusionsbarriere kann einen Diffusionswiderstand aufweisen, wobei unter dem Diffusionswiderstand der Widerstand zu verstehen ist, welchen die Diffusionsbarriere einer Diffusionsströmung entgegensetzt.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über mindestens einen Festelektrolyten verbunden und bilden eine Pumpzelle. Bei einem Festelektrolyten kann es sich insbesondere um einen keramischen Festelektrolyten handeln, beispielsweise um Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Der Festelektrolyt kann vorzugsweise gasundurchlässig sein und/oder kann einen ionischen Transport, beispielsweise einen ionischen Sauerstofftransport, gewährleisten. Insbesondere kann es sich bei der ersten und der zweiten Elektrode um einen elektrisch leitfähigen Bereich handeln, beispielsweise eine elektrisch leitfähige metallische Beschichtung, welcher auf den mindestens einen Festelektrolyten aufgebracht werden kann und/oder in anderer Weise den Festelektrolyten kontaktieren kann. Insbesondere kann durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Pumpspannung, an die erste und die zweiten Elektrode Sauerstoff durch die Diffusionsbarriere hindurch aus dem Gas in den Messhohlraum hinein- oder herausgepumpt werden.
Die Sensorvorrichtung weist weiterhin mindestens eine Steuerung auf. Unter einer Steuerung kann eine Vorrichtung verstanden werden, die eingerichtet ist, das
Sensorelement zu betreiben. Die Steuerung kann zentral oder dezentral sein. Die
Steuerung kann mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung umfassen,
beispielsweise mindestens einen Prozessor, insbesondere mindestens einen
Mikrokontroller. Die Steuerung kann beispielsweise ganz oder teilweise in eine andere Vorrichtung integriert sein, beispielsweise in ein Steuergerät und/oder in ein
Motorsteuergerät. Das Sensorelement kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, welche mit der Steuerung verbunden werden kann. Beispielsweise kann die Steuerung auch ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein oder alternativ ganz oder teilweise in andere Komponenten der Sensoranordnung, beispielsweise in einem Stecker, integriert sein.
Die Steuerung ist über mindestens eine erste Signalleitung mit der ersten Elektrode verbunden. Unter einer ersten Signalleitung kann grundsätzlich eine beliebige Verbindung der Steuerung und der ersten Elektrode verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens ein Signal, insbesondere ein Stromsignal und/oder ein Spannungssignal, von der Steuerung zu der ersten Elektrode und/oder von der ersten Elektrode zur Steuerung zu übertragen. Beispielsweise kann die erste Signalleitung ganz oder teilweise als eine Zuleitung und/oder ein Kabel und/oder ein Schalter ausgestaltet sein. Zuleitung kann beispielsweise ganz oder teilweise als Zuleitung in einem Schichtaufbau realisiert sein.
Die Steuerung ist über mindestens eine zweite Signalleitung mit der zweiten Elektrode verbunden. Unter einer zweiten Signalleitung kann grundsätzlich eine beliebige
Verbindung der Steuerung und der zweiten Elektrode verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens ein Signal, insbesondere ein Stromsignal und/oder ein Spannungssignal, von der Steuerung zu der zweiten Elektrode und/oder von der zweiten Elektrode zur Steuerung zu übertragen. Beispielsweise kann die zweite Signalleitung ebenfalls ganz oder teilweise als Zuleitung und/oder als Kabel und/oder Schalter ausgestaltet sein. Die erste Signalleitung ist über mindestens eine erste Entstörkapazität c1 mit einer elektrischen Masse verbunden. Die zweite Signalleitung ist über mindestens eine zweite Entstörkapazität c2 mit der elektrischen Masse verbunden. Unter einer elektrischen Masse kann grundsätzlich ein elektrisch leitendes Bauteil verstanden werden, welches ein Bezugspotenzial aufweist, insbesondere ein Potenzial von 0 Volt. Die Bezeichnung als „erste" und als„zweite" Entstörkapazität wird als reine Bezeichnung verwendet und gibt insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise weitere Entstörkapazitäten vorhanden sind. Unter der ersten und der zweiten
Entstörkapazität können grundsätzlich beliebige elektrische Kondensatoren verstanden werden, welche eingerichtet sind, Hochfrequenzstörungen und Hochspannungseinträge zu dämpfen, insbesondere Hochfrequenzstörungen und Hochspannungseinträge gegen die elektrische Masse zu leiten und so einen Schutz, beispielsweise vor statischen Aufladungen, zu gewährleisten. Zwischen mindestens einer der ersten Signalleitung und der zweiten Signalleitung und der elektrischen Masse ist weiterhin mindestens ein Messwiderstand angeordnet. Unter einem Messwiderstand kann grundsätzlich ein beliebiger ohmscher Widerstand verstanden werden, an welchem eine Strom- und/oder Spannungsmessung durchgeführt werden kann. Die erste Signalleitung und/oder die zweite Signalleitung kann über den Messwiderstand mit der elektrischen Masse verbindbar sein. Bevorzugt kann in einer den Messwiderstand umfassenden Verbindung zwischen der ersten und/oder der zweiten Signalleitung und der elektrischen Masse mindestens ein Schalter vorgesehen sein. Unter einem Schalter kann ein beliebiges, insbesondere elektrisch leitendes, Bauteil verstanden werden, welches eingerichtet ist, die erste und/oder zweite Signalleitung mit dem
Messwiderstand und der elektrischen Masse zu verbinden, insbesondere elektrisch, und/oder eine Verbindung der ersten und/oder zweiten Signalleitung mit dem
Messwiderstand und der elektrischen Masse zu trennen. Beispielsweise kann der Schalter in einem geschlossenen Zustand die erste und/oder zweite Signalleitung mit dem Messwiderstand und der elektrischen Masse verbinden und in einem geöffneten Zustand die erste und/oder zweite Signalleitung von dem Messwiderstand und der elektrischen Masse trennen.
Der Messwiderstand und die zweite Entstörkapazität c2 können parallel geschaltet sein. Insbesondere können gleichnamige Pole des Messwiderstands und der zweiten
Entstörkapazität c2 miteinander verbunden sein. Der Messwiderstand und die erste Entstörkapazität c1 können parallel geschaltet sein. Die Steuerung ist eingerichtet, die Pumpzelle mit einem Funktionsstrom zu betreiben. Unter einem Funktionsstrom kann grundsätzlich ein beliebiger Strom verstanden werden, welcher grundsätzlich einen beliebigen Verlauf haben kann. Bevorzugt kann der
Funktionsstrom mindestens einen Strompuls aufweisen, besonders bevorzugt kann der Funktionsstrom einen gepulsten periodischen Verlauf aufweisen. Beispielsweise kann der Funktionsstrom ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem sinusförmigen Funktionsstrom, einem Rechteckstrom, einem Dreiecksstrom, einem sägezahnförmigen Strom. Grundsätzlich kann der Funktionsstrom auch einen anderen Verlauf aufweisen. Unter„die Pumpzelle mit einem Funktionsstrom zu betreiben" kann grundsätzlich verstanden werden, dass die Steuerung eingerichtet sein kann, die Pumpzelle, insbesondere die erste und/oder die zweite Elektrode, mit dem Funktionsstrom zu beaufschlagen. Bevorzugt kann die Pumpzelle mit positiven und/oder negativen Pulsen beaufschlagt werden. Der Funktionsstrom kann weiterhin mindestens eine Pulspause aufweisen, wobei in einer Pulspause die Pumpzelle mit keinem Strom-Puls beaufschlagt wird.
