WO2020011652A1

WO2020011652A1 - Verfahren zum betreiben eines auf festelektrolyten basierenden elektrochemischen sensors

Info

Publication number: WO2020011652A1
Application number: PCT/EP2019/068055
Authority: WO
Inventors: Bernhard Ledermann; Martin Elmer
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2018-07-12
Filing date: 2019-07-04
Publication date: 2020-01-16
Also published as: DE102018211599A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) 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 (100) umfasst ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement (10) weist einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) auf, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels einer Stromquelle (60) ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom ermittelt wird, wobei weiterhin mittels einer Signalverarbeitung eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigiertes Messsignal bestimmt wird, wobei aus dem korrigierten Messsignal die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Ist-Wert (Y_i) des Pumpstroms und einem der Stromquelle (60) zugeführten Soll-Wert (X_i) für den Pumpstrom, wobei zumindest der Ist-Wert (Y_i) des Pumpstroms diskontinuierlich gemessen wird.

Description

Beschreibung

Titel

VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES AUF FESTELEKTROLYTEN BASIERENDEN ELEKTROCHEMISCHEN SENSORS

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 Sensoren mit keramischen Sensorelementen 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 Festei ektrolyte handeln, wie beispielsweise

Zirkoniumdioxid (Zr0₂), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an

Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder Siliziumoxid (Si0₂) enthalten können. Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, 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 l beschreibt dieses Luft- Kraftstoff- Verhältnis.

Die Breitband-Lambdasonde misst die Sauerstoffkonzentration oder die

Konzentration von Reduktionsmittel in einem Messgas. Für den emissions optimalen Betrieb eines Verbrennungsmotors ist die Information des

Restsauerstoffes im Abgas von hoher Bedeutung. Für den Betrieb einer

Breitband-Lambdasonde wird diese an einen speziell für diesen Zweck erstellten Auswertebaustein (ASIC) eines Steuergeräts angeschlossen. Die Hauptaufgabe des ASICs ist es, die Nernstspannung, gemessen zwischen der

Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode, auf einen gewissen Zielwert, meistens 450 mV, einzuregeln. Die Stellgröße mit der die Nernstspannung eingeregelt werden soll, ist der Pumpstrom, der vom ASIC zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode getrieben werden muss. Wenn die Nernstspannung nahe an ihrem Zielwert liegt, ist der dafür nötige Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Eine genaue Bestimmung des Pumpstroms ist daher die unumgängliche Voraussetzung für eine genaue Bestimmung der 02- Konzentration im Abgas.

Die Pumpstromquelle nimmt vom Nernstspannungs- Regler einen digitalen Soll- Pumpstrom Wert entgegen und soll diesen dann durch die Sonde treiben. Eine Stromquelle, die einen kontinuierlichen, einstellbaren Strom treibt, wird auch DAC Stromquelle genannt.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch

Verbesserungspotenzial. Der ASIC misst die Nernstspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode. Der gemessene Wert ist der Haupteingang in einen PID-Regler. Dieser ermittelt mit dem neusten

Nernstspannungswert einen neuen Sollwert für den Pumpstrom. Dieser Sollwert wird an die DAC-Stromquelle übergeben, die daraufhin einen Strom von der äußeren Pumpelektrode zur inneren Pumpelektrode treibt, was der sogenannte Pumpstrom ist. Der tatsächlich geflossene Strom kann an einem Messwiderstand gemessen werden. Wenn der Zusammenhang zwischen digitalem Eingang und physikalischem Ausgang der DAC-Stromquelle alle Genauigkeitsanforderungen erfüllt, ist der digitale Sollwert ausreichend, um den physikalischen fließenden Strom zu bestimmen. Die Genauigkeitsanforderungen an die Messung des Pumpstroms sind sehr hoch und müssen bei verschiedenen Temperaturen, variierenden Versorgungsspannungen und sehr hohen Stückzahlen eingehalten werden. Daher ist solch eine genaue Stromquelle relativ teuer. Alternativ kann der physikalisch fließende Strom mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC = Analog Digitial Converter) und eines Messwiderstandes gemessen werden.

