JP2020519884A - 固体電解質ガスセンサの温度を求める方法 - Google Patents

Abstract

測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサ（１１０）の温度を求める方法である。センサ（１１０）は、測定ガスの特性を捕捉する少なくとも１つのセンサ素子（１１２）を有する。センサ素子（１１２）は、少なくとも１つの第１の電極（１１６）、少なくとも１つの第２の電極（１１８）、及び、第１の電極（１１６）と第２の電極（１１８）とを接続する少なくとも１つの固体電解質（１１４）を有する。センサ（１１０）は、少なくとも１つの電子制御装置を有する。この方法は、動作状態を設定するステップであって、加熱電圧をセンサ素子（１１２）に印加し、センサ素子（１１２）において実質的に一定の電圧状態を設定して捕捉するステップと、ａ）少なくとも１つの診断シーケンスを実施するステップであって、少なくとも１つの第１の診断状態（１４４）を、センサ素子（１１２）に診断電流を印加することによって設定し、診断電流が遮断される少なくとも１つの第２の診断状態（１４６）を設定し、第１の診断状態（１４４）において少なくとも１つの第１の電圧値を捕捉し、第２の診断状態（１４６）において少なくとも１つの第２の電圧値を捕捉するステップと、ｂ）第１の電圧値及び第２の電圧値、並びに、動作状態の一定の電圧状態から、温度に関する情報を求めるステップと、を備える。

Description

従来技術から、測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉する多数のセンサ及び方法が公知である。この場合、基本的に、測定ガスの任意の物理的及び／又は化学的な特性を対象とすることができ、その際に１つ又は複数の特性を捕捉することができる。以下においては、本発明について、特に測定ガスにおける１つのガス成分の割合の定性的及び／又は定量的な捕捉に関連して、特に測定ガス部分における酸素割合の捕捉に関連して、説明する。酸素割合を、例えば、分圧の形態で、及び／又は、パーセンテージの形態で、捕捉することができる。とはいえ、別の選択肢として又はこれに加えて、測定ガスの他の特性も捕捉可能である。

従来技術によれば、特にセラミックセンサが公知であり、このセンサは、特定の固体の電解質特性の利用に基づく、即ち、その固体のイオン伝導特性に基づく、センサ素子を含む。特にそれらの固体をセラミック固体電解質とすることができ、例えば、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、特にイットリウムで安定化された二酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）及びスカンジウムでドーピングされた二酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ）とすることができ、これらは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び／又は酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のわずかな添加物を含むことができる。

例えば、この種のセンサを、いわゆるラムダセンサとして又は窒素酸化物センサとして、構成することができ、それらは、例えば、Ｋ．Ｒｅｉｆ，Ｄｅｉｔｓｃｈｅ，Ｋ−Ｈ等による「自動車工学ポケット版、シュプリンガー出版、ヴィースバーデン、２０１４年（Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014）」の第１３３８頁−第１３４７頁から公知である。広帯域ラムダセンサによって、特にプレーナ型広帯域ラムダセンサによって、例えば、排気ガス中の酸素濃度を広い範囲内で求めることができ、それによって燃焼室内の空燃比を推定することができる。空気過剰率λ（ラムダ）によって、この空燃比が表される。窒素酸化物センサは、排気ガス中の窒素酸化物濃度も酸素濃度も求める。

ポンプセル、測定セル及び酸素参照セルの組合せ、ネルンストセルによって、周囲ガス中の酸素含有量を測定するためのセンサを構築することができる。電流測定によるポンプ原理に従って動作するポンプセルの場合、それぞれ異なるガス室内に設けられたポンプ電極に電圧又は電流を印加すると、ガス室を分離するセラミック固体（酸素伝導性固体電解質）を通って酸素イオン電流が拡散する（「ポンピング」）。周囲ガスを拡散可能な中空室内の酸素分圧を一定に保持するためにポンプセルを用いれば、電流測定を介して、輸送される酸素の量を推定することができる。このポンプ電流は、拡散の法則に従い、周囲ガスにおける酸素分圧に正比例する。ネルンストセルを用いることによって、中空室内の酸素分圧と別の参照ガス室内の酸素分圧との比を、形成されるネルンスト電圧を介して求めることができる。

Ｋ．Ｒｅｉｆ，Ｄｅｉｔｓｃｈｅ，Ｋ−Ｈ等著「自動車工学ポケット版、シュプリンガー出版、ヴィースバーデン、２０１４年（Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014）」第１３３８頁−第１３４７頁

公知の広帯域ラムダセンサは、種々の機能のために、センサ素子のセラミックの温度に関する情報を必要とする。例えば７８０℃であるセンサの動作点付近において、セラミックの温度に関する情報を、セラミックの温度に依存するオーム特性、特にネルンストセルの内部抵抗を介して、求めることができる。その際にセンサは、ネルンストセルにおいて３００Ωというメーカ固有の抵抗値を有する可能性がある。

さらに、センサの温度を求めるために内部抵抗を算出するように構成された制御装置が公知である。ただし、かかる制御装置は、種々のセンサ信号を安定化するために、アース接続された差動容量を含んでいるので、本来のオーム測定を誤らせる可能性がある。オーム抵抗を測定するために電流源を備えた測定装置の場合、オーム目標値に到達するまでの過渡応答時間は、この目標値と差動容量とに比例する可能性がある。その結果、高い抵抗値の抵抗測定を大きく誤らせるおそれがある。

通電時間が長くなると、広帯域ラムダセンサの場合には、ポンピングを行う電極の分極が強まる結果がもたらされる可能性がある。このような強い分極によって、一方では、抵抗測定をさらに誤らせる結果がもたらされる可能性がある。他方では、この分極、及び、ネルンストセルにおけるオーム電圧変位は、電流源による制御の場合、抵抗及び電流振幅に一次近似で比例する可能性があり、従って、セラミックにおける非可逆的プロセスの確率が高まり、センサ素子が永続的に損傷させられてしまうおそれがある。老朽化した又は損傷させられたセンサの場合には、センサ電極容量が低下している可能性があり、このことによって、やはり電極の分極が引き起こされ、抵抗測定をさらに付加的に誤らせる可能性がある。

