Stand der TechnikState of the art
Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf elektrolytischen
Eigenschaften bestimmter Festkörper beruhen, also der Fähigkeit dieser
Festkörper, bestimmte Ionen zu leiten. Derartige Sensorelemente
werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um Luft-Kraftstoff-Gasgemischzusämmensetzungen
zu messen, in welchem Fall diese Sensorelemente auch unter der Bezeichnung „Lambdasonde"
bekannt sind und eine wesentliche Rolle bei der Reduzierung von
Schadstoffen in Abgasen, sowohl in Ottomotoren als auch in der Dieseltechnologie,
spielen.The
The invention is based on known sensor elements, which are based on electrolytic
Properties of certain solids based, so the ability of this
Solid state to conduct certain ions. Such sensor elements
are used, in particular, in motor vehicles to compose air-fuel-gas mixture compositions
in which case these sensor elements are also called "lambda probe"
are known and have an essential role in the reduction of
Pollutants in exhaust gases, both in gasoline engines and in diesel technology,
play.
Mit
der so genannten Luftzahl „Lambda" (λ) wird dabei
allgemein in der Verbrennungstechnik das Verhältnis zwischen
einer tatsächlich angebotenen Luftmasse und einer für
die Verbrennung theoretisch benötigten (d. h. stöchiometrischen)
Luftmasse bezeichnet. Die Luftzahl wird dabei mittels eines oder mehrerer
Sensorelemente zumeist an einer oder mehreren Stellen im Abgastrakt
eines Verbrennungsmotors gemessen. Entsprechend weisen „fette"
Gasgemische (d. h. Gasgemische mit einem Kraftstoffüberschuss)
eine Luftzahl λ < 1
auf, wohingegen „magere" Gasgemische (d. h. Gasgemische
mit einem Kraftstoffunterschuss) eine Luftzahl λ > 1 aufweisen. Neben
der Kraftfahrzeugtechnik werden derartige und ähnliche
Sensorelemente auch in anderen Bereichen der Technik (insbesondere
der Verbrennungstechnik) eingesetzt, beispielsweise in der Luftfahrttechnik
oder bei der Regelung von Brennern, z. B. in Heizanlagen oder Kraftwerken.With
the so-called air ratio "lambda" (λ) is thereby
generally in combustion engineering the relationship between
an actually offered air mass and one for
the combustion theoretically required (i.e., stoichiometric)
Air mass designated. The air ratio is thereby by means of one or more
Sensor elements usually at one or more locations in the exhaust system
an internal combustion engine measured. Accordingly, "fat"
Gas mixtures (ie gas mixtures with a fuel surplus)
an air ratio λ <1
whereas "lean" gas mixtures (i.e., gas mixtures
with a fuel deficiency) have an air ratio λ> 1. Next
Automotive technology will be such and similar
Sensor elements in other areas of technology (in particular
combustion technology), for example in aviation technology
or in the control of burners, z. B. in heating systems or power plants.
Derartige
Sensorelemente sind mittlerweile in zahlreichen verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
Eine Ausführungsform ist die so genannte „Sprungsonde",
deren Messprinzip auf der Messung einer elektrochemischen Potentialdifferenz
zwischen einer einem Referenzgas ausgesetzten Referenzelektrode
und einer dem zu messenden Gasgemisch ausgesetzten Messelektrode
beruht. Referenzelektrode und Messelektrode sind über den
Festelektrolyten miteinander verbunden, wobei aufgrund seiner Sauerstoffionen-leitenden
Eigenschaften in der Regel dotiertes Zirkondioxid (z. B. Yttrium-stabilisiertes ZrO2) oder ähnliche Keramiken als Festelektrolyt
eingesetzt werden. Theoretisch weist die Potentialdifferenz zwischen
den Elektroden gerade beim Übergang zwischen fettem Gasgemisch
und magerem Gasgemisch einen charakteristischen Sprung auf, welcher
genutzt werden kann, um die Gasgemischzusammensetzung um den Sprungpunkt λ =
1 aktiv zu regeln. Verschiedene Ausführungsbeispiele derartiger
Sprungsonden, welche auch als „Nernst-Zellen" bezeichnet
werden, sind beispielsweise in DE 10 2004 035 826 A1 , DE 199 38 416 A1 und DE 10 2005 027 225
A1 beschrieben.Such sensor elements are now known in numerous different embodiments. One embodiment is the so-called "jump probe" whose measuring principle is based on the measurement of an electrochemical potential difference between a reference electrode exposed to a reference gas and a measuring electrode exposed to the gas mixture to be measured Properties usually doped zirconia (eg yttrium-stabilized ZrO 2 ) or similar ceramics used as solid electrolyte.Theoretically, the potential difference between the electrodes just at the transition between rich gas mixture and lean gas mixture on a characteristic jump, which can be used in order to actively regulate the gas mixture composition around the jump point λ = 1. Various embodiments of such jump probes, which are also referred to as "Nernst cells", are described, for example, in US Pat DE 10 2004 035 826 A1 . DE 199 38 416 A1 and DE 10 2005 027 225 A1 described.
Alternativ
oder zusätzlich zu Sprungsonden kommen auch so genannte „Pumpzellen"
zum Einsatz, bei denen eine elektrische „Pumpspannung"
an zwei über den Festelektrolyten verbundene Elektroden
angelegt wird, wobei der „Pumpstrom" durch die Pumpzelle
gemessen wird. Im Unterschied zum Prinzip der Sprungsonden stehen
bei Pumpzellen in der Regel beide Elektroden mit dem zu messenden
Gasgemisch in Verbindung. Dabei ist eine der beiden Elektroden (zumeist über
eine durchlässige Schutzschicht) unmittelbar dem zu messenden
Gasgemisch ausgesetzt. Die zweite der beiden Elektroden ist jedoch
derart ausgebildet, dass das Gasgemisch nicht unmittelbar zu dieser
Elektrode gelangen kann, sondern zunächst eine so genannte „Diffusionsbarriere" durchdringen
muss, um in einen an diese zweite Elektrode angrenzenden Hohlraum
zu gelangen. Als Diffusionsbarriere wird dabei zumeist eine poröse
keramische Struktur mit gezielt einstellbaren Porenradien verwendet.
Tritt mageres Abgas durch diese Diffusionsbarriere hindurch in den
Hohlraum ein, so werden mittels der Pumpspannung Sauerstoffmoleküle an
der zweiten, negativen Elektrode elektrochemisch zu Sauerstoffionen
reduziert, durch den Festelektrolyten zur ersten, positiven Elektrode
transportiert und dort als freier Sauerstoff wieder abgegeben. Die
Sensorelemente werden zumeist im so genannten Grenzstrombetrieb
betrieben, das heißt in einem Betrieb, bei welchem die
Pumpspannung derart gewählt wird, dass der durch die Diffusionsbarriere
eintretende Sauerstoff vollständig zur Gegenelektrode gepumpt
wird. In diesem Betrieb ist der Pumpstrom näherungsweise
proportional zum Partialdruck des Sauerstoffs im Abgasgemisch, so
dass derartige Sensorelemente häufig auch als Proportionalsensoren
bezeichnet werden. Im Gegensatz zu Sprungsensoren lassen sich derartige
Proportionalsensoren als so genannte Breitbandsensoren über einen
vergleichsweise weiten Bereich für die Luftzahl Lambda
einsetzen. Derartige Breitbandsonden sind beispielsweise in DE 38 09 154 C1 und
in DE 199 38 416 A1 beschrieben.Alternatively or in addition to jump probes, so-called "pump cells" are used in which an electrical "pumping voltage" is applied to two electrodes connected via the solid electrolyte, whereby the "pumping current" is measured by the pump cell In the case of pump cells, both electrodes are usually connected to the gas mixture to be measured, whereby one of the two electrodes is exposed directly to the gas mixture to be measured (usually via a permeable protective layer) to reach this electrode, but must first penetrate a so-called "diffusion barrier" to get into a cavity adjacent to this second electrode. In this case, the diffusion barrier used is usually a porous ceramic structure with specifically adjustable pore radii. If lean exhaust gas passes through this diffusion barrier into the cavity, oxygen molecules are electrochemically reduced to oxygen ions by the pumping voltage at the second, negative electrode, transported through the solid electrolyte to the first, positive electrode and released there again as free oxygen. The sensor elements are usually operated in the so-called limiting current operation, that is, in an operation in which the pump voltage is selected such that the oxygen entering through the diffusion barrier is completely pumped to the counter electrode. In this operation, the pumping current is approximately proportional to the partial pressure of the oxygen in the exhaust gas mixture, so that such sensor elements are often referred to as proportional sensors. In contrast to jump sensors, such proportional sensors can be used as so-called broadband sensors over a comparatively wide range for the air ratio lambda. Such broadband probes are for example in DE 38 09 154 C1 and in DE 199 38 416 A1 described.
In
vielen Sensorelementen werden die oben beschriebenen Sensorprinzipien
auch kombiniert, so dass die Sensorelemente ein oder mehrere nach dem
Sprungsensor-Prinzip arbeitende Sensoren („Zellen") und
ein oder mehrere Proportionalsensoren enthalten. So lässt
sich beispielsweise das oben beschriebene Prinzip eines nach dem
Pumpzellen-Prinzip arbeitenden „Einzellers" durch Hinzufügen
einer Sprungzelle (Nernstzelle) zu einem „Dop pelzeller"
erweitern. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in EP 0 678 740 B1 beschrieben.
Dabei wird mittels einer Nernstzelle der Sauerstoffpartialdruck
in dem oben beschriebenen, an die zweite Elektrode angrenzenden
Hohlraum gemessen und die Pumpspannung durch eine Regelung so nachgeführt,
dass im Hohlraum stets die Bedingung λ = 1 herrscht.In many sensor elements, the sensor principles described above are also combined, so that the sensor elements contain one or more sensors ("cells") operating according to the jump sensor principle and one or more proportional sensors.For example, the principle described above for a pump cell To expand the principle of working "unicellular" by adding a snap cell (Nernst cell) to a "Dop pelzeller." Such a structure is, for example, in EP 0 678 740 B1 described. In this case, by means of a Nernst cell, the oxygen partial pressure is measured in the above-described, adjacent to the second electrode cavity and the pumping voltage adjusted by a control so that in the cavity always the condition λ = 1 prevails.
Zur
Bestimmung des Sauerstoffgehalts im Abgas werden die mehrzelligen
Sensorelemente als amperometrische Gassensoren eingesetzt, wobei
typischerweise Gassensoren mit drei Elektroden verwendet werden.
Zwischen einer meist unter einer Schutzschicht liegenden äußeren
Pumpelektrode (APE) und einer hinter einer Diffusionsbarriere angeordneten
inneren Pumpelektrode (IPE) wird eine Pumpspannung angelegt. Durch
Messung der Nernstspannung, die sich zwischen IPE und einer in einer
Referenzluft angeordneten Referenzelektrode (RE) einstellt, wird
mindestens das Vorzeichen der Pumpspannung, besser noch das Vorzeichen
und der Betrag der Pumpspannung, zwischen APE und IPE dynamisch
eingestellt. So werden bei magerem Abgas Sauerstoffionen von der
IPE zur APE gepumpt (positive Pumpspannung). Da die nachströmende Sauerstoffmenge
durch die Diffusionsbarriere begrenzt wird, ist der gemessene IPE-APE-Pumpstrom ein
Maß für die Sauerstoffmenge im Abgas. Im fetten Abgas
hingegen werden Wasser oder Kohlendioxid an der APE zerlegt und
Sauerstoffionen von dort zur IPE gepumpt (negative Pumpspannung).
Dort reagieren der eingepumpte Sauerstoff mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid
ab, die in ihrem Nachstrom wiederum durch die Diffusionsbarriere
begrenzt sind. Durch die Messung der Spannung zwischen IPE und RE
wird sichergestellt, dass nicht zu viel Sauerstoff eingepumpt wird,
sondern gerade nur so viel, dass sich an der IPE der Zustand λ =
1 ergibt (d. h. ein Zustand, in welchem Fettgase gerade abgesättigt
sind). Dadurch ist der Pumpstrom auch im fetten Luftzahlbereich
ein Maß für das Sauerstoffdefizit im Abgas.to
Determination of the oxygen content in the exhaust gas are the multicellular
Sensor elements used as amperometric gas sensors, wherein
typically gas sensors with three electrodes are used.
Between an outer layer that is usually under a protective layer
Pumping electrode (APE) and one behind a diffusion barrier arranged
inner pumping electrode (IPE), a pumping voltage is applied. By
Measuring the Nernst voltage, which varies between IPE and one in one
Reference air arranged reference electrode (RE) adjusts is
at least the sign of the pump voltage, better still the sign
and the amount of pump voltage, between APE and IPE dynamic
set. Thus, with lean exhaust gas oxygen ions from the
IPE pumped to APE (positive pump voltage). As the inflowing oxygen
is limited by the diffusion barrier, the measured IPE-APE pumping current is on
Measure of the amount of oxygen in the exhaust gas. In the fat exhaust
however, water or carbon dioxide are decomposed at the APE and
Oxygen ions are pumped from there to the IPE (negative pumping voltage).
There, the oxygen being pumped reacts with hydrogen and carbon monoxide
in turn, in their wake, turn through the diffusion barrier
are limited. By measuring the voltage between IPE and RE
ensures that not too much oxygen is pumped in,
but just so much that at the IPE the state λ =
1 (that is, a state in which gasses are just saturated
are). As a result, the pumping current is also in the rich air range
a measure of the oxygen deficit in the exhaust gas.
Nachteilig
an den mehrzelligen Aufbauten der Sensorelemente, wie beispielsweise
dem zuvor beschriebenen Doppelzellen-Aufbau, ist jedoch die Komplexität
derartiger Sensorelemente. Insbesondere die Anzahl der Elektroden
und/oder die Anzahl der Zuleitungen zu diesen Elektroden stellt
einen erheblichen Kostenfaktor dar, welcher nach Möglichkeit
reduziert werden sollte. Insofern wäre es vorteilhaft,
auf Einzeller-Anordnungen zurückgreifen zu können. Derartige
Einzeller-Anordnungen mit zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden
weisen jedoch in der Praxis insbesondere das Problem auf, dass kein eindeutiger
Zusammenhang zwischen dem Pumpstrom und der Gasgemischzusammensetzung besteht.
So wird in der Regel bei einer festen Pumpspannung in einem mageren
Gasgemisch ein positiver Pumpstrom (Magerpumpstrom) gemessen. Im fetten
Gasgemisch wird jedoch in der Regel ebenfalls ein positiver Pumpstrom
verzeichnet, selbst wenn die angelegte Pumpspannung (in der Regel
ca. 400 bis 700 mV, beispielsweise 500 mV) deutlich unterhalb der
Zersetzungsspannung von Wasser (ca. 1,23 V) liegt. Dieser positive
Pumpstrom im fetten Bereich ist im Wesentlichen auf den im Gasgemisch
enthaltenen molekularen Wasserstoff oder andere Brenngase zurückzuführen,
welcher das elektrochemische Potenzial der Anode beeinflusst, da
nun an der ersten Elektrode aus den aus dem Festelektrolyten austretenden
Sauerstoffionen statt molekularem Sauerstoff Wasser gebildet werden
kann. Die bei der H2O-Bildung an der Anode
freiwerdende Energie kompensiert somit die zur H2O-Zersetzung
an der Kathode benötigte Energie, weshalb die Pumpspannung
in der Regel unter 1,23 V liegt. Ähnliche Effekte spielen auch
für andere im Gasgemisch vorhandene, Sauerstoff-liefernde
Redox-Systeme eine Rolle, beispielsweise CO2/CO.However, a disadvantage of the multicellular structures of the sensor elements, such as the double-cell structure described above, is the complexity of such sensor elements. In particular, the number of electrodes and / or the number of leads to these electrodes represents a significant cost factor, which should be reduced if possible. In this respect, it would be advantageous to be able to resort to single-cell arrangements. However, in practice such single-cell arrangements with two electrodes exposed to the gas mixture have the problem that there is no clear relationship between the pumping current and the gas mixture composition. Thus, a positive pumping current (lean pumping current) is usually measured at a fixed pumping voltage in a lean gas mixture. In the rich gas mixture, however, a positive pumping current is usually also recorded, even if the applied pumping voltage (usually about 400 to 700 mV, for example 500 mV) is well below the decomposition voltage of water (about 1.23 V). This positive pumping current in the rich range is essentially due to the molecular hydrogen or other fuel gases contained in the gas mixture, which influences the electrochemical potential of the anode, since water can now be formed on the first electrode from the oxygen ions leaving the solid electrolyte instead of molecular oxygen. The energy released at the anode during H 2 O formation thus compensates for the energy required for H 2 O decomposition at the cathode, which is why the pumping voltage is generally below 1.23 V. Similar effects also play a role for other oxygen-supplying redox systems present in the gas mixture, for example CO 2 / CO.
