JP5032457B2 - Method and apparatus for determining the physical properties of a gas in a measuring gas chamber - Google Patents
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Description
本発明は、所定の固体の電解質特性に基づく公知のセンサ素子、すなわちこの固体の性質に起因する公知のセンサ素子により、所定のイオンを導くことを出発点とする。 The present invention starts from guiding a predetermined ion by a known sensor element based on the electrolyte characteristics of a predetermined solid, that is, a known sensor element resulting from the properties of the solid.
このようなセンサ素子は、例えば空燃混合気組成を測定するために自動車に使用される。例えばこの形式のセンサ素子は、いわゆる「ラムダセンサ」に使用され、ガソリン内燃機関においても、またディーゼルテクノロジにおいても排気ガスにおける有害物質を低減する際に重要な役割を果たしている。しかしながら本発明は、上記のような固体電解質を含む別の形式のセンサ素子にも適用可能である。すなわち、本発明は、バイステーブルセンサ(Sprungsonde)およびブロードバンドセンサ(Breitbandsonde)の他に、例えば、微粒子センサまたは固体電解質を有する類似の形式のセンサに適用して、例えばCO,NOxまたはNH3を測定することも可能である。以下では、権利保護範囲を制限することなく、本発明をラムダセンサの例で説明するが、上記の説明を考慮すれば、別の形式のセンサ素子、例えば、別のガス成分、例えば酸素を含むガス成分の濃度を決定するセンサ素子も作製可能である。本発明は、センサ素子と、例えば本発明のセンサ素子であるセンサ素子の作製方法と、センサ素子を作動する方法とに関する。 Such sensor elements are used, for example, in automobiles for measuring the air / fuel mixture composition. For example, this type of sensor element is used in so-called “lambda sensors” and plays an important role in reducing harmful substances in exhaust gases, both in gasoline internal combustion engines and in diesel technology. However, the present invention is also applicable to other types of sensor elements including the solid electrolyte as described above. That is, the present invention is, in addition to the bistable sensor (Sprungsonde) and broadband sensor (Breitbandsonde), for example, it is applied to a sensor of similar form having a particle sensor or a solid electrolyte, for example CO, and NO x or NH 3 It is also possible to measure. In the following, the present invention will be described by way of example of a lambda sensor without limiting the scope of rights protection, but in view of the above description, other types of sensor elements, for example, other gas components, such as oxygen, may be included. A sensor element that determines the concentration of the gas component can also be produced. The present invention relates to a sensor element, a method for producing a sensor element, for example a sensor element of the present invention, and a method for operating a sensor element.
内燃機関技術においていわゆる空気量「ラムダ」(λ)とは一般的に、実際に供給される空気質量と、理論的に燃焼に必要な(すなわち化学量論的)空気質量との比のことである。ここでこの空気量は、1つまたは複数のセンサにより、多くの場合に内燃機関の排気ガス管路における1つまたは複数の箇所において測定される。これに相応して「リッチ」な混合気(すなわち燃料が過剰な混合気)は空気量λ<1を有し、その一方「リーン」な混合気(すなわち燃料が少ない混合気)は空気量λ>1を有する。自動車技術分野の他にこのようなセンサ素子および類似のセンサ素子は、工業技術の(殊に燃焼技術の)別の分野、例えば航空機技術分野において、または例えば暖房装置または動力装置におけるバーナを制御する際に使用される。従来技術からは上記のセンサ素子の種々異なる多くの実施形態が公知であり、また例えばRobert Bosch社の"Sensoren im Kraftfahrzeug",2001年6月、第112〜117頁またはT. Baunach等による"Sauberes Abgas durch Keramiksensoren", Physikjournal 5 (2006) 第5、第33〜38頁に記載されている。 In internal combustion engine technology, the so-called air quantity “lambda” (λ) is generally the ratio between the actual air mass supplied and the theoretically required (ie stoichiometric) air mass for combustion. is there. Here, this amount of air is measured by one or more sensors, often at one or more locations in the exhaust gas line of the internal combustion engine. Correspondingly, a “rich” mixture (ie, a fuel-rich mixture) has an air quantity λ <1, while a “lean” mixture (ie, a fuel-less mixture) has an air quantity λ. > 1. In addition to the automotive technology field, such sensor elements and similar sensor elements control burners in other fields of industrial technology (especially in combustion technology), for example aircraft technology, or for example in heating systems or power systems. Used when. Many different embodiments of the above sensor elements are known from the prior art, and for example “Sensoren im Kraftfahrzeug” by Robert Bosch, June 2001, pages 112-117 or “Sauberes by T. Baunach et al. Abgas durch Keramiksensoren ", Physikjournal 5 (2006), pages 5, 33-38.
ラムダセンサはさまざまな形態で公知である。第1の実施形態はいわゆる「バイステーブルセンサ」であり、その測定原理は、参照ガスと、測定すべき混合気との間の電気化学的電位差を測定することに基づいている。参照電極および測定電極は、固体電解質を介して互いに接続される。固体電解質として、酸素イオン伝導特性が良好であることに起因してふつうジルコンダイオキシド(例えば、イットリア安定化ジルコンダイオキシド、YSZ)または類似のセラミックが使用される。バイステーブルセンサとは択一的にまたはこれに付加的にいわゆる「ポンプセル」も使用され、ここでは電気的な「ポンプ電圧」は、固体電解質に接続されている2つの電極に加えられて、上記のポンプセルを通過する「ポンプ電流」が測定される。上記のバイステーブルセルおよびポンプセルのセンサ原理は、有利にはいわゆる「マルチセルラ(Mehrzeller)」方式で組み合わせて使用することも可能である。 Lambda sensors are known in various forms. The first embodiment is a so-called “vistable sensor” whose measurement principle is based on measuring the electrochemical potential difference between the reference gas and the mixture to be measured. The reference electrode and the measurement electrode are connected to each other via a solid electrolyte. As the solid electrolyte, zircon dioxide (eg, yttria stabilized zircon dioxide, YSZ) or similar ceramic is usually used due to its good oxygen ion conductivity. A so-called “pump cell” can also be used as an alternative or in addition to the bistable sensor, where an electrical “pump voltage” is applied to the two electrodes connected to the solid electrolyte, The “pump current” passing through the pump cell is measured. The sensor principles of the above bistable cell and pump cell can also be used advantageously in combination in a so-called “multicellular” manner.
しかしながら公知のセンサ素子、殊にブロードバンドセンサ素子には、実際にはいくつかの欠点および挑戦的な要素が伴っている。例えばふつうのブロードバンドセンサ素子の構造は比較的複雑である。それは多数の電極および比較的複雑な層構造が必要だからである。別の欠点は、公知のセンサ素子が、汚れに対して極めて敏感に反応しまた相応にシールドしてやらなければならない参照電極を使用することである。 However, known sensor elements, in particular broadband sensor elements, actually have some drawbacks and challenging elements. For example, the structure of a typical broadband sensor element is relatively complex. This is because a large number of electrodes and a relatively complicated layer structure are required. Another disadvantage is that the known sensor elements use a reference electrode which is very sensitive to contamination and must be shielded accordingly.
