WO2023099253A1 - Verfahren zum betreiben eines sensors zum bestimmen mindestens eines anteils eines gases in einem messgasraum - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines sensors zum bestimmen mindestens eines anteils eines gases in einem messgasraum Download PDF

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WO2023099253A1
WO2023099253A1 PCT/EP2022/082556 EP2022082556W WO2023099253A1 WO 2023099253 A1 WO2023099253 A1 WO 2023099253A1 EP 2022082556 W EP2022082556 W EP 2022082556W WO 2023099253 A1 WO2023099253 A1 WO 2023099253A1
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heating
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heating voltage
point
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PCT/EP2022/082556
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Andreas SCHWAERZLE
Stefan Haller
S G Arpitha
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Robert Bosch Gmbh
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    • 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
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    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4073—Composition or fabrication of the solid electrolyte
    • G01N27/4074—Composition or fabrication of the solid electrolyte for detection of gases other than oxygen

Definitions

  • the proportion of the gas can be, for example, a target gas component, for example oxygen and/or nitrogen and/or nitrogen oxides and/or hydrocarbons and/or other types of gas components.
  • the sensor element can also be another sensor, for example an NOx sensor.
  • Sensor elements of the type mentioned can in particular be based on the use of one or more solid electrolytes, ie on the use of solid bodies, in particular ceramic solid bodies, which have ion-conducting, in particular oxygen-ion-conducting, properties.
  • solid electrolytes are solid electrolytes based on zirconium dioxide, such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and/or scandium-doped zirconia (ScSZ).
  • So-called particle sensors are also known.
  • a concentration of particles such as soot or dust particles, is measured in an exhaust gas by means of two electrodes which are arranged on a ceramic. This can be done, for example, by measuring the electrical resistance of the ceramic material separating the two electrodes. More precisely, the electric current that flows between the electrodes when an electric voltage is applied is measured.
  • the soot particles are deposited between the electrodes due to electrostatic forces and form electrically conductive bridges between the electrodes over time. The more of these bridges there are, the more the measured current increases. An increasing short circuit of the electrodes is thus formed.
  • Nitrogen oxide sensors which are used today in automotive engineering, function according to the limiting current principle, analogously to oxygen sensors, such as lambda sensors.
  • a nitrogen oxide sensor includes a Nernst concentration cell, which is also referred to as a reference cell, a modified oxygen pump cell and a further modified oxygen pump cell, known as the NO x cell.
  • An outer pumping electrode exposed to the exhaust gas and an inner pumping electrode in a first cavity separated from the exhaust gas by a diffusion barrier form the oxygen pumping cell.
  • the Nernst electrode is also located in the first cavity and the reference electrode is located in a reference gas space, which together form the Nernst cell or reference cell.
  • the NO x cell includes a NO x pumping electrode and a counter electrode.
  • the NOx pumping electrode is located in a second cavity connected to the first inner cavity and separated therefrom by a diffusion barrier.
  • the counter electrode is located in the reference gas space. All electrodes in the first and second cavities have a common return conductor.
  • the so-called O2 cell removes the oxygen from the first cavity, which is connected to the exhaust gas via a diffusion barrier.
  • the resulting pump current is then proportional to the oxygen content of the ambient air in the sample gas or exhaust gas flow.
  • the nitrogen oxides are pumped out in the NO x cell.
  • the nitrogen oxide NO x in the atmosphere in the second cavity is reduced or broken down by applying a constant pumping voltage.
  • the oxygen produced by reducing or breaking down the measurement gas component in the second cavity, which preferably originates from the reduction of the nitrogen oxide NO x is pumped off into a reference gas space. So has the laid out against the resistance of the NO x cell and the concentration of the nitrogen oxide NO X or oxygen, the pump voltage results in a pump current which is proportional to the content of nitrogen oxide NO X or oxygen and represents the NO x measurement signal.
  • the aforementioned exhaust gas sensors are provided with heating elements to ensure their respective functionality.
  • the heater of the particle sensor is used, for example, to regenerate the sensor element, during which the soot is burned off as a result of heating.
  • the heater is only operated transiently here.
  • the other sensors only function when the working temperature of the probe ceramic is sufficiently high and are therefore continuously heated to a specified target temperature.
  • the particle sensor has an integrated temperature measuring element with a measuring range from -40°C to 950°C to enable precise control of the regeneration.
  • the temperature of the sensor element is determined via the internal resistance of the probe ceramic.
  • the sampling rate of the internal resistance of the probe ceramic when using an ASIC is typically 5 ms.
  • the sampling rate is 300-600ms. Due to the With a significantly lower sampling rate, the temperature is controlled via a pre-control component that can be calibrated (MAP control) and a controlled component (PID control). Since measured values also have to be discarded due to unfavorable physical conditions, for example, the actual sampling rate can be significantly lower.
  • the regulated component is limited to approx. 2.5 V as standard in order not to overheat the probe despite low sampling rates.
  • a typical pre-control component of ⁇ 8 V a maximum effective heater voltage of 10.5 V can be requested in controlled operation.
  • a method for operating a sensor for determining at least a portion of a gas in a measuring gas chamber is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known methods for operating these sensors and in which faster heating of the sensor, more dynamic control operation through faster temperature tracking and of heating with the maximum permissible (according to the specification of the probe) effective heating voltage is made possible, taking component protection into account.
  • a method for operating a sensor for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas space in particular for detecting at least a proportion of a molecular measurement gas component and/or a measurement gas component with bound oxygen in a measurement gas.
  • the sensor indicates Sensor element for detecting the at least one portion of the gas in the measurement gas chamber, a heating element for heating the sensor element and an electrical voltage source for applying an electrical heating voltage to the heating element.
  • the method comprises the following steps, preferably in the order given:
  • the first heating voltage, the second heating voltage and/or the third heating voltage is applied if a temperature of the sensor element is below at least a predetermined threshold value.
  • the first heating voltage can be a maximum permissible heating voltage.
  • the second heater voltage may be a predetermined limited heater voltage.
  • the third heater voltage may be a pilot heater voltage.
  • the sensor is operated over a longer period of time in the temperature range specified by the manufacturer (close to the setpoint). This can reduce signs of aging in the sensor ceramic. In addition, the accuracy of the signal measurement can be increased, which leads to lower exhaust emissions.