発明の開示
よって、測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサの温度を求める方法が提案され、この方法によれば、それらのセンサを駆動する公知の方法の欠点を少なくとも大幅に回避し、特に制御装置に組み込まれた差動容量及びセンサ電極の分極がオーム測定に及ぼす影響を低減することができる。

測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサを駆動するための、特に測定ガス中のガス成分の割合を捕捉するセンサを駆動するための、本発明に係る方法が提案される。センサは、測定ガスの特性を捕捉する少なくとも１つのセンサ素子を有する。センサ素子は、少なくとも１つの第１の電極、少なくとも１つの第２の電極、及び、第１の電極と第２の電極とを接続する少なくとも１つの固体電解質を含む。この測定システムは、少なくとも１つの電子制御装置を有する。この方法は、以下のステップ、即ち、
ａ）動作状態を設定するステップであって、加熱電圧をセンサ素子に印加し、センサ素子において実質的に一定の電圧状態を設定して捕捉するステップと、
ｂ）少なくとも１つの診断シーケンスを実施するステップであって、少なくとも１つの第１の診断状態を、センサ素子に診断電流を印加することによって設定し、診断電流が遮断される少なくとも１つの第２の診断状態を設定し、第１の診断状態において少なくとも１つの第１の電圧値を捕捉し、第２の診断状態において少なくとも１つの第２の電圧値を捕捉するステップと、
ｃ）第１の電圧値及び第２の電圧値、並びに、動作状態の一定の電圧状態から、温度に関する情報を求めるステップと、
を備える。

これらの方法ステップを、記載された順序で実施することができる。他の順序であっても基本的に可能である。さらに、１つ又は複数の方法ステップを、あるいは、すべての方法ステップを、繰り返し実施することもできる。さらに、これらの方法ステップのうち２つ又はそれよりも多くの方法ステップを、完全に又は部分的に時間的に重複させて、あるいは同時に、実施することもできる。この方法は、上述の方法ステップに加えて、さらに別の方法ステップを含むことができる。

センサとは、基本的に、例えば、測定ガス室内で、一例として内燃機関の排気ガス管内で、特にガス混合物において、ガス成分の割合を捕捉するように構成された任意の装置のことである、と解することができる。センサを、例えば、広帯域ラムダセンサ又はＮＯｘセンサとすることができる。

ガス中のガス成分の少なくとも１つの割合を捕捉するセンサ素子とは、例えば、センサ装置の構成部分として構成された要素のことである、又は、ガスのガス成分の割合を検出することに寄与することができる要素のことである、と解することができる。センサ素子の可能な構成については、基本的に上述の従来技術を参照することができる。センサ素子を特にセラミックセンサ素子とすることができ、特に層構造を備えたセラミックセンサ素子とすることができる。特にセンサ素子を、プレーナ型セラミックセンサ素子とすることができる。ガス成分の少なくとも１つの割合の捕捉とは、ガスのガス成分の定性的及び／又は定量的な捕捉のことである、と解することができる。ただし、基本的にはセンサ素子を、ガスの任意の物理的及び／又は化学的な特性を捕捉するように、例えば、ガスの温度及び／又は圧力、及び／又は、ガス中の粒子を捕捉するように、構成することができる。基本的に他の特性も捕捉することができる。基本的には、ガスを任意のガスとすることができ、例えば、排気ガス、空気、空気燃料混合物とすることができ、又は、他のガスとすることもできる。本発明を特に自動車技術分野に適用可能であり、従って、ガスを特に空気燃料混合物とすることができる。一般的に測定ガス室とは、捕捉すべきガスが存在する空間のことである、と解することができる。本発明を特に自動車技術分野において適用可能であり、従って、測定ガス室を特に内燃機関の排気ガス管とすることができる。ただし、他の用途も考えることができる。

本発明の枠内において、電極とは、一般に、固体電解質と電極とを通して電流を維持し得るように固体電解質とコンタクトさせることのできる要素のことである、と解することができる。従って、電極は、イオンを固体電解質に組み込むことができる及び／又はイオンを固体電解質から取り出すことができる要素を含むことができる。典型的には、電極は、例えば、金属セラミック電極として固体電解質上に取り付け可能な、又は、他の態様で固体電解質と接続可能な、貴金属電極を含む。典型的な電極材料は、白金サーメット電極である。ただし、例えば、金又はパラジウムのような他の貴金属も、基本的に使用可能である。「第１の電極」及び「第２の電極」並びに「第３の電極」及び「第４の電極」という名称は、単なる名称として用いられ、特に、順序に関する情報、及び／又は、例えば、さらに別の電極が設けられているのか否かに関する情報を与えるものではない。

第１の電極に、測定ガス室からガスを印加することができる。特に第１の電極を、少なくとも部分的に測定ガス室と接続することができ、例えば、第１の電極を、測定ガス室のガスに直に晒すことができ、及び／又は、ガス透過性の多孔質保護層を通して、第１の電極に測定ガス室からガスを印加することができる。センサ素子は、少なくとも１つのポンプセルを有することができる。例えば、第１の電極を、外部ポンプ電極として構成することができる。

第２の電極を、少なくとも１つの測定中空室内に配置することができる。例えば、第２の電極を、内部ポンプ電極として構成することができる。測定中空室とは、センサ素子内部の中空室のことである、と解することができ、この中空室を、ガスのガス成分の貯蔵を行うように構成することができる。測定中空室を、完全に又は部分的に何も存在しない状態とすることができる。さらに測定中空室を、完全に又は部分的に充填することができ、例えば、多孔質媒体例えば多孔質酸化アルミニウムによって充填することができる。

