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WO2012034761A1 - Verfahren zur bestimmung einer eigenschaft eines gases in einem messgasraum - Google Patents

Verfahren zur bestimmung einer eigenschaft eines gases in einem messgasraum Download PDF

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WO2012034761A1
WO2012034761A1 PCT/EP2011/062816 EP2011062816W WO2012034761A1 WO 2012034761 A1 WO2012034761 A1 WO 2012034761A1 EP 2011062816 W EP2011062816 W EP 2011062816W WO 2012034761 A1 WO2012034761 A1 WO 2012034761A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
pumping
gas
change
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2011/062816
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lothar Diehl
Thomas Seiler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2012034761A1 publication Critical patent/WO2012034761A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/02—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being an exhaust gas sensor

Definitions

  • Solid electrolyte materials are yttria-stabilized zirconia (YSZ) and / or scandium-doped zirconia (ScSZ). Examples of devices of the type mentioned are described in Robert Bosch GmbH: Sensors in motor vehicles, edition 2007, pages 154-159.
  • the at least one property of the gas may in particular be a fraction of a gas component of the gas, which can be determined qualitatively and / or quantitatively.
  • a gas component of the gas which can be determined qualitatively and / or quantitatively.
  • Oxygen content can be determined.
  • the share can be in the form of a
  • Percentage and / or in the form of a partial pressure can also be determined, for example physical and / or chemical properties.
  • Jump probes also called broadband lambda probes.
  • broadband lambda probes exist in a single-cell configuration or in multicellular
  • Limit current determines which is established by the cell.
  • the pumping current is at least approximately proportional to the 0 2 - or fat gas content in the exhaust gas.
  • the measurement of the cavity concentration is usually based on the determination of a Nernst voltage between a Nernst electrode in the cavity and an oxygen-purged reference electrode in a reference space. From the prior art, it is generally known to influence the target Nernst voltage, for example to lower permanently or to set a higher Nernst voltage. From DE 10 2005 056 515 A1, a method is also known in which a
  • Gas composition or a gas type of a lambda probe supplied gas is detected by means of a modulated measurement gas change.
  • the sensitivity of the probe for various gases is periodically changed by periodically adjusting the air ratio in the cavity of the lambda probe.
  • a technical challenge of known devices and methods basically consists in the fact that it can lead to a passivation of the inner pumping electrode arranged in the cavity.
  • Such passivations can be caused, for example, by chromium deposition and / or by platinum segregation and / or by other processes which increase the activity and / or the number of
  • a method and a sensor device for detecting at least one property of a gas in a measurement gas space are proposed, which at least largely avoid the disadvantages of known methods and sensor devices.
  • the method and the sensor device can be used, in particular, to qualitatively and / or quantitatively detect a proportion of at least one gas component in the gas, for example a percentage and / or a partial pressure of the gas component, which in particular can be oxygen.
  • at least one sensor element is used, wherein the sensor element comprises at least one pump cell with at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode and / or the second electrode may, for example, be designed as cermet electrodes, for example as platinum cermet electrodes.
  • the solid electrolyte can basically be any body with ion-conducting
  • this may be a solid.
  • the solid electrolyte may be a ceramic solid electrolyte or may comprise a ceramic solid electrolyte.
  • the solid electrolyte may also comprise one or more other materials having ion-conducting properties, for example one or more polymers.
  • the solid electrolyte can be a ceramic solid electrolyte or may comprise a ceramic solid electrolyte.
  • the solid electrolyte may also comprise one or more other materials having ion-conducting properties, for example one or more polymers.
  • the solid electrolyte can be a ceramic solid electrolyte or may comprise a ceramic solid electrolyte.
  • the solid electrolyte may also comprise one or more other materials having ion-conducting properties, for example one or more polymers.
  • the solid electrolyte can be a ceramic solid electrolyte or may comprise a ceramic solid electrolyte.
  • the solid electrolyte may also comprise one or more other materials having ion-conducting properties, for example one or more polymers.
  • a zirconia-based solid electrolyte for example, YSZ and / or ScSZ.
  • the method is performed such that the property is deduced from a pumping current through the pumping cell, for example, the oxygen content in the
  • the measuring gas chamber may in particular be an exhaust gas tract of an internal combustion engine, and the gas may be an exhaust gas of the
  • the pumping cell is operated or controlled using at least one reference variable.
  • the second electrode may be arranged in an electrode cavity.
  • a Nernst voltage between a measuring electrode which is likewise arranged in the electrode cavity and which may be configured as identical with the second electrode or which may be designed as a separate measuring electrode, and a reference electrode arranged in a reference gas space, for example a reference gas channel, and Actual value can be used.
  • This actual value of the Nernst voltage can with a
  • predetermined setpoint of a Nernst voltage are compared as a reference variable, and the pumping current through the pumping cell can be adjusted such that a
  • Control difference between the actual value and the reference variable disappears.
  • Robert Bosch GmbH Sensors in
  • Pump cell however, also controlled using other control variables, control variables or reference variables and / or controlled operated.
  • a pumping current can be regulated by the pumping cell to a predetermined value.
  • the method furthermore comprises at least one control step, which can likewise be carried out simply, repeatedly or even over a relatively long period of time.
  • At least one control step can be followed by at least one measuring step, after which a second measuring step can again follow.
  • measuring step and control step can be carried out alternately.
  • other embodiments are possible in principle.
  • the reference variable is changed.
  • This change can take place, for example, by a predetermined amount, for example by changing a setpoint Nernst voltage U NS O II by, for example, a predetermined amount, in particular increasing it.
  • a desired pumping voltage Up.soii and / or a desired pumping current I P , S oii can also be changed.
  • the change in the reference variable can be done once or several times.
  • the change can also be repeated, with the same change or an adapted change.
  • Reference variable also oscillating done, for example periodically oscillating.
  • the adaptation can then take place, for example, such that the mean value of the oscillation of the reference variable is set in such a way, for example by a
  • Control device that the resulting change in the pumping current, for example, the resulting pumping current amplitude or amplitude of the change in the pumping current, a predetermined threshold, for example, 20 ⁇ , does not exceed. Furthermore, in the control step, a change in the pumping current I p is detected by the pumping cell. In other words, the change in pumping current in
  • Reaction to the change in the reference variable can be detected.
  • This change can be detected as an absolute change or in the form of a temporal evolution of the pumping current. Also other ways of quantifying the
  • Change is possible, such as detecting a change over a period of time.
  • the method can be carried out in such a way that the reference variable in the measuring step is adapted, in particular increased, if the change in the pumping current in the control step no longer satisfies at least one threshold condition. For example, it can be queried in this control step, whether the pumping current reaches at least a predetermined threshold, exceeds or falls below. For example, it is possible to query whether the pumping current or a characteristic variable derived therefrom or the change in the pumping current or the magnitude thereof are smaller than a predefined threshold value, smaller than or equal to a predefined threshold value
  • Threshold or similar threshold conditions can be set.
  • the threshold condition can be adapted in particular such that a in the
  • the method can be carried out in such a way that an on-board
  • Control step which is also referred to as a test phase, by a defined amount, for example by 20 to 400 mV, in particular by 100 to 300 mV and particularly preferably by 200 mV, briefly increased, for example by a period of 0.5 to 10 s, in particular a period of 0.8 to 2 s and more preferably for a period of 1 s. If, in this case, the pump current I P increases by at least one threshold value or by more than one threshold value, a new regulation setpoint value of the
  • Nernst voltage U NS O II are stored in a control electronics.
  • the threshold may be 50 ⁇ to 400 ⁇ , in particular 100 ⁇ to 300 ⁇ and more preferably 200 ⁇ .
  • the control setpoint of the Nernst voltage can be raised, for example, by 20 mV to 400 mV, in particular by 100 mV to 300 mV and particularly preferably by 200 mV.
  • the adjustment of the reference variable can be simple or iterative. If an iterative adaptation, for example, the reference variable can be increased or decreased so many times by one or more predetermined amounts, which can be adapted to the number of steps and / or, for example, increasingly smaller, until the change in the pumping current in the Control step that meets at least one threshold condition.
  • one or more further measures can be taken, alternatively or in addition to a change in the reference variable or an adjustment of the reference variable.
  • a regeneration step can be initiated.
  • Regeneration steps may include various measures involving the
  • a regeneration step may include a pump flow reversal by the pump cell. Such pumping current reversal can be initiated for example for a certain period of time. Alternatively or additionally, for example, temperature increases or other measures for the regeneration of one or more of the electrodes come into consideration, for example, by the sensor element is temporarily exposed to a rich exhaust gas.
  • the method can be carried out in particular such that the first electrode and / or the second electrode are acted upon with gas from the measurement gas space or can be acted upon.
  • the sensor element may be configured such that the first electrode and / or the second electrode are in communication with the measurement gas space directly or via a gas-permeable protective layer.
  • the first electrode and / or the second electrode may also be connected to the measuring gas space by at least one diffusion barrier.
