WO2013056943A1 - Verfahren zum abgleichen eines gassensors - Google Patents

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WO2013056943A1
WO2013056943A1 PCT/EP2012/068829 EP2012068829W WO2013056943A1 WO 2013056943 A1 WO2013056943 A1 WO 2013056943A1 EP 2012068829 W EP2012068829 W EP 2012068829W WO 2013056943 A1 WO2013056943 A1 WO 2013056943A1
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pumping
gas
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gas sensor
phase
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PCT/EP2012/068829
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Hartwig Lehle
Lothar Diehl
Moritz Waldorf
Thomas Seiler
Jochen Betten
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for balancing a gas sensor.
  • a method for balancing an amperometric gas sensor is already known from DE 10 2008 007 238 A1, wherein the gas sensor has a diffusion barrier and a cavity located behind the diffusion barrier and a pumping cell.
  • gas component z. B. is pumped from a sample gas into the cavity, that subsequently with the help of the pump cell, the gas component to be determined is pumped out of the cavity and that from the resulting pumping current and / or the time course of the pumping current to an adjustment value for the
  • Adjustment values depend not only on the measured value or current measurable with this sensor for a given sample gas, but also of others
  • Influencing factors such as the volume of the measuring space and the volume of the diffusion barrier, of which the measured value or current, with this sensor at a specified measuring gas is measurable, is not directly dependent.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method which allows a comparison of the particular amperometric gas sensor, which is less or not at fault.
  • an adjustment to a particular amperometric gas sensor is provided, that is, to a gas sensor which is suitable, with suitable circuitry, to deliver a measurable variable, in particular a current, for determining the concentration of a gas component in a measurement gas space.
  • such sensors have an electrochemical pumping cell, ie two electrodes which are conductively connected to one another via an electrolyte, in particular solid electrolytes, and between which a pump voltage can be applied.
  • such sensors also have a cavity which has a cavity
  • Diffusion barrier is connected to a sample gas space.
  • the measuring gas space is understood to be the space outside the gas sensor, in which the gas to be examined is located.
  • a diffusion barrier is understood in the widest sense to mean a device which can transport gas, for example a diffusion and / or a gas
  • Flow, from the measuring gas space in the cavity can limit, for example, a narrow open channel or a porous filling of a channel or the like.
  • the gas component may be, for example, oxygen, carbon monoxide, a hydrocarbon, a nitrogen oxide or hydrogen.
  • the method is also suitable for other gas components and gas sensors.
  • the electrochemical pumping cell according to the invention is provided for the electrochemical pumping of the gas component to be examined into or out of the cavity.
  • the cavity is formed adjacent and / or surrounded by the solid electrolyte and in particular a first electrode of the
  • a second electrode of the electrochemical pumping cells is in particular formed outside and spaced from the cavity, in particular in the measurement gas or in a reference gas space which is completely or partially sealed off from the measurement gas.
  • the method provides several pump-in phases. Under one
  • Einpumpphase is understood in particular a coherent period in which an electrochemical transport of the gas species to be examined takes place in the cavity and / or by a corresponding between the electrodes of the
  • n or at least n pump-in phases may be provided under a plurality of pump-in phases, where n may in each case assume the values 2, 3, 4, 5 for both alternatives. Also, each of the larger integer values for n, for example, 6, 7, etc., is possible for both alternatives and not explicitly listed here for the sake of brevity.
  • the method provides several pumping phases. Under one
  • Auspumpphase is understood in particular a continuous period in which an electrochemical transport of the gas species to be examined from the cavity takes place or caused by a corresponding between the electrodes of the electrochemical pumping cell applied and / or applied pumping voltage.
  • n or at least n pumping out phases can be provided under a plurality of pumping out phases, n being able to assume the values 2, 3, 4, 5 for both alternatives.
  • each of the larger integer values for n, for example, 6, 7, etc. is possible for both alternatives and not explicitly listed here for the sake of brevity. From the provision of several pumping out phases, the possibility used according to the invention results in obtaining a broader database for obtaining information for matching the gas sensor.
  • At least one feature ie in particular one Property, the pumping current or a combination of several features, ie in particular a combination of several properties that during the
  • Pumping phases are used, is used to generate at least one information to adjust the gas sensor.
  • the feature of the pumping current which is detected during the pumping out phases may in particular be a total amount of charge pumped in the respective pumping out phase or a pumping current, in particular a maximum or averaged one during the pumping out phase
  • Gas component is filled.
  • the information for adjusting the gas sensor is understood in particular as meaning information about which measured value or which current the sensor actually supplies for a given measuring gas or how this measured value or current correlates with an actual concentration of the gas component to be detected in a measuring gas.
  • Measuring gas composition and / or by the value of the diffusion resistance of the diffusion barrier for a particular sample gas composition can be provided, in particular, for correcting the measured value supplied by the gas sensor such that it corresponds to the actual value of the variable to be measured.
  • the information for adjusting the gas sensor can also be information relating to an aging state of the sensor and / or information and / or whether the present sensor is working properly or whether there is a defect. It can also be a
  • Generating the information can be, in particular, the determination and / or calculation of the information.
  • the invention is based on the finding that the realization of a method which enables a comparison of the amperometric gas sensor, which is less faulty or not at all faulty, is made possible by the fact that a pumping-related
  • the available database is extended in such a way that it becomes possible to to extract information for the adjustment of the gas sensor, which depends largely or even exclusively only directly on the measured value or current, which is measurable with this sensor at a given sample gas, and greatly reduced or no longer dependent on other influencing variables, such as from the volume of the measuring space and from the volume of the diffusion barrier.
  • Measured value or current that is measurable with this gas sensor at a given sample gas Measured value or current that is measurable with this gas sensor at a given sample gas.
  • the parameter relating to the pumping may in particular be a pumping current, for example a pumping current constant during a pumping-in phase or a pumping average during a pumping-in phase, or, for example, a pumping voltage, in particular one during a pumping
  • Acting pump voltage, or act during a single pumping phase total amount of charge or the duration of a pump-in phase act. Common to these parameters is that they quantitatively characterize the amount of gas component that is pumped into the cavity in a single pumping phase.
  • the method can thus be interpreted as meaning that different amounts of gas are pumped into the cavity and subsequently analyzed in each case, which part of the amount of gas pumped from the cavity is still pumpable and which part is otherwise escaped. From the totality of the data thus collected, the desired information can be derived with high precision. It is preferred against this background that a pumping-in phase of a pumping-out phase precedes in time, in particular each pumping-in phase in each case precedes, in particular immediately precedes, a pumping-out phase. Starting with a pump-in phase or starting with one Pumping out pumping and pumping out phases, for example, take place alternately, in particular alternately immediately following each other.
  • each pumping phase E n is assigned a value of the parameter concerned, this parameter assumes during this pumping phase E n and that in the subsequent pumping out phase A n a value of the characteristic of the pumping phase is detected becomes.
  • the functional relationship can be, for example, a polynomial, for example a polynomial of the first, second or third order or at least the first, second or third order. But also other functional
  • parameters of the functional relationship are obtained in this way, for example by analytical, for example clear, calculation of these parameters or by evaluation of the underlying functional
  • Correlation f means of a compensation calculation, in particular a fit, for example, a compensation calculation according to the least squares method.
  • the parameters thus obtained are used to obtain the information for balancing the gas sensor.
  • This can be done on the basis of a calculation by means of a calculation rule r, for example by means of a polynomial of the first, second or third or higher order.
  • the calculation rule may be a polynomial whose variables are the predetermined parameters. Others too Calculation rules r are possible in principle.
  • the voltage applied to the pumping cell is not constant over the duration of the process; in particular, the transition between pumped-in phases and pumping-out phases is associated with a change in the voltage applied to the pumping cell. Since electrical charge carriers are slidably disposed in and between the electrodes of the pump cell, the change in the voltage applied to the pump cell
  • the information obtained by means of the method according to the invention for balancing the gas sensor is largely independent of the concentration of the gas component in the measurement gas. Nevertheless, the process can be further optimized by performing it, while this concentration of the gas component in the measurement gas does not fluctuate or varies only slightly.
  • this concentration of the gas component in the measurement gas does not fluctuate or varies only slightly.