少なくとも１つの拡散バリアを介して、測定中空室に測定ガス室からガスを印加することができる。拡散バリアとは、ガス及び／又は液体及び／又はイオンの拡散を促進するが、ガス及び／又は液体の流れを抑圧する材料から成る層のことである、と解することができる。拡散バリアは、特に、孔の半径が所期のように設定された多孔質セラミック構造を有することができる。拡散バリアは、拡散抵抗を有することができ、ただし、拡散抵抗とは、拡散バリアが拡散輸送に抗する抵抗のことである、と解することができる。

第１の電極及び第２の電極は、少なくとも１つの固体電解質を介して接続されており、ポンプセルを形成する。電圧、特にポンプ電圧を、第１及び第２の電極に印加することによって、拡散バリアを通過させてガスから測定中空室へ、酸素をポンピングによって汲み入れる又は汲み出すことができる。

本発明の枠内において、固体電解質とは、電解質特性を有する、即ち、イオン伝導特性を有する立体又は物体のことである、と解することができる。特にセラミック固体電解質とすることができる。これには固体電解質の未加工材料も含まれ、従って、焼結後にはじめて固体電解質となるいわゆるグリーン体又はブラウン体として形成することも含まれる。特に固体電解質を、固体電解質層として又は複数の固体電解質層から形成することができる。本発明の枠内において、１つの層とは、他の要素の上、下又は間に位置する所定の高さで平面的に広がった一体的な質量体のことである、と解することができる。固体電解質を、特にセラミック固体電解質とすることができ、例えば、二酸化ジルコニウム、特に、イットリウムで安定化された二酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）及び／又はスカンジウムでドーピングされた二酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ）とすることができる。固体電解質を、好ましくはガスに対し非透過性とすることができ、及び／又は、固体電解質によってイオン輸送、例えばイオンによる酸素輸送を保証することができる。特に、第１及び第２の電極を導電性領域、例えば導電性金属層とすることができ、これを少なくとも１つの固体電解質上に取り付けることができ、及び／又は、別の態様で固体電解質にコンタクトさせることができる。特に、電圧特にポンプ電圧を、第１及び第２の電極に印加することによって、ガスから測定中空室へ、酸素をポンピングによって汲み入れる又は汲み出すことができる。

センサ素子は、さらに別の電極を有することができ、例えば、第３及び第４の電極を有することができる。センサ素子は、少なくとも１つのネルンストセルを有することができ、これは、固体電解質と接続された少なくとも１つの第３の電極及び少なくとも１つの第４の電極を有する。第３の電極がポンプ電極として構成されており、センサ素子が第４の電極を有していない実施形態も考えられる。

第３の電極を、測定ガス室から分離されて形成された参照電極として構成することができる。第３の電極を、少なくとも部分的に参照ガス室と接続することができ、例えば、液体により、及び／又は、ガスによる結合を介して接続することができる。参照ガス室とは、周囲空間、例えば、内燃機関周囲の周囲空間と接続された、センサ素子内部の空間のことである、と解することができる。特に周囲空間内には、空気が存在するものとすることができる。参照ガス室を特に、固体電解質を介して測定中空室と接続することができる。第４の電極をネルンスト電極として構成することができ、これを測定中空室内に配置することができる。

電子制御装置とは、この場合には、一般的に、センサを駆動し制御するように構成された電子的な機構のことである、と解することができる。例えば、センサと電子制御装置との間に、１つ又は複数の電子的な接続を設けることができる。電子制御装置は、例えば、少なくとも１つのデータ処理装置を含むことができ、例えば、少なくとも１つのコンピュータ又はマイクロコントローラを含むことができる。電子制御装置は、少なくとも１つの集積回路を有することができ、特に特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を有することができる。データ処理装置は、１つ又は複数の揮発性及び／又は不揮発性のデータ記憶装置を有することができ、この場合、データ処理装置を、センサを制御する目的で、例えば、プログラミング技術により構成することができる。電子制御装置はさらに、少なくとも１つのインタフェースを含むことができ、例えば、電子インタフェース及び／又はマンマシンインタフェース、例えば、ディスプレイ及び／又はキーボードといった入／出力装置などを含むことができる。電子制御装置を、例えば、集中型で構築することができ、又は、分散型でも構築することができる。他の構成も考えることができる。

センサ素子は加熱素子を有することができる。本発明の枠内において、加熱素子とは、固体電解質及び電極を少なくともそれら機能温度まで、好ましくはそれらの動作温度まで加熱するために用いられる要素のことである、と解することができる。機能温度は、その温度以上で固体電解質がイオン伝導性となる温度であり、約３５０℃である。動作温度をこれと区別しなければならず、動作温度は、センサ素子が通常駆動される温度であって、機能温度よりも高い温度である。動作温度を、例えば、７００℃乃至９５０℃とすることができる。加熱素子は、加熱領域と少なくとも１つの導体路とを含むことができる。本発明の枠内において、加熱領域とは、層構造内においてセンサ素子の表面に対し垂直な方向に沿って、電極とオーバラップした加熱素子領域のことである、と解することができる。一般に加熱領域は動作中、導体路よりも強く加熱され、従って、それらを区別することができる。異なる加熱を、例えば、加熱領域が導体路よりも高い電気抵抗を有することによって、実現することができる。加熱領域及び／又は導体路は、例えば、電気抵抗路として形成されており、電圧の印加によって加熱される。加熱素子を、例えば、白金サーメットから製造することができる。動作状態とは、動作温度に到達しており、センサ素子において電流又は電圧の変化後に電気的に安定した状態に到達しているセンサの状態のことである、と解することができる。動作状態中、ネルンストセルにおいて実質的に一定の電圧状態が設定される。センサの加熱フェーズ中、センサ素子の各電極間の電圧は過渡応答特性を示す可能性がある。「実質的に一定の電圧状態」とは、各電極間の電圧が静的な値に到達していることである、と解することができ、ただし、静的な値の１０％よりも小さい偏差、好ましくは５％よりも小さい偏差、特に好ましくは１％よりも小さい偏差が生じる可能性がある。動作状態中、一定の電流がセンサ素子に加わる可能性があり、同様にセンサ素子の各電極間にゼロではないオフセット電圧値が加わる可能性がある。

