KR102090938B1 - 펌프 셀을 포함하는 고체 전해질 센서 소자의 작동 방법 - Google Patents

펌프 셀을 포함하는 고체 전해질 센서 소자의 작동 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102090938B1
KR102090938B1 KR1020157012246A KR20157012246A KR102090938B1 KR 102090938 B1 KR102090938 B1 KR 102090938B1 KR 1020157012246 A KR1020157012246 A KR 1020157012246A KR 20157012246 A KR20157012246 A KR 20157012246A KR 102090938 B1 KR102090938 B1 KR 102090938B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pump
voltage
gas
sensor element
variable
Prior art date
Application number
KR1020157012246A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20150081287A (ko
Inventor
베른하르트 레더만
하르트비히 렐레
괴츠 라인하르트
Original Assignee
로베르트 보쉬 게엠베하
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 로베르트 보쉬 게엠베하 filed Critical 로베르트 보쉬 게엠베하
Publication of KR20150081287A publication Critical patent/KR20150081287A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102090938B1 publication Critical patent/KR102090938B1/ko

Links

Images

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
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/146—Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an NOx content or concentration
    • 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
    • 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
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases

Abstract

본 발명은 가스 측정 챔버 내에서 가스의 하나 이상의 농도를 검출하는 센서 소자(112)를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 센서 소자(112)는 하나 이상의 고체 전해질(116)을 통해 서로 연결되는 2개 이상의 펌프 전극(118)을 구비한 하나 이상의 펌프 셀(114)을 포함한다. 본원의 방법에서는 하나 이상의 측정 변수가 검출된다. 그 밖에 하나 이상의 보상 변수가 결정된다. 보상 변수는 적어도 부분적으로 펌프 전극들(118) 중 하나 이상의 펌프 전극과 고체 전해질(116) 사이의 하나 이상의 전이부 상에서의 용량성 효과들에 따라 결정된다. 측정 변수 및 보상 변수로부터 하나 이상의 정정된 측정 변수가 결정된다. 정정된 측정 변수로부터 가스 측정 챔버 내의 가스의 농도가 결정된다.