DE 102 19 881 A1からは、測定ガス室における測定ガスの分圧を決定する測定センサが公知であり、この測定センサは、複数のポンプ電極が取り付けられたイオン伝導体(Ioneneleiter)を有する。これらのポンプ電極のうちの1つは、カバーによって気密に密閉されている。これらのポンプ電極におけるネルンスト電圧を測定することにより、またはポンプ電極間で測定される電荷量を測定することにより、測定ガス室における測定ガスの分圧を決定することができる。 From DE 102 19 881 A1, a measuring sensor for determining the partial pressure of a measuring gas in a measuring gas chamber is known, which measuring sensor has an ionic conductor (Ioneneleiter) to which a plurality of pump electrodes are attached. One of these pump electrodes is hermetically sealed by a cover. The partial pressure of the measurement gas in the measurement gas chamber can be determined by measuring the Nernst voltage at these pump electrodes or by measuring the amount of charge measured between the pump electrodes.
DE 102 19 881 A1に記載された装置は、従来のブロードバンドセンサに比べて、上記の気密に密閉されたポンプ電極が周囲の影響および汚れに対して良好にシールドされているという利点を有する。しかしながらここに記載されている測定方法は、いくつかの理想的な仮定を前提としている。すなわち、例えば、流れた電荷量と電流との間に一義的かつ既知の関係がつねにあることを前提としているのである。しかしながらこの関係は、実際には変動する性質のものであるか、または上記の量の測定は、測定技術的な不測要因に起因して困難なことがあり、これによって測定の精度および信頼性が格段に低減されてしまうことがあるのである。
本発明の課題は、従来公知の方法よりも測定のフローが簡単な方法およびセンサ構造を極めて簡略化された装置を提供することである。 It is an object of the present invention to provide a method with a simpler measurement flow and a device with a greatly simplified sensor structure than a conventionally known method.
上記の方法についての課題は、本願発明の請求項1により、酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する方法であって、この方法では、少なくとも1つのポンプセルを有するセンサ素子を使用し、このポンプセルは、少なくとも1つの第1電極と、少なくとも1つの第2電極と、この第1電極および第2電極を接続する少なくとも1つの固体電解質とを有しており、この第1電極は、測定ガス室のガスに曝されており、この第2電極は、上記の測定ガス室から離れた気密に封止された空所に配置されており、時点t0に前記のポンプセルにポンプ電圧Upを加えてポンプ作動させ、このポンプセルを通って流れるポンプ電流を測定する形式の、ガスの物理特性を決定する方法において、上記の第1電極と第2電極との間に形成されるネルンスト対抗電圧に特徴的な変化が発生しているか否かを求め、このネルンスト対抗電圧の特徴的な変化を識別した場合、上記の時点t0後にこの特徴的な変化が発生した時間Δtから前記のガスの物理特性を推定することによって解決される。 Problems for the above method, the first aspect of the present invention, there is provided a method of determining the concentration of a gas component comprising oxygen concentration or oxygen, in this way, using a sensor element having at least one pumping cell The pump cell has at least one first electrode, at least one second electrode, and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode, the first electrode comprising: Exposed to the gas in the measuring gas chamber, this second electrode is placed in a hermetically sealed space away from the measuring gas chamber and the pump voltage U is applied to the pump cell at time t 0. In a method of determining the physical properties of a gas, in the form of measuring the pump current flowing through the pump cell by adding p and operating the pump, the net formed between the first electrode and the second electrode is used. When it is determined whether or not a characteristic change in the Runnst counter voltage has occurred, and a characteristic change in the Nernst counter voltage is identified, the time Δt at which the characteristic change has occurred after the time t 0 is described above. It is solved by estimating the physical properties of the gas.
また上記の装置についての課題は、本願発明の請求項12により、酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する装置であって、この装置は、センサ素子を有しており、このセンサ素子は、少なくとも1つのポンプセルを有しており、このポンプセルは、少なくとも1つの第1電極と、少なくとも1つの第2電極と、この第1電極および第2電極を接続する少なくとも1つの固体電解質とを有しており、上記の第1電極は、測定ガス室のガスに曝されており、上記の第2電極は、上記の測定ガス室から離れた気密に封止された空所に配置されており、上記装置にはさらに電気制御部が含まれており、この電気制御部は、上記の方法を実施するように構成されていることを特徴とする装置によって解決される。 The challenge for the above device, the claim 12 of the present invention there is provided an apparatus for determining the concentration of a gas component comprising oxygen concentration or oxygen, this device has a sensor element, the sensor The element has at least one pump cell, the pump cell comprising at least one first electrode, at least one second electrode, and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. The first electrode is exposed to the gas in the measurement gas chamber, and the second electrode is disposed in a hermetically sealed space away from the measurement gas chamber. and, it includes a further electrical control unit in the apparatus, the electric control unit is solved by a device which is characterized by being configured to implementation of the above method.
本発明は、少なくとも1つの測定ガス室におけるガスの少なくとも1つの物理特性を決定する方法に関する。以下の説明において重点は、検出すべきガス成分の測定ガス室における分圧を決定することに置かれている。本発明の方法により、少なくとも従来公知の方法における上記の欠点が大きく回避される。上記の方法は、例えば、内燃機関の排ガスにおける酸素濃度を決定するのに使用される。しかしながら択一的にはこの方法は、例えばNOx,COなどの別のガスの濃度を決定するのにも使用される。 The invention relates to a method for determining at least one physical property of a gas in at least one measuring gas chamber. In the following description, emphasis is placed on determining the partial pressure in the measurement gas chamber of the gas component to be detected. By the method of the present invention, at least the above-mentioned drawbacks in the conventionally known methods are largely avoided. The above method is used, for example, to determine the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine. However, this method is the alternative, for example NO x, are also used to determine the concentration of another gas, such as CO.
本発明では比較的簡単なセンサ素子を使用し、ここでこのセンサ素子は、少なくとも1つのポンプセルを有しており、このポンプセルは、少なくとも1つの第1電極、少なくとも1つの第2電極、および第1電極と第2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。ここで第1電極は、(例えば直接またはガス透過性保護層を介して、例えば多孔性の保護層を介して)測定ガス室のガスに曝される。この第1電極を以下では「外部電極」(ASE)とも称する。これに対して第2電極は、上記の測定ガス室から分離されかつ気密に封止された空所に配置されている。この第2電極を以下では「内部電極」(ISE)とも称する。 The present invention uses a relatively simple sensor element, wherein the sensor element has at least one pump cell, the pump cell having at least one first electrode, at least one second electrode, and a second one. It has at least 1 solid electrolyte which connects 1 electrode and 2nd electrode. Here, the first electrode is exposed to the gas in the measurement gas chamber (eg directly or via a gas permeable protective layer, eg via a porous protective layer). Hereinafter, the first electrode is also referred to as “external electrode” (ASE). On the other hand, the second electrode is disposed in a space separated from the measurement gas chamber and hermetically sealed. This second electrode is hereinafter also referred to as “internal electrode” (ISE).