Wenn der Strom nicht mehr basierend auf dem Sollstrom, sondern auf dem gemessenen Strom ermittelt wird, sind die Anforderungen an die DAC- Stromquelle deutlich geringer und diese kann billiger realisiert werden. Um eine vollständige Information über den fließenden Pumpstrom zu haben, ist es notwendig den Pumpstrom kontinuierlich oder mindestens einmal pro Sollwert zu messen. Da der ASIC noch viele andere Messungen machen muss, wie z.B. Messung der Nernstspannung und Pumpspannung, kann daher mit einem einzigen ADC eine kontinuierliche Strommessung oft nicht realisiert werden. Entweder ist ein zweiter ADC notwendig oder ein sehr schneller ADC. In beiden Fällen steigen damit die Kosten des ASICs. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei einer Störung der Rückmessung durch z.B. EMV-Einstrahlung, die

beispielsweise am Kabelbaum einkoppelt, kein guter Ersatzwert zur Verfügung gestellt werden kann. In diesem Fall kann der ermittelte Pumpstrom nicht für die 02- Konzentrationsbestimmung verwendet werden.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem eine genaue Bestimmung des Pumpstroms ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich 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. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das

Sensorelement weist einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine

Nernstzelle auf. Die Pumpzelle weist eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode auf. Mittels einer Stromquelle wird ein Pumpstrom durch die Pumpzelle getrieben. Eine Nernstspannung der Nernstzelle wird geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. Weiterhin wird mittels einer Signalverarbeitung eine Kompensationsgröße bestimmt. Aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße wird mindestens ein korrigiertes Messsignal bestimmt. Aus dem korrigierten Messsignal wird die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt. Die

Kompensationsgröße ist zumindest teilweise abhängig von einem Ist-Wert des Pumpstroms und einem der Stromquelle zugeführten Soll-Wert für den

Pumpstrom. Zumindest der Ist-Wert des Pumpstroms wird diskontinuierlich gemessen.

Bei einer Weiterbildung wird der Ist-Wert des Pumpstroms an einer Position zwischen dem Ausgang der Stromquelle und einer virtuellen Masse gemessen.

Bei einer Weiterbildung umfasst die Kompensationsgröße mehrere Paare aus Ist- Wert des Pumpstroms und der Stromquelle zugeführten Soll-Wert für den Pumpstrom.

Bei einer Weiterbildung umfasst die Kompensationsgröße eine vorbestimmte Anzahl an aktuellsten Paaren aus Ist-Wert des Pumpstroms und der Stromquelle zugeführten Soll-Wert für den Pumpstrom.

Bei einer Weiterbildung umfasst die Kompensationsgröße eine lineare Gleichung der Paare aus Ist-Wert des Pumpstroms und Soll-Wert für den Pumpstrom.

Bei einer Weiterbildung werden für die Bestimmung der linearen Gleichung Summen der Soll-Werte für den Pumpstrom, Summen der Ist-Werte des Pumpstroms, Summen des Produkts aus Soll-Werte für den Pumpstrom und Ist- Werte des Pumpstroms und weiterhin Summen der Quadratzahlen der Ist-Werte des Pumpstroms in einem Speicher der Signalverarbeitung gespeichert.

Bei einer Weiterbildung wird basierend auf den Summen diejenige lineare Gleichung ermittelt, welche die Paare aus Ist-Wert des Pumpstroms und Soll- Wert für den Pumpstrom am besten reproduziert.

Bei einer Weiterbildung umfasst das Verfahren weiterhin Ermitteln einer Störung der Messung der Ist-Werte des Pumpstroms basierend auf einem Quadrat der Standardabweichung der Paare aus Ist-Wert des Pumpstroms und Soll-Wert für den Pumpstrom.

Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.

Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.

Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.

Weiterhin wird ein 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, vorgeschlagen. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle aufweist, wobei die Pumpzelle eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät aufweist oder mit einem elektronischen Steuergerät verbunden ist.

Unter einem Festelektrolytkörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise sauerstoffionen- leitenden Eigenschaften. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Beispielsweise kann der Festelektrolytkörper stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid aufweisen. Der Festelektrolytkörper kann auch aus mehreren

Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist dabei eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in 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 oder eine Spannung gemessen 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 Metallkeramikelektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem

Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platincermet- Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.

