WO2016165997A1 - Verfahren zum betreiben eines sensors zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines sensors zur erfassung mindestens einer eigenschaft eines messgases in einem messgasraum Download PDF

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WO2016165997A1
WO2016165997A1 PCT/EP2016/057535 EP2016057535W WO2016165997A1 WO 2016165997 A1 WO2016165997 A1 WO 2016165997A1 EP 2016057535 W EP2016057535 W EP 2016057535W WO 2016165997 A1 WO2016165997 A1 WO 2016165997A1
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WO
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electrode
voltage
pumping
current
cell
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Application number
PCT/EP2016/057535
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English (en)
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Inventor
Dirk Daecke
Moritz Waldorf
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4175—Calibrating or checking the analyser

Definitions

  • Sample gas chamber known. In principle, these can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, one or more properties being able to be detected.
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a portion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of a
  • Oxygen content in the sample gas part can be detected, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the sample gas part.
  • Measuring gas detected such as the temperature.
  • ceramic sensors are known from the prior art which are based on the use of electrolytic properties of certain solids, that is, on the ion-conducting properties of these solids.
  • these solids may be ceramic
  • Solid electrolytes such as zirconia (ZrC), especially yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandium-doped
  • ScSZ Zirconia
  • Al2O3 alumina
  • S1O2 silica
  • such sensors may be configured as so-called lambda probes or as nitrogen oxide sensors, as described, for example, by K. Reif, Deitsche, KH. et al., Automotive Handbook, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, pages 1338-1347.
  • broadband lambda probes in particular with planar broadband lambda probes, it is possible, for example, to determine the oxygen concentration in the exhaust gas over a large range and thus to deduce the air-fuel ratio in the combustion chamber.
  • the air ratio ⁇ (lambda) describes this air-fuel ratio.
  • Nitric oxide sensors determine both the nitric oxide and the
  • Oxygen concentration in the exhaust gas By combining a pump cell, the measuring cell, and an oxygen
  • Reference cell the Nernst cell, can be a sensor for measuring the
  • Oxygen content can be built up in an ambient gas.
  • Pump cell operating on the amperometric pumping principle, when applying a voltage or current to the pumping electrodes located in different gas spaces, diffuses an oxygen ion current through a ceramic body (the oxygen-conducting solid electrolyte) which separates (“pumps") the gas spaces. If the pump cell is used to keep the partial pressure of oxygen constant in a cavity into which ambient gas can diffuse, then the measured amount of oxygen can be deduced by measuring the electric current, which according to the law of diffusion, is direct proportional to the partial pressure of oxygen in the ambient gas A Nernst cell can be used to determine the ratio of the partial pressure of oxygen in the cavity to the partial pressure of oxygen in a further reference gas space via the Nernst voltage that forms
  • the electrochemical unit of such a sensor can be regarded as a controlled system in a control loop.
  • the control variable of this control loop is the voltage at the pump electrode pair.
  • the controlled variable is the Nernst voltage that is measured.
  • the aim of the scheme is, despite changes in the oxygen content in the exhaust gas to keep the oxygen partial pressure in the cavity as close to a specified or predetermined value.
  • Oxygen partial pressure in the cavity to the partial pressure in the reference cell is the Nernst voltage.
  • the oxygen partial pressure in the cavity can be controlled.
  • All electrodes in the cavity have a common return conductor. In order to be able to represent also negative voltages, this virtual mass lies on an increased potential for the electrical mass. This voltage is related to the Nernst voltage or the voltage at the outer pumping electrode.
  • Nitrogen sensors a pump current signal evaluated, which is linear in static operation to the present oxygen concentration.
  • Fast fat-lean changes such as those found in gasoline engines, or diesel applications with NSC catalysts require accurate oxygen signal evaluation.
  • lambda 1 ripple.
  • An inventive method for operating a sensor for detecting at least one property of a sample gas in a sample gas space in particular for detecting a portion of a gas component in the
  • Measuring gas or a temperature of the measuring gas comprises a sensor element for Detecting the property of the measuring gas, wherein the sensor element comprises a solid electrolyte, a first electrode, a second electrode, a third electrode and a fixed electrode, wherein the first electrode and the second electrode are connected to the solid electrolyte such that the first
  • Electrode, the second electrode and the solid electrolyte form a pumping cell, wherein the third electrode and the fourth electrode so with the
  • the third electrode, the fourth electrode and the solid electrolyte form a Nernst cell, wherein a Nernstpressive the Nernst cell is regulated, wherein for controlling the Nernst voltage at least one measured variable is detected, wherein a compensation variable is further determined, wherein from the measured variable and At least one corrected measured variable is determined from the compensated variable, the characteristic of the measuring gas in the measuring gas space being determined from the corrected measured variable, the compensating variable being at least partially dependent on a pumping current and a voltage applied to the pumping cell.
  • the compensation quantity may be at least partially dependent on a temporal change of the pumping current and the voltage applied to the pumping cell.
  • a current equivalent of the voltage applied to the pumping cell can be formed.
  • the current equivalent may be formed based on an impedance of the pump cell.
  • Impedance of the pumping cell may be determined based on the voltage applied to the pumping cell and the pumping current.
  • the impedance of the pumping cell can be determined by means of an adaptation algorithm.
  • To determine the compensation value a time-varying proportion of the
  • Pump cell applied voltage and a time-varying proportion of the pumping current can be determined.
  • the time-varying proportion of the voltage applied to the pumping cell voltage can be determined by means of high-pass filtering, in particular by means of temporal differentiation or another type of high-pass filtering, the current equivalent of the voltage applied to the pumping cell and the time-varying proportion of the pumping current means
  • High-pass filtering in particular by means of temporal differentiation or another type of high-pass filtering, the pumping current can be determined.
  • the Compensation size may be based on low pass filtering of the
  • Difference signal can be determined.
  • the corrected measured variable can be determined by subtracting the compensation variable from the measured variable. In other words, the corrected measured variable can be determined by subtracting the compensation variable from the measured variable.
  • an electronic storage medium on which a computer program for carrying out the method according to the invention is stored.
  • the invention furthermore encompasses an electronic control unit which contains the electronic storage medium according to the invention with the said computer program for carrying out the method according to the invention.
  • the invention also relates to a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas, comprising a sensor element for detecting the property of the measurement gas, wherein the sensor element is a solid electrolyte, a first electrode, a second electrode, a third electrode and a fixed electrode, wherein the first electrode and the second electrode are connected to the solid electrolyte such that the first electrode, the second electrode and the solid electrolyte form a pumping cell, the third electrode and the fourth electrode are connected to the solid electrolyte such that the third electrode, the fourth electrode and the solid electrolyte form a Nernst cell, wherein the sensor further comprises an electronic control unit with the computer program according to the invention for carrying out the
  • a solid electrolyte is to be understood as meaning a body or article having electrolytic properties, that is to say having ion-conducting properties.
  • it may be a act ceramic solid electrolyte.
  • This also includes the raw material of a solid electrolyte and therefore the formation as a so-called green or brownling, which only becomes a solid electrolyte after sintering.
  • the solid electrolyte may be formed as a solid electrolyte layer or from a plurality of solid electrolyte layers.
  • a layer is to be understood as a uniform mass in the areal extent of a certain height which lies above, below or between other elements.
  • an electrode in the context of the present invention is generally understood to mean an element which is capable of contacting the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained by the solid electrolyte and the electrode.
  • the electrode may comprise an element to which the ions can be incorporated in the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte.
  • the electrodes comprise a noble metal electrode, which may, for example, be deposited on the solid electrolyte as a metal-ceramic electrode or otherwise be in communication with the solid electrolyte.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other precious metals, such as gold or palladium, are in principle applicable.
  • a heating element is to be understood as meaning an element which is suitable for heating the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their temperature
  • the functional temperature is the temperature at which the solid electrolyte becomes conductive to ions and which is approximately 350 ° C.
  • the operating temperature is to be distinguished, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the operating temperature.
  • the operating temperature may be, for example, from 700 ° C to 950 ° C.
  • the heating element may comprise a heating area and at least one feed track.
  • a heating region is to be understood as the region of the heating element which overlaps in the layer structure along an axis perpendicular to the surface of the sensor element with an electrode. Usually it heats up
  • the different heating can, for example be realized in that the heating area has a higher electrical resistance than the supply track.
  • the heating area and / or the supply line are formed, for example, as an electrical resistance path and heat up by applying an electrical voltage.
  • the heating element may for example be made of a platinum cermet.
  • a closed loop is to be understood as a self-contained course of action for influencing a physical quantity in a technical process.
  • Essential here is the
  • Control device that continuously counteracts a deviation from the target value.
  • the control loop consists of the controlled system, the controller and a negative feedback of the actual value as a controlled variable.
  • the controlled variable is compared with the setpoint value as a reference variable.
  • the control deviation between the actual value and the desired value is supplied to the control unit, which forms a control variable for the controlled system in accordance with the desired dynamics of the control loop.
  • the controlled system is that part of the control loop which contains the control variable to which the control device is to act via the control or manipulated variable.
  • a measurand is in principle any physical and / or chemical quantity and a signal which indicates this quantity (s) equivalently, ie. an equivalent signal, to understand.
  • the measured variable is preferably at least one measuring signal of the sensor element.
  • the measured variable may preferably be at least one pumping current, for example a limiting current.
  • the measured variable may be a variable dependent on the pumping current.
  • the measured variable may be a
  • the expression "to be detected” in this context means that the measured variable is output, for example, as a measuring signal from the sensor element and / or the measured variable is processed and / or evaluated and / or stored by a control device.
  • a compensation variable is to be understood to mean in principle any chemical and / or physical variable and a signal which indicates this variable (s) equivalently, ie an equivalent signal.