  • the first electrode and / or the second electrode may be disposed on a surface of the
  • Sensor element may be arranged or in an electrode cavity in the interior of the Sensor element, which via the at least one diffusion barrier with the
  • the at least one diffusion barrier can, for example, protect the first electrode and / or the second electrode from contamination and / or set a limiting current of the pump cell.
  • one or more of the electrodes may be in communication with a reference gas space.
  • the second electrode may be an electrode in communication with a reference gas space, while, for example, the first electrode may be supplied with gas from the measurement gas space.
  • the second electrode can for example be arranged directly in the reference gas space or communicate with this reference gas space in another way.
  • the reference gas space is a gas space in which a defined gas atmosphere can be established. For example, this can be a closed cavity, which can be acted upon by a pumping process with a defined atmosphere.
  • the reference gas space may also comprise at least one reference gas channel, for example an air reference channel, which may be connected to an environment of the sensor element, for example, which may be formed separately from the sample gas space.
  • a reference gas channel for example an air reference channel
  • the sensor element for example, which may be formed separately from the sample gas space.
  • Embodiment in which the second electrode is in communication with at least one reference gas space can be used in particular in a single-cell sensor structure.
  • other sensor structures are basically possible.
  • the second electrode or at least one of the second electrodes can also be arranged in an electrode cavity. This electrode cavity can be formed, for example, separated from the sample gas space by the solid electrolyte.
  • the electrode cavity may be configured as a cavity in which a defined by the above-described control or regulating method
  • Gas atmosphere or gas composition to be set for example, a defined lambda value.
  • a defined lambda value for this purpose, in the electrode cavity
  • At least one measuring electrode may furthermore be arranged, for example at least one Nernst electrode.
  • This at least one measuring electrode may be wholly or partially component identical to the second electrode or electrically to the second Electrode be connected, which is particularly preferred in the context of the present invention and as described for example in Robert Bosch GmbH: sensors in
  • Nernstelektrode be used for a Nernstschreibshunt, makes the inventive prevention or the inventive compensation of
  • Electrode polarization particularly advantageous noticeable may also be formed separately from the second electrode.
  • Other embodiments are possible.
  • the pumping cell can be operated in the measuring step, in particular in a limiting current operation.
  • a limiting current is to be understood as meaning the saturation current for a specific composition of the gas which sets in the pump current-voltage characteristic.
  • the pumping voltage can in particular be selected such that the pumping current is in the saturation region, as is common in many broadband probes.
  • the command variable can, as described above, be configured in various ways.
  • the reference variable can be at least one nominal value of a
  • a desired Nernst voltage can be specified as a reference variable, which is measured, for example, between the second electrode and a reference electrode, which can be arranged, for example, in a reference gas space in the manner described above.
  • the first electrode can in particular be charged with gas from the measuring gas space, as stated above.
  • the sensor element may further comprise at least one reference electrode in at least one reference gas space, wherein a
  • Nernst voltage U N between the second electrode and the reference electrode can be detected.
  • the measuring step as stated above, in particular the
  • a nominal Nernst voltage U N.Soll 3lS reference variable In the control step can, as stated above, in particular the desired Nernst voltage U NS O II be changed by a value ⁇ UN.S O II, in particular be increased, the change ⁇ ⁇ of the pump current is detected and compared with at least one threshold.
  • the nominal Nernststpan Vietnamese can for example be changed, in particular be increased if the change ⁇ ⁇ reaches or exceeds the threshold.
  • the desired Nernst voltage U NS O II can be changed by one or more predetermined amounts, wherein the amounts can be fixed or can for example be adapted to the iteration of the method, for example, iteratively smaller can be selected when the change ⁇ ⁇ of the pump current approaches the threshold.
  • the reference variable may also include a pump voltage U P , for example a desired pump voltage.
  • this pumping voltage can be changed by a value ⁇ ⁇ , wherein the change ⁇ ⁇ of the pumping current can be detected in response to this change in the pumping voltage and can be compared with at least one threshold.
  • the pump voltage can then be changed, in particular increased, if the change ⁇ ⁇ at least reaches or exceeds the threshold value. In this way, for example, unicellular sensor elements can be operated with the proposed method.
  • the reference variable may also include a pumping current I p .
  • the pumping current can be changed by a value ⁇ ⁇ .
  • a change AU P of a pump voltage and / or a change AU N of a Nernst voltage can be detected and compared with at least one threshold value.
  • the pumping current can be changed, in particular increased, if the changes AU P or AU N exceed or do not fall below the threshold value.
  • a sensor device for detecting at least one property of a gas in a sample gas space
  • Sensor device may include corresponding devices to perform one, several or all of the substeps of the method described above.
  • Sensor device comprises at least one sensor element, in particular at least one ceramic sensor element.
  • the sensor element comprises at least one pump cell at least one first electrode, at least one second electrode and at least one connecting the first electrode and the second electrode
  • the sensor device further comprises at least one controller connected to the sensor element or at least connectable.
  • the controller can be set up centrally or else decentrally and can include, for example, one or more data processing devices.
  • the control can also be completely or partially integrated in a central motor control or also be integrated in whole or in part in the sensor element and / or a plug.
  • the controller is arranged to close the property from pumping current through the pumping cell.
  • the controller may for this purpose comprise at least one application device, for example at least one voltage source and / or current source, with at least one pump cell
  • the controller may, for example, further comprise at least one measuring device, for example at least one current measuring device and / or one
  • Voltage measuring device for example, to measure the pumping current through the pumping cell.
  • the controller is furthermore set up to operate or control the pumping cell in at least one measuring step using at least one reference variable.
  • the controller may, for example, at least one
  • Voltage control and / or at least one current control and / or at least one voltage control and / or at least one current control include, which may be connected, for example, with the pumping cell.
  • the controller is further configured to change in at least one control step, the reference variable and to detect a change in the pumping current.
  • the controller can be set up in terms of programming in order to carry out the checking step and to carry out the corresponding changes or measurements.
  • the controller can, for example, comprise at least one measuring device, as stated above.
  • the proposed method and the proposed sensor device have numerous advantages over known methods and devices. Thus, these can be used in particular for reliable on-board compensation of a change in one or more of the electrodes of the sensor element. In this way it is possible to reliably prevent or at least reduce a change in the measured value and / or a signal distortion which can occur as a result of aging.
  • Figure 1 shows an embodiment of a sensor device according to the invention
  • FIG. 2 shows pump current-pump voltage characteristic curves and Nernst voltage
  • FIG. 1 shows by way of example an embodiment of an inventive device
  • Sensor device 1 10 for detecting at least one property of a gas in a measuring gas chamber 1 12 shown.
  • the sensor device 110 includes a
  • Sensor element 114 and a controller 118 connected to the sensor element 114 via an interface and / or another connection 116.
  • the sensor element 1 14 comprises in the illustrated embodiment, a first electrode 120, which is also referred to below as APE (outer
  • the first electrode 120 may, for example, by a gas-permeable Protective layer 122 to be separated from the sample gas space 112.
  • the sensor element 1 14 comprises a second electrode 124, which in the illustrated
  • Embodiment is disposed in an electrode cavity 126 and which accordingly can also be referred to as inner pumping electrode (IPE).
  • the electrode cavity 126 is connected via a gas inlet hole 128 and a diffusion barrier 130, which limits subsequent diffusion of oxygen and / or gas, with the
  • the second electrode 124 is connected to the first electrode 120 via a solid electrolyte 123.
  • the first electrode 120, the solid electrolyte 123 and the second electrode 124 together form a pumping cell 125.
  • the sensor element 1 14 in the illustrated embodiment comprises a third electrode 132, which is also referred to as a reference electrode (RE) and which in a
  • Reference gas space 134 is arranged.
  • the reference gas space 134 which may be designed to be open or which may also be completely or partially filled with a gas-permeable, porous material 136 as shown in FIG. 1, may be configured, for example, as a reference gas channel 138, for example as an air reference channel.
  • the second electrode 124, the solid electrolyte 123 and the third electrode 132 together form a Nernst cell 139.
  • the interface 116 preferably comprises electrode leads 140, 142 and 144 to the first electrode 120, the second electrode 124 and the third electrode 132 In the illustrated embodiment, a control device 146.
  • a Nernst voltage between the IPE 124 and the RE 132 can be set or adjusted to a nominal Nernstschreib UN, S O II 3ls reference variable 148.
  • the controller 1 18 for this purpose include an adjustable voltage source 150 for setting the target Nernstschreib.
  • one end of the voltage source 150 and the electrode lead 142 of the second electrode 124 may be connected to electrical ground 152 such that the one provided via the electrode lead 144 of the third electrode 132
  • Nernst voltage U N (actual value) and the target Nernst voltage U N, soii (setpoint) in a comparison device 154 (for example, a comparator) can be compared with each other to a control difference from a control variable and / or manipulated variable 156 in the form of a pumping voltage U P and or to generate a pumping current I P , which in turn is applied to the APE 120 to adjust an atmosphere corresponding to the reference variable 148 in the electrode cavity 126.