  • Calculation rule r are thus assigned to a specific sensor type and for example, fixed in a control device for carrying out the invention
  • the invention also relates to a control device which is adapted to carry out the method according to the invention and a sensor device consisting of such a
  • Drawing Figure 1 shows an embodiment of a sensor device according to the invention
  • FIG. 2 shows the time profile of the voltage applied to the pump cell and of the current flowing through the pump cell.
  • FIG. 3 shows the dependence of the pumped during a pump-down phase
  • FIG. 4 shows measured limit currents as a function of information determined by the method according to the invention for various gas sensors.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a sensor device 110 according to the invention.
  • the sensor device 110 includes at least one gas sensor 1 for detecting at least a portion of at least one gas component of a gas in a measuring gas chamber 2, in particular for detecting oxygen in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the sensor element 1 comprises a first electrode 1 16 and a second electrode 1 18.
  • the second electrode 1 18 is connected to at least one cavity 130 and is connected to the measuring gas space 2 via at least one diffusion barrier 120.
  • the first electrode 1 16 and the second electrode 1 18 are connected via at least one solid electrolyte 124.
  • a voltage Up can be applied between the first electrode 1 16 and the second electrode 1 18, so that the first electrode 1 16 and the second electrode 1 18 together with the solid electrolyte 124 form an electrochemical pumping cell 3.
  • the current flowing through the pumping cell 3 electrical current Ip is detected time-resolved.
  • the first electrode 1 16 can in particular be designed as an external pumping electrode, in particular in a two-line gas sensor 1.
  • the first electrode 1 16 can be designed in particular as a reference electrode 136 in a single-cell gas sensor 1, which is not shown graphically here.
  • the first electrode 1 16 may be arranged in particular in a measuring gas chamber 2.
  • Electrode 1 16, in particular as reference electrode 136, can in particular be arranged in a further gas space, for example a reference gas space 126, that is to say in a gas space which is separated gas-tight from the measurement gas space 2 or at least substantially gas-tight.
  • the second electrode 1 18 may be disposed in the cavity 130, but may also be fluidly and / or connected to the cavity 130 via a gas connection.
  • the gas sensor 1 may comprise a heating element 128.
  • the gas sensor 1 may comprise a balancing resistor 180.
  • the balancing resistor 180 can serve, for example, with a measuring resistor as a current divider for balancing the gas sensor 1, in particular for calibration.
  • Sensor device 1 10 furthermore has at least control unit 12.
  • the control unit 1 12 is set up to carry out a method according to the invention for balancing an amperometric gas sensor.
  • the control unit 1 12 may be connected to the gas sensor 1, for example via an interface 134.
  • the control unit 1 12 can also be fully or partially integrated in the gas sensor 1.
  • Components be integrated, for example, in a plug and / or in a
  • the control unit 1 for example, at least one
  • Impact device comprise, in order to apply current and / or voltage to the electrodes, in particular the first electrode 1 16 and / or the second electrode 1 18 and / or a further electrode and / or a third electrode, for example a reference electrode 136.
  • the application device may be, for example, a voltage source and / or a current source.
  • the loading device can in particular electrical
  • the application device can in particular at least two Schuzu effet 138, in particular for supplying the heating element 128 with electrical voltage and / or electric current, and / or a
  • Reference electrode lead 140 and / or an internal electrode lead 142 and / or an external pumping electrode lead 144 include.
  • the control unit 1 12 may optionally comprise at least one measuring device, for example at least a voltage measuring device and / or at least one current measuring device.
  • the measuring device is optionally configured in each case to measure a voltage or a current, for example a voltage applied between the first and second electrodes 1 16, 1 18, in a time-resolved manner, or, for example, one between first and second electrodes 16, 18, ie the pumping cell 3, time-resolved to measure flowing current.
  • the measuring device can also be set up for further processing of the time-resolved measured variable, for example for integration or
  • control unit 1 12 may optionally include at least one separate evaluation device, for example at least one separate data processing device, in which the measured quantities are further processed as described. Furthermore optionally, the control unit 1 12 comprise at least one signal generator. The controller 1 12 may also optionally include at least one controller, for example at least one lock-in controller.
  • FIG. 1 shows in particular a two-line gas sensor 1, in particular a broadband lambda probe.
  • the method according to the invention can also be carried out with other gas sensors 1, as known from the prior art.
  • unicellular gas sensors 1 can also be used.
  • the first electrode 1 16 can be designed, for example, as a reference electrode 136.
  • the second electrode 1 18 may be configured, for example, as an inner pumping electrode, in particular as an inner pumping electrode.
  • the first electrode 16, in particular the reference electrode 136 can in particular be in communication with the reference gas space 126.
  • the second electrode 1 18, in particular the inner pumping electrode, can in particular be connected to the cavity 130 and be supplied with gas from the measuring gas chamber 2 via a diffusion barrier 120.
  • the first electrode 1 16 and the second electrode 1 18 may, for example, be ion-conductively connected via a solid electrolyte 124.
  • FIG. 1 shows by way of example a schematic structure of a broadband lambda probe.
  • the gas sensor 1 may particularly include a gas inlet hole 129.
  • a diffusion path of the gas, in particular of the gas component of the gas is particularly included.
  • oxygen from the gas inlet hole 129 through the diffusion barrier 120, in particular through the porous diffusion barrier 120, lead to the second electrode 1 18, in particular the inner pumping electrode, into the cavity 130.
  • the solid electrolyte 124 may, in particular wholly or predominantly, from partially or fully stabilized
  • the electrodes 1 16, 1 18, 136 in particular wholly or predominantly, from a cermet, for example, a platinum and partially or fully stabilized zirconia exhibiting cermet exist.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of the method according to the invention, which is carried out, for example, with the gas sensor 1 shown in FIG. 1 or with a gas sensor 1 described above.
  • 2 shows the voltage Up applied to the pump cell 3, that is to say between the first electrode 116 and the second electrode 118, and the current Ip flowing through the pump cell 3, that is, between the first electrode 116 and the second electrode 118.
  • the stationary current in this phase electric current Ip through the pumping cell 3 represents the limiting current lp 0 of the electrochemical pumping out of the cavity 130 at the prevailing in the sample gas chamber 2 concentration of the gas component.
  • the capacitance C of the electrochemical pumping cell 3 is determined.
  • Amount AUc changed, for example, increased or decreased, for example by a small amount such as 5mV or 100mV or by at most 5mV or at most 100mV or by 5mV to 100mV. Since the pumping out of the gas component from the cavity 130 in the limiting current, the variation of the pumping voltage Up has no effect on the amount of stationary electrochemically transported from or into the cavity 130 amount of gas. But it comes by the variation of the pump voltage AUc to a
  • the first phase of the method A 0 phase of the method is a first pumping Ei phase.
  • a voltage Up is applied to the electrochemical pumping cell 3 for a defined time, for example for 100 ms to 1000 ms, in particular for 500 ms, so that during this phase a constant pumping current I pi of, for example, about -10 mA occurs.
  • the concentration, ie the partial pressure, of the gas component in the cavity 130 increases.
  • the subsequent phase of the method in this example of the first pump-in phase Ei is a first pump-out phase Ai. In this phase, for a defined time, to
  • Amount of charge Qi arithmetically integrated.
  • This charge quantity Qi is preferably corrected for adulteration, which occurs, for example, during the pump-out phase by gas transport through the diffusion barrier 120.
  • the product of limiting current lp 0 and the time that elapses until the pumping current Ip drops to a certain value for example, drops to l, 05 * lp 0 , is used.
  • a fourth Einpumpphase E 4 in turn, a Einpumpströme lp 4 is predetermined, which differs from the injection currents Ipi, lp 2 , lp 3 and another subsequent pumping out, in which the Amount of charge Q 4 is determined.
  • Further phases are possible and are not explicitly described in detail here for reasons of brevity.
  • phase described last the same length, but it is also possible that pumping phases and pumping out take different lengths. It is provided in this example that the phases described
  • the parameter ⁇ ⁇ , ⁇ given in accordance with the invention, which relates to the pumping in, is a constant injection current Ip in this example.
  • other variables can also implement the pumping-in parameter ⁇ ⁇ , ⁇ , for example a pump voltage Up applied in the pump-in phase E or a pump duration t.
  • the method can also be carried out according to the example, in which case, in contrast to the example, this variable is varied from one pumping phase to one pumping phase.