  • the compensation quantity may comprise the same physical and / or chemical quantity as the measured variable.
  • the compensation variable may be a pump current deviation.
  • the compensation variable may be at least one recharging current and / or at least one electrode charge.
  • Compensation quantity is at least partially dependent on a pumping current and a voltage applied to the pumping cell.
  • the compensation variable may be a measure of a falsification of the measured variable due to electrochemical
  • At least one corrected measured variable is determined from the measured variable and the compensation variable.
  • the corrected measured quantity may be any chemical and / or physical quantity and a signal which indicates this quantity (s) equivalently; an equivalent signal, act.
  • the corrected measured variable may preferably be the same physical and / or chemical variable and / or the compensation variable.
  • the corrected measured variable may in particular be a
  • the proportion of the gas in the measuring gas space can preferably be determined more accurately from the corrected measured variable than from the measured variable.
  • the determination of the corrected measured variable from the measured variable and the compensation variable can be, for example, a calculation and / or an assignment.
  • the proportion of the measurement gas in the measurement gas space can be determined from the corrected measured variable, for example by calculation and / or by association.
  • at least one characteristic can be used in the determination of the proportion of the measurement gas in the measurement gas space from the corrected measured variable.
  • the characteristic may be, for example, an assignment of the corrected measured variable to a component act of the measuring gas.
  • the characteristic may be an association between a corrected pumping current and a proportion of
  • Oxygen in the sample gas such as an oxygen partial pressure act.
  • the measured variable may include at least one pumping current.
  • the pumping current may be around the entire pump cell
  • the measured variable may be the pumping current directly or a signal indicating the pumping current.
  • the pumping current may also be a measured variable which depends on the pumping current.
  • the pumping current may also be a measured variable which depends on the pumping current.
  • the measured variable may comprise at least the pumping current.
  • Compensation variable may include at least one recharge current.
  • the charge-reversal current can be currents which are generated by charging processes and / or discharge processes, for example when the content of the charge is changed
  • the amount of charge generated by recharge then usually does not form in the voltage of the regulator, because the source is the alternating Nernst voltage at the electrodes of the pump cell in
  • the measured variable, compensation variable and corrected measured variable do not have to be present as absolute values according to the previous statements.
  • the present invention explicitly allows alternatively or additionally a correction of the measured variable or compensation of the transhipment at the level of
  • an impedance of the pumping cell in the context of the present invention is not the ohmic resistance of the pumping cell, but a
  • the current equivalent of the pumping voltage is equal to the pumping voltage (eg with a slight change in the O 2 concentration in the exhaust gas over time).
  • the impedance value depends on the oxygen concentration in the exhaust gas but also on further exhaust gas conditions, such as the gas velocity.
  • the impedance describes in particular the ratio of current equivalent of the pump voltage and pump voltage.
  • the impedance of the pumping cell can generally be defined as a complex numerical value.
  • the impedance of the pumping cell can be determined by means of an adaptation algorithm from the combinations of the voltage at the pumping cell and the pumping current.
  • the impedance of the pumping cell may vary as a function of the voltage applied to the pumping cell (or alternatively al
  • a signal is generated which reflects the changing proportion of the voltages and currents applied to the pump cell. This can be done for example by a time differentiation or another type of high-pass filtering. Generally, high-pass filtering is performed here.
  • a high-pass filter is to be understood as meaning a filter which transmits high-frequency signal components above its cut-off frequency while
  • High-pass filters can be realized within the scope of the present invention as recursive filters or non-recursive filters. You can have a finite or infinite impulse response.
  • the pump current signal and the voltage on the pump cell show a different course.
  • the information about divergence of the voltages and currents applied to the pumping cell is in the difference of the voltage and current change signals applied to the pumping cell.
  • This difference signal is also a measure of the shift of charges in the transhipment of electrochemical cells. Recharging the electrochemical cell causes a change in the current without a change in the voltage applied to the pumping cell.
  • a charge-reversal current is generated. This charge current is superimposed on the actual signal from the limit current operation. In the difference signal then only the change of the charge current is mapped.
  • the difference signal of the current changes is over a time interval
  • the difference signal can be filtered with a low-pass filter.
  • a low-pass filter is to be understood as meaning a filter which transmits low-frequency signal components below its cut-off frequency, while high-frequency signal components are attenuated.
  • the task of the low pass filter is to follow the course of the signal of the
  • a simple Tierfpass implementation can be achieved, for example, with a leaky integrator.
  • the compensation current signal will go to zero.
  • the charge-transfer compensation signal is subtracted from the measured pump current signal.
  • a calibrated oxygen signal can be derived from the corrected pump current signal using maps.
  • the electrochemical cause of the signal disturbance, a recharge of the active electrodes, is at least approximately corrected by additional evaluation of electrical quantities.
  • Lambda l ripple during lean / rich (rich / lean) gas exchange can be approximately compensated in a processing step in the microcontroller with the aid of the measured signals of the pumping current and the pumping voltage.
  • voltages and currents occur at the electrodes which lead to a charge shift.
  • a change in the Nernst voltage, ie the controlled variable occurs delayed.
  • the associated current flow appears as lambda l ripple in the oxygen signal.
  • a signal corresponding to the charge shift can be determined from the time change of the pump voltage and pump current signals.
  • the disturbance so the lambda-l-ripple
  • the characteristic resistance of the pump cell or its impedance a relationship between the voltage at the pumping cell and pumping current can be determined. This impedance may be a function of that applied to the pumping cell
  • This characteristic resistance can be determined for the fat and lean mode with fixed values or by adaptively learned values specific to the probe.
  • Uvs denotes a
  • Reference cell voltage which is the Nernst voltage that forms between the reference electrode in the first gas cavity and the reference electrode.
  • Uvs serves as a controlled variable.
  • UP is the voltage applied to the pumping cell.
  • the voltage applied to the pumping cell is called the voltage difference between the outer pumping electrode and the reference voltage at
  • the voltage drop across the measuring resistor of the pumping cell is measured as the voltage difference between the output of the voltage controlled by the O2 regulator or, alternatively, the O2 regulator controlled current source and the voltage on the outer pumping electrode.
  • the voltage drop UIP at the measuring resistor is determined by the pumping current lp. In the static case, this pumping current is again proportional to the pumping current
  • the manipulated variable of Controlled system can be a voltage or a current at the pump cell.
  • the pumping current IP and pumping voltage UP can be measured.
  • the manipulated variable is either the
  • Measuring resistor U RS UP + Rshunt * Ip, where Rshunt is the ohmic resistance of the measuring resistor.
  • Pumping electrode is the manipulated variable of the current at the outer pumping electrode.
  • the voltage at the inner pumping electrode is regulated by regulating the voltage U P at the outside
  • Voltage driver on a measuring resistor Rshunt to the inner pumping electrode is controlled by the Vs controller.
  • the power driver on a measuring resistor Rshunt to the inner pumping electrode is controlled by the Vs controller.
  • the power driver on a measuring resistor Rshunt to the inner pumping electrode is controlled by the Vs controller.
  • Measuring resistor regulated to the inner pumping electrode is the Nernst voltage Uvs, which is between the reference electrode and the
  • Reference voltage is measured at the common return conductor.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the signal evaluation with reloading correction in the sensor
  • FIG. 3 shows a block diagram of a signal processing in the reloading correction
  • FIG. 4 shows a time profile of a pump current signal, a corrected one
  • Figure 5 shows a waveform of the sensor with noise and compensated
  • Fault and Figure 6 shows a temporal waveform in the sensor.
  • FIG. 1 shows a basic structure of a sensor 10 according to the invention.
  • the sensor 10 shown in FIG. 1 can be used to detect physical and / or chemical properties of a measurement gas, one or more properties being able to be detected.
  • the invention will be described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas.
  • the oxygen content can be in the form of a
  • Measured gas can be detected.
  • the invention is particularly in the field of
  • the sensor 10 has a sensor element 12.
  • the sensor element 12 may be formed as a ceramic layer structure, as will be described in more detail below.
  • the sensor element 12 has a solid electrolyte 14, a first electrode 16, a second electrode 18, a third electrode 20 and a fourth electrode 22.
  • the solid electrolyte 14 may consist of several ceramic
  • Layers may be composed in the form of solid electrolyte layers or comprise a plurality of solid electrolyte layers.
  • the solid electrolyte layers may be composed in the form of solid electrolyte layers or comprise a plurality of solid electrolyte layers.
  • Solid electrolyte 14 is a pumping film or pumping layer, an intermediate film or intermediate layer and a heating foil or heating layer, which are arranged one above the other or one below the other.
  • the designation of the electrodes 16, 18, 20, 22 is not intended to indicate a weighting of their meaning, but merely to make it possible to distinguish this conceptually.
  • the sensor element 12 also has a gas inlet path 24.
  • Gas access path 24 has a gas access hole 26 extending from a surface 28 of the solid electrolyte 14 inside the layer structure of the sensor element 12.
  • an electrode cavity 30 is provided which surrounds the gas inlet hole 26, for example, annular or rectangular.
  • the electrode cavity 30 is part of the gas inlet passage 24 and communicates with the measurement gas space via the gas inlet hole 26.
  • the gas inlet hole 26 extends as a cylindrical blind hole perpendicular to the surface 28 of the solid electrolyte 14 in the interior of the layer structure of the sensor element 12.
  • the gas inlet hole 26 extends as a cylindrical blind hole perpendicular to the surface 28 of the solid electrolyte 14 in the interior of the layer structure of the sensor element 12.
  • Electrode cavity 30 is formed substantially annular or rectangular and limited when viewed in a cross-sectional view of three sides of the solid electrolyte 14. Between the gas inlet hole 26 and the
  • Electrode cavity 30, a channel 32 is arranged, which also
  • Diffusion barrier 34 is arranged, which reduces a subsequent flow of gas from the sample gas space into the electrode cavity 30 or even prevented and only allows diffusion.