Wünschenswert
wäre daher ein Sensorelement sowie ein Verfahren zum Betrieb
eines derartigen Sensorelements, welche mit möglichst wenig Elektroden
und/oder Zuleitungen auskommen und welche es dennoch ermöglichen,
den Sauerstoffgehalt über einen möglichst breiten
Luftzahlbereich zu messen. DE 10 2005 054 144 A1 beschreibt daher einen
Gassensor mit einer Außenelektrode und einer Innenelektrode,
welche jeweils durch Diffusionsbarrieren von einem Messraum getrennt
sind. Dabei weisen die beiden Diffusionsbarrieren unterschiedliche Diffusionskoeffizienten
auf. Es wird eine Schaltung vorgesehen, welche durch Umpolen der
Pumpspannung und einen Vergleich der Pumpströme vor und nach
dem Umpolen eingerichtet ist, um fette Luftzahlbereiche von mageren
Luftzahlbereichen zu unterscheiden. Problematisch an der in DE 10 2005 054 144
A1 vorgeschlagenen Anordnung und dem vorgeschlagenen Messverfahren
ist jedoch, dass das Umschalten der Pumpspannungen schnell durchgeführt werden
muss, was aufgrund der Kapazitäten der Anordnung nicht
beliebig schnell erfolgen kann. Es muss jedoch für den
praktischen Einsatz eine Sensorgeschwindigkeit erreicht werden,
die den Sensor zur Lambda-Regelung in Kraftfahrzeugen, insbesondere
in Pkws, qualifiziert. Dazu müssen Lambda-Variationen mit
einem Takt von wenigen Hertz zuverlässig erkannt werden,
so dass eine Zeitauflösung von mindestens 100 bis 200 ms
erforderlich ist.It would therefore be desirable to have a sensor element and a method for operating such a sensor element, which manage with as few electrodes and / or supply lines as possible and which nevertheless make it possible to measure the oxygen content over as wide a range of air frequencies as possible. DE 10 2005 054 144 A1 describes therefore a gas sensor with an outer electrode and an inner electrode, which are each separated by diffusion barriers of a measuring space. In this case, the two diffusion barriers have different diffusion coefficients. A circuit is provided which is arranged by reversing the polarity of the pumping voltage and comparing the pumping currents before and after the polarity reversal in order to distinguish rich air-frequency ranges from lean air-power ranges. Problematic at the in DE 10 2005 054 144 A1 proposed arrangement and the proposed measurement method, however, that the switching of the pump voltages must be performed quickly, which can not be done arbitrarily fast due to the capacities of the arrangement. However, it must be achieved for practical use, a sensor speed, which qualifies the sensor for lambda control in motor vehicles, especially in cars. For this lambda variations must be reliably detected with a clock of a few hertz, so that a time resolution of at least 100 to 200 ms is required.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es
wird daher ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen
Eigenschaft eines Gases in mindestens einem Messgasraum vorgeschlagen,
sowie ein Sensorelement und eine Sensoranordnung, welche sich insbesondere
zur Umsetzung des beschriebenen Verfahrens eignen und welche die
Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend
vermeiden.It
is therefore a method for determining at least one physical
Property of a gas in at least one sample gas space proposed,
and a sensor element and a sensor arrangement, which in particular
suitable for the implementation of the method described and which the
Disadvantages of known methods and devices, at least largely
avoid.
Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht in der Erkenntnis,
dass die Begrenzung der Geschwindigkeit bekannter Umpolverfahren,
wie beispielsweise des in DE 10 2005 054 144 A1 beschriebenen Verfahrens,
welches insbesondere durch die umzuladen den Kapazitäten
(elektrische Kapazität der Elektroden und gegebenenfalls
Doppelschichtkapazitäten) limitiert ist, durch geeignete Ausgestaltung
des Sensorsystems und des Verfahrens verbessert werden kann. So
muss beispielsweise nach einem Polaritätswechsel der Pumpspannung abgewartet
werden, bis alle Kapazitäten umgeladen wurden und sich
ein neuer, eingeschwungener Zustand eingestellt hat. Die vorliegende
Erfindung beschreibt daher ein elektronisches Verfahren, mit dessen
Hilfe die Zeitauflösung so weit gesteigert werden kann,
dass eine Anwendung im Pkw möglich wird. Das Verfahren
ist hinsichtlich der verwendeten Sensorelemente vergleichsweise
flexibel und kann beispielsweise unter Verwendung konventioneller
Breitbandsonden, einfacher Einzellen-Aufbauten, dem in DE 10 2005 054 144 A1 beschriebenen
Sensoraufbau sowie mit einem speziellen, erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Sensorelement durchgeführt werden. Besonders die Verwendung
bekannter, konventioneller Breitbandsonden erlaubt eine kostengünstige
Umsetzung des Verfahrens, da bekannte und erprobte Sensorgeometrien
eingesetzt werden können.A basic idea of the present invention is the recognition that the limitation of the speed of known Umpolverfahren such for example, the in DE 10 2005 054 144 A1 described method, which is limited in particular by the umzuladen the capacitances (electrical capacitance of the electrodes and optionally double-layer capacitances) can be improved by suitable design of the sensor system and the method. For example, after a change in the polarity of the pumping voltage, it is necessary to wait until all the capacitors have been reloaded and a new, steady state has been established. The present invention therefore describes an electronic method by means of which the time resolution can be increased to the extent that an application in a car is possible. The method is comparatively flexible with regard to the sensor elements used and can be determined, for example, using conventional broadband probes, simple single-cell constructions, which are described in US Pat DE 10 2005 054 144 A1 described sensor structure and with a special, inventively proposed sensor element can be performed. Especially the use of known, conventional broadband probes allows a cost-effective implementation of the method, since known and proven sensor geometries can be used.
Das
vorgeschlagene Verfahren zur Bestimmung mindestens einer physikalischen
Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum lässt sich
insbesondere zur Bestimmung einer Sauerstoffkonzentration im Abgas
einer Brennkraftmaschine einsetzen, beispielsweise im Rahmen einer
oder mehrerer der oben beschriebenen Lambdasonden. Es sind jedoch grundsätzlich
auch andere Arten von physikalischen Eigenschaften des Gases messbar,
beispielsweise Gaskonzentrationen anderer Gaskomponenten in dem
Gas.The
proposed methods for determining at least one physical
Property of a gas in a sample gas space can be
in particular for determining an oxygen concentration in the exhaust gas
use an internal combustion engine, for example in the context of a
or more of the above-described lambda probes. However, they are basically
also other types of physical properties of the gas measurable,
For example, gas concentrations of other gas components in the
Gas.
Das
vorgeschlagene Verfahren verwendet ein Sensorelement mit mindestens
einer ersten Elektrode und mindestens einer zweiten Elektrode und mindestens
einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden
Festelektrolyten. Insofern umfasst das Sensorelement mindestens
eine Pumpzelle. Dabei stehen die erste Elektrode und die zweite Elektrode
derart mit dem Messgasraum in Verbindung, dass diese beiden Elektroden
jeweils mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sind. Wie unten
näher ausgeführt, kann diese Beaufschlagung beispielsweise
unmittelbar erfolgen und/oder kann über eine Schutzschicht
(beispielsweise eine Schutzschicht, welche die Elektroden vor Verschmutzungen schützt)
und/oder eine oder mehrere Diffusionsbarrieren erfolgen.The
proposed method uses a sensor element with at least
a first electrode and at least one second electrode and at least
one connecting the first electrode and the second electrode
Solid electrolyte. In this respect, the sensor element comprises at least
a pump cell. In this case, the first electrode and the second electrode are
so in communication with the sample gas chamber that these two electrodes
each be acted upon with gas from the sample gas space. As below
In more detail, this admission can, for example
Immediately and / or may have a protective layer
(For example, a protective layer that protects the electrodes from contamination)
and / or one or more diffusion barriers.
Das
vorgeschlagene Verfahren baut auf der in DE 10 2005 054 144 A1 beschriebenen
Grundidee auf, welche darin besteht, dass bei Umpolung einer zwischen
die beiden Elektroden angelegten Pumpspannung aufgrund von zwangsläufig
vorhandenen (beispielsweise durch Bauteiltoleranzen bedingten) und/oder
bewusst herbeigeführten Asymmetrien unterschiedliche Pumpströme
gemessen werden, welche durch Umpolen einer Pumpspannung erfasst werden
können. Dementsprechend wird mindestens eine erste Pumpspannung
zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt,
so dass die Pumpzelle mit dieser ersten Pumpspannung beaufschlagt
wird. Dabei (d. h. gleichzeitig oder zeitversetzt) wird mindestens
ein erster Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der zweiten
Elektrode gemessen.The proposed procedure builds on the in DE 10 2005 054 144 A1 described basic idea, which is that when reversing a voltage applied between the two electrodes pump voltage due to inevitably existing (for example, caused by component tolerances) and / or deliberately induced asymmetries different pump currents are measured, which can be detected by reversing a pumping voltage. Accordingly, at least a first pumping voltage is applied between the first electrode and the second electrode, so that the pumping cell is supplied with this first pumping voltage. In this case (ie simultaneously or with a time delay), at least one first pumping current is measured between the first electrode and the second electrode.
Anschließend
wird mindestens eine zweite Pumpspannung zwischen der ersten Elektrode
und der zweiten Elektrode angelegt (also wiederum an die Pumpzelle)
und dabei (d. h. gleichzeitig und/oder zeitversetzt) mindestens
ein zweiter Pumpstrom durch diese Pumpzelle gemessen. Dabei wird
die zweite Pumpspannung derart gewählt, dass diese eine
zur ersten Pumpspannung umgekehrte Polarität aufweist (Umpolen).
Die zweite Pumpspannung kann insbesondere betragsmäßig
gleich zu der ersten Pumpspannung ausgestaltet sein, wobei jedoch auch
andere Arten einer zweiten Pumpspannung möglich sind.Subsequently
is at least a second pumping voltage between the first electrode
and the second electrode applied (ie in turn to the pumping cell)
and at the same time (ie simultaneously and / or delayed) at least
a second pumping current is measured through this pumping cell. It will
the second pumping voltage chosen such that this one
to the first pumping voltage has reverse polarity (polarity reversal).
The second pumping voltage can in particular amount
be configured equal to the first pumping voltage, but also
other types of a second pumping voltage are possible.
Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die in DE 10 2005 054 144
A1 genannten Plausibilitätsüberlegungen
dahingehend abzuwandeln, dass aus den gemessenen Pumpströmen
(d. h. direkt aus diese Pumpströmen und/oder aus aus diesen
Pumpströmen abgeleiteten Messgrößen)
eine eindeutige Messgröße gebildet wird. Diese eindeutige
Messgröße soll derart gewählt sein, dass diese,
im Gegensatz zum Pumpstrom selbst, einen im Wesentlichen (d. h.
beispielsweise von gerätebedingten Schwankungen oder Rauschen
abgesehen) eindeutigen, d. h. umkehrbaren, Zusammenhang mit der
physikalischen Eigenschaft des Gases, beispielsweise einer Gasgemischszusammensetzung,
insbesondere einer Sauerstoffkonzentration (beziehungsweise einer
anderen Messgaskonzentration), aufweist. Beispielsweise kann es
sich dabei um eine monoton oder streng monoton mit der physikalischen
Eigenschaft des Gases, beispielsweise der Sauerstoffkonzentration,
steigende oder fallende eindeutige Messgröße handeln,
aus welcher auf die physikalische Eigenschaft geschlossen werden
kann. Die vorliegende Erfindung schlägt hierfür
vor, diese eindeutige Messgröße dadurch zu bilden,
dass zunächst das Minimum und das Maximum aus dem ersten Pumpstrom
und dem zweiten Pumpstrom ermittelt werden. Anschließend
wird mindestens eine vorgegebene Linearkombination aus diesem Minimum
und diesem Maximum gebildet und hierdurch die eindeutige Messgröße
generiert.A basic idea of the present invention is that in DE 10 2005 054 144 A1 abovementioned plausibility considerations to the effect that from the measured pumping currents (ie directly from these pumping currents and / or derived from these pumping currents measured variables) a clear measure is formed. This unambiguous measured variable should be chosen such that, in contrast to the pumping current itself, a substantial (ie, for example, device-related fluctuations or noise) unambiguous, ie reversible, connection with the physical property of the gas, for example a gas mixture composition, in particular an oxygen concentration (or another measurement gas concentration). For example, it can be a monotone or strictly monotone with the physical property of the gas, for example, the oxygen concentration, increasing or decreasing unique measure, from which it can be concluded that the physical property. For this purpose, the present invention proposes to form this unambiguous measured variable by first determining the minimum and the maximum from the first pumping current and the second pumping current. Subsequently, at least one predetermined linear combination of this minimum and this maximum is formed and thereby generates the unique measure.
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer „Linearkombination"
des Minimums MIN und des Maximums MAX der beiden Pumpströme eine
Kombination der folgenden Art zu verstehen: Φ = a·MIN + b·MAX +
c (1),wobei
die Koeffizienten a, b und c beliebige Zahlen, beispielsweise reelle
Zahlen, sein können, welche jeweils auch den Wert 0 annehmen
können. Dabei sind a, b und c derart ge wählt,
dass die eindeutige Messgröße Φ, wie
oben ausgeführt, an jedem Messpunkt eines vorgegebenen
Bereiches einen eindeutigen Rückschluss auf die physikalische
Eigenschaft erlaubt. Die Koeffizienten a oder b können
dabei auch (jedoch nicht gleichzeitig) den Wert Null annehmen. Auch
c kann den Wert Null annehmen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
sind aufgrund der einfachen Umsetzbarkeit besonders drei Arten der
Linearkombination bevorzugt. Zum einen können jeweils das
Minimum (das heißt b = 0 und c = 0) oder das Maximum (das
heißt a = 0 und c = 0) selbst als Linearkombination verwendet
werden. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch ein
Summenpumpstrom aus dem Maximum und dem Minimum gebildet werden
und dieser als Linearkombination Φ verwendet werden. In
diesem Fall könnten beispielsweise a = b und ggf. c = 0
für die Koeffizienten verwendet werden. In diesem Fall
könnte sogar auf einen Verfahrensschritt, in welchem explizit
bestimmt wird, welcher der beiden Pumpströme das Minimum
und welcher das Maximum darstellt, verzichtet werden, da diese Information
bei der Summenbildung ohnehin keine Rolle spielt. Allgemein müssen
das Maximum und das Minimum zur Umsetzung des erfindungsgemäßen
Verfahren nicht explizit bestimmt werden, sondern es kann auch unmittelbar
beispielsweise eine Linearkombination dieses Minimums und dieses Maximums
bestimmt werden. Weitere Ausführungsbeispiele dieser Idee
werden unten weiter ausgeführt.In the context of the present invention, under a "linear combination" of the minimum MIN and the maximum MAX of the two pumping currents to understand a combination of the following kind: Φ = a * MIN + b * MAX + c (1), where the coefficients a, b and c can be any numbers, for example real numbers, which in each case can also assume the value 0. In this case, a, b and c are selected such that the unambiguous measured variable Φ, as stated above, allows a clear inference to the physical property at each measuring point of a given range. The coefficients a or b can also assume the value zero (but not simultaneously). Also, c can take the value zero. In the context of the present invention, three types of linear combination are preferred because of their ease of implementation. On the one hand, the minimum (that is, b = 0 and c = 0) or the maximum (that is, a = 0 and c = 0) can each be used as a linear combination. Alternatively or additionally, however, a sum pumping current can also be formed from the maximum and the minimum and used as a linear combination Φ. In this case, for example, a = b and possibly c = 0 could be used for the coefficients. In this case, it would even be possible to dispense with a method step in which it is explicitly determined which of the two pump currents represents the minimum and which the maximum, since this information does not play any role in the summation anyway. In general, the maximum and the minimum for implementing the method according to the invention need not be explicitly determined, but it is also possible to determine directly, for example, a linear combination of this minimum and this maximum. Further embodiments of this idea will be further elaborated below.