  • this variable is varied from one pumping phase to one pumping phase.
  • Auspumpphasen M of, on the basis of at least one information I is generated for adjusting the gas sensor 1 in this example is the amount of charge Q that flows during the Auspumpphase through the pump cell. 3 It can, however, other sizes implement this feature of M, for example, the maximum in a
  • Pumping phase occurring pumping current Ip or occurring after a certain time pumping current Ip or the time that elapses until the pumping current Ip drops to a predetermined value, or the time that elapses until the gas concentration in the cavity 130 drops to a predetermined value can also be determined, for example, by means of an additional, for example potentiometrically operated, electrochemical cell, each having a second electrode 118 in the cavity 130 and a first electrode 116 in the measuring gas chamber 2 or a first electrode 136 in the Reference gas space 126 includes.
  • the parameter ⁇ pumping concerned is ⁇ , ⁇ , the pumping current Ip is kept constant, and in this example is the feature of the pump current during the Auspumpphasen M of the charge quantity Q. determined for different specimens of to be adjusted by the gas sensors of the type-value pairs 300, 301 , 302, ... 312 are shown in FIG.
  • This example is a polynomial, in particular the function
  • Compensation calculations in particular fits, for example, a least squares compensation calculation, performed to determine the parameters a, b, c.
  • the generation of the information I for the adjustment of the gas sensor is based on a calculation rule r, by means of which of the previously obtained parameters a, b, c, but in this example only from the both parameters a and c without b, the information I is calculated to adjust the gas sensor.
  • the value of the previously determined capacitance C of the electrochemical pumping cell 3 also enters this function.
  • This calculation rule r in this example is the function:
  • the coefficients of the appropriate calculation rule can be determined, for example, in simple test series.
  • the coefficients of the appropriate calculation rule can be found in test series that are performed only once for a sensor type, and in which the coefficients are optimized so that the resulting information of a to be measured in the series of experiments, for example, the limiting current of the gas sensor Operation in ambient air, as best as possible.
  • optimizing the coefficients it is possible, for example, to make use of analytical calculations or compensatory calculations, so that the optimization of the coefficients takes place safely, with reasonable effort and without difficulties.

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Abstract

Verfahren zum Abgleichen eines Gassensors (1) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgasraum (2), wobei der Gassensor (1) mindestens einen Hohlraum (130) aufweist, der über eine Diffusionsbarriere (120) mit dem Messgasraum (2) verbunden ist, und wobei der Gassensor (1) mindestens eine elektrochemische Pumpzelle (3) zum elektrochemischen Pumpen der Gaskomponente in den bzw. aus dem Hohlraum (130) aufweist, wobei das Verfahren mindestens zwei Einpumpphasen (E1, E2) vorsieht, in denen die Gaskomponente durch die elektrochemische Pumpzelle (3) in den Hohlraum (130) gepumpt wird, und wobei das Verfahren mindestens zwei Auspumpphasen (A1, A2) vorsieht, in denen die Gaskomponente durch die elektrochemische Pumpzelle (3) aus dem Hohlraum (130) heraus gepumpt wird, wobei auf Basis von mindestens einem Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen (Maus) mindestens eine Information (I) zum Abgleich des Gassensors (1) generiert wird, insbesondere ein Abgleichwert (I), bevorzugt der Wert eines Grenzstroms des elektrochemischen Auspumpens aus dem Hohlraum (130) bei einer bestimmten Messgaszusammensetzung oder ein Wert des Diffusionswiderstands der Diffusionsbarriere (130) für eine bestimmte Messgaszusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Einpumpen betreffender Parameter (Ρein) in den mindestens zwei Einpumpphasen (E1, E2) verschieden vorgegeben wird.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Abgleichen eines Gassensors
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleichen eines Gassensors.
Unter Abgleichen eines Gassensors wird insbesondere die Gewinnung einer Information darüber verstanden, welchen Messwert oder welchen Strom der Sensor bei einem vorgegebenen Messgas tatsächlich liefert oder wie dieser Messwert oder Strom mit einer tatsächlichen Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in einem Messgas korreliert.
Aus der DE 10 2008 007 238 AI ist bereits ein Verfahren zum Abgleichen eines amperometrischen Gassensors bekannt, wobei der Gassensor eine Diffusionsbarriere und einen hinter der Diffusionsbarriere liegenden Hohlraum und eine Pumpzelle aufweist. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, dass mit Hilfe der Pumpzelle die zu bestimmende Gaskomponente z. B. aus einem Messgas in den Hohlraum eingepumpt wird, dass darauffolgend mit Hilfe der Pumpzelle die zu bestimmende Gaskomponente aus dem Hohlraum herausgepumpt wird und dass aus dem hierbei resultierenden Pumpstrom und/oder dem zeitlichen Verlauf des Pumpstroms auf einen Abgleichwert für den
Gassensor geschlossen wird.
Nachteilhaft an diesem Verfahren ist es, dass mit diesem Verfahren erhältliche
Abgleichwerte nicht nur von dem Messwert oder Strom abhängen, der mit diesem Sensor bei einem vorgegebenen Messgas messbar ist, sondern auch von weiteren
Einflussgrößen, wie beispielsweise dem Volumen des Messraums und dem Volumen der Diffusionsbarriere, von denen der Messwert oder Strom, der mit diesem Sensor bei einem vorgegebenen Messgas messbar ist, nicht direkt abhängig ist. Resultierend ist mit Hilfe des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens nur ein fehlerbehafteter Abgleich des amperometrischen Gassensors möglich. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das einen Abgleich des insbesondere amperometrischen Gassensors ermöglicht, der weniger oder gar nicht fehlerbehaftet ist.
Vorteile der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruch 1.
Erfindungsgemäß ist ein Abgleich an einem insbesondere amperometrischen Gassensor vorgesehen, also an einem Gassensor, der dazu geeignet ist, bei geeigneter Beschaltung eine messbare Größe, insbesondere einen Strom, zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgasraum zu liefern.
Derartige Sensoren weisen erfindungsgemäß eine elektrochemische Pumpzelle auf, also zwei über einen Elektrolyten, insbesondere Festelektrolyten, Ionen leitend miteinander verbundene Elektroden, zwischen denen eine Pumpspannung anlegbar ist. Derartige Sensoren weisen ferner erfindungsgemäß einen Hohlraum auf, der über eine
Diffusionsbarriere mit einem Messgasraum verbunden ist.
Unter dem Messgasraum wird dabei erfindungsgemäß der außerhalb des Gassensors befindliche Raum verstanden, in dem sich das zu untersuchende Gas befindet. Unter einer Diffusionsbarriere wird erfindungsgemäß im weitesten Sinn eine Vorrichtung verstanden, die einen Transport von Gas, zum Beispiel eine Diffusion und/oder eine
Strömung, aus dem Messgasraum in den Hohlraum zu limitieren vermag, beispielsweise ein enger offener Kanal oder eine poröse Füllung eines Kanals oder dergleichen. Die Gaskomponente kann beispielsweise Sauerstoff, Kohlenmonoxid, ein Kohlenwasserstoff, ein Stickoxid oder Wasserstoff sein. Auch für andere Gaskomponenten und Gassensoren ist das Verfahren geeignet. Die elektrochemische Pumpzelle ist erfindungsgemäß vorgesehen zum elektrochemischen Pumpen der zu untersuchenden Gaskomponente in den bzw. aus dem Hohlraum. Hierzu wird insbesondere der Hohlraum angrenzend und/oder umgeben von dem Festelektrolyt ausgebildet und insbesondere ist eine erste Elektrode der
elektrochemischen Pumpzelle in dem Hohlraum ausgebildet oder zwischen Hohlraum und Festelektrolyt ausgebildet. Eine zweite Elektrode der elektrochemischen Pumpzellen ist insbesondere außerhalb und beabstandet von dem Hohlraum ausgebildet, insbesondere in dem Messgas oder in einem Referenzgasraum, der gegenüber dem Messgas ganz oder teilweise abgedichtet ist.