診断シーケンスとは、一連の診断状態のことである、と解することができる。診断状態とは、スイッチング状態のことである、と解することができる。第１の診断状態において、センサ素子に診断電流が印加される。センサ素子に診断電流を印加するとは、予め設定された又は予め設定可能な電流を、電極を介してセンサ素子に、特に電流源を用いて印加することである、と解することができる。電流源を、制御装置の構成部分とすることができ、又は、制御装置とは別個に構成することができる。センサは、診断電流が印加されると、過渡応答特性を示す可能性があり、特に指数関数的過渡応答特性を示す可能性がある。電流Ｉによる通電時に目標値に向かう第１の診断状態における指数関数的過渡応答過程は、
Ｕ（ｔ）＝Ｕ（ｔ_０）
＋（Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}・Ｉ−Ｕ（ｔ_０））（１−ｅｘｐ（−（ｔ−ｔ_０）／τ））
を満たすことができ、ここで、Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、動作状態における各電極間のオフセット電圧値、Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}は、センサ素子の内部抵抗、ｔ_０は、電流源のスイッチオン時点、τは、制御装置の総実効差動容量Ｃ_Ｄｉｆｆの充電時間の時定数である。特に、τ＝Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}・Ｃ_Ｄｉｆｆである。

第２の診断状態において、診断電流が遮断される。特に、センサ素子は、診断電流に関して無通電状態である。特に第２の診断状態において、電流源をスイッチオフすることができる。スイッチオフのとき、センサ素子は、減衰特性を示す可能性があり、特に指数関数的減衰特性を示す可能性がある。過渡応答過程の場合と同等の時定数を有する第２の診断状態の指数関数的減衰過程は、
Ｕ（ｔ）＝Ｕ（ｔ_０）
＋（Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}−Ｕ（ｔ_０））（１−ｅｘｐ（−（ｔ−ｔ_０）／τ））
を満たすことができ、ここで、ｔ_０は、この場合には電流源のスイッチオフ時点である。

この方法によれば、多数回の診断シーケンスを実施することができる。特に、第１の診断状態と第２の診断状態とを繰り返し相前後して交互に、例えば、周期的に、設定することができる。多数回には、２回、３回、４回又はそれ以上の回数の診断シーケンスを含めることができる。以下においては、反復とも称する繰り返しの回数を、内部抵抗を求める際の所期の又は予め設定された精度に依存させることができる。第１の診断状態の期間及び第２の診断状態の期間を、等しい長さにすることができる。別の選択肢として、第１の診断状態の期間と第２の診断状態の期間とを、それぞれ異なるようにすることができる。

第１の診断状態において、少なくとも１つの第１の電圧値が捕捉され、第２の診断状態において、少なくとも１つの第２の電圧値が捕捉される。電圧値の捕捉とは、センサ素子の各電極間の電圧値を測定すること及び／又は求めることである、と解することができる。第１の電圧測定値を、過渡応答過程中に求めることができる。第２の電圧測定値を、減衰過程中に求めることができる。第１の電圧測定値の捕捉を、診断シーケンス各々において、過渡応答過程内の同一の時点に行うことができる。第２の電圧測定値の捕捉を、診断シーケンス各々において、減衰過程内の同一の時点に行うことができる。

温度に関する情報とは、センサ素子の内部抵抗を求めることである、と解することができる。内部抵抗を、センサ素子の温度に対する基準尺度とすることができる。特に内部抵抗から、予め定められた又は予め求めることのできる関係式を介して、センサ素子の温度を求めることができる。方法ステップｃ）において、センサ素子の内部抵抗Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}を関係式
Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}［ｉ］＝（ａｂｓ（Ｕ［ｉ］＋Ｕ［ｉ−１］）＋２・ΔＵ_Ｍｅｓｓ［ｉ］）／Ｉ
から求めることができ、ここで、Ｉは、センサ素子における診断電流である。充電過程及び放電過程において何回かの反復測定を行った後、過渡応答誤差ΔＵ_Ｍｅｓｓ［ｉ］を等しい大きさにすることができる。減衰過程において、オフセット電圧値と対比させて過渡応答誤差を求めることができ、内部抵抗を求める際にこれを考慮することができる。方法ステップｃ）において、センサ素子の内部抵抗Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}を関係式
Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}［ｉ］＝（Ｕ［ｉ］＋Ｕ［ｉ−１］−２Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}）／Ｉ
から求めることができる。ここで、Ｉは、印加された診断電流、ｉは、反復ステップ、Ｕ［ｉ］は、ｉ番目の反復ステップの電圧測定値、Ｕ［ｉ−１］は、（ｉ−１）番目の反復ステップの電圧測定値、Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、動作状態におけるオフセット電圧値である。

この方法においてさらに、電子制御装置の少なくとも１つの差動容量の差分容量、特に総実効差動容量Ｃ_Ｄｉｆｆを関係式

から求めることができる。ここで、τは、総実効差動容量の充電時間の時定数、ｉは、反復ステップ、Ｕ［ｉ］は、ｉ番目の反復ステップの電圧測定値、Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、オフセット電圧値、ｔ_Ｍｅｓｓは、通電の投入後又は遮断後の測定時点、Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}は、内部抵抗である。求められた総差動容量を、時間的な通電を新たに設計するために、及び／又は、さらなる診断の目的で、使用することができる。

この方法は出力ステップを含むことができ、このステップにおいて、温度に関する情報及び／又は差動的に動作する容量の値が出力される。別の選択肢として又はこれに加えて、制御装置内に結果を格納することができる。