ここで「気密に封止されている」空所とは、上記の測定ガス室から実質的にシールドされている空所のことである。ここでは有利には完全に気密にシールドされるため、測定ガス室とのガス交換は、上記の固体電解質だけを介して行うことができる。しかしながら上記の空所と測定ガス室との間に無視できるような接続が存在することも可能であり、ここでこの接続により、上記の2つの空間の間でガス流が可能となる。このガス流は、センサ素子の動作時に固体電解質を通って流れるガス流よりも少ないガス流(例えば少なくとも1オーダ少ない、有利には数オーダ少ない)である。 Here, the “air-tightly sealed” space is a space that is substantially shielded from the measurement gas chamber. Here, it is preferably completely hermetically shielded, so that the gas exchange with the measuring gas chamber can only take place via the solid electrolyte. However, there can be negligible connections between the void and the measurement gas chamber, where this connection allows a gas flow between the two spaces. This gas flow is a gas flow that is less than the gas flow that flows through the solid electrolyte during operation of the sensor element (e.g. at least one order less, preferably several orders less).
ここまでの説明において、本発明の方法に使用されるセンサ素子は、例えば、DE 102 19 881 A1に記載された測定センサと類似または同じである。上記のセンサ素子の構成により、従来公知のセンサ素子に比べて、例えば従来公知のブロードバンドセンサに比べて電極の数を格段に低減できるという利点が得られる。これによって上記の構造を格段に簡略化しまたコストを低減することができる。さらにここで提案される構造は、例えば従来のバイステーブルセンサおよびリーンセンサ(Magersonde)と互換性も有するため、例えば、作製において相乗効果も得ることができる。 In the description so far, the sensor elements used in the method according to the invention are similar or the same as, for example, the measurement sensors described in DE 102 19 881 A1. With the configuration of the sensor element described above, there is an advantage that the number of electrodes can be remarkably reduced as compared with a conventionally known sensor element, for example, compared with a conventionally known broadband sensor. As a result, the above structure can be greatly simplified and the cost can be reduced. Furthermore, since the structure proposed here is also compatible with, for example, a conventional bistable sensor and a lean sensor (Magersonde), for example, a synergistic effect can be obtained in manufacturing.
しかしながらDE 102 19 881 A1とは異なり、ここではつぎのような測定方法が提案される。すなわち、この方法は少なくとも、量的な電流測定だけに関連するのではなく、所定の特徴的なイベントが発生するまでの時間を実質的に測定する方法なのである。このような時間(以下ではΔtと記す)は、DE 102 19 881 A1において必要となる電流の積分値よりも測定技術的に簡単に検出できることが多い。ここでは特徴的なイベントとして利用されるのは、適切なポンプ動作において、ふつう測定ガス室のガス組成が変化しないかまたは取るに足らない程度にしか変化しないのに対して、上記の気密に封止された空所におけるガス組成が変化するという事実である。点λ=1が得られるようにこの変化が行われる場合、ふつう上記のネルンスト対抗電圧(Nernstgegenspannung)、すなわち上記の第1電極と第2電極との間の電気化学電位差は、跳躍的ないしは明らかに識別可能に変化する。ネルンスト対抗電圧のこのような変化は、電圧測定によって直接識別できるか、または測定されるポンプ電流における特徴的な変化の形態で記録することができる。ここでこのポンプ電流は、有効ポンプ電圧(すなわちネルンスト対抗電圧と外部から加えたポンプ電圧との重ね合わせ)によって決まる。 However, unlike DE 102 19 881 A1, the following measurement method is proposed here. That is, this method is at least a method of substantially measuring the time until a predetermined characteristic event occurs, rather than only relating to quantitative current measurement. Such a time (hereinafter referred to as Δt) can often be detected more easily in terms of measurement technology than the integral value of the current required in DE 102 19 881 A1. The characteristic event used here is that the gas composition in the measuring gas chamber usually does not change or is only insignificant in the proper pump operation, whereas the above-mentioned airtight sealing is used. The fact is that the gas composition in the stopped space changes. When this change is made so that the point λ = 1 is obtained, the above Nernst counter voltage, that is, the electrochemical potential difference between the first electrode and the second electrode is jumping or obvious. It changes to be identifiable. Such changes in the Nernst counter voltage can be directly identified by voltage measurement or can be recorded in the form of characteristic changes in the measured pump current. Here, the pump current is determined by the effective pump voltage (that is, the superposition of the Nernst counter voltage and the pump voltage applied from the outside).
上記のポンプ電圧の印加と、特徴的なイベントの発生との間の時間から、ガスの物理特性、例えばガス組成(例えば測定ガス室におけるガス成分の分圧)を推定することができる。この関係は、経験的、半経験的または分析な手法で作成可能である。 From the time between the application of the pump voltage and the occurrence of a characteristic event, the physical characteristics of the gas, for example, the gas composition (for example, the partial pressure of the gas component in the measurement gas chamber) can be estimated. This relationship can be created empirically, semi-empirically or analytically.
したがって上記の方法は、測定のフローが極めて簡単になることによって従来公知の方法よりも優れている。最も簡単な場合、ポンプ電圧の印加と、特徴的なイベントの記録と、時間からのガス組成推定とだけが必要である。さらにすでに説明したようにセンサ構造を極めて簡略化することができる。 Therefore, the above method is superior to the conventionally known method because the measurement flow becomes extremely simple. In the simplest case, it is only necessary to apply the pump voltage, record characteristic events, and estimate the gas composition from time. Furthermore, as already explained, the sensor structure can be greatly simplified.
単独また組み合わせで実現可能な本発明の方法のさらなる詳細および発展形態を、以下の実施例の枠内で詳しく説明する。ここでは上記の方法の他にさらに装置が提案される。この装置には、冒頭に説明した特徴を有するセンサ素子の他にさらに電子制御部が含まれており、この電子制御部は、上記または以下に説明する複数の実施形態のうちの1つで本発明の方法を実施するように構成されている。 Further details and developments of the method of the invention that can be implemented alone or in combination are described in detail within the framework of the following examples. Here, in addition to the method described above, a further device is proposed. The apparatus further includes an electronic control unit in addition to the sensor element having the characteristics described at the beginning, and the electronic control unit is a book in one of the embodiments described above or below. It is configured to carry out the inventive method.
本発明の実施例を図面に示し、以下の説明において詳述する。 Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in detail in the following description.