  • the sensor temperature can be controlled more dynamically and cooling of the probe can be better avoided even when the exhaust gas is cooler.
  • the first heating voltage can be applied for a predetermined period of 200 ms to 2000 ms, preferably 300 ms to 1800 ms and more preferably 400 ms to 1200 ms. In this way, operation with the maximum permissible heating voltage can take place for a comparatively short time, so that damage to the sensor is prevented.
  • a sampling rate for a temperature measurement can be at least 4 ms.
  • the temperature is measured as required or switched in the control unit.
  • a computer program is also proposed which is set up to carry out each step of the method according to the invention.
  • the invention also relates to a sensor for determining at least a proportion of a gas in a measurement gas chamber, in particular for detecting at least a proportion of a molecular measurement gas component and/or a Measuring gas component with bound oxygen in a measuring gas, wherein the sensor has a sensor element for detecting at least a portion of the gas in the measuring gas chamber, a heating element for heating the sensor element and an electrical voltage source for applying an electrical heating voltage to the heating element, being set up for:
  • an electrode is generally understood to mean an element which is able to so to the solid electrolyte contact that a current can be maintained through the solid electrolyte and the electrode.
  • the electrode can comprise an element on which the ions can be incorporated into the solid electrolyte and/or removed from the solid electrolyte.
  • the electrodes include a noble metal electrode, which can be applied to the solid electrolyte, for example, as a metal-ceramic electrode, or can be connected to the solid electrolyte in some other way.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other noble metals, such as gold or palladium, can also be used in principle.
  • a heating element is to be understood as an element which is used to heat the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably to their operating temperature.
  • the functional temperature is the temperature above which the solid electrolyte becomes conductive for ions and is around 350 °C. This is to be distinguished from the operating temperature, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the functional temperature.
  • the operating temperature can be from 700°C to 950°C, for example.
  • the heating element can comprise a heating area and at least one feed track.
  • first, second, etc. serve as pure designations and conceptual differentiation of components and features. In particular, this information should not provide any information about a sequence, weighting or whether, for example, other components or features of this type are present.
  • a first proportion of oxygen ions which are formed from molecular oxygen from the gas mixture, can be transported between the first cavity 126 and the environment of the sensor 100. In the path of entry from the environment to the first cavity 126 there are two diffusion barriers 128 .
  • the second pumping cell 140 has an NO x pumping electrode 142 and an NO x counter electrode 144 and is in contact with a second cavity 145 in the interior of the sensor element 110 .
  • the second cavity 145 is separated from the first cavity 126 by one of the diffusion barriers 128 .
  • At least one of the two electrodes, NO x pump electrode 142 and/or NO x counter electrode 144, is designed in such a way that when a voltage is applied, further molecular oxygen can be generated from the measurement gas component NO x by means of catalysis, which oxygen is formed in the second pump cell 140.
  • a method for operating the sensor is described below.
  • the method can be computer implemented. It is explicitly emphasized that the following method steps are carried out if a temperature of the sensor element is below a predetermined threshold value.
  • a heating voltage UH is applied to heating element 148 in particular if a temperature of sensor element 110 is below a predetermined threshold value and is therefore requested by the control algorithm for heating element 148 .
  • the temperature of the sensor element 110 is set in a controlled manner.
  • the regulated portion is limited to approx. 2.5 V by default.
  • a predetermined limited heating voltage Uniim of 10.5 V can be requested in controlled operation. According to the majority of the manufacturer's specifications, however, an effective heating voltage Unmax of 12 V, for example, is permitted.
  • a first heating voltage UHI is applied.
  • the first heating voltage UHI is a maximum permissible heating voltage Unmax, ie a heating voltage with a value that the manufacturer of the sensor 100 specifies as the maximum permissible.
  • the first heating voltage UHI is 12 V.
  • the first heating voltage UHI is applied for a predetermined short period of time of 200 ms to 2000 ms, preferably 300 ms to 1800 ms and even more preferably 400 ms to 1200 ms, such as 600 ms.
  • a third heating voltage UH3 is applied.
  • the second heating voltage UH2 is greater than the third heating voltage UH3.
  • the third heating voltage UH3 is a pilot control heating voltage UHma P , ie a heating voltage corresponding to the pilot control component.
  • the third heating voltage UH3 is less than or equal to 8 V, for example.
  • the first heating voltage Um can also be applied (again) if the third temperature measurement is valid at the third point in time or a fourth temperature measurement is valid at a fourth point in time, which follows the third point in time.
  • E tot is the total energy input
  • E max is the maximum permissible energy input
  • Eümit is the limit for the energy input.
  • the implementation takes place by means of different temporal debouncing, which is reset with a new temperature measurement value. Depending on how much time has passed since the last measured value, the heating voltage control is limited according to the calibratable limitation. More than two gradations according to the example below are also conceivable here.
  • FIG. 2 shows an example heating voltage profile.
  • the time in s is plotted on the X-axis 154 .
  • the heating voltage in V is plotted on the Y-axis 156 .
  • the curve 158 is the heating voltage curve as an example over time.
  • a first area 160 for example, every second measured value of the temperature measurement is valid. Therefore, with the method according to the invention, there is a change between the first heating voltage Um, ie the maximum permissible heating voltage UHmax, and the second heating voltage Um, ie the predetermined limited heating voltage Umim.
  • every measured value is valid.
  • the first heating voltage Um is therefore applied to the heating element 148 for the entire period for which the measured values of the temperature measurement are valid.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils einer molekularen Messgaskomponente und/oder einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, vorgeschlagen. Der Sensor (100) weist ein Sensorelement (110) zum Erfassen des mindestens einen Anteils des Gases in dem Messgasraum, ein Heizelement (148) zum Beheizen des Sensorelements (110) und eine elektrische Spannungsquelle (152) zum Anlegen einer elektrischen Heizspannung (UH) an das Heizelement (148) auf. Das Verfahren umfasst Anlegen einer ersten Heizspannung (UH1), falls zu einem ersten Zeitpunkt eine erste Temperaturmessung gültig ist, Anlegen einer zweiten Heizspannung (UH2), falls zu einem zweiten Zeitpunkt, der dem ersten Zeitpunkt nachfolgt, eine zweite Temperaturmessung ungültig ist, und Anlegen einer dritten Heizspannung (UH3), falls zu dem zweiten Zeitpunkt und mindestens einem dritten Zeitpunkt, der dem zweiten Zeitpunkt nachfolgt, eine dritte Temperaturmessung ungültig ist. Die erste Heizspannung (UH1), die zweite Heizspannung (UH2) und/oder die dritte Heizspannung (UH3) wird angelegt, falls eine Temperatur des Sensorelements (110) unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts ist.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum
Stand der Technik
Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum dienen.
Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Bei dem Messgasraum kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt handeln. Bei dem Sensorelement kann es sich hierbei beispielsweise um eine Lambdasonde, insbesondere um eine binäre Sprungsonde oder eine Breitband-Lambdasonde, handeln. Lambdasonden sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160-165, beschrieben.
Bei dem Anteil des Gases kann es sich beispielsweise um eine Zielgaskomponente, beispielsweise um Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Stickoxide und/oder Kohlenwasserstoffe und/oder andere Arten von Gaskomponenten handeln. Prinzipiell kann es sich bei dem Sensorelement auch um einen anderen Sensor handeln, beispielsweise einen NOx-Sensor. Sensorelemente der genannten Art können insbesondere auf der Verwendung eines oder mehrerer Festelektrolyte basieren, also auf der Verwendung von Festkörpern, insbesondere keramischen Festkörpern, welche ionenleitende, insbesondere sauerstoffionenleitende, Eigenschaften aufweisen. Beispiele derartiger Festelektrolyte sind auf Zirkoniumdioxid basierende Festelektrolyte, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Bei Lambdasonden, insbesondere bei Breitband-Lambdasonden, kann eine in einen Messhohlraum eindiffundierende Menge an Sauerstoff (O2) und/oder Fettgas beispielsweise anhand eines Grenzstroms, insbesondere bei Einzellern, und/oder anhand eines zu einer Regelung einer Hohlraumkonzentration auf = 1 notwendigen Pumpstroms, insbesondere bei Doppelzellern, gemessen werden. Beispielsweise kann ein fließender Messstrom proportional zu einem O2-Gehalt und/oder zu einem Fettgas-Gehalt in einem Abgas sein. Eine Messung der Hohlraumkonzentration kann anhand einer Bestimmung einer Nernstspannung zwischen einer Nernstelektrode in dem Hohlraum und einer sauerstoffbespülten und/oder luftbespülten Referenzelektrode in einem Referenzraum erfolgen. Aus einem linearen Zusammenhang des Grenzstroms mit einem Sauerstoffpartialdruck kann eine Messung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Abgas durchgeführt werden.
Außerdem sind sogenannte Partikelsensoren bekannt. Bei Partikelsensoren wird mittels zweier Elektroden, die auf einer Keramik angeordnet sind, eine Konzentration von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, in einem Abgas gemessen. Dies kann beispielsweise durch eine Messung des elektrischen Widerstands des die beiden Elektroden trennenden keramischen Werkstoffs erfolgen. Genauer wird der elektrische Strom gemessen, der beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden zwischen diesen fließt. Die Rußpartikel lagern sich aufgrund elektrostatischer Kräfte zwischen den Elektroden ab und bilden mit der Zeit elektrisch leitfähige Brücken zwischen den Elektroden. Je mehr dieser Brücken vorhanden sind, umso mehr steigt der gemessene Strom. Es bildet sich somit ein zunehmender Kurzschluss der Elektroden.
Bekannt sind weiterhin Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, durch Erfassen eines Anteils an Sauerstoff, der durch eine Reduktion der Messgaskomponente mit dem gebundenem Sauerstoff erzeugt wird, bei Anwesenheit von molekularem Sauerstoff. Sensoren zum Nachweis mindestens eines Anteils der Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Gasgemisch, die auch verkürzt oder vereinfacht NOx-Sensoren oder Stickoxid-Sensoren bezeichnet werden, sind beispielsweise in Reif, K., Deitsche, K-H. et al., Kraftfahrtechnisches Taschenbuch, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, Seite 1338-1347 beschrieben.
Stickoxid-Sensoren (= NOx-Sensoren), die heutzutage in der Automobiltechnik eingesetzt werden, funktionieren nach dem Grenzstromprinzip, analog zu Sauerstoff-Sensoren, wie beispielsweise Lambda Sensoren. Ein solcher Stickoxid-Sensor umfasst eine Nernst- Konzentrationszelle, die auch Referenzzelle genannt wird, eine modifizierte Sauerstoffpumpzelle und eine weitere modifizierte Sauerstoffpumpzelle, die die sogenannte NOx-Zelle. Eine dem Abgas ausgesetzte äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode in einem ersten Hohlraum, der vom Abgas durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist, bilden die Sauerstoffpumpzelle. Im ersten Hohlraum befindet sich auch die Nernstelektrode und in einem Referenzgasraum die Referenzelektrode, die zusammen die Nernstzelle bzw. Referenzzelle bilden. Die NOx-Zelle umfasst eine NOx-Pumpelektrode und eine Gegenelektrode. Die NOx-Pumpelektrode befindet sich einem zweiten Hohlraum, der mit dem ersten inneren Hohlraum verbunden und von diesem durch eine Diffusionsbarriere getrennt ist. Die Gegenelektrode befindet sich in dem Referenzgasraum. Alle Elektroden in dem ersten und zweiten Hohlraum haben einen gemeinsamen Rückleiter.
Bei Betrieb des Stickoxid-Sensor wird der sogenannten O2-Zelle der Sauerstoff aus dem ersten Hohlraum, der über eine Diffusionsbarriere mit dem Abgas verbunden ist, entfernt. Der dadurch resultierende Pumpstrom ist dann proportional zum Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft im Messgas- bzw. Abgasstrom. In der NOx-Zelle werden die Stickoxide abgepumpt. Das Stickoxid NOX, in der in den zweiten Hohlraum befindlichen Atmosphäre, wird durch Anlegen einer konstanten Pumpspannung reduziert bzw. abgebaut. Der durch Reduktion oder Abbau der Messgaskomponente in dem zweiten Hohlraum erzeugte Sauerstoff, der vorzugsweise aus der Reduktion des Stickoxids NOX stammt, wird in einen Referenzgasraum abgepumpt. So hat die angelegte Pumpspannung hat gegen den Widerstand der NOx-Zelle und der Konzentration des Stickoxids NOX bzw. Sauerstoffs einen Pumpstrom zur Folge, der proportional zum Gehalt an Stickoxid NOX bzw. Sauerstoff ist und das NOX- Messsignal darstellt.