  • the specification of the reference variable 148 for example, by a
  • Data processing device 158 take place in the controller 118, which, for example, affects the adjustable voltage source 150 and / or may include all or part thereof.
  • the controller 1 18 may include one or more measuring devices 160, which may detect, for example, the pumping current I P and / or the pumping voltage U P. The measured values of this measuring device 160 can be provided to the data processing device 158, for example. Alternatively or additionally, the measuring device 160 may also be wholly or partially inserted in the
  • Data processing device 158 be integrated.
  • the data processing device 158 may, for example, be set up in terms of programming in order to carry out a method in accordance with one or more of the method variants described above.
  • Data processing device 158 may include, for example, a microcontroller. Alternatively or additionally, the controller 118 may also be configured in whole or in part as an application-specific integrated circuit (ASIC). Various other configurations are possible.
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • Adjust or regulate electrode cavity 126 In typical
  • control setpoint over the entire life of the sensor device 1 10 is typically 450 mV.
  • the pumping voltage U P is applied to the pumping cell 125 on the horizontal axis.
  • the curve 162 which is assigned to this left vertical axis, denotes a pumping current pumping voltage characteristic of an intact sensor element 14, at which no electrode polarization has yet occurred at the second electrode 124.
  • the dashed curve 164 denotes a pumping current of a polarizing sensor element 114, that is, a sensor element 114, in which at the second electrode 124, the polarization effects described above have occurred. It can be seen that this curve is much flatter and later the
  • the Nernst voltages U N are plotted on the right vertical axis as a function of the pumping voltage U P.
  • the solid line 166 indicates a Nernst voltage of an intact sensor element 114
  • the dashed line 168 indicates a Nernst voltage of a polarizing one
  • Sensor element 1 14 denotes, that is, a sensor element 114, wherein the second electrode 124 has the above-described polarization effects. Starting from these curves 166, 168, the effect outlined above can be described.
  • the Nernst voltage is set to a value U N, soii of 450 mV, which corresponds to the pump voltage U P, i for an intact sensor element 14.
  • the pump current characteristic 162 of such an intact sensor element 1 14 is already in the saturation region at this pump voltage U P, i and has at least approximately the value l s .
  • Electrode lead 144 in Figure 1 already at smaller pump currents l P the value U N, soii of 450 mV. This is illustrated in FIG. 2 in that the Nernst voltage curve 168 of the polarizing sensor element 114 rises considerably earlier than the one
  • the pump cell 125 in at least one measuring step, is controlled or controlled using the reference variable U NS O II and closed from the pumping current on the property of the gas in the sample gas space 1 12, for example, the oxygen partial pressure.
  • the reference variable U NS O II is changed, for example, by a predetermined amount ⁇ N, S O II- The change in the pump current ⁇ ⁇ is detected. In curve 170 in Figure 3, this change is nearly 0 or very small.
  • ⁇ ⁇ divided by ⁇ NS O II is greater than 0.
  • This ⁇ ⁇ (or, which is equivalent to ⁇ ⁇ divided by ⁇ NS O II or, which is also equivalent to l ' P ) may be of at least one threshold be compared. If this at least one threshold is at least reached or exceeded, then it can be concluded that the sensor element 1 14 is no longer intact. In this case, for example, a warning can be issued or the reference variable U NS O II can be adjusted.
  • the reference variable I NS O II can be increased, for example by a predetermined amount. Thereafter, a further control step can be run through and, if appropriate, the setpoint Nernst voltage can be further increased, as long as the above-described threshold condition is still not met and the change ⁇ ⁇ is still too large. In this way it can be achieved that U N is increased in Figure 2 such that U P, 2 so far to the right shifts in Figure 2, that the pumping current l P * approaches the saturation pump current l s .
  • the method can for example be carried out in such a way that in solid
  • Time intervals for example, every 5 hours and / or preferably at a lean exhaust gas condition, preferably - but not necessary - in overrun, the change of the pump current l P detected with an increase of U NS O II and then optionally the target Nernst voltage U NS O II is increased. Then another test cycle, ie a further control step, can be run through and, if appropriate, the setpoint Nernst voltage U N , soii can be further increased. Optionally, further control steps may follow.
  • the change ⁇ ⁇ in a U N.soii increase and subsequent decrease is measured to provide redundancy of the data.
  • Oscillation can be regulated by a control device to a minimum value such that a resulting pump current amplitude does not exceed a certain threshold value, for example 20 ⁇ .
  • the method described above can also be applied to a single-cell lambda probe, for example to a sensor element 1 14, which has only the pumping cell 125.
  • the target Nernst voltage UN , S O II can be replaced by a desired pumping voltage U P, S 0 II. Since the curve 164 in FIG. 2 reaches the saturation l s much later than the intact curve 162, it is likewise possible by means of a
  • Threshold method can be detected in the control step, when the pump cell 125 is no longer running in the limiting current operation.
  • the desired pumping voltage U P, S0 II can be increased, which in turn can also take place in one or more steps, optionally also iteratively and / or oscillatingly.
  • a temperature of the pumping cell 125 can be set to a value of 500 to 800 ° C, in particular to a value of 600 to 700 ° C. Due to this lowered temperature of the sensor element 1 14 and in particular the pumping cell 125, a heating power requirement can be significantly reduced.
  • the amount of catalytically active noble metal in one or more of the electrodes 120, 124 and 132, in particular in the IPE 124, can be significantly reduced with the proposed method and the resulting robustness with respect to electrode polarization.
  • the detection of an electrode polarization in the at least one control step for example by varying the reference variable and in particular the desired Nernst voltage, also in one or more of the above
  • Method as a trigger for a regeneration process for example by means of a temporary pumping current reversal and / or a temporary or permanent
  • Temperature increase and / or a temporary application of grease gas can be used. Such measures generally have a regenerating effect.
  • the change in the reference variable can be carried out in any method according to the invention both in the positive and in the negative direction. So were above in the
  • the proposed method and the proposed sensor device 1 10 are also suitable for other applications.
  • the proposed method can in principle also be applied, for example, to NOx sensors, so that the sensor device 110 can be used, for example, for detecting a proportion of NOx in the measurement gas space 112.
  • Such sensor elements are basically also known from the prior art.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung mindestens einer Gaskomponente in dem Gas. Mindestens ein Sensorelement (114) wird verwendet, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst. Aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) wird auf die Eigenschaft geschlossen. In mindestens einem Messschritt des Verfahrens wird die Pumpzelle (125) unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert betrieben. In mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens wird die Führungsgröße (148) verändert und eine Veränderung des Pumpstroms erfasst.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften von Gasen in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden im Wesentlichen beschrieben unter Bezugnahme auf Vorrichtungen und Verfahren, welche mindestens ein Festelektrolytmaterial verwenden, also ein Material, welches ionenleitende Eigenschaften aufweist, beispielsweise ein keramisches Festelektrolytmaterial. Beispiele derartiger keramischer
Festelektrolytmaterialien sind Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Beispiele von Vorrichtungen der genannten Art sind in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154- 159 beschrieben. Bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases kann es sich insbesondere um einen Anteil einer Gaskomponente des Gases handeln, welcher qualitativ und/oder quantitativ bestimmt werden kann. Insbesondere kann ein
Sauerstoffanteil bestimmt werden. Der Anteil kann beispielsweise in Form eines
Prozentsatzes und/oder in Form eines Partialdrucks angegeben werden. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Eigenschaften des Gases bestimmt werden, beispielsweise physikalische und/oder chemische Eigenschaften.
Bei Vorrichtungen gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik, welche zur Bestimmung eines Sauerstoffanteils in einem Gas eingesetzt werden, die üblicherweise auch als Lambdasonden bezeichnet werden, existieren neben so genannten
Sprungsonden auch so genannte Breitband-Lambdasonden. Derartige Breitband- Lambdasonden existieren in einzelliger Ausgestaltung oder auch in mehrzelliger
Ausgestaltung. Bei einzelligen Lambdasonden wird in der Regel eine in einen
Messhohlraum eindiffundierende Menge an 02 und/oder Fettgas anhand eines
Grenzstroms bestimmt, welcher sich durch die Zelle einstellt. Bei mehrzelligen Breitband- Lambdasonden, wie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158-159 beschrieben, wird der Sauerstoffanteil anhand des zur Regelung einer Hohlraumkonzentration auf λ = 1 notwendigen Pumpstroms gemessen. Der Pumpstrom ist zumindest näherungsweise proportional zum 02- oder Fettgas-Gehalt im Abgas. Die Messung der Hohlraumkonzentration erfolgt in der Regel anhand der Bestimmung einer Nernstspannung zwischen einer Nernstelektrode in dem Hohlraum und einer sauerstoffbespülten Referenzelektrode in einem Referenzraum. Aus dem Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt, die Soll-Nernstspannung zu beeinflussen, beispielsweise dauerhaft abzusenken oder eine höhere Nernstspannung einzustellen. Aus DE 10 2005 056 515 A1 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, bei welchem eine
Gaszusammensetzung bzw. eine Gasart eines einer Lambdasonde zugeführten Gases mittels einer modulierten Messgasänderung erkannt wird. Dabei wird durch periodische Anpassung der Luftzahl im Hohlraum der Lambdasonde die Empfindlichkeit der Sonde für verschiedene Gase periodisch geändert.