Das
beschriebene Verfahren kann insbesondere mittels einer Sensoranordnung
umgesetzt werden, welche mindestens eine Ansteuereinrichtung aufweist.
Diese elektrische Ansteuereinrichtung erlaubt es, schnell die für
das Verfahren notwendigen Teilmesswerte (zum Beispiel den ersten
Pumpstrom und den zweiten Pumpstrom) zu generieren und/oder zu ermitteln
und diese Teilmesswerte zu der eindeutigen Messgröße
zusammenzusetzen. Insgesamt ergibt sich hieraus ein Sensorbetriebsmodus
für ein Sensorelement, welcher eine eindeutige Kennlinie über
einen weiten Bereich der physikalischen Größe, insbesondere über
einen weiten Lambdabereich, zeigt, was weitgehend unabhängig
ist von der Sensorgeometrie. Insbesondere können auch Sensorelemente
mit nur zwei Elektroden in verschiedenen möglichen Geometrien
und/oder herkömmliche Sensorelemente eingesetzt werden.
Der Betrieb des Sensorelements kann mit einer hohen Dynamik erfolgen.The
described method can in particular by means of a sensor arrangement
be implemented, which has at least one drive device.
This electrical control device allows fast for the
the procedure necessary partial measurements (for example, the first
Pumping current and the second pumping current) to generate and / or to determine
and these partial measurements to the unique measure
reassemble. Overall, this results in a sensor operating mode
for a sensor element which has a unique characteristic over
a wide range of physical size, especially over
a wide lambda range, showing what is largely independent
is from the sensor geometry. In particular, sensor elements can also be used
with only two electrodes in different possible geometries
and / or conventional sensor elements are used.
The operation of the sensor element can be done with high dynamics.
Weiterhin
werden verschiedene Verbesserungen des vorgeschlagenen Verfahrens
vorgeschlagen, welche insbesondere die Taktfrequenz des Verfahrens
erhöhen. So kann insbesondere das Umschalten zwischen der
ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung, neben einem einfachen spannungsgeregelten
Modus, in einem stromgeregelten Betrieb erfolgen, um die Umschaltzeit
weiter zu verringern. Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen,
beim Umschalten zwischen der ersten Pumpspannung und der zweiten
Pumpspannung zunächst mindestens einen Spannungspuls an
die Pumpzelle anzulegen, welcher relativ zur zweiten Pumpspannung
gleiche Polarität aufweist, wobei der Spannungspuls einen
größeren Betrag aufweist als die zweite Pumpspannung.
Auf diese Weise kann das Umladen der Kapazitäten beschleunigt
werden. Beispielsweise kann der Spannungspuls um mindestens einen
Faktor 1,5, insbesondere um mindestens einen Faktor 2 und besonders
bevorzugt um mindestens einen Faktor 3 höher gewählt
werden als die zweite Pumpspannung. Der Spannungspuls kann insbesondere
eine Länge zwischen 2 und 100 Mikrosekunden und vorzugsweise
zwischen 20 Mikrosekunden und 50 Mikrosekunden aufweisen. Auch andere
Arten von Spannungspulsen oder Spannungspulskombinationen sind jedoch
denkbar.Farther
will be various improvements of the proposed method
proposed, which in particular the clock frequency of the method
increase. In particular, the switching between the
first pump voltage and the second pump voltage, in addition to a simple voltage-controlled
Mode, in a current-controlled operation done to the switching time
continue to decrease. Alternatively or additionally, it is proposed
when switching between the first pumping voltage and the second
Pump voltage initially at least one voltage pulse
to apply the pump cell, which is relative to the second pumping voltage
has the same polarity, wherein the voltage pulse a
larger amount than the second pumping voltage.
In this way, the reloading of capacities can be accelerated
become. For example, the voltage pulse can be at least one
Factor 1.5, in particular by at least a factor of 2 and especially
preferably chosen higher by at least a factor of 3
be considered the second pumping voltage. The voltage pulse can in particular
a length between 2 and 100 microseconds, and preferably
between 20 microseconds and 50 microseconds. Others too
However, types of voltage pulses or voltage pulse combinations are
conceivable.
Das
Umschalten zwischen der ersten Pumpspannung und der zweiten Pumpspannung
kann dabei periodisch wiederholt werden, wobei dann die erste Pumpspannung
und die zweite Pumpspannung die Rollen tauschen und das erfindungsgemäße
Verfahren sinngemäß wiederholt wird. Bei dieser
Wiederholung kann beispielsweise wiederum ein Spannungspuls verwendet
werden, welcher dann in diesem Fall der ersten Pumpspannung vorgeschaltet wird.The
Switching between the first pumping voltage and the second pumping voltage
can be repeated periodically, in which case the first pumping voltage
and the second pumping voltage replace the rollers and the inventive
The procedure is repeated mutatis mutandis. At this
Repetition, for example, again uses a voltage pulse
be, which is then preceded in this case the first pumping voltage.
Wie
oben beschrieben, beruht das vorgeschlagene Verfahren insbesondere
auf einer Asymmetrie zwischen der ersten Elektrode und der zweiten
Elektrode, welche in den meisten Sensorelementen auf natürliche
Weise vorhanden ist. Diese Asymmetrie kann jedoch auch künstlich
herbeigeführt werden, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung
besonders bevorzugt ist. So können die erste Elektrode und
die zweite Elektrode jeweils über eine erste beziehungsweise
zweite Verbindung mit dem Messgasraum verbunden sein. Diese Verbindungen
können beispielsweise in Form von Bohrungen, Öffnungen oder ähnlichem
ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können
jedoch eine oder beide der Elektroden unmittelbar dem Messgasraum
ausgesetzt sein, das heißt eine freie Oberfläche
hin zu diesem Messgasraum aufweisen oder eine lediglich durch eine Schutzschicht
oder dünne Diffusionsbarriere bedeckte Oberfläche.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die erste Verbindung und
die zweite Verbindung eine Asymmetrie aufweisen, so dass die erste Elektrode
und die zweite Elektrode unterschiedliche Grenzströme aufweisen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn sich diese Grenzströme
um mindestens 10% unterscheiden, wobei jedoch auch höhere
Unterschiede, beispielsweise um einen Faktor 20, möglich sind.As described above, the proposed method is based in particular on an asymmetry between the first electrode and the second electrode, which is naturally present in most sensor elements. However, this asymmetry can also be artificially induced, which is particularly preferred in the context of the present invention. Thus, the first electrode and the second electrode can each be connected via a first or second connection to the sample gas space. These connections can be configured, for example, in the form of bores, openings or the like. Alternatively or additionally, however, one or both of the electrodes may be exposed directly to the measuring gas space, that is to say have a free surface towards this measuring gas space, or a surface covered only by a protective layer or thin diffusion barrier. It is particularly preferred if the first compound and the second compound have an asymmetry, so that the first Electrode and the second electrode have different limiting currents. It is particularly preferred if these limit currents differ by at least 10%, but higher differences, for example by a factor of 20, are also possible.
Der
Grenzstrom einer Elektrode ist dabei definiert als der Sättigungs-Pumpstrom,
d. h. der maximale Pumpstrom für die reine Sauerstoffzersetzung (bzw.
Messgaszersetzung), welcher bei Steigerung der Pumpspannung zwischen
den mindestens zwei Elektroden erreichbar ist. Dieser Grenzstrom
kann beispielsweise für Sauerstoff und Sauerstoffionentransport
durch den Festelektrolyten definiert werden als derjenige Strom,
welcher erreicht wird, wenn alle Sauerstoffmoleküle, welche
die als Kathode betriebene Elektrode erreichen, vollständig
durch den Festelektrolyten zur Anode transportiert werden. Üblicherweise
wird das Sensorelement mit diesem Grenzstrom betrieben, d. h. mit
einer (siehe oben) ausreichenden Pumpspannung, so dass dieser vollständige „Abtransport"
ankommender Gasmoleküle erreicht wird. In diesem Betrieb
ist der Pumpstrom näherungsweise proportional zur Gasmolekülkonzentration.
Der Grenzstrom der entgegengesetzten Elektrode, welche zuvor als
Anode betrieben wurde, wird dementsprechend experimentell durch
Umpolen bestimmt, so dass nunmehr die vormalige Anode als Kathode
betrieben wird.Of the
Limit current of an electrode is defined as the saturation pumping current,
d. H. the maximum pumping current for pure oxygen decomposition (resp.
Sample gas decomposition), which increases with increasing pumping voltage
the at least two electrodes can be reached. This limit current
can, for example, for oxygen and oxygen ion transport
be defined by the solid electrolyte as that stream,
which is achieved when all oxygen molecules, which
reach the electrode operated as a cathode, completely
be transported through the solid electrolyte to the anode. Usually
the sensor element is operated with this limiting current, i. H. With
one (see above) sufficient pumping voltage, so that this complete "removal"
incoming gas molecules is achieved. In this operation
the pumping current is approximately proportional to the gas molecule concentration.
The limiting current of the opposite electrode, previously as
Anode is operated accordingly by experimentally
Umpolen determined so that now the former anode as a cathode
is operated.
Die
Einstellung der unterschiedlichen Grenzströme der beiden
Elektroden beziehungsweise der beiden Verbindungen, in Kombination
mit den Elektroden, kann insbesondere dadurch erfüllt werden, dass
in einer oder in beiden dieser Verbindungen Diffusionsbarrieren
vorgesehen werden. Diese mindestens eine Diffusionsbarriere weist
einen Diffusionswiderstand auf. Dabei sind die Diffusionsbarrieren
vorzugsweise derart gewählt, dass sich die Diffusionswiderstände
der beiden Diffusionsbarrieren der beiden Verbindungen um einen
Faktor von mindestens 1,1, vorzugsweise um einen Faktor zwischen
1,5 und 3 (beziehungsweise um die Kehrwerte dieser Zahlen) unterscheiden.
Der Diffusionswiderstand ist dabei derjenige Widerstand, welchen
eine Diffusionsbarriere einem Konzentrationsunterschied Δc
zwischen beiden Seiten der Diffusionsbarriere der Länge
l und des Querschnitts A entgegensetzt und welcher somit eine Diffusion
(Strom IGas) behindert: IGas = –D·Al ·Δc (2). The setting of the different limiting currents of the two electrodes or of the two connections, in combination with the electrodes, can be achieved in particular by providing diffusion barriers in one or both of these connections. This at least one diffusion barrier has a diffusion resistance. In this case, the diffusion barriers are preferably selected such that the diffusion resistances of the two diffusion barriers of the two compounds differ by a factor of at least 1.1, preferably by a factor between 1.5 and 3 (or by the inverse of these numbers). In this case, the diffusion resistance is that resistance which a diffusion barrier opposes to a concentration difference Δc between both sides of the diffusion barrier of length l and of cross-section A and which thus hinders diffusion (current I gas ): I gas = -D · A l · Δc (2).
Der
Diffusionskoeffizient D setzt sich (invers additiv) aus den Diffusionskoeffizienten
für die Gasphasendiffusion und für die Knudsendiffusion
zusammen, welche beide unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten
aufweisen. Die Temperaturabhängigkeit des Flusses hängt
somit von den Anteilen der einzelnen Diffusionsarten ab. Typischerweise ändert sich
der Fluss bei einer Temperaturänderung um 100°C
um ca. 4%. Für die Einstellung eines gewünschten
Grenzstromes kann also auf die Geometrie der Widerstandselemente
(Querschnitt, Länge) oder auch auf die Materialeigenschaften
und die Temperatur eingewirkt werden.Of the
Diffusion coefficient D is (inversely additive) made up of the diffusion coefficients
for gas-phase diffusion and Knudsen diffusion
together, which both have different temperature dependencies
exhibit. The temperature dependence of the flow depends
thus from the proportions of the individual types of diffusion. Typically, it changes
the flow at a temperature change of 100 ° C
about 4%. For setting a desired
Limit current can thus affect the geometry of the resistive elements
(Cross section, length) or on the material properties
and the temperature is acted upon.
Unter
einer „Diffusionsbarriere" ist allgemein im Rahmen der
vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein poröses Element
zu verstehen, beispielsweise ein keramisches poröses Element,
welches einen Diffusionswiderstand aufweist. Alternativ oder zusätzlich
kann der Begriff Diffusionsbarriere jedoch auch andere Arten von
Elementen beinhalten, welche einer Diffusion einen Widerstand entgegensetzen.
Beispielsweise wären hierbei poröse Abdeckschichten,
Kanäle (insbesondere Kanäle mit reduziertem Querschnitt),
Kombinationen aus Kanälen oder ähnliche Elemente
oder Kombinationen von Elementen zu nennen. Die genannten Möglichkeiten sind
auch beliebig kombinierbar, um einen gewünschten Diffusionswiderstand
einzustellen.Under
a "diffusion barrier" is generally within the framework of
present invention preferably a porous element
to understand, for example, a ceramic porous element,
which has a diffusion resistance. Alternatively or in addition
However, the term diffusion barrier can also cover other types of
Include elements that oppose a diffusion resistance.
For example, this would be porous cover layers,
Channels (in particular channels with a reduced cross-section),
Combinations of channels or similar elements
or to call combinations of elements. The options mentioned are
also arbitrarily combinable to a desired diffusion resistance
adjust.
Für
diese Ausgestaltung der Diffusionswiderstände kann beispielsweise
dasselbe Diffusionsmedium (z. B. ein poröses Material)
für die beiden Diffusionsbarrieren eingesetzt werden, jedoch
in unterschiedlichen Schichtdicken, so dass beispielsweise vor der
mindestens einen ersten Elektrode eine höhere Schichtdicke
verwendet wird als vor der mindestens einen zweiten Elektrode. Alternativ
oder zusätzlich kann auch eine Einstellung der Fläche
der Diffusionsbarrieren erfolgen. Der Grenzstrom steigt zumindest
näherungsweise proportional mit der für die Diffusion
zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche, und
umgekehrt proportional mit der Länge beziehungsweise Schichtdicke
der Diffusionsbarrieren an.For
This embodiment of the diffusion resistors can, for example
the same diffusion medium (eg a porous material)
for the two diffusion barriers are used, however
in different layer thicknesses, so that, for example, before
at least one first electrode has a higher layer thickness
is used as before the at least one second electrode. alternative
or in addition can also be a setting of the area
the diffusion barriers take place. The limiting current increases at least
approximately proportional to that for diffusion
available cross-sectional area, and
inversely proportional to the length or layer thickness
the diffusion barriers.
Wie
oben beschrieben, können die beiden Verbindungen, welche
eine Beaufschlagung der beiden Elektroden mit Gas aus dem Messgasraum
ermöglichen, auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein.
Beispielsweise kann ein Sensorelement verwendet werden, bei welchem
die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch mindestens eine
Deckschicht von dem Messgasraum getrennt sind. Die erste Verbindung
und die zweite Verbindung können dabei jeweils ein oder
mehrere Gaszutrittslöcher umfassen, welche vorzugsweise
für die erste Verbindung und die zweite Verbindung zumindest
teilweise getrennt ausgebildet sind und welche die mindestens eine
Deckschicht durchdringen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein
Schichtaufbau verwendet werden, in welchem die erste Elektrode und
die zweite Elektrode in derselben Schichtebene des Schichtaufbaus
angeordnet sind, also nebeneinander, im Gegensatz zu der gestapelten
Ausführung gemäß DE 10 2005 054 144 A2 .