  • the first electrode 16 is disposed on the surface 28 of the solid electrolyte 14.
  • the first electrode 16 may annularly surround the gas inlet hole 26 and be separated from the measurement gas space, for example by a gas-permeable protective layer not shown in detail.
  • the second electrode 18 second electrode 18 is disposed in the electrode cavity 30.
  • the second electrode 18 may also be configured annular and
  • first electrode 16 and the second electrode 18 are coaxial with the first electrode 16
  • a limiting current of the pumping cell 36 can be set. The limiting current thus represents a current flow between the first electrode 16 and the second electrode 18 via the solid electrolyte 14.
  • the sensor element 12 furthermore has a reference gas space 38.
  • the reference gas space 38 may extend perpendicular to an extending direction of the gas access hole 26 into the interior of the solid electrolyte 14.
  • the gas inlet hole 26 is formed cylindrically, so that the
  • Extension direction of the gas inlet hole 26 extends parallel to a cylinder axis of the gas inlet hole 26.
  • the reference gas space 38 extends perpendicular to the cylinder axis of the gas inlet hole 26. It is expressly mentioned that the reference gas space 38 can also be arranged in an imaginary extension of the gas inlet hole 26 and thus further inside the solid electrolyte 14.
  • the reference gas space 38 does not have to be designed as a macroscopic reference gas space.
  • the reference gas space 38 may be designed as a so-called pumped reference, that is, as an artificial reference.
  • the third electrode 20 is also disposed in the electrode cavity 30.
  • the third electrode 20 is opposite to the second electrode 18.
  • the fourth electrode 22 is arranged in the reference gas space 38.
  • the third electrode 20 and the fourth electrode 22 are connected to solid electrolytes 14 such that the third electrode 20, the fourth electrode 22 and that part of the solid electrolyte 14 between the third electrode 22 and the fourth electrode 22 form a Nernst cell 40.
  • This composition will in turn detected by the Nernst cell 40 by measuring a Nernst voltage Uvs between the third electrode 20 and the fourth electrode 22. Since a known gas composition is present in the reference gas space 38 or is exposed to an excess of oxygen, it can be determined from the measured voltage on the composition in the electrode cavity
  • a heating element 42 is arranged in the layer structure of the sensor element 12.
  • the heating element 42 has a heating area 44 and electrical supply tracks 46.
  • the heating area 44 is, for example, meander-shaped.
  • the heating element 42 is disposed in the solid electrolyte 14 between the intermediate layer and the heating layer. It is expressly mentioned that the
  • Heating element 42 is surrounded on both sides by a thin layer of an electrically insulating material such as alumina, even if this is not shown in detail in the figures.
  • an electrically insulating material such as alumina
  • the thin layer of the electrically insulating material is arranged between the intermediate layer and the heating element 42 and between the heating element 42 and the heating layer. Since such a layer is known for example from the above-mentioned prior art, this will not be described in detail.
  • the layer of the electrically insulating material reference is therefore made to the above-mentioned prior art, the content of which relating to the layer of the electrical material is incorporated herein by reference.
  • FIG. 2 shows a block diagram of the signal evaluation with Umladekorrektur in the sensor 10.
  • the sensor an electronic control unit 48 on.
  • the electronic control unit 48 has a control unit 50 for regulating a Nernst voltage Uvs of the Nernst cell 40.
  • a measuring resistor 52nd Between the control device 50 and the first electrode 16 is a measuring resistor 52nd
  • a manipulated variable of the electronic control device 48 is one of the Pump cell 36 supplied voltage U RS.
  • the controlled variable is the Nernst voltage Uvs. Based on the voltage UR s supplied to the pump cell 36 and a voltage UP applied to the pump cell 36, a voltage drop UIP can be determined by the controller 50 via the measuring resistor 52. That is how it is
  • Electrode 16 is arranged. On the basis of the waveforms, the peculiarity of the present invention can be seen. Thus, not only the voltage drop U IP is fed via the measuring resistor 52 to the signal post-processing unit 56, but also the voltage Up applied to the pump cell 36. Based on the applied to the pumping cell 36 voltage U P and the signal from the
  • the data interface 58 is supplied with a signal indicating the oxygen content.
  • FIG. 3 schematically shows a signal processing of the charge-over correction in the signal post-processing unit 56.
  • the signal post-processing unit 56 receives a first input signal in the form of the voltage drop U IP at the measuring resistor 52, which is dependent on the pumping current IP, and a second input signal in the form of the voltage Up applied to the pumping cell 36 ,
  • a first input signal in the form of the voltage drop U IP at the measuring resistor 52, which is dependent on the pumping current IP
  • a second input signal in the form of the voltage Up applied to the pumping cell 36 .
  • a voltage between the outer pumping electrode and the inner pumping electrode can be used.
  • the pumping current IP can be expressed:
  • Rshunt t ⁇ is the resistance of the measuring resistor 52 at the first electrode 16 or the second electrode 18.
  • the voltage drop UIP is proportional to the pump current Ip.
  • a current equivalent IUP of the voltage UP applied to the pump cell 36 is formed.
  • the current equivalent IUP is based on an impedance ZP of the pumping cell 36 educated.
  • the impedance ZP of the pumping cell 36 is determined based on the voltage UP applied to the pumping cell 36 and the pumping current IP, for example in the form:
  • the impedance ZP of the pumping cell 36 describes the ratio of
  • the impedance ZP of the pumping cell 36 can generally be defined as a complex numerical value.
  • the impedance ZP of the pumping cell 36 can thus also
  • the impedance ZP of the pumping cell 36 is determined by means of an adaptation algorithm.
  • the UIP-converted signal is supplied to a high-pass filter 60, and the UP-converted signal is supplied to a high-pass filter 62.
  • Voltage U P and a time-varying portion dlp of the pump current IP are determined in the high-pass filters 60, 62.
  • the time-varying component dUp of the voltage UP applied to the pump cell 36 can be determined by time differentiation or another type of high-pass filtering of the current equivalent IUP of the voltage UP applied to the pump cell 36 and the time-varying component dlp of the pump current IP be determined by means of temporal differentiation or another type of high-pass filtering of the pump current IP.
  • a difference signal DI02 is formed between the time-varying portion dlp of the pumping current IP and the time-varying portion dUp of the voltage U P applied to the pumping cell 36, for example in the form:
  • DI 02 dl Pl dl UPl This difference signal DI02 is also a measure of the shift of charges during the transfer of the electrochemical cells.
  • electrochemical cell causes a change in the current without a change in the voltage applied to the pumping cell 36 Up.
  • Nernst voltage By changing the Nernst voltage to the electrodes 16, 18 of the pumping cell is a
  • the compensation quantity is determined by means of a low-pass filtering of the difference signal DI02.
  • the difference signal DI02 can be filtered with a low-pass filter 64.
  • the low-pass filter 64 represents a component that the
  • Low-pass filter 64 is to sum the course of the difference signal DI02 over the time interval of the disturbance. If the difference signal DI02 is small, the
  • the charge-over compensation signal komp is subtracted from the measured pump current signal IP, for example in the form:
  • the corrected pump current signal IP O2 can now be used to derive a signal that shows the concentrations and temporal changes of the
  • a calibrated oxygen signal can be derived from the corrected pump current signal I P O2 as a corrected measurement quantity.
  • Voltages due to the impedances can be avoided. Alternatively, they can be multiplied by their reciprocals or other equivalent factors.
  • FIG. 4 shows temporal profiles of a pump current signal of a corrected pump current signal lp o2 and the disturbance Q.
  • This disturbance Q should be approximated as far as possible by the compensation signal komp).
  • the time is plotted on the X-axis 66.
  • the pump current IP or the corrected pump current I p korr is plotted as a corrected measured variable on the Y axis 68.
  • the disturbance Q is plotted on the Y-axis 68.
  • a curve 74 gives the corrected
  • the curve 76 indicates the disturbance Q.
  • the peak 72 determined in this way, which is subtracted for correction from the pump current signal IP. Accordingly, the curve 74 results because the peak 72 is subtracted.
  • the recharge current is correspondingly the change of the disturbance Q with time, ie. H. Q dt.
  • Figure 5 shows waveforms in the sensor 10.
  • the time is plotted.
  • the pumping current IP is plotted.
  • the pumping voltage U P is plotted.
  • the curve 84 indicates an ideal course of the pump current signal IP.
  • the curve 86 indicates the pump current signal IP without correction and, similarly as described above, has a clearly recognizable peak 72.
  • the curve 88 indicates the time profile of the pumping voltage U P.
  • the curve 90 indicates the corrected pump current signal IP corr. It can be seen that the curve 90, the curve 84 due to the
  • FIG. 6 shows time profiles of the signals at the sensor 10. The time is plotted on the X-axis 92 and the signal indicating the percentage of oxygen in the Y-axis 94 is shown.
  • the curve 96 again represents the ideal signal course.
  • the curve 98 in turn indicates the signal determined from the pumping current IP and the oxygen content without correction indicating signal, the one clearly recognizable peak 100.
  • the curve 102 indicates the oxygen content indicating signal with a charge transient compensation. Clearly recognizable is an approximation of the curve 102 to the curve 96.