Unter einer Nernstzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Messzelle zu verstehen, die einen Festelektrolyten als

Membran zwischen zwei Elektroden verwendet. Dabei nutzt man die Eigenschaft des Festelektrolyten, ab einer bestimmten Temperatur Ionen des zu messenden Messgases, wie beispielsweise Sauerstoffionen, elektrolytisch von der einen Elektrode zu der anderen transportieren zu können, wodurch eine sogenannte Nernstspannung entsteht. Durch diese Eigenschaft lässt sich der Unterschied des Partialdrucks des Messgases auf den verschiedenen Seiten der Membran bestimmen. Bei der Lambdasonde wird eine Seite der Membran dem Messgas ausgesetzt, während die andere Seite an einer Referenz liegt.

Unter einer Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle zu verstehen, bei der ein Gehalt einer Komponente des Messgases, wie beispielsweise Sauerstoff, in einem Messspalt einerseits über das Messgas, das durch einen Diffusionskanal einwirkt, bestimmt und andererseits durch den Stromfluss der Pumpzelle beeinflusst wird. Durch den Pumpstrom wird je nach Polarität Messgas von der Messgasseite der

Festelektrolyt- Membran in den Messspalt gepumpt bzw. aus diesem

herausbefördert. Dabei wird der Pumpstrom durch einen äußeren Regler so geregelt, dass der Lambdawert im Messgas den Messgasstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht und das Messgas im Messspalt konstant bei einem vorbestimmten Wert wie beispielsweise l = 1 hält. Ein Lambdawert von 1 im Messspalt ist beispielsweise immer dann gegeben, wenn die Spannung an der Nernstzelle 0,45 V beträgt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Messgasionen in das Messgas im Messspalt hinein, bei magerem Gemisch heraus.

Unter einer diskontinuierlichen Messung des Pumpstroms ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine nicht-durchgängige Messung des Pumpstroms zu verstehen. Entsprechend werden mehrere Messungen des Pumpstroms mit zeitlichen Unterbrechungen dazwischen vorgenommen. Die zeitlichen

Unterbrechungen können identisch groß oder variabel gestaltet sein.

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 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 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, da dieser einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann also 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 Platincermet hergestellt sein.

Unter einem ASIC (= application-specific integrated Circuit) ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine anwendungsspezifische integrierte elektronische Schaltung zu verstehen, die als integrierter Schaltkreis realisiert ist. Die Funktion eines ASICs wird somit in den meisten Fällen nicht mehr verändert.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, ein gelegentliches

Rückmessen des Pumpstroms durchzuführen. Beim gelegentlichen Rückmessen wird die Vollständigkeit der digitalen Sollwerte mit der Genauigkeit einer gelegentlichen Rückmessung des Pumpstroms kombiniert. Kern der Idee ist es, die DAC-Stromquelle mit einer gelegentlichen Rückmessung zu kalibrieren, das heißt den Zusammenhang zwischen Sollwert der DAC-Stromquelle und dem physikalischen Ausgang zu bestimmen. Dieser Zusammenhang wird dann auf alle digitalen Sollwerte angewandt, um den physikalischen fließenden Strom zu bestimmen. Der Vorteil dabei ist, dass die DAC-Stromquelle keine hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllen muss und gleichzeitig der ADC nur gelegentlich eine Strommessung machen muss und so genügend Zeit hat, alle anderen notwendigen Messungen durchzuführen. Durch beide Vorteile kann ein günstigerer ASIC realisiert werden als bei den oben beschriebenen Alternativen. Außerdem kann das Verfahren selbst bei einer gestörten Rückmessung gute Ersatzwerte zur Verfügung stellen, so dass die Pumpstromgenauigkeit kaum darunter leidet.

Es wird entsprechend ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem eine DAC- Stromquelle mittels gelegentlicher Messung des getriebenen Pumpstroms kalibriert werden kann. Die dabei ermittelten Eigenschaften der DAC-Stromquelle können dann auch für die Sollwerte angewandt werden, die nicht direkt gemessen wurden. Das Verfahren kalibriert die DAC-Stromquelle immer mit den aktuellsten gemessenen Paaren aus Sollwert und gemessenem Pumpstrom und kann dadurch nicht nur Herstellungstoleranzen der DAC-Stromquelle, sondern auch deren Temperaturgang kompensieren. Dier Erfindung ermittelt einen sehr genauen Pumpstrom und damit auch eine sehr genaue 02- Konzentration im Abgas.