Description

펌프 셀을 포함하는 고체 전해질 센서 소자의 작동 방법{METHOD FOR OPERATING A SOLID ELECTROLYTE SENSOR ELEMENT CONTAINING A PUMP CELL}
본 발명은 가스 측정 챔버 내에서 가스의 하나 이상의 농도를 검출하는 센서 소자를 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
종래 기술로부터는 가스 측정 챔버 내에서 가스의 하나 이상의 농도를 측정하기 위한 센서 소자들과 이 센서 소자들을 작동시키기 위한 방법들이 공지되어 있다. 본 발명은, 하기에서, 추가의 가능한 구성들의 제한 없이, 실질적으로, 가스, 특히 가스 혼합물 내에서 하나 이상의 가스 성분의 하나 이상의 농도를 정량 및/또는 정성 검출하기 위해 사용되는 방법들 및 장치들을 참조하여 설명된다. 예컨대 가스 혼합물은 특히 자동차 분야에서 내연기관의 배기가스일 수 있다. 가스 측정 챔버는 예컨대 배기 시스템일 수 있다. 센서 소자는 예컨대 람다 프로브일 수 있다. 이에 대한 대안으로서 센서 소자는 NOx 센서일 수도 있다. 람다 프로브들은 예컨대 Robert Bosch GmbH의 자동차 내 센서, 초판(2010년), 160 ~ 165쪽에 설명되어 있다. 특히 가스 성분은 산소 및/또는 질소 및/또는 하나 이상의 질소산화물 및/또는 하나 이상의 탄화수소 및/또는 또 다른 유형의 가스 성분일 수 있다. 언급한 유형의 센서 소자들은 특히 하나 또는 복수의 고체 전해질의 사용을 기반으로 할 수 있으며, 다시 말하면 이온 전도성, 특히 산소 이온 전도성 특성들을 갖는 고체들, 특히 세라믹 고체들의 사용을 기반으로 할 수 있다. 이런 유형의 고체 전해질의 예는 예컨대 이트륨 안정화 지르코늄 이산화물(YSZ) 및/또는 스칸듐 안정화 지르코늄 이산화물(ScSZ)과 같이 지르코늄 이산화물을 기반으로 하는 고체 전해질들이다. 람다 프로브는 대개 펌프 셀의 원리에 따라서 동작한다. 가스의 농도는 바람직하게는 산소 부분 압력 및/또는 산소 농도 및/또는 산소 부피 퍼센트일 수 있다. 산소 부분 압력과 한계 전류의 통상적인 선형 관계로부터는 예컨대 배기가스 내 산소 부분 압력의 측정이 실행된다.
예컨대 광대역 람다 센서라고도 하는 광대역 람다 프로브의 경우, 측정 공동부 내로 확산되는 O2 또는 농후 가스의 양은, 바람직하게는 단일 셀 바디(single-cell body)의 경우, 특히 LSP(비례형 람다 프로브)의 경우 한계 전류에 따라서 측정되고, 또는 예컨대 이중 셀 바디의 경우, 특히 LSU(범용 람다 프로브)의 경우에는 람다 = 1로 공동부 농도의 조절을 위해 필요하고 이 경우 한계 전류에도 상응할 수 있는 펌프 전류에 따라서 측정된다. 특히 측정 전류로서 흐르는 펌프 전류는 보통 배기가스 내의 O2 함량에 대해, 및/또는 배기가스 내의 농후 가스 함량에 대해 비례한다.
고체 전해질 내에서 전기 화학 반응 및 저항 손실을 위해 필요한 펌프 전압은 보통 이중 셀 바디의 경우 이른바 네른스트 제어를 통해 보장된다. 단일 셀 바디의 경우, 펌프 전압은 보통 하나의 선형 램프(linear ramp)를 이용하여, 또는 예컨대 상이한 기울기를 갖는 복수의 램프를 이용하여 펌프 전류에 추적된다. 이는 예컨대 펌프 전압 추적(pump voltage tracking)이라고 한다
종래 기술로부터 공지된 방법들 및 장치들은 몇몇 단점이 있다. 예컨대 단일 셀 바디를 위한 펌프 전압 추적(pump voltage tracking)의 경우 내부 펌프 전극(IPE)의 이중 층 커패시터가 재충전된다. 이로부터 발생하는 재충전 전류들은 가스 측정 챔버 내 가스의 농도의 변동 시에, 예컨대 프로브 신호에서, 예컨대 한계 전류에서 배기가스 조성의 변동 시에 보통 오버슈트(overshoot) 및/또는 언더슈트(undershoot)로서 나타날 수 있고, 예컨대 신호 에러들을 초래한다. 이런 신호 에러들은 가스 측정 챔버 내에서 가스의 신속한 변동이 이루어질 경우, 예컨대 신속한 가스 교환이 이루어질 경우, 특히 분명하게 나타날 수 있으며, 예컨대 프로브 신호의 높은 동적 거동을 요구하는 다수의 적용이 이용될 수 없게 할 수 있다. 그러므로 종래 기술로부터 공지된 단점들을 적어도 부분적으로 완화하는 방법 및 장치가 바람직할 것이다.
본 발명의 과제는, 공지된 방법들 및 장치들의 단점들을 적어도 실질적으로 방지하는, 가스 측정 챔버 내에서 가스의 하나 이상의 농도를 검출하는 센서 소자를 작동시키기 위한 방법과 상기 센서 소자를 포함하는 장치를 제공하는 것에 있다.
그러므로 공지된 방법들 및 장치들의 단점들을 적어도 실질적으로 방지하는 방법 및 장치가 제안된다. 본 발명에 따른 장치는, 가스 측정 챔버 내에서 가스의 하나 이상의 농도를 검출하기 위한 하나 이상의 센서 소자를 포함한다. 센서 소자는 원칙상 가스 측정 챔버 내에서 가스의 농도를 검출하도록 구성된 임의의 장치일 수 있다. 센서 소자는 바람직하게는 람다 프로브이며, 예컨대 단일 셀 바디 및/또는 이중 셀 바디일 수 있다. 원칙상, 센서 소자는 NOx 센서일 수 있고, 및/또는 광대역 람다 프로브일 수도 있다. 예컨대 센서 소자는, Robert Bosch GmbH의 자동차 내 센서, 초판(2010년), 160 ~ 165쪽에 설명된 것과 같은 람다 프로브일 수 있다. 센서 소자는 바람직하게는 세라믹 센서 소자일 수 있다. 검출은 원칙상 정량 및/또는 정성 검출일 수 있다. 가스는 원칙상 임의의 가스일 수 있다. 특히 바람직하게 가스는 내연기관의 배기가스일 수 있다. 가스의 농도는 예컨대 가스의 하나 이상의 가스 성분의 농도 및/또는 백분율 및/또는 부분 압력 및/또는 부피 퍼센트일 수 있다. 가스 성분은 예컨대 산소 및/또는 NOx 및/또는 질소산화물 및/또는 탄화수소일 수 있다. 가스는 하나 이상의 가스 성분을 함유할 수 있다. 가스 측정 챔버는 원칙상 가스에 의해 가압되도록 구성된 임의의 챔버일 수 있다. 바람직하게 가스 측정 챔버는 배기 시스템일 수 있다. 예컨대 가스 측정 챔버는 가스가 있는 챔버일 수 있다.
센서 소자는, 하나 이상의 고체 전해질을 통해 서로 연결되는 2개 이상의 펌프 전극을 구비한 하나 이상의 펌프 셀을 포함한다. 펌프 셀은 원칙상 2개 이상의 펌프 전극과 고체 전해질을 포함하는 임의의 전기 화학 전지일 수 있다. 셀은 바람직하게는 펌프 모드로 작동될 수 있다. 고체 전해질은 특히 세라믹 고체일 수 있다. 고체 전해질은 바람직하게는 이온 전도성, 특히 산소 이온 전도성 특성을 가질 수 있다. 이런 유형의 고체 전해질의 예는 예컨대 이트륨 안정화 지르코늄 이산화물(YSZ) 및/또는 스칸듐 안정화 지르코늄 이산화물(ScSZ)과 같이 지르코늄 이산화물을 기반으로 하는 고체 전해질들이다. 펌프 셀은 특히, 그를 통해 이온 전류가 흐를 수 있고, 및/또는 그를 통해 이온 전류가 이동될 수 있는 셀일 수 있다. 펌프 셀의 펌프 전극들 상에서는 예컨대 산화 및/또는 환원을 통해 이온 전류에서 전자 전류로, 및/또는 그 반대로 변환이 이루어질 수 있다. 펌프 전극들은 적어도 부분적으로 하나 이상의 전도성 재료, 예컨대 하나 이상의 금속 재료로 구성될 수 있다. 펌프 전극의 하나 이상의 표면 상에서는 이온 전류에서 전자 전류로 변환이 이루어질 수 있다. 펌프 전극들 중에서 제 1 펌프 전극, 예컨대 외부 펌프 전극은 가스 혼합물에 노출될 수 있다. 제 2 펌프 전극은 예컨대 하나 이상의 다공성 확산 배리어를 통해, 및/또는 고체 전해질을 통해 가스로부터 분리되는 방식으로 공동부 내에 배치될 수 있다. 공동부는 바람직하게는 배기 채널과 연결될 수 있다. 예컨대 공동부는 추가 확산 배리어를 통해서도, 및/또는 고체 전해질을 통해서도 추가 챔버, 예컨대 하나 이상의 기준 가스 챔버와 연결될 수 있다. 제 2 펌프 전극은 예컨대 하나 이상의 내부 펌프 전극일 수 있다.
펌프 전극들은 예컨대 하나 이상의 제 1 펌프 전극과 하나 이상의 제 2 펌프 전극을 포함할 수 있다. 제 1 펌프 전극 및/또는 제 2 펌프 전극은 원칙상 예컨대 앞서 설명한 펌프 전극처럼 형성될 수 있다. 명칭 "제 1" 및 "제 2"는 순수한 명칭으로서 사용될 뿐이고 특히 순서에 대한, 또는 예컨대 추가의 펌프 전극들, 예컨대 하나 이상의 제 3 펌프 전극이 펌프 전극들에 포함되는지의 여부에 대한 어떠한 정보도 제공하지 않는다. 본원의 장치는 예컨대 하나 이상의 추가 펌프 전극 및/또는 하나 이상의 추가 전극, 바람직하게는 하나 이상의 기준 전극을 포함할 수 있다. 기준 전극은 예컨대 적어도 부분적으로 하나 이상의 기준 가스 채널 내에 배치될 수 있다. "가스 혼합물에 노출될 수 있다"란 표현은 예컨대 제 1 펌프 전극이 가스 혼합물을 특히 직접적으로, 그러나 예컨대 간접적으로도, 바람직하게는 하나 이상의 다공성 층을 통해, 예컨대 하나 이상의 다공성 보호층을 통해 공급받을 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 확산 배리어는 예컨대 가스 및/또는 유체 및/또는 가스 혼합물 및/또는 가스 성분의 유동을 억제하는 재료로 이루어진 층일 수 있는 반면, 가스 및/또는 유체 및/또는 가스 혼합물 및/또는 가스 성분 및/또는 이온의 확산을 촉진하는 층일 수 있다. 공동부는 센서 소자의 내부의 챔버이면서, 비록 구조적으로 가스 측정 챔버로부터 분리되어 있지만, 그럼에도 예컨대 하나 이상의 가스 유입 경로를 통해, 및/또는 확산 배리어를 통해 가스 측정 챔버로부터 가스 성분 및/또는 가스 혼합물 및/또는 가스를 공급받을 수 있는 상기 챔버를 의미할 수 있다. 예컨대 공동부는 또한 고체 전해질을 통해서만 가스 및/또는 가스 성분을 공급받을 수 있다. 배기 채널은 예컨대, 특히 공동부 내 초과 압력을 방지하기 위해, 외부 공기로 향하는 연결부일 수 있다.