Bei dem Verfahren werden durch Beaufschlagung der Pumpzelle mit mehreren verschiedenen Schaltzuständen die erste Entstörkapazität c1 und die zweite
Entstörkapazität c2 bestimmt. Insbesondere kann die Steuerung Schalter aufweisen, bevorzugt kann die Steuerung mehrere Schalter aufweisen. Als ein erster Schalter kann der oben beschriebene Schalter in einer den Messwiderstand umfassenden Verbindung zwischen der zweiten Signalleitung und der elektrischen Masse vorgesehen sein.
Weiterhin kann ein zweiter Schalter in einer Verbindung zwischen dem Sensorelement und einer unten noch näher beschriebenen Referenzspannungsquelle vorgesehen sein. Ein Schaltzustand kann grundsätzlich durch einen Zustand der elektronischen Bauteile, insbesondere einen Zustand der mindestens zwei Schalter, und/oder durch eine
Fließrichtung des Pumpstroms definiert werden. Unter einer Bestimmung der ersten Entstörkapazität c1 und der zweiten Entstörkapazität c2 kann grundsätzlich eine
Ermittlung der Kapazitätswerte in einem Betrieb der Sensorvorrichtung, insbesondere eine Ermittlung von Abweichungen vom Sollwert der Entstörkapazitäten, verstanden werden.
Bei einem weiteren Betrieb der Sensorvorrichtung, insbesondere bei einem Pulsbetrieb mit einer gepulsten Beaufschlagung der Pumpzelle mit Strom und/oder Spannung, können die Entstörkapazitäten berücksichtigt werden. Insbesondere können bei dem weiteren Betrieb der Sensorvorrichtung durch die Entstörkapazitäten hervorgerufene Überschwinger korrigiert werden. Die erste und die zweite Entstörkapazität können bei einem Pulsbetrieb der Sonde abhängig von einer Beaufschlagung mit einem positiven oder einem negativen Puls umgeladen werden. Derartige Umladungen können zu einem zusätzlichen Strom, insbesondere einem Umladestrom, führen, welcher den Pumpstrom erhöhen bzw. verringern kann. Solche Änderungen des Pumpstroms können zu
Überschwingern im Spannungsverlauf einer Pumpspannung des Sensorelements führen.
Weiterhin können bei einer Bestimmung einer Kennlinie der Sensorvorrichtung die Entstörkapazitäten berücksichtigt werden. Unter einer Kennlinie der Sensorvorrichtung kann eine Abhängigkeit der Pumpspannung von der Luftzahl λ verstanden werden.
Insbesondere können Änderungen des Pumpstroms durch den Umladestrom und die dadurch entstehenden Überschwinger im Spannungsverlauf bei einer Bestimmung einer Kennlinie der Sensorvorrichtung berücksichtigt werden.
Das Verfahren kann die folgenden Schritte umfassen:
a) einen ersten Messschritt, wobei in dem ersten Messschritt die Pumpzelle mit einem ersten Schaltzustand, z0, beaufschlagt wird, wobei in dem ersten Messschritt eine Pumpspannung Up0 erfasst wird und eine erste Spannung Ugo an dem Messwiderstand bestimmt wird, wobei in dem ersten Messschritt weiterhin eine Spannung Ucao zwischen der ersten Elektrode und der elektrischen Masse und eine Spannung Uci0 zwischen der zweiten Elektrode und der elektrischen Masse bestimmt wird;
b) einen zweiten Messschritt, wobei in dem zweiten Messschritt die Pumpzelle mit einem zweiten Schaltzustand, z2, beaufschlagt wird, wobei in dem zweiten
Messschritt eine Spannung Uca2 zwischen der ersten Elektrode und dem Messwiderstand und eine Spannung Uci2 zwischen der zweiten Elektrode und dem Messwiderstand bestimmt wird, wobei weiterhin in dem zweiten Schaltzustand eine Spannung Ugua an dem Messwiderstand erfasst wird und eine Ladungsmenge Qgua des Umladestroms aus einem Überschwingen bestimmt wird; und
c) einen dritten Messschritt, wobei in dem dritten Messschritt die Pumpzelle mit einem dritten Schaltzustand, z1 ; beaufschlagt wird, wobei in dem dritten Messschritt eine Spannung Uca1 zwischen der ersten Elektrode und dem Messwiderstand und eine Spannung UcM zwischen der zweiten Elektrode und dem Messwiderstand bestimmt wird, und wobei eine Spannung Ugui an dem Messwiderstand erfasst wird und eine Ladungsmenge QgUi des Umladestroms aus einem Überschwingen bestimmt wird.
Die Verfahrensschritte können beispielsweise in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden. Aber auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Grundsätzlich können auch ein oder mehrere oder alle Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden. Die Begriffe "erster Messschritt", "zweiter Messschritt" und„dritter Messschritt" werden als reine Bezeichnung verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Messschritte vorhanden sind.