図1には、従来技術のセンサ素子110の実施例が示されており、このセンサ素子はブロードバンドラムダセンサとして使用され、測定ガス室112における酸素分圧を測定する。センサ素子110は、外部ポンプ電極(APE)114および内部ポンプ電極(SPE)116を有しており、これらは第1の固体電解質118によって分離されている。外部ポンプ電極114が直接またはガス透過性の保護層を介して測定ガス室112に接続されているのに対して、内部電極116はポンプ室120に配置されており、このポンプ室は、酸素のウェイク(Nachstroemen)を制限する拡散バリア122を介して測定ガス室112に接続されている。
FIG. 1 shows an example of a prior
この実施例において内部ポンプ電極116は、2ピースで構成されておりまた第2固体電解質124に配置される第2電極部分を有する。この内部ポンプ電極116の反対側には参照電極126が配置されており、これは空気参照チャネル127に配置されている。
In this embodiment, the
さらに上記のセンサ素子110は、ヒータ130およびヒータ絶縁器132を備えた加熱素子128を有する。
Further, the
上記の外部ポンプ電極114と内部電極116との間に電圧(ポンプ電圧)を加えることにより、内部ポンプ電極116から外部ポンプ電極114にまたはこの逆に酸素イオンを移動させることができる。外部ポンプ電極114と内部ポンプ電極116との間のポンプ電圧は制御されて、上記の参照電極126と、第2固体電解質124と、内部電極116とによって構成されるネルンストセル134に一定の電圧が調整される。原理的には上記のポンプ電圧は、正の値も負の値もとり得る。ポンプ電圧が正の場合、酸素はポンプ室120からポンピングによって排出され、これに対して負のポンプ電圧により、酸素はポンプ室120へと強制的に移動され、酸素はそこで拡散バリア122を通して拡散したリッチガスと反応して減少する。これらの酸素イオンは、外部ポンプ電極114においてCO2および/または水が分解することによって得られる。
By applying a voltage (pump voltage) between the
上記の制御に対し、システム状態の種々異なるケースが発生し得る:
1.UNernst<USoll(リーンな混合ガス組成):
ポンプ電極114,116間のポンプ電圧を上昇させる。空気参照電極126と内部ポンプ電極116との間のネルンスト電圧UNernst=USollによって新たな平衡状態が調整されるまで、ポンプ室120において酸素分圧が低下する。
For the above control, different cases of system state can occur:
1. U Nernst <U Soll (lean mixed gas composition):
The pump voltage between the
2.UNernst>USoll(リッチな混合ガス組成):
上記の制御器によってポンプ電圧(場合によって負の値まで)低下し、UNernst=USollの目標値が達成されるまでポンプ室120における平衡酸素分圧が上昇する。
2. U Nernst > U Soll (rich mixed gas composition):
The controller reduces the pump voltage (possibly to a negative value) and increases the equilibrium oxygen partial pressure in the
UNernst=USollに制御することは、上記の酸素分圧を一定の小さい値に調整することに相当する。拡散バリアを介して酸素分圧の勾配が発生することにより、この分圧の差分に比例する粒子拡散電流(Diffusionsteilchenstrom)が発生する。上記のネルンスト電圧の目標値では、電荷数q=4eを考慮すると、第1固体電解質118を通るポンプ電流は、まさにこの判流した粒子量に相当してなければならない。
Controlling to U Nernst = U Soll corresponds to adjusting the oxygen partial pressure to a constant small value. When a gradient of the oxygen partial pressure is generated through the diffusion barrier, a particle diffusion current (Diffusionsteilchenstrom) proportional to the difference in the partial pressure is generated. In the target value of the Nernst voltage described above, the pump current passing through the first
酸素分圧についてプロットすると、ポンプ電流の直線的な特性曲線が得られる。空気量λについてのポンプ電流の経過に対し、排気ガスにおいて測定した酸素分圧から出発して、燃焼反応の前の領域だけに対して定められる空気量を逆算しなければならない。図1によるセンサ素子110の測定原理のさらなる詳細については、例えば、冒頭に述べた従来技術(例えば、T. Baunach等による刊行物)を挙げることができる。図示のセンサ素子110は、比較的複雑であり、また少なくとも3つの電極端子が必要である。
When plotting oxygen partial pressure, a linear characteristic curve of the pump current is obtained. For the course of the pump current for the air quantity λ, starting from the oxygen partial pressure measured in the exhaust gas, the air quantity determined only for the region before the combustion reaction has to be calculated back. For further details of the measurement principle of the
図1に記載した上記のセンサ素子110では、酸素分圧を決定するために1つの情報(測定量)だけしか必要としない(例えば拡散によって決まるポンプ電流)。それは、測定すべきガスには、関連するガスタイプ(例えば酸素、残留酸素)は1つだけしか存在しないからである。関連する第2のタイプが存在し得る場合(例えばリッチモードにおける炭化水素)、多くの場合にはないしは多くのセンサ変形形態においては多義的な特性曲線が得られる。独立した2つの測定点に拡張することによってのみ、検出すべきガスタイプの分圧の絶対値を決定することができる。これらの独立した測定点は、ふつう複数電極装置によって(例えば、図1に示した3電極装置を用いて)実現することができる。したがってセンサ素子110に組み込まれる加熱素子と共に、5つのコンタクトを有するセンサ素子が得られる。ここでこれらのコンタクトのうちのいくつかを部分的にまとめることも可能である。しかしながら上述と同じくコンタクトの数が多くなるため、技術的なコストが高くなりまたセンサ構造が複雑になる。
In the
これに対して図2には本発明の枠内で使用可能センサ素子110の実施例が示されてくる。ここで説明するセンサ素子110およびこのセンサ素子を作動する方法は、配置する電極の数を少なくする(2電極配置構成)ことに基づいており、この電極配置により、閉じられた空所の形態の参照室および複数フェーズの測定方式の組み合わせで所要の独立した測定点が実現される。電極の数が最小限であること(2電極配置構成)に相応して、また内部加熱素子128の接触接続に伴い(例えば加熱素子128のアースと、上記の電極のうちの1つとが接続されているか否かに依存して)4つないしは3つのコンタクトワイヤだけしか必要ない。
In contrast, FIG. 2 shows an embodiment of a
図示のセンサ素子110はここでも、以下では外部センサ電極(ASE)とも記す第1電極136と、以下では内部電極(ISE)とも記す第2電極138とを有する。電極136,138は、固体電解質140によって互いに接続されている。外部センサ電極136が、拡散を制限する作用も及ぼし得るオプションの多孔性保護層142を介して、測定すべきガス混合気の存在する測定室112に接続されているのに対して、内部センサ電極138は気密に閉じられた空所144に配置されている。この実施例においても同様に固定電解質材料によって構成されるこの気密に閉じられた空所は全部または一部を多孔性の充填材料で充填することもでき、この充填材料によってガスの取り込みおよび放出が可能になる。さらに図2に示した実施例においてセンサ素子110はここでもオプションでヒータ130およびヒータ絶縁器132を有する加熱素子128を有する。
The illustrated
内部センサ電極138はこの場合に純粋な酸素電極(ネルンスト電極)として機能する。外部電極136も同様に酸素電極として実施することができる。2つの電極136,138との間のネルンスト対抗電圧の平滑な特性曲線を得るため、(動作モードに応じて)酸素電極とは択一的に混合電位電極(Mischpotentialelektrode)を使用することも可能である。
The