대안으로서, 제 1 펌프 전극은 내부 전극일 수 있고, 제 2 펌프 전극은 배기 채널 전극일 수 있다. 내부 펌프 전극은 공동부 내에 배치될 수 있다. 내부 펌프 전극은 확산 배리어를 통해 가스를 공급받을 수 있다. 배기 채널 전극은 배기 채널을 통해 적어도 부분적으로 공기, 바람직하게는 주변 공기와 연결될 수 있다.
본원의 장치는 하나 이상의 제어부를 포함한다. 제어부는 하기에 설명되는 것처럼 센서 소자를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 구성된다. 제어부 및/또는 본원의 장치는 하나 이상의 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 예컨대 데이터 처리 장치는 제어부 내에 통합될 수 있다. 그러나 예컨대 데이터 처리 장치는 적어도 부분적으로 제어부로부터 분리되어 배치될 수도 있다. 제어부 및/또는 데이터 처리 장치는 예컨대 센서 소자와 연결되어 있을 수 있고, 및/또는 연결될 수 있다. 제어부는 본원의 장치, 특히 센서 소자의 하나 이상의 기능을 보조하고, 및/또는 제어하도록 구성된 장치를 의미할 수 있다. "연결 가능한"은, 예컨대 전기 연결이 형성될 수 있거나, 또는 이미 존재하는 특성을 의미할 수 있다. 제어부는, 완전히 또는 부분적으로 센서 소자로부터 분리되어 형성될 수 있지만, 완전히 또는 부분적으로 센서 소자 내에, 예컨대 센서 소자 및/또는 본원의 장치의 하나 이상의 커넥터 내에 통합될 수 있다. 제어부는, 하나 이상의 펌프 전류 및/또는 하나 이상의 펌프 전압 및/또는 하나 이상의 한계 전류를 검출하기 위한, 및/또는 펌프 전압을 조절하기 위한, 및/또는 펌프 전류를 조절하기 위한 하나 이상의 전압 측정 장치 및/또는 하나 이상의 전류 측정 장치를 포함할 수 있다.
특히 바람직하게 제어부는 적어도 부분적으로 하나 이상의 펌프 전압 추적부를 포함할 수 있다. 펌프 전압 추적부는 예컨대 단일 셀 바디의 경우 펌프 전류에 펌프 전압을 추적시키도록 구성된다. 대안으로서 또는 추가로, 제어부 및/또는 센서 소자 및/또는 본원의 장치는 하나 이상의 인가 장치(applying device) 및/또는 하나 이상의 펌프 전압 추적부를 포함할 수 있다. 인가 장치는 특히 하나 이상의 전압원 및/또는 하나 이상의 전류원을 포함할 수 있다. 예컨대 인가 장치는 센서 소자에 펌프 전류 및/또는 펌프 전압을 인가하도록, 및/또는 펌프 전압 추적부를 적어도 부분적으로 구현하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 추가 양태에서, 가스 측정 챔버 내에서 가스의 하나 이상의 농도를 검출하는 센서 소자를 작동시키기 위한 방법이 제안된다. 센서 소자는 앞서 설명한 것과 같은 센서 소자일 수 있다. 센서 소자는 하나 이상의 고체 전해질을 통해 서로 연결되는 2개 이상의 펌프 전극을 구비한 하나 이상의 펌프 셀을 포함한다. 본원의 방법에서, 하나 이상의 측정 변수가 검출된다. 측정 변수는 원칙상 임의의 물리 및/또는 화학 변수일 수 있다. 바람직하게 측정 변수는 센서 소자의 하나 이상의 측정 신호일 수 있다. 바람직하게 측정 변수는 하나 이상의 펌프 전류(Ip), 예컨대 한계 전류일 수 있다. 예컨대 측정 변수는 펌프 전류에 따른 변수일 수 있다. 예컨대 측정 변수는 펌프 전압일 수 있고, 및/또는 변환된 전하일 수 있다. "검출된다"란 표현은, 측정 변수가 예컨대 측정 신호로서 센서 소자로부터 출력되고, 및/또는 측정 변수가 제어부에 의해 처리되고, 및/또는 평가되고, 및/또는 저장된다는 것을 의미할 수 있다.
그 밖에도, 본원의 방법에서는 하나 이상의 보상 변수가 결정된다. 보상 변수는 원칙상 임의의 화학 및/또는 물리 변수를 의미할 수 있다. 바람직하게 보상 변수는 측정 변수와 동일한 물리 및/또는 화학 변수를 포함할 수 있다. 바람직하게 보상 변수는 펌프 전류 편차(ΔIp)일 수 있다. 예컨대 보상 변수는 하나 이상의 재충전 전류 및/또는 하나 이상의 전극 재충전일 수 있다. 보상 변수는, 적어도 부분적으로, 펌프 전극들 중 하나 이상의 펌프 전극과 고체 전해질 사이의 하나 이상의 전이부 상에서의 용량성 효과들에 따라서 결정된다. 예컨대 보상 변수는 펌프 전극들 중 하나 이상의 펌프 전극과 고체 전해질 사이의 하나 이상의 전이부 상에서의 용량성 효과에 의한 측정 변수의 왜곡에 대한 척도일 수 있다. 용량성 효과들은 예컨대 충전 과정들 및/또는 방전 과정들을 포함할 수 있다. 전이부는 예컨대 이중 층일 수 있다. 예컨대 전이부는 바람직하게는 가스를 통해 펌프 전극으로 향하는 고체 전해질의 전이부일 수 있다. 용량성 효과들은 예컨대, 전이부가 하나 이상의 커패시터, 그리고 가스의 조성에 따라 변동되는 하나 이상의 저항기로 이루어지는 병렬 회로로서 설명되기 때문에, 발생할 수 있는 효과들일 수 있다. 용량성 효과들은 바람직하게는 하나 이상의 커패시터와 하나 이상의 저항기를 포함하는 회로들에서 발생할 수 있는 효과들일 수 있다. 용량성 효과들은 예컨대 커패시터들, 예컨대 커패시터들 및/또는 커패시터와 유사한 소자들의 충전 및/또는 방전 효과들일 수 있다. 예컨대 가스로 향하는 고체 전해질의 전이부 및/또는 가스로 향하는 펌프 전극의 전이부는 전기 커패시터의 "플레이트들"로서 설명되고, 및/또는 이해될 수 있다. 펌프 전극들 중 하나 이상의 펌프 전극과 고체 전해질 사이의 전이부는 특히 고체 전해질-기상(gas phase)-전극 전이부일 수 있다.
측정 변수 및 보상 변수로부터 하나 이상의 정정된 측정 변수가 결정된다. 정정된 측정 변수는 원칙상 임의의 화학 및/또는 물리 변수일 수 있다. 바람직하게는, 정정된 측정 변수는 측정 변수 및/또는 보상 변수와 동일한 물리 및/또는 화학 변수일 수 있다. 정정된 측정 변수는 특히 교란 효과들이 제거된 변수일 수 있다. 가스 측정 챔버 내 가스의 농도는 측정 변수로부터 보다는 정정된 측정 변수로부터 바람직하게는 더 정확하게 결정될 수 있다. 측정 변수 및 보상 변수로부터 정정된 측정 변수의 결정은 예컨대 계산일 수 있고, 및/또는 할당일 수 있다. 정정된 측정 변수로부터 가스 측정 챔버 내 가스의 농도가 결정된다. 가스 측정 챔버 내 가스의 농도는 정정된 측정 변수로부터 예컨대 계산을 통해, 및/또는 할당을 통해 결정될 수 있다. 예컨대 정정된 측정 변수로부터 가스 측정 챔버 내 가스의 농도를 결정할 때 하나 이상의 특성곡선이 사용될 수 있다. 특성곡선은 예컨대 가스의 농도에 대한 정정된 측정 변수의 할당일 수 있다. 예컨대 특성곡선은 정정된 펌프 전류와 가스 내 산소 농도, 예컨대 산소 부분 압력 사이의 할당일 수 있다.
측정 변수는 하나 이상의 펌프 전류(Ip)를 포함할 수 있다. 예컨대 펌프 전류는 시간당 펌프 셀을 통해 변환된 총 전하일 수 있다. 예컨대 측정 변수는 바로 펌프 전류일 수 있다. 예컨대 펌프 전류는 펌프 전류에 따라 결정되는 측정 변수일 수도 있다. 예컨대 측정 변수는 펌프 전류에 따라 결정되는 변수일 수 있다. 예컨대 측정 변수는 적어도 펌프 전류를 포함할 수 있다. 보상 변수는 하나 이상의 재충전 전류(ΔIp)를 포함할 수 있다. 재충전 전류는, 충전 과정 및/또는 방전 과정을 통해 예컨대 가스 측정 챔버 내 가스의 농도의 변동 동안 발생할 수 있는 전류들일 수 있다. 재충전 전류는 용량성 충전 과정들 및/또는 용량성 방전 과정들 동안 발생할 수 있는 전류들일 수 있다. 예컨대 펌프 셀 및/또는 펌프 전극들 중 하나 이상의 펌프 전극은 하나 이상의 커패시터 및 하나 이상의 저항기의 병렬 회로로서 설명될 수 있으며, 저항은 가스의 농도가 변동될 때 특히 옴 저항의 절댓값과 관련하여 변동될 수 있다. 바람직하게는, 정정된 측정 변수(Ip korr )는 예컨대 측정 변수 및 보상 변수로부터 계산될 수 있다. 정정된 측정 변수는 바람직하게는 변환된 가스로부터 발생하고, 및/또는 변환된 가스에 대해 비례하면서 바람직하게는 펌프 전극을 경유하는 시간당 전하 캐리어의 개수만을 포함하는 변수일 수 있다. 정정된 측정 변수 및/또는 측정 변수 및/또는 보상 변수는 바람직하게는 전기 화학 변수들일 수 있다. 정정된 측정 변수는 측정 변수 및 보상 변수로부터 적어도 감산을 통해 계산될 수 있다. 감산은 예컨대 가중 감산일 수 있다. 원칙상 정정된 측정 변수는 측정 변수 및 보상 변수로부터 예컨대 임의의 수학 함수 및/또는 할당으로 계산되고, 및/또는 생성될 수 있다. 정정된 측정 변수(Ip korr )는 특히 식 Ip korr = Ip - ΔIp 을 사용해서 결정될 수 있다.