実質的に一定の電圧状態に到達した後、等しい長さの通電診断状態及び無通電診断状態、並びに、各フェーズにおいて固定的に規定された測定を交互に適用することによって、非過渡応答状態における電圧測定であるにもかかわらず、上述の関係式により内部抵抗を求めることができ、これによれば付加的な差動容量によるシステマティックな誤差が相殺される。特に、内部抵抗を求めることに対して及ぼされる差動容量の影響を、動作状態においてオフセット値を求め、次いで診断シーケンスを１回実施することによって既に、低減することができる。

さらなる態様によれば、本発明に係る方法の各ステップを実施するために構成されたコンピュータプログラムが提案される。さらに、本発明に係る方法を実施するためのコンピュータプログラムが記憶された電子記憶媒体が提案される。さらに別の態様によれば、本発明に係る方法を実施するための上述のコンピュータプログラムを備えた本発明に係る電子記憶媒体を含む電子制御装置が提案される。定義及び実施形態に関しては、本発明に係る方法の説明を参照されたい。

さらなる態様によれば、測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサ、特に測定ガス中のガス成分の割合を捕捉するセンサが提案される。センサは、測定ガスの特性を捕捉するセンサ素子を有する。センサ素子は、少なくとも１つのセンサ素子を有する。センサ素子は、少なくとも１つの第１の電極、少なくとも１つの第２の電極、及び、第１の電極と第２の電極とを接続する少なくとも１つの固体電解質を有する。センサ素子は、少なくとも１つのポンプセルを有することができる。センサ素子はさらに、少なくとも１つのネルンストセルを有することができる。ネルンストセルは、固体電解質と接続された少なくとも１つの第３の電極及び少なくとも１つの第４の電極を含むことができる。センサはさらに、本発明に係る方法を実施するための本発明に係るコンピュータプログラムを備えた電子制御装置を有する。定義及び実施形態に関しては、本発明に係る方法の説明を参照されたい。

提案された方法及び装置は、公知の方法及び装置よりも有利である。この方法は、制御装置に組み込まれた差動容量又は差動的に動作する容量に及ぼされる影響、及び、オーム測定に及ぼされるセンサ電極の分極の影響を、特に平均的な電圧負荷を抑制しながら、低減することができる。妨害構成要素を、特に制御装置に組み込まれた差動容量又は差動的に動作する容量を、分極と復極を交互に行わせることによって、部分的に相殺することができ、測定セルにおいて目下目標抵抗が高いときに、電圧負荷を公知の方法に比べてほぼ半分に低減することができる。この方法によって、よりロバストな抵抗測定を実現することができる。この方法によって、エージング作用を低減することができ、よりロバストな抵抗測定によって、それらの悪影響を少なくすることができる。

基本的にこの方法を、電流源を用いてオーム抵抗を求めるが、差動容量及び／又は分極によって測定が誤ったものになってしまう、いかなる制御ユニットに対しても、使用することができる。

本発明のさらなる任意選択的な詳細及び特徴は、図面に概略的に描かれた好ましい実施例の以下の説明から明らかにされる。
本発明に係るセンサの１つの実施例を示す図である。 Ａ乃至Ｄは、本発明に係るセンサの回路図を示す図である。 １つのセンサ素子の各電極間の電圧の時間推移及び診断電流の時間推移を示す図である。 相対的内部抵抗を反復ステップに依存して示す図である。 持続的に通電されるセンサ素子及び本発明による通電の過渡応答時間が識別されるまでの時間推移の比較を示す図である。 相対的差動容量を反復ステップに依存して示す図である。

発明の実施形態
図１には、本発明に係るセンサ１１０の基本構造が示されている。図１に描かれたセンサ１１０を、測定ガス室内の測定ガスの物理的及び／又は化学的な特性を検出するために用いることができ、その際に１つ又は複数の特性を捕捉することができる。以下においては、本発明について、特に測定ガスにおける１つのガス成分の定性的及び／又は定量的な捕捉に関連して、特に測定ガスにおける酸素割合の捕捉に関連して、説明する。酸素割合を、例えば、分圧の形態で、及び／又は、パーセンテージの形態で、捕捉することができる。ただし、基本的に、例えば、窒素酸化物、炭化水素及び／又は水素などのような他の種類のガス成分も捕捉可能である。とはいえ、別の選択肢として又はこれに加えて、測定ガスの他の特性も捕捉可能である。本発明を特に自動車技術分野において適用可能であり、従って、測定ガス室を特に内燃機関の排気ガス管とすることができ、測定ガスを特に排気ガスとすることができる。

センサ１１０はセンサ素子１１２を有する。以下において詳細に説明するように、センサ素子１１２をセラミック層構造として構成することができる。センサ素子１１２は、固体電解質１１４、第１の電極１１６及び第２の電極１１８を有する。センサ素子は、第３の電極１２０及び第４の電極１２２を有することができる。固体電解質１１４を、複数のセラミック層から固定電解質層の形態で構成することができ、又は、複数の固体電解質層を含むことができる。例えば、固体電解質１１４は、ポンプフィルム又はポンプ層、中間フィルム又は中間層、及び、加熱フィルム又は加熱層を含み、これらは上下に重なり合って配置されている。センサ素子１１０は、ガス流入路１２４を有することができる。ガス流入路１２４はガス流入孔１２６を有することができ、これは固体電解質１１４の表面１２８からセンサ素子１１４の層構造内部に延在している。

第１の電極１１６を、固体電解質１１４の表面１２８上に配置することができる。第１の電極１１６に、測定ガス室からガスを印加可能とすることができる。特に第１の電極１１６を、少なくとも部分的に測定ガス室と接続することができ、例えば、第１の電極を、測定ガス室のガスに直に晒すことができ、及び／又は、ガス透過性の多孔質保護層を通して、第１の電極に測定ガス室からガスを印加することができる。例えば、第１の電極１１６を、外部ポンプ電極として構成することができる。