Erfindungsgemäß sieht das Verfahren mehrere Einpumpphasen vor. Unter einer
Einpumpphase wird insbesondere ein zusammenhängender Zeitraum verstanden, in dem ein elektrochemischer Transport der zu untersuchenden Gassorte in den Hohlraum hinein stattfindet und/oder durch eine entsprechende zwischen den Elektroden der
elektrochemischen Pumpzelle angelegte und/oder anliegende Pumpspannung verursacht wird. Unter mehreren Einpumpphasen können erfindungsgemäß n oder mindestens n Einpumpphasen vorgesehen sein, wobei n für beide Alternativen jeweils die Werte 2, 3, 4, 5 annehmen kann. Auch jeder einzelne der größeren ganzzahligen Werte für n, beispielsweise 6, 7 usw., ist für beide Alternativen möglich und ausschließlich aus Gründen einer knappen Darstellung hier nicht explizit notiert.
Erfindungsgemäß sieht das Verfahren mehrere Auspumpphasen vor. Unter einer
Auspumpphase wird insbesondere ein zusammenhängender Zeitraum verstanden, in dem ein elektrochemischer Transport der zu untersuchenden Gassorte aus dem Hohlraum heraus stattfindet oder durch eine entsprechende zwischen den Elektroden der elektrochemischen Pumpzelle angelegte und/oder anliegende Pumpspannung verursacht wird. Unter mehreren Auspumpphasen können erfindungsgemäß n oder mindestens n Auspumpphasen vorgesehen sein, wobei n für beide Alternativen jeweils die Werte 2, 3, 4, 5 annehmen kann. Auch jeder einzelne der größeren ganzzahligen Werte für n, beispielsweise 6, 7 usw., ist für beide Alternativen möglich und ausschließlich aus Gründen einer knappen Darstellung hier nicht explizit notiert. Aus der Vorsehung mehrerer Auspumpphasen resultiert die erfindungsgemäß genutzte Möglichkeit, eine breitere Datenbasis zur Gewinnung einer Information zum Abgleich des Gassensors zu erhalten.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein Merkmal, also insbesondere eine Eigenschaft, des Pumpstroms oder eine Kombination mehrerer Merkmale, also insbesondere eine Kombination mehrerer Eigenschaften, die während der
Auspumpphasen erfasst werden, dazu benutzt wird, um mindestens eine Information zum Abgleich des Gassensors zu generieren. Bei dem Merkmal des Pumpstroms, das während der Auspumpphasen erfasst wird, kann es sich insbesondere um eine in der jeweiligen Auspumpphase insgesamt gepumpte Ladungsmenge oder einen Pumpstrom, insbesondere einen während der Auspumpphase maximalen oder gemittelten
Pumpstrom, handeln. Diesen Merkmalen gemeinsam ist, dass sie ein Maß dafür liefern, inwiefern der Hohlraum zu Beginn der Auspumpphase mit der zu erfassenden
Gaskomponente befüllt ist.
Unter der Information zum Abgleich des Gassensors wird insbesondere eine Information darüber verstanden, welchen Messwert oder welchen Strom der Sensor bei einem vorgegebenen Messgas tatsächlich liefert oder wie dieser Messwert oder Strom mit einer tatsächlichen Konzentration der nachzuweisenden Gaskomponente in einem Messgas korreliert. Insbesondere kann es sich bei der Information um den Wert eines Grenzstroms des elektrochemischen Auspumpens aus dem Hohlraum bei einer bestimmten
Messgaszusammensetzung handeln und/oder um den Wert des Diffusionswiderstands der Diffusionsbarriere für eine bestimmte Messgaszusammensetzung. Ein solcher Abgleichwert kann insbesondere dazu vorgesehen sein, den von dem Gassensor gelieferten Messwert dahingehend zu korrigieren, dass er dem tatsächlichen Wert der zu messenden Größe entspricht. Andererseits kann es sich bei der Information zum Abgleich des Gassensors aber auch um eine Information bezüglich eines Alterungszustandes des Sensors handeln und/oder um eine Information und/oder ob der vorliegende Sensor ordnungsgemäß arbeitet oder ob ein Defekt vorliegt. Es kann sich auch um eine
Information darüber handeln, um welchen Sensortyp es sich bei einem vorliegenden Gassensor handelt.
Das Generieren der Information kann insbesondere das Ermitteln und/oder Berechnen der Information sein.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Realisierung eines Verfahren das einen Abgleich des amperometrischen Gassensors ermöglicht, der weniger oder gar nicht fehlerbehaftet ist, dadurch ermöglicht wird, dass ein das Einpumpen betreffender
Parameter in verschiedenen Einpumpphasen verschieden vorgegeben wird. Auf diese
Weise wird die zur Verfügung stehende Datenbasis derart erweitert, dass es möglich wird, eine Information zum Abgleich des Gassensors zu extrahieren, die weitgehend oder sogar ausschließlich nur noch direkt von dem Messwert oder Strom abhängt, der mit diesem Sensor bei einem vorgegebenen Messgas messbar ist, und der stark vermindert oder gar nicht mehr von weiteren Einflussgrößen abhängig, wie beispielsweise von dem Volumen des Messraums und von dem Volumen der Diffusionsbarriere.
Entscheidende Bedeutung kommt hierbei der Variation des das Einpumpen betreffenden Parameters in verschiedenen Einpumpphasen zu. Durch diese Variation wird
sichergestellt, dass in verschiedenen Einpumpphasen unterschiedliche Füllungen des Hohlraums mit der zu untersuchenden Gaskomponente präpariert werden, was ermöglicht, dass die verschiedenen Auspumpphasen von verschiedenen Füllungen des Hohlraums mit der zu untersuchenden Gaskomponente starten und somit in den verschiedenen Auspumpphasen jeweils neue, nichtredundante Informationen gewonnen werden können, aus denen es möglich ist, eine Information zum Abgleich des Gassensors zu extrahieren, die weitgehend oder sogar ausschließlich nur noch direkt von dem
Messwert oder Strom abhängt, der mit diesem Gassensor bei einem vorgegebenen Messgas messbar ist.
Bei dem das Einpumpen betreffenden Parameter kann es sich insbesondere um einen Pumpstrom handeln, zum Beispiel um einen während einer Einpumpphase konstanten oder einen während einer Einpumpphase gemittelten Pumpstrom handeln, oder zum Beispiel um eine Pumpspannung handeln, insbesondere um eine während einer
Einpumpphase konstante oder eine während einer Einpumpphase gemittelte
Pumpspannung handeln, oder um eine während einer Einpumpphase insgesamt gepumpte Ladungsmenge oder um die Dauer einer Einpumpphase handeln. Diesen Parametern gemeinsam ist, dass sie die Menge der Gaskomponente quantitativ charakterisieren, die in einer Einpumpphase in den Hohlraum eingepumpt wird.
Das Verfahren kann also dahingehend interpretiert werden, dass in den Hohlraum unterschiedliche Gasmengen eingepumpt werden und nachfolgend jeweils analysiert wird, welcher Teil der eingepumpten Gasmenge aus dem Hohlraum noch abpumpbar ist und welcher Teil anderweitig entwichen ist. Aus der Gesamtheit der so gesammelten Daten kann die gewünschte Information mit hoher Präzision abgeleitet werden. Es ist vor diesem Hintergrund bevorzugt, dass eine Einpumpphase einer Auspumpphase zeitlich vorangeht, insbesondere jede Einpumpphase jeweils einer Auspumpphase vorangeht, insbesondere unmittelbar vorangeht. Beginnend mit einer Einpumpphase oder beginnend mit einer Auspumpphase können Einpumpphasen und Auspumpphasen zum Beispiel abwechselnd erfolgen, insbesondere abwechselnd unmittelbar aufeinanderfolgend.
Zur Erlangung der Information zum Abgleich des Gassensors ist es vorteilhaft, dass jeder Einpumpphase En ein Wert des sie betreffenden Parameters zugeordnet ist, den dieser Parameter während dieser Einpumpphase En annimmt und dass in der nachfolgenden Auspumpphase An ein Wert des Merkmals der Auspumpphase erfasst wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, auf Basis der so gesammelten Daten und unter Zugrundelegen eines funktionalen Zusammenhangs zwischen dem Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen und dem das Einpumpen betreffenden Parameter die Information zum Abgleich des Gassensors zu generieren.