Der Kern des Verfahrens ist, die DAC-Stromquelle durch eine gelegentliche Strommessung zu kalibrieren. Dazu sammelt das Verfahren Wertepaare aus digitalem Sollwert und physikalisch fließendem Strom der DAC-Stromquelle. Aus den letzten z.B. 100 Wertepaaren ermittelt das Lernverfahren den optimalen linearen Zusammenhang zwischen DAC-Eingang und -Ausgang. Der lineare Zusammenhang ist durch eine Steigung und einen Offset der DAC-Stromquelle gegeben. Der lineare Zusammenhang kann dann dazu verwendet werden alle Sollwerte der DAC-Stromquelle in einen physikalisch fließenden Strom umzurechnen.

Vorteile des Verfahrens sind:

Die DAC Stromquelle muss keine hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllen und kann daher relativ günstig realisiert werden. Die Rückmessung muss nur gelegentlich erfolgen und kann ein relativ hohes Rauschen (= statistischer Fehler) beinhalten. Da die Eigenschaften der DAC-Stromquelle sich nicht sehr schnell ändern, kann in deren Bestimmung eine große Anzahl an Punkten verwendet werden (z.B. 100). Damit könnten statistische Fehler der

Rückmessung quasi komplett eliminiert werden. Auf die Dynamik des

Pumpstroms hat diese Mittelwertbildung keinen Einfluss, da die digitalen

Sollwerte die volle Dynamik enthalten und diese direkt und ohne Mittelung in einen physikalisch fließenden Pumpstrom umgerechnet werden. Die

gelegentliche, kurze Rückmessung kann mit dem bereits existierenden ADC des ASICs durchgeführt werden. Damit können die Zusatzkosten eines zusätzlichen ADCs vermieden werden. Da das Verfahren nur die letzten (z.B. 100) gesammelten Werte für die Kalibration verwendet, können nicht nur

Herstellungstoleranzen der DAC-Stromquelle kompensiert werden, sondern auch der Temperaturgang der Stromquelle vollkommen ausgeglichen werden. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass nicht alle gesammelten Paare explizit gespeichert werden müssen, sondern nur vier unterschiedliche Summen der gesammelten Werte im Speicher abgelegt werden müssen. Die Anzahl der gesammelten Wertepaare hat keinen Einfluss auf den

Speicherverbrauch. Das Verfahren kann zusätzlich die Qualität der

Strommessung bewerten. Zeigt die Strommessung einen zu großen statistischen Fehler, z.B. durch EMV-Störeinkopplungen in den Kabelbaum, kann das Lernen angehalten werden. In diesem Fall können die zuletzt bestimmten Eigenschaften der DAC-Stromquelle verwendet werden um auch während einer gestörten Strommessung ein gutes Pumpstromsignal zu Verfügung zu stellen.

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 Querschnitt eines Sensors,

Figur 2 ein schematisches Schaltbild des Sensors und eines Steuergeräts,

Figur 3 ein Diagramm einer linearen Kurve,

Figur 4 ein Diagramm einer Pumpstrommessung mit Störung und Figur 5 ein Diagramm einer Pumpstrommessung ohne Störung. Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 100 mit einem

Sensorelement 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 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 und/oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.

Das Sensorelement 10 umfasst einen Festelektrolytkörper bzw. Festelektrolyten 12. Das Sensorelement 10 weist weiterhin einen Gaszutrittsweg 14 auf. Der Gaszutrittsweg 14 weist ein Gaszutrittsloch 16 auf, das sich von einer

Außenseite oder Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 ins Innere des

Festelektrolyten 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 12 ist ein

Elektrodenhohlraum 20 vorgesehen, der an das Gaszutrittsloch 16 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 20 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 20 ist Teil des

Gaszutrittswegs 14 und kann über das Gaszutrittsloch 16 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 16 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 in das Innere des Festelektrolyten 12. Zwischen dem Gaszutrittsloch 16 und dem Elektrodenhohlraum 20 ist ein Kanal 22 angeordnet, welcher ebenfalls

Bestandteil des Gaszutrittswegs 14 ist. Der Kanal 22 bzw. der

Elektrodenhohlraum 20 ist radial bzw. senkrecht bezüglich des Gaszutrittslochs 16 angeordnet. In diesem Kanal 22 ist eine Diffusionsbarriere 24 angeordnet. Die Diffusionsbarriere 24 vermindert oder verhindert sogar ein Nachströmen von Messgas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 20 und ermöglicht lediglich eine Diffusion des Messgases. In den Festelektrolytkörper 12 und von dem Elektrodenhohlraum 20 getrennt ist ein Referenzgaskanal 26 bzw.