In Systemen mit Verbrennungsmotor werden zur Einhaltung der Emissionsgrenzwerte komplexe Abgasnachbehandlungssysteme eingesetzt. Bei Dieselsystemen gehören mehrere Sensoren zur Messung der Sauerstoff- und Stickoxidkonzentration dazu. Insbesondere NOx-Sensoren, welche sowohl die 02- als auch die NOx- Konzentration gleichzeitig messen können. Diese Sensoren setzen sich typischerweise aus einem Sensorelement als Messfühler und einem Kleinsteuergerät (SCU) zusammen. Der Messfühler wandelt die 02- und NOx- Konzentrationen durch elektrochemische Prozesse in jeweils ein Stromsignal um. Die SCU berechnet aus den Stromsignalen die 02 -und NOx- Konzentrationen und sendet diese über eine CAN-Schnittstelle an das Motorsteuergerät (ECU).
Die zuvor genannten Abgassensoren sind mit Heizelementen versehen, um die jeweilige Funktionsweise sicherzustellen. Der Heizer des Partikelsensors dient beispielsweise zur Regeneration des Sensorelements, bei der durch Erwärmen das Abbrennen des Rußes erfolgt. Der Heizer wird hier nur instationär betrieben. Die anderen Sensoren funktionieren nur bei einer hinreichend hohen Arbeitstemperatur der Sondenkeramik und werden daher kontinuierlich auf eine spezifizierte Zieltemperatur beheizt.
Der Partikelsensor hat ein integriertes Temperaturmesselement mit einem Messbereich von -40°C bis 950°C um eine genaue Steuerung der Regeneration zu ermöglichen. Bei den NOx-Sensoren und Lambdasonden wird die Temperatur des Sensorelements hingegen über den Innenwiderstand der Sondenkeramik ermittelt. Dieser Innenwiderstand ist in Abhängigkeit des jeweiligen Sensorelements sowie der verwendeten Auswertelogik (analoge Schaltung oder ASIC) erst ab einer erhöhten Temperatur messbar. Die Abtastrate des Innenwiderstands der Sondenkeramik bei der Verwendung eines ASIC liegt typischerweise bei 5 ms. Für analoge Schaltungen, die z.B. für die binäre Lambdasonde eingesetzt liegt die Abtastrate bei 300-600ms. Aufgrund der deutlich geringeren Abtastrate erfolgt die Temperaturregelung über einen kalibrierbaren Vorsteuerungsanteil (MAP-Control) und einen geregelten Anteil (PID-Control). Da Messwerte zusätzlich beispielsweise aufgrund ungünstiger physikalischer Bedingungen verworfen werden müssen, kann die tatsächliche Abtastrate noch deutlich geringer ausfallen.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So ist der geregelte Anteil standardmäßig auf ca. 2,5 V begrenzt, um die Sonde trotz geringer Abtastraten nicht zu überhitzen. Mit einem typischen Vorsteuerungsanteil von < 8 V kann im geregelten Betrieb eine maximale effektive Heizerspannung von 10,5 V angefordert werden.
Entsprechend dem überwiegenden Anteil der Herstellervorgaben ist jedoch eine maximale effektive Heizerspannung von 12 V erlaubt. Aus diesem Grund kann die Heizertemperatur häufig nicht dynamisch genug den Umgebungsbedingungen folgen und die Sonde wird tendenziell kälter betrieben als für eine maximale Signalgenauigkeit der Sauerstoff messung benötigt wird.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zum Betreiben dieser Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem ein schnelleres Aufheizens des Sensors, eines dynamischeren Regelbetriebs durch eine schnellere Temperaturnachführung und des Heizens mit maximal erlaubter (entsprechend Spezifikation der Sonde) effektiver Heizspannung unter Berücksichtigung des Komponentenschutzes ermöglicht wird.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils einer molekularen Messgaskomponente und/oder einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, vorgeschlagen. Der Sensor weist ein Sensorelement zum Erfassen des mindestens einen Anteils des Gases in dem Messgasraum, ein Heizelement zum Beheizen des Sensorelements und eine elektrische Spannungsquelle zum Anlegen einer elektrischen Heizspannung an das Heizelement auf. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:
Anlegen einer ersten Heizspannung, falls zu einem ersten Zeitpunkt eine erste Temperaturmessung gültig ist,
Anlegen einer zweiten Heizspannung, falls zu einem zweiten Zeitpunkt, der dem ersten Zeitpunkt nachfolgt, eine zweite Temperaturmessung ungültig ist, und
Anlegen einer dritten Heizspannung, falls zu dem zweiten Zeitpunkt und mindestens einem dritten Zeitpunkt, der dem zweiten Zeitpunkt nachfolgt, eine dritte Temperaturmessung ungültig ist.
Die erste Heizspannung, die zweite Heizspannung und/oder die dritte Heizspannung wird angelegt, falls eine Temperatur des Sensorelements unterhalb mindestens eines vorbestimmten Schwellwerts ist.
Das Verfahren nutzt die Erkenntnis, dass die Sensortemperatur zum Zeitpunkt der Temperaturmessung genau bekannt ist. Für einen kurzen Zeitraum kann der Sensor, falls durch den Regelalgorithmus angefragt, mit maximal erlaubter Heizspannung beheizt werden. Fällt die nächste Temperaturmessung aus, muss die Heizspannung reduziert werden. Der Sensor wird über einen größeren Zeitraum im vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich (nahe des Sollwerts) betrieben. Dies kann Alterungserscheinungen der Sensorkeramik reduzieren. Zudem kann die Genauigkeit der Signalmessung erhöht werden, was zu niedrigeren Abgasemissionen führt. Die Sensortemperatur kann dynamischer geregelt werden und auch bei kühlerem Abgas kann ein Abkühlen der Sonde besser vermieden werden.