  • the charge-compensation can be optimized with an adaptation of the characteristic impedance ZP of the pumping cell 36 in the manner described above. This is shown by the curve 104, which almost coincides with the curve 96.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst ein Sensorelement (12) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (12) einen Festelektrolyten (14), eine erste Elektrode (16), eine zweite Elektrode (18), eine dritte Elektrode (20) und eine Festelektrode (22) aufweist, wobei die erste Elektrode (16) und die zweite Elektrode (18) derart mit dem Festelektrolyten (14) verbunden sind, dass die erste Elektrode (16), die zweite Elektrode (18) und der Festelektrolyt (14) eine Pumpzelle (36) bilden, wobei die dritte Elektrode (20) und die vierte Elektrode (22) derart mit dem Festelektrolyten (14) verbunden sind, dass die dritte Elektrode (20), die vierte Elektrode (22) und der Festelektrolyt (14) eine Nernstzelle (40) bilden. Bei dem Verfahren wird eine Nernstspannung (Uvs) der Nernstzelle (40) geregelt, wobei zur Regelung der Nernstspannung (Uvs) mindestens eine Messgröße erfasst wird, wobei weiterhin eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus der Messgröße und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigierte Messgröße bestimmt wird, wobei aus der korrigierten Messgröße die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Pumpstrom (ip) und einer an die Pumpzelle (36) angelegten Spannung (Up).

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer
Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem
Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines
Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des
Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensoren bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische
Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrC ), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes
Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder Siliziumoxid (S1O2) enthalten können.
Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden oder als Stickoxidsensoren ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seiten 1338 -1347, bekannt sind. Mit Breitband- Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ (Lambda) beschreibt dieses Luft- Kraftstoff- Verhältnis. Stickoxid-Sensoren bestimmen sowohl die Stickoxid- als auch die
Sauerstoffkonzentration im Abgas. Durch Kombination einer Pumpzelle, der Messzelle, und einer Sauerstoff-
Referenzzelle, der Nernst-Zelle, kann ein Sensor zur Messung des
Sauerstoffgehalts in einem Umgebungsgas aufgebaut werden. In einer
Pumpzelle, die nach dem amperometrischen Pumpprinzip arbeitet, diffundieren bei Anlegen einer Spannung oder eines Stromes an die Pumpelektroden, die sich in unterschiedlichen Gasräumen befinden, ein Sauerstoff-Ionenstrom durch einen keramischen Körper (den sauerstoffleitenden Festelektrolyten) der die Gasräume trennt („pumpen"). Wird die Pumpzelle dazu genutzt, den Sauerstoff- Partialdruck in einem Hohlraum, in das Umgebungsgas diffundieren kann, konstant zu halten, dann kann über die Messung des elektrischen Stroms auf die transportierte Menge Sauerstoff geschlossen werden. Dieser Pumpstrom ist, gemäß des Diffusionsgesetzes, direkt proportional zum Sauerstoff-Partialdruck im Umgebungsgas. Mit einer Nernst-Zelle kann das Verhältnis des Sauerstoff- Partialdrucks in im Hohlraum zum Sauerstoff-Partialdruck in einem weiteren Referenzgasraum über die sich ausbildende Nernstspannung bestimmt werden
Die elektrochemische Einheit eines derartigen Sensors kann als Regelstrecke in einem Regelkreis betrachtet werden. Die Steuergröße dieses Regelkreises ist die Spannung am Pumpelektrodenpaar. Die Regelgröße ist die Nernstspannung, die gemessen wird. Ziel der Regelung ist, trotz Änderungen des Sauerstoffgehalts im Abgas, den Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum möglichst nah an einem spezifizierten bzw. vorgegebenen Wert zu halten. Zum Messen des
Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum bzw. des Verhältnisses des
Sauerstoffpartialdrucks im Hohlraum zum Partialdruck in der Referenzzelle dient die Nernstspannung. Über die angelegte Spannung an das Pumpelektrodenpaar kann der Sauerstoffpartialdruck im Hohlraum gesteuert werden. Dadurch, dass der Sauerstoff in den Hohlraum hineintransportiert oder aus diesem entfernt wird, was auch als Pumpen bezeichnet wird, kann die Gaskonzentration über die angelegte Pumpspannung aktiv beeinflusst werden. Alle Elektroden in dem Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter. Um auch negative Spannungen darstellen zu können, liegt diese virtuelle Masse auf einem erhöhten Potenzial zur elektrischen Masse. Auf diese Spannung werden die Nernstspannung oder die Spannung an der äußeren Pumpelektrode bezogen.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch
Verbesserungspotenzial. So wird bei Breitband-Lambdasonden und
Stickoxidsensoren ein Pumpstromsignal ausgewertet, das im statischen Betrieb linear zur vorliegenden Sauerstoffkonzentration ist. Bei schnellen Fett-Mager- Wechseln, wie sie im Benzinmotor vorkommen, oder bei Dieselanwendungen mit NSC- Katalysator ist eine genaue Auswertung des Sauerstoffsignals erforderlich. Durch elektrochemische Umladungseffekte im Sensorelement kann der
Pumpstrom bei dem Durchgang Fett-Mager oder Mager-Fett durch eine
Welligkeit im Signal verfälscht werden, was als sogenannte Lambda=l-Welligkeit bekannt ist. Bei manchen Sensortypen ist die Lambda=l-Welligkeit so stark, dass eine Auswertung des Sauerstoffsignals für die oben genannten
Applikationen nicht möglich ist.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere durch eine verbesserte Signalauswertung die Lambda=l-Welligkeit entfernt oder so deutlich reduziert wird, dass das korrigierte Signal annähernd dem real vorliegenden Sauerstoffgehalt insbesondere im Bereich um Lambda = 1 entspricht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem
Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine dritte Elektrode und eine Festelektrode aufweist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode derart mit dem Festelektrolyten verbunden sind, dass die erste
Elektrode, die zweite Elektrode und der Festelektrolyt eine Pumpzelle bilden, wobei die dritte Elektrode und die vierte Elektrode derart mit dem
Festelektrolyten verbunden sind, dass die dritte Elektrode, die vierte Elektrode und der Festelektrolyt eine Nernstzelle bilden, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle geregelt wird, wobei zur Regelung der Nernstspannung mindestens eine Messgröße erfasst wird, wobei weiterhin eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus der Messgröße und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigierte Messgröße bestimmt wird, wobei aus der korrigierten Messgröße die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Pumpstrom und einer an die Pumpzelle angelegten Spannung.
Die Kompensationsgröße kann zumindest teilweise abhängig von einer zeitlichen Änderung des Pumpstroms und der an die Pumpzelle angelegten Spannung sein. Zur Bestimmung der Kompensationsgröße kann ein Strom-Äquivalent der an die Pumpzelle angelegten Spannung gebildet werden. Das Strom-Äquivalent kann basierend auf einer Impedanz der Pumpzelle gebildet werden. Die
Impedanz der Pumpzelle kann basierend auf der an die Pumpzelle angelegten Spannung und dem Pumpstrom bestimmt werden. Die Impedanz der Pumpzelle kann mittels eines Adaptionsalgorithmus bestimmt werden. Zur Bestimmung der Kompensationsgröße kann ein sich zeitlich ändernden Anteil der an die
Pumpzelle angelegten Spannung und ein sich zeitlich ändernden Anteil des Pumpstroms ermittelt werden. Der sich zeitlich ändernden Anteil der an die Pumpzelle angelegten Spannung kann mittels Hochpassfilterung, insbesondere mittels zeitlicher Differenzierung oder einer anderen Art von Hochpassfilterung, des Strom-Äquivalents der an die Pumpzelle angelegten Spannung ermittelt werden und der sich zeitlich ändernden Anteil des Pumpstroms mittels
Hochpassfilterung, insbesondere mittels zeitlicher Differenzierung oder einer anderen Art von Hochpassfilterung, des Pumpstroms ermittelt werden. Zur Bestimmung der Kompensationsgröße kann ein Differenzsignal zwischen dem sich zeitlich ändernden Anteil des Pumpstroms und dem sich zeitlich ändernden
Anteil der an die Pumpzelle angelegten Spannung gebildet werden. Die Kompensationsgröße kann basierend auf einer Tiefpassfilterung des
Differenzsignals bestimmt werden. Die korrigierte Messgröße kann durch Subtraktion der Kompensationsgröße von der Messgröße bestimmt werden. Mit anderen Worten kann die korrigierte Messgröße bestimmt werden, indem die Kompensationsgröße von der Messgröße subtrahiert wird.
Es wird zudem ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist.
Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein elektronisches Steuergerät, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.
Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine dritte Elektrode und eine Festelektrode aufweist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode derart mit dem Festelektrolyten verbunden sind, dass die erste Elektrode, die zweite Elektrode und der Festelektrolyt eine Pumpzelle bilden, wobei die dritte Elektrode und die vierte Elektrode derart mit dem Festelektrolyten verbunden sind, dass die dritte Elektrode, die vierte Elektrode und der Festelektrolyt eine Nernstzelle bilden, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät mit dem erfindungsgemäßen Computerprogramm zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.
Unter einem Festelektrolyten ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften, zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Braunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird.
Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sei. Unter einer Schicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall- Keramik- Elektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre
Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und die ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise von 700 °C bis 950 °C sein. Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der
Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platin-Cermet hergestellt sein.
Unter einem Regelkreis ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein in sich geschlossener Wirkungsablauf für die Beeinflussung einer physikalischen Größe in einem technischen Prozess zu verstehen. Wesentlich hierbei ist die
Rückführung des aktuellen Wertes, der auch als Ist-Wert bezeichnet wird, an das
Regelgerät, das einer Abweichung vom Soll-Wert kontinuierlich entgegenwirkt. Der Regelkreis besteht aus der Regelstrecke, dem Regelgerät und einer negativen Rückkopplung des Ist-Werts als Regelgröße. Die Regelgröße wird mit dem Soll-Wert als Führungsgröße verglichen. Die Regelabweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert wird dem Regelgerät zugeführt, das daraus entsprechend der gewünschten Dynamik des Regelkreises eine Steuergröße für die Regelstrecke bildet. Unter der Regelstrecke ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung derjenige Teil des Regelkreises zu verstehen, der die Regelgröße enthält, auf die das Regelgerät über die Steuer- oder Stellgröße wirken soll. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die elektrochemische Einheit des
Sensors die Regelstrecke.