Bei dem funktionalen Zusammenhang kann es sich zum Beispiel um ein Polynom handeln, beispielsweise um ein Polynom erster, zweiter oder dritter Ordnung oder mindestens erster, zweiter oder dritter Ordnung. Aber auch andere funktionale
Zusammenhänge zwischen dem Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen und dem das Einpumpen betreffenden Parameter sind grundsätzlich möglich, wie beispielsweise logarithmische Funktionen.
Vorteilhafterweise werden auf diese Weise Parameter des funktionale Zusammenhangs gewonnnen, zum Beispiel durch analytische, beispielsweise eindeutige, Berechnung dieser Parameter oder durch Auswertung des zugrunde gelegten funktionalen
Zusammenhangs f mittels einer Ausgleichsrechnung, insbesondere eines Fits, beispielsweise einer Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate.
In dem Fall, in dem als funktionaler Zusammenhang ein Polynom erster Ordnung verwendet wird, sind vorteilhafterweise zwei Parameter vorgesehen, im Fall eines Polynoms zweiter Ordnung drei Parameter, usw.
Vorteilhafterweise werden die so gewonnenen Parameter verwendet, um die Information zum Abgleich des Gassensors zu erlangen. Dies kann auf Basis einer Verrechnung mittels einer Rechenvorschrift r erfolgen, zum Beispiel mittels eines Polynoms erster, zweiter oder dritter oder höherer Ordnung. Insbesondere kann die Rechenvorschrift ein Polynom sein, dessen Variablen die vorab bestimmten Parameter sind. Auch andere Rechenvorschriften r sind grundsätzlich möglich.
Die an der Pumpzelle anliegende Spannung ist insbesondere nicht über die Dauer des Verfahrens konstant, insbesondere ist der Übergang zwischen Einpumpphasen und Auspumpphasen mit einer Änderung der an der Pumpzelle anliegenden Spannung verbunden. Da in und zwischen den Elektroden der Pumpzelle elektrische Ladungsträger verschiebbar vorliegen, ist mit der Veränderung der an der Pumpzelle anliegende
Spannung bereits ein gewisser Transport elektrischer Ladung verknüpft, selbst wenn es dabei nicht oder noch nicht zu elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden der Pumpzelle kommt. Die Charakteristika dieses transienten Vorgangs gehen zwar oftmals in das ermittelte Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen ein, sind aber oftmals mit der gesuchten Information zum Abgleich des Gassensors nicht oder nur sehr wenig korreliert. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die elektrische Kapazität C der Pumpzelle vorab bei der Herstellung des Gassensors und/oder im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahren zu bestimmen und/oder bei der Ermittlung der Information zu berücksichtigen, insbesondere mittels der Rechenvorschrift r zu verrechen.
Die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnene Information zum Abgleich des Gassensors ist von der Konzentration der Gaskomponente im Messgas weitgehend unabhängig. Dennoch lässt sich das Verfahren noch weiter optimieren, indem es durchgeführt wird, während diese Konzentration der Gaskomponente im Messgas nicht oder nur wenig schwankt. Bei der Durchführung des Verfahrens an einem Gassensor, der im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners angeordnet ist, kann dies beispielsweise während einer Betriebspause sein. Auch eine Phase, in der der
Brennkraftmaschine kein Brennstoff zugeführt wird (Schubbetrieb), ist aus den gleichen Gründen bevorzugt.
Wie die Funktion f und/oder die Rechenvorschrift r konkret gewählt werden, hängt von einer Vielzahl von Einflussgrößen ab, wie Sensortyp, Betriebsbedingungen und
Gaskomponente. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass mit einer bestimmten Funktion f und/oder einer bestimmten Rechenvorschrift r ein besonders guter Abgleich für eine Menge von Gassensoren möglich ist, wenn diese untereinander gleichartig aufgebaut sind, insbesondere Merkmale, wie zum Beispiel der Grenzstrom ihrer Pumpzelle, aufweisen, die innerhalb einer Streubreite von beispielsweise 5% oder 10% oder 20% liegen. Einer bestimmte Funktion f und/oder eine bestimmten
Rechenvorschrift r sind somit einem bestimmten Sensortyp zugeordnet und beispielsweise fest in einem Steuergerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens abgelegt.
Die Erfindung betrifft auch ein Steuergerät, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen und eine Sensoreinrichtung, bestehend aus solch einem
Steuergerät und einem Gassensor der oben beschrieben Art.
Zeichnung Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung
Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der an der Pumpzelle anliegenden Spannung und des durch die Pumpzelle fließenden Stroms Figur 3 zeigt die Abhängigkeit der während einer Abpumpphase gepumpten
Ladungsmenge Q von einem Strom während der vorangehenden Einpumpphase Ip für verschiedene Gassensoren
Figur 4 zeigt gemessene Grenzströme als Funktion von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Informationen für verschiedene Gassensoren.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 1 10 dargestellt. Die Sensoreinrichtung 1 10 umfasst mindestens einen Gassensor 1 zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Gaskomponente eines Gases in einem Messgasraum 2, insbesondere zum Nachweis von Sauerstoff in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine. Das Sensorelement 1 umfasst eine erste Elektrode 1 16 und eine zweite Elektrode 1 18. Die zweite Elektrode 1 18 ist mit mindestens einem Hohlraum 130 verbunden und ist über mindestens eine Diffusionsbarriere 120 mit dem Messgasraum 2 verbunden. Die erste Elektrode 1 16 und die zweite Elektrode 1 18 sind über mindestens einen Festelektrolyten 124 verbunden. Zwischen die erste Elektrode 1 16 und die zweite Elektrode 1 18 ist eine Spannung Up anlegbar, sodass die erste Elektrode 1 16 und die zweite Elektrode 1 18 zusammen mit dem Festelektrolyten 124 eine elektrochemische Pumpzelle 3 bilden. Der durch die Pumpzelle 3 fließende elektrische Strom Ip ist zeitaufgelöst erfassbar. Die erste Elektrode 1 16 kann insbesondere als Außenpumpelektrode, insbesondere in einem zweizeiligen Gassensor 1 , ausgestaltet sein. Die erste Elektrode 1 16 kann in einem einzelligen Gassensor 1 , welcher hier nicht grafisch dargestellt ist, insbesondere als Referenzelektrode 136 ausgestaltet sein. Als Außenpumpelektrode kann die erste Elektrode 1 16 insbesondere in einem Messgasraum 2 angeordnet sein. Die erste
Elektrode 1 16, insbesondere als Referenzelektrode 136, kann insbesondere in einem weiteren Gasraum, beispielsweise einem Referenzgasraum 126, angeordnet sein, das heißt in einem Gasraum, der von dem Messgasraum 2 gasdicht oder zumindest im Wesentlichen gasdicht getrennt ist. Die zweite Elektrode 1 18 kann in dem Hohlraum 130 angeordnet sein, kann jedoch auch fluidisch und/oder über eine Gasverbindung mit dem Hohlraum 130 verbunden sein. Weiterhin kann der Gassensor 1 ein Heizelement 128 umfassen. Weiterhin kann der Gassensor 1 einen Abgleichwiderstand 180 umfassen. Der Abgleichwiderstand 180 kann beispielsweise mit einem Messwiderstand als Stromteiler zum Abgleich des Gassensors 1 , insbesondere zur Kalibrierung, dienen. Die
Sensorvorrichtung 1 10 weist weiterhin mindestens Steuergerät 1 12 auf. Das Steuergerät 1 12 ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Abgleichen eines amperometrischen Gassensors durchzuführen. Das Steuergerät 1 12 kann beispielsweise über eine Schnittstelle 134 mit dem Gassensor 1 verbunden sein. Das Steuergerät 1 12 kann aber auch vollständig oder teilweise in dem Gassensor 1 integriert sein. Das Steuergerät 1 12 kann aber beispielsweise auch ganz oder teilweise in andere
Komponenten integriert sein, beispielsweise in einen Stecker und/oder in eine
Motorsteuerung. Das Steuergerät 1 12 kann beispielsweise mindestens eine
Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, um die Elektroden, insbesondere die erste Elektrode 1 16 und/oder die zweite Elektrode 1 18 und/oder eine weitere Elektrode und/oder eine dritte Elektrode, beispielsweise eine Referenzelektrode 136, mit Strom und/oder Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder eine Stromquelle handeln.