Es versteht sich, dass die Höhe der jeweiligen Heizspannungen nicht auf jeweils einen einzigen Wert festgelegt ist. So erfolgt grundsätzlich die Temperatur- Regelung über einen PID-Regler. Die angelegte Heizspannung hängt somit von der Regelabweichung, dem zeitlichen Verlauf der Temperatur und den gewählten Parametern ab. Die erste bis dritte Heizspannung entsprechen der jeweiligen oberen Limitierung des Reglerausgangs aus Gründen des Komponentenschutzes und im Falle der ersten Heizspannung entsprechend einer Herstellerspezifikation. Mit anderen Worten kann die Höhe der jeweiligen Heizspannungen einer Abweichung eines Temperaturistwerts von einem Temperatursollwert angepasst werden.
Die erste Heizspannung kann größer als die zweite Heizspannung sein. Die zweite Heizspannung kann größer als die dritte Heizspannung sein. Entsprechend erfolgt eine schrittweise oder sukzessive Absenkung der Heizspannung, falls die Temperturmesswerte ungültig sind
Die erste Heizspannung kann eine maximal zulässige Heizspannung sein. Die zweite Heizspannung kann eine vorbestimmte begrenzte Heizspannung sein. Die dritte Heizspannung kann eine Vorsteuerungs-Heizspannung sein. Der Sensor wird über einen größeren Zeitraum im vom Hersteller spezifizierten Temperaturbereich (nahe des Sollwerts) betrieben. Dies kann Alterungserscheinungen der Sensorkeramik reduzieren. Zudem kann die Genauigkeit der Signalmessung erhöht werden, was zu niedrigeren Abgasemissionen führt. Die Sensortemperatur kann dynamischer geregelt werden und auch bei kühlerem Abgas kann ein Abkühlen der Sonde besser vermieden werden.
Das Verfahren kann weiterhin Anlegen der ersten Heizspannung umfassen, falls zu dem zweiten Zeitpunkt die zweite Temperaturmessung gültig ist.
Entsprechend kann die Dauer des Anlegens der ersten Heizspannung verlängert werden.
Das Verfahren kann weiterhin umfassen Anlegen der ersten Heizspannung solange bis zu dem zweiten Zeitpunkt die zweite Temperaturmessung ungültig ist. Entsprechend kann die Dauer des Anlegens der ersten Heizspannung solange erfolgen wie gültige Messwerte ermittelt werden.
Das Verfahren kann weiterhin Anlegen der ersten Heizspannung umfassen, falls zu dem dritten Zeitpunkt die dritte Temperaturmessung oder zu einem vierten Zeitpunkt, der dem dritten Zeitpunkt nachfolgt, eine vierte Temperaturmessung gültig ist. Entsprechend kann die Heizspannung (wieder) erhöht werden, sobald ein gültiger Temperaturmesswert vorliegt.
Die erste Heizspannung kann für einen vorbestimmten Zeitraum von 200 ms bis 2000 ms, bevorzugt 300 ms bis 1800 ms und noch bevorzugter 400 ms bis 1200 ms angelegt werden. Somit kann der Betrieb mit maximal zulässiger Heizspannung vergleichsweise kurz erfolgen, so dass Schäden am Sensor verhindert werden.
Eine Abtastrate für eine Temperaturmessung kann mindestens 4 ms sein. Somit erfolgt die Temperaturmessung je nach Bedarf bzw. Schaltung im Steuergerät.
Die erste Heizspannung kann in einem Bereich von 12 V bis 14 V sein. Die zweite Heizspannung kann 9,0 bis 11,5 V sein. Die dritte Heizspannung kann kleiner als oder gleich 9 V sein. Beispielsweise ist die dritte Heizspannung in einem Bereich von 5 V bis maximal 9 V. Die Höhe der genannten Heizspannung kann dabei umso höher sein, umso kürzer die oben genannten vorbestimmten Zeiträume für das Anlegen der Heizspannung sind. Es kann somit die Spannung umso höher sein, desto kürzer diese angelegt 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.
Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches das erfindungsgemäße elektronische Speichermedium mit dem besagten Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält, umfasst.
Schließlich betrifft die Erfindung auch einen Sensor zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils einer molekularen Messgaskomponente und/oder einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, wobei der Sensor ein Sensorelement zum Erfassen des mindestens einen Anteils des Gases in dem Messgasraum, ein Heizelement zum Beheizen des Sensorelements und eine elektrische Spannungsquelle zum Anlegen einer elektrischen Heizspannung an das Heizelement aufweist, wobei eingerichtet ist zum:
Anlegen einer ersten Heizspannung, falls zu einem ersten Zeitpunkt eine erste Temperaturmessung gültig ist,
Anlegen einer zweiten Heizspannung, falls zu einem zweiten Zeitpunkt, der dem ersten Zeitpunkt nachfolgt, eine zweite Temperaturmessung ungültig ist, und
Anlegen einer dritten Heizspannung, falls zu dem zweiten Zeitpunkt und mindestens einem dritten Zeitpunkt, der dem zweiten Zeitpunkt nachfolgt, eine dritte Temperaturmessung ungültig ist.
Der Sensor ist weiterhin eingerichtet zum Anlegen der ersten Heizspannung, der zweiten Heizspannung und/oder der dritten Heizspannung, falls eine Temperatur des Sensorelements unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts ist.
Der Sensor kann weiterhin ein Steuergerät nach einer der zuvor oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen umfassen.
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 Bräunling, 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 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 der Diffusionsbarriere kann beispielsweise eine Schicht aus einem Material verstanden werden, welche eine Strömung des Gases und/oder eines Fluids und/oder des Gasgemischs und/oder der Gaskomponente unterdrückt, währenddessen die Schicht eine Diffusion des Gases und/oder des Fluids und/oder des Gasgemischs und/oder der Gaskomponente und/oder von Ionen fördert.
Unter dem Hohlraum kann ein Raum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, welcher zwar baulich von dem Messgasraum separiert ist, welcher aber dennoch mit der Gaskomponente und/oder dem Gasgemisch und/oder dem Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein kann, beispielsweise über mindestens einen Gaszutrittsweg und/oder über die Diffusionsbarriere. Bei dem Hohlraum kann es sich beispielsweise um eine Kammer handeln. Die Vorrichtung kann mindestens einen Referenzgasraum und/oder mindestens einen Referenzgaskanal umfassen. Bei dem Festelektrolyten kann es sich bevorzugt um einen ionenleitenden Festelektrolyten handeln. Über die Diffusionsbarriere, insbesondere zu dem Hohlraum hin, kann bevorzugt ein Gasaustausch, insbesondere des Gases und/oder zumindest eines Teils des Gases, möglich sein, bevorzugt durch Diffusion.