Abluftkanal ausgebildet. Des Weiteren weist das Sensorelement 10 ein Heizelement 28 auf. Das

Heizelement 28 ist in einer gedachten Verlängerung der Richtung, in der sich das Gaszutrittsloch 16 erstreckt, in dem Festelektrolytkörper 12 unterhalb des Elektrodenhohlraums 20 und des Referenzgaskanals 26 angeordnet. Das Heizelement 28 weist einen Heizbereich 30, eine erste Zuleitungsbahn 32 und eine zweite Zuleitungsbahn 34 auf. Die erste Zuleitungsbahn 32 ist dabei mit einem Pluspol 36 des Heizbereichs 30 verbunden. Die zweite Zuleitungsbahn 34 ist mit einem Minuspol 38 des Heizbereichs 30 verbunden.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Pumpzelle 40 auf. Die Pumpzelle 40 weist eine erste Elektrode, die als äußere Pumpelektrode 42, und eine zweite Elektrode, die als innere Pumpelektrode 44 bezeichnet wird, auf. Die äußere Pumpelektrode 42 ist auf der dem Messgas aussetzbaren Oberfläche 18 des Festelektrolytkörpers 12 angeordnet. Die innere Pumpelektrode 44 ist in dem Elektrodenhohlraum 20 auf einer der äußeren Pumpelektrode 42 zugewandten Seite angeordnet. Die Pumpzelle 40 umfasst weiterhin den Teil des

Festelektrolyten 12 zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der innere Pumpelektrode 44. Über die Diffusionsbarriere 24 lässt sich ein Grenzstrom in der Pumpzelle 40 einstellen. Der Grenzstrom stellt dabei einen Stromfluss zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 44 über den Festelektrolyten 12 zwischen diesen dar.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Nernstzelle 46 auf. Die Nernstzelle 46 umfasst eine dritte Elektrode 48 und eine vierte Elektrode 50. Die dritte Elektrode 48 befindet sich dabei angrenzend an den Heizbereich 30 des

Heizelements 28 in dem Elektrodenhohlraum 20. In dem Referenzgaskanal 26 ist die vierte Elektrode 50 angeordnet. Die vierte Elektrode 50 kann als sogenannte gepumpte Referenz in dem Referenzgaskanal 26 angeordnet sein. Das heißt, der Referenzgaskanal 26 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d.h. eine künstliche Referenz. Die innere

Pumpelektrode 44 und die dritte Elektrode 48 sind dabei über den

Festelektrolytkörper 12 miteinander gekoppelt. Die dritte Elektrode 48, die vierte Elektrode 50 und der Teil des Festelektrolyten 12 zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 bilden beispielsweise die Nernstzelle 46. Mittels der Pumpzelle 40 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 20 die Bedingung l = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese

Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 46 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 26 oder in der vierten Elektrode 50, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem

Elektrodenhohlraum 20 geschlossen werden. Entsprechend dem beschriebenen Aufbau kann die dritte Elektrode 48 als Nernstelektrode und die vierte Elektrode 50 als Referenzelektrode bezeichnet werden.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung des Aufbaus des Sensorelements 10 ergibt, ist dieses als sogenannter Zweizeiler ausgebildet, bei dem die

Pumpzelle 40 und die Nernstzelle 46 getrennt ausgebildet sind. Alternativ kann das Sensorelement 10 als sogenannter Einzeller ausgebildet sein, bei dem Pumpzelle 40 und Nernstzelle 46 kombiniert sind. Ein solcher Einzeller benötigt für seine Funktion lediglich zwei Elektroden. Im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Aufbau eines Zweizeilers entfallen die erste Elektrode 42 und die zweite Elektrode 44. Dabei dient die dritte Elektrode 48 als innere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Nernstelektrode der Nernstzelle 46, da diese auf einer gemeinsamen Leitung liegen. Die vierte Elektrode 50 dient dabei als äußere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Referenzelektrode der Nernstzelle 46.