본원의 방법은 적어도 부분적으로 하나 이상의 제어부에 의해, 예컨대 앞서 설명한 것과 같은 제어부에 의해 실행될 수 있다. 제어부는 예컨대 하나 이상의 ASIC(응용 주문형 집적회로)를 포함할 수 있다. 예컨대 본원의 방법은 적어도 부분적으로 데이터 처리 장치에 의해 실행될 수 있다. 본원의 방법은 예컨대 매번 가스 측정 챔버 내 가스의 농도를 검출할 때마다 실행될 수 있지만, 임의의 시간 간격들로도 1회 이상 반복될 수 있다. 예컨대 보상 변수는 예컨대 메모리에, 바람직하게는 제어부의 메모리에 저장될 수 있다. 보상 변수는, 가스 측정 챔버 내 가스의 농도를 검출할 때, 예컨대 바람직하게는 상이한 시간들에 검출되는 복수의 측정 변수에 대해 예컨대 수회 사용될 수 있다.
본원의 방법의 경우, 하나 이상의 전기 화학 이중 층을 경유하는 하나 이상의 전압의 하나 이상의 시간 특성곡선[U dl (t)]이 결정될 수 있다. 본원의 방법의 경우 바람직하게는 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 하나 이상의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00001
)가 결정될 수 있다. 시간 특성곡선은 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 연속적인 시간 특성곡선일 수 있다. 예컨대 시간 특성곡선은 상이한 시간들에 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압에 대해 이산 값들을 포함하는 특성곡선일 수 있다. 시간 특성곡선은 예컨대 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압에 대한 2개 이상의 값(U dl )을 포함할 수 있다. 도함수는 바람직하게는 일차 도함수일 수 있으며, 특히 바람직하게는 시간(t)에 따른 일차 도함수일 수 있다. 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00002
)를 결정할 때, 하나 이상의 산술 연산, 바람직하게는 미분 계산이 실행될 수 있다. 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수는 예컨대 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 기울기일 수 있다. 전기 화학 이중 층은 특히 앞서 설명한 것과 같은 전이부일 수 있다. 본원의 방법에서 하나 이상의 재충전 전류(ΔIp)는, 보상 변수로서, 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선[U dl (t)], 특히 바람직하게는 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00003
), 및 하나 이상의 전극 용량(C IPE )을 사용해서, 특히 식
Figure 112015044706247-pct00004
을 사용해서 결정될 수 있으며, 상기 식에서
Figure 112015044706247-pct00005
는 바람직하게는 전기 전하의 시간 도함수를 나타낸다. 재충전 전류(ΔIp)는 특히 용량성 재충전 전류일 수 있다. 전극 용량은 특히 펌프 전극과 고체 전해질, 바람직하게는 전기 화학 이중 층 사이의 전이부의 전기 용량일 수 있다. 전극 용량은 펌프 전극에, 및/또는 고체 전해질에 저장되는 전하량(Q)과, 펌프 전극과 고체 전해질 사이에 인가된 전압(U) 사이의 비율일 수 있다. 전극 용량은 예컨대 노화 효과들을 통해 시간별로 변동될 수 있다. 전극 용량은 예컨대 노화를 통해 예컨대 센서 소자의 유효 수명에 걸쳐서 팩터 2 내지 5, 특히 팩터 3만큼 감소될 수 있다. 전극 용량(C IPE )은 예컨대 제어부에 저장되어 있을 수 있고, 그리고/또는 저장될 수 있다. 예컨대 전극 용량(C IPE )은 생산 동안 측정된 변수이고, 및/또는 추정되는 변수이고, 및/또는 확인된 변수일 수 있다. 예컨대 전극 용량(C IPE )은 본 발명에 따른 방법에서 결정될 수 있다.
펌프 셀은 예컨대 펄스 방식으로 작동될 수 있다. 펌프 셀은 예컨대 제어부를 통해 펄스 방식으로 작동될 수 있다. 특히 바람직하게 펌프 셀 및/또는 센서 소자는 펄스 폭 변조를 통해 펄스 방식으로 작동될 수 있다. 바람직하게는 전압 펄스들 및/또는 전류 펄스들 사이에서 각각 펄스 포우즈(pulse pause)가 발생할 수 있다. 펄스 포우즈는 특히 센서 소자의 작동 중에 전류가 펌프 셀에 인가되지 않는 단계일 수 있다. 펌프 셀은 특히 이 펌프 셀에 구형파 전압 및/또는 구형파 전류가 제공되도록 펄스 방식으로 작동될 수 있다. 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선[U dl (t)]은 2개 이상의 상이한 펄스 포우즈에서의 측정을 통해 검출될 수 있다. 대안으로서 또는 추가로, 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00006
)는 2개 이상의 상이한 펄스 포우즈에서의 측정을 통해 검출될 수 있다. 펄스 포우즈는 특히 펄스 폭 변조의 펄스 포우즈일 수 있다. 2개 이상의 상이한 펄스 포우즈에서의 측정 동안 특히 전압(Up)이 측정될 수 있고, 및/또는 전압에 따라 결정되는 변수, 예컨대 전류 및/또는 옴 저항이 측정될 수 있다. 예컨대 Δt i ,j 의 시간 간격으로 하나 이상의 i번째 펄스 포우즈 및 하나 이상의 j번째 펄스 포우즈가 사용될 수 있다. i와 j는 바람직하게는 정수일 수 있으며, 바람직하게는 i ≠ j이다. 예컨대 i번째 펄스 포우즈 동안의 하나 이상의 펌프 전압(Up i ), 및 j번째 펄스 포우즈 동안의 하나 이상의 펌프 전압(Up j )이 검출될 수 있다. 식
Figure 112015044706247-pct00007
을 사용해서, 예컨대 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 바람직하게는 앞서 정의한 바와 같은 하나 이상의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00008
)가 결정될 수 있다. 펄스 포우즈 i 및 j는 바람직하게는 서로 인접한 펄스 포우즈들일 수 있으며, 특히 예컨대 j = n이고, i = n - 1일 수 있다.
대안으로서 또는 추가로 하나 이상의 펌프 전류의 하나 이상의 시간별 변화량(
Figure 112015044706247-pct00009
)이 검출될 수 있다. 예컨대 하나 이상의 펌프 전압의 하나 이상의 시간별 변화량(
Figure 112015044706247-pct00010
)이 결정될 수 있다. 펌프 전압의 시간별 변화량은 바람직하게는 식
Figure 112015044706247-pct00011
을 사용해서 결정될 수 있다. Upsoll, 바람직하게는
Figure 112015044706247-pct00012
는 바람직하게는 펌프 전압 추적의 범위에서, 특히 가스 측정 챔버 내 가스의 농도의 강력한 및/또는 빠른 변동 시에, 예컨대 거의 계단형 변동 시에, 예컨대 제어부에 의해 계산될 수 있다. 상기 식, 특히 이 식의 지수부는 특히 저역 통과 필터의 사용에 의한 펌프 전압의 감쇠를 고려한 것이다. 저역 통과 필터는, 바람직하게는 조절의 진동 거동을 억제하기 위해, 예컨대 제어부에, 그리고/또는 본원의 장치에 포함될 수 있다. 펌프 전류의 시간별 변화량(
Figure 112015044706247-pct00013
), 및 펌프 전압의 시간별 변화량(
Figure 112015044706247-pct00014
), 및 고체 전해질의 적어도 일부의 하나 이상의 옴 저항(R Elektrolyt )을 사용해서, 예컨대 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 바람직하게는 앞서 정의한 것과 같은 하나 이상의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00015
)가 특히 식
Figure 112015044706247-pct00016
을 사용해서 계산될 수 있다. Δt는 원칙상 자유롭게 선택될 수 있다. 바람직하게 Δt는, 상기 시간 구간(Δt)에 걸쳐 펌프 전류(Ip)뿐만 아니라 펌프 전압(Up)도 실질적으로 선형 변화되도록 선택될 수 있다. 고체 전해질의 적어도 일부의 옴 저항(R Elektrolyt )은 예컨대 제어부 내에 저장되어 있을 수 있고, 및/또는 본원의 방법에서 전류를 인가하여 전압을 측정하는 것을 통해, 및/또는 전압을 인가하여 전류를 측정하는 것을 통해 검출될 수 있다. 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 바람직하게는 앞서 정의한 것과 같은 하나 이상의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00017
)는 저역 통과 필터를 고려해서 펌프 전압 추적 동안 펌프 전압의 변화량(
Figure 112015044706247-pct00018
)과 고체 전해질의 적어도 일부의 옴 저항(R Elektrolyt )을 통해 강하하는 전압의 차로부터 계산될 수 있다.
본원의 방법에서는 하나 이상의 전극 용량(C IPE )이 검출될 수 있다. 원칙상 전극 용량(C IPE )은 본원의 장치에, 예컨대 제어부의 메모리에 저장되어 있을 수 있고, 및/또는 저장될 수 있다. 전극 용량(C IPE )은 예컨대 가스 측정 챔버 내 가스의 농도를 검출할 때마다 검출될 수 있지만, 1회 검출되어, 전극 용량이 예컨대 가스 측정 챔버 내 가스의 농도의 검출을 위해 및/또는 보상 변수의 결정을 위해 수회 사용될 수 있는 방식으로 저장될 수도 있다.