Die Bezeichnungen "erste", "zweite" usw. dienen als reine Bezeichnungen und begrifflichen Unterscheidung von Bauteilen und Merkmalen. Diese Angaben sollen insbesondere keinen Aufschluss über eine Reihenfolge, Gewichtung oder, ob beispielsweise noch weitere Bauteile oder Merkmale dieser Art vorhanden sind, geben.
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 Sensors,
Figur 2 ein Blockdiagramm der Signalverarbeitung zur Kompensation der Sensoralterung gemäß einer Ausführungsform,
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensors 100, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist.
Der Sensor 100 ist zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum ausgebildet. Lediglich beispielhaft ist der Sensor 100 zum Nachweis mindestens eines Anteils einer molekularen Messgaskomponente und/oder einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff, im Folgenden beispielhaft als Stickoxid NOx bezeichnet, in einem Gasgemisch, beispielhaft einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, eingerichtet. Der Sensor 100 umfasst hierzu ein Sensorelement 110. Das Sensorelement 114 weist eine erste Pumpzelle 112 auf, welche zwischen einer äußeren Pumpelektrode 114 und einer inneren Pumpelektrode 116 ausgebildet ist, wobei die Pumpelektroden 114, 116 durch einen Festelektrolyten 117 miteinander verbunden sind. Die äußere Pumpelektrode 114, welche mittels einer porösen Aluminiumoxidschicht 118 von der Umgebung des Sensors 100 getrennt ist, verfügt hierbei über eine erste elektrisch leitende Verbindung 120, über welche sich ein erster Pumpstrom IPI in der ersten Pumpzelle 112 erzeugen lässt. Die elektrisch leitende Verbindung 120 ist hierzu mit einem Anschluss PI eines elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Das Steuergerät 122 kann Teil des Sensors 100 oder mit diesem verbunden sein. Um einen vollständigen Stromkreis zu erhalten, verfügt die innere Pumpelektrode 116 ebenfalls über eine elektrisch leitende Verbindung 124, welche zu einem gemeinsamen Anschluss COM des elektronischen Steuergeräts 122 führt. Die erste Pumpzelle 112 liegt an einem ersten Hohlraum 126 an, der sich im Inneren des Sensorelements 110 befindet, und mit dem Messgas in Verbindung steht. Durch Erzeugen des ersten Pumpstroms IPI in der ersten Pumpzelle 112 lässt sich ein erster Anteil von Sauerstoffionen, welche aus molekularem Sauerstoff aus dem Gasgemisch gebildet werden, zwischen dem ersten Hohlraum 126 und der Umgebung des Sensors 100 transportieren. In dem Eintrittsweg aus der Umgebung zu dem ersten Hohlraum 126 sind zwei Diffusionsbarrieren 128 vorhanden.
Das Sensorelement 110 weist verfügt weiterhin eine elektrische Referenzzelle 130 auf, welche eine Nernst- Elektrode 132 und eine Referenzelektrode 134 aufweist. Während die Nernst- Elektrode 132 über eine elektrisch leitende Verbindung 124 zusammen mit der inneren Pumpelektrode 116 zu dem gemeinsamen Anschluss COM verfügt, weist die Referenzelektrode 134 eine gesonderte elektrisch leitende Verbindung 136 zu einem Anschluss Vs des externen elektronischen Steuergeräts 122 für die Nernstspannung Vs auf. Die Referenzzelle 130 liegt an einem Referenzgasraum 138 an. Ein zweiter Anteil der Sauerstoffionen aus dem Messgasraum 126 und/oder aus der Umgebung des Sensors 100 wird in den Referenzgasraum 138 durch Anlegen eines Referenz- Pumpstroms zwischen dem Anschluss Vs und dem gemeinsamen Anschluss COM transportiert. Hierbei wird der Wert für den Referenz-Pumpstrom derart eingestellt, dass sich ein festgelegter Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ausbildet. Vorzugsweise wird in diesem Zusammenhang auch der Wert für den ersten Pumpstrom IPI derart eingestellt, dass sich ein festgelegtes Verhältnis zwischen dem ersten Anteil der Sauerstoffionen in dem Messgasraum 126 und dem zweiten Anteil der Sauerstoffionen in dem Referenzgasraum 138 ergibt. Die in dem Gasgemisch weiterhin enthaltene Messgaskomponente Stickoxid NOX mit dem gebundenen Sauerstoff gelangt, insbesondere durch Diffusion, weitgehend unbeeinflusst in eine zweite Pumpzelle 140 des Sensorelements 110, welche auch als „NOx-Pumpzelle“ bezeichnet werden kann. Die zweite Pumpzelle 140 weist eine NOx-Pumpelektrode 142 und eine NOX- Gegenelektrode 144 auf und liegt an einem zweiten Hohlraum 145 im Inneren des Sensorelements 110 an. Der zweite Hohlraum 145 ist von dem ersten Hohlraum 126 durch eine der Diffusionsbarrieren 128 getrennt. Wenigstens eine der beiden Elektroden NOx-Pumpelektrode 142 und/oder NOx-Gegenelektrode 144 sind derart ausgestaltet, dass bei Anlegen einer Spannung mittels Katalyse aus der Messgaskomponente NOX weiterer molekularer Sauerstoff erzeugt werden kann, welcher in der zweiten Pumpzelle 140 gebildet wird.
Während die NOx-Pumpelektrode 142 eine elektrisch leitende Verbindung 146 aufweist, welche zu dem gemeinsamen Anschluss COM führt, weist die NOx- Gegenelektrode 144 eine elektrisch leitende Verbindung 146 auf, über welche ein zweiter Pumpstrom I P2 an die zweite Pumpzelle 140 angelegt werden kann. Die elektrisch leitende Verbindung 146 ist hierzu mit einem Anschluss P2 des externen elektronischen Steuergeräts 122 verbunden. Bei Anlegen eines zweiten Pumpstroms I P2 an die zweite Pumpzelle 140 wird ein Anteil von weiteren Sauerstoffionen, welche aus dem weiteren molekularen Sauerstoff gebildet wurden, in den Referenzgasraum 138 transportiert.