Eine technische Herausforderung bekannter Vorrichtungen und Verfahren besteht jedoch grundsätzlich darin, dass es zu einer Passivierung der im Hohlraum angeordneten inneren Pumpelektrode kommen kann. Derartige Passivierungen können beispielsweise durch Chrom-Ablagerung und/oder durch Platin-Segregation hervorgerufen werden und/oder durch andere Prozesse, welche die Aktivität und/oder die Anzahl der
Dreiphasenplätze an der Elektrode reduzieren können. In diesem Fall fällt bei einem bestimmten Pumpstrom lp von der inneren Pumpelektrode (IPE) zur äußeren
Pumpelektrode (APE) eine signifikante Durchtrittsüberspannung an der Grenzfläche zwischen der Elektrode und dem Festelektrolyten ab. Dadurch kann die Soll- Nernstspannung, welche typischerweise bei 450 mV angesetzt wird, bereits bei kleineren Strömen erreicht sein als für die Einregelung von λ = 1 im Elektrodenhohlraum nötig wäre. Die Folge ist ein zu kleiner Pumpstrom, d.h. ein Absinken der Kennlinie Ιρ(λ).
Offenbarung der Erfindung
Es werden dementsprechend ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Verfahren und Sensorvorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden. Das Verfahren und die Sensorvorrichtung können insbesondere eingesetzt werden, um einen Anteil mindestens einer Gaskomponente in dem Gas qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen, beispielsweise einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck der Gaskomponente, bei welcher es sich insbesondere um Sauerstoff handeln kann. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens ein Sensorelement verwendet, wobei das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten umfasst. Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können beispielsweise als Cermet-Elektroden ausgestaltet sein, beispielsweise als Platin-Cermet-Elektroden.
Der Festelektrolyt kann grundsätzlich ein beliebiger Körper mit ionenleitenden
Eigenschaften sein. Insbesondere kann es sich hierbei um einen Festkörper handeln.
Grundsätzlich sind, alternativ oder zusätzlich zu einem Festkörper, jedoch auch Körper in einem anderen Aggregatzustand denkbar, beispielsweise flüssige Elektrolyte.
Insbesondere kann der Festelektrolyt ein keramischer Festelektrolyt sein oder einen keramischen Festelektrolyten umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Festelektrolyt jedoch auch ein oder mehrere andere Materialien mit ionenleitenden Eigenschaften umfassen, beispielsweise ein oder mehrere Polymere. Der Festelektrolyt kann
beispielsweise ein auf eine Zirkoniumdioxid-Basis ausgestalteter Festelektrolyt sein, beispielsweise YSZ und/oder ScSZ. Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle auf die Eigenschaft geschlossen wird, beispielsweise den Sauerstoffanteil in dem
Messgasraum. Bei dem Messgasraum kann es sich insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln, und bei dem Gas um ein Abgas der
Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen und/oder Einsatzzwecke sind jedoch grundsätzlich möglich.
In mindestens einem Messschritt des Verfahrens wird die Pumpzelle unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße geregelt oder gesteuert betrieben. Insbesondere kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, die zweite Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Es kann beispielsweise eine Nernstspannung zwischen einer ebenfalls in dem Elektrodenhohlraum angeordneten Messelektrode, welche ganz oder teilweise bauteilidentisch mit der zweiten Elektrode ausgestaltet sein kann oder welche als separate Messelektrode ausgestaltet sein kann, und einer in einem Referenzgasraum, beispielsweise einem Referenzgaskanal, angeordneten Referenzelektrode erfasst und als Istwert verwendet werden. Dieser Istwert der Nernstspannung kann mit einem
vorgegebenen Sollwert einer Nernstspannung als Führungsgröße verglichen werden, und der Pumpstrom durch die Pumpzelle kann derart eingestellt werden, dass eine
Regeldifferenz zwischen dem Istwert und der Führungsgröße verschwindet. Für diese Verfahrensvariante kann beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im
Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158-159 und die dort beschriebene Regelung einer Breitband-Lambdasonde verwiesen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die
Pumpzelle jedoch auch unter Verwendung anderer Regelgrößen, Steuergrößen oder Führungsgrößen geregelt und/oder gesteuert betrieben werden. Beispielsweise kann ein Pumpstrom durch die Pumpzelle auf einen vorgegebenen Wert geregelt werden. Neben dem beschriebenen Messschritt, welcher einfach, mehrfach wiederholend oder auch über einen längeren Zeitraum hinweg durchgeführt werden kann, umfasst das Verfahren weiterhin mindestens einen Kontrollschritt, welcher ebenfalls einfach, mehrfach oder auch über einen längeren Zeitraum hinweg durchgeführt werden kann.
Beispielsweise kann mindestens ein Kontrollschritt auf mindestens einen Messschritt folgen, woraufhin sich wieder ein zweiter Messschritt anschließen kann. Beispielsweise können Messschritt und Kontrollschritt abwechselnd durchgeführt werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
In dem Kontrollschritt wird die Führungsgröße verändert. Diese Veränderung kann beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag erfolgen, beispielsweise indem eine Soll- Nernstspannung U N.SOII um beispielsweise einen vorgegebenen Betrag verändert, insbesondere erhöht, wird. Alternativ oder zusätzlich können auch eine Soll- Pumpspannung Up.soii und/oder ein Soll-Pumpstrom lP,Soii verändert werden,
beispielsweise ebenfalls um einen vorgegebenen Betrag, insbesondere erhöht werden.
Die Veränderung der Führungsgröße kann einmalig oder mehrmalig erfolgen. Die Veränderung kann insbesondere auch wiederholt erfolgen, mit derselben Veränderung oder einer angepassten Veränderung. Insbesondere kann die Veränderung der
Führungsgröße auch oszillierend erfolgen, beispielsweise periodisch oszillierend. Die Anpassung kann dann beispielsweise derart erfolgen, dass der Mittelwert der Oszillation der Führungsgröße derart eingestellt wird, beispielsweise durch eine
Regelungseinrichtung, dass die resultierende Veränderung des Pumpstroms, beispielsweise die resultierende Pumpstrom-Amplitude oder Amplitude der Veränderung des Pumpstroms, einen vorgegebenen Schwellwert, beispielsweise 20 μΑ, nicht überschreitet. Weiterhin wird in dem Kontrollschritt eine Veränderung des Pumpstroms lp durch die Pumpzelle erfasst. In anderen Worten kann die Veränderung des Pumpstroms in
Reaktion auf die Veränderung der Führungsgröße erfasst werden. Diese Veränderung kann als absolute Veränderung oder auch in Form einer zeitlichen Entwicklung des Pumpstroms erfasst werden. Auch andere Möglichkeiten der Quantifizierung der
Veränderung sind möglich, beispielsweise eine Erfassung einer Änderung über einen bestimmten Zeitraum hinweg.
Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass die Führungsgröße in dem Messschritt angepasst wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt. Beispielsweise kann in diesem Kontroll schritt abgefragt werden, ob der Pumpstrom mindestens einen vorgegebenen Schwellwert erreicht, überschreitet oder unterschreitet. Beispielsweise kann abgefragt werden, ob der Pumpstrom oder eine daraus abgeleitete charakteristische Größe bzw. die Änderung des Pumpstroms oder deren Betrag kleiner sind als ein vorgegebener Schwellwert, kleiner oder gleich einem vorgegebenen
Schwellwert sind, oder es können ähnliche Schwellwertbedingungen gestellt werden. Die Schwellwertbedingung kann insbesondere derart angepasst werden, dass eine im
Rahmen üblicher Veränderungen des Sensorelements noch tolerierbare Veränderung des Pumpstroms die Schwellwertbedingung noch erfüllt, wohingegen Veränderungen, die auf eine starke Elektrodenpolarisation und/oder eine Verschmutzung der Elektroden und/oder eine Passivierung der Elektroden schließen lassen, insbesondere der ersten Elektrode, die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllen. Insbesondere kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass eine On-Board-
Kompensation einer Elektrodenpolarisation durchgeführt wird, beispielsweise in den oben beschriebenen Breitband-Lambdasonden mit mehreren Zellen. Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass eine Soll-Nernstspannung in dem
Kontrollschritt, welcher auch als Testphase bezeichnet wird, um einen definierten Betrag, beispielsweise um 20 bis 400 mV, insbesondere um 100 bis 300 mV und besonders bevorzugt um 200 mV, kurzzeitig erhöht wird, beispielsweise um eine Zeitdauer von 0,5 bis 10 s, insbesondere eine Zeitdauer von 0,8 bis 2 s und besonders bevorzugt für eine Zeitdauer von 1 s. Falls dabei der Pumpstrom lP um mindestens einen Schwellwert oder um mehr als einen Schwellwert ansteigt, kann ein neuer Regel-Sollwert der
Nernstspannung U N.SOII in einer Regelelektronik hinterlegt werden. Beispielsweise kann der Schwellwert 50 μΑ bis 400 μΑ betragen, insbesondere 100 μΑ bis 300 μΑ und besonders bevorzugt 200 μΑ. Der Regel-Sollwert der Nernstspannung kann beispielsweise um 20 mV bis 400 mV, insbesondere um 100 mV bis 300 mV und besonders bevorzugt um 200 mV angehoben werden. Allgemein kann die Anpassung der Führungsgröße einfach oder auch iterativ erfolgen. Erfolgt eine iterative Anpassung, so kann beispielsweise die Führungsgröße so oft um einen oder mehrere vorgegebene Beträge, welche auch der Anzahl der Schritte angepasst werden können und/oder beispielsweise zunehmend kleiner gewählt werden können, erhöht oder erniedrigt werden, bis die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontroll schritt die mindestens eine Schwellwertbedingung erfüllt.