In dem ersten Messschritt kann die Pumpspannung Up0 an einem Ende einer Pulspause des Funktionsstromes erfasst werden. Unter einem Ende einer Pulspause kann ein Zeitpunkt innerhalb einer Pulspause verstanden werden, bevor eine erneute
Beaufschlagung mit einem Strompuls erfolgt. In dem ersten Schaltzustand kann das Sensorelement mit einer Referenzspannung beaufschlagt werden. Der erste
Schaltzustand kann als ein stromloser Zustand verstanden werden, insbesondere einen Zustand einer Pulspause, in welchem die Pumpzelle nicht mit einem Strompuls beaufschlagt wird. Insbesondere kann in dem ersten Schaltzustand der zweite Schalter einen geschlossenen Zustand aufweisen und so das Sensorelement mit einer
Referenzspannung beaufschlagen. Die Referenzspannung in der Pulspause kann grundsätzlich so gewählt werden, dass die Spannung größer ist als eine größtmögliche negative Polarisierung der Pumpzelle. So kann verhindert werden, dass ein Potential der ersten Elektrode unter das Potential der elektrischen Masse fällt. Insbesondere kann die Referenzspannung größer als 2 V sein. Bevorzugt kann die Referenzspannung 3,3 V betragen. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung einen Analog-Digital-Wandler aufweisen, welcher eine Referenzspannung von 3,3 V aufweist. Bei einer
Spannungsbestimmung können Spannungen zwischen weiteren Elementen der
Sensorvorrichtung auf diese Referenzspannung referenzieren. Die Spannung Uci0 zwischen der er zweiten Elektrode und der elektrischen Masse kann gleich der
Referenzspannung sein. Die Spannung Ucao zwischen der ersten Elektrode und der elektrischen Masse kann die Summe aus Referenzspannung und Pumpspannung Up0 sein. Die Spannung Uca2 und die Spannung Uci2 können nach einem Einschwingvorgang bestimmt werden. Die Spannung Ucai und die Spannung Ucn können nach einem Einschwingvorgang bestimmt werden. Unter einem Einschwingvorgang kann eine Zeitdauer bis zu einem Erreichen eines Pumpspannungswertes, welcher eine
Abweichung kleiner als 20 % von einem stationären Wert der Pumpspannung aufweist, bevorzugt eine Abweichung kleiner als 15 % und besonders bevorzugt eine Abweichung kleiner als 10 % von einem stationären Wert der Pumpspannung aufweist, verstanden werden. Grundsätzlich kann auch eine Spannungsbestimmung ohne einen
Einschwingvorgang erfolgen.
Für eine exakte Bestimmung der Spannungen müsste grundsätzlich ein Endzustand des ersten Schaltzustands gemessen werden. In der Regel kann eine genaue Messung des Endzustands nicht erfolgen. Bevorzugt kann in dem Verfahren eine Mittelung der
Spannungswerte erfolgen, beispielsweise eine Mittelung über 70με. Der daraus resultierende Erfassungsfehler kann von einer Depolarisations-Bewegung der
Pumpspannung in der Pulspause abhängen. Unter einem Messzyklus kann ein Zeitraum verstanden werden, in welchem mindestens einer der Verfahrensschritte a) - c) durchgeführt werden kann. Die Verfahrensschritte a) - c) können alle innerhalb eines Messzyklus durchgeführt werden oder können einzeln jeweils in einem Messzyklus durchgeführt werden. Bevorzugt kann ein Messzyklus 666 μεεο lang sein. In dem zweiten Schaltzustand kann die erste Elektrode mit dem Messwiderstand verbunden sein. Insbesondere kann in einer den Messwiderstand umfassenden
Verbindung zwischen der ersten Signalleitung und der elektrischen Masse mindestens ein Schalter vorgesehen sein, welcher in dem zweiten Schaltzustand eine Verbindung der ersten Elektrode und dem Messwiderstand ermöglicht. In dem zweiten Schaltzustand kann das Sensorelement mit einem negativen Strompuls beaufschlagt werden, so dass der Pumpstrom von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode fließt. In dem zweiten Schaltzustand kann die Pumpzelle mit einem Strom-Puls des Funktionsstroms, insbesondere einem negativen Puls, beaufschlagt werden, und wobei die
Entstörkapazitäten umgeladen werden. Unter einem positiven Puls kann ein Puls verstanden werden, bei welchem der Strom von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode und über einen Schalter zu dem Messwiderstand fließt. Im Gegensatz dazu fließt bei einem negativen Puls der Strom von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode und über einen Schalter zu dem Messwiderstand. Eine Umladung der Entstörkapazitäten kann insbesondere erfolgen bei einem Umschalten zwischen verschiedenen Schaltzuständen. Bevorzugt kann ein Umschalten zwischen dem ersten Schaltzustand und dem zweiten Schaltzustand, dem zweiten und dem ersten Schaltzustand, dem ersten und dem dritten Schaltzustand und dem dritten und dem ersten Schaltzustand erfolgen. In dem dritten Schaltzustand kann die zweite Elektrode mit dem Messwiderstand verbunden sein. Insbesondere kann der erste Schalter geschlossen sein und eine
Verbindung der zweiten Elektrode und dem Messwiderstand gewährleisten. In dem dritten Schaltzustand kann das Sensorelement mit einem positiven Strompuls beaufschlagt werden, so dass der Pumpstrom von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode fließt. In dem dritten Schaltzustand kann die Pumpzelle mit einem Strom-Puls des
Funktionsstroms, insbesondere einem positiven Puls, beaufschlagt werden, und die Entstörkapazitäten können umgeladen werden.
Wie oben ausgeführt, kann eine Ladungsmenge Qgua des Umladestroms aus einem Überschwingen bestimmt werden. Insbesondere kann eine Fläche unter einem zeitlichen Verlauf eines Überschwingers proportional zu der Ladungsmenge des Umladestroms sein. Die Spannung Ugua kann durch Integration eines Spannungssignals über eine Pulsdauer bestimmt werden. Insbesondere kann die Spannung Ugua durch Integration über eine Integrationszeit von maximal 100 με, bevorzugt von maximal 80 με und besonders bevorzugt von ca. 71 με, bestimmt werden, beispielsweise 70 ± 5 με. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Integrationszeit 71 με betragen. Auch eine Integrationszeit welche länger als 71 με ist, kann grundsätzlich möglich sein. Die
Sensorvorrichtung kann einen Sigma-Delta-Wandler aufweisen. Der Sigma-Delta-Wandler kann eingerichtet sein, ein an dem Messwiderstand erfasstes Spannungssignal über eine Zeitspanne, insbesondere über die Integrationszeit, zu integrieren. Bevorzugt kann die Integration beginnend mit der Beaufschlagung einer Einschaltflanke erfolgen. Unter einer Einschaltflanke kann ein Verhalten der Pumpspannung bei einer Beaufschlagung mit dem Strompuls verstanden werden. Von der so bestimmten Spannung Ugua kann das
Spannungssignal ohne Überschwinger subtrahiert werden. Insbesondere kann die in dem ersten Schaltzustand bestimmte Spannung Ug0 von der Spannung Ugua subtrahiert werden, wobei der Funktionsstrom denselben Wert bei der Spannungsmessung in dem ersten und dem zweiten Schaltzustand aufweisen kann. Die Sensorvorrichtung kann mindestens eine Stromquelle aufweisen, welche eingerichtet sein kann, bei allen
Messungen in den verschiedenen Schaltzuständen den gleichen Strom einzuspeisen. Die Stromquelle kann insbesondere eine Konstantstromquelle sein. Insbesondere
Abweichungen wie ein Spannungsgang der mindestens einen Stromquelle kann Messfehler erzeugen. Die Differenz der Spannungen Ug0 und UgUa kann proportional zu der Ladungsmenge des Umladestroms sein. Insbesondere kann die Ladungsmenge Qgu£ = (UgUa - Ug0 )-Tadc Rgnds sein, wobei Tadc die Wandlerzeit des Sigma-Delta-Wandlers und Rgnds der Sollwert des Messwiderstands ist. In einem Ausführungsbeispiel kann die Wandlerzeit 70με betragen.