第２の電極１１８を、少なくとも１つの測定中空室１３０内に配置することができる。例えば、第２の電極１１８を、内部ポンプ電極として構成することができる。測定中空室１３０を、完全に又は部分的に何も存在しない状態とすることができる。さらに測定中空室１３０を、完全に又は部分的に充填することができ、例えば、多孔質媒体例えば多孔質酸化アルミニウムによって充填することができる。少なくとも１つの拡散バリアを介して、測定中空室１３０に測定ガス室からガスを印加することができる。

第１の電極１１６及び第２の電極１１８は、少なくとも１つの固体電解質１１４を介して接続されており、ポンプセル１３２を形成することができる。電圧、特にポンプ電圧を、第１の電極１１６及び第２の電極１１８に印加することによって、拡散バリアを通過させてガスから測定中空室１３０へ、酸素をポンピングによって汲み入れる又は汲み出すことができる。

第３の電極１２０を、測定ガス室とは分離して形成された参照電極として構成することができる。第３の電極１２０を少なくとも部分的に、ここには図示されていない参照ガス室１３４と接続することができ、例えば、液体により、及び／又は、ガスによる結合を介して接続することができる。参照ガス室１３４を特に、固体電解質１１４を介して測定中空室１３０と接続することができる。第４の電極１２２をネルンスト電極として構成することができ、これを測定中空室１３０内に配置することができる。第３の電極１２０及び第４の電極１２２を、少なくとも１つの固体電解質１１４を介して接続することができ、これらの電極によってネルンストセル１３６を形成することができる。

ポンプセル１３２を用いることによって、測定中空室１３０内に条件λ（ラムダ）＝１又は他の既知の組成が生じるように、例えば、ポンプセル１３２を通るポンプ電流を設定することができる。この組成は、他方では、第３の電極１２０と第４の電極１２２との間においてネルンスト電圧Ｖ_Ｎが測定されるようにして、ネルンストセル１３６によって捕捉される。参照ガス室１３４内には既知のガス組成が生じており、又は、その組成が酸素過剰状態に晒されていることから、測定された電圧に基づき、測定中空室１３０内の組成を推定することができる。

ガス流入孔１２６の延在方向の延長において、センサ素子１１２の層構造中に加熱素子１３８を配置することができる。加熱素子１３８は、加熱領域１４０と電気的導体路１４２とを有する。加熱領域１４０は、例えば、メアンダ状に構成されている。

図２Ａ乃至図２Ｄには、本発明に係るセンサ素子１３６（この場合にはネルンストセル）の回路図が示されている。図２Ａには、差動容量又は差動的に作用する容量が制御装置に組み込まれていない理想的な回路が示されている。図２Ｂ乃至図２Ｃには、例えば、分極抵抗Ｒ_Ｐｏｌに対し並列に、さらなる回路構成要素Ｃ_Ｄｉｆｆ及びＣ_Ｐｏｌが示されている。

図３には、本発明に係る方法の１つの実施形態に関する時間推移が示されている。図３の電圧値Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}で表された動作状態の設定後、少なくとも１つの診断シーケンスが実施される。この診断シーケンスにおいて、少なくとも１つの第１の診断状態１４４が、センサ素子１１２、例えば、ネルンストセル１３６に診断電流を印加することにより設定され、さらに少なくとも１つの第２の診断状態１４６が設定され、この診断状態においては、ネルンストセルが診断電流に関して通電されないように、診断電流が遮断される。図３の下方部分には、診断電流の時間推移が示されており、特に診断電流の投入及び遮断が示されている。電流源のスイッチオン又はスイッチオフにより、診断電流を投入及び遮断することができる。さらに図３には、ネルンストセル１３６の各電極間の電圧の時間推移が示されている。この実施例によれば、第１の診断状態１４４が５回、第２の診断状態１４６が４回、設定される。この方法によれば、多数回の診断シーケンスを実施することができる。特に、第１の診断状態１４４と第２の診断状態１４６とを繰り返し相前後して交互に、例えば、周期的に、設定することができる。多数回には、２回、３回、４回又はそれ以上の回数の診断シーケンスを含めることができる。繰り返しの回数を、内部抵抗を求める際の所期の又は予め設定された精度に依存させることができる。第１の診断状態１４４の期間及び第２の診断状態１４６の期間を、等しい長さにすることができる。別の選択肢として、第１の診断状態１４４の期間と第２の診断状態１４６の期間とを、それぞれ異なるようにすることができる。

センサ１１０は、診断電流が印加されると、過渡応答特性を示す可能性があり、特に指数関数的過渡応答特性を示す可能性がある。電流Ｉによる通電時に目標値に向かう第１の診断状態１４４における指数関数的過渡応答過程は、
Ｕ（ｔ）＝Ｕ（ｔ_０）
＋（Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}＋Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}・Ｉ−Ｕ（ｔ_０））（１−ｅｘｐ（−（ｔ−ｔ_０）／τ））
を満たすことができ、ここで、Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、動作状態における各ネルンスト電極間のオフセット電圧値、Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}は、ネルンストセルの内部抵抗、ｔ_０は、電流源のスイッチオン時点、τは、制御装置の総実効差動容量Ｃ_Ｄｉｆｆの充電時間の時定数である。特に、τ＝Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}・Ｃ_Ｄｉｆｆである。

第２の診断状態１４６の場合、ネルンストセル１３６は無通電状態である。特に第２の診断状態１４６において、電流源をスイッチオフすることができる。スイッチオフのとき、センサ素子１１２は、電気的減衰特性を示す可能性があり、特に指数関数的減衰特性を示す可能性がある。過渡応答過程の場合と同等の時定数を有する第２の診断状態の指数関数的減衰過程は、
Ｕ（ｔ）＝Ｕ（ｔ_０）
＋（Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}−Ｕ（ｔ_０））（１−ｅｘｐ（−（ｔ−ｔ_０）／τ））
を満たすことができ、ここで、ｔ_０は、この場合には電流源のスイッチオフ時点である。