Wenn in dem Kontrollschritt erkannt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, so können, alternativ oder zusätzlich zu einer Veränderung der Führungsgröße oder einer Anpassung der Führungsgröße, auch eine oder mehrere weitere Maßnahmen ergriffen werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens kann beispielsweise, wenn festgestellt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, ein Regenerationsschritt eingeleitet werden. Derartige
Regenerationsschritte können verschiedene Maßnahmen umfassen, welche die
Veränderung einer oder mehrerer der Elektroden zumindest teilweise rückgängig machen. So kann ein Regenerationsschritt beispielsweise eine Pumpstromumkehr durch die Pumpzelle umfassen. Eine derartige Pumpstromumkehr kann beispielsweise für einen gewissen Zeitraum eingeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich kommen auch beispielsweise Temperaturerhöhungen oder andere Maßnahmen zur Regeneration einer oder mehrerer der Elektroden in Betracht, beispielsweise auch, indem das Sensorelement zeitweise einem fetten Abgas ausgesetzt wird.
Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden oder beaufschlagbar sind. So kann das Sensorelement beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode unmittelbar oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Alternativ können die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode jedoch auch durch mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem Messgasraum verbunden sein. So können die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode beispielsweise auf einer Oberfläche des
Sensorelements angeordnet sein oder auch in einem Elektrodenhohlraum im Inneren des Sensorelements, welcher über die mindestens eine Diffusionsbarriere mit dem
Messgasraum in Verbindung steht. Die mindestens eine Diffusionsbarriere kann beispielsweise die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode vor Verunreinigungen schützen und/oder einen Grenzstrom der Pumpzelle einstellen.
Alternativ oder zusätzlich können auch eine oder mehrere der Elektroden mit einem Referenzgasraum in Verbindung stehen. So kann beispielsweise die zweite Elektrode eine mit einem Referenzgasraum in Verbindung stehende Elektrode sein, während beispielsweise die erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein kann. Dementsprechend kann die zweite Elektrode beispielsweise unmittelbar in dem Referenzgasraum angeordnet sein oder mit diesem Referenzgasraum auf eine andere Weise in Verbindung stehen. Der Referenzgasraum ist dabei ein Gasraum, in welchem sich eine definierte Gasatmosphäre einstellen kann. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen abgeschlossenen Hohlraum handeln, welcher durch ein Pumpverfahren mit einer definierten Atmosphäre beaufschlagt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Referenzgasraum jedoch auch mindestens einen Referenzgaskanal umfassen, beispielsweise einen Luftreferenzkanal, welcher beispielsweise mit einer Umgebung des Sensorelements verbunden sein kann, die beispielsweise von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein kann. Auf diese Weise kann sich beispielsweise in dem Referenzgasraum eine definierte Luftatmosphäre einstellen. Die vorgeschlagene
Ausgestaltung, bei welcher die zweite Elektrode mit mindestens einem Referenzgasraum in Verbindung steht, kann insbesondere bei einem einzelligen Sensoraufbau verwendet werden. Auch andere Sensoraufbauten sind jedoch grundsätzlich möglich. Alternativ oder zusätzlich zu der Anordnung, bei welcher die zweite Elektrode in einem Referenzgasraum angeordnet ist, kann die zweite Elektrode oder mindestens eine der zweiten Elektroden (wenn mehrere zweite Elektroden vorgesehen sind) auch in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein. Dieser Elektrodenhohlraum kann beispielsweise durch den Festelektrolyten von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein.
Beispielsweise kann der Elektrodenhohlraum als Hohlraum ausgestaltet sein, in welchem durch das oben beschriebene Steuer- oder Regelverfahren eine definierte
Gasatmosphäre oder Gaszusammensetzung eingestellt werden soll, beispielsweise ein definierter Lambdawert. Zu diesem Zweck kann in dem Elektrodenhohlraum
beispielsweise weiterhin mindestens eine Messelektrode angeordnet sein, beispielsweise mindestens eine Nernstelektrode. Diese mindestens eine Messelektrode kann ganz oder teilweise bauteilidentisch mit der zweiten Elektrode sein oder elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden sein, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt ist und wie es beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im
Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 158-159 beschrieben ist. Bei derartigen zweiten Elektroden, welche gleichzeitig als Pumpelektrode für eine Pumpzelle und als
Nernstelektrode für eine Nernstspannungsmessung eingesetzt werden, macht sich die erfindungsgemäße Vermeidung bzw. der erfindungsgemäße Ausgleich der
Elektrodenpolarisation besonders vorteilhaft bemerkbar. Alternativ kann die mindestens eine Messelektrode in dem Elektrodenhohlraum jedoch auch getrennt von der zweiten Elektrode ausgebildet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich.
Die Pumpzelle kann in dem Messschritt insbesondere in einem Grenzstrombetrieb betrieben werden. Unter einem Grenzstrom ist dabei der Sättigungsstrom bei einer bestimmten Zusammensetzung des Gases zu verstehen, welcher sich in der Pumpstrom- Spannungs-Kennlinie einstellt. Die Pumpspannung kann insbesondere derart gewählt werden, dass der Pumpstrom sich im Sättigungsbereich befindet, wie dies bei vielen Breitbandsonden üblich ist.
Die Führungsgröße kann, wie oben beschrieben, auf verschiedene Weisen ausgestaltet werden. Insbesondere kann die Führungsgröße mindestens einen Sollwert eines
Potenzials und/oder einer Spannung an der zweiten Elektrode umfassen. Wie oben beschrieben, kann insbesondere eine Soll-Nernstspannung als Führungsgröße vorgegeben werden, welche beispielsweise zwischen der zweiten Elektrode und einer Referenzelektrode, welche beispielsweise in einem Referenzgasraum an der oben beschriebenen Art angeordnet sein kann, gemessen wird.
Die erste Elektrode kann insbesondere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden, wie oben ausgeführt. Das Sensorelement kann weiterhin mindestens eine Referenzelektrode in mindestens einem Referenzgasraum umfassen, wobei eine
Nernstspannung UN zwischen der zweiten Elektrode und der Referenzelektrode erfasst werden kann. In dem Messschritt kann, wie oben ausgeführt, insbesondere der
Pumpstrom durch die Pumpzelle unter Verwendung einer Soll-Nernstspannung U N.Soll 3lS Führungsgröße geregelt werden. In dem Kontrollschritt kann dabei, wie oben ausgeführt, insbesondere die Soll-Nernstspannung U N.SOII um einen Wert ÄUN.SOII verändert werden, insbesondere erhöht werden, wobei die Änderung ΔΙΡ des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird. Die Soll-Nernststpannung kann beispielsweise verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderung ΔΙΡ den Schwellwert erreicht oder überschreitet. Beispielsweise kann die Soll- Nernstspannung U N.SOII um einen oder mehrere vorgegebene Beträge verändert werden, wobei die Beträge fest vorgegeben werden können oder auch beispielsweise an die Iteration des Verfahrens angepasst werden können, beispielsweise iterativ kleiner gewählt werden können, wenn sich die Änderung ΔΙΡ des Pumpstroms dem Schwellwert nähert.
Alternativ oder zusätzlich kann die Führungsgröße auch eine Pumpspannung UP umfassen, beispielsweise eine Soll-Pumpspannung. In dem Kontroll schritt kann diese Pumpspannung um einen Wert ΔΙΙΡ verändert werden, wobei die Änderung ΔΙΡ des Pumpstroms als Reaktion auf diese Änderung der Pumpspannung erfasst werden kann und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden kann. In dem Messschritt kann dann die Pumpspannung verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderung ΔΙΡ den Schwellwert mindestens erreicht oder überschreitet. Auf diese Weise können beispielsweise einzellige Sensorelemente mit dem vorgeschlagenen Verfahren betrieben werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Führungsgröße auch einen Pumpstrom lp umfassen. In dem Kontrollschritt kann der Pumpstrom um einen Wert ΔΙΡ verändert werden. Dabei können eine Änderung AUP einer Pumpspannung und/oder eine Änderung AUN einer Nernstspannung erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Für ein intaktes Sensorelement kann beispielsweise gefordert werden, dass das resultierende AUp bzw. AUN den Schwellwert überschreitet oder nicht unterschreitet. Beispielsweise kann in dem Messschritt der Pumpstrom verändert werden, insbesondere erhöht werden, wenn die Änderungen AUP bzw. AUN den Schwellwert überschreiten oder nicht unterschreiten.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum
vorgeschlagen, welche insbesondere eingerichtet sein kann, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen.