Auf diese Weise können Schichtebenen eingespart werden,
und der gesamte Sensoraufbau kann stark vereinfacht werden. Wie
oben beschrieben, können jedoch auch andere Arten von Sensorelementen
eingesetzt werden.As described above, the two connections which allow gas to be supplied from the measuring gas space to the two electrodes can be designed in different ways. For example, a sensor element may be used in which the first electrode and the second electrode are separated from the measurement gas space by at least one cover layer. The first connection and the second connection may each comprise one or more gas access holes, which are preferably at least partially separated for the first connection and the second connection and which penetrate the at least one cover layer. In this way, for example, a layer structure can be used in which the first electrode and the second electrode are arranged in the same layer plane of the layer structure, ie side by side, in contrast to the stacked embodiment according to FIG DE 10 2005 054 144 A2 , In this way, layer planes can be saved, and the ge Overall sensor design can be greatly simplified. As described above, however, other types of sensor elements may be used.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.embodiments
The invention is illustrated in the drawings and in the following
Description explained in more detail.
Es
zeigen:It
demonstrate:
1 ein
Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit einem dem
Stand der Technik entsprechenden Sensorelement und einer Ansteuereinrichtung; 1 an embodiment of a sensor arrangement with a prior art sensor element and a drive device;
2 ein
zu dem Sensorelement in 1 alternatives, erfindungsgemäßes
Sensorelement; 2 a to the sensor element in 1 alternative sensor element according to the invention;
3 eine
perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Sensorelements; 3 a perspective view of a sensor element according to the invention;
4 eine
Pumpstrom-Kennlinie als Funktion eines Gas-Partialdrucks; 4 a pumping current characteristic as a function of a gas partial pressure;
5 Pumpstrom-Kennlinien
analog zu 4 mit und ohne Umpolung der
Pumpspannung; 5 Pump current characteristics analogous to 4 with and without reversing the pump voltage;
6 die
Pumpstrom-Kennlinie gemäß 5 mit zusätzlich
einer Summenpumpstrom-Kennlinie; 6 the pumping current characteristic according to 5 additionally with a cumulative pump current characteristic;
7 Pumpstrom-Kennlinien
bei Sensorelementen mit nahezu ungehindertem Gaszutritt zu einer
Elektrode; 7 Pump current characteristics for sensor elements with virtually unhindered gas access to an electrode;
8 Pumpströme
beim Umpolen der Pumpspannung; 8th Pump currents when reversing the pump voltage;
9 Pumpströme
beim Umschalten mit einem zusätzlichen Spannungspuls; 9 Pump currents when switching with an additional voltage pulse;
10 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensorelements; 10 a further embodiment of a sensor element according to the invention;
11 ein
Ausführungsbeispiel einer Beschaltung des Sensorelements
gemäß 10; 11 an embodiment of a circuit of the sensor element according to 10 ;
12 einen
Pumpspannungsverlauf an den Elektroden des Sensorelements gemäß 10 zur
Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
und 12 a pump voltage curve at the electrodes of the sensor element according to 10 for explaining a method according to the invention; and
13 eine
zu 11 alternative Beschaltung des Sensorelements
gemäß 10. 13 one too 11 Alternative wiring of the sensor element according to 10 ,
Ausführungsformenembodiments
In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 110 gemäß der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Sensoranordnung 110 umfasst
in diesem Ausführungsbeispiel neben einer Ansteuereinrichtung 112,
welche beispielsweise Pumpspannungen und/oder Pumpströme
bereitstellen kann, Messfunktionen übernehmen kann oder ähnliche
Aufgaben übernehmen kann, ein Sensorelement 114.
Die Ansteuereinrichtung 112 kann beispielswei se mindestens
eine der folgenden Vorrichtungen enthalten: eine Stromquelle, eine
Spannungsquelle, eine Strommessvorrichtung, insbesondere zum Messen
eines Pumpstroms, eine Spannungsmessvorrichtung, insbesondere zum
Messen einer Pumpspannung und/oder zum Messen einer Referenzspannung,
eine oder mehrere Regelvorrichtungen sowie weitere Funktionen, beispielsweise
logische Funktionen, Speicherfunktionen oder ähnliches.
Insbesondere kann die Ansteuereinrichtung 112 auch einen
oder mehrere Datenverarbeitungseinrichtungen umfassen, beispielsweise
einen oder mehrere Mikrocomputer. Die Ansteuereinrichtung 112 kann zentralisiert,
d. h. einstückig und/oder in einem einzelnen Gehäuse
aufgenommen, ausgestaltet sein oder auch dezentralisiert, d. h.
beispielsweise in mehreren separaten Komponenten verteilt, ausgestaltet
werden. Der mindestens eine Mikrocomputer kann beispielsweise programmtechnisch
eingerichtet sein, um das oben vorgeschlagene Verfahren in einer oder
mehreren der beschriebenen Ausführungsformen zu steuern
beziehungsweise ganz oder teilweise umzusetzen. Die Ansteuereinrichtung 112 ist über Ansteuerleitungen 116 mit
dem Sensorelement 114 verbunden.In 1 is an embodiment of a sensor arrangement 110 represented according to the present invention. The sensor arrangement 110 includes in this embodiment, in addition to a drive device 112 which can provide, for example, pumping voltages and / or pumping currents, can assume measuring functions or can undertake similar tasks, a sensor element 114 , The drive device 112 For example, it may include at least one of: a power source, a voltage source, a current measuring device, in particular for measuring a pumping current, a voltage measuring device, in particular for measuring a pumping voltage and / or measuring a reference voltage, one or more regulating devices and other functions, for example logical functions, memory functions or the like. In particular, the drive device 112 also comprise one or more data processing devices, for example one or more microcomputers. The drive device 112 can be centralized, ie housed in one piece and / or housed in a single housing, be designed or decentralized, ie distributed, for example, in several separate components configured. The at least one microcomputer can be set up, for example, in terms of programming, in order to control or completely or partially implement the method proposed above in one or more of the described embodiments. The drive device 112 is via control lines 116 with the sensor element 114 connected.
In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht
das Sensorelement 114 einem aus dem Stand der Technik bekannten
Sensorelement. Dieses Sensorelement 114 kann jedoch durch andere
Arten von Sensorelementen ausgetauscht werden, beispielsweise gegen
die in nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen
Sensorelementen. Das in 1 dargestellte Sensorelement 114 ist
ein kommerziell erhältliches Breitband-Sensorelement, dessen
Funktionsweise beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren
im Kraftfahrzeug, 2001, Seiten 116–117 , beschrieben
ist. Das Sensorelement 114 umfasst eine Pumpzelle 118 mit
einer ersten Elektrode 120, einem Festelektrolyten 122 und
einer in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildeten,
in einem Elektrodenhohlraum 124 angeordneten zweiten Elektrode 126.In the in 1 illustrated embodiment, the sensor element corresponds 114 a known from the prior art sensor element. This sensor element 114 However, it can be replaced by other types of sensor elements, for example, against the sensor elements described in subsequent embodiments. This in 1 illustrated sensor element 114 is a commercially available broadband sensor element whose operation, for example, in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, 2001, pages 116-117 , is described. The sensor element 114 includes a pumping cell 118 with a first electrode 120 , a solid electrolyte 122 and a bipartite formed in this embodiment, in an electrode cavity 124 arranged second electrode 126 ,
Während
die erste Elektrode 120 in diesem Fall über eine
erste Verbindung 128, welche in diesem Ausführungsbeispiel
eine einfache, gasdurchlässige Schutzschicht 130 umfasst,
mit einem das zu messende Gasgemisch enthaltenden Messgasraum 132 in
Verbindung steht, ist die zweite Elektrode 126 im Inneren
des Sensorelements 114 angeordnet. Zur Beaufschlagung der
zweiten Elektrode 126 mit Gas aus dem Messgasraum 132 ist
eine zweite Verbindung 134 vorgesehen, welche in diesem
Ausführungsbeispiel ein Gaszutrittsloch 136, den
Elektrodenhohlraum 124 und eine zwischen dem Elektrodenhohlraum 124 und
dem Gaszutrittsloch 136 angeordnete, der zweiten Verbindung 134 zugeordnete zweite
Diffusionsbarriere 138 umfasst. Das Gaszutrittsloch 136 ist
senkrecht zu dem in 1 dargestellten Schichtaufbau
angeordnet und durchdringt den Festelektrolyten 122.While the first electrode 120 in this case via a first connection 128 , which in this embodiment a simple, gas-permeable protective layer 130 comprises, with a measuring gas space containing the gas mixture to be measured 132 is the second electrode 126 inside the sensor element 114 arranged. For charging the second electrode 126 with gas from the sample gas chamber 132 is a second connection 134 provided, which in this embodiment, a gas inlet hole 136 , the electrode cavity 124 and one between the electrode cavity 124 and the gas access hole 136 arranged, the second connection 134 associated second diffusion barrier 138 includes. The gas entry hole 136 is perpendicular to the in 1 arranged layer structure and penetrates the solid electrolyte 122 ,
Weiterhin
umfasst das als Breitbandsonde ausgestaltete Sensorelement 114 gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 1 einen
Referenzluftkanal 140 mit einer Referenzelektrode 142,
sowie ein Heizelement 144. Auf die Funktionen der Referenzelektrode 142 und
des Heizelements 144 wird im Folgenden nicht näher
eingegangen, sondern es sei diesbezüglich auf die Beschreibung
der aus dem Stand der Technik bekannten Sensorelemente 114 verwiesen. In
Anlehnung an die in der Literatur verwendete Nomenklatur wird die
erste Elektrode 120, welche in diesem Ausführungsbeispiel
als äußere Elektrode ausgestaltet ist, auch als
APE (äußere Potenzialelektrode oder äußere
Pumpelektrode) bezeichnet, die zweite Elektrode 126 als
IPE (innere Potenzialelektrode oder innere Pumpelektrode) und die
Referenzelektrode 142 als RE.Furthermore, the sensor element designed as a broadband probe comprises 114 according to the embodiment in 1 a reference air channel 140 with a reference electrode 142 , as well as a heating element 144 , On the functions of the reference electrode 142 and the heating element 144 will not be discussed in detail below, but it is in this regard to the description of the known from the prior art sensor elements 114 directed. Based on the nomenclature used in the literature, the first electrode 120 , which is designed in this embodiment as an outer electrode, also referred to as APE (outer potential electrode or outer pumping electrode), the second electrode 126 as IPE (inner potential electrode or inner pumping electrode) and the reference electrode 142 as RE.
In
den 2 und 3 sind mögliche alternative
Ausgestaltungen des Sensorelements 114 dargestellt, wobei
in dieser Darstellung auf eine möglicherweise zusätzlich
vorhandene Ansteuereinrichtung 112 verzichtet wurde. Während
bei dem Sensorelement 114 gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 1 die erste Elektrode 120 lediglich durch
eine Schutzschicht 130 vom Messgasraum 132 getrennt wurde,
weist bei den Ausführungsbeispielen in den 2 und 3 auch
die erste Verbindung 128, über welche die erste
Elektrode 120 mit Gas aus dem Messgasraum 132 beaufschlagt
werden kann, eine erste Diffusionsbarriere 146 auf. Weiterhin
ist ein erster Elektrodenhohlraum 148 vorgesehen, welcher, gemeinsam
mit der ersten Diffusionsbarriere 146, die erste Verbindung 128 bildet.
Analog weist die zweite Elektrode 126 einen zweiten Elektrodenhohlraum 150 auf,
welcher dem Elektrodenhohlraum 124 gemäß 1 entspricht
und welcher, gemeinsam mit der zweiten Diffusionsbarriere 138,
die zweite Verbindung 134 zwischen der zweiten Elektrode 126 und dem
Messgasraum 132 bildet. Weiterhin ist wiederum auch ein
Heizelement 144 vorgesehen.In the 2 and 3 are possible alternative embodiments of the sensor element 114 shown, in this illustration to a possibly additionally present control device 112 was waived. While at the sensor element 114 according to the embodiment in 1 the first electrode 120 only by a protective layer 130 from the sample gas chamber 132 has been separated, has in the embodiments in the 2 and 3 also the first connection 128 over which the first electrode 120 with gas from the sample gas chamber 132 can be acted upon, a first diffusion barrier 146 on. Furthermore, a first electrode cavity 148 provided, which, together with the first diffusion barrier 146 , the first connection 128 forms. Analogously, the second electrode 126 a second electrode cavity 150 on which the electrode cavity 124 according to 1 corresponds and which, together with the second diffusion barrier 138 , the second connection 134 between the second electrode 126 and the sample gas space 132 forms. Furthermore, in turn, a heating element 144 intended.
Während
bei dem Ausführungsbeispiel in 2 die Elektrodenhohlräume 148, 150 vom
Messgasraum 132 durch eine einfache Deckschicht 152 (welche
auch ganz oder teilweise von dem Festelektrolyten 122 gebildet
werden kann) getrennt sind, sind bei einem dritten Ausführungsbeispiel
des Sensorelements 114 gemäß 3 beide
Elektroden 120, 126 vollständig im Inneren
des Sensorelements 114 angeordnet und durch eine Deckschicht 152 vollständig
vom Messgasraum 132 getrennt. Diese Deckschicht 152 kann
beispielsweise wiederum eine Festelektrolytschicht 122 umfassen
beziehungsweise sein. Beide Elektroden 120, 126 sind
in diesem Ausführungsbeispiel als zweiteilige Elektroden
ausgebildet und in einem ersten beziehungsweise zweiten Elektrodenhohlraum 148, 150 angeordnet
und durch Elektrodenzuleitungen 116, Durchkontaktierungen 154 und
Elektrodenkontakte 156 kontaktierbar. Auch ein Heizelement 144 mit
Isolationsfolien 158 und Heizwiderständen 160 ist
wiederum vorgesehen.While in the embodiment in 2 the electrode cavities 148 . 150 from the sample gas chamber 132 through a simple topcoat 152 (Which also completely or partially from the solid electrolyte 122 can be formed) are in a third embodiment of the sensor element 114 according to 3 both electrodes 120 . 126 completely inside the sensor element 114 arranged and through a cover layer 152 completely from the sample gas chamber 132 separated. This topcoat 152 For example, again a solid electrolyte layer 122 include or be. Both electrodes 120 . 126 are formed in this embodiment as two-part electrodes and in a first and second electrode cavity 148 . 150 arranged and by electrode leads 116 , Vias 154 and electrode contacts 156 contactable. Also a heating element 144 with insulation foils 158 and heating resistors 160 is again provided.
Um
die Elektroden 120, 126 mit Gas aus dem Gasraum 132 zu
beaufschlagen, sind wieder Verbindungen 128, 134 vorgesehen.
Diese Verbindungen, welche auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen,
porösen Material gefüllt sein können,
umfassen neben den Elektrodenhohlräumen 148, 150 ein
erstes Gaszutrittsloch 162 beziehungsweise ein zweites
Gaszutrittsloch 164 und eine erste Diffusionsbarriere 146 sowie
eine zweite Diffusionsbarriere 138. Die Elektroden 120 und 126 sind
zudem in derselben Schichtebene des Schichtaufbaus gemäß 3 angeordnet,
was eine Einbringung zusätzlicher Schichten, wie beispielsweise
in DE 10 2005
054 144 A1 dargestellt, vermeidbar macht. Auch das in dieser
Druckschrift beschriebene Sensorelement ist jedoch grundsätzlich
im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar.To the electrodes 120 . 126 with gas from the gas space 132 to act on, are again connections 128 . 134 intended. These compounds, which may also be wholly or partially filled with a gas-permeable, porous material, include besides the electrode cavities 148 . 150 a first gas access hole 162 or a second gas access hole 164 and a first diffusion barrier 146 and a second diffusion barrier 138 , The electrodes 120 and 126 are also in the same layer plane of the layer structure according to 3 arranged, causing a contribution of additional layers, such as in DE 10 2005 054 144 A1 represented, avoidable makes. However, the sensor element described in this document is basically used in the context of the present invention.