Figur 2 zeigt ein schematisches Schaltbild des Sensors 100 und eines

Steuergeräts 52. Das Steuergerät 52 umfasst einen ASIC 54. Der ASIC 54 umfasst einen Analog-Digital-Wandler 56, einen Regler 58, eine Stromquelle 60 und eine virtuelle Masse 62. Der Regler 58 ist bei der gezeigten

Ausführungsbeispiel ein PID-Regler, kann jedoch grundsätzlich alternativ eine andere Art von Regler sein, wie beispielsweise ein PI-Regler. Der Sensor 100 ist an Pins RE, APE und IPE an den ASIC 54 angeschlossen. Die Nernstzelle 46 ist dabei an die Pins RE und IPE angeschlossen und die Pumpzelle 40 ist an die Pins IPE und APE angeschlossen. Der ASIC 54 misst die Nernstspannung zwischen RE und IPE. Die Pins RE und IPE sind mit dem Eingang des Analog- Digital-Wandlers 56 verbunden. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 56 ist mit dem Eingang des Reglers 58 verbunden. Der gemessene Wert der Nernstspannung ist der Haupteingang in den Regler 58. Der Ausgang des Reglers 58 ist mit dem Eingang der Stromquelle 60 verbunden. Der Ausgang der Stromquelle 60 ist mit dem Pin APE verbunden. Der Regler 58 ermittelt mit dem neusten Nernstspannungswert einen neuen Sollwert für den Pumpstrom. Dieser Sollwert wird an die Stromquelle 60 übergeben, die daraufhin einen Strom von APE zur IPE treibt, den sogenannten Pumpstrom. Der tatsächlich geflossene Strom kann an einem Messwiderstand R_mVG gemessen werden, indem die abfallende Spannung über den Widerstand R_mVG gemessen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels der Stromquelle 60 ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 getrieben. Die Nernstspannung der

Nernstzelle 40 wird geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements 10 wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird weiterhin mittels einer Signalverarbeitung des

Steuergeräts 52 eine Kompensationsgröße bestimmt. Aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße wird mindestens ein korrigiertes Messsignal bestimmt. Aus dem korrigierten Messsignal wird die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt. Die Kompensationsgröße ist zumindest teilweise abhängig von einem Ist-Wert Y, des Pumpstroms und einem der Stromquelle 60 zugeführten Soll-Wert X, für den Pumpstrom. Zumindest der Ist-Wert Y, des Pumpstroms wird diskontinuierlich gemessen. Beispielsweise wird der Ist-Wert Y, des Pumpstroms an einer Position zwischen dem Ausgang der Stromquelle 60 und einer virtuellen Masse gemessen. Die virtuelle Masse befindet sich der Pumpzelle 40 nachgeschaltet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Pumpstrom an dem Messwiderstand R_mVG gemessen. Grundsätzlich funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig davon, wo der Strom gemessen wird. Es ist nur wichtig, dass die Strommessung den korrekten Strom misst und keine zusätzlichen unbekannten Stromkomponenten in der Messung enthalten sind.

Die Kompensationsgröße umfasst mehrere Paare (Xi, Y,) aus Ist-Wert Y, des Pumpstroms und der Stromquelle 60 zugeführten Soll-Wert X, für den

Pumpstrom. Die Kompensationsgröße umfasst eine lineare Gleichung der Paare (Xi, Yi) aus Ist-Wert Y, des Pumpstroms und Soll-Wert X, für den Pumpstrom. Figur 3 zeigt ein Diagramm einer linearen Kurve. Auf der X-Achse 64 sind Soll- Werte X, für den Pumpstrom aufgetragen auf der Y-Achse 66 sind gemessene Ist-Werte Y, für den Pumpstrom aufgetragen. Die Kurve 68 stellt den am besten passenden linearen Zusammenhang zwischen den beiden Größen dar.