Dementsprechend kann für mögliche Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung auf die obige Beschreibung des vorgeschlagenen Verfahrens verwiesen werden. Die
Sensorvorrichtung kann entsprechende Vorrichtungen umfassen, um einen, mehrere oder alle der Teilschritte des oben beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Die
Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement, insbesondere mindestens ein keramisches Sensorelement. Das Sensorelement umfasst mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode und mit mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden
Festelektrolyten. Für weitere mögliche Ausgestaltungen des Sensorelements kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Die Sensorvorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement verbundene oder zumindest verbindbare Steuerung. Die Steuerung kann zentral oder auch dezentral eingerichtet sein und kann beispielsweise eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen. Die Steuerung kann auch ganz oder teilweise in eine zentrale Motorsteuerung integriert sein oder auch ganz oder teilweise in das Sensorelement und/oder einen Stecker integriert sein.
Die Steuerung ist eingerichtet, um aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle auf die Eigenschaft zu schließen. Beispielsweise kann die Steuerung zu diesem Zweck mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Spannungsquelle und/oder Stromquelle, um die Pumpzelle mit mindestens einer
Pumpspannung und/oder mindestens einem Pumpstrom zu beaufschlagen.
Beispielsweise kann aus dem Pumpstrom dann auf die Gaszusammensetzung, beispielsweise den Anteil des Gases der Gaskomponente in dem Messgasraum, geschlossen werden, beispielsweise einen Sauerstoffanteil. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise weiterhin mindestens eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise mindestens eine Strommessvorrichtung und/oder eine
Spannungsmessvorrichtung, beispielsweise um den Pumpstrom durch die Pumpzelle zu messen. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße geregelt oder gesteuert zu betreiben. Zu diesem Zweck kann die Steuerung beispielsweise mindestens eine
Spannungsregelung und/oder mindestens eine Stromregelung und/oder mindestens eine Spannungssteuerung und/oder mindestens eine Stromsteuerung umfassen, welche beispielsweise mit der Pumpzelle verbunden sein können. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um in mindestens einem Kontroll schritt die Führungsgröße zu verändern und eine Veränderung des Pumpstroms zu erfassen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Steuerung programmtechnisch eingerichtet sein, um den Kontrollschritt durchzuführen und die entsprechenden Veränderungen bzw. Messungen vorzunehmen. Zur Vornahme der Messungen kann die Steuerung beispielsweise, wie oben ausgeführt, mindestens eine Messvorrichtung umfassen. Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensorvorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. So können diese insbesondere für eine zuverlässige On-Board-Kompensation einer Veränderung einer oder mehrerer der Elektroden des Sensorelements eingesetzt werden. Auf diese Weise kann zuverlässig eine Messwertveränderung und/oder eine Signalverfälschung, welche alterungsbedingt auftreten kann, verhindert oder zumindest vermindert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche in den Figuren exemplarisch dargestellt sind, erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die
Ausführungsbeispiele beschränkt.
Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung;
Figur 2 Pumpstrom-Pumpspannungs-Kennlinien und Nernstspannungs-
Pumpspannungs-Kennlinien für verschiedene Sensorelemente; und
Figur 3 Pumpstrom-Soll-Nernstspannungs-Kennlinien für ordnungsgemäße
Sensorelemente und für Sensorelemente mit Elektrodenpolarisation.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist exemplarisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensorvorrichtung 1 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 1 12 dargestellt. Insbesondere kann ein Sauerstoffanteil in dem
Messgasraum 1 12 bestimmt werden. Die Sensorvorrichtung 1 10 umfasst ein
Sensorelement 114 und eine mit dem Sensorelement 114 über eine Schnittstelle und/oder eine andere Verbindung 116 verbundene Steuerung 118.
Das Sensorelement 1 14 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Elektrode 120, welche im Folgenden auch als APE bezeichnet wird (äußere
Pumpelektrode) und welche auf einer Außenseite des Sensorelements angeordnet sein kann. Die erste Elektrode 120 kann beispielsweise durch eine gasdurchlässige Schutzschicht 122 von dem Messgasraum 112 getrennt sein. Weiterhin umfasst das Sensorelement 1 14 eine zweite Elektrode 124, welche in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel in einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnet ist und welche dementsprechend auch als innere Pumpelektrode (IPE) bezeichnet werden kann. Der Elektrodenhohlraum 126 steht über ein Gaszutrittsloch 128 und eine Diffusionsbarriere 130, welche eine Nachdiffusion von Sauerstoff und/oder Gas begrenzt, mit dem
Messgasraum 112 in Verbindung und ist somit mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die zweite Elektrode 124 ist mit der ersten Elektrode 120 über einen Festelektrolyten 123 verbunden. Die erste Elektrode 120, der Festelektrolyt 123 und die zweite Elektrode 124 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 125. Weiterhin umfasst das Sensorelement 1 14 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine dritte Elektrode 132, welche auch als Referenzelektrode (RE) bezeichnet wird und welche in einem
Referenzgasraum 134 angeordnet ist. Der Referenzgasraum 134, welcher offen ausgestaltet sein kann oder welcher auch ganz oder teilweise, wie in Figur 1 dargestellt, mit einem gasdurchlässigen, porösen Material 136 gefüllt sein kann, kann beispielsweise als Referenzgaskanal 138 ausgestaltet sein, beispielsweise als Luftreferenzkanal. Die zweite Elektrode 124, der Festelektrolyt 123 und die dritte Elektrode 132 bilden gemeinsam eine Nernstzelle 139. Die Schnittstelle 116 umfasst vorzugsweise Elektrodenzuleitungen 140, 142 und 144 zur ersten Elektrode 120, zur zweiten Elektrode 124 und zur dritten Elektrode 132. Die Steuerung 1 18 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Regelvorrichtung 146. Über die Regelvorrichtung 146 kann eine Nernstspannung zwischen der IPE 124 und der RE 132 auf eine Soll-Nernstspannung U N,SOII 3ls Führungsgröße 148 eingestellt oder eingeregelt werden. Beispielsweise kann die Steuerung 1 18 zu diesem Zweck eine einstellbare Spannungsquelle 150 zur Vorgabe der Soll-Nernstspannung umfassen. Beispielsweise können ein Ende der Spannungsquelle 150 und die Elektrodenzuleitung 142 der zweiten Elektrode 124 auf elektrische Masse 152 geschaltet sein, so dass die über die Elektrodenzuleitung 144 der dritten Elektrode 132 bereitgestellte
Nernstspannung UN (Istwert) und die Soll-Nernstspannung UN,soii (Sollwert) in einer Vergleichsvorrichtung 154 (beispielsweise einem Komparator) miteinander verglichen werden können, um aus einer Regeldifferenz eine Steuergröße und/oder Stellgröße 156 in Form einer Pumpspannung UP und/oder eines Pumpstroms lP zu generieren, mit welchen wiederum die APE 120 beaufschlagt wird, um eine der Führungsgröße 148 entsprechende Atmosphäre in dem Elektrodenhohlraum 126 einzustellen. Die Vorgabe der Führungsgröße 148 kann beispielsweise durch eine
Datenverarbeitungsvorrichtung 158 in der Steuerung 118 erfolgen, welche beispielsweise die einstellbare Spannungsquelle 150 beeinflusst und/oder diese ganz oder teilweise beinhalten kann. Weiterhin kann die Steuerung 1 18 eine oder mehrere Messvorrichtungen 160 umfassen, welche beispielsweise den Pumpstrom lP und/oder die Pumpspannung UP erfassen können. Die Messwerte dieser Messvorrichtung 160 können beispielsweise an die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 bereitgestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Messvorrichtung 160 auch ganz oder teilweise in die
Datenverarbeitungsvorrichtung 158 integriert sein. Die Datenverarbeitungsvorrichtung 158 kann beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein, um ein Verfahren gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Verfahrensvarianten durchzuführen. Die
Datenverarbeitungsvorrichtung 158 kann beispielsweise einen Mikrocontroller umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 118 auch ganz oder teilweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgestaltet sein. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind möglich.