예컨대 특히 전극 용량의 검출을 위해 시간별로 변동되는 하나 이상의 펌프 전압이 펌프 셀에 인가될 수 있다. 하나 이상의 펌프 전류의 하나 이상의 시간 특성 곡선이 검출될 수 있다. 펌프 전류의 시간 특성곡선으로부터, 특히 예컨대 전류 응답으로서 펌프 전류의 적어도 하나의 면적 및/또는 그 적어도 하나의 적분의 평가를 통해, 전극 용량(C IPE )이 추론될 수 있다.
본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치는 공지된 방법들 및 장치들에 비해 다수의 장점을 가질 수 있다. 예컨대 본 발명에 따른 방법의 범위에서, 및/또는 본 발명에 따른 장치에 의해 용량성 재충전 전류들의 소프트웨어 보상이 실행될 수 있다. 예컨대 펌프 전압 추적 동안 신호 편차들은 적어도 유의적으로 감소될 수 있다. 그 결과, 예컨대 신호 정확도는 특히 신속한 가스 교환 동안에도 보장될 수 있고, 및/또는 예컨대 차량에서 본 발명에 따른 장치 및/또는 본 발명에 따른 방법을 사용할 경우 동적 시스템 기능들도 적용될 수 있다는 것이 보장될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법 및 본 발명에 따른 장치에 의해, 예컨대 펌프 전압 추적 없이도 발생할 수 있는 전극 재충전에 의한 신호 지연의 보상이 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 하기 도면들에 도시되고 하기 설명내용에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예이다.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 일 실시예에 대한 다이어그램이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에 대한 다이어그램이다.
도 1에는, 본 발명에 따른 장치(110)의 일 실시예가 도시되어 있다. 장치(110)는 가스 측정 챔버 내에서 가스, 예컨대 배기가스(113)의 하나 이상의 농도의 검출을 위한 하나 이상의 센서 소자(112)를 포함한다. 센서 소자(112)는 하나 이상의 고체 전해질(116)을 통해 서로 연결되는 2개 이상의 펌프 전극(118)을 구비한 하나 이상의 펌프 셀(114)을 포함한다. 장치(110)는 하나 이상의 제어부(120)를 포함한다. 제어부(120)는 하나 이상의 데이터 처리 장치(122)를 포함할 수 있다. 제어부(120)는 본 발명에 따른 방법을 실행하도록 구성된다. 펌프 전극들(118) 중 하나 이상의 펌프 전극은 예컨대 내부 펌프 전극(IPE)(124)일 수 있다. 펌프 전극들(118) 중 하나 이상의 펌프 전극은 예컨대 배기 채널 전극(119)일 수 있다. 그 밖에도, 센서 소자(112)는 하나 이상의 확산 배리어(DB)(121) 및/또는 하나 이상의 배기 채널(AK)(123)을 포함할 수 있다. 배기 채널(123)을 통해 배기 채널 전극(119)은 적어도 부분적으로 공기(125)와 연결되어 있을 수 있다. 예컨대 배기가스(113)의 적어도 일부분은 확산 배리어(121)를 경유하여 내부 펌프 전극(118)에 도달할 수 있다. 내부 펌프 전극(118) 및 배기 채널 전극은 바람직하게는 적어도 부분적으로 펌프 셀(114)에 포함될 수 있다. 센서 소자(112)는 바람직하게는 광대역 람다 프로브일 수 있고, 특히 펌프 셀(114)을 포함한 광대역 람다 프로브일 수 있다. 센서 소자(112)는 적어도 부분적으로 하나 이상의 인터페이스(127)를 통해 제어부(120)와, 및/또는 데이터 처리 장치(122)와 연결되어 있을 수 있다.
도 2 및 도 3에는, 본 발명에 따른 방법의 2가지 실시예에 대한 그래프가 도시되어 있다. 각각 ㎃ 단위의 펌프 전류들(Ip) 및 ㎷ 단위의 전압들이 s 단위의 시간(t)에 대해 도시되어 있다. 본 발명에 따른 방법은, 가스 측정 챔버 내에서 가스의 하나 이상의 농도를 검출하기 위한, 예컨대 앞서 설명한 것과 같은 센서 소자(112)를 작동시키기 위한 방법이다. 센서 소자(112)는 하나 이상의 고체 전해질(116)을 통해 서로 연결되는 2개 이상의 펌프 전극(118)을 구비한 하나 이상의 펌프 셀(114)을 포함한다. 본원의 방법에서는 하나 이상의 측정 변수가 검출된다. 측정 변수는 예컨대 펌프 전류(Ip) 및/또는 전압(U)일 수 있다. 그 밖에도, 하나 이상의 보상 변수가 결정된다. 보상 변수는 예컨대 보상 전류(ΔIp)일 수 있다. 보상 변수는 적어도 부분적으로 펌프 전극들(118) 중 하나 이상의 펌프 전극과 고체 전해질(116) 사이의 하나 이상의 전이부 상에서의 용량성 효과들에 따라 결정된다. 측정 변수 및 보상 변수로부터 하나 이상의 정정된 측정 변수가 결정된다. 정정된 측정 변수로부터 가스 측정 챔버 내 가스의 농도가 결정된다. 예컨대 정정된 측정 변수로부터, 하나 이상의 특성곡선, 예컨대 펌프 전류와 가스 측정 챔버 내 가스의 농도 사이의 관계에 의해, 가스 측정 챔버 내 가스의 농도가 결정될 수 있다.
측정 변수는 하나 이상의 펌프 전류(Ip)를 포함할 수 있다. 보상 변수는 하나 이상의 재충전 전류(ΔIp)를 포함할 수 있다. 정정된 측정 변수(Ip korr )는 예컨대 특히 식 Ip korr = Ip - ΔIp 을 사용해서 계산될 수 있다. 본원의 방법은 적어도 부분적으로 하나 이상의 제어부를 통해, 예컨대 앞서 설명한 것과 같은 제어부(120)에 의해 실행될 수 있다. 제어부(120)는 예컨대 ASIC CJ135 또는 ASIC CJ125일 수 있다. 예컨대 제어부(120)는 하나 이상의 ASIC CJ135 및/또는 하나 이상의 ASIC CJ125를 포함할 수 있다. 원칙상 제어부는 임의의 제어부일 수 있다. 바람직하게 제어부는 하나 이상의 ASIC, 예컨대 하나 이상의 ASIC CJ125 및/또는 하나 이상의 ASIC CJ135 및/또는 하나 이상의 다른 ASIC를 포함할 수 있다.
본원의 방법에서, 하나 이상의 전기 화학 이중 층을 경유하는 하나 이상의 전압의 하나 이상의 시간 특성곡선[U dl (t)]이 결정될 수 있다. 바람직하게는 본원의 방법에서 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 하나 이상의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00019
)가 결정될 수 있다. 예컨대 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압[U dl (t)], 특히 이중 층 커패시터를 경유하는 전압은 작동 중에, 예컨대 펄스 방식의 작동 동안, 특히 ASIC CJ135의 사용에서와 같은 펄스 방식의 작동 중에 측정될 수 있다. 예컨대 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압은 대안으로서, 예컨대 펌프 전압 추적을 사용해서 결정되고, 및/또는 계산될 수 있다. ASIC CJ 125를 사용하는 경우 예컨대 펌프 전압 추적의 사용이 나타날 수 있는데, 그 이유는 전압, 특히 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압이 보통 측정될 수 없기 때문이다. 원칙상 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압 및/또는 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선 및/또는 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00020
)는 대안으로서 또는 추가로 대안적 접근법들을 통해 결정될 수 있다. 본원의 방법에서, 바람직하게는 용량성인 하나 이상의 재충전 전류(ΔIp)가, 보상 변수로서, 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선, 바람직하게는 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00021
), 및 하나 이상의 전극 용량(C IPE )을 사용해서, 특히 식
Figure 112015044706247-pct00022
을 사용해서 결정될 수 있다. 본 발명의 범위에서 소프트웨어 보상은, 특히 측정 변수, 예컨대 프로브 신호(Ip)가 보상 변수로서의 용량성 재충전 전류(ΔIp)만큼 정정된다는 것에 기인할 수 있다. 전압(U dl )은, 예컨대 펌프 전극들(118) 중 하나 이상의 펌프 전극, 예컨대 도 1에 도시된 것처럼 예컨대 하나 이상의 내부 펌프 전극(124)의 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압일 수 있다.
도 2 및 도 3에는 특히 예시의 측정 변수들, 특히 펌프 전류들(Ip)이 곡선들(126 및 128)로서 도시되어 있다. 곡선들(126 및 128)은 도 2 및 도 3에서 각각 오버슈트(130)를 포함한다. 오버슈트들(130)은, 예컨대 가스 측정 챔버 내 가스의 농도의 변동 후에, 예컨대 설정되는 일정한 펌프 전류보다 더 높은 펌프 전류들일 수 있다. 오버슈트들(130) 아래의 면적, 특히 오버슈트들(130)과 약 0.9초 후에 설정되는 일정한 펌프 전류 사이의 면적은 흘러간 전하에 대한 크기일 수 있다. 오버슈트들(130) 아래의 면적은 예컨대 전극 용량에 대해, 그리고 전압의 변화량에 대해 비례할 수 있다:
Figure 112015044706247-pct00023