第１の診断状態１４４において、少なくとも１つの第１の電圧値が捕捉され、第２の診断状態１４６において、少なくとも１つの第２の電圧値が捕捉される。第１の電圧測定値を過渡応答過程中に求めることができ、例えば、図３にはこれがＵ_１、Ｕ_３、Ｕ_５、Ｕ_７及びＵ_９よって表されている。第２の電圧測定値を減衰過程中に求めることができ、例えば、図３にはこれがＵ_２、Ｕ_４、Ｕ_６及びＵ_８よって表されている。第１の電圧測定値の捕捉を、診断シーケンス各々において、過渡応答過程内の同一の時点に行うことができる。第２の電圧測定値の捕捉を、診断シーケンス各々において、減衰過程内の同一の時点に行うことができる。

第１の電圧値と第２の電圧値とから、温度に関する情報が求められる。内部抵抗を、センサ素子１１２の温度に対する基準尺度とすることができる。特に内部抵抗から、予め定められた又は予め求めることのできる関係式を介して、センサ素子１１２の温度を求めることができる。方法ステップｃ）において、センサ素子１１２の内部抵抗Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}を関係式
Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}［ｉ］＝（ａｂｓ（Ｕ［ｉ］＋Ｕ［ｉ−１］）＋２・ΔＵ_Ｍｅｓｓ［ｉ］）／Ｉ
から求めることができ、ここで、Ｉは、センサ素子における診断電流である。充電過程及び放電過程においていくつかの反復測定を行った後、図３にΔＵ_Ｍｅａｓとして書き込まれた過渡応答誤差ΔＵ_Ｍｅｓｓ［ｉ］を、等しい大きさとすることができる。減衰過程において、オフセット電圧値と対比させて過渡応答誤差を求めることができ、内部抵抗を求める際にこれを考慮することができる。方法ステップｃ）において、ネルンストセルの内部抵抗Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}を関係式
Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}［ｉ］＝（Ｕ［ｉ］＋Ｕ［ｉ−１］−２Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}）／Ｉ
から求めることができる。ここで、Ｉは、印加された診断電流、ｉは、反復ステップ、Ｕ［ｉ］は、ｉ番目の反復ステップの電圧測定値、Ｕ［ｉ−１］は、（ｉ−１）番目の反復ステップの電圧測定値、Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、動作状態におけるオフセット電圧値である。

図４には、この場合には１ｋΩである目標内部抵抗Ｒ_{ｉｎｎｅｎ，Ｚｉｅｌ}によって除算された、相対的内部抵抗即ち本発明に係る方法を用いて求められた内部抵抗Ｒ_{ｉｎｎｅｎ，ｍｅｓｓ}と、反復ステップｉとの関係が示されている。交互に印加される診断状態の回数に依存して、内部抵抗を求めることについて改善を達成することができる。図４には、比較のために２つの測定点が書き込まれている。第１の測定点１４８において、無通電測定と通電測定とにより内部抵抗が求められる。第２の測定点１５０において、内部抵抗を求めるために、最初に完全に過渡応答状態にある無通電測定が実施され、次いで通電測定が実施され、その後、さらに無通電測定が実施される。この場合、１回の無通電測定及び１回の通電測定だけによって求めるのに比べ、７１％から９６％への改善を達成することができる。特に、抵抗が著しく高い場合には、通電回数をさらに高めることが有用になり得る。

この場合、実際にシステムの過渡応答時間の識別までに必要とされる時間は、持続的に通電されるシステムと交互に通電されるシステムとに関して、同等の長さになる可能性がある。図５には、持続的に通電されるネルンストセルの過渡応答時間の識別までの時間推移（曲線１５２）と、本発明に係る通電の過渡応答時間の識別までの時間推移（曲線１５４）の比較が示されている。

この方法においてさらに、電子制御装置の少なくとも１つの差動容量の差分容量、特に総実効差動容量、Ｃ_Ｄｉｆｆを関係式

から求めることができる。ここで、τは、総実効差動容量の充電時間の時定数、ｉは、反復ステップ、Ｕ［ｉ］は、ｉ番目の反復ステップの電圧測定値、Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、オフセット電圧値、ｔ_Ｍｅｓｓは、通電の投入後又は遮断後の測定時点、Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}は、内部抵抗である。求められた総差動容量を、時間的な通電を新たに設計するために、及び／又は、さらなる診断の目的で、使用することができる。

図６には、この場合には４０ｎｓである目標容量Ｃ_{Ｄｉｆｆ，Ｚｉｅｌ}によって除算された、相対的差動容量即ち本発明に係る方法を用いて求められた差動容量Ｃ_{Ｄｉｆｆ，ｍｅｓｓ}と、反復ステップｉとの関係が示されている。一連の通電測定と無通電測定の回数に依存して、差動容量を求めることについて改善を達成することができる。既に第２の測定点１５０によって、差動容量を９５％の精度で求めることができる。

さらなる態様によれば、測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサ、特に測定ガス中のガス成分の割合を捕捉するセンサが提案される。センサは、測定ガスの特性を捕捉するセンサ素子を有する。センサ素子は、少なくとも１つの加熱素子を有する。センサ素子は、少なくとも１つの第１の電極、少なくとも１つの第２の電極、及び、第１の電極と第２の電極とを接続する少なくとも１つの固体電解質を有する。センサ素子は、少なくとも１つのポンプセルを有することができる。センサ素子はさらに、少なくとも１つのネルンストセルを有することができる。ネルンストセルは、固体電解質と接続された少なくとも１つの第３の電極及び少なくとも１つの第４の電極を含むことができる。センサはさらに、本発明に係る方法を実施するための本発明に係るコンピュータプログラムを備えた電子制御装置を有する。定義及び実施形態に関しては、本発明に係る方法の説明を参照されたい。