Anhand der Figuren 2 und 3 soll die Problematik herkömmlicher Vorrichtungen 1 10 und Verfahren erläutert werden. Bei herkömmlichen Sensorvorrichtungen 1 10 der
beschriebenen Art, welche nicht eingerichtet sind, um ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen, wird der Regelsollwert der Nernstspannung U N.SOII in der Regel fest vorgegeben. Dieser dient dazu, eine Hohlraum-Konzentration von λ = 1 in dem
Elektrodenhohlraum 126 einzustellen bzw. einzuregeln. Bei typischen
Sensorvorrichtungen beträgt der Regelsollwert über die gesamte Lebensdauer der Sensorvorrichtung 1 10 hinweg typischerweise 450 mV. Dies führt jedoch, wie anhand der Figur 2 beschrieben werden soll, insbesondere in Sensorelementen 1 14, bei welchen die zweite Elektrode 124 gleichzeitig für eine Pumpstrommessung und für eine
Nernstspannungsmessung verwendet wird, zu Alterungseffekten, die sich auf die
Messung auswirken. So kann es über die Lebensdauer zu einer Passivierung der im Elektrodenhohlraum 126 angeordneten inneren Pumpelektrode 124 kommen,
beispielsweise durch Chrom-Ablagerung oder durch Platin-Segregation oder durch andere Prozesse, die die Aktivität und/oder die Anzahl der Dreiphasenplätze an der Elektrode 124 reduzieren können. In diesem Fall fällt bei einem bestimmten Pumpstrom lP von der IPE 124 zur äußeren Pumpelektrode 120 eine signifikante
Durchtrittsüberspannung an der Grenzfläche IPE 124/Festelektrolyt 123 ab. Dadurch kann die Soll-Nernstspannung UN,soii von beispielsweise 450 mV bereits bei kleineren Strömen erreicht sein als für die Einregelung von λ = 1 im Elektrodenhohlraum 126 nötig wäre. Die Folge ist ein zu kleiner Pumpstrom lP, d.h. ein Absinken der Kennlinie ΙΡ(λ).
In Figur 2 ist auf der horizontalen Achse die Pumpspannung UP an der Pumpzelle 125 aufgetragen. Auf der linken vertikalen Achse ist der Pumpstrom lP aufgetragen. Die Kurve 162, welche dieser linken vertikalen Achse zugeordnet ist, bezeichnet eine Pumpstrom- Pumpspannungs-Kennlinie eines intakten Sensorelements 1 14, bei welchem noch keine Elektrodenpolarisation an der zweiten Elektrode 124 aufgetreten ist. Die gestrichelt dargestellte Kurve 164 bezeichnet hingegen einen Pumpstrom eines polarisierenden Sensorelements 114, also eines Sensorelements 114, bei welchem an der zweiten Elektrode 124 die oben beschriebenen Polarisationseffekte aufgetreten sind. Es ist zu erkennen, dass diese Kurve erheblich flacher verläuft und sich später dem
Sättigungspumpstrom ls nähert. Weiterhin sind in Figur 2 auf der rechten vertikalen Achse die Nernstspannungen UN als Funktion der Pumpspannung UP aufgetragen. Wiederum bezeichnet die durchgezogene Kurve 166 eine Nernstspannung eines intakten Sensorelements 114, wohingegen die gestrichelt dargestellte Kurve 168 eine Nernstspannung eines polarisierenden
Sensorelements 1 14 bezeichnet, also eines Sensorelements 114, bei welchem die zweite Elektrode 124 die oben beschriebenen Polarisationseffekte aufweist. Ausgehend von diesen Kurven 166, 168 lässt sich der oben skizzierte Effekt beschreiben. Typischerweise wird bei Sensorvorrichtungen 110 der in Figur 1 beschriebenen Art die Nernstspannung auf einen Wert UN,soii von 450 mV eingestellt, was bei einem intakten Sensorelement 1 14 der Pumpspannung UP,i entspricht. Wie aus Figur 2 erkennbar, ist die Pumpstrom- Kennlinie 162 eines derartigen intakten Sensorelements 1 14 bei dieser Pumpspannung UP,i bereits im Sättigungsbereich und weist zumindest näherungsweise den Wert ls auf. Bei einem polarisierenden Sensorelement 1 14 hingegen fällt an der polarisierenden zweiten Elektrode 124, welche sowohl als Elektrode für die Pumpstrommessung durch die Pumpzelle 125 als auch als Nernstelektrode für die Nernstzelle 139 verwendet wird, eine hohe Spannung an dem Durchtrittswiderstand ab, welche sich zu der Nernstspannung addiert. Hierdurch erreicht die effektiv gemessene Spannung UN an der
Elektrodenzuleitung 144 in Figur 1 bereits bei kleineren Pumpströmen lP den Wert UN,soii von 450 mV. In Figur 2 ist dies dadurch verdeutlicht, dass die Nernstspannungs-Kurve 168 des polarisierenden Sensorelements 114 erheblich früher ansteigt als die
Nernstspannungskurve 166 des intakten Sensorelements 114. Dementsprechend erreicht die Kurve 168 bereits bei einer erheblich kleineren Pumpspannung UP,2 den Wert von 450 mV. Bei dieser Pumpspannung UP,2 ist die Pumpstrom-Kennlinie 164 des polarisierenden Sensorelements 114 jedoch noch nicht in Sättigung, sondern bei einem Wert lP*, bei welchem die Pumpstrom-Kennlinie noch stark ansteigt. Während für ein intaktes
Sensorelement 1 14 somit im Wesentlichen gilt: ü ' ^p (Up x) ~ 0 , gilt für ein
d Up polarisierendes Sensorelement 114 mit den Kurven 164, 168: (Up 2) > 0. In anderen d UP
Worten hängt bei einem intakten Sensorelement 1 14 der sich einstellende Pumpstrom lP kaum von der Führungsgröße UN,soii ab, während bei polarisierenden Sensorelementen 1 14 ein starker Anstieg des Pumpstroms lP mit der Führungsgröße U N,SOII zu verzeichnen ist. Dies ist in Figur 3 gezeigt. Hier bezeichnet die Kurve 170 den Pumpstrom lP eines intakten Sensorelements als Funktion der Führungsgröße U N.SOII, wohingegen die Kurve 172 den Pumpstrom eines polarisierenden Sensorelements 1 14 bezeichnet.
Genau dieser Zusammenhang wird jedoch vorzugsweise bei einem erfindungsgemäßen Verfahren genutzt. Bei einem derartigen Verfahren wird in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle 125 unter Verwendung der Führungsgröße U N.SOII geregelt oder gesteuert betrieben und aus dem Pumpstrom auf die Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum 1 12, beispielsweise auf den Sauerstoffpartialdruck, geschlossen. In mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens wird hingegen die Führungsgröße U N.SOII verändert, beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag ΔΙΙ N,SOII- Dabei wird die Veränderung des Pumpstroms ΔΙΡ erfasst. In der Kurve 170 in Figur 3 ist diese Änderung nahezu 0 oder sehr klein. In einem nicht-intakten Sensorelement 114 mit der Kurve 172 hingegen ist ein sehr steiler Anstieg von lP mit der Führungsgröße U N,SOII, zumindest im Betriebspunkt von 450 mV, zu verzeichnen. In anderen Worten ist ΔΙΡ dividiert durch ΔΙΙ N.SOII größer als 0. Dieses ΔΙΡ (oder, was gleichbedeutend ist, ΔΙΡ dividiert durch ΔΙΙ N.SOII oder, was ebenfalls gleichbedeutend ist, l'P) kann mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden. Wenn dieser mindestens eine Schwellwert mindestens erreicht wird oder überschritten wird, so kann darauf geschlossen werden, dass das Sensorelement 1 14 nicht mehr intakt ist. In diesem Fall kann beispielsweise eine Warnung ausgegeben werden oder die Führungsgröße U N.SOII kann angepasst werden. Beispielsweise kann die Führungsgröße I N.SOII erhöht werden, beispielsweise um einen vorgegebenen Betrag. Danach kann ein weiterer Kontrollschritt durchlaufen werden und gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung weiter erhöht werden, sofern die oben beschriebene Schwellwertbedingung nach wie vor nicht erfüllt ist und die Änderung ΔΙΡ nach wie vor zu groß ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass UN in Figur 2 derart erhöht wird, dass sich UP,2 so weit nach rechts in Figur 2 verschiebt, dass der Pumpstrom lP* sich an den Sättigungspumpstrom ls annähert.
Das Verfahren kann beispielsweise derart durchgeführt werden, dass in festen
Zeitabständen, beispielsweise alle 5 Stunden und/oder vorzugsweise bei einem mageren Abgaszustand, vorzugsweise - aber nicht notwendig - im Schubbetrieb, die Änderung des Pumpstroms lP bei einer Erhöhung von U N.SOII detektiert und daraufhin gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung U N.SOII erhöht wird. Dann kann ein weiterer Testzyklus, d.h. ein weiterer Kontrollschritt, durchlaufen und gegebenenfalls die Soll-Nernstspannung UN,soii weiter erhöht werden. Optional können sich weitere Kontrollschritte anschließen.