.
본 발명에 따른 방법의 도 2에 나타난 실시예에서, 펌프 셀(114)은 예컨대 펄스 방식으로 작동될 수 있다. 전압 펄스들 및/또는 전류 펄스들 사이에는 각각 펄스 포우즈들이 발생할 수 있다. 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선[U dl (t)]은 2개 이상의 상이한 펄스 포우즈에서의 측정에 의해 검출될 수 있다. 바람직하게 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00024
)는 2개 이상의 상이한 펄스 포우즈에서의 측정들을 통해 검출될 수 있다. 예컨대, Δt i ,j 의 시간 간격으로 이격된 하나 이상의 i번째 펄스 포우즈 및 하나 이상의 j번째 펄스 포우즈가 사용될 수 있다. i번째 펄스 포우즈 동안의 하나 이상의 펌프 전압(Up i ), 및 j번째 펄스 포우즈 동안의 하나 이상의 펌프 전압(Up j )이 검출될 수 있다. 식
Figure 112015044706247-pct00025
을 사용해서, 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 바람직하게는 앞서 정의한 바와 같은 하나 이상의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00026
)가 결정될 수 있다. 본 실시예는 예컨대 제어부(120)로서의 디지털 ASIC CJ135로 실행될 수 있다. 디지털 ASIC CJ135에 의해, 예컨대 보상 변수(ΔIp)는 용량(C IPE )이 확인된 상태에서 직접 계산될 수 있는데, 그 이유는 전기 화학 이중 층 상에서의 전압이 바람직하게는 펄스 포우즈 동안의 전압에 상응하기 때문이다. 즉, Udl(t) = Up(펄스 포우즈)이다. 펄스 포우즈 동안의 전압[Up(펄스 포우즈)]과 그에 따른 전압[Udl(t)]은 예컨대 펄스 포우즈들에서 클록 펄스마다 측정될 수 있다. 바람직하게는 보상 변수의 계산을 위한 전압의 변화량은 예컨대 공식
Figure 112015044706247-pct00027
에 의해 계산될 수 있다. 클록 시간은 예컨대 Δt n ,n-1 , 특히 n번째 펄스 포우즈과 n-1번째 펄스 포우즈 사이의 지속 시간일 수 있다. 본 실시예에서, 특히 정정은 변화량(
Figure 112015044706247-pct00028
)의 검출을 통해, 바람직하게는 제어부(120)로서의 하나 이상의 CJ135에 의해 검출될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 본 실시예에서, 이중 층 커패시터의 재충전을 위해 필요한 전류는, 바람직하게는 보상 변수를 통해 예컨대 직접 정정될 수 있다. 이를 통해서는, 예컨대 펌프 전압 추적 없이도 발생할 수 있는 전극 재충전을 통해 하나 이상의 신호 지연도 보상될 수 있음으로써, 정정된 측정 변수가, 예컨대 신호로서, Up 추적을 제외한 경우에서보다, 펌프 전압 추적이라고도 하는 Up 추적을 이용한 경우 더 동적일 수 있다는 긍정적인 부수 효과가 얻어질 수 있다. 도 2에는, 특히 본 발명에 따른 방법의 실시예이지만, 특히 제어부(120)로서의 CJ135의 펄스 방식의 작동이 제외되며, 그리고 계단형 펌프 전압 추적으로 인해 발생하는 신호 리플이 제외되었지만, 이것이 기본 특성곡선에서 어떤 것도 변경하지 않는, 상기 실시예의 개략도가 도시되어 있다. 이런 본 발명에 따른 방법의 실시예를 통해, 전극 용량(C IPE ) 및/또는 전압 특성곡선[U dl (t)]이 최대한 정확하게 확인되고, 및/또는 검출될 수 있다는 전제 조건 하에, 오버슈트(130)는 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전하게 보상될 수 있다.
도 2에는, 특히 예컨대 제어부(120)로서의 CJ135에서, Up(펄스 포우즈)를 통한 정정에 의한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예가 도시되어 있다. 곡선(132)은 특히 정정된 측정 변수, 예컨대 Ip korr 의 예시적 특성곡선을 나타낸다. 곡선(134)은 Up 추적이 제외된 상태의 펌프 전류(Ip)를 나타낸다. 곡선(136)은 펄스 포우즈 동안 펌프 전압[Up(펄스 포우즈) = U(IPE)]의 예시적 특성곡선을 나타낸다. 도 2에서, 설명한 오버슈트(130)는 분명히 곡선(126)의 아래에서 검출된다. 곡선(126)과 곡선(134) 사이의 면적, 특히 각각 Up 추적을 이용하거나 제외한 상태에서 펌프 전류들(Ip)의 면적은 전극 재충전을 위해 필요한 전하에 상응한다. 도 2의 언급한 곡선들은, 예컨대 시뮬레이션을 통해, 예컨대 6%에서 21%의 산소(O2)로 예컨대 가스의 농도의 변동 동안, 특히 가스 교환 동안 생성되었다.
본 발명에 따른 방법의 도 3에 속하는 추가 실시예에서는, 하나 이상의 펌프 전류의 하나 이상의 시간 변화량(
Figure 112015044706247-pct00029
)이 검출될 수 있다. 예컨대 하나 이상의 펌프 전압의 하나 이상의 시간 변화량(
Figure 112015044706247-pct00030
)은 결정될 수 있다. 펌프 전류의 시간 변화량(
Figure 112015044706247-pct00031
), 및 펌프 전압의 시간 변화량(
Figure 112015044706247-pct00032
), 및 고체 전해질(116)의 적어도 일부분의 하나 이상의 옴 저항(R Elektrolyt )을 이용해서, 예컨대 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 바람직하게는 앞서 정의한 것과 같은 하나 이상의 도함수(
Figure 112015044706247-pct00033
)가 특히 식
Figure 112015044706247-pct00034
을 사용해서 계산될 수 있다. 이런 추가 실시예에서는, 제어부(120)로서 예컨대 ASIC CJ125가 사용될 수 있다. ASIC CJ125를 사용할 경우, 보통 전극 이중 층 커패시터에 걸쳐서 강하하는 전압의 변화량(
Figure 112015044706247-pct00035
)은 직접 측정될 수 없다. 그러나 전극 이중 층 커패시터에 걸쳐서 강하하는 전압은, 추적을 위해, 특히 Up 추적을 위해, 제어부(120)에서, 특히 제어 유닛 ASIC CJ125에서 계산될 수 있는 펌프 전압의 변화량으로부터 적어도 추정될 수 있다. 이를 위해, 펌프 전압의 총 변화량(ΔUp)은 바람직하게는 저항 손실로서 고체 전해질(116)에 걸쳐서 강하하는 비율만큼 감소될 수 있다. 펌프 전압의 변화량(ΔUp)은, 예를 들어, 대개, 예컨대 펌프 전압 추적을 위한 램프(ramp)로부터 계산될 수 있는 Upsoll의 변화량, 예컨대 ΔUpsoll이 저역 통과 필터, 예컨대 PT-1 필터를 고려해서
Figure 112015044706247-pct00036
의 식으로 표현되는 것처럼 검출됨으로써 얻어진다. 이런 본 발명에 따른 방법의 추가 실시예에서는, 바람직하게는 제어부(120)로서의 하나 이상의 CJ125를 사용해서, 특히 사전 설정된 펌프 전압의 변화량을 통한 정정이 중요할 수 있다. 도 3에서 알 수 있는 것처럼, 오버슈트(130), 특히 신호 오버슈트는, 전극 이중 층 커패시터, 예컨대 전극 전압의 변화량이 Up 추적으로부터 추정될 때에도 분명하게 감소될 수 있다. 도 2에는, 특히 인가된 펌프 전압의 변화량을 통한 정정을 통해서도, 대안으로서 또는 추가로 오버슈트(130)가, 예컨대 곡선(138)에 도시된 것처럼, 유의적으로 감소될 수 있는 것이 도시되어 있다. 곡선(138)은 특히 정정된 측정 변수, 특히 Ip korr 를 나타낸다. 곡선(140)은 추적이 제외된 상태에서의 펌프 전류(Ip)를 나타낸다. 곡선(142)은 펌프 전압(Up)을 나타낸다.
본 발명에 따른 방법의 일 실시예에서는, 예컨대 앞서 설명한 실시예들 중 하나의 실시예에서는, 예컨대 추가로, 하나 이상의 전극 용량(C IPE )이 검출될 수 있다. 본원의 방법에서, 예컨대 시간별로 변동되는 하나 이상의 펌프 전압이 펌프 셀(114)에 인가될 수 있다. 하나 이상의 펌프 전류의 하나 이상의 시간 특성곡선도 검출될 수 있다. 펌프 전류의 시간 특성곡선으로부터는 전극 용량(C IPE )이 추론될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 실시예에 대한 전제조건은, 특히 보상 변수, 예컨대 보상 함수의 결정을 위해, 전극 용량(C IPE )이 기지(known)의 상태이거나, 또는 검출될 수 있다는 것일 수 있다. 전극 용량의 값은 예컨대 노화를 통해 강하게 변동될 수 있기 때문에, 작동 중에, 예컨대 본 발명에 따른 방법의 실행 동안 전극 용량을 측정하는 것이 바람직할 수 있다. 이는, 예컨대 바람직하게는 한계 전류 모드에서 전압 전류가 센서 소자(112)에, 특히 프로브에 인가되어 전류 응답 아래의 면적이 평가되는 것을 통해 수행될 수 있다.
110 본 발명에 따른 장치
112 센서 소자
113 가스, 배기가스
114 펌프 셀
116 고체 전해질
118 펌프 전극
119 배기 채널 전극
120 제어부
121 확산 배리어
122 데이터 처리 장치
123 배기 채널
124 내부 펌프 전극
125 공기
126 곡선
127 인터페이스
128 곡선
130 오버슈트
132 곡선
134 곡선
136 곡선
138 곡선
140 곡선
142 곡선