Wie
eingangs beschrieben, beruht das vorliegende Verfahren auf Asymmetrieeffekten
zwischen den beiden Elektroden 120, 126 beziehungsweise
der aus diesen Elektroden und dem Festelektrolyten 122 gebildeten
Pumpzelle 118. Bisherige Designs sind in der Regel derart
optimiert, dass im mageren Betrieb die Kennlinie des Pumpstroms
eindeutig ist, so dass in der Regel kein Pumpstrom im fetten Betrieb
messbar ist. Bei den in den 1 bis 3 dargestellten
Beispielen sind die Pumpzellen 118 jedoch derart ausgestaltet,
dass beide Elektroden 120, 126 eine Anbindung
an den Messgasraum 132 erfahren. Ergebnis dieses Designs
ist eine V-förmige Kennlinie. Je nachdem, wie die Diffusionswiderstände
beziehungsweise Strömungswiderstände der Verbindungen 128 und 134 zueinander
ausgestaltet sind, werden nun Grenzströme für
die Fettgasreaktion an der Anode (H2O-Zersetzung
an der Kathode) gemessen. Welche der Elektroden 120, 126 dabei
als Anode und welche als Kathode fungiert, hängt dabei von
der Beschaltung ab. Grenzströme im Fettbetrieb und im Magerbetrieb
sind positiv, wodurch die Kennlinie nicht eindeutig ist.As described above, the present method is based on asymmetry effects between the two electrodes 120 . 126 or from these electrodes and the solid electrolyte 122 formed pumping cell 118 , Previous designs are usually optimized so that the characteristic of the pumping current is unambiguous in lean operation, so that usually no pumping current in rich operation is measurable. In the in the 1 to 3 Examples shown are the pumping cells 118 however, designed such that both electrodes 120 . 126 a connection to the sample gas chamber 132 Experienced. The result of this design is a V-shaped characteristic. Depending on how the diffusion resistances or flow resistance of the compounds 128 and 134 are configured to each other, now limit currents for the fat gas reaction at the anode (H 2 O decomposition at the cathode) are measured. Which of the electrodes 120 . 126 thereby acting as an anode and which as a cathode, depends on the wiring. Limit currents in rich operation and in lean operation are positive, whereby the characteristic is not unique.
Ein
Ausführungsbeispiel verschiedener Pumpstromkennlinien ist
in 4 für das in 3 gezeigte
Sensorelement 114 dargestellt. Dabei wird angenommen, dass
die erste Elektrode 120 in 3 als Anode
beschaltet wird, und die zweite Elektrode 126 als Kathode.
Dabei wurden für verschiedene Sensorelemente 114 die
Pumpströme Ip (in 4 in willkürlichen
Einheiten dargestellt und mit einem Offset versehen) durch die Pumpzelle 118 gemessen. Auf
der x-Achse ist dabei die Gasgemischszusammensetzung aufgetragen,
welche im positiven Bereich (Werte > 0) den Partialdruck p (angegeben in Prozent)
des Sauerstoffs O2 im Gasgemisch bezeichnet,
und im negativen Bereich (Werte < 0)
den Partialdruck der Fettgaskomponenten (hier symbolisch mit H2 bezeichnet), welcher einem Sauerstoff-Unterschuss
gegenüber dem Gleichgewicht λ = 1 (d. h. dem Nullpunkt
der x-Achse in 4) entspricht.An embodiment of various pump current characteristics is in 4 for the in 3 shown sensor element 114 shown. It is assumed that the first electrode 120 in 3 is connected as the anode, and the second electrode 126 as a cathode. Here were for different sensor elements 114 the pump currents I p (in 4 represented in arbitrary units and provided with an offset) through the pumping cell 118 measured. The gas mixture composition is plotted on the x-axis, which in the positive region (values> 0) designates the partial pressure p (expressed as a percentage) of the oxygen O 2 in the gas mixture, and in the negative region (values <0) the partial pressure of the fatty-gas components ( symbolically denoted here by H 2 ), which corresponds to an oxygen deficit with respect to the equilibrium λ = 1 (ie the zero point of the x-axis in FIG 4 ) corresponds.
Bei
den in 4 dargestellten Messungen wurde dabei das Verhältnis
der Diffusionswiderstände beziehungsweise Strömungswiderstände
der Verbindungen 128 und 134 in 3 variiert.
Dies erfolgt beispielsweise dadurch, dass der in 3 mit
d bezeichnete Abstand zwischen dem ersten Gaszutrittsloch 162 und
der ersten Elektrode 120, d. h. die Länge der
ersten Diffusionsbarriere 146, variiert wurde. Die angegebenen
Zahlenwerte stellen diesen Abstand d in mm dar. Dabei ist zu erkennen,
dass sämtliche Sensorelemente 114 im mageren Bereich,
welcher in 4 mit Bezugsziffer 166 bezeichnet
ist, eine nahezu identische Kennlinie aufweisen, da es für
diesen mageren Bereich 166 im Wesentlichen nicht auf die
Länge der ersten Diffusionsbarriere 146 der als
Anode wirkenden ersten Elektrode 120 ankommt. Im fetten
Bereich, welcher in 4 symbolisch mit der Bezugsziffer 168 bezeichnet
ist, unterscheiden sich die Kennlinien der Sensorelemente 114 jedoch
stark. Je nachdem, wie groß der Diffusionswiderstand vor
der Anode 120 ist, werden nun Grenzströme für
die Fettgasoxidation an dieser Anode 120 (H2O-Zersetzung
an der Kathode) gemessen. Dies zeigt, dass die Steigung des Fettastes
der Kennlinie in 4 durch Variation des Diffusionswiderstandes
der Verbindung (in diesem Fall der ersten Verbindung 128 vor
der als Anode beschalteten ersten Elektrode 120) gezielt
beeinflusst werden kann, so dass sich der Kennlinienverlauf im mageren
Bereich 166 („Magerast") und der Kennlinienverlauf
im fetten Bereich 168 („Fettast") unterschiedlich
einstellen lassen. Entsprechend der unterschiedlichen Verläufe
(beispielsweise der unterschiedlichen Steigungen, da diese Mager-
beziehungsweise Fettäste näherungsweise Geraden
darstellen) lassen sich Fettbetrieb und Magerbetrieb unterscheiden
und die Grenzströme dementsprechend zuordnen. Die unterschiedlichen
Steigungen des Fett- und Magerastes bilden ein „gekipptes
V" mit unterschiedlich ansteigenden Armen und ermöglichen
somit beim schnellen Umschalten der Pumpspannung die Auswertung beider Äste.At the in 4 The measurements shown here were the ratio of the diffusion resistances or flow resistance of the compounds 128 and 134 in 3 varied. This occurs, for example, in that the in 3 d being the distance between the first gas inlet hole 162 and the first electrode 120 ie the length of the first diffusion barrier 146 , was varied. The given numerical values represent this distance d in mm. It can be seen that all sensor elements 114 in the lean area, which in 4 with reference number 166 is designated to have a nearly identical characteristic, since it is for this lean area 166 essentially not the length of the first diffusion barrier 146 the first electrode acting as the anode 120 arrives. In the fat area, which in 4 symbolically with the reference number 168 is designated, the characteristics of the sensor elements differ 114 but strong. Depending on how large the diffusion resistance in front of the anode 120 is, are now limiting currents for the oxidation of fatty gas at this anode 120 (H 2 O decomposition at the cathode). This shows that the slope of the fat branch of the characteristic curve in 4 by varying the diffusion resistance of the compound (in this case the first compound 128 in front of the anode connected as the first electrode 120 ) can be selectively influenced, so that the characteristic curve in the lean area 166 ("Lean load") and the characteristic curve in the rich area 168 Depending on the different gradients (for example, the different gradients, since these lean or fatty branches represent approximately straight lines), fat operation and lean operation can be differentiated and the limit currents assigned accordingly a "tilted V" with different rising arms and thus allow the rapid switching of the pumping voltage, the evaluation of both branches.
Die
Grenzströme der Verbindungen 128, 134,
insbesondere der Diffusionsbarrieren 146, 138, sollten
sich dabei um mindestens 10% unterscheiden. Dabei sind auch durchaus
Unterschiede um einen Faktor 20 möglich. Mit diesen
Werten lassen sich insgesamt mittels einer geeigneten Ansteuereinrichtung 112,
die eine entsprechende Auswerteschaltung beinhaltet, plausible Signale
messen. Anzustreben ist insbesondere ein Faktor zwischen 1,5 und
3 im Diffusionswiderstand der Diffusionsbarrieren 146, 138.
Auch größere oder kleinere Unterschiede im Diffusionswiderstand
sind jedoch grundsätzlich möglich. Der Messbereich
für die Grenzströme kann dabei beispielsweise
im Bereich zwischen 1 mA und 20 mA liegen. Ein optimaler Bereich
liegt üblicherweise zwischen 1,5 mA und 6,0 mA. Die Grenzströme
(die Pumpströme IP in 4 sind derartige
Grenzströme) lassen sich beispielsweise durch entsprechende
Gestaltung der Elektroden 120, 126 und der Diffusionsbarrieren 146, 138 einstellen.
Beim Betrieb mit einer konstanten Festspannung bestimmt also im
mageren Bereich 166 die zweite Diffusionsbarriere 138 vor
der zweiten Elektrode 126, welche als einbauende Elektrode
(IPE) wirkt, den Strom, wohingegen im fetten Bereich 168 die
erste Diffusionsbarriere 146 an der als ausbauende Elektrode
(APE) wirkenden ersten Elektrode 120 den Strom bestimmt.The limiting currents of the compounds 128 . 134 , in particular the diffusion barriers 146 . 138 , should differ by at least 10%. There are also differences around a factor 20 possible. Overall, these values can be adjusted by means of a suitable control device 112 , which includes a corresponding evaluation circuit, measure plausible signals. The aim is in particular a factor between 1.5 and 3 in the diffusion resistance of the diffusion barriers 146 . 138 , However, larger or smaller differences in the diffusion resistance are also possible in principle. The measuring range for the limiting currents can be, for example, in the range between 1 mA and 20 mA. An optimum range is usually between 1.5 mA and 6.0 mA. The limiting currents (the pump currents IP in 4 are such limit currents) can be, for example, by appropriate design of the electrodes 120 . 126 and the diffusion barrier 146 . 138 to adjust. When operating with a constant fixed voltage thus determined in the lean range 166 the second diffusion barrier 138 in front of the second electrode 126 , which acts as a built-in electrode (IPE), the current, whereas in the rich area 168 the first diffusion barrier 146 on the first electrode acting as the expanding electrode (APE) 120 determines the current.
In 5 sind
weitere Pumpstromkennlinien dargestellt, anhand derer das Messprinzip,
welches auf der Asymmetrie zwischen Mager- und Fettast beruht, näher
erläutert werden soll. Die Darstellung ist prinzipiell
die gleiche zur Darstellung in 4, so dass
wiederum der Pumpstrom Ip (wiederum angegeben
in willkürlichen Einheiten und mit einem Offset versehen)
gegen die Gasgemischszusammensetzung (hier Sauerstoff-Partialdruck
p in %) aufgetragen ist. Aufgetragen ist hierbei zunächst
eine erste Kennlinie 170, welche den Messwerten in 4 entspricht.
Diese erste Kennlinie 170 wurde mit der oben beschriebenen
Beschaltung, bei welcher die erste Elektrode 120 als ausbauende
Elektrode und die zweite Elektrode 126 als einbauende Elektrode
wirkt, aufgenommen. Die Pumpspannung an der Pumpzelle 118 wurde
für diese erste Kennlinie 170 zu –500 mV
gewählt (das Vorzeichen ergibt sich aus der genannten Beschaltung).
Dabei wird, wie oben beschrieben, im mageren Bereich 166 der
Pumpstrom der ersten Kennlinie 170 durch die zweite Diffusionsbarriere 138 in
der zweiten Verbindung 134 hin zur zweiten Elektrode 126 bestimmt
(in 5 mit DB1 bezeichnet), wohingegen im fetten Bereich 168 die erste
Diffusionsbarriere 146 der entscheidende Faktor für
den Pumpstrom ist (in 5 mit DB2 bezeichnet). Weiterhin
ist in 5 eine zweite Kennlinie 172 aufgetragen,
welche sich daraus ergibt, dass die Pumpspannung Up an
der Pumpzelle 118 umgepolt wurde. Die Pumpspannung beträgt
in diesem Fall beispielsweise +500 V, wobei sich das Vorzeichen wiederum
aus der Beschaltung ergibt. Dabei wird bei dieser Umpolung die erste
Elektrode 120 als einbauende Elektrode geschaltet, und
die zweite Elektrode 126 als ausbauende Elektrode. In diesem
Fall haben sich die Einflüsse der beiden Diffusionsbarrieren 146, 138 umgekehrt,
da sich die Rollen von einbauender und ausbauender Elektrode beziehungsweise
Diffusionsbarriere vertauscht haben. Es ist festzustellen, dass
zumindest in einem Bereich um λ = 1 (p = 0) die erste Kennlinie 170 und
die zweite Kennlinie 172 sich jeweils zumindest näherungsweise
durch eine Punktspiegelung am Nullpunkt auseinander ergeben.In 5 Further pump current characteristics are shown, on the basis of which the measuring principle, which is based on the asymmetry between lean and rich load, will be explained in more detail. The representation is in principle the same for the representation in 4 , so that in turn the pumping current I p (again indicated in arbitrary units and provided with an offset) is plotted against the gas mixture composition (here oxygen partial pressure p in%). First, a first characteristic is plotted 170 which the measured values in 4 equivalent. This first characteristic 170 was with the above-described wiring, in which the first electrode 120 as the expanding electrode and the second electrode 126 acts as a built-in electrode, added. The pump voltage at the pump cell 118 was for this first characteristic 170 selected to -500 mV (the sign results from the mentioned wiring). In this case, as described above, in the lean area 166 the pumping current of the first characteristic 170 through the second diffusion barrier 138 in the second connection 134 towards the second electrode 126 determined (in 5 designated DB1), whereas in the rich region 168 the first diffusion barrier 146 the decisive factor for the pumping current is (in 5 labeled DB2). Furthermore, in 5 a second characteristic 172 applied, which results from the fact that the pumping voltage U p at the pumping cell 118 was reversed. The pump voltage in this case is for example +500 V, the sign in turn resulting from the wiring. In this case, in this Umpolung the first electrode 120 connected as a built-in electrode, and the second electrode 126 as a removing electrode. In this case, the influences of the two diffusion barriers have changed 146 . 138 conversely, since the roles of installation and removal electrode or diffusion barrier have reversed. It should be noted that at least in a range around λ = 1 (p = 0), the first characteristic 170 and the second characteristic 172 each at least approximately apart by a point mirror at zero point.
Durch
Vergleich der beiden Kennlinien 170, 172 in 5 ist
eine eindeutige Zuordnung zu fettem oder magerem Abgas möglich,
solange die Kennlinien 170, 172 einen asymmetrischen
Verlauf zu einer senkrechten Achse um p = 0 aufweisen. Allerdings
ist dieses Vergleichsverfahren, bei welchem beispielsweise mit einer
Rechteckspannung periodisch die Pumpspannung Up umgepolt
wird, vergleichsweise langsam, und übliche Frequenzen liegen
bei ca. 2,5 Hertz. Weiterhin beruht das vorgeschlagene Verfahren
auf einem „Trial-and-error"-Verfahren, ob sich das Gasgemisch
im Messgasraum 132 im mageren Bereich 166 oder
im fetten Bereich 168 befindet, was unbefriedigend und
nicht unbedingt zielfüh rend ist. Bei dem vorgeschlagenen,
oben beschriebenen Verfahren, wird hingegen eine Kennlinie einer
eindeutigen Messgröße gebildet, anhand derer nicht
nur eine eindeutige Zuordnung der Pumpströme Ip zu
einem Luftbereich möglich ist, sondern welches unter Umständen
auch schneller durchgeführt werden kann als ein Verfahren,
bei welchem periodisch zwischen einer positiven und einer negativen
Pumpspannung Up umgeschaltet wird.By comparing the two characteristics 170 . 172 in 5 is a unique assignment to rich or lean exhaust possible, as long as the characteristics 170 . 172 have an asymmetric course to a vertical axis by p = 0. However, this comparison method, in which the pump voltage U p is periodically reversed, for example with a square-wave voltage, is comparatively slow, and usual frequencies are approximately 2.5 Hertz. Furthermore, the proposed method is based on a "trial-and-error" method, whether the gas mixture in the sample gas space 132 in the lean area 166 or in the fat area 168 which is unsatisfactory and not necessarily goal-oriented. In the proposed method described above, on the other hand, a characteristic curve of a definite measured variable is formed, by means of which not only an unambiguous assignment of the pumping currents I p to an air region is possible, but which under certain circumstances can also be carried out faster than a method in which periodically is switched between a positive and a negative pump voltage U p .