センサ１１０はセンサ素子１１２を有する。以下において詳細に説明するように、センサ素子１１２をセラミック層構造として構成することができる。センサ素子１１２は、固体電解質１１４、第１の電極１１６及び第２の電極１１８を有する。センサ素子は、第３の電極１２０及び第４の電極１２２を有することができる。固体電解質１１４を、複数のセラミック層から固定電解質層の形態で構成することができ、又は、複数の固体電解質層を含むことができる。例えば、固体電解質１１４は、ポンプフィルム又はポンプ層、中間フィルム又は中間層、及び、加熱フィルム又は加熱層を含み、これらは上下に重なり合って配置されている。センサ素子１１０は、ガス流入路１２４を有することができる。ガス流入路１２４はガス流入孔１２６を有することができ、これは固体電解質１１４の表面１２８から固体電解質１１４の層構造内部に延在している。

図２Ａ乃至図２Ｄには、本発明に係るセンサ素子１３６（この場合にはネルンストセル）の回路図が示されている。図２Ａには、差動容量又は差動的に作用する容量が制御装置に組み込まれていない理想的な回路が示されている。図２Ｂ乃至図２Ｄには、例えば、分極抵抗Ｒ_Ｐｏｌに対し並列に、さらなる回路構成要素Ｃ_Ｄｉｆｆ及びＣ_Ｐｏｌが示されている。

図６には、この場合には４０ｎＦである目標容量Ｃ_{Ｄｉｆｆ，Ｚｉｅｌ}によって除算された、相対的差動容量即ち本発明に係る方法を用いて求められた差動容量Ｃ_{Ｄｉｆｆ，ｍｅｓｓ}と、反復ステップｉとの関係が示されている。一連の通電測定と無通電測定の回数に依存して、差動容量を求めることについて改善を達成することができる。既に第２の測定点１５０によって、差動容量を９５％の精度で求めることができる。

Claims (11)

1. 測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサ（１１０）の温度を求める方法であって、
   前記センサ（１１０）は、前記測定ガスの前記特性を捕捉する少なくとも１つのセンサ素子（１１２）を有しており、
   前記センサ素子（１１２）は、少なくとも１つの第１の電極（１１６）、少なくとも１つの第２の電極（１１８）、及び、前記第１の電極（１１６）と前記第２の電極（１１８）とを接続する少なくとも１つの固体電解質（１１４）を含み、
   前記センサ（１１０）は、少なくとも１つの電子制御装置を有している、
   方法において、
   ａ）動作状態を設定するステップであって、加熱電圧を前記センサ素子（１１２）に印加し、前記センサ素子（１１２）において実質的に一定の電圧状態を設定して捕捉するステップと、
   ｂ）少なくとも１つの診断シーケンスを実施するステップであって、少なくとも１つの第１の診断状態（１４４）を、前記センサ素子（１１２）に診断電流を印加することによって設定し、前記診断電流が遮断される少なくとも１つの第２の診断状態（１４６）を設定し、前記第１の診断状態（１４４）において少なくとも１つの第１の電圧値を捕捉し、前記第２の診断状態（１４６）において少なくとも１つの第２の電圧値を捕捉するステップと、
   ｃ）前記第１の電圧値及び前記第２の電圧値、並びに、前記動作状態の一定の電圧状態から、前記温度に関する情報を求めるステップと、
   を備える、
   測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサ（１１０）の温度を求める方法。
2. 複数回の診断シーケンスを実施する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記方法ステップｃ）において、前記センサ素子（１１２）の内部抵抗Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}を関係式、
   Ｒ_{ｉｎｎｅｎ}［ｉ］＝（Ｕ［ｉ］＋Ｕ［ｉ−１］−２Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}）／Ｉ
   から求め、
   ここで、ｉは、反復ステップ、Ｕ［ｉ］は、ｉ番目の反復ステップの電圧測定値、Ｕ［ｉ−１］は、ｉ−１番目の反復ステップの電圧測定値、Ｉは、前記センサ素子（１１２）に印加される診断電流、Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}は動作状態における電圧オフセットである、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１の電圧測定値を過渡応答過程中に求め、前記第２の電圧測定値を減衰過程中に求める、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１の診断状態（１４４）の期間と前記第２の診断状態（１４６）の期間とは、等しい長さである、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 当該方法においてさらに、前記電子制御装置の少なくとも１つの差動容量の差分容量、Ｃ_Ｄｉｆｆを関係式
   

   

   から求め、ここで、τは、総実効差動容量の充電時間の時定数、ｉは、反復ステップ、Ｕ［ｉ］は、ｉ番目の反復ステップの電圧測定値、Ｕ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、オフセット電圧値、ｔ_Ｍｅｓｓは、通電の投入後又は遮断後の測定時点、Ｉは、前記センサ素子（１１２）に印加される診断電流、にＲ_{ｉｎｎｅｎ}は、内部抵抗である、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法の各ステップを実施するために構成されたコンピュータプログラム。
8. 請求項７に記載のコンピュータプログラムが記憶されている電子記憶媒体。
9. 請求項８に記載の電子記憶媒体を含む電子制御装置。
10. 測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサ（１１０）であって、当該センサ（１１０）は、前記測定ガスの前記特性を捕捉する少なくとも１つのセンサ素子（１１２）を有しており、
    前記センサ素子（１１２）は、少なくとも１つの第１の電極（１１６）、少なくとも１つの第２の電極（１１８）、及び、前記第１の電極（１１６）と前記第２の電極（１１８）とを接続する少なくとも１つの固体電解質（１１４）を含み、
    前記センサ（１１０）はさらに、請求項９に記載の電子制御装置を有する、
    測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を捕捉するセンサ（１１０）。
11. 前記センサ（１１０）は、少なくとも１つの電流源を有しており、
    前記電流源は、前記センサ素子（１１２）に電流を印加するように構成されている、
    請求項１０に記載のセンサ（１１０）。

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