図3には装置146の実施例が示されており、この装置には図2のセンサ素子110を使用することができる。この実施例において装置110は、排気ガスにおける酸素濃度を決定するのに使用される。この装置146には、センサ素子110の他に電子制御部148が含まれており、これは、センサ素子110を用いて本発明の測定方法を実施するように構成されている。この電子制御部にはトリガ装置150が含まれており、このトリガ装置は、以下に説明する測定方法を時間的に制御するように構成されている。さらに電子制御部148にはポンプ電圧源152が含まれており、このポンプ電圧源は、2つの電極136,138および固体電解質140から形成される図2のセンサ素子110のポンプセル154に1つまたは複数の電圧を供給する。電子制御部148はこの他に電圧測定装置156と、電流測定部158と、有利には複数のオーム抵抗160とを有する。
FIG. 3 shows an embodiment of the device 146, in which the
図3の実施例において電子制御部148の個々の素子の配線はつぎのように行われる。すなわち、2つの電極136と138(後者はセンサ素子110の内部に設けられる)との間に電圧測定装置156が接続されてこれらの電極136,138の間の電圧が測定できるように行われるのである。電流測定装置158は、スイッチ162を介して選択的にポンプ電圧源152または複数のオーム抵抗160のうちの1つと直列に接続される。スイッチ162の位置は、制御線路164を介して、例えばトリガ装置150によって変更および/または時間的に制御される。
In the embodiment of FIG. 3, the wiring of the individual elements of the electronic control unit 148 is performed as follows. That is, since the voltage measuring device 156 is connected between the two
装置146は図3の実施例とは異なって構成できることも指摘しておく。しかしながらいずれの場合にも上記の装置には電子制御部が含まれており、ここでこの電子制御部は、センサ素子110の2つの配線の間で切り換えることができ、これによって時間的に前後して続く少なくとも2つの動作モードが可能になる。ここまではいずれの場合にもスイッチ162が設けられる。第1の配線状態ではポンプセル154にポンプ電圧が加えられるため、この場合にはスイッチ162の他にポンプ電圧源152を設けなければならない。ここではポンプ電流も測定されるため、さらに電流測定装置158も含まれるべきである。これに対して第2の状態では複数の選択肢がある。したがってまず測定ガス室112と、閉じられた空所144(図3では識別できない)との間に平衡状態をつぎのようにして形成することができる。すなわち、電極136,138をオーム抵抗160(このオーム抵抗は有利には値0をとることができるかまたは複数のオーム抵抗からまとめることもできる)を介して短絡することによって平衡状態を形成することができるのである。ここでもまた電流測定装置148を介して、流れる電流が測定される。択一的または付加的には電圧測定装置156を介して、電極136,138間のネルンスト電圧を測定することができる。この場合、ネルンスト電圧測定部は、電子制御部148の必須の構成部材である。
It should also be pointed out that the device 146 can be configured differently than the embodiment of FIG. In either case, however, the device described above includes an electronic control unit, which can be switched between the two wires of the
さらに電子制御部148,例えばトリガ装置150は、1つまたは複数のマイクロコントローラを含むことができ、このマイクロコントローラは、以下に説明する測定方法を実行するように構成されている。この他に別の電子コンポーネント、例えばすでに述べた電子コンポーネントを設けることができる。 Furthermore, the electronic control unit 148, such as the trigger device 150, can include one or more microcontrollers, which are configured to perform the measurement method described below. In addition to this, other electronic components can be provided, for example the electronic components already mentioned.
図3に示した装置146によって複数フェーズの測定方式が可能であり、この測定方式は、時間制御または電荷制御または電流制御または電圧制御によって、能動的に加えられる電圧シーケンスおよび/または電流シーケンスおよび/または受動的な負荷(アイドリング−オーム負荷抵抗−短絡)との間で切り換えることができる。 The device 146 shown in FIG. 3 allows for a multi-phase measurement scheme, which is a voltage sequence and / or a current sequence and / or an actively applied time control or charge control or current control or voltage control. Or it can be switched between passive loads (idling-ohmic load resistance-short circuit).
本発明では、ポンプ電圧源152によってポンプセル154に(時間的に一定なおよび/または制御されたおよび/または時間的に変化する)ポンプ電圧が加えられる測定方法が提案される。ここでは電流測定装置148を介して、ポンプセル154を通るポンプ電流が測定される。このポンプ動作中には連続してまたは所定の間隔で(例えば規則的な間隔で)、ポンプセル154の1つまたは複数の特性量が特徴的に変化するか否かが求められる。ここでこれは例えばつぎのような特性量である。すなわち、内部センサ電極128の電位と、外部センサ電極126との間の電位差によって発生するネルンスト対抗電圧の跳躍的な変化を特徴付ける量である。ネルンスト対抗電圧のこのような特徴的な変化は、ラムダの変化、すなわち閉じられた空所144内の空気量がリッチ領域からリーン領域に変化することを示している。この特徴的な変化は、例えば、電子制御部148の簡単な電子構成部材によっておよび/または電子制御部148におけるパターン識別によって識別することができる。
The present invention proposes a measurement method in which a pump voltage (constant and / or controlled and / or time-varying) is applied to the
ネルンスト対抗電圧のこのような特徴的な変化は、例えば(択一的または組み合わせで)使用可能な2つの手法で求めることができる。第1の方法ではこのため、ポンプセルを通りかつ電流測定装置158によって記録されるポンプ電流を監視して、殊に特徴的な跳躍(例えば跳躍的な減少)について調べる。択一的または付加的には電圧測定装置156によって電極136と138との間の電圧を直接求めることにより、上記の特徴的な変化を求めることもできる。このために例えばこの電圧測定に対して、(例えばあらかじめ設定した、例えば規則的な繰り返し間隔で)ポンプ電圧源152からポンプセル154に加えられる電圧を一時的に中断することができる。この中断そのものは例えばスイッチ162によって(例えばトリガ装置150によって制御して)行うことかできる。これにより、上記のネルンスト対抗電圧を直接適合化することができ、この場合に上記の特徴的な変化は、測定される電圧の特徴的な変化を表す。
Such a characteristic change in the Nernst counter voltage can be determined in two possible ways, for example (alternatively or in combination). In the first method, therefore, the pump current passing through the pump cell and recorded by the current measuring device 158 is monitored to check for particularly characteristic jumps (eg jump jumps). Alternatively or additionally, the characteristic change can be determined by directly determining the voltage between the
いずれの場合も測定量として時間Δtを使用する。ここで上記のポンプ電圧を加え始めた(時点t0)後、この時間Δtに上記の特徴的な変化がはじまるのである。付加的にはオプションで例えば、時間Δt中にポンプセル154を流れる電流および/または時間Δt中にポンプセル154を流れる電荷を求めて、測定の評価時に考慮することもできる。これによって測定の精度を高めることができる。上記の電流および/または流れた電荷の考察は、択一的には上記の時間Δtとは別の時間にわたって行うこともでき、例えば平衡状態になるまで、すなわちポンプ電流が消滅した状態になるまで行うことができる。