Eine analoge Bestimmung kann hinsichtlich der Ladungsmenge Qgui des Umladestroms erfolgen. Insbesondere kann die Ladungsmenge Qgui = (UgUi - Ugo)-Tadc/Rgnds sein.
Die Sensorvorrichtung kann eingerichtet sein eine Bestimmung der Ladungsmengen Qgu und Qgua durchzuführen. Die Sensorvorrichtung kann eingerichtet sein die
Verfahrensschritt a) - c) durchzuführen. Die Sensorvorrichtung kann eingerichtet sein einen Startzeitpunkt für einen Messzyklus und/oder einen Wechsel zwischen den Schaltzuständen zusteuern, bevorzugt μ-Sekunden genau zu steuern. In einer bevorzugten Ausführungsform der Sensorvorrichtung kann die Sensorvorrichtung eine Kombination aus einem analogem Tiefpassfilter und einem Delta-Sigma-Wandler aufweisen. Grundsätzlich sind auch andere Ausgestaltungen denkbar. Beispielsweise könnte ein Analogintegrator verwendet werden, wobei dessen Endwert abtastet und AD- gewandelt werden könnte. Diesen gemessenen Ladungsmengen Qgua und QgUi des Umladestroms können die zu erwartenden Ladungsmengen der Umladung gegenübergestellt werden.
Das Verfahren kann weiterhin die folgenden Schritte umfassen:
i) einen ersten Bestimmungsschritt, wobei eine Differenz dUci2 der Spannung Uci0 und der Spannung Uci2 und eine Differenz dUca2 der Spannung Ucao und der Spannung Uca2 bestimmt wird;
einen zweiten Bestimmungsschritt, wobei eine Differenz dUcM der Spannung Uci0 und der Spannung UcM und eine Differenz dUca1 der Spannung Uca0 und der Spannung Uca1 bestimmt wird;
iü) einen dritten Bestimmungsschritt, wobei die Entstörkapazitäten d und c2 bestimmt werden.
Die Verfahrensschritte können beispielsweise in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden. Aber auch eine andere Reihenfolge ist grundsätzlich möglich. Grundsätzlich können auch ein oder mehrere oder alle Verfahrensschritte wiederholt durchgeführt werden. Die Begriffe "erster Bestimmungsschritt", "zweiter Bestimmungsschritt" und "dritter Bestimmungsschritt" werden als reine Bezeichnung verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Bestimmungsschritte vorhanden sind. In dem dritten Bestimmungsschritt können durch Lösen eines linearen Gleichungssystems die Entstörkapazitäten d und c2 bestimmt werden. Insbesondere können die
Entstörkapazitäten durch Lösen des Gleichungssystems dLk Ci + dUCa2 -C2 = Qgua dUCü -d + dUca1 -c2 = Qgui bestimmt werden. Bei großen Überschwingern kann eine genaue Bestimmung der Entstörkapazitäten erfolgen. Eine genaue Bestimmung der Entstörkapazitäten kann erfolgen, wenn die Fläche des Umladevorgangs der Entstörkapazitäten, also die Fläche unter dem Überschwinger so groß ist, dass Toleranzen der Schaltzeiten einen möglichst geringen Einfluss auf das Ergebnis haben und der Umladevorgang nicht länger als die Integrationszeit ist. Grundsätzlich ist aus dem Stand der Technik bekannt das
Sensorelement mit einen Strom von 16 mA zu betreiben, wobei der Messwiderstand 100 Ω beträgt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Sensorelement mit einem möglichst kleinen Strom zu betreiben. Unter einem möglichst kleinen Strom kann beispielsweise ein Strom kleiner als 16 mA, bevorzugt kleiner als 12,5 mA und besonders bevorzugt von 10 mA verstanden werden. Auch andere Ströme sind jedoch möglich. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung eine einstellbare Stromquelle aufweisen, welche eine Regelung des Stroms zum Betreiben des Sensorelements ermöglicht und so eine Einstellung ermöglicht. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Sensorelement mit einem Strom von 10 mA betrieben werden. Auch andere Ströme sind jedoch möglich. Der Messwiderstand kann in dieser
bevorzugten Ausführungsform beispielsweise einen Widerstand von 100 Ω aufweisen, und ein Widerstand des Sensorelements kann beispielsweise 26 Ω betragen. Auch andere Widerstände sind jedoch möglich. Bei der Bestimmung der Entstörkapazitäten kann die Spannung Uci(1/2) beispielsweise von 3,3 V auf 1 ,26 V umgeladen werden. Auch andere Spannungen sind jedoch möglich. Um zu gewährleisten, dass eine Messung der Pumpspannung auch bei einer Absenkung des Stroms auf 10 mA möglich ist, kann eine Dauer der Pulspause vor dem positiven Puls, insbesondere vor dem dritten
Schaltzustand, so gewählt werden, dass eine Pumpspannungsmessung durchgeführt werden kann. Bevorzugt kann das Sensorelement in einem λ=1 -Regelbetrieb betrieben werden, in welchem ein Pumpstrombedarf gering sein kann. So kann verhindert werden, dass eine Dauer der Pulspause im Vergleich zu dem gesamten Messzyklus nicht zu groß wird. Insbesondere kann die Dauer der Pulspause 15%, bevorzugt 10% und besonders bevorzugt 5%, des Messzyklus betragen. Weiterhin bevorzugt kann die Pumpspannung über mehrere Schaltzyklen die Pumpspannung keine Änderungen vollziehen, da die zu erfassenden Spannungswerte sich zeitlich über mehrere Zyklen verteilen können.
Grundsätzlich können jedoch Änderungen im Bereich von 10%, bevorzugt von 5 % und besonders bevorzugt von 1 % von der Pumpspannung möglich sein. Die Pumpspannung kann besonders stabil nach einem λ = 1 -Durchgang und wenig stabil während des λ = 1 - Durchgangs sein. Unter einem Schaltzyklus kann dabei ein Wechsel zwischen
mindestens einem Schaltzustand ausgewählt aus dem ersten, zweiten und dem dritten Schaltzustand und einem weiteren Schaltzustand ausgewählt aus dem ersten, zweiten und dem dritten Schaltzustand verstanden werden.
Die Sensorvorrichtung kann, wie oben beschrieben, einen Sigma-Delta-Wandler aufweisen, wobei das Verfahren eine Nichtlinearitätskorrektur aufweisen kann.