Claims (10)

  1. 가스 측정 챔버 내에서 가스의 적어도 하나의 농도를 검출하는 센서 소자(112)를 작동시키기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    적어도 하나의 측정 변수(Ip)를 검출하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 측정 변수는 상기 센서 소자의 펌프 전류를 포함하고, 상기 센서 소자(112)는 적어도 하나의 고체 전해질(116)을 통해 서로 연결되는 적어도 2개의 펌프 전극들(118)을 구비한 적어도 하나의 펌프 셀(114)을 포함하는, 상기 적어도 하나의 측정 변수(Ip)를 검출하는 단계;
    상기 적어도 하나의 펌프 셀(114)에 시간별로 변동되는 펌프 전압을 인가하는 단계;
    인가된 상기 펌프 전압으로 인한 결과 펌프 전류의 시간 특성곡선을 검출하는 단계;
    전극 용량(CIPE )을 결정하는 단계로서, 상기 전극 용량(CIPE )은 상기 결과 펌프 전류의 검출된 시간 특성곡선으로부터 결정되는, 상기 전극 용량(CIPE )을 결정하는 단계;
    전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선[Udl (t)]을 결정하는 단계;
    1) 상기 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 결정된 시간 특성곡선[Udl (t)]의 도함수(
    Figure 112020013734116-pct00049
    ); 2) 상기 전극 용량(CIPE ); 및 3) 식
    Figure 112020013734116-pct00050
    을 사용하여 보상 변수(ΔIp)를 결정하는 단계로서,
    Figure 112020013734116-pct00051
    는 시간에 대한 전기 전하(Q)의 도함수이고, 상기 보상 변수(ΔIp)는 결정된 상기 전극 용량(CIPE )에 따라 결정되는, 상기 보상 변수를 결정하는 단계;
    상기 적어도 하나의 측정 변수(Ip) 및 상기 보상 변수(ΔIp)로부터 적어도 하나의 정정된 측정 변수(Ipkorr )를 결정하는 단계로서, 상기 정정된 측정 변수(Ipkorr )는 식 Ipkorr = Ip - ΔIp을 사용해서 계산되는, 상기 정정된 측정 변수를 결정하는 단계;
    연산에서 변수인 상기 정정된 측정 변수(Ipkorr )로부터 상기 가스 측정 챔버 내 가스의 농도를 결정하는 단계;
    상기 정정된 측정 변수(Ipkorr )를 기초로 측정 신호를 출력하는 단계; 및
    차량에서 상기 측정 신호를 사용하는 단계;를 포함하는, 센서 소자의 작동 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 방법은 적어도 부분적으로 적어도 하나의 제어부(120)에 의해 실행되는, 센서 소자의 작동 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 펌프 셀(114)은 펄스 방식으로 작동되고, 전압 펄스들 사이에, 또는 전류 펄스들 사이에, 또는 전압 펄스들 사이 및 전류 펄스들 사이에 각각 펄스 포우즈들이 발생하며, 상기 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선[Udl (t)]은 적어도 2개의 상이한 펄스 포우즈들에서의 측정을 통해 검출되는, 센서 소자의 작동 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, Δti,j 의 시간 간격으로 적어도 하나의 i번째 펄스 포우즈 및 적어도 하나의 j번째 펄스 포우즈가 사용되고, i번째 펄스 포우즈 동안의 적어도 하나의 펌프 전압(Upi ) 및 j번째 펄스 포우즈 동안의 적어도 하나의 펌프 전압(Upj )이 검출되며, 식
    Figure 112020013734116-pct00038
    을 사용하여 상기 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수(
    Figure 112020013734116-pct00039
    )가 결정되는, 센서 소자의 작동 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 펌프 전류의 적어도 하나의 시간별 변화량(
    Figure 112020013734116-pct00040
    )이 검출되고, 적어도 하나의 펌프 전압의 적어도 하나의 시간별 변화량(
    Figure 112020013734116-pct00041
    )이 결정되며, 상기 펌프 전류의 시간별 변화량(
    Figure 112020013734116-pct00042
    ), 및 상기 펌프 전압의 시간별 변화량(
    Figure 112020013734116-pct00043
    ), 및 고체 전해질의 적어도 일부의 적어도 하나의 옴 저항(RElektrolyt )을 사용해서, 상기 전기 화학 이중 층을 경유하는 전압의 시간 특성곡선의 도함수(
    Figure 112020013734116-pct00044
    )가 계산되는, 센서 소자의 작동 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 가스 측정 챔버 내에서 가스의 적어도 하나의 농도를 검출하기 위한 적어도 하나의 센서 소자(112)를 포함하는 장치(110)에 있어서, 상기 센서 소자(112)는 적어도 하나의 고체 전해질(116)을 통해 서로 연결되는 적어도 2개의 펌프 전극들(118)을 구비한 적어도 하나의 펌프 셀(114)을 포함하고, 상기 장치(110)는 적어도 하나의 제어부(120)를 포함하며, 상기 제어부(120)는, 제 1 항에 따르는, 상기 센서 소자(112)를 작동시키기 위한 방법을 실행하도록 구성되는, 센서 소자를 포함하는 장치(110).
KR1020157012246A 2012-11-12 2013-09-20 펌프 셀을 포함하는 고체 전해질 센서 소자의 작동 방법 KR102090938B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012220567.5 2012-11-12
DE102012220567.5A DE102012220567A1 (de) 2012-11-12 2012-11-12 Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements
PCT/EP2013/069614 WO2014072112A1 (de) 2012-11-12 2013-09-20 Verfahren zum betrieb eines festelektrolyt-sensorelements enthaltend eine pumpzelle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150081287A KR20150081287A (ko) 2015-07-13
KR102090938B1 true KR102090938B1 (ko) 2020-03-19