Vorzugsweise wird die Änderung ΔΙΡ bei einer U N.soii-Erhöhung und nachfolgender Absenkung gemessen, um eine Redundanz der Daten zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Soll-Nernstspannung U N.SOII bei dieser oder auch bei anderen
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie auch eine oder mehrere andere Führungsgrößen, permanent oszillieren, beispielsweise mit einer Amplitude von 10 mV und beispielsweise mit einer Frequenz von 100 Hz. Der Mittelwert dieser
Oszillation kann durch eine Regelungseinrichtung so auf einen Minimalwert eingeregelt werden, dass eine resultierende Pumpstromamplitude einen bestimmten Schwellwert, beispielsweise 20 μΑ, nicht überschreitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde oben am Beispiel eines mehrzelligen
Sensorelements 1 14 beschrieben. Alternativ oder zusätzlich kann das oben beschriebene Verfahren jedoch auch an einer einzelligen Lambdasonde angewandt werden, beispielsweise an einem Sensorelement 1 14, welches lediglich die Pumpzelle 125 aufweist. In diesem Fall kann beispielsweise die Soll-Nernstspannung U N,SOII durch eine Soll-Pumpspannung UP,S0II ersetzt werden. Da die Kurve 164 in Figur 2 erheblich später die Sättigung ls erreicht als die intakte Kurve 162, kann ebenfalls mittels eines
Schwellwertverfahrens in dem Kontrollschritt detektiert werden, wenn die Pumpzelle 125 nicht mehr im Grenzstrombetrieb läuft. In diesem Fall kann beispielsweise die Soll- Pumpspannung UP,S0II erhöht werden, was ebenfalls wiederum in einem oder mehreren Schritten, optional auch iterativ und/oder oszillierend, erfolgen kann.
Durch das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Sensorvorrichtung 1 10 kann eine hohe Robustheit gegen eine Elektrodenpolarisation erreicht werden.
Zudem erlaubt das oben beschriebene Verfahren einen kontinuierlichen Betrieb des Sensorelements 1 14 bei einer abgesenkten Temperatur, welche beispielsweise mittels eines in Figur 1 nicht dargestellten Heizelements eingestellt werden kann. Beispielsweise kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren in einer oder mehreren der oben dargestellten Varianten eine Temperatur der Pumpzelle 125 auf einen Wert von 500 bis 800 °C eingestellt werden, insbesondere auf einen Wert von 600 bis 700 °C. Durch diese abgesenkte Temperatur des Sensorelements 1 14 und insbesondere der Pumpzelle 125 kann ein Heizleistungsbedarf deutlich vermindert werden. Weiterhin lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der dadurch realisierbaren Robustheit gegenüber einer Elektrodenpolarisation auch die Menge an katalytisch aktivem Edelmetall in einer oder mehreren der Elektroden 120, 124 und 132, insbesondere in der IPE 124, deutlich reduzieren. Weiterhin kann die Detektion einer Elektrodenpolarisation in dem mindestens einen Kontrollschritt, beispielsweise durch Variation der Führungsgröße und insbesondere der Soll-Nernstspannung, auch in einem oder mehreren der oben beschriebenen
Verfahren als Auslöser für einen Regenerationsprozess, beispielsweise mittels einer zeitweisen Pumpstromumkehr und/oder einer zeitweisen oder permanenten
Temperaturerhöhung und/oder einem zeitweisen Beaufschlagen mit Fettgas, verwendet werden. Derartige Maßnahmen haben im Allgemeinen einen regenerierenden Effekt.
Die Veränderung der Führungsgröße kann bei beliebigen erfindungsgemäßen Verfahren sowohl in positiver als auch in negativer Richtung erfolgen. So wurden oben im
Wesentlichen Erhöhungen der Führungsgröße beschrieben. Wie in Figur 2 erkennbar ist, sind jedoch grundsätzlich auch Erniedrigungen der Führungsgröße möglich,
beispielsweise indem eine Soll-Nernstspannung nicht nur erhöht, sondern, alternativ oder zusätzlich, auch abgesenkt wird, um eine Polarisation zu detektieren. Das oben beschriebene Verfahren und die oben beschriebene Sensorvorrichtung 1 10 wurden am Beispiel von Sensorvorrichtungen 110 zur Detektion von Sauerstoff in dem Messgasraum 112 dargestellt. Auch für andere Anwendungen sind das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Sensorvorrichtung 1 10 jedoch grundsätzlich geeignet. So kann das vorgeschlagene Verfahren grundsätzlich beispielsweise auch auf NOx- Sensoren angewandt werden, so dass die Sensorvorrichtung 1 10 beispielsweise zur Detektion eines NOx-Anteils in dem Messgasraum 112 einsetzbar sein kann. Derartige Sensorelemente sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich ebenfalls bekannt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Erfassung mindestens einer
Gaskomponente in dem Gas, wobei mindestens ein Sensorelement (1 14) verwendet wird, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst, wobei aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) auf die Eigenschaft geschlossen wird, wobei in mindestens einem Messschritt des Verfahrens die Pumpzelle (125) unter
Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert betrieben wird, wobei in mindestens einem Kontrollschritt des Verfahrens die Führungsgröße (148) verändert wird und eine Veränderung des Pumpstroms erfasst wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Führungsgröße (148) in dem Messschritt angepasst wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Anpassung der
Führungsgröße (148) iterativ erfolgt, so lange bis die Veränderung des Pumpstroms in dem Kontrollschritt die mindestens eine Schwellwertbedingung erfüllt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Regenerationsschritt eingeleitet wird, wenn in dem Kontrollschritt festgestellt wird, dass die Veränderung des Pumpstroms die mindestens eine Schwellwertbedingung nicht mehr erfüllt, insbesondere ein Regenerationsschritt mit mindestens einer Pumpstromumkehr in der Pumpzelle (125) und/oder einer zeitweisen oder permanenten Temperaturerhöhung und/oder mit einem zeitweisen Beaufschlagen mit Fettgas. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Elektrode (124) ausgewählt ist aus: einer mit mindestens einem Referenzgasraum (134) in Verbindung stehenden Elektrode (124), insbesondere einer mit mindestens einem Referenzgaskanal (138) in Verbindung stehenden Elektrode (124); einer in einem Elektrodenhohlraum (126) angeordneten Elektrode (124).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Pumpzelle (125) in dem Messschritt in einem Grenzstrombetrieb betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) mindestens einen Sollwert eines Potenzials und/oder einer Spannung an der zweiten Elektrode (124) umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Elektrode (124) mit Gas aus dem Messgasraum (1 12) beaufschlagt wird, wobei das Sensorelement (1 14) weiterhin mindestens eine Referenzelektrode (132) in mindestens einem Referenzgasraum (134) umfasst, wobei eine Nernstspannung UN zwischen der zweiten Elektrode (124) und der Referenzelektrode (132) erfasst wird, wobei in dem Messschritt der Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) unter Verwendung einer Soll- Nernstspannung U N,SOII 3ls Führungsgröße (148) geregelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Kontrollschritt die Soll-Nernstspannung U N.SOII um einen Wert AUN.SOII verändert wird, wobei die
Änderung ΔΙΡ des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird, wobei die Soll-Nernstspannung verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderung ΔΙΡ den Schwellwert erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) eine Pumpspannung Up umfasst, wobei in dem Kontrollschritt die
Pumpspannung um einen Wert ΔΙΙΡ verändert wird, wobei die Änderung ΔΙΡ des Pumpstroms erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen wird, wobei in dem Messschritt die Pumpspannung verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderung ΔΙΡ den Schwellwert erreicht oder überschreitet. 1 1 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsgröße (148) einen Pumpstrom lp umfasst, wobei in dem Kontrollschritt der Pumpstrom um einen Wert ΔΙΡ verändert wird, wobei eine Änderung AUP einer Pumpspannung und/oder eine Änderung AUN einer Nernstspannung erfasst und mit mindestens einem Schwellwert verglichen werden, wobei in dem Messschritt der Pumpstrom verändert wird, insbesondere erhöht wird, wenn die Änderungen AUP bzw. AUN den Schwellwert überschreiten oder nicht unterschreiten.
Sensorvorrichtung (1 10) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (1 12), insbesondere unter Verwendung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens ein
Sensorelement (1 14), wobei das Sensorelement (1 14) mindestens eine Pumpzelle (125) mit mindestens einer ersten Elektrode (120), mindestens einer zweiten Elektrode (124) und mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (124) verbindenden Festelektrolyten (123) umfasst, wobei die
Sensorvorrichtung (1 10) weiterhin mindestens eine mit dem Sensorelement (1 14) verbundene Steuerung (1 18) umfasst, wobei die Steuerung (1 18) eingerichtet ist, um aus einem Pumpstrom durch die Pumpzelle (125) auf die Eigenschaft zu schließen, wobei die Steuerung (1 18) weiterhin eingerichtet ist, um in mindestens einem Messschritt die Pumpzelle (125) unter Verwendung mindestens einer Führungsgröße (148) geregelt oder gesteuert zu betreiben, wobei die Steuerung (1 18) weiterhin eingerichtet ist, um in mindestens einem Kontrollschritt die
Führungsgröße (148) zu verändern und eine Veränderung des Pumpstroms zu erfassen.
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