Unter einer Messgröße ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige physikalische und/oder chemische Größe und ein diese Größe(n) äquivalent anzeigendes Signal, d.h. ein äquivalentes Signal, zu verstehen.
Bevorzugt handelt es sich bei der Messgröße um mindestens ein Messsignal des Sensorelements. Bevorzugt kann es sich bei der Messgröße um mindestens einen Pumpstrom, beispielsweise einen Grenzstrom, handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Messgröße um eine von dem Pumpstrom abhängige Größe handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Messgröße um eine
Pumpspannung und/oder um eine umgesetzte Ladung handeln. Unter dem Ausdruck„erfasst werden" in diesem Zusammenhang ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass die Messgröße beispielsweise als Messsignal von dem Sensorelement ausgegeben wird und/oder die Messgröße von einem Steuergerät verarbeitet und/oder ausgewertet und/oder gespeichert wird. Unter einer Kompensationsgröße ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige chemische und/oder physikalische Größe und ein diese Größe(n) äquivalent anzeigendes Signal, d.h. ein äquivalentes Signal, zu verstehen. Bevorzugt kann die Kompensationsgröße die gleiche physikalische und/oder chemische Größe umfassen wie die Messgröße. Bevorzugt kann es sich bei der Kompensationsgröße um eine Pumpstromabweichung handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Kompensationsgröße um mindestens einen Umladestrom und/oder mindestens eine Elektrodenladung handeln. Die
Kompensationsgröße ist zumindest teilweise abhängig von einem Pumpstrom und einer an die Pumpzelle angelegten Spannung. Insbesondere ist die
Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig von einer zeitlichen
Änderung des Pumpstroms und der an die Pumpzelle angelegten Spannung. Beispielsweise kann es sich bei der Kompensationsgröße um einen Maßstab für eine Verfälschung der Messgröße bedingt durch elektrochemische
Umladungseffekte bei einem Lambda=l-Durchgang an den Elektroden der Pumpzelle handeln.
Aus der Messgröße und der Kompensationsgröße wird mindestens eine korrigierte Messgröße bestimmt. Bei der korrigierten Messgröße kann es sich prinzipiell um eine beliebige chemische und/oder physikalische Größe und ein diese Größe(n) äquivalent anzeigendes Signal, d.h. ein äquivalentes Signal, handeln. Bevorzugt kann es sich bei der korrigierten Messgröße um die gleiche physikalische und/oder chemische Größe und/oder die Kompensationsgröße handeln. Bei der korrigierten Messgröße kann es sich insbesondere um eine
Größe handeln, welche von Störeffekten bereinigt ist. Der Anteil des Gases in dem Messgasraum kann bevorzugt aus der korrigierten Messgröße genauer bestimmt werden als aus der Messgröße. Bei der Bestimmung der korrigierten Messgröße aus der Messgröße und der Kompensationsgröße kann es sich beispielsweise um eine Berechnung und/oder um eine Zuordnung handeln.
Entsprechend kann der Anteil des Messgases in dem Messgasraum aus der korrigierten Messgröße beispielsweise durch Berechnung und/oder durch Zuordnung bestimmt werden. Beispielsweise kann bei der Bestimmung des Anteils des Messgases in dem Messgasraum aus der korrigierten Messgröße mindestens eine Kennlinie verwendet werden. Bei der Kennlinie kann es sich beispielsweise um eine Zuordnung der korrigierten Messgröße zu einem Anteil des Messgases handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Kennlinie um eine Zuordnung zwischen einem korrigierten Pumpstrom und einem Anteil an
Sauerstoff in dem Messgas, beispielsweise einem Sauerstoffpartialdruck, handeln.
Die Messgröße kann mindestens einen Pumpstrom umfassen. Beispielsweise kann es sich bei dem Pumpstrom um die gesamte über die Pumpzelle
umgesetzte Ladung pro Zeit handeln. Beispielsweise kann die Messgröße der Pumpstrom direkt oder ein den Pumpstrom anzeigendes Signal sein.
Beispielsweise kann es sich bei dem Pumpstrom auch um eine Messgröße handeln, welche von dem Pumpstrom abhängt. Beispielsweise kann die
Messgröße eine von dem Pumpstrom abhängige Größe sein. Beispielsweise kann die Messgröße zumindest den Pumpstrom umfassen. Die
Kompensationsgröße kann mindestens einen Umladestrom umfassen. Bei dem Umladestrom kann es sich um Ströme handeln, welche durch Ladeprozesse und/oder Entladeprozesse, beispielsweise bei Änderung des Anteils des
Messgases in dem Messgasraum, auftreten können. Bei dem Umladestrom kann es sich um Ströme handeln, welche bei einem Lambda=l-Durchgang auftreten können. Die durch Umladung erzeugte Ladungsmenge bildet sich dann üblicherweise nicht in der Spannung des Reglers ab, denn die Quelle ist die wechselnde Nernstspannung an den Elektroden der Pumpzelle im
Sensorelement. Die Ausgansspannung des Reglers ist bei einem Lambda=l- Durchgang nicht gestört, da diese zeitlich dem Lambda=l-Durchgang
hinterherläuft.
Die Messgröße, Kompensationsgröße und korrigierte Messgröße müssen entsprechend den vorherigen Ausführungen nicht als absolute Größen vorliegen. Die vorliegende Erfindung erlaubt explizit alternativ oder zusätzlich eine Korrektur der Messgröße bzw. Kompensation der Umladung auf Ebene der
Signalverarbeitung, so dass es sich bei der Messgröße, Kompensationsgröße und korrigierte Messgröße entsprechend um diese charakterisierende Signale handeln kann.
Unter einer Impedanz der Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht der Ohmsche Widerstand der Pumpzelle, sondern ein
sensorelementspezifischer Zusammenhang zwischen Pumpspannung une einem Strom-Äquivalent der Pumpspannung zu verstehen, der unter anderem frequenzabhängig ist. Unter bestimmten Betriebsbedingungen ist das Strom- Äquivalent der Pumpspannung gleich der Pumpspannung (z.B. bei geringer zeitlicher Änderung der 02-Konzentration im Abgas). Im hier Betrachteten DC- Fall (Grenzstrombetrieb), ist der Impedanzwert von der Sauerstoffkonzentration im Abgas aber auch von weiteren Abgasbedingungen, wie zum Beispiel der Gasgeschwindigkeit abhängig. Die Impedanz beschreibt im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere das Verhältnis von Strom-Äquivalent der Pumpspannung und Pumpspannung. Die Impedanz der Pumpzelle kann allgemein als komplexer Zahlenwert definiert werden. Die Impedanz der
Pumpzelle kann somit auch frequenzabgängig sein. Im Rahmen der
vorliegenden Erfindung kann die Impedanz der Pumpzelle mit Hilfe eines Adaptionsalgorithmus aus den Kombinationen der Spannung an der Pumpzelle und dem Pumpstrom bestimmt werden. Die Impedanz der Pumpzelle kann als Funktion der an der Pumpzelle anliegenden Spannung (oder alternativ al
Funktion des Pumpstroms) bestimmt werden.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Signal generiert, das den sich ändernden Anteil der an die Pumpzelle angelegten Spannungen und Ströme widergibt. Dies kann zum Beispiel durch eine zeitliche Differenzierung oder eine andere Art der Hochpassfilterung erfolgen. Allgemein wird hier eine Hochpassfilterung durchgeführt. Unter einem Hochpass ist im Rahmend er vorliegenden Erfindung ein Filter zu verstehen, der hochfrequente Signalanteile oberhalb seiner Grenzfrequenz durchlässt, während
niederfrequente Signalanteile gedämpft werden. Konstante oder nur langsam ändernde Signalkomponenten können so entfernt werden. Durch eine Filterung kann auch die Phase des Signals verändert werden. Zum Beispiel hat ein Differenzierer eine Phase von 90° (linearphasig). Hochpassfilter können im Rahmen der vorliegenden Erfindung als rekursive Filter oder nichtrekursive Filter realisiert werden. Sie können eine finite oder eine infinite Impulsantwort haben.
Bei einer Lambda-1 Welligkeit zeigen das Pumpstromsignal und die Spannung an der Pumpzelle einen unterschiedlichen Verlauf. Die Information über ein Auseinanderlaufen der Spannungen und Ströme, die an die Pumpzelle angelegt werden, steckt in der Differenz der Änderungssignale der Spannung und des Stromes, die an die Pumpzelle angelegt werden. Dieses Differenzsignal ist auch ein Maß für die Verschiebung von Ladungen bei der Umladung der elektrochemischen Zellen. Eine Umladung der elektrochemischen Zelle bewirkt, eine Änderung im Strom, ohne eine Änderung der an der Pumpzelle angelegten Spannung. Durch die Änderung der Nernstspannung an den Elektroden der Pumpzelle wird ein Umladungsstrom erzeugt. Dieser Umladungsstrom wird dem eigentlichen Signal aus dem Grenzstrom- Betrieb überlagert. Im Differenzsignal wird dann nur die Änderung des Umladungsstroms abgebildet.