Grundsätzlich können reale Sigma-Delta-Wandler nicht-stationäre Signale nicht linear, sondern nur verzerrt im Vergleich zu einem idealen Sigma-Delta-Wandler Signal wiedergeben, so dass eine Nichtlinearitätskorrektur der Spannungswerte notwendig sein kann. Die Nichtlinearitätskorrektur kann mit einer Korrekturfunktion erfolgen, welche von den Entstörkapazitäten abhängen kann. Die Korrekturfunktion kann durch Vergleich eines realen Sigma-Delta-Wandlers mit einem simulierten, idealen Sigma-Delta-Wandler erfolgen. Um eine Funktionsweise des Sigma-Delta-Wandlers auch während der
Bestimmung der Entstörkapazitäten zu gewährleisten, kann deshalb eine rekursive Bestimmung der Entstörkapazitäten erfolgen. Insbesondere kann in einem ersten
Korrekturschritt eine Bestimmung von nicht-korrigierten Entstörkapazitäten mit einem nicht-korrigierten Sigma-Delta-Wandler Signal erfolgen und eine Nichtlinearitätskorrektur mit den nicht-korrigierten Entstörkapazitäten durchgeführt werden. In einem weiteren Korrekturschritt können korrigierte Differenzen der Spannungswerte (Ugui- Ug0) und (Ugua - Ugo) bestimmt werden und eine Bestimmung von korrigierten Entstörkapazitäten erfolgen. Diese Korrekturschritte können insbesondere einzeln oder auch beide wiederholt durchgeführt werden, um eine gewünschte Genauigkeit der Nichtlinearitätskorrektur zu erreichen. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung vorgeschlagen. Die Sensorvorrichtung weist mindestens ein Sensorelement zur
Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas in einem Messgasraum auf. Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode, wobei die zweite Elektrode in mindestens einem Messhohlraum angeordnet ist. Der Messhohlraum ist über mindestens eine
Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über mindestens einen Festelektrolyten verbunden und bilden eine Pumpzelle. Die Sensorvorrichtung weist weiterhin mindestens eine Steuerung auf, welche über mindestens eine erste Signalleitung mit der ersten Elektrode verbunden ist. Die Steuerung ist über mindestens eine zweite Signalleitung mit der zweiten Elektrode verbunden. Die erste Signalleitung ist über mindestens eine erste Entstörkapazität c1 mit einer elektrischen Masse verbunden. Die zweite Signalleitung ist über mindestens eine zweite Entstörkapazität c2 mit der elektrischen Masse verbunden. Zwischen der elektrischen Masse und mindestens einer der ersten Signalleitung und der zweiten Signalleitung ist mindestens ein Messwiderstand angeordnet. Die Steuerung ist eingerichtet, um die Pumpzelle mit einem Funktionsstrom zu betreiben.
Die Sensorvorrichtung ist eingerichtet, um ein Verfahren nach einer der oben genannten oder nachstehend noch weiter erläuterten Ausführungsformen durchzuführen.
Beispielsweise kann die Steuerung entsprechend eingerichtet sein, um das Verfahren durchzuführen, beispielsweise programmtechnisch. Für mögliche Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung kann dementsprechend auf die obige Beschreibung des Verfahrens verwiesen werden.
Die Erfindung betrifft ferner Computerprogramme, welche eingerichtet sind, jeden Schritt der erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen, elektronische Speichermedium, auf welchen ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist und elektronische
Steuergeräte, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.
Vorteile der Erfindung
Das beschriebene Verfahren ist vorteilhaft gegenüber bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik. Insbesondere können tatsächliche Werte von Entstörkapazitäten ermittelt werden und so Exemplarstreuungen, Temperaturgang und Langzeitdrifts von
Entstörkapazitäten bei einer Kennlinienkalibrierung berücksichtigt werden. Weiterhin kann so eine Verwendung der Sensorvorrichtung auch für Anwendungen, in welchen
Pumpstromgenauigkeiten von kleiner ±10μΑ nötig sein können, ermöglicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 A - 1 C: ein Ersatzschaltbild einer Sensorvorrichtung in drei Schaltzuständen zur
Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Figur 2: eine schematische Übersicht einer Bestimmung eines Umladestroms;
Figur 3A - 3C: zeitlicher Verlauf eines Pumpstroms, Spannungsverlauf an einer ersten und zweiten Elektrode und Verlauf einer Spannungsdifferenz der
Spannungen der ersten und zweiten Elektrode.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren 1 A - 1 C ist ein Ersatzschaltbild einer Sensorvorrichtung 1 10 in drei Schaltzuständen zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Sensoranordnung 1 10 weist mindestens ein Sensorelement 1 12 zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas in einem Messgasraum 1 14 auf. Bei dem Messgasraum 1 14 kann es sich insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln und bei dem Gas um ein Abgas. Insbesondere kann das Sensorelement 1 12 eingerichtet sein, einen Anteil an Sauerstoff in dem Gas zu bestimmen.
Das Sensorelement 1 12 umfasst mindestens eine erste Elektrode 1 16 und eine zweite Elektrode 1 18. Die erste Elektrode 1 16 kann beispielsweise als eine äußere
Pumpelektrode ausgestaltet sein und ist den Ersatzschaltbildern der Figuren 1 A - 1 C als APE gekennzeichnet. Die erste Elektrode 1 18 kann mit Gas aus dem Messgasraum 1 14 beaufschlagbar sein und beispielsweise mit einer gasdurchlässigen Schicht mit dem Messgasraum 1 14 verbunden sein. Die zweite Elektrode 1 18 ist in mindestens einem Messhohlraum 120, welcher hier nicht dargestellt ist, angeordnet. Der Messhohlraum 120 ist über mindestens eine Diffusionsbarriere 122 mit dem Messgasraum 1 14 verbunden. Beispielsweise kann das Sensorelement einen Gaszutrittskanal aufweisen. Der Messhohlraum 120 kann ganz oder teilweise offen ausgestaltet sein und kann mehrteilig aufgebaut sein. Beispielsweise kann der Messhohlraum 120 ganz oder teilweise gefüllt sein, beispielsweise mit porösem Aluminiumoxid. Hinsichtlich der Ausgestaltung des Messhohlraums 120 und der Diffusionsbarriere 122 kann insbesondere auf
Sensorelemente des Stands der Technik verwiesen werden, welche beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.)„Sensoren im Kraftfahrzeug", 2. Auflage 2012, Seite 160-165, beschrieben werden. Die zweite Elektrode 1 18 kann als eine innere Pumpelektrode ausgestaltet sein und ist den Ersatzschaltbildern der Figuren 1 A - 1 C als IPE
gekennzeichnet. Die erste Elektrode 1 16 und die zweite Elektrode 1 18 sind über mindestens einen Festelektrolyten 124 (ebenfalls hier nicht dargestellt) verbunden, beispielsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium- dotiertem Zirkoniumdioxid (ScSZ). Hinsichtlich der Ausgestaltung des Festelektrolyten 124 kann ebenfalls auf oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Die erste Elektrode 1 16 und die zweite Elektrode 1 18 bilden eine Pumpzelle 126.