Beispielsweise wurden N, wie beispielsweise N = 500, Wertepaare (Xi, Y,) gesammelt. Zwischen beiden Größen wird ein linearer Zusammenhang angenommen in der Form:

U = m X + c

Die Steigung der Gerade ist m und der Offset der Geraden ist c. Die Werte für m und c, die die gemessenen Daten am besten reproduzieren minimieren die Summe der Quadratabweichungen:

Die Lösung kann folgendermaßen bestimmt werden:

Die Lösung der beiden Gleichungen ist durch folgende Ausdrücke gegeben:

Mit diesen Formeln (lineare Regression) kann für einen gegeben Satz an Wertepaaren (C,, Y,) diejenige lineare Gleichung, welche die Wertepaare (C,, Y,) am besten reproduziert, sehr einfach bestimmt werden.

Optional werden für die Bestimmung der linearen Gleichung Summen der Soll- Werte X, für den Pumpstrom, Summen der Ist-Werte Y, des Pumpstroms, Summen des Produkts aus Soll-Werte X, für den Pumpstrom und Ist-Werte Y, des Pumpstroms und weiterhin Summen der Quadratzahlen der Ist-Werte Y, des Pumpstroms in einem Speicher der Signalverarbeitung gespeichert. Dabei wird basierend auf den Summen diejenige lineare Gleichung ermittelt, welche die Paare (C,, Y,) aus Ist-Wert Y, des Pumpstroms und Soll-Wert X, für den

Pumpstrom am besten reproduziert. Diese Option beruht auf der Erkenntnis , dass es auffällig ist, dass für die Bestimmung von Steigung m und Offset c nicht alle Wertepaare (C,, Y,) explizit im Speicher vorhanden sein müssen. Es ist vollkommen ausreichend wenn die oben genannten Summen bekannt sind, beispielsweise in der Form:

Wenn ein neues Wertepaar (C,, Y,) verfügbar ist, müssen die oben genannten Summen nur um die neuen Werte C,, Y, erweitert werden, und dann

anschließend die neusten Werte C,, Y, für Steigung m und Offset c berechnet werden. Wenn man dies über einen langen Zeitraum macht, stoßen die Summen allerdings an ihre Implementierungsschwelle. Außerdem würden dann alte Punkte mit dem gleichen Gewicht weiterhin für die Bestimmung des besten linearen Zusammenhangs verwendet werden. Daher umfasst die

Kompensationsgröße eine vorbestimmte Anzahl an aktuellsten Paaren aus Ist- Wert Y, des Pumpstroms und der Stromquelle zugeführten Soll-Wert X, für den Pumpstrom. Um ein Vergessen alter Werte zu ermöglichen und die Summen vor Überlauf zu schützen, wird bevorzugt folgende Updateregel verwendet:

Angenommen man möchte N Punkte für die Kalibration verwenden und das System liefert ständig neue Wertepaare, da beispielsweise in vorbestimmten zeitlichen Abständen von 100 ms oder in anderen zeitlichen Abständen ein neuer Wert gemessen wird. Solange weniger als N Punkte gesammelt wurden, wird für jeden neu ermittelten Punkt (NewX, NewY) folgende Rechnung durchgeführt:

SumX := SumX + NewX.

Wenn bereit N Punkte gesammelt wurden, wird die Summe folgendermaßen berechnet: SumX:= SumX *(N-1)/N + New X.

Damit verlieren alte Werte an Gewicht und die zuletzt gesammelten Werte habe das höchste Gewicht. Mit diesem Verfahren kann man vermeiden, die N

Wertepaare explizit im Speicher zu hinterlegen, und das Lernverfahren damit ressourcen-schonend umsetzen.

Figur 4 zeigt ein Diagramm einer Pumpstrommessung mit Störung und Figur 5 zeigt ein Diagramm einer Pumpstrommessung ohne Störung. In den Figuren 4 und 5 ist wie auch in Figur 3 jeweils auf der X-Achse 64 Soll-Werte X, für den Pumpstrom aufgetragen und auf der Y-Achse 66 ist jeweils der gemessene Spannungsabfall über den Messwiderstand zum Erfassen der Ist-Werte Y, für den Pumpstrom aufgetragen. Die Kurve 70 in Figur 4 stellt den Zusammenhang zwischen den beiden Größen bei Vorliegen einer Störung der Messung dar. Die Kurve 72 in Figur 5 stellt den Zusammenhang zwischen den beiden Größen bei Vorliegen einer Störung der Messung dar. Ohne Störung zeigt die Kurve 72 einen im Wesentlichen linearen Zusammenhang der Größen dar. Bei

Vorhandensein einer Störung zeigt die Kurve 70 in Figur 4 eine von einem linearen Zusammenhang der Größen abweichenden Verlauf.