Das Differenzsignal der Stromänderungen wird über ein Zeitintervall
aufsummiert, während dieses Summensignal graduell wieder reduziert wird. Dadurch erhält man ein dem Umladungssstrom äquivalentes Signal, das
Umladungs-Kompensationssignal. Hierzu kann das Differenzsignal mit einem Tiefpass gefiltert werden. Unter einem Tiefpass ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Filter zu verstehen, der niederfrequente Signalanteile unterhalb seiner Grenzfrequenz durchlässt, während hochfrequente Signalanteile gedämpft werden. Aufgabe des Tiefpassfilters ist, den Verlauf des Signals des
Differenzsignals über das Zeitintervall der Störung zu summieren. Ist das
Differenzsignal klein, wird das Kompensationsstromsignal gegen Null gehen. Eine einfache Tierfpass-Umsetzung kann zum Beispiel mit einem Leaky- Integrator erreicht werden. In einer alternativen Umsetzung können die
Eigenschaften des Tiefpasses in Abhängigkeit von der Größe des
Eingangssignals geändert werden.
In einem abschließenden Schritt wird das Umladungs-Kompensationssignal vom gemessenen Pumpstromsignal subtrahiert bzw. abgezogen. Aus dem
korrigierten Pumpstromsignal kann nun ein Signal abgeleitet werden, das die
Konzentrationen und zeitlichen Änderungen des Sauerstoffgehalts des
Umgebungsgases wiedergibt. In nachfolgenden Schritten kann mit Hilfe von Kennfeldern aus dem korrigierten Pumpstromsignal ein kalibriertes Sauerstoff- Signal abgeleitet werden.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, durch eine verbesserte Signalauswertung die Lambda=l-Welligkeit zu entfernen oder stark zu reduzieren. Die elektrochemische Ursache der Signalstörung, eine Umladung der aktiven Elektroden, wird durch zusätzliche Auswertung von elektrischen Größen zumindest näherungsweise korrigiert. Die Lambda-l-Welligkeit beim Mager/Fett- (Fett/Mager-) -Gaswechsel kann in einem Verarbeitungsschritt im Mikrocontroller mit Hilfe der gemessenen Signale des Pumpstroms und der Pumpspannung näherungsweise kompensiert werden. Bei einem Gaswechsel treten an den Elektroden Spannungen und Ströme auf, die zu einer Ladungsverschiebung führen. Eine Änderung der Nernstspannung, also der Regelgröße, tritt verzögert auf. Der hiermit verbundene Stromfluss erscheint als Lambda-l-Welligkeit im Sauerstoffsignal.
In dem Nachverarbeitungsschritt im Mikrocontroller kann aus der zeitlichen Änderung der Pumpspannungs- und Pumpstromsignale ein Signal bestimmt werden, das der Ladungsverschiebung entspricht. Hiermit kann die Störung, also die Lambda-l-Welligkeit, kompensiert werden. Über den charakteristischen Widerstand der Pumpzelle bzw. deren Impedanz kann ein Zusammenhang zwischen der Spannung an der Pumpzelle und Pumpstrom bestimmt werden. Diese Impedanz kann eine Funktion der an der Pumpzelle anliegenden
Spannung oder des Pumpstroms sein. Dieser charakteristische Widerstand kann für den Fett- und Magerbetrieb mit festen Werten oder durch adaptiv gelernte, für die Sonde spezifische Werte bestimmt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet Uvs eine
Referenzzellenspannung, die die Nernstspannung ist, die sich zwischen der Referenzelektrode im ersten Gashohlraum und der Referenzelektrode ausbildet. Im Regelkreis dient Uvs als Regelgröße.
UP ist die an die Pumpzelle angelegte Spannung. UIP ist der Spannungsabfall am Messwiderstand Rshunt der Pumpzelle (UIP = Rshunt * lp lp ist der Pumpstrom, der die Menge der gepumpten Sauerstoffionen bestimmt
Die an die Pumpzelle angelegte Spannung wird als Spannungsdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode und der Bezugsspannung am
gemeinsamen Rückleiter gemessen. Der Spannungsabfall am Messwiderstand der Pumpzelle wird als Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgang der vom 02- Regler gesteuerten Spannungsquelle oder alternativ vom 02- Regler gesteuerten Stromquelle und der Spannung an der äußeren Pumpelektrode gemessen. Der Spannungsabfall UIP am Messwiderstand wird vom Pumpstrom lp bestimmt. Im statischen Fall ist dieser Pumpstrom wiederum proportional zu der zu
messenden Sauerstoffkonzentration im Umgebungsgas. Die Stellgröße der Regelstrecke kann eine Spannung oder ein Strom an der Pumpzelle sein. Hier sind alternative Strukturen möglich, bei denen aber jeweils Pumpstrom I P und Pumpspannung U P gemessen werden können. Bei einer spannungsgeführten Regelung an der äußeren Pumpelektrode ist die Stellgröße entweder die
Spannung an der äußeren Pumpelektrode U P oder die Spannung U RS am
Messwiderstand U RS = UP + Rshunt * Ip, wobei Rshunt der Ohmsche Widerstand des Messwiderstands ist. Bei einer ström geführten Regelung an der äußeren
Pumpelektrode ist die Stellgröße der Strom an der äußeren Pumpelektrode. Bei einer alternativen spannungsgeführten Regelung wird die Spannung an der inneren Pumpelektrode über eine Regelung der Spannung U P an der Äußeren
Pumpelektrode auf einer gemeinsamen Referenzspannung gehalten, Ein
Spannungstreiber an einem Messwiderstand Rshunt zur inneren Pumpelektrode wird mit dem Vs Regler geregelt. Alternativ wird der Stromtreiber am
Messwiderstand zur inneren Pumpelektrode geregelt. Die Regelgröße ist die Nernst-Spannung Uvs, die zwischen der Referenzelektrode und der
Bezugsspannung am gemeinsamen Rückleiter gemessen wird.
Bei der Signalnachverarbeitung im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden grundsätzlich die folgenden Schritte durchgeführt:
1. Normierung der Pumpspannung auf Pumpstrom mit einem Verhältnis
Figure imgf000015_0001
2. zeitliche Änderung von Ip aus_up und IP, die aus einer Differenzierung bzw. einer Hochpassfilterung erfolgt;
3. Differenz von d/dt (lP aus_up) und d/dt (lP)
4. Tiefpassfilterung von (d/dt(lp) - d/dt(lp aus_up)), die einen Korrekturterm ergibt;
5. Kompensation des Fehlers im Messgassignal. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen: Figur 1 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensor,
Figur 2 ein Blockdiagramm der Signalauswertung mit Umladekorrektur bei dem Sensor,
Figur 3 ein Blockdiagramm einer Signalbearbeitung bei der Umladekorrektur,
Figur 4 einen zeitlichen Verlauf eines Pumpstromsignals, eines korrigierten
Pumpstromsignals und eines Störungssignals,
Figur 5 einen Signalverlauf des Sensors mit Störung und kompensierter
Störung und Figur 6 einen zeitlichen Signalverlauf bei dem Sensor.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 10. Der in Figur 1 dargestellte Sensor 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines
Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden.
Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff.
Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des
Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der
Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann, bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas. Der Sensor 10 weist ein Sensorelement 12 auf. Das Sensorelement 12 kann als keramischer Schichtaufbau ausgebildet sein, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Das Sensorelement 12 weist einen Festelektrolyten 14, eine erste Elektrode 16, eine zweite Elektrode 18, eine dritte Elektrode 20 und eine vierte Elektrode 22 auf. Der Festelektrolyt 14 kann aus mehreren keramischen
Schichten in Form von Festelektrolytschichten zusammengesetzt sein oder mehrere Festelektrolytschichten umfassen. Beispielsweise umfasst der
Festelektrolyt 14 eine Pumpfolie oder Pumpschicht, eine Zwischenfolie oder Zwischenschicht und eine Heizfolie bzw. Heizschicht, die übereinander bzw. untereinander angeordnet sind. Die Bezeichnung der Elektroden 16, 18, 20, 22 soll keine Gewichtung ihrer Bedeutung angeben, sondern lediglich ermöglichen, diese begrifflich zu unterscheiden.
Das Sensorelement 12 weist ferner einen Gaszutrittsweg 24 auf. Der
Gaszutrittsweg 24 weist ein Gaszutrittsloch 26 auf, das sich von einer Oberfläche 28 des Festelektrolyten 14 ins Innere des Schichtaufbaus des Sensorelements 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 14 ist ein Elektrodenhohlraum 30 vorgesehen, der das Gaszutrittsloch 26 umgibt, beispielsweise ringförmig oder rechteckig. Der Elektrodenhohlraum 30 ist Teil des Gaszutrittswegs 24 und steht kann über das Gaszutrittsloch 26 mit dem Messgasraum in Verbindung.
Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 26 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 28 des Festelektrolyten 14 in das Innere des Schichtaufbaus des Sensorelements 12. Insbesondere ist der
Elektrodenhohlraum 30 im Wesentlichen ringförmig oder rechteckig ausgebildet und bei einer Betrachtung in einer Querschnittsansicht von drei Seiten von dem Festelektrolyten 14 begrenzt. Zwischen dem Gaszutrittsloch 26 und dem
Elektrodenhohlraum 30 ist ein Kanal 32 angeordnet, welcher ebenfalls
Bestandteil des Gaszutrittswegs 24 ist. In diesem Kanal 32 ist eine
Diffusionsbarriere 34 angeordnet, welche ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 30 vermindert oder sogar verhindert und lediglich eine Diffusion ermöglicht.
Die erste Elektrode 16 ist auf der auf der Oberfläche 28 des Festelektrolyten 14 angeordnet. Die erste 16 Elektrode kann das Gaszutrittsloch 26 ringförmig umgeben und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine nicht näher gezeigte gasdurchlässige Schutzschicht getrennt sein. Die zweite Elektrode 18 zweite Elektrode 18 ist in dem Elektrodenhohlraum 30 angeordnet. Die zweite Elektrode 18 kann ebenfalls ringförmig ausgestaltet sein und
rotationssymmetrisch um das Gaszutrittsloch 26 angeordnet sein. Beispielsweise sind die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 koaxial zu dem
Gaszutrittsloch 26 angeordnet. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode
18 sind derart mit dem Festelektrolyten 14 und insbesondere die Pumpschicht verbunden, insbesondere elektrisch verbunden, dass die erste Elektrode 16, die zweite Elektrode 18 und der Festelektrolyt 14 eine Pumpzelle 36 bilden. Über die Diffusionsbarriere 34 lässt sich ein Grenzstrom der Pumpzelle 36 einstellen. Der Grenzstrom stellt somit einen Stromfluss zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 über den Festelektrolyten 14 dar.