Insbesondere kann als Beaufschlagungsvorrichtung eine Konstantstromquelle
vorgesehen sein. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere elektrische
Leitungen umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung insbesondere mindestens zwei Heizzuleitungen 138, insbesondere zur Versorgung des Heizelements 128 mit elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom, und/oder eine
Referenzelektrodenzuleitung 140 und/oder eine Innenelektrodenzuleitung 142 und/oder eine Außenpumpelektrodenzuleitung 144 umfassen. Weiterhin kann das Steuergerät 1 12 gegebenenfalls mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung. Die Messvorrichtung ist dabei optional jeweils eingerichtet, eine Spannung oder einen Strom, zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 1 16, 1 18 anliegende Spannung zeitaufgelöst zu messen, oder zum Beispiel einen zwischen erster und zweiter Elektrode 1 16, 1 18, also durch die Pumpzelle 3, fließenden Strom zeitaufgelöst zu messen.
Insbesondere kann die Messeinrichtung auch zur Weiterverarbeitung der zeitaufgelöst gemessenen Größe eingerichtet sein, beispielsweise zur Integration oder
Mittelwertbildung über ein Zeitintervall oder zur Erkennung eines Maximalwertes der betreffenden Größe in einem Zeitintervall. Weiterhin kann das Steuergerät 1 12 optional aber auch mindestens eine separate Auswertevorrichtung, beispielsweise mindestens eine separate Datenverarbeitungsvorrichtung, umfassen, in der die gemessenen Größen wie beschrieben weiterverarbeitet werden. Weiterhin optional kann das Steuergerät 1 12 mindestens einen Signalgenerator umfassen. Das Steuergerät 1 12 kann überdies optional mindestens einen Regler, beispielsweise mindestens einen Lock-in-Regler, umfassen.
In Figur 1 ist insbesondere ein zweizeiliger Gassensor 1 , insbesondere eine Breitband- Lambdasonde, dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell auch mit anderen Gassensoren 1 , wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, durchgeführt werden. Beispielsweise können auch einzellige Gassensoren 1 verwendet werden. Bei einem zweizeiligen Gassensor 1 , wie es insbesondere bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann, kann die erste Elektrode 1 16 beispielsweise als Referenzelektrode 136 ausgestaltet sein. Die zweite Elektrode 1 18 kann beispielsweise als innere Pumpelektrode, insbesondere als Innenpumpelektrode, ausgestaltet sein. Die erste Elektrode 1 16, insbesondere die Referenzelektrode 136, kann insbesondere mit dem Referenzgasraum 126 in Verbindung stehen. Die zweite Elektrode 1 18, insbesondere die innere Pumpelektrode, kann insbesondere mit dem Hohlraum 130 verbunden sein und über eine Diffusionsbarriere 120 mit Gas aus dem Messgasraum 2 beaufschlagt werden. Die erste Elektrode 1 16 und die zweite Elektrode 1 18 können beispielsweise über einen Festelektrolyten 124 Ionen-leitend verbunden sein.
Figur 1 zeigt beispielhaft einen schematischen Aufbau einer Breitband-Lambdasonde. Der Gassensor 1 kann insbesondere ein Gaszutrittsloch 129 umfassen. Beispielsweise kann ein Diffusionsweg des Gases, insbesondere der Gaskomponente des Gases,
beispielsweise Sauerstoff, von dem Gaszutrittsloch 129 durch die Diffusionsbarriere 120, insbesondere durch die poröse Diffusionsbarriere 120, zu der zweiten Elektrode 1 18, insbesondere der Innenpumpelektrode, in den Hohlraum 130 führen. Der Festelektrolyt 124 kann, insbesondere ganz oder überwiegend, aus teil- oder vollstabilisiertem
Zirkonoxid bestehen, die Elektroden 1 16, 1 18, 136 können, insbesondere ganz oder überwiegend, aus einem Cermet, beispielsweise aus einem Platin und teil- oder vollstabilisiertes Zirkonoxid aufweisendem Cermet, bestehen.
Figur 2 zeigt ein Ausführbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, das beispielsweise mit dem in Figur 1 gezeigten Gassensors 1 oder einem oben beschriebenen Gassensor 1 ausgeführt werden wird. Dabei zeigt Figur 2 die an der Pumpzelle 3, also zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118, anliegende Spannung Up und den durch die Pumpzelle 3, also den zwischen der ersten Elektrode 116 und der zweiten Elektrode 118, fließenden Strom Ip.
In einer ersten Phase des Verfahrens A0 liegt an der Pumpzelle 3 eine Spannung Up an, deren Betrag und Vorzeichen geeignet ist, stets sämtliche Moleküle der aus dem
Messgasraum 2 durch die Diffusionsbarriere 120 in den Hohlraum 130 gelangenden
Gaskomponente elektrochemisch abzupumpen, beispielsweise Up0= 400mV oder 700mV oder 400mV bis 700mV. Der in dieser Phase stationär auftretende elektrische Strom Ip durch die Pumpzelle 3 stellt den Grenzstroms lp0 des elektrochemischen Auspumpens aus dem Hohlraum 130 bei der im Messgasraum 2 herrschenden Konzentration der Gaskomponente dar.
Optional kann es vorgesehen sein, dass in dieser Phase des erfindungsgemäßen
Verfahrens, oder aber auch in einer anderen Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Kapazität C der elektrochemischen Pumpzelle 3 bestimmt wird. Hierfür wird insbesondere die an der Pumpzelle 3 anliegende elektrische Spannung Up um den
Betrag AUc verändert, zum Beispiel erhöht oder erniedrigt, zum Beispiel um einen kleinen Betrag wie 5mV oder 100mV oder um höchstens 5mV oder höchstens 100mV oder um 5mV bis 100 mV. Da das Abpumpen der Gaskomponente aus dem Hohlraum 130 im Grenzstrom erfolgt, hat die Variation der Pumpspannung Up keine Auswirkung auf die Menge der stationär elektrochemisch aus bzw. in den Hohlraum 130 transportierten Gasmenge. Es kommt aber durch die Variation der Pumpspannung AUc zu einer
Ladungsverschiebung Qc innerhalb der elektrochemischen Pumpzelle, die sich aus Sicht der Messeinrichtung in einem vorübergehend erhöhten/erniedrigten Pumpstrom Ip äußert, wobei das Integral über diese vorübergehenden Stromerhöhung der
Ladungsverschiebung Qc entspricht. Es ist vorgesehen, die elektrische Kapazität C der elektrochemischen Pumpzelle zu bestimmen, insbesondere gemäß der Gleichung
C = Qc/ AUc.
Die in diesem Beispiel der ersten Phase des Verfahrens A0 nachfolgende Phase des Verfahrens ist eine erste Einpumpphase Ei. In dieser Phase wird für eine definierte Zeit, zum Beispiel für 100ms bis 1000ms, insbesondere für 500ms, eine Spannung Up so an die elektrochemische Pumpzelle 3 angelegt, dass es während dieser Phase zu einem konstanten Pumpstrom Ipi zum Beispiel von etwa -10mA kommt. Dabei erhöht sich insbesondere die Konzentration, also der Partialdruck, der Gaskomponente in dem Hohlraum 130.