Optional umfasst das Verfahren daher weiterhin Ermitteln einer Störung der Messung der Ist-Werte Y, des Pumpstroms basierend auf einem Quadrat der Standardabweichung der Paare aus Ist-Wert des Pumpstroms Y, und Soll-Wert X, für den Pumpstrom.

Wenn für die Bestimmung der Eigenschaften der Stromquelle 60 N Punkte verwendet werden und die Stromrückmessung einen statistischen Fehler o, hat, dann haben die Steigung m und der Offset c nur noch einen statistischen Fehler --^iJi/V^jV Dieser Fehler überträgt sich auch auf den ermittelten Pumpstrom.

Würde man nur auf die Rückmessung des Pumpstroms vertrauen, hätte der Pumpstrom den vollen statistischen Fehler der Rückmessung. Im hier

präsentierten Verfahren wird der statistische Fehler des Pumpstroms um einen Faktor

kleiner. Die Reduktion des statistischen Fehlers des Pumpstroms hat keine negativen Konsequenzen auf die Dynamik des Pumpstroms. Die Dynamik ist in den Soll-Werten X, für den Pumpstrom enthalten und wird vom hier präsentierten Verfahren nicht beeinträchtigt.

Außerdem kann das Verfahren den statistischen Fehler der Rückmessung ermitteln. Die Varianz, Quadrat der Standardabweichung, der gesammelten Punkte um die optimale lineare Kurve herum kann folgendermaßen bestimmt werden:

Die Stromrückmessung kann beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung gestört werden. Mit der genannten Varianz kann solch eine Störung detektiert werden und eine Ersatzmaßnahme eingeleitet werden. Man könnte

beispielsweise während der Störung das Lernen anhalten und die letzten Werte für Steigung m und Offset c, die unter gültigen Bedingungen ermittelt wurden, weiter verwenden.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) 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 (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels einer Stromquelle (60) ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei eine

Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom ermittelt wird, wobei weiterhin mittels einer Signalverarbeitung eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigiertes Messsignal bestimmt wird, wobei aus dem korrigierten Messsignal die Eigenschaft des Messgases in dem

Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms und einem der Stromquelle (60) zugeführten Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom, wobei zumindest der Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms diskontinuierlich gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms an einer Position zwischen dem Ausgang der Stromquelle (60) und einer virtuellen Masse gemessen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kompensationsgröße mehrere Paare (C,, Y,) aus Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms und der Stromquelle (60) zugeführten Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom umfasst.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Kompensationsgröße eine

vorbestimmte Anzahl an aktuellsten Paaren (C,, Y,) aus Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms und der Stromquelle (60) zugeführten Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom umfasst.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Kompensationsgröße eine lineare Gleichung der Paare aus Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms und Soll-Wert (Xi) für den Pumpstrom umfasst.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei für die Bestimmung der linearen

Gleichung Summen der Soll-Werte (X,) für den Pumpstrom, Summen der Ist- Werte (Yi) des Pumpstroms, Summen des Produkts aus Soll-Werte (X,) für den Pumpstrom und Ist-Werte (Y,) des Pumpstroms und weiterhin Summen der Quadratzahlen der Ist-Werte (Y,) des Pumpstroms in einem Speicher der Signalverarbeitung gespeichert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei basierend auf den Summen diejenige lineare Gleichung ermittelt wird, welche die Paare (Xi, Y,) aus Ist-Wert des Pumpstroms (IP) und Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom am besten reproduziert.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, weiterhin umfassend Ermitteln einer Störung der Messung der Ist-Werte (Y,) des Pumpstroms basierend auf einem Quadrat der Standardabweichung der Paare aus Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms (IP) und Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom.

9. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.

10. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.

11. Elektronisches Steuergerät (52) , welches ein elektronisches

Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.

12. Sensor (100) 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 (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine

Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei der Sensor (100) weiterhin ein elektronisches Steuergerät (52) nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.