Das Sensorelement 12 weist weiterhin einen Referenzgasraum 38 auf. Der Referenzgasraum 38 kann sich senkrecht zu einer Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 26 in das Innere des Festelektrolyten 14 erstrecken. Wie oben erwähnt, ist das Gaszutrittsloch 26 zylindrisch ausgebildet, so dass die
Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 26 parallel zu einer Zylinderachse des Gaszutrittslochs 26 verläuft. In diesem Fall erstreckt sich der Referenzgasraum 38 senkrecht zu der Zylinderachse des Gaszutrittslochs 26. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass der Referenzgasraum 38 auch in einer gedachten Verlängerung des Gaszutrittslochs 26 und somit weiter im Inneren des Festelektrolyten 14 angeordnet sein kann. Der Referenzgasraum 38 muss nicht als makroskopischer Referenzgasraum ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Referenzgasraum 38 als so genannte gepumpte Referenz ausgeführt sein, das heißt als künstliche Referenz.
Die dritte Elektrode 20 ist ebenfalls in dem Elektrodenhohlraum 30 angeordnet. Beispielsweise liegt die dritte Elektrode 20 der zweiten Elektrode 18 gegenüber. Die vierte Elektrode 22 ist in dem Referenzgasraum 38 angeordnet. Die dritte Elektrode 20 und die vierte Elektrode 22 sind derart mit Festelektrolyten 14 verbunden, dass die dritte Elektrode 20, die vierte Elektrode 22 und derjenige Teil des Festelektrolyten 14 zwischen der dritten Elektrode 22 und der vierten Elektrode 22 eine Nernstzelle 40 bilden. Mittels der Pumpzelle 36 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 36 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 30 die Bedingung λ (Lambda)= 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 40 erfasst, indem eine Nernstspannung Uvs zwischen der dritten Elektrode 20 und der vierten Elektrode 22 gemessen wird. Da in dem Referenzgasraum 38 eine bekannte Gaszusammensetzung vorliegt bzw. diese einem Sauerstoffüberschuss ausgesetzt ist, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem Elektrodenhohlraum
30 geschlossen werden.
In der Verlängerung der Erstreckungsrichtung des Gaszutrittslochs 26 ist ein Heizelement 42 in dem Schichtaufbau des Sensorelements 12 angeordnet. Das Heizelement 42 weist einen Heizbereich 44 und elektrische Zuleitungsbahnen 46 auf. Der Heizbereich 44 ist beispielsweise mäanderförmig ausgebildet. Das Heizelement 42 ist in dem Festelektrolyten 14 zwischen der Zwischenschicht und der Heizschicht angeordnet. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass das
Heizelement 42 beidseitig von einer dünnen Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, umgeben ist, auch wenn dies in den Figuren nicht näher dargestellt ist. Mit anderen Worten ist zwischen der Zwischenschicht und dem Heizelement 42 sowie zwischen dem Heizelement 42 und der Heizschicht die dünne Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material angeordnet. Da eine derartige Schicht beispielsweise aus dem oben genannten Stand der Technik bekannt ist, wird diese nicht näher beschrieben. Für weitere Details bezüglich der Schicht aus dem elektrisch isolierenden Material wird daher auf den oben genannten Stand der Technik, verwiesen, dessen Inhalt betreffend die Schicht aus dem elektrischen Material durch Verweis hierin eingeschlossen ist.
Figur 2 zeigt ein Blockdiagramm der Signalauswertung mit Umladekorrektur bei dem Sensor 10. Wie in Figur 2 gezeigt ist, weist der Sensor 10 ein elektronisches Steuergerät 48 auf. Das elektronische Steuergerät 48 weist ein Regelgerät 50 zum Regeln einer Nernstspannung Uvs der Nernstzelle 40 auf. Zwischen dem Regelgerät 50 und der ersten Elektrode 16 ist ein Messwiderstand 52
angeordnet. Des Weiteren ist optional eine RC-Brücke 54 (Reihenschaltung aus Widerstand und Kondensator) zwischen der ersten Elektrode 16 und der dritten Elektrode 20 angeordnet. Des Weiteren weist das elektronische Steuergerät 48 eine Signalnachverarbeitungseinheit 56 und eine Datenschnittstelle 58 auf. Wie in Figur 2 dargestellt und anhand der schematisch dargestellten Signalverläufe erkennbar, ist eine Stellgröße des elektronischen Steuergeräts 48 eine der Pumpzelle 36 zugeführte Spannung U RS. Die Regelgröße ist die Nernstspannung Uvs. Basierend auf der der Pumpzelle 36 zugeführten Spannung U Rs und einer an die Pumpzelle 36 angelegten Spannung UP ist ein Spannungsabfall UIP über den Messwidertand 52 von dem Regelgerät 50 ermittelbar. So ist der
Spannungsabfall UIP über den Messwiderstand 52 die Differenz aus der
Stellgröße U RS und der an die Pumpzelle angelegten Spannung Up. Auf diese Weise kann darüber hinaus der von der Sauerstoffkonzentration abhängige Strom lo2, der in die Pumpzelle 36 hineinfließt oder aus dieser herausfließt, aus dem Spannungsabfall UIP über den Messwiderstand 52 bestimmt werden, da der Messwiderstand 52 zwischen einem Ausgang des Regelgeräts 50 und der ersten
Elektrode 16 angeordnet ist. Anhand der Signalverläufe ist die Besonderheit der vorliegenden Erfindung zu erkennen. So wird nicht nur der Spannungsabfall U IP über den Messwiderstand 52 der Signalnachverarbeitungseinheit 56 zugeführt, sondern auch die an die Pumpzelle 36 angelegte Spannung Up. Anhand der an die Pumpzelle 36 angelegten Spannung U P und des Signals aus der
Nachverarbeitungseinheit 56 wird der Datenschnittstelle 58 ein Signal zugeführt, das den Sauerstoffgehalt anzeigt.
Figur 3 zeigt schematisch eine Signalverarbeitung der Umladungskorrektur in der Signalnachverarbeitungseinheit 56. Die Signalnachverarbeitungseinheit 56 ein ersten Eingangssignal in Form des Spannungsabfalls U IP am Messwiderstand 52, der abhängig ist vom Pumpstrom IP, und ein zweites Eingangssignal in Form der an die Pumpzelle 36 angelegten Spannung Up. Zusätzlich kann als
Eingangssignal eine Spannung zwischen äußerer Pumpelektrode und innerer Pumpelektrode verwendet werden.
Der Pumpstrom IP kann ausgedrückt werden:
Ip =—— , wobei
R Shunt
Rshunt t^ der Widerstand des Messwiderstands 52 an der ersten Elektrode 16 oder der zweiten Elektrode 18 ist. Der Spannungsabfall UIP ist proportional zum Pumpstrom Ip. Zur Bestimmung der Kompensationsgröße wird ein Strom- Äquivalent IUP der an die Pumpzelle 36 angelegten Spannung U P gebildet. Das Strom-Äquivalent IUP wird basierend auf einer Impedanz ZP der Pumpzelle 36 gebildet. Die Impedanz ZP der Pumpzelle 36 wird basierend auf der an die Pumpzelle 36 angelegten Spannung U P und dem Pumpstrom IP bestimmt, beispielsweise in der Form:
Figure imgf000021_0001
Die Impedanz ZP der Pumpzelle 36 beschreibt das Verhältnis von
Äquivalent der Pumpspannung und Pumpspannung in der Form:
ZP(j2nf, UP ) ~
P Grenzstrom
Die Impedanz ZP der Pumpzelle 36 kann allgemein als komplexer Zahlenwert definiert werden. Die Impedanz ZP der Pumpzelle 36 kann somit auch
frequenzabgängig sein. Die Impedanz ZP der Pumpzelle 36 wird mittels eines Adaptionsalgorithmus bestimmt.
Das so aus UIP umgewandelte Signal wird einem Hochpassfilter 60 zugeführt und das aus UP umgewandelte Signal wird einem Hochpassfilter 62 zugeführt. Ein sich zeitlich ändernden Anteil dUp der an die Pumpzelle 36 angelegten
Spannung U P und ein sich zeitlich ändernden Anteil dlp des Pumpstroms IP werden in den Hochpassfiltern 60, 62 ermittelt. Der sich zeitlich ändernden Anteil dUp der an die Pumpzelle 36 angelegten Spannung UP kann mittels zeitlicher Differenzierung oder einer anderen Art von Hochpassfileterung des Strom- Äquivalents IUP der an die Pumpzelle 36 angelegten Spannung U P ermittelt werden und der sich zeitlich ändernden Anteil dlp des Pumpstroms IP kann mittels zeitlicher Differenzierung oder einer anderen Art von Hochpassfilterung des Pumpstroms IP ermittelt werden.