Das
beschriebene Verfahren, welches anhand 6 beschrieben
werden soll, setzt sich aus mehreren Teilschritten zusammen. Ausgangspunkt sind
die Kennlinien 170 und 172, wie sie bereits in 5 aufgetragen
wurden. Die Darstellung in 6 ist im
Wesentlichen identisch zur Darstellung gemäß 5,
wobei wiederum der Pumpstrom Ip in willkürlichen
Einheiten gegen den Sauerstoff-Partialdruck p in % aufgetragen ist.
Zusätzlich zu den beiden Kennlinien 170, 172 ist
jedoch eine weitere, dritte Kennlinie 173 dargestellt,
welche eine eindeutige Messgröße darstellt. Es
ist zu erkennen, dass diese dritte Kennlinie 173 im Wesentlichen
einen streng monotonen (in diesem Fall streng monoton steigenden)
Verlauf aufweist und somit (zumindest in der Nähe von λ =
1, p = 0) eine eindeutige Zuordnung zwischen der eindeutigen Messgröße
und einem Sauerstoffpartialdruck p beziehungsweise einer Luftzahl λ ermöglicht. Die
dritte Kennlinie 173 stellt eine Linearkombination der
beiden Kennlinien 170, 172 dar, welche beispielsweise
zuvor festgelegt und in der Ansteuereinrichtung 112 numerisch,
analytisch, als Tabelle, als Funktion oder in einer sonstigen bekannten
Weise hinterlegt werden kann. In dem in 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel wird als Linearkombination eine einfache
Summe der beiden Kennlinien 170, 172 gewählt.
Diese dritte Kennlinie 173, welche monoton oder sogar streng
monoton wachsend ist, ist zumindest näherungsweise in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel sogar linear.The described method, which uses 6 is to be described, consists of several sub-steps together. The starting point is the characteristic curves 170 and 172 as they are already in 5 were applied. The representation in 6 is essentially identical to the representation according to 5 , where in turn the pumping current I p is plotted in arbitrary units against the partial pressure of oxygen p in%. In addition to the two characteristics 170 . 172 However, this is another, third characteristic 173 represented, which represents a unique measure. It can be seen that this third characteristic 173 essentially has a strictly monotonous (in this case strictly monotonically increasing) course and thus (at least in the vicinity of λ = 1, p = 0) allows a clear assignment between the unique measured variable and an oxygen partial pressure p or air ratio λ. The third characteristic 173 represents a linear combination of the two characteristics 170 . 172 which, for example, previously determined and in the control device 112 numerically, analytically, as a table, as a function or in any other known manner can be deposited. In the in 6 illustrated embodiment is a linear combination of a simple sum of the two characteristics 170 . 172 selected. This third characteristic 173 which is monotone or even strictly monotone increasing is even at least approximately linear in the illustrated embodiment.
Die
elektronische Umsetzung dieser Linearkombination ist besonders einfach.
Es wird beispielsweise zunächst ein erster Pumpstrom mit
einer ersten Polarität der Pumpspannung Up an
der Pumpzelle 118 gemessen und dieser erste Pumpstrom als
Zwischenwert beispielsweise zwischengespeichert. Anschließend
wird die Polarität der Pumpspannung umgepolt und ein zweiter
Pumpstrom gemessen. Aus dem aktuellen und gespeicherten letzten
Messwert erhält man somit direkt per Summation die eindeutige Messgröße
der Kennlinie 173. Erfolgt dieses Umpolen wechselweise,
so kann jeweils der vorherige Messwert zwischengespeichert werden,
beispielsweise mittels eines Sample-and-Hold-Verfahrens oder ähnlichem.
Aus der dadurch gewonnenen eindeutigen Messgröße
kann, beispielsweise durch Vergleich mit hinterlegten Kurven, Tabellen,
analytischen Funktionen oder ähnlichem, unmittelbar auf
die Gaszusammensetzung beziehungsweise den Sauerstoffpartialdruck
p geschlossen werden. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens liegt
darin, dass die effekti ve Messfrequenz doppelt so hoch ist wie die
Umschaltfrequenz der Umpolung der Pumpspannung Up.The electronic implementation of this linear combination is particularly simple. For example, initially a first pumping current having a first polarity of the pumping voltage U p at the pumping cell 118 measured and this first pumping current as an intermediate value, for example, temporarily stored. Subsequently, the polarity of the pumping voltage is reversed and a second pumping current is measured. From the current and stored last measured value, the unique measured variable of the characteristic is thus obtained directly by summation 173 , If this polarity reversal takes place, the previous measured value can be buffered in each case, for example by means of a sample-and-hold method or the like. From the unique measured variable obtained in this way, the gas composition or the oxygen partial pressure p can be directly deduced, for example by comparison with stored curves, tables, analytical functions or the like. A particular advantage of this method is that the effective measuring frequency is twice as high as the switching frequency of the polarity reversal of the pumping voltage U p .
Grundsätzlich
ist trotz der Verdoppelung der effektiven Messfrequenz dafür
Sorge zu tragen, dass der Messvorgang weiter verkürzt wird.
Ein in der Regel limitierender Faktor liegt darin, dass jede Spannungsänderung
der Pumpspannung Up (also zum Beispiel eine Änderung
von +500 mV auf –500 mV) zuerst eine Umladung der Kapazitäten
des Sensorelements 114 nach sich zieht. Relevant hierfür
sind insbesondere elektrische Doppelschichtkapazitäten sowie
die elektrische Kapazität der Elektroden 120, 126 oder ähnlicher
Kapazitäten. Mit den in den 2 und 3 dargestellten
Sensorelementen 114 lassen sich Umladezeiten von 200 ms
und weniger in einer Richtung im Labor beobachten, bevor ein eingeschwungener
Zustand erreicht wird. Die Grenzfrequenz dieses Verfahrens liegt
also beispielsweise bei ca. 5 Hz. Kürzere Umladezeiten
können, insbesondere in der Umgebung von λ = 1,
zu Abweichungen von den erwarteten Kennlinien führen.In principle, despite the doubling of the effective measuring frequency, it must be ensured that the measuring process is further shortened. A generally limiting factor is that each voltage change of the pumping voltage U p (that is, for example, a change of +500 mV to -500 mV) first requires a recharge of the capacitances of the sensor element 114 pulls. Relevant for this are in particular electrical double-layer capacitances and the electrical capacitance of the electrodes 120 . 126 or similar capacities. With the in the 2 and 3 shown sensor elements 114 allow transient times of 200 ms and less in one direction in the laboratory before a steady state is reached. For example, the cutoff frequency of this method is approximately 5 Hz. Shorter reloading times, in particular in the vicinity of λ = 1, can lead to deviations from the expected characteristic curves.
Eine
Möglichkeit, die Messfrequenz weiter zu erhöhen,
besteht in einer Optimierung der Geometrie des Sensorelements 114,
insbesondere der Elektroden 120, 126 und/oder
Elektrodenhohlräume 148, 150. Eine weitere
Möglichkeit besteht in einer Verringerung des Zuleitungselektrolyt-Widerstands.
Eine Möglichkeit, welche alternativ oder zusätzlich
zur eine Bauteiloptimierung genutzt werden kann, besteht in einer
elektronischen Beschleunigung der Umladung und damit einer erhöhten
Messfrequenz. So kann die Umpolung zwischen positiven und negativen
Pumpspannungen Up beispielsweise mittels.
einer periodischen oder nicht-periodischen Rechteckspannung erfolgen.
Hierbei wird eine Rechteckspannung angelegt und für die
Messung auf das Ende der exponentiell abklingenden Umladung zugewartet. Anstelle
einer derartigen Rechteckspannung kann jedoch der Spannungs- oder
Stromverlauf auch so gewählt werden, dass die Umladung
so schnell wie möglich abgeschlossen wird. Dann wird für
kurze Zeit ein Strommesswert bei bekannter eingestellter Spannung
oder ein Spannungswert bei eingestelltem Strom gemessen, um danach
vorzugsweise unmittelbar wieder in die umgekehrte Richtung mit geeignetem
Verlauf zu polen.One way to further increase the measurement frequency is to optimize the geometry of the sensor element 114 , in particular the electrodes 120 . 126 and / or electrode cavities 148 . 150 , Another possibility is to reduce the supply electrolyte resistance. One possibility, which can be used alternatively or additionally to a component optimization, is an electronic acceleration of the transhipment and thus an increased measuring frequency. Thus, the polarity reversal between positive and negative pump voltages U p, for example by means of. a periodic or non-periodic square wave voltage. In this case, a square-wave voltage is applied and the measurement waits for the end of the exponentially decaying transhipment. Instead of such a rectangular voltage, however, the voltage or current profile can also be chosen so that the transhipment is completed as quickly as possible. Then, for a short time, a measured current value at a known set voltage or a voltage value at a set current is measured, and then preferably directly poled again in the reverse direction with a suitable course.
In
einem Ausführungsbeispiel kann dies durch einen stromgeregelten
Betrieb erfolgen, beispielsweise einen Betrieb, in welchem dem Ladungsfluss
beim Umpolen ein vorgegebener Stromverlauf aufgeprägt wird.
Beispielsweise kann dies durch Umladung in einem constant current
mode (CC, gleichförmiger Strom) anstelle eines constant
voltage mode (CV, gleichförmige Spannung) geschehen. Bei gleicher
Zeitkonstante des Systems (definiert durch das Produkt aus ohmschem
Widerstand R und Kapazität C) benötigt eine Um ladung
im constant voltage mode ca. 4–5·RC, eine Umladung
im constant current mode hingegen theoretisch nur 1–2·RC.
Insofern ist ein constant current mode zu bevorzugen.In
In one embodiment, this can be done by a current-controlled
Operation, for example, an operation in which the charge flow
when polarity reversal a predetermined current profile is impressed.
For example, this can be done by transhipment in a constant current
mode (CC, uniform current) instead of a constant
voltage mode (CV, uniform voltage) happen. At the same
Time constant of the system (defined by the product of ohmic
Resistance R and capacitance C) requires a charge to Um
in constant voltage mode approx. 4-5 · RC, one charge
in constant current mode, however, theoretically only 1-2 · RC.
In this respect, a constant current mode is to be preferred.
In 8 ist
ein Beispiel einer Umpolung der Pumpspannung unter verschiedenen
Bedingungen dargestellt. Dabei zeigt die Kurve 174 den
Pumpspannungsverlauf, welcher in diesem Fall rechteckförmig
periodisch mit gleicher Verweildauer auf positiver und auf negativer
Pumpspannung ausgestaltet ist. Auch andere Arten der Gestaltung
der Rechteckspannung sind jedoch selbstverständlich möglich. Die
beiden Kurven 176 und 178 bezeichnen die Stromantwort
(also den Pumpstrom) bei 3% Sauerstoff (Kurve 176) bzw.
bei –6% Sauerstoff (Kurve 178). Auf der Ip-Achse ist dabei wiederum der Pumpstrom
in willkürlichen Einheiten dargestellt. Mit dem Punkt 180 ist
dabei in 8 symbolisch der Zustand bezeichnet,
an welchem der Stromverlauf eingeschwungen ist, und zu welchem somit
eine sinnvolle Pumpstrommessung des Pumpstroms Ip durch
die Pumpzelle 118 möglich ist. Insofern ist es
sinnvoll, jeweils für die Pumpstrommessung eine vorgegebene
Zeitdauer nach dem Umpolen abzuwarten, wobei diese Zeitdauer beispielsweise
(zum Beispiel aus den bekannten R- und C-Werten) berechnet oder
aus Erfahrungswerten empirisch ermittelt werden kann. Im in 8 dargestellten
Ausführungsbeispiel mit einer einfachen Rechteckspannung
als Pumpspannung ist der eingeschwungene Zustand ca. 200 ms nach
dem Umschalten erreicht.In 8th is an example of a reversal of the pumping voltage shown under different conditions. The curve shows 174 the pump voltage curve, which is designed in this case rectangular periodically with the same residence time on positive and negative pump voltage. However, other types of rectangular voltage design are of course possible. The two curves 176 and 178 denote the current response (ie the pumping current) at 3% oxygen (curve 176 ) or at -6% oxygen (curve 178 ). Again, the pump current is shown in arbitrary units on the I p axis. With the point 180 is in 8th symbolically denotes the state at which the current profile has settled, and to which thus a meaningful pumping current measurement of the pumping current I p through the pumping cell 118 is possible. In this respect, it makes sense to wait in each case for the pump current measurement a predetermined period of time after the polarity reversal, wherein this time period can be calculated, for example (for example from the known R and C values) or determined empirically from empirical values. Im in 8th illustrated embodiment with a simple square wave voltage as the pump voltage, the steady state is reached about 200 ms after switching.
Für
einen constant current mode, mittels dessen sich der constant voltage
mode, welcher in 8 dargestellt ist, weiter verbessern
ließe, ist in der Regel jedoch eine aufwändige
Beschaltung des Sensorelements 114 erforderlich. Um weiter
Kosten zu sparen, kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel
auch eine spannungsgeführte Umladung mit geeignetem zeitlichen
Spannungsverlauf Verwendung finden. Ein besonderes einfaches Ausführungsbeispiel
eines derartigen spannungsgeregelten Umschaltens mit geeignetem
zeitlichen Spannungsverlauf ist das oben erwähnte Ausführungsbeispiel
eines vorgeschalteten Spannungspulses. Bei diesem Ausführungsbeispiel
kann zum Beispiel zuerst ein Spannungspuls mit einer deutlich erhöhten
Spannung (zum Beispiel einer um einen Faktor 3 erhöhten Spannung)
der eigentlichen Pumpspannung U0 vorausgehen.
Dies ist in 9 beispielhaft gezeigt. Wiederum
stellt die Kurve 174 dabei den Pumpspannungsverlauf dar,
welcher hier wiederum, wie auch in 8, als Funktion
der Zeit t in Sekunden aufgetragen ist. Deutlich ist zu erkennen,
dass der Pumpspannung jeweils beim Umschalten ein Spannungspuls 182 gleicher
Polarität vorgeschaltet ist. Dieser Spannungspuls hat in
dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise
eine Zeitdauer von ca. 50 ms und einen Betrag von ca. 1,5 V.For a constant current mode, by means of which the constant voltage mode, which in 8th is shown, could be improved, but is usually a complex wiring of the sensor element 114 required. In order to further save costs, in a further embodiment, a voltage-controlled transhipment with a suitable temporal voltage curve can be used. A particular simple embodiment of such a voltage-controlled switching with a suitable temporal voltage curve is the abovementioned embodiment of an upstream voltage pulse. For example, in this embodiment, first a voltage pulse having a significantly increased voltage (for example, one by a factor of 3 increased voltage) precede the actual pumping voltage U 0 . This is in 9 shown by way of example. Again, the curve represents 174 This is the pump voltage curve, which in turn here, as well as in 8th , plotted as a function of time t in seconds. It can clearly be seen that the pump voltage in each case when switching a voltage pulse 182 upstream of the same polarity. This voltage pulse has in the in 9 illustrated embodiment, for example, a period of about 50 ms and an amount of about 1.5 V.