Die Sensorvorrichtung 1 10 weist weiterhin mindestens eine Steuerung 128 auf. Die Steuerung 128 kann ganz oder teilweise in das Sensorelement 1 12 integriert sein, oder alternativ ganz oder teilweise in einer anderen Komponente integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder eine Motorsteuerung. Die Steuerung 128 ist über mindestens eine erste Signalleitung 130 mit der ersten Elektrode 1 16 verbunden. Die Steuerung 128 ist über mindestens eine zweite Signalleitung 132 mit der zweiten Elektrode verbunden. Die erste Signalleitung 130 ist über mindestens eine erste Entstörkapazität c1 , mit der Bezugsziffer 134 gekennzeichnet, mit einer elektrischen Masse 136 verbunden. Die zweite Signalleitung 132 ist über mindestens eine zweite Entstörkapazität c2, mit der Bezugsziffer 138 gekennzeichnet, mit der elektrischen Masse 136 verbunden. Zwischen mindestens einer der ersten Signalleitung 130 und der zweiten Signalleitung 132 und der elektrischen Masse 136 ist weiterhin mindestens ein Messwiderstand 140 angeordnet. Die erste Signalleitung 130 und/oder die zweite Signalleitung 132 kann über den
Messwiderstand 140 mit der elektrischen Masse 136 verbindbar sein. Bevorzugt kann in einer den Messwiderstand 140 umfassenden Verbindung zwischen der ersten
Signalleitung 130 und/oder der zweiten Signalleitung 132 und der elektrischen Masse 136 mindestens ein Schalter 142 vorgesehen sein. Der Messwiderstand 140 und die
Entstörkapazität c1 134, und/oder der Messwiderstand 140 und die Entstörkapazität c2 138 können parallel geschaltet sein. Die Steuerung 128 kann eingerichtet sein, die Pumpzelle 126 mit einem Funktionsstrom zu betreiben, insbesondere einem gepulsten Rechteckstrom. Bei dem Verfahren werden durch Beaufschlagung der Pumpzelle 128 mit mehreren verschiedenen Schaltzuständen die erste Entstörkapazität c1 , 134, und die zweite Entstörkapazität c2, 138 bestimmt.
In Figur 1 A ist ein erster Schaltzustand 144 dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann einen ersten Messschritt umfassen, in welchem die Pumpzelle 126 mit dem ersten Schaltzustand 144 beaufschlagt wird. Der erste Schaltzustand 144 kann ein stromloser Zustand sein, insbesondere kann die Pumpzelle 126 während einer Pulspause des Funktionsstroms mit dem ersten Schaltzustand 144 beaufschlagt werden. Insbesondere kann die erste Elektrode 1 16 mit einer Stromquelle 145 beaufschlagt werden. In dem ersten Messschritt kann eine Pumpspannung Up0 erfasst werden und eine erste
Spannung Ug0 an dem Messwiderstand 140 bestimmt werden. Der Pfeil 146 kennzeichnet die Richtung der Pumpspannung Up0. Die Pumpspannung Up0 kann an einem Ende einer Pumppause des Funktionsstroms erfasst werden. In dem ersten Messschritt kann weiterhin eine Spannung Ucao zwischen der ersten Elektrode 1 16 und der elektrischen Masse 136 und eine Spannung Uci0 zwischen der zweiten Elektrode 1 18 und der elektrischen Masse 136 bestimmt werden. In dem ersten Schaltzustand 144 kann das Sensorelement 1 12, insbesondere die zweite Elektrode 1 18, mit einer Referenzspannung beaufschlagt werden. Insbesondere kann die Sensorvorrichtung 1 10 eine
Referenzspannungsquelle 148 aufweisen, welche eingerichtet ist, das Sensorelement 1 12 mit einer Referenzspannung zu beaufschlagen. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel kann die Referenzspannung beispielsweise 3,3 V betragen.
Zwischen der zweiten Signalleitung 132 und der Referenzspannungsquelle 148 kann ein Schalter 150 angeordnet sein, wobei in einem geschlossenen Zustand des Schalters 150 die Referenzspannungsquelle 148 und das Sensorelement 1 12 verbunden sind. Pfeil 152 gibt die Richtung des Pumpstroms an.
Figur 1 B zeigt einen zweiten Schaltzustand 154. Das erfindungsgemäße Verfahren kann einen zweiten Messschritt umfassen, in welchem die Pumpzelle 126 mit dem zweiten Schaltzustand 154 beaufschlagt werden kann. In dem zweiten Schaltzustand 154 kann die Pumpzelle 126 mit einem Strom-Puls des Funktionsstroms, insbesondere einem negativen Puls beaufschlagt werden, wobei die erste Entstörkapazität c1 134 und die zweite Entstörkapazität c2 138 umgeladen werden. Weiterhin kann die erste Signalleitung 130 mit dem Messwiderstand 140 verbunden sein, wobei der Schalter 142 zwischen der ersten Signalleitung und dem Messwiderstand 140 geschlossen sein kann. In dem zweiten Messschritt kann eine Spannung Uca2 zwischen der ersten Elektrode 1 16 und dem Messwiderstand 140 und eine Spannung Uci2 zwischen der zweiten Elektrode 1 18 und dem Messwiderstand 140 bestimmt werden. Die Spannung Uca2 und die Spannung Uci2 können nach einem Einschwingvorgang bestimmt werden. Weiterhin kann in dem zweiten Schaltzustand 154 eine zweite Spannung Ugua an dem Messwiderstand 140 erfasst werden und eine Ladungsmenge Qgua des Umladestroms aus einem
Überschwingen bestimmt werden.