Nachfolgend wird ein Differenzsignal DI02 zwischen dem sich zeitlich ändernden Anteil dlp des Pumpstroms IP und dem sich zeitlich ändernden Anteil dUp der an die Pumpzelle 36 angelegten Spannung U P gebildet wird, beispielsweise in der Form:
DI 02 dl Pl dl UPl Dieses Differenzsignal DI02 ist auch ein Maß für die Verschiebung von Ladungen bei der Umladung der elektrochemischen Zellen. Eine Umladung der
elektrochemischen Zelle bewirkt eine Änderung im Strom, ohne eine Änderung der an der Pumpzelle 36 angelegten Spannung Up. Durch die Änderung der Nernstspannung an den Elektroden 16, 18 der Pumpzelle wird ein
Umladungsstrom erzeugt. Dieser Umladungsstrom wird dem eigentlichen Signal aus dem Grenzstrom-Betrieb überlagert. Im Differenzsignal DI02 wird dann nur die Änderung des Umladungsstroms abgebildet.
Die Kompensationsgröße wird mittels einer Tiefpassfilterung des Differenzsignals DI02 bestimmt. Hierzu kann das Differenzsignal DI02 mit einem Tiefpassfilter 64 gefiltert werden. Der Tiefpassfilter 64 stellt eine Komponente dar, die die
Eingangssignale aufsummiert, aber das in ihren inneren Zuständen enthaltene Signal graduell über die Zeit wieder reduziert. Am Ausgang des Tiefpassfilters 64 ist das Umladungs-Kompensationsstromsignal omp- Aufgabe des
Tiefpassfilters 64 ist, den Verlauf des Differenzsignals DI02 über das Zeitintervall der Störung zu summieren. Ist das Differenzsignal DI02 klein, wird das
Kompensationsstromsignal omp gegen Null.
Die korrigierte Messgröße wird schließlich durch Subtraktion der
Kompensationsgröße von der Messgröße bestimmt. So wird insbesondre das Umladungs-Kompensationssignal komp vom gemessenen Pumpstromsignal IP abgezogen, beispielsweise in der Form:
I P 02 ~ I P ~ I Komp
Aus dem korrigierten Pumpstromsignal IP O2 kann nun ein Signal abgeleitet werden, das die Konzentrationen und zeitlichen Änderungen des
Sauerstoffgehalts des Messgases wiedergibt. Nachfolgend kann mit Hilfe von mindestens einem Kennfeld 65 aus dem korrigierten Pumpstromsignal I P O2 ein kalibriertes Sauerstoff-Signal als korrigierte Messgöße abgeleitet werden.
Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren gilt grundsätzlich, dass der Pumpstrom der Pumpzelle und die an die Pumpzelle angelegte Spannung zueinander bezogen werden müssen. Die weiteren Rechenschritte müssen nicht notwendigerweise in äquivalenten Strömen erfolgen. Die Division der
Spannungen durch die Impedanzen können vermieden werden. Alternativ kann mit deren Kehrwerten oder anderen äquivalenten Faktoren multipliziert werden.
Figur 4 zeigt zeitliche Verläufe eines Pumpstromsignals eines korrigierten Pumpstromsignals lp o2 und der Störung Q. Diese Störung Q soll durch das Kompensationssignal komp möglichst angenähert werden). Auf den X-Achsen 66 ist jeweils die Zeit aufgetragen. Bei der oberen Darstellung ist auf der Y-Achse 68 der Pumpstrom IP bzw. der korrigierte Pumpstrom I p korr als korrigierte Messgröße aufgetragen. Bei der unteren Darstellung ist auf der Y-Achse 68 die Störung Q aufgetragen. Die Kurve 70 gibt das Pumpstromsignal ohne Umladekorrektur an. Wie zu erkennen, weist dies bei einem Lambda=l-Durchgang mindestens einen deutlich erkennbaren Peak 72 auf. Eine Kurve 74 gibt das korrigierte
Pumpstromsignal an. Dabei ist kein Peak 72 mehr vorhanden.
Die Kurve 76 gibt die Störung Q an. Zu erkennen ist der auf diese Weise ermittelte Peak 72, der zur Korrektur von dem Pumpstromsignal IP subtrahiert wird. Entsprechend ergibt sich die Kurve 74, da der Peak 72 subtrahiert ist. Der Umladestrom ist entsprechend die Änderung der Störung Q mit der Zeit, d. h. Q dt.
Figur 5 zeigt Signalverläufe bei dem Sensor 10. Auf der X-Achse 78 ist die Zeit aufgetragen. Auf der linken Y-Achse 80 ist der Pumpstrom IP aufgetragen. Auf der rechten Y-Achse 82 ist die Pumpspannung U P aufgetragen. Die Kurve 84 gibt einen idealen Verlauf des Pumpstromsignals IP an. Die Kurve 86 gibt das Pumpstromsignal IP ohne Korrektur an und weist ähnlich wie oben beschrieben einen deutlich erkennbaren Peak 72 auf. Die Kurve 88 gibt den zeitlichen Verlauf der Pumpspannung U P an. Die Kurve 90 gibt das korrigierte Pumpstromsignal IP korr an. Zu erkennen ist, dass die Kurve 90, der Kurve 84 aufgrund der
Korrektur bzw. der Kompensation der Störung Q deutlich angenähert ist.
Figur 6 zeigt zeitliche Verläufe der Signale an dem Sensor 10. Auf der X-Achse 92 ist die Zeit aufgetragen und auf der Y-Achse 94 ist das den Sauerstoffgehalt in Prozent anzeigende Signal. Die Kurve 96 gibt wieder den idealen Signalverlauf wieder. Die Kurve 98 gibt wiederum das aus dem Pumpstrom IP ermittelte und den Sauerstoffgehalt ohne Korrektur anzeigende Signal an, das einen deutlich erkennbaren Peak 100 aufweist. Die Kurve 102 gibt das den Sauerstoffgehalt anzeigende Signal mit einer Kompensation der Umladung an. Deutlich erkennbar ist eine Annäherung der Kurve 102 an die Kurve 96. Weiter optimiert werden kann die Umladungskompensation mit einer Adaption der charakteristischen Impedanz ZP der Pumpzelle 36 in der oben beschriebenen Weise. Dies ist anhand der Kurve 104 gezeigt, die fast mit der Kurve 96 zusammenfällt.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (10) zur Erfassung mindestens einer
Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorelement (12) zur
Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (12) einen Festelektrolyten (14), eine erste Elektrode (16), eine zweite Elektrode
(18), eine dritte Elektrode (20) und eine Festelektrode (22) aufweist, wobei die erste Elektrode (16) und die zweite Elektrode (18) derart mit dem
Festelektrolyten (14) verbunden sind, dass die erste Elektrode (16), die zweite Elektrode (18) und der Festelektrolyt (14) eine Pumpzelle (36) bilden, wobei die dritte Elektrode (20) und die vierte Elektrode (22) derart mit dem
Festelektrolyten (14) verbunden sind, dass die dritte Elektrode (20), die vierte Elektrode (22) und der Festelektrolyt (14) eine Nernstzelle (40) bilden, wobei eine Nernstspannung (Uvs) der Nernstzelle (40) geregelt wird, wobei zur Regelung der Nernstspannung (Uvs) mindestens eine Messgröße erfasst wird, wobei weiterhin eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus der Messgröße und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigierte Messgröße bestimmt wird, wobei aus der korrigierten Messgröße die
Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Pumpstrom (lp) und einer an die Pumpzelle (36) angelegten Spannung (UP) .
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einer zeitlichen Änderung des Pumpstroms (IP) und der an die Pumpzelle (36) angelegten Spannung (UP) .
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur
Bestimmung der Kompensationsgröße ein Strom-Äquivalent (IUP) der an die Pumpzelle (36) angelegten Spannung (UP) gebildet wird.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Strom-Äquivalent (IUP) basierend auf einer Impedanz (ZP) der Pumpzelle (36) gebildet wird.
5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Impedanz (ZP) der Pumpzelle (36) basierend auf der an die Pumpzelle (36) angelegten
Spannung (UP) und dem Pumpstrom (IP) bestimmt wird.
6. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Impedanz (ZP) mittels eines Adaptionsalgorithmus bestimmt wird.
7. Verfahren nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei ein sich zeitlich ändernden Anteil (dUp) der an die Pumpzelle (36) angelegten
Spannung (UP) und ein sich zeitlich ändernden Anteil (dlp) des Pumpstroms (IP) ermittelt wird.
8. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der sich zeitlich
ändernden Anteil (dUp) der an die Pumpzelle (36) angelegten Spannung (U P) mittels Hochpassfilterung des Strom-Äquivalents (IUP) der an die Pumpzelle (36) angelegten Spannung (U P) ermittelt wird und der sich zeitlich ändernden Anteil (dlp) des Pumpstroms (IP) mittels Hochpassfilterung des Pumpstroms (IP) ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Differenzsignal (DI02) zwischen dem sich zeitlich ändernden Anteil (dlp) des Pumpstroms (IP) und dem sich zeitlich ändernden Anteil (dUp) der an die Pumpzelle (36) angelegten Spannung (UP) gebildet wird.
10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Kompensationsgröße Tiefpassfilterung des Differenzsignals (DI02) bestimmt wird.
11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die korrigierte
Messgröße durch Subtraktion der Kompensationsgröße von der Messgröße bestimmt wird.
12. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
13. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
14. Elektronisches Steuergerät (48), welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.
15. Sensor (10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorelement (12) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (12) einen Festelektrolyten (14), eine erste Elektrode (16), eine zweite Elektrode (18), eine dritte Elektrode (20) und eine Festelektrode (22) aufweist, wobei die erste Elektrode (16) und die zweite Elektrode (18) derart mit dem Festelektrolyten (14) verbunden sind, dass die erste Elektrode (16), die zweite Elektrode (18) und der Festelektrolyt (14) eine Pumpzelle (36) bilden, wobei die dritte Elektrode (20) und die vierte Elektrode (22) derart mit dem Festelektrolyten (14) verbunden sind, dass die dritte Elektrode (20), die vierte Elektrode (22) und der Festelektrolyt (14) eine Nernstzelle (40) bilden, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät (48) nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.
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