Das Sensorelement 110 verfügt weiterhin über ein Heizelement 148, welches mittels zweier Zuleitungen 150 mit Anschlüssen HTR+ und HTR- des Steuergeräts 122 verbunden ist, über welche ein Heizstrom in das Heizelement 148 eingebracht werden kann, welches mittels Erzeugen einer Heizleistung das Sensorelement 110 auf die gewünschte Temperatur bringen kann. Zu diesem Zweck weist der Sensor 100 eine elektrische Spannungsquelle 152 zum Anlegen einer elektrischen Heizspannung UH an das Heizelement 148 auf. Die elektrische Spannungsquelle 152 wird von dem Steuergerät 122 gesteuert bzw. geregelt und ist zu diesem Zweck mit diesem verbunden.
Bei dem Betrieb des Sensors 100 werden ein erster Pumpstrom I PI der ersten Pumpzelle 112 und eine an die erste Pumpzelle 112 angelegte Spannung UPI erfasst. Ein die Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff anzeigendes Messsignal des Sensorelements 110 wird basierend auf einem zweiten Pumpstrom I P2 der zweiten Pumpzelle 140 ermittelt.
Nachstehend wird ein Verfahren zum Betreiben des Sensors beschrieben. Das Verfahren kann computerimplementiert sein. Es wird explizit betont, dass die nachfolgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden, falls eine Temperatur des Sensorelements unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts ist. Mit anderen Worten erfolgt insbesondere das Anlegen einer Heizspannung UH an das Heizelement 148, falls eine Temperatur des Sensorelements 110 unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts ist, und somit von dem Regelalgorithmus für das Heizelement 148 angefragt wird. Die Temperatureinstellung des Sensorelements 110 erfolgt dabei geregelt. Dabei ist der geregelte Anteil standardmäßig auf ca. 2,5 V begrenzt. Mit einem typischen Vorsteuerungsanteil von < 8 V kann im geregelten Betrieb eine vorbestimmte begrenzte Heizspannung Uniim von 10,5 V angefordert werden. Entsprechend dem überwiegenden Anteil der Herstellervorgaben ist jedoch eine effektive Heizspannung Unmax von beispielsweise 12 V erlaubt. Die Temperatur wird dabei regelmäßig gemessen. Beispielsweise ist eine Abtastrate für eine Temperaturmessung mindestens 4 ms. Die Abtastrate des Innenwiderstands der Sondenkeramik bei der Verwendung eines ASIC liegt typischerweise bei 5 ms. Für analoge Schaltungen, die z.B. für die binäre Lambdasonde eingesetzt liegt die Abtastrate bei 300-600 ms.
Falls zu einem ersten Zeitpunkt eine erste Temperaturmessung gültig ist und somit eine Temperatur des Sensorelements 110 bekannt ist, wird eine erste Heizspannung UHI angelegt. Die erste Heizspannung UHI ist eine maximal zulässige Heizspannung Unmax, d.h. eine Heizspannung mit einem Wert, der vom Hersteller des Sensors 100 als maximal zulässig angegeben wird. Beispielsweise ist die erste Heizspannung UHI 12 V. Die erste Heizspannung UHI wird für einen vorbestimmten, kurzen Zeitraum von 200 ms bis 2000 ms, bevorzugt 300 ms bis 1800 ms und noch bevorzugter 400 ms bis 1200 ms angelegt, wie beispielsweise 600 ms. Falls zu einem zweiten Zeitpunkt, der dem ersten Zeitpunkt nachfolgt, eine zweite Temperaturmessung ungültig ist, beispielsweise, weil sie ausfällt, wird eine zweite Heizspannung UH2 angelegt. Die erste Heizspannung Um ist größer als die zweite Heizspannung UH2. Die zweite Heizspannung UH2 ist eine vorbestimmte begrenzte Heizspannung Umim. Beispielsweise ist die zweite Heizspannung UH2 10,5 V, was sich aus einem maximalen Vorsteuerungsanteil von 8 V und einem geregelten Anteil von 2,5 V ergibt.
Falls zu dem zweiten Zeitpunkt die zweite Temperaturmessung gültig ist, wird (weiterhin) die erste Heizspannung Um angelegt. So erfolgt das Anlegen der ersten Heizspannung Um solange, bis zu dem zweiten Zeitpunkt die zweite Temperaturmessung ungültig ist.
Falls zu dem zweiten Zeitpunkt und mindestens einem dritten Zeitpunkt, der dem zweiten Zeitpunkt nachfolgt, eine dritte Temperaturmessung ungültig ist, wird eine dritte Heizspannung UH3 angelegt. Die zweite Heizspannung UH2 ist größer als die dritte Heizspannung UH3. Die dritte Heizspannung UH3 ist eine Vorsteuerungs-Heizspannung UHmaP, d.h. eine Heizspannung entsprechend dem Vorsteuerungsanteil. Die dritte Heizspannung UH3 ist beispielsweise kleiner als oder gleich 8 V.
Bei dem Verfahren kann weiterhin die erste Heizspannung Um (wieder) angelegt werden, falls zu dem dritten Zeitpunkt die dritte Temperaturmessung oder zu einem vierten Zeitpunkt, der dem dritten Zeitpunkt nachfolgt, eine vierte Temperaturmessung gültig ist.
Das aktuelle Limit für die Heizspannung gemäß dem Stand der Technik entspricht hierbei Umim = 10,5 V. Bei einem zeitlichen Verhältnis der maximal zulässigen Heizspannung UHMBX ZU Uijm von 1:1 kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der effektiv erreichbare Energieeintrag E um 15% erhöht werden, wie sich aus folgender Rechnung ergibt: Etot = (Emax * 0.5 + Eiim *0,5) / Eiim = (122 * 0.5 + 10.52 * 0.5) / 10.52 = 1,153. Dabei ist Etot der gesamte Energieeintrag, Emax der maximal zulässige Energieeintrag und Eümit das Limit für den Energieeintrag. Die Umsetzung erfolgt mittels unterschiedlicher zeitlicher Entprellung, welche mit einem neuen Temperaturmesswert zurückgesetzt wird. Je nachdem wieviel Zeit seit dem letzten Messwert vergangen ist, wird die Heizspannungsregelung entsprechend der kalibrierbaren Limitierung begrenzt. Hierbei sind auch mehr als zwei Abstufungen entsprechend dem nachstehenden Beispiel denkbar.