Die Bestimmung der Ladungsmenge Qgua des Umladestromes ist in Figur 2 schematisch dargestellt. In der linken Spalte von Figur 2 ist ein möglicher zeitlicher Verlauf der Spannung an dem Messwiderstand dargestellt. Dieses Spannungssignal kann
mindestens zwei Signalkomponenten umfassen. Diese Zusammensetzung des
Spannungssignals ist in der mittleren Spalte von Figur 2 dargestellt. Eine erste
Signalkomponente 156 kann ein einer Funktion, beispielsweise hier eine
Rechteckfunktion, des Funktionsstroms folgendes Spannungssignal der Spannung Ug0 sein, welches in der mittleren Spalte der Figur 2 als dicke durchgezogenen Linie dargestellt wird. Eine zweite Signalkomponente 158 kann das Überschwingen sein, hervorgerufen durch eine Umladung der Entstörkapazitäten 134, 138. Die zweite
Signalkomponente 158 ist in der mittleren Spalte der Figur 2 als dünne durchgezogene Linie dargestellt. Die Spannung Ugua kann durch Integration des Spannungssignals über eine Pulsdauer bestimmt werden. Insbesondere kann die Spannung Ugua durch
Integration über eine Integrationszeit bestimmt werden, welche beispielsweise einer minimalen Pulsdauer eines Stromimpulses entspricht. Die Pulsdauer eines Stromimpulses kann beispielsweise 90 με bis 391 με betragen. Auch andere Impulsdauern sind jedoch grundsätzlich möglich. Beispielsweise kann die Integrationszeit 71 ,04 με betragen. Die Sensorvorrichtung 1 10 kann einen Sigma-Delta-Wandler aufweisen. Der Sigma-Delta- Wandler kann eingerichtet sein, das Spannungssignal über eine Zeitspanne,
insbesondere über die Integrationszeit, zu integrieren. Bevorzugt kann die Integration beginnend mit der Beaufschlagung einer Einschaltflanke erfolgen. Von der so bestimmten Spannung Ugua kann das Spannungssignal ohne Überschwinger, insbesondere die erste Signalkomponente, subtrahiert werden. Die Differenz 160 der Spannungen Ug0 und Ugua ist in der linken Spalte von Figur 2 als dicke gestrichelte Linie dargestellt und kann proportional zu der Ladungsmenge Qgua des Umladestroms sein. In Figur 1 C ist ein dritter Schaltzustand 162 dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann einen dritten Messschritt umfassen, in welchem die Pumpzelle 126 mit dem dritten Schaltzustand 162 beaufschlagt wird. In dem dritten Schaltzustand 162 kann die
Pumpzelle 126 mit einem Strom-Puls des Funktionsstroms, insbesondere einem positiven Puls, beaufschlagt werden und die Entstörkapazitäten 134, 138 umgeladen werden. In dem dritten Messschritt kann eine Spannung Ucai zwischen der ersten Elektrode 1 16 und dem Messwiderstand 140 und eine Spannung Ucn zwischen der zweiten Elektrode 1 18 und dem Messwiderstand 140 bestimmt werden. Die Spannung Ucai und die Spannung Ucn können nach einem Einschwingvorgang bestimmt werden. Weiterhin kann eine Spannung Ugui an dem Messwiderstand 140 erfasst werden und eine Ladungsmenge Qgui des Umladestroms aus einem Überschwingen bestimmt werden. Eine Bestimmung der Ladungsmenge Qgui kann analog zu der in Figur 2 skizzierten Bestimmung der
Ladungsmenge Qgua des Umladestroms erfolgen.
Ein Umschalten zwischen den verschiedenen Schaltzuständen kann insbesondere zwischen dem ersten Schaltzustand 144 und dem zweiten Schaltzustand 154, dem zweiten Schaltzustand 154 und dem ersten Schaltzustand 144, dem ersten Schaltzustand 144 und dem dritten Schaltzustand 154 und dem dritten Schaltzustand 162 und dem ersten Schaltzustand 144 erfolgen. Weiterhin kann das Verfahren einen ersten
Bestimmungsschritt umfassen, wobei eine Differenz dUci2 der Spannung Uci0 und der Spannung Uci2 und eine Differenz dUca2 der Spannung Uca0 und der Spannung Uca2 bestimmt wird. Das Verfahren kann einen zweiten Bestimmungsschritt aufweisen, wobei eine Differenz dUcM der Spannung Uci0 und der Spannung Ucn und eine Differenz dUcai der Spannung Uca0 und der Spannung Ucai bestimmt wird. Weiter kann das Verfahren einen dritten Bestimmungsschritt aufweisen, wobei die Entstörkapazitäten d und c2 bestimmt werden. In dem dritten Bestimmungsschritt können durch Lösen eines linearen Gleichungssystems die Entstörkapazitäten d 134 und c2 138 bestimmt werden.
Figur 3A zeigt den zeitlichen Verlauf des Pumpstroms, mit welchem das Sensorelement 1 12 beaufschlagt werden kann. Das Sensorelement 1 12 kann im Pulsbetrieb betrieben werden, bei welchem in diesem Ausführungsbeispiel die Pumpzelle 126 mit einem gepulsten Strom beaufschlagt wird. So sind in Figur 3A im zeitlichen Verlauf positive und negative Strompulse des Funktionsstroms, hier eines Rechteckstroms, erkennbar. In Figur 3C ist der Verlauf einer Spannungsdifferenz AU zwischen der ersten Elektrode 1 16 und der zweiten Elektrode 1 18 dargestellt. Sowohl der Pumpstrom in Figur 3A als auch die Spannungsdifferenz in Figur 3C zeigen Überschwinger, Abweichungen von der Rechteckfunktion, durch Umladeströme der Entstörkapazitäten 134, 138. Figur 3C stellt den zeitlichen Verlauf der in dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmten Spannungen Ux dar. Die Kurve 164 zeigt den Verlauf der an dem
Messwiderstand 140 abfallenden Spannung. Die Kurve 166 bzw. die Kurve 168 zeigt den Verlauf der Spannung zwischen der elektrischen Masse 136 und der ersten Elektrode 1 16 bzw. der zweiten Elektrode 1 18. Zum Zeitpunkt tO kann das Sensorelement 1 12 mit dem ersten Schaltzustand 144 beaufschlagt werden. Die Spannung Uci0 zwischen der zweiten Elektrode 1 18 und der elektrischen Masse 136 ist mit der Bezugsziffer 170 und die Spannung Ucao zwischen der ersten Elektrode 1 16 und der elektrischen Masse 136 ist mit der Bezugsziffer 172 gekennzeichnet. Zum Zeitpunkt t1 kann das Sensorelement 1 12 mit dem zweiten Schaltzustand 154 beaufschlagt werden. Die Spannung Uca2 zwischen der ersten Elektrode 1 16 und dem Messwiderstand 140 ist mit der Bezugsziffer 174 und die Spannung Uci2 zwischen der zweiten Elektrode 1 18 und dem Messwiderstand 140 ist mit der Bezugsziffer 176 gekennzeichnet. Zum Zeitpunkt t2 kann das Sensorelement 1 12 wiederholt mit dem ersten Schaltzustand 144 beaufschlagt werden. Weiter kann zum Zeitpunkt t3 das Sensorelement 1 12 mit dem dritten Schaltzustand 162 beaufschlagt werden. Die Spannung Ucai zwischen der ersten Elektrode 1 16 und dem Messwiderstand 140 ist mit der Bezugsziffer 178 und die Spannung Ucn zwischen der zweiten Elektrode 1 18 und dem Messwiderstand 140 ist mit der Bezugsziffer 180 gekennzeichnet. Bei einem weiteren Betrieb der Sensorvorrichtung 1 10, insbesondere bei einem