Wiederum
ist die Stromantwort auf den dargestellten Spannungsverlauf mit
den Kurven 176 (Stromantwort bei 3% Sauerstoff) bzw. 178 (Stromantwort
bei –6% Sauerstoff) dargestellt. Auf der Ip-Achse
ist dabei wiederum der Pumpstrom in willkürlichen Einheiten
dargestellt. Es lässt sich erkennen, dass durch diese Beschaltung
insgesamt schon nach 100 ms anstelle der 200 ms in 8 ein
eingeschwungener Zustand 180 erreicht wird. Damit lässt sich
die effektive Messfrequenz nochmals verdoppeln. Weitere angepasste
Spannungsverläufe können unter Umständen
noch höhere Geschwindigkeitssteigerungen ermöglichen.Again, the current response is to the illustrated voltage waveform with the curves 176 (Current response at 3% oxygen) or 178 (Current response at -6% oxygen) shown. Again, the pump current is shown in arbitrary units on the I p axis. It can be seen that as a result of this connection, a total of only after 100 ms instead of the 200 ms in 8th a steady state 180 is reached. This allows the effective measuring frequency to be doubled again. Other adjusted voltage curves may allow even higher speed increases.
Aus
Gründen der Einfachheit wurde das erfindungsgemäße
Verfahren bisher an einem Sensorelement 114 mit zwei Diffusionsbarrieren 146, 138 erläutert.
Das beschriebene Verfahren kann jedoch prinzipiell für
verschiedene, Arten von Sensorelementen 114 eingesetzt
werden, beispielsweise auch für ein Sensorelement 114 gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 1. Beispielsweise
ist es prinzipiell ausreichend, wenn vor einer der beiden Elektroden 120, 126 im
Abgas eine Diffusionsbarriere oder ein ähnliches, die Diffusion
beschränkendes Element angebracht ist. So existiert beispielsweise
bei dem als Breitbandsonde ausgestalteten Sensorelement 114 gemäß 1 vor
der als innere Potentialelektrode ausgebildeten zweiten Elektrode 126 eine
Diffusionsbarriere 138. Zusätzlich existiert vor
der ersten Elektrode (APE, Bezugsziffer 120) eine dünne
Schutzschicht 130, die praktisch auch wie eine (wenn auch sehr
durchlässige) Diffusionsbarriere wirkt. Auch eine Standard-Breitband-Lambdasonde
gemäß dem Sensorelement 114 in 1 erfüllt
somit bereits die Anforderungen an ein für das erfindungsgemäße
Verfahren einsetzbare Sensorelement 114.For reasons of simplicity, the method according to the invention has hitherto been carried out on a sensor element 114 with two diffusion barriers 146 . 138 explained. However, the described method can in principle be used for various types of sensor elements 114 be used, for example, for a sensor element 114 according to the embodiment in 1 , For example, it is in principle sufficient if in front of one of the two electrodes 120 . 126 in the exhaust gas, a diffusion barrier or a similar, the diffusion-limiting element is attached. For example, the sensor element designed as a broadband probe exists 114 according to 1 in front of the second electrode formed as an inner potential electrode 126 a diffusion barrier 138 , In addition, in front of the first electrode (APE, reference numeral 120 ) a thin protective layer 130 which also acts as a (though very permeable) diffusion barrier. Also one Standard broadband lambda probe according to the sensor element 114 in 1 already fulfills the requirements for a sensor element which can be used for the method according to the invention 114 ,
Bei
derartigen Sensorelementen mit hoher Durchlässigkeit der
Diffusionsbarriere verlässt diese Sonde jedoch in einer
Pumprichtung bereits nahe bei λ = 1 den Bereich, in welchem
diese durch die Diffusionsbarriere in ihrem Grenzstrom begrenzt
ist. Dies ist exemplarisch in 7 dargestellt,
in welcher wiederum der Pumpstrom Ip in
willkürlichen Einheiten gegen den Sauerstoff-Partialdruck
p in % aufgetragen ist. In dieser Darstellung ist wieder die erste
Kennlinie 170 eine Kennlinie einer Polung des Sensorelements 114 (diesmal
beispielsweise gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 1), bei welcher die erste Elektrode 120 als
Ausbauelektrode verwendet wird, und die zweite Elektrode 126 als
Einbauelektrode. Die zweite Kennlinie 172 entspricht wiederum
einer umgekehrten Polung der Pumpspannung Up.
Es ist zu erkennen, dass bei der ersten Kennlinie 170 im
mageren Luftzahlbereich 166 diese Kennlinie im Wesentlichen linear
ansteigt. Im fetten Luftzahlbereich 168 hingegen steigt
die erste Kennlinie 170 mit sinkender Sauerstoffkonzentration,
das heißt mit zunehmendem Brenngasüberschuss,
sprunghaft an, da der Diffusionswiderstand der nunmehr als Diffusionsbarriere wirkenden
Schutzschicht 130 äußerst gering ist.
Dieser sprunghafte Anstieg wird jedoch dadurch begrenzt, dass ab
einem bestimmten Pumpstrom andere limitierende Faktoren, wie beispielsweise
eine Nachlieferung von Gasen durch die eigentlich theoretisch nicht
begrenzende Diffusionsbarriere 138 wirksam werden. Bereits
ab einem Sauerstoff-Unterschuss von ca. 0,2% geht daher die erste
Kennlinie 170 in Sättigung. Ähnlich verhält
sich die zweite Kennlinie 172 im mageren Luftzahlbereich 166.
Bei derartigen Sensorelementen 114, in welchen die Diffusionsbarriere
vor einer der beiden Elektroden 120, 126 einen
sehr kleinen Wert annimmt, weist auch die Summenkennlinie, welche
in 7 wiederum mit der Bezugsziffer 173 bezeichnet
ist, keinen monotonen oder streng monotonen Verlauf mehr auf und
eignet sich somit nicht mehr als eindeutige Messgröße. Wenn
(was beispielsweise durch Berechnungen oder Messungen bekannt ist)
ein derartiger Verlauf der Kurven 170, 172 und 173 gegeben
ist, ist es daher sinnvoll, als eindeutige Messgröße
eine andere Linearkombination des Maximums und des Minimums der Kennlinien 170, 172 zu
verwenden.In such sensor elements with high permeability of the diffusion barrier, however, this probe leaves in a pumping direction already close to λ = 1 the region in which it is limited by the diffusion barrier in its limiting current. This is exemplary in 7 in which in turn the pumping current I p is plotted in arbitrary units against the partial pressure of oxygen p in%. In this representation is again the first characteristic 170 a characteristic of a polarity of the sensor element 114 (This time, for example, according to the embodiment in 1 ), in which the first electrode 120 is used as the expansion electrode, and the second electrode 126 as mounting electrode. The second characteristic 172 again corresponds to a reverse polarity of the pumping voltage U p . It can be seen that at the first characteristic 170 in the lean air range 166 this characteristic increases substantially linearly. In the fat air ratio range 168 however, the first characteristic increases 170 with decreasing oxygen concentration, that is with increasing fuel gas surplus, abruptly, since the diffusion resistance of the now acting as a diffusion barrier protective layer 130 is extremely low. However, this sudden increase is limited by the fact that, starting from a certain pumping current, other limiting factors, such as, for example, a subsequent delivery of gases through the diffusion barrier, which in theory is not limiting in theory 138 be effective. Already starting with an oxygen deficit of approx. 0.2%, the first characteristic curve is used 170 in saturation. The second characteristic behaves in a similar way 172 in the lean air range 166 , In such sensor elements 114 in which the diffusion barrier in front of one of the two electrodes 120 . 126 assumes a very small value, also has the sum characteristic, which in 7 again with the reference number 173 is designated, no monotonous or strictly monotonous course more and is therefore no longer a clear measure. If (which is known, for example, through calculations or measurements) such a course of the curves 170 . 172 and 173 is given, it is therefore useful, as a unique measure another linear combination of the maximum and the minimum of the characteristics 170 . 172 to use.
Wie
oben bereits ausgeführt, kann dies beispielsweise dadurch
geschehen, dass der Pumpstrom vor dem Umpolen und nach dem Umpolen
(das heißt die jeweiligen Messwerte auf den Kurven 170, 172)
miteinander verglichen werden und jeweils nur das Minimum dieser
Messwerte verwendet wird. Dadurch ergibt sich in 7 die
vierte Kennlinie 184, welche im fetten Luftzahlbereich 168 der
zweiten Kennlinie 172 entspricht und welche im mageren Luftzahlbereich 166 der
ersten Kennlinie 170 entspricht. Diese vierte Kennlinie 184 steigt
wiederum im Wesentlichen streng monoton an und zeigt beispielsweise
sogar wiederum einen näherungsweise linearen Verlauf.As already explained above, this can be done, for example, by the pump current before the polarity reversal and after the polarity reversal (that is, the respective measured values on the curves 170 . 172 ) and only the minimum of these measurements is used. This results in 7 the fourth characteristic 184 , which are in the rich air range 168 the second characteristic 172 corresponds and which in the lean air range 166 the first characteristic 170 equivalent. This fourth characteristic 184 in turn, increases substantially strictly monotone and, for example, even shows an approximately linear course.
Zur
Messung werden also wiederum durch Umpolen, beispielsweise durch
einen Spannungsverlauf gemäß 8 oder 9,
zwei Messwerte (ein erster Pumpstrom und ein zweiter Pumpstrom) gemessen.
Dabei kann beispielsweise wiederum jeder Messwert mit dem zuvor
gemessenen und zwischengespeicherten Messwert der umgekehrten Polarität
verglichen werden und jeweils der kleinere dieser Werte verwendet
werden. Im fetten Abgas ist dies jeweils der Messwert in der Pumprichtung,
bei welcher die Elektrode mit der dicken Diffusionsbarriere 138 als
ausbauende Elektrode fungiert, im mageren Luftzahlbereich 166 hingegen
die umgekehrte Richtung. Unter „dick" ist dabei allgemein
eine Diffusionsbarriere mit hohem Diffusionswiderstand zu verstehen,
wobei, alternativ oder zusätzlich zu einer Dickenerhöhung
beispielsweise auch eine Verdichtung bzw. Porenverkleinerung, eine
Verringerung des Querschnitts oder ähnliche Maßnahmen
eingesetzt werden können. Ein Vorteil des beschriebenen
Verfahrens liegt beispielsweise darin, dass unter Umständen
die als äußere Potentialelektrode fungierende
erste Elektrode 122 mit einer geringeren Elektrodenfläche
ausgestattet werden kann, da bei dieser ersten Elektrode 120 auf
eine dicke Diffusionsbarriere verzichtet wird. Eine derart verkleinerte
Elektrodenfläche führt zu einer geringeren Systemkapazität und
somit zu einer beschleunigten Umladung der Kapazitäten
beim Umpolen.For measurement, in turn, by reversing, for example, by a voltage curve according to 8th or 9 , two measured values (a first pumping current and a second pumping current) measured. In this case, for example, in turn each measured value can be compared with the previously measured and buffered measured value of the reversed polarity and the smaller of these values can be used in each case. In the rich exhaust gas, this is in each case the measured value in the pumping direction, in which the electrode with the thick diffusion barrier 138 acting as an expanding electrode, in the lean air range 166 but the opposite direction. By "thick" is meant in general a diffusion barrier with high diffusion resistance, wherein, alternatively or in addition to an increase in thickness, for example also a compaction or pore reduction, a reduction of the cross-section or similar measures can be used in that, under certain circumstances, the first electrode functioning as an external potential electrode 122 can be equipped with a smaller electrode area, since this first electrode 120 is dispensed with a thick diffusion barrier. Such a reduced electrode area leads to a lower system capacity and thus to an accelerated recharging of the capacities during polarity reversal.
Die
Bestimmung des Minimums und des Maximums der beiden Pumpstrom-Messwerte
kann auf verschiedene Weisen erfolgen, beispielsweise, wie oben
beschrieben, durch einen unmittelbaren Vergleich dieser beiden Messwerte.
Alternativ oder zusätzlich kann diese Bestimmung des Minimums
jedoch auch durch eine Plausibilitätsbetrachtung erfolgen,
beispielsweise indem Messwerte, welche oberhalb einer vorgegebenen
Plausibilitätsschwelle liegen, verworfen werden oder gesondert
behandelt werden. Dies kann wiederum am Beispiel der 7 erläutert
werden. In dem dargestellten Extremfall, bei welchem die Diffusionsbarriere
vor der ersten Elektrode 120 verschwindend gering ist (in
diesem Fall lediglich die Schutzschicht 130) ergibt sich,
wie oben diskutiert, ein sehr steiler Anstieg der ersten Kennlinie 170 im
fetten Luftzahlbereich 168, bzw. ein sehr steiler Anstieg
(in den negativen Bereich) der zweiten Kennlinie 172 im
mageren Luftzahlbereich 166, sobald eine Abweichung von λ =
1 erfolgt. Hier kann das oben beschriebene Messverfahren der Minimumsbestimmung
durch eine noch schnellere Variante ersetzt werden, welche darin
besteht, dass kontinuierlich in einer Pumprichtung gepumpt wird,
solange bis das Pumpstromsignal höher als ein vorgegebener Grenzwert
wird. Dieser Grenzwert wird beispielsweise derart gewählt,
dass er einen Pumpstrom oberhalb des beim höchsten im Betrieb
anzutreffenden Sauerstoffwerts (zum Beispiel > 21%) widerspiegelt, bzw. in der umgekehrten
Pumprichtung jenseits des Abgases mit größtem
realistischem Sauerstoffbedarf. Ein gemessener Stromwert jenseits
dieses Grenzwerts zeigt an, dass die Sonde jetzt in umgekehrter
Richtung betrieben werden muss, da offensichtlich ein λ =
1-Durchgang stattgefunden haben muss. Der extrem steile Anstieg
der Kennlinien bei λ = 1 führt zu einem vernachlässigenden
kleinen Bereich, in welchem die Kennlinie nicht ganz eindeutig ist.
Alle Bereiche mit Pumpstromwerten unterhalb der oben definierten
Grenze ergeben zusammen eine komplette und bis auf einen sehr kleinen
Bereich um λ = 1 eindeutige Kennlinie. Dieses Verfahren
stellt jedoch de facto nichts anderes dar als eine praktische und
technisch schnell zu realisierende Umsetzung der Bestimmung des
Minimums der beiden gemessenen Pumpströme aufgrund von
Plausibilitätsbetrachtungen. Der Vorteil dieser Betriebsweise
ist eine sehr hohe Geschwindigkeit.The determination of the minimum and the maximum of the two pump current measured values can be carried out in various ways, for example, as described above, by a direct comparison of these two measured values. Alternatively or additionally, however, this determination of the minimum can also take place by means of a plausibility analysis, for example by rejecting measured values which lie above a predetermined plausibility threshold or treating them separately. This can again be exemplified by the 7 be explained. In the illustrated extreme case, in which the diffusion barrier in front of the first electrode 120 is negligible (in this case, only the protective layer 130 ), as discussed above, results in a very steep increase in the first characteristic 170 in the rich air range 168 , or a very steep rise (in the negative region) of the second characteristic 172 in the lean air range 166 as soon as a deviation of λ = 1 occurs. Here, the measuring method of the minimum determination described above can be replaced by an even faster variant, which consists in that continuous pumped in a pumping direction until the pumping current signal is higher than a predetermined limit. For example, this threshold is chosen to reflect a pumping current above the highest oxygen value encountered in operation (eg,> 21%), or in the reverse pumping direction beyond the most realistic oxygen demand gas. A measured current value beyond this limit indicates that the probe must now be operated in the reverse direction, as obviously a λ = 1-pass must have occurred. The extremely steep increase of the characteristic curves at λ = 1 leads to a negligible small range, in which the characteristic is not completely unambiguous. All ranges with pump current values below the limit defined above together provide a complete and except for a very small range around λ = 1 unique characteristic. However, this method is de facto nothing more than a practical and technically fast implementation of the determination of the minimum of the two measured pump currents due to plausibility considerations. The advantage of this mode of operation is a very high speed.
Wie
oben insbesondere anhand der 8 und 9 beschrieben,
ist der limitierende Faktor für die Umpolfrequenz die Umladung
der mit den Elektroden 120, 126 verbundenen Kapazitäten.