Figur 2 zeigt einen beispielhaften Heizspannungsverlauf. Auf der X-Achse 154 ist die Zeit in s aufgetragen. Auf der Y-Achse 156 ist die Heizspannung in V aufgetragen. Die Kurve 158 ist der beispielhafte zeitliche Heizspannungsverlauf. In einem ersten Bereich 160 ist beispielsweise jeder zweite Messwert der Temperaturmessung gültig. Daher erfolgt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Wechsel zwischen erster Heizspannung Um, d.h. der maximal zulässigen Heizspannung UHmax, und der zweiten Heizspannung Um, d.h. der vorbestimmte begrenzten Heizspannung Umim. In einem zweiten Bereich 162 ist jeder Messwert gültig. Daher wird für den gesamten Zeitraum, für den die Messwerte der Temperaturmessung gültig sind, die erste Heizspannung Um an das Heizelement 148 angelegt. In einem dritten Bereich 164 gibt es für längere Zeit keinen neuen gültigen Messwert. Daher wird die Heizspannung zuerst auf die zweite Heizspannung Um und anschließend auf die dritte Heizspannung Um, d.h. die Vorsteuerungs-Heizspannung UHmaP, abgesenkt. In einem vierten Bereich 166, das einem ersten gültigen Messwert der Temperaturmessung nach einem Absenken der Heizspannung entspricht, erfolgt ein (Wieder-)Anheben auf die erste Heizspannung Um.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils einer molekularen Messgaskomponente und/oder einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, wobei der Sensor (100) ein Sensorelement (110) zum Erfassen des mindestens einen Anteils des Gases in dem Messgasraum, ein Heizelement (148) zum Beheizen des Sensorelements (110) und eine elektrische Spannungsquelle (152) zum Anlegen einer elektrischen Heizspannung (UH) an das Heizelement (148) aufweist, wobei das Verfahren umfasst:
Anlegen einer ersten Heizspannung (UHI), falls zu einem ersten Zeitpunkt eine erste Temperaturmessung gültig ist,
Anlegen einer zweiten Heizspannung (UH2), falls zu einem zweiten Zeitpunkt, der dem ersten Zeitpunkt nachfolgt, eine zweite Temperaturmessung ungültig ist, und
Anlegen einer dritten Heizspannung (UHS), falls zu dem zweiten Zeitpunkt und mindestens einem dritten Zeitpunkt, der dem zweiten Zeitpunkt nachfolgt, eine dritte Temperaturmessung ungültig ist, wobei die erste Heizspannung (UHI), die zweite Heizspannung (UH2) und/oder die dritte Heizspannung (UHS) angelegt wird, falls eine Temperatur des Sensorelements (110) unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts ist.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, wobei die erste Heizspannung (UHI) größer als die zweite Heizspannung (UH2) ist, wobei die zweite Heizspannung (UH2) größer als die dritte Heizspannung (UHS) ist.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Heizspannung (UHI) eine maximal zulässige Heizspannung ist, wobei die zweite Heizspannung (UH2) eine vorbestimmte begrenzte Heizspannung ist, wobei die dritte Heizspannung (Um) eine Vorsteuerungs-Heizspannung ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend Anlegen der ersten Heizspannung (Um), falls zu dem zweiten Zeitpunkt die zweite Temperaturmessung gültig ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend Anlegen der ersten Heizspannung (Um) solange bis zu dem zweiten Zeitpunkt die zweite Temperaturmessung ungültig ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, weiterhin umfassend Anlegen der ersten Heizspannung (Um), falls zu dem dritten Zeitpunkt die dritte Temperaturmessung oder zu einem vierten Zeitpunkt, der dem dritten Zeitpunkt nachfolgt, eine vierte Temperaturmessung gültig ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Heizspannung (Um) für einen vorbestimmten Zeitraum von 200 ms bis 2000 ms, bevorzugt 300 ms bis 1800 ms und noch bevorzugter 400 ms bis 1200 ms angelegt wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Abtastrate für eine Temperaturmessung mindestens 4 ms ist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Heizspannung (Um) 12 V bis 14 V ist, wobei die zweite Heizspannung (Um) 9,0 V bis 11,5 V ist, wobei die dritte Heizspannung (Um) kleiner als oder gleich 9 V ist. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist. Elektronisches Steuergerät (122), welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst. Sensor (100) zum Bestimmen mindestens eines Anteils eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere zum Nachweis mindestens eines Anteils einer molekularen Messgaskomponente und/oder einer Messgaskomponente mit gebundenem Sauerstoff in einem Messgas, wobei der Sensor (100) ein Sensorelement (110) zum Erfassen des mindestens einen Anteils des Gases in dem Messgasraum, ein Heizelement (148) zum Beheizen des Sensorelements (110) und eine elektrische Spannungsquelle (152) zum Anlegen einer elektrischen Heizspannung (UH) an das Heizelement (148) aufweist, wobei eingerichtet ist zum:
Anlegen einer ersten Heizspannung (UHI), falls zu einem ersten Zeitpunkt eine erste Temperaturmessung gültig ist,
Anlegen einer zweiten Heizspannung (UHI), falls zu einem zweiten Zeitpunkt, der dem ersten Zeitpunkt nachfolgt, eine zweite Temperaturmessung ungültig ist, und
Anlegen einer dritten Heizspannung (UHI), falls zu dem zweiten Zeitpunkt und mindestens einem dritten Zeitpunkt, der dem zweiten Zeitpunkt nachfolgt, eine dritte Temperaturmessung ungültig ist, wobei der Sensor (100) weiterhin eingerichtet ist zum Anlegen der ersten Heizspannung (UHI), der zweiten Heizspannung (UH2) und/oder der dritten Heizspannung (UHS), falls eine Temperatur des Sensorelements (110) unterhalb eines vorbestimmten Schwellwerts ist. Sensor (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, weiterhin umfassend ein Steuergerät (122) nach Anspruch 13.
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