In either case, the time Δt is used as the measurement quantity. Here, after starting to apply the pump voltage (time point t 0 ), the characteristic change starts at this time Δt. In addition, for example, the current flowing through the
したがって上記の測定から分かるのは、上記の変化によってマーキングされるリッチからリーンへのラムダ変化までにいくつの酸素(ないしは検出しようとする別のガス成分)が空所144からポンピングによって排出されたかないしはこれにポンピングによって汲み上げられたはずであるかである。
Thus, it can be seen from the above measurements that how many oxygens (or other gas components to be detected) have been pumped out of the
ラムダ変化までのこの酸素量から測定ガス室112におけるガス混合気組成を量的に推定できるようにするためにはさらに、この測定を開始する前に空所144を既知の酸素分圧に調整しなければならない。これはさまざまな手段によって行うことができる。1つにはポンプ電圧を加える前にポンプセル154を短絡することにより、測定ガス室112と、閉じられた空所144との間の平衡状態を調整することが可能である。この短絡は、上記のように例えばオーム抵抗160を中間に接続することによって行うことができる。(例えば経験に求められかつ例えば固定に設定される)時間だけ待機した後および/または電流測定装置158によって測定される電流が漸近的に値ゼロに近似した場合にこのような平衡状態が形成され、また空所144における酸素分圧が、実質的に測定ガス室112の酸素分圧に相応する。ラムダ変化までに空所144にポンピングで汲み上げられるないしはポンピングされて排出しなければならない酸素の量を上記の方法にしたがって測定した場合には、この既知の出発点から前の分圧を推定することができる。ここでこの分圧は、測定ガス室112における分圧に等しい分圧である。これは、例えば、全体とした流れた電荷量ないしは時間Δtから、記憶した曲線または値を使用して(例えば電子式のテーブルを使用して)ラムダ値を求めることにより、経験的に行うことできる。しかしながらこれとは択一的またはこれに付加的に例えば、センサ素子110の既知の物理量、例えば空所144の大きさ、固体電解質140の導電率などを用いて解析的または半経験的な評価を行うこともできる。
In order to be able to quantitatively estimate the gas mixture composition in the
上記の方法は、適切なシーケンシャルな測定方式において、場合によっては平衡状態をあらかじめ形成する方策と組み合わせることも可能であるが、この方法の択一的な形態では、空所144における所定の出発状態がつぎによって形成される。すなわち、この空所を最初に「ポンピングして空に」して、この空所144における酸素分圧が極めて小さくなるようにすることによって形成されるのである。ここで「極めて小さい」とは、例えば酸素の分圧が10-7バーよりも小さいことであるとすることできる。「ポンピングして空にする」ため、ポンプ電圧を加える前に排出電圧UEをポンプセルに加える。この排出電圧は相応に極性を与えて、酸素が空所144からポンピングによって排出されるようにしなければならない。上記の排出過程に対して、例えば固定に設定される時間、すなわち、経験的に見てこの時間内に空所144からポンピングによって実質的に完全に酸素が排出された時間をあらかじめ設定することができるか、または電流経過そのものを電流測定装置158によって監視して、あらかじめ定めた限界を下回る(電流そのものが漸近的にゼロに近づく)とただちに上記の排出過程を中止することも可能である。この場合にも所定の出発状態が形成される。
The above method can be combined with a strategy for pre-establishing an equilibrium state in a suitable sequential measurement scheme, but in an alternative form of this method, a predetermined starting state in the
所定の出発状態から出発して空所144のポンプ汲み上げないしはポンプ排出をどの位の時間行った後、空所144におけるラムダ変化が生じるかが求められる上記の方法では、多くの場合に、ポンプ電圧の極性が誤って選択されるという障害がなお存在する。したがって例えば、すでにリーンの出発状態のある空所144(λ>1)において酸素がさらにポンピングで汲み上げられることがあり得るのである。この場合に空気量ラムダは、λ=1の方向に向かって動くのではなくさらに上昇する。つまり上記の特徴的な変化を決定することはできないのである。逆に、すでにリッチ状態にある空所(λ<1)からさらに酸素がポンピングで排出されて、同様にラムダ変化が達成されない場合も発生し得るのである。
In the above method, where the lambda change in the
上記の問題を解消するため、さまざまな方策がある。第1の方策は、測定ガス室112におけるガス混合気がリッチまたはリーン状態のいずれであるについての情報がすでにあることである。したがって例えば所定の機関タイプを作動させて、通常時において排気ガス組成がリーンの空気量領域で移動するようにする。このことは出発情報として使用することができ、これによって上記の特徴的な変化を得るため、ポンプ電圧を選択して酸素が空所144からポンピングで排出されるようにする。
There are various ways to solve the above problems. The first strategy is that there is already information about whether the gas mixture in the
最初に説明した方策と組み合わせて実現することも可能な別の方策は、試しに1方向にポンピングすることである。この最初のポンピング方向により、ラムダ変化が起こらないことが判明した場合、このポンピンクに続いてポンピング方向を逆転することができる。この方法は「試行錯誤」方法とも称することができ、また例えば自動的に実行することも可能である。例えば、あらかじめ設定した最大時間の後および/または上記のポンプセルを通って流れるあらかじめ設定した最大全電荷流量にしたがって、ネルンスト電圧の特徴的な変化が発生しなかったことを識別することができる。この場合にはこのポンプ過程を中断して、例えばポンプ電圧の極性を逆転することができる。 Another strategy that can be implemented in combination with the strategy described at first is to pump in one direction as a test. If this initial pumping direction reveals that no lambda change occurs, the pumping direction can be reversed following this pump pink. This method can also be referred to as a “trial and error” method and can also be performed automatically, for example. For example, it can be identified that a characteristic change in Nernst voltage has not occurred after a preset maximum time and / or according to a preset maximum total charge flow flowing through the pump cell. In this case, this pumping process can be interrupted, for example to reverse the polarity of the pump voltage.
上記のポンプ電圧の極性を逆転する前にここでも上記のように所定の出発状態を形成することができる。これは例えばここでも、上記のようにポンプセル154を短絡させることによって空所144と測定ガス室112との間の平衡状態を形成することによって行うことができる。択一的または付加的には上記の説明と同様にここでもポンピングによって上記の空所を空にすることできる。
A predetermined starting state can also be formed here as before before reversing the polarity of the pump voltage. This can be done, for example, again by creating an equilibrium between the
このようにして上記の方法により、どのような場合であってもラムダ変化が識別されること保証される。それでもなお特徴的な変化が記録されない場合、このことも同様に記録することができ、また例えば相応するエラー通知を出力することができる。 In this way, the above method ensures that lambda changes are identified in any case. If the characteristic change is still not recorded, this can be recorded as well and, for example, a corresponding error notification can be output.