Die in diesem Beispiel der ersten Einpumpphase Ei nachfolgende Phase des Verfahrens ist eine erste Auspumpphase Ai. In dieser Phase wird für eine definierte Zeit, zum
Beispiel für 100ms bis 1000ms, insbesondere für 500ms, für die Spannung Up wieder der Wert Up0= 500mV oder 700mV vorgegeben, der einen elektrochemischen Transport der Gaskomponente aus dem Hohlraum 130 heraus bewirkt. Der während dieser Phase fließende Pumpstrom Ip ist zunächst relativ groß, da sich zunächst eine erhöhte Menge der Gaskomponente in dem Hohlraum 130 befindet. Indem diese abgepumpt wird, geht Ip zurück, zum Beispiel bis auf den eingangs gemessenen Grenzstrom lp0 des
elektrochemischen Auspumpens aus dem Hohlraum 130 bei der im Messgasraum 2 herrschenden Konzentration der Gaskomponente. Der Wert des während dieser
Auspumpphase Ai fließenden Pumpstroms Ip wird in diesem Beispiel durch die
Messeinrichtung oder durch die separate Auswertevorrichtung zu dem Wert der
Ladungsmenge Qi rechnerisch aufintegriert. Vorzugsweise wird diese Ladungsmenge Qi um Verfälschungen korrigiert, die zum Beispiel während der Auspumpphase durch Gastransport durch die Diffusionsbarriere 120 auftreten. Dazu wird insbesondere das Produkt von Grenzstrom lp0 und der Zeit, die vergeht bis der Pumpstrom Ip auf einen gewissen Wert abfällt, zum Beispiel bis auf l,05*lp0 abfällt, verwendet. Es folgen in diesem Beispiel aufeinanderfolgend eine zweite Einpumpphase E2 und eine zweite Auspumpphase A2 und eine dritte Einpumpphase E3 und eine dritte Auspumpphase A3 nach, die analog der ersten Einpumpphase Ei und der ersten Auspumpphase Ai ablaufen, mit dem Unterschied, dass sich Einpumpströme lp2 und lp3 von Ipi
unterscheiden und untereinander unterscheiden, zum Beispiel etwa 7,5 mA und etwa 5 mA betragen. Auch andere Einpumpströme Ip sind natürlich möglich. Entsprechend werden in den Auspumpphasen A2 und A3 Ladungsmengen Q2 und Q3 ermittelt, die sich von Qi unterscheiden, zum Beispiel kleiner sind.
Weitere Ein- und Auspumpphasen können entsprechend vorgesehen sein, zum Beispiel eine vierte Einpumpphase E4, in der wiederum ein Einpumpströme lp4 vorgegeben ist, der sich von den Einpumpströmen Ipi, lp2, lp3 unterscheidet und eine weitere anschließende Auspumpphase, in der die Ladungsmenge Q4 bestimmt wird. Weitere Phasen sind möglich und nur aus Gründen einer knappen Darstellung hier nicht einzeln explizit im Detail beschrieben.
Es ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass die beschriebenen Phasen gleich lang dauern, es ist aber auch möglich, dass Einpumpphasen und Auspumpphasen verschieden lang dauern. Es ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass die beschriebenen Phasen
unmittelbar aufeinander folgen. Es ist aber auch möglich, zwischen den einzelnen Phasen eine Zeitspanne zu warten, zum Beispiel einige Millisekunden.
Der erfindungsgemäß vorgegebene, das Einpumpen betreffende Parameter Ρβ,η ist in diesem Beispiel ein konstanter Einpumpstrom Ip. Es können allerdings auch andere Größen den das Einpumpen betreffenden Parameter Ρβ,η realisieren, beispielsweise eine in der Einpumpphase E anliegende Pumpspannung Up oder eine Pumpdauer t. Das
Verfahren kann auch dann im Übrigen gemäß dem Beispiel durchgeführt, wobei dann im Unterschied zu dem Beispiel diese Größe von Einpumpphase zu Einpumpphase variiert wird. Das erfindungsgemäß vorgesehene Merkmal des Pumpstroms während der
Auspumpphasen Maus, auf dessen Basis mindestens eine Information I zum Abgleich des Gassensors 1 generiert wird, ist in diesem Beispiel die Ladungsmenge Q, die während der Auspumpphase durch die Pumpzelle 3 fließt. Es können allerdings auch andere Größen dieses Merkmal Maus realisieren, beispielsweise der maximal in einer
Auspumpphase auftretende Pumpstrom Ip oder der nach einer gewissen Zeit auftretende Pumpstrom Ip oder die Zeit, die vergeht, bis der Pumpstrom Ip auf einen vorgegebenen Wert abfällt, oder die Zeit, die vergeht, bis die Gaskonzentration in dem Hohlraum 130 bis auf einen vorgegebenen Wert abfällt. Letzteres kann zum Beispiel auch mittels einer zusätzlichen, zum Beispiel potentiometrisch betriebenen, elektrochemischen Zelle ermittelt werden, die jeweils eine zweite Elektrode 118 in dem Hohlraum 130 und eine erste Elektrode 116 in dem Messgasraum 2 oder eine erste Elektrode 136 in dem Referenzgasraum 126 umfasst.
Erfindungsgemäß wird durch das Verfahren für vorgegebene Werte des das Einpumpen betreffende Parameters Pein, i, Pein, 2, Pein, 3 ··· jeweils ein Wert des Merkmal des
Pumpstroms während der Auspumpphasen Maus, 1, Maus, 2, MaUs, 3, ... ermittelt. In diesem Beispiel ist der das Einpumpen betreffende Parameter Ρβ,η der konstant gehaltene Pumpstrom Ip, und in diesem Beispiel ist das Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen Maus die Ladungsmenge Q. Für verschiedene Exemplare von abzugleichenden Gassensoren einer Bauart ermittelten Wertepaare 300, 301, 302, ... 312 sind in der Figur 3 dargestellt.
In einem weiteren Verfahrensschritt dieses Beispiels wird zum Generieren der Information I zum Abgleich des Gassensors 1 von einem funktionellen Zusammenhang f
ausgegangen, der den das Einpumpen betreffenden Parameter Ρβ,η auf das Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen Maus abbildet. In diesem Beispiel handelt es sich um ein Polynom, insbesondere um die Funktion
Figure imgf000016_0001
Da in diesem Beispiel für jeden Gassensor drei Wertepaare für Ρβ,η und Maus ermittelt wurden, können eindeutige Lösungen für die Parameter a, b und c, zum Beispiel durch Lösen des resultierenden linearen Gleichungssystems ermittelt werden. Wo dieses Vorgehen nicht möglich ist, beispielsweise weil für einen Gassensor mehr Wertepaare für Pein und Maus ermittelt wurden als Parameter a, b, c vorhanden sind, können
Ausgleichsrechnungen, insbesondere Fits, beispielsweise eine Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate, durchgeführt werden, um die Parameter a, b, c zu bestimmen.
Auch andere funktionale Zusammenhänge f können in analoger Weise zugrunde gelegt werden, zum Beispiel Polynome erster oder höherer Ordnung oder Funktionen, die ein Sättigungsverhalten wiedergeben, zum Beispiel die Funktion Maus = log (f (Pein)) oder ähnliche, wobei log ein, insbesondere natürlicher, Logarithmus ist und wobei f ein funktionaler Zusammenhang der Art ist, wie er weiter oben in Bezug auf f beschrieben ist.
In einem weiteren Verfahrensschritt dieses Beispiels wird zum Generieren der Information I zum Abgleich des Gassensors von einer Rechenvorschrift r ausgegangen, mittels derer aus den zuvor gewonnen Parametern a, b, c, in diesem Beispiel aber lediglich aus den beiden Parametern a und c ohne b, die Information I zum Abgleich des Gassensors errechnet wird. In diesem Beispiel geht in diese Funktion auch der Wert der zuvor bestimmten Kapazität C der elektrochemischen Pumpzelle 3 ein. Diese Rechenvorschrift r ist in diesem Beispiel die Funktion:
I = 0,37 a2 + 1,8 a -3,1 c + 9,0 C.
Grundsätzlich können andere Typen von Rechenvorschriften r zugrunde gelegt werden. Die Koeffizienten der geeigneten Rechenvorschrift können zum Beispiel in einfachen Versuchsreihen ermittelt werden. Insbesondere können die Koeffizienten der geeigneten Rechenvorschrift in Versuchsreihen gefunden werden, die für einen Sensortyp nur einmalig durchzuführen sind, und in denen die Koeffizienten so optimiert werden, dass die sich ergebende Information einer im Rahmen der Versuchsreihe zu messenden Größe, beispielsweise dem Grenzstrom des Gassensors bei Betrieb in Umgebungsluft, bestmöglich entspricht. Bei der Optimierung der Koeffizienten kann beispielsweise auf analytische Rechnungen oder Ausgleichsrechnungen zurückgegriffen werden, sodass die Optimierung der Koeffizienten sicher, mit vertretbarem Aufwand und ohne Schwierigkeiten erfolgt.