Family

ID=49230755

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157012246A KR102090938B1 (ko) 2012-11-12 2013-09-20 펌프 셀을 포함하는 고체 전해질 센서 소자의 작동 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10036721B2 (ko)
JP (1) JP6058153B2 (ko)
KR (1) KR102090938B1 (ko)
CN (1) CN105102973B (ko)
DE (1) DE102012220567A1 (ko)
WO (1) WO2014072112A1 (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011009780A1 (de) * 2011-01-28 2012-08-02 Continental Automotive Gmbh Sensorelement und Verfahren zum Erfassen eines Parameters eines Gasgemischs in einem Gasraum
DE102012220567A1 (de) 2012-11-12 2014-06-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements
DE102014211321A1 (de) * 2014-06-13 2015-12-17 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb einer Sensorvorrichtung
DE102015206867A1 (de) * 2015-04-16 2016-10-20 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum
CN105388194A (zh) * 2015-11-04 2016-03-09 国家电网公司 适用于电化学传感器的信号处理分析方法
JP7115335B2 (ja) * 2019-01-23 2022-08-09 トヨタ自動車株式会社 内燃機関の制御装置
JP7234988B2 (ja) * 2020-03-31 2023-03-08 株式会社デンソー ガスセンサ
WO2024075418A1 (ja) * 2022-10-06 2024-04-11 日本碍子株式会社 ガスセンサおよびガスセンサによる濃度測定方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004093289A (ja) 2002-08-30 2004-03-25 Denso Corp ガス濃度検出装置
US20050284772A1 (en) * 2004-06-18 2005-12-29 Bjr Sensors, Llc. Method of sensor conditioning for improving signal output stability for mixed gas measurements

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5832156A (ja) * 1981-08-20 1983-02-25 Shimadzu Corp 特定物質の濃度センサ−
NL8304182A (nl) * 1983-12-06 1985-07-01 Philips Nv Gasanalyse-apparaat.
JPH063432B2 (ja) * 1984-02-08 1994-01-12 三菱電機株式会社 機関の空燃比センサ
JP3332761B2 (ja) * 1996-11-08 2002-10-07 日本特殊陶業株式会社 酸素濃度・窒素酸化物濃度測定方法及び装置
JP2000002686A (ja) * 1998-06-15 2000-01-07 Riken Corp 窒素酸化物変換デバイス
JP2003329637A (ja) * 2002-05-09 2003-11-19 Denso Corp ガスセンサの電流検出装置
JP3925379B2 (ja) 2002-09-30 2007-06-06 マツダ株式会社 過給機付火花点火式エンジンの制御装置
CN101329371A (zh) 2007-06-21 2008-12-24 中茂电子(深圳)有限公司 一种对多级测量工具的等效电路补偿的系统及其方法
DE102007061947A1 (de) * 2007-12-21 2009-06-25 Robert Bosch Gmbh Schneller Breitband-Abgassensor
DE102010000663A1 (de) * 2010-01-05 2011-07-07 Robert Bosch GmbH, 70469 Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung und Auswertung eines Abgassensors
DE102010031060A1 (de) * 2010-07-07 2012-01-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements
DE102010040817A1 (de) * 2010-09-15 2012-03-15 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Abgleich eines Sensorelements zur Erfassung einer Gaseigenschaft
DE102010042695A1 (de) * 2010-10-20 2012-04-26 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Kalibrierung eines Gassensors
JP5465263B2 (ja) * 2011-02-04 2014-04-09 日本特殊陶業株式会社 ＮＯｘセンサ制御装置
DE102011005648A1 (de) * 2011-03-16 2012-09-20 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Kalibrieren eines Sensorelements
JP5832156B2 (ja) 2011-06-22 2015-12-16 ダイハツ工業株式会社 内燃機関の制御装置
DE102012220567A1 (de) 2012-11-12 2014-06-12 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betrieb eines Sensorelements

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004093289A (ja) 2002-08-30 2004-03-25 Denso Corp ガス濃度検出装置
US20050284772A1 (en) * 2004-06-18 2005-12-29 Bjr Sensors, Llc. Method of sensor conditioning for improving signal output stability for mixed gas measurements

Also Published As

Publication number Publication date
US20150293052A1 (en) 2015-10-15
CN105102973A (zh) 2015-11-25
US10036721B2 (en) 2018-07-31
KR20150081287A (ko) 2015-07-13
WO2014072112A1 (de) 2014-05-15
JP2015534081A (ja) 2015-11-26
JP6058153B2 (ja) 2017-01-11
CN105102973B (zh) 2018-01-19
DE102012220567A1 (de) 2014-06-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102090938B1 (ko) 펌프 셀을 포함하는 고체 전해질 센서 소자의 작동 방법
EP1202048B1 (en) Gas concentration measuring apparatus compensating for error component of output signal
US20060011476A1 (en) Gas concentration measuring apparatus designed to ensuring accuracy of determining resistance of gas sensor element
US9518954B2 (en) Gas sensor control device
EP0798557B1 (en) Gas sensor and method of measuring quantity of specific compounds in measuring gas
JP2008008667A (ja) ガスセンサ制御装置
CN110418960B (zh) 用于运行用于检测测量气体空间中的测量气体的至少一个特性的传感器的方法
CN110320261B (zh) 气体传感器以及气体传感器的控制方法
US9523655B2 (en) Gas concentration detector
US11378542B2 (en) Gas sensor
JP2013531251A (ja) 測定ガス空間内のガスの特性を測定する装置
US8166800B2 (en) Gas concentration detection apparatus and gas concentration detection system
CN106461599B (zh) 用于运行传感器设备的方法
US7862697B2 (en) Sensor control device
CN112384794A (zh) 用于运行用于证明测量气体中的具有结合氧的测量气体成分的至少一个份额的传感器的方法
DE102006002112A1 (de) Messanordnung und Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen
JP2006053126A (ja) ガス濃度検出装置
KR20200005553A (ko) 고체 전해질 가스 센서의 온도 결정 방법
DE102007027183A1 (de) Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Gassensors
WO2021033709A1 (ja) ガスセンサ
JP2024022007A (ja) ガスセンサ及びガスセンサの基準電位のずれの把握方法

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right