上で説明したようにポンプ動作時にポンプセル154に加えられるポンプ電圧は、例えば、時間的に一定に選択することが可能である。しかしながらポンプ電圧シーケンスまたはあらかじめ設定した変化の経過を有する可変のポンプ電圧を使用することもできる。さらにこのポンプ電圧を制御して、ポンプ電流が、あらかじめ設定した最適範囲にあるようにすることも可能である。
As described above, the pump voltage applied to the
以下では図5A〜5Eに基づいて、本発明の方法のシーケンスの詳細な例を説明する。この方法を理解するため、まずネルンスト対抗電圧UN(ここでは参照符号166で示されている)の理想的な経過を図4に示す。この電圧は、ポンプセル154に外部電圧が加えられていない場合にセンサ素子110の電極136,138間に調整される。ここでは空気量λ=1におけるネルンスト対抗電圧の跳躍、すなわち(図4において参照符号168で示されている)リッチなガス混合気から、(図4において参照符号170で示されている)リーンなガス混合気に変化する際のネルンスト対抗電圧の跳躍を明瞭に識別することができる。図4にはさらに酸素の平衡状態分圧(ここでは参照符号172によってシンボリックに示されている)が示されており、この平衡状態分圧も、リッチなガス混合気168からリーンなガス混合気170に変化する際に同様に特徴的な跳躍172を行う。
In the following, a detailed example of the sequence of the method of the invention will be described on the basis of FIGS. To understand this method, the ideal course of the Nernst counter voltage U N (shown here by reference numeral 166) is first shown in FIG. This voltage is adjusted between the
図4において曲線166で示したネルンスト対抗電圧は、場合によっては外部から電極136,138に加えられる電圧、例えばポンプ電圧Upに重ね合わされる。ここでは有効ポンプ電圧(Ueff)が形成され、この有効ポンプ電圧によってポンプ電流が決定される。すなわち、
Ueff=UP−UN
である。
Nernst counter voltage shown by
U eff = U P -U N
It is.
上記のネルンスト対抗電圧UNに特徴的な跳躍が発生する場合、このことは、有効ポンプ電圧Ueffの跳躍という形で現れ、ひいては上記のオームの式を介してポンプ電流の跳躍という形で現れる。 When a characteristic jump occurs in the Nernst counter voltage U N , this appears in the form of a jump in the effective pump voltage U eff , and in the form of a pump current jump through the Ohm equation. .
図5A〜5Eには極めて大まかに特徴量が示されており、これらの特徴量は、本発明の有利な実施例において時間の関数として得られるものである。ここで図5Aは、外部からポンプセル154に加えられるポンプ電圧Upを示しており、図5Bは、空所144における酸素分圧p(O2)を示しており、図5Cは、ネルンスト対抗電圧UNを示しており、図5Dは、ポンプ電圧Upおよびネルンスト対抗電圧UNから合成される有効ポンプ電圧Ueffを示しており、図5Eは、ポンプセル154を通って流れかつ例えば電流測定装置158によって検出されるポンプ電流Ipを示している。
5A-5E show very roughly feature quantities, which are obtained as a function of time in an advantageous embodiment of the invention. Here, FIG. 5A shows the pump voltage Up applied to the
この方法の出発点は、空所144と測定ガス室112との間の平衡状態であり、これは例えばポンプセル154の低抵抗の負荷または短絡によって形成される(上記を参照されたい)。この平衡状態は、ネルンスト電圧ないしは混合電位電圧(Mischpotentialspannung)による酸素イオン移動に起因して生じる。
The starting point of this method is an equilibrium between the
引き続いて時点t0にポンプ電圧またはポンプ電流がポンプセル154に加えられて、例えば酸素が空所144にポンピングされる。この実施例では図5Aからわかるようにこのために一定のポンプ電圧Upを使用している。これに相応してこの実施例ではポンプ電流Ipが発生する。このポンプ電流は理想的に一定とすることが可能である。ここでは所定のポンプ過程が行われ、ポンピングされる酸素量は、ポンピングした電荷量に比例する。図5Bに示した空所144における酸素分圧は、これに相応して、図5Eのポンプ電流Ipについての積分値に伴って増大する。
Subsequently, a pump voltage or pump current is applied to the
この実施例において前提としたのは、ポンピング方向が正しく選択されており、例えば空所144におけるリッチな出発状態から出発することであり、この出発状態ではポンピングによって酸素が汲み上げられる。これに相応して開始時点t0後の時間Δtの後、λ=1の点に達する状況が発生する。これは、図5Cに示したネルンスト対抗電圧UNにおける特徴的な跳躍によってはっきりと現れ、この特徴的な跳躍により、今度は有効なポンプ電圧Ueffにおける特徴的な跳躍が発生する。この実施例において、この有効ポンプ電圧は時点t0+Δtに一層低い値に落ち込む。これそのものはポンプ電流Ipにおける特徴的な跳躍に現れ、これはこの場合にポンプ電流の急峻な落ち込みである。このポンプ電流における跳躍は識別可能である。この識別は、例えば電子制御部148によって行うことができ、例えばポンプ電流の微分のピークを監視することによって、トリガ閾値を設定することによって、および/またはポンプ電流の電流経過の低下を識別するパターン識別方法によって行うことができる。上記の時間Δtおよびその時点までに流れた電流から、ポンピングによって空所114に汲み上げられた酸素量の総量ないしはポンピングによって空所144から排出された全酸素量を推定することができ、ないしは経験的に求められる特性曲線を介して空気量ラムダを直接推定することができる。この総量は、ポンプ電流についての積分と相関し、ここでこの積分は、図5Eに示した曲線の下側の斜線を付けた面積174に相応する。この出発状態は測定ガス室112における分圧に相当したため、今度はここからさらに排気ガス測定ガス室112における酸素分圧を推定することができる。
The premise in this embodiment is that the pumping direction is correctly selected, for example starting from a rich starting state in the
ポンプ電流Ipにおけるラムダ変化を検出する代わりに、上記のように択一的にまたは付加的に2つの電極136,138間のネルンスト電圧UNを直接測定することによってこの特徴的な点を識別することも可能である。これは例えばつぎのように実現することができる。すなわち例えばスイッチ162を用いてつねにポンプ動作(ポンプセル154にポンプ電圧を加える)と、ネルンスト動作(ポンプ電圧を加えずにネルンスト対抗電圧を純粋に測定する)との間でいったり来たり切り換えることによって実現することができるのである。
Instead of detecting a lambda change in the pump current I p, as described above Alternatively or additionally identifies this characteristic points by measuring the Nernst voltage U N between the two
110 センサ素子、 112 測定ガス室、 114 外部ポンプ電極、 116 内部電極、 118 固体電解質、 120 ポンプ室、 122 拡散バリア、 124 第2固体電解質、 126 参照電極、 127 空気参照チャネル、 128 加熱素子、 130 ヒータ、 132 ヒータ絶縁器、 134 ネルンストセル、 136 第1電極、 138 第2電極、 140 固体電解質、 142 多孔性保護層、 144 空所、 146 装置、 148 電子制御部、 150 トリガ装置、 152 ポンプ電圧源、 154 ポンプセル、 156 電圧測定装置、 158 電流測定装置、 160 オーム抵抗、 162 スイッチ、 164 制御線路、 166 ネルンスト対抗電圧、 168 リッチなガス混合気、 170 リーンなガス混合気、 172 平衡状態分圧 110 sensor element, 112 measuring gas chamber, 114 external pump electrode, 116 internal electrode, 118 solid electrolyte, 120 pump chamber, 122 diffusion barrier, 124 second solid electrolyte, 126 reference electrode, 127 air reference channel, 128 heating element, 130 Heater, 132 heater insulator, 134 Nernst cell, 136 first electrode, 138 second electrode, 140 solid electrolyte, 142 porous protective layer, 144 void, 146 device, 148 electronic control unit, 150 trigger device, 152 pump voltage Source, 154 pump cell, 156 voltage measuring device, 158 current measuring device, 160 ohm resistance, 162 switch, 164 control line, 166 Nernst counter voltage, 168 rich gas mixture, 170 lean Gas mixture, 172 equilibrium partial pressure
Claims (12)
該方法では、少なくとも1つのポンプセル(154)を有するセンサ素子(110)を使用し、
前記ポンプセルは、少なくとも1つの第1電極(136)と、少なくとも1つの第2電極(138)と、当該の第1電極(136)および第2電極(138)を接続する少なくとも1つの固体電解質(140)とを有しており、
前記の第1電極(136)は、測定ガス室(112)のガスに曝されており、
前記の第2電極(138)は、前記の測定ガス室(112)から離れた気密に封止された空所(144)に配置されており、
時点t0に前記のポンプセル(154)にポンプ電圧Upを加えてポンプ作動させ、
当該のポンプセル(154)を通って流れるポンプ電流を測定する形式の、酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する方法において、
前記の第1電極(136)と第2電極(138)との間に形成されるネルンスト対抗電圧に特徴的な変化が発生しているか否かを求め、
当該のネルンスト対抗電圧の特徴的な変化を識別した場合、前記の時点t0後に当該の特徴的な変化が発生した時間Δtから前記の酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を推定することを特徴とする、
酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する方法。 A method for determining an oxygen concentration or a concentration of a gas component containing oxygen,
The method uses a sensor element (110) having at least one pump cell (154),
The pump cell includes at least one first electrode (136), at least one second electrode (138), and at least one solid electrolyte that connects the first electrode (136) and the second electrode (138). 140)
The first electrode (136) is exposed to the gas in the measurement gas chamber (112),
The second electrode (138) is disposed in a hermetically sealed space (144) away from the measurement gas chamber (112),
Is the pump operated by adding pump voltage U p to said pump cell at time t 0 (154),
In a method for determining an oxygen concentration or a concentration of a gas component containing oxygen in the form of measuring a pump current flowing through the pump cell (154) of interest.
Determining whether a characteristic change has occurred in the Nernst counter voltage formed between the first electrode (136) and the second electrode (138);
When the characteristic change of the Nernst counter voltage is identified , the oxygen concentration or the concentration of the gas component containing oxygen is estimated from the time Δt when the characteristic change occurs after the time t 0. Features
A method for determining an oxygen concentration or a concentration of a gas component containing oxygen.
請求項1に記載の方法。 Distinguishing the characteristic change of the Nernst counter voltage by a jumping drop or rise of the pump current,
The method of claim 1.
当該の電圧測定のために前記のポンプ作動を一時的に中断する、
請求項1または2に記載の方法。 Identifying characteristic changes in the Nernst counter voltage by voltage measurement;
Temporarily interrupting the pump operation for the voltage measurement,
The method according to claim 1 or 2.
前記の酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する際に当該の電流および/または電荷を付加的に使用する、
請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。 Additionally detecting the current flowing through said pump cell (154) and / or the charge flowing through said pump cell (154);
The current and / or charge is additionally used in determining the oxygen concentration or the concentration of the gas component containing oxygen ,
4. A method according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4までのいずれか1項に記載の方法。 Before applying the pump voltage, an equilibrium is formed between the measuring gas chamber (112) and the closed cavity (144) by short-circuiting the pump cell (154).
The method according to any one of claims 1 to 4.
請求項5に記載の方法。 Performing the short circuit through a resistor (160) connected between the first electrode (136) and the second electrode (138);
The method of claim 5 .
ここで当該排出電圧を選択して、検出すべきガス成分を前記の閉じられた空所(144)から実質的に完全に除去する、
請求項1から6までのいずれか1項に記載の方法。 Before applying the pump voltage U p , the discharge voltage U E is applied to the pump cell (154),
Where the discharge voltage is selected to substantially completely remove the gas component to be detected from the closed cavity (144);
7. A method according to any one of claims 1-6.
請求項1から7までのいずれか1項に記載の方法。 If a characteristic change in the Nernst counter voltage is not identified after a predetermined maximum time and / or after a predetermined maximum total charge flowing through the pump cell (154), Reverse the polarity of the pump voltage,
8. A method according to any one of claims 1-7.
請求項8に記載の方法。 Short circuiting the pump cell (154) before reversing the polarity of the pump voltage creates an equilibrium between the measuring gas chamber (112) and the closed cavity (144);
The method of claim 8 .
ここで当該排出電圧を選択して、検出すべきガス成分を前記の閉じられた空所(144)から実質的に完全に除去する、
請求項7に記載の方法。 Before the reversal of the polarity, the discharge voltage U E is applied to the pump cell (154),
Here, the discharge voltage is selected to substantially completely remove the gas component to be detected from the closed cavity (144).
The method of claim 7.
請求項1から10までのいずれか1項に記載の方法。 Controlling the pump voltage so that the pump current is within a predetermined optimum range;
11. A method according to any one of claims 1 to 10.
該装置(146)には、少なくとも1つのポンプセル(154)を有するセンサ素子(110)が含まれており、
前記ポンプセル(154)は、少なくとも1つの第1電極(136)と、少なくとも1つの第2電極(138)と、当該の第1電極(136)および第2電極(138)を接続する少なくとも1つの固体電解質(140)とを有しており、
前記の第1電極(136)は、測定ガス室(112)のガスに曝されており、
前記の第2電極(138)は、前記の測定ガス室(112)から離れた気密に封止された空所(144)に配置されており、
前記装置(146)にはさらに電気制御部(148)が含まれており、
当該電気制御部(148)は、請求項1から11までのいずれか1項に記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする、
酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する装置。 An apparatus (146) for determining an oxygen concentration or a concentration of a gas component containing oxygen,
The device (146) includes a sensor element (110) having at least one pump cell (154);
The pump cell (154) includes at least one first electrode (136), at least one second electrode (138), and at least one connecting the first electrode (136) and the second electrode (138). A solid electrolyte (140),
The first electrode (136) is exposed to the gas in the measurement gas chamber (112),
The second electrode (138) is disposed in a hermetically sealed space (144) away from the measurement gas chamber (112),
The device (146) further includes an electrical control (148),
The electrical control unit (148) is configured to perform the method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that
An apparatus for determining the oxygen concentration or the concentration of a gas component containing oxygen.
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