Es ist vorgesehen, den so ermittelten Wert von I beispielsweise in dem der Sensoreinheit 110 zugeordneten Steuergerät 112 abzulegen und bei der Bewertung der im Betrieb des Gassensors 1 durch die Messeinrichtung gemessenen Pumpströme Ip heranzuziehen, insbesondere die gemessenen Pumpströme Ip mit dem Wert I zu verrechnen,
insbesondere durch den Wert I zu dividieren. Das erfindungsgemäße Verfahren wurde für 6 Exemplare von Gassensoren 1 mit verschieden dichten Diffusionsbarriere 120 durchgeführt, sodass für jeden Gassensor 1 ein Wert I ermittelt wurde. Das Verfahren wurde in einem für jeden Gassensor 1 unterschiedlich aber ansonsten willkürlich gewählten Messgas 2 durchgeführt. Ferner wurde zu Vergleichszwecken für jeden Gassensor der Grenzstrom lp0 bei Betrieb in Umgebungsluit ermittelt. In Figur 4 sind die sich ergebenden Wertepaare 201, 202, ... 206 aufgetragen. Es zeigt sich in dieser Aufsagung eine hohe Korrelation der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem unbekannten Messgas ermittelten Information I mit dem in einem bekannten Messgas gemessenen Grenzstrom.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Abgleichen eines Gassensors (1) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgasraum (2), wobei der Gassensor (1) mindestens einen Hohlraum (130) aufweist, der über eine Diffusionsbarriere (120) mit dem Messgasraum (2) verbunden ist, und wobei der Gassensor (1) mindestens eine elektrochemische Pumpzelle (3) zum elektrochemischen Pumpen der
Gaskomponente in den bzw. aus dem Hohlraum (130) aufweist, wobei das Verfahren mindestens zwei Einpumpphasen (Ei, E2) vorsieht, in denen die Gaskomponente durch die elektrochemische Pumpzelle (3) in den Hohlraum (130) gepumpt wird, und wobei das Verfahren mindestens zwei Auspumpphasen (Ai, A2) vorsieht, in denen die Gaskomponente durch die elektrochemische Pumpzelle (3) aus dem Hohlraum (130) heraus gepumpt wird, wobei auf Basis von mindestens einem Merkmal des
Pumpstroms während der Auspumpphasen (Maus) mindestens eine Information (I) zum
Abgleich des Gassensors (1) generiert wird, insbesondere ein Abgleichwert (I), bevorzugt der Wert eines Grenzstroms des elektrochemischen Auspumpens aus dem Hohlraum (130) bei einer bestimmten Messgaszusammensetzung oder ein Wert des Diffusionswiderstands der Diffusionsbarriere (130) für eine bestimmte
Messgaszusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Einpumpen betreffender Parameter (Ρβ,η) in den mindestens zwei Einpumpphasen (Ei, E2) verschieden vorgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens drei Einpumpphasen (Ei, E2, E3), insbesondere mindestens vier Einpumpphasen (Ei, E2, E3, E4), in denen die Gaskomponente durch die elektrochemische Pumpzelle (3) in den Hohlraum (130) gepumpt wird, und mindestens drei Auspumpphasen (Ai, A 2, A 3), insbesondere mindestens vier Auspumpphasen (Ai, A 2, A 3, A 4), in denen die Gaskomponente durch die elektrochemische Pumpzelle (3) aus dem Hohlraum (130) heraus gepumpt wird, wobei ein das Einpumpen betreffender Parameter (Ρβ,η) in den mindestens drei
Einpumpphasen (Ei, E2, E3) verschieden vorgegeben wird, insbesondere in den mindestens vier Einpumpphasen (Ei, E2, E3, E4) verschieden vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der das
Einpumpen betreffende Parameter (Ρβ,η) ein Pumpstrom (Ip), insbesondere ein während einer Einpumpphase (En) konstanter oder ein während einer Einpumpphase (En) gemittelter Pumpstrom (Ip), ist, oder eine Pumpspannung (Up), insbesondere eine während einer Einpumpphase (En) konstante oder ein während einer
Einpumpphase (En) gemittelte Pumpspannung (Up), ist, oder eine während einer Einpumpphase (En) insgesamt gepumpte Ladungsmenge oder die Dauer einer Einpumpphase (En) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen (Maus) eine in einer
Auspumpphase (An) insgesamt gepumpte Ladungsmenge (Q) oder ein Pumpstrom (Ip), insbesondere ein während der Auspumpphase (An,) maximaler oder gemittelter Pumpstrom (Ip), ist, oder eine Dauer (t) der Auspumpphase (An) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einpumpphase (En) durch einen Wert des sie betreffenden Parameters (Pein, n) gekennzeichnet ist, und jede Einpumpphase (En) einer Auspumpphase (An) zeitlich vorangeht, insbesondere zeitlich unmittelbar vorangeht oder zeitlich beabstandet vorangeht, wobei diese Auspumpphase (An) durch einen Wert des Merkmals des Pumpstroms während dieser Auspumpphasen (Maus, n) gekennzeichnet ist, und unter Zugrundelegen eines funktionalen Zusammenhangs (f) zwischen dem Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen (Maus) und dem das Einpumpen betreffenden Parameter (Ρβ,η) die Information (I) zum Abgleich des Gassensors (1) generiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Zugrundelegen eines funktionalen Zusammenhangs (f) des Merkmal des Pumpstroms während der Auspumpphasen (Maus) als Funktion des das Einpumpen betreffenden Parameters (Pein) die Information (I) zum Abgleich des Sensors generiert wird, wobei eine
Berücksichtigung der Werte des Merkmals des Pumpstroms während dieser
Auspumpphasen (Maus, n) und der Werte des das Einpumpen betreffenden Parameters (Pein, n) erfolgt, wobei der funktionale Zusammenhang (f) ein Polynom erster oder zweiter oder mindestens erster, insbesondere mindestens zweiter Ordnung, ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berücksichtigung der Werte des Merkmals des Pumpstroms während dieser Auspumpphasen (Maus, n) und der Werte des das Einpumpen betreffenden Parameters (Ρβ,η n) durch eine eindeutige Auswertung des zugrunde gelegten funktionalen Zusammenhangs (f) oder durch eine Auswertung des zugrunde gelegten funktionalen Zusammenhangs (f) mittels einer Ausgleichsrechnung, wobei zwei Parameter (a, b) oder drei Parameter (a, b, c) oder mindestens zwei Parameter (a, b, c), insbesondere mindestens drei Parameter (a, b, c), des zugrunde gelegten funktionalen Zusammenhangs (f) bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der
Information (I) zum Abgleich des Gassensors (1) die zwei Parameter (a, b) oder die drei Parameter (a, b, c) oder die mindestens zwei Parameter (a, b, c), insbesondere die mindestens drei Parameter (a, b, c), verrechnet werden, insbesondere mittels einer Rechenvorschrift (r), die ein Polynom ist, dessen Variablen die Parameter (a, b, c) sind und wobei das Polynom Koeffizienten aufweist, die vorzugsweise für einen Sensortyp des Gassensors (1) empirisch ermittelbar sind. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert einer elektrischen Kapazität (C) der elektrochemischen Pumpzelle (3) bei der
Ermittlung der Information (I) zum Abgleich des Gassensors (1) verrechnet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Bestimmung des Wertes einer elektrischen Kapazität (C) der elektrochemischen Pumpzelle (3) vorsieht.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor (1) in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine oder eines Brenners, angeordnet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es während einer
Betriebspause des Motors oder einer Betriebspause des Brenners durchgeführt wird. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass es während der Lebensdauer des Gassensors (1) mehrfach durchgeführt wird, insbesondere in im Wesentlichen regelmäßigen Abständen.
14. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Anwendung in einem
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 programmiert ist.
15. Elektrisches Speichermedium für ein Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihm ein Computerprogramm zur Anwendung in einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 13 abgespeichert ist.
16. Steuergerät (112), dadurch gekennzeichnet, das es eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auszuführen und insbesondere auch eingerichtet ist, die Information (1) zum Abgleich des Gassensors (1) in einem Datenspeicher abzulegen. 17. Sensoreinrichtung (110), umfassend ein Steuergerät nach Anspruch 16 und einen Gassensor (1) zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgasraum (2), wobei der Gassensor (1) mindestens einen Hohlraum (130) aufweist, der über eine Diffusionsbarriere (120) mit dem Messgasraum (2) verbunden ist, und wobei der Gassensor (1) mindestens eine elektrochemische Pumpzelle (3) zum elektrochemischen Pumpen der Gaskomponente in den bzw. aus dem Hohlraum
(130) aufweist
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