Pulsbetrieb mit einer gepulsten Beaufschlagung der Pumpzelle 126 mit Strom und/oder Spannung, können die Entstörkapazitäten 134, 138 berücksichtigt werden und
insbesondere durch Umladeströme hervorgerufene Überschwinger korrigiert werden. Weiter können bei einer Bestimmung einer Kennlinie der Sensorvorrichtung 1 10 die Entstörkapazitäten 134, 138 berücksichtigt werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Sensorvorrichtung (1 10), wobei die Sensorvorrichtung (1 10) mindestens ein Sensorelement (1 12) zur Erfassung mindestens eines Anteils einer Gaskomponente in einem Gas in einem Messgasraum (1 14) aufweist, wobei das Sensorelement (1 12) mindestens eine erste Elektrode (1 16) und mindestens eine zweite Elektrode (1 18) umfasst, wobei die zweite Elektrode (1 18) in mindestens einem Messhohlraum (120) angeordnet ist, wobei der Messhohlraum (120) über mindestens eine Diffusionsbarriere (122) mit Gas aus dem Messgasraum (1 14) beaufschlagbar ist, wobei die erste Elektrode (1 16) und die zweite Elektrode (1 18) über mindestens einen Festelektrolyten (124) verbunden sind und eine Pumpzelle (126) bilden, wobei die Sensorvorrichtung (1 10) weiterhin mindestens eine
Steuerung (128) aufweist, wobei die Steuerung (128) über mindestens eine erste Signalleitung (130) mit der ersten Elektrode (1 16) verbunden ist, wobei die
Steuerung (128) über mindestens eine zweite Signalleitung (132) mit der zweiten Elektrode (1 18) verbunden ist, wobei die erste Signalleitung (130) über mindestens eine erste Entstörkapazität c1 (134) mit einer elektrischen Masse (136) verbunden ist, wobei die zweite Signalleitung (132) über mindestens eine zweite
Entstörkapazität c2 (138) mit der elektrischen Masse (136) verbunden ist, wobei zwischen der elektrischen Masse (136) und mindestens einer der ersten
Signalleitung (130) und der zweiten Signalleitung (132) mindestens ein
Messwiderstand (140) angeordnet ist, wobei die Steuerung (128) eingerichtet ist, die Pumpzelle (126) mit einem Funktionsstrom zu betreiben, wobei bei dem Verfahren durch Beaufschlagung der Pumpzelle (126) mit mehreren verschiedenen
Schaltzuständen die erste Entstörkapazität c1 (134) und die zweite Entstörkapazität c2 (138) bestimmt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei bei einem weiteren Betrieb der Sensorvorrichtung (1 10), insbesondere bei einem Pulsbetrieb mit einer gepulsten Beaufschlagung der Pumpzelle (126) mit Strom und/oder Spannung, die Entstörkapazitäten berücksichtigt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei bei dem weiteren Betrieb der Sensorvorrichtung (1 10) durch die Entstörkapazitäten (134, 138) hervorgerufene Überschwinger korrigiert werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei einer Bestimmung einer Kennlinie der Sensorvorrichtung (1 10) die Entstörkapazitäten (134, 138) berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
iii) einen ersten Messschritt, wobei in dem ersten Messschritt die Pumpzelle
(126) mit einem ersten Schaltzustand (144) beaufschlagt wird, wobei in dem ersten Messschritt eine Pumpspannung Up0 erfasst wird und eine erste Spannung Ug0 an dem Messwiderstand (140) bestimmt wird, wobei in dem ersten Messschritt weiterhin eine Spannung Ucao zwischen der ersten
Elektrode (1 16) und der elektrischen Masse (136) und eine Spannung Uci0 zwischen der zweiten Elektrode (1 18) und der elektrischen Masse (136) bestimmt wird;
iv) einen zweiten Messschritt, wobei in dem zweiten Messschritt die Pumpzelle (126) mit einem zweiten Schaltzustand (154) beaufschlagt wird, wobei in dem zweiten Messschritt eine Spannung Uca2 zwischen der ersten Elektrode (1 16) und dem Messwiderstand (140) und eine Spannung Uci2 zwischen der zweiten Elektrode (1 18) und dem Messwiderstand (140) bestimmt wird, wobei weiterhin in dem zweiten Schaltzustand (154) eine zweite Spannung Ugua an dem Messwiderstand (140) erfasst wird und eine Ladungsmenge Qgua des Umladestroms aus einem Überschwingen bestimmt werden kann; und v) einen dritten Messschritt, wobei in dem dritten Messschritt die Pumpzelle
(126) mit einem dritten Schaltzustand (162) beaufschlagt wird, wobei in dem dritten Messschritt eine Spannung Uca1 zwischen der ersten Elektrode (1 16) und dem Messwiderstand (140) und eine Spannung Ucn zwischen der zweiten Elektrode (1 18) und dem Messwiderstand (140) bestimmt wird, und wobei eine Spannung Ugui an dem Messwiderstand (140) erfasst werden kann und eine Ladungsmenge Qgui eines Umladestroms aus einem Überschwingen bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem zweiten
Schaltzustand (154) die Pumpzelle (126) mit einem Strom-Puls des
Funktionsstroms, insbesondere einem negativen Puls, beaufschlagt wird, und wobei die Entstörkapazitäten (134, 138) umgeladen werden. Verfahren nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem dritten Schaltzustand (162) die Pumpzelle (126) mit einem Strom-Puls des
Funktionsstroms, insbesondere einem positiven Puls, beaufschlagt wird und wobei die Entstörkapazitäten (134, 138) umgeladen werden.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst:
iv) einen ersten Bestimmungsschritt, wobei eine Differenz dUci2 der Spannung UCio und der Spannung Uci2 und eine Differenz dUca2 der Spannung Uca0 und der Spannung Uca2 bestimmt wird;
v) einen zweiten Bestimmungsschritt, wobei eine Differenz dllcn der Spannung UCio und der Spannung Ucn und eine Differenz dUcai der Spannung Uca0 und der Spannung Uca1 bestimmt wird;
vi) einen dritten Bestimmungsschritt, wobei die Entstörkapazitäten d (134 )und c2 (138) bestimmt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem dritten
Bestimmungsschritt durch Lösen eines linearen Gleichungssystems die
Entstörkapazitäten d (134) und c2 (138) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (1 10) einen Sigma-Delta-Wandler aufweist, wobei das Verfahren eine
Nichtlinearitätskorrektur aufweist. 1 1 . Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorangehenden Anprüche durchzuführen.
12. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch gespeichert ist.
13. Elektronisches Steuergerät, welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorangehenden Anspruch umfasst.
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