Dies können beispielsweise eine Doppelschichtkapazität, eine
Hohlraumgaskapazität oder ähnliche beteiligte Kapazitäten
sein. Das Umpolen benötigt typischerweise eine Zeitdauer,
welche idealerweise in der Größenordnung der Zeitkonstante
T = R·C liegt, wobei R der Zuleitungs- und Elektrolytwiderstand
ist und wobei C die Gesamtheit aller Kapazitäten darstellt.As above in particular with reference to the 8th and 9 described, the limiting factor for the Umpolfrequenz is the transhipment of the electrodes 120 . 126 connected capacities. These may be for example a double-layer capacity, a cavity gas capacity or similar capacities involved. The polarity reversal typically requires a period of time which is ideally of the order of the time constant T = R * C, where R is the supply and electrolyte resistance and C represents the total of all capacitances.
In 10 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensorelements 114 dargestellt,
welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann
(beispielsweise in einer Sensoranordnung 110 gemäß 1)
und welches nahezu vollständig ohne Umladung der Elektroden 120, 126 auskommen
kann. Das Sensorelement 114 ist grundsätzlich ähnlich
zu den in den 2 und 3 dargestellten
Sensorelementen 114 ausgestaltet, so dass beispielsweise
auf die Beschreibung des Sensorelements 114 gemäß 2 verwiesen
werden kann. Im Unterschied zu der dort beschriebenen Ausführung
sind jedoch die erste Elektrode 120 und die zweite Elektrode 126 jeweils
mehrteilig ausgebildet und weisen jeweils erste Teilelektroden 186 bzw. 188 und
zweite Teilelektroden 190 bzw. 192 auf. Diese Teilelektroden 186, 188, 190, 192 sind
jeweils durch getrennte Zuleitungen 116 kontaktierbar.In 10 is another embodiment of a sensor element 114 which can be used in the context of the present invention (for example in a sensor arrangement 110 according to 1 ) and which almost completely without reloading the electrodes 120 . 126 can get along. The sensor element 114 is basically similar to those in the 2 and 3 shown sensor elements 114 designed so that, for example, the description of the sensor element 114 according to 2 can be referenced. In contrast to the embodiment described there, however, the first electrode 120 and the second electrode 126 each formed in several parts and each have first partial electrodes 186 respectively. 188 and second sub-electrodes 190 respectively. 192 on. These sub-electrodes 186 . 188 . 190 . 192 are each by separate supply lines 116 contactable.
Ein
Grundgedanke besteht nun darin, die einzelnen Teilelektroden 186, 190 bzw. 188, 192 der ersten
Elektrode 120 bzw. zweiten Elektrode 126 für die
unterschiedlichen Pumprichtungen beim Umpolen einzusetzen. So können
beispielsweise die ersten Teilelektroden 186, 188 für
eine Messung in einer ersten Richtung verwendet werden und die zweiten Teilelektroden 190, 192 für
eine Messung mit Pumpspannung in umgekehrter Richtung. Auf diese
Weise kann, beispielsweise durch eine geeignete transiente Beschaltung
(zum Beispiel mit einer Rechteckspannung) hiermit ein schneller
Betrieb erreicht werden, da nunmehr kein Umladen der Elektroden 120, 126 bzw.
deren Teilelektroden mehr erforderlich ist. Es wird also abwechselnd
beispielsweise von der ersten Teilelektrode 186 zur ersten
Teilelektrode 188 und anschließend von der zweiten
Teilelektrode 192 zur zweiten Teilelektrode 190 gepumpt.A basic idea now is the individual partial electrodes 186 . 190 respectively. 188 . 192 the first electrode 120 or second electrode 126 for the different pumping directions during polarity reversal. For example, the first partial electrodes 186 . 188 for a measurement in a first direction and the second sub-electrodes 190 . 192 for a measurement with pumping voltage in the reverse direction. In this way, for example, by a suitable transient wiring (for example, with a square wave) hereby a faster operation can be achieved because now no reloading of the electrodes 120 . 126 or their sub-electrodes is more necessary. It is thus alternately, for example, from the first part electrode 186 to the first part electrode 188 and then from the second part electrode 192 to the second part electrode 190 pumped.
Grundsätzlich
erfordert das Sensorelement 114 gemäß dem
Ausführungsbeispiel in 10 vier Ansteuerleitungen 116 zum
Kontaktieren der Teilelektroden. Dieser erhöhte Aufwand
kann jedoch dadurch reduziert werden, dass eine geeignete Beschaltung
der Teilelektroden verwendet wird, bei welchen die Teilelektroden
einer Elektrode jeweils durch eine einzige Ansteuerleitung 116 kontaktiert
werden, wobei auf geeignete Weise Dioden verwendet werden, die dafür
sorgen, dass stets die „richtige" der beiden Teilelektroden
angesteuert wird. Ein Beispiel einer derartigen Beschaltung ist
in 11 dargestellt. Diese Beschaltung kann beispielsweise
im Sensorelement 114 aufgenommen sein und/oder in der Ansteuereinrichtung 112,
wobei jedoch zur Verringerung des Fertigungsaufwandes ersteres bevorzugt
ist.Basically, the sensor element requires 114 according to the embodiment in 10 four control lines 116 for contacting the sub-electrodes. However, this increased complexity can be reduced by using a suitable wiring of the sub-electrodes, in which the sub-electrodes of an electrode are each connected by a single control line 116 In an appropriate manner, diodes are used which ensure that the "correct" of the two sub-electrodes is always driven 11 shown. This wiring can for example in the sensor element 114 be included and / or in the control device 112 However, the first is preferred to reduce the manufacturing costs.
Wie
aus 11 erkennbar ist, sind jeweils in den Ansteuerleitungen 116 Dioden 194 aufgenommen.
Dabei ist in der Ansteuerleitung 116 zur ersten Teilelektrode 186 der
ersten Elektrode 120 die Diode 194 derart gepolt,
dass die Durchlassrichtung einem Strom hin zur Teilelektrode 186 entspricht.
Bei der zweiten Teilelektrode 190 der ersten Elektrode 120 ist eine
Diode 194 aufgenommen, welche in umgekehrter Richtung geschaltet
ist. Bezüglich der zweiten Elektrode 126 ist in
der Ansteuerleitung 116 eine Diode 194 aufgenommen,
deren Durchlassrichtung einer Stromrichtung weg von der ersten Teilelektrode 188 entspricht.
In der Ansteuerleitung 116 zur zweiten Teilelektrode 192 ist
eine Diode 194 mit umgekehrter Polung aufgenommen. Die
Ansteuerleitungen 116 der Teilelektroden 186, 190 bzw. 188, 192 jeder
der beiden Elektroden 120, 126 sind dann zu zwei
Gesamtleitungen 196 zusammengefasst.How out 11 is recognizable, are each in the Ansteuerleitungen 116 diodes 194 added. It is in the control line 116 to the first part electrode 186 the first electrode 120 the diode 194 polarized such that the forward direction of a current to the sub-electrode 186 equivalent. At the second part electrode 190 the first electrode 120 is a diode 194 taken, which is connected in the reverse direction. With respect to the second electrode 126 is in the control line 116 a diode 194 whose forward direction of a current direction away from the first part of the electrode 188 equivalent. In the control line 116 to the second part electrode 192 is a diode 194 recorded in reverse polarity. The control lines 116 the sub-electrodes 186 . 190 respectively. 188 . 192 each of the two electrodes 120 . 126 are then to two total lines 196 summarized.
Diese
Dioden 194 bewirken, dass bei positiven Spannungen nur
zwischen den Elektroden 190 und 192 gepumpt wird,
während die Pumpstrecke zwischen den Elektroden 186, 188 gesperrt
ist und gleichzeitig deren Entladen verhindert wird. Bei negativen
Spannungen hingegen ist lediglich die Pumpstrecke zwischen den Teilelektroden 186, 188 aktiv, während
die Pumpstrecke zwischen den Teilelektroden 190, 192 durch
die Diodenbeschaltung gesperrt ist. Die Elektrodenpaare 186, 188 und 190, 192 behalten
also stets ihre Polarität, obwohl sich die Polarität
an den Gesamtleitungen 196 ständig ändert. Dies
ist symbolisch in 12 dargestellt, in welcher die
Pumpspannung Up gegen die Zeit aufgetragen
ist. In den Zeitabschnitten, welche in 12 mit 198 bezeichnet
sind, erfolgt das Pumpen durch die Pumpzelle über die zweiten
Teilelektroden 190, 192, wohingegen in den Zeitabschnitten,
welche mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet sind, das Pumpen
durch die ersten Teilelektroden 186, 188 erfolgt.
Die Änderung der Polarität eines Elektrodenpaares
geht stets mit dem Umladen der Kapazität der Elektroden
einher. Die Größenordnung der Umladezeit ist physikalisch
durch die Zeitkonstante T = R·C limitiert. Vermeidet man
das Umladen der Elektroden durch die erfindungsgemäße
Anordnung von zwei Elektrodenpaaren und vier Dioden, so entfällt
diese Limitierung.These diodes 194 cause positive voltages only between the electrodes 190 and 192 is pumped while the pumping section between the electrodes 186 . 188 is locked while their unloading is prevented. For negative voltages, however, only the pumping path between the sub-electrodes is 186 . 188 active, while the pumping path between the sub-electrodes 190 . 192 is blocked by the diode circuit. The electrode pairs 186 . 188 and 190 . 192 So always keep their polarity, although the polarity of the overall lines 196 constantly changing. This is symbolic in 12 shown, in which the pumping voltage U p is plotted against time. In the periods, which in 12 With 198 are designated, the pumping through the pump cell via the second partial electrodes 190 . 192 whereas in the periods indicated by the reference numeral 200. are designated, the pumping through the first sub-electrodes 186 . 188 he follows. The change in the polarity of a pair of electrodes is always accompanied by the reloading of the capacitance of the electrodes. The order of magnitude of the recharging time is physically limited by the time constant T = R * C. If one avoids the reloading of the electrodes by the arrangement according to the invention of two pairs of electrodes and four diodes, this limitation is eliminated.
Die
Dioden 194 können beispielsweise mittels Siebdruck
auf das Sensorelement 114 aufgebracht werden, wodurch das
Sensorelement 114 lediglich über zwei Kontakte
der Gesamtleitungen 196 zum Pumpen, zuzüglich
einem oder zweier Kontakte für das Heizelement 144,
verfügt. Alternativ können die Dioden auch im
Sensorgehäuse oder in einem Steckergehäuse integriert
werden, beispielsweise in der Ansteuereinrichtung 112.
Dadurch verfügt das Sensorelement 114 über
vier Kontakte, der Sensor allerdings lediglich über vier
Anschlüsse am Kabel (drei Anschlüsse bei Kombination
einer Heizer- mit einer Elektrodenleitung). Die mittels Siebdruck
erzeugten Dioden können beispielsweise aus dotiertem SiC
aufgebaut werden. Derartige Dioden können beispielsweise
bei Temperaturen bis ca. 1400°C mit dem Sensorelement gesintert
werden. Dioden auf Siliziumcarbid-Basis können bei Temperaturen
von bis zu 650°C betrieben werden. Durch geeignete Gestaltung
des Sensorelements und geeignete Anordnung des Sensors im Abgasstrang
kann erreicht werden, dass im hinteren Teil des Sensorelements im
Betrieb keine Temperaturen oberhalb von 650°C auftreten. Dort
sollten im Siebdruck angebrachte Dioden angeordnet werden.The diodes 194 For example, by screen printing on the sensor element 114 be applied, whereby the sensor element 114 only over two contacts of the total lines 196 for pumping, plus one or two contacts for the heating element 144 , features. Alternatively, the diodes can also be integrated in the sensor housing or in a plug housing, for example in the drive device 112 , This features the sensor element 114 however, the sensor only has four connections on the cable (three connections if a heater cable and an electrode cable are combined). The diodes produced by means of screen printing can be constructed, for example, from doped SiC. Such diodes can be sintered, for example, at temperatures up to about 1400 ° C with the sensor element. Silicon carbide-based diodes can be operated at temperatures up to 650 ° C. By suitable design of the sensor element and appropriate arrangement of the sensor in the exhaust system can be achieved that in the rear part of the sensor element during operation no temperatures above 650 ° C occur. There, screen-mounted diodes should be placed.
Bei
einer alternativen Anbringung der Dioden 194 im Kabel oder
im Anschlussstecker sind wesentlich geringere Anforderungen an die
Temperaturbeständigkeit zu stellen. Hierfür sollte
beispielsweise eine Temperaturbeständigkeit bis zu 200°C
ausreichend sein, wie sie auch von einfachen, billigen Dioden 194 erfüllt
wird. Verfügt das Sensorelement 114 jedoch über
einen beispielsweise vierpoligen Stecker zum Anschluss an das Verbindungskabel
zur Elektronik, so können etwa in diesem Stecker direkt
als Beginn der Sensorzuleitung die Dioden 194 angebracht werden.In an alternative attachment of the diodes 194 In the cable or in the connector are much lower demands on the temperature resistance to make. For this purpose, for example, a temperature resistance of up to 200 ° C should be sufficient, as they are from simple, cheap diodes 194 is fulfilled. Has the sensor element 114 However, via an example four-pin connector for connection to the connection cable to the electronics, so can directly in this connector as the beginning of the sensor lead to the diodes 194 be attached.
Die
elektrische Ansteuerung kann durch abwechselnde positive und negative
Pumpspannungen erfolgen. Die Höhe und Dauer dieser Pumpspannungsimpulse
kann, wie auch in den anderen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, variieren.The
electrical control can be by alternating positive and negative
Pump voltages take place. The height and duration of these pump voltage pulses
can, as well as in the other embodiments of the
Invention, vary.
Die
in 11 dargestellte Vorrichtung kann dadurch modifiziert
werden, dass die beiden unteren Teilelektroden 190, 192 vertauscht
werden, so dass zwischen den Teilelektroden 188 und 190 bzw. 186 und 192 gepumpt
wird.In the 11 illustrated device can be modified by the fact that the two lower sub-electrodes 190 . 192 be swapped so that between the sub-electrodes 188 and 190 respectively. 186 and 192 is pumped.
In
einer weiteren Variante wird, ausgehend von einer der oben genannten
Varianten, ein zusätzliches Leitungsstück ohne
eigene externe Kontaktierung in dem Elektrolytmaterial oberhalb
der Teilelektroden 186, 188 und/oder unterhalb
der Teilelektroden 190, 192 angebracht.In a further variant, starting from one of the variants mentioned above, an additional line piece without its own external contacting in the electrolyte material above the sub-electrodes 186 . 188 and / or below the sub-electrodes 190 . 192 appropriate.
Eine
weitere Variante des Sensorelements 114 ist in 13 dargestellt.
Eine Grundidee dieser Ausführungsform besteht darin, dass
die Zuleitungen zu zwei Teilelektroden, insbesondere einer ersten Teilelektrode
und einer zweiten Teilelektrode verschiedener Elektroden, zusammengefasst
werden können. In dem in 13 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind dies die Ansteuerleitungen der
ersten Teilelektrode 186 der ersten Elektrode 120 und
die zweite Teilelektrode 192 der zweiten Elektrode 126. Alternativ
könnten jedoch auch beispielsweise die Elektroden 188 und 190 zusammengefasst
werden. Hierdurch verbleibt in jedem Elektrodenpaar eine Elektrode
konstant auf gleicher Spannung. Die Anzahl der Sensoranschlusskontakte
entspricht damit der einer Standard-Breitband-Sonde (drei Elektrodenanschlüsse),
wobei zusätzlich ein bis zwei Anschlüsse für
das Heizelement 144 hinzukommen können. Diese
Anschlüsse für das Heizelement 144 sind
in 13 nicht dargestellt.Another variant of the sensor element 114 is in 13 shown. A basic idea of this embodiment is that the supply lines can be combined to form two sub-electrodes, in particular a first sub-electrode and a second sub-electrode of different electrodes. In the in 13 illustrated embodiment, these are the Ansteuerleitungen the first part electrode 186 the first electrode 120 and the second part electrode 192 the second electrode 126 , Alternatively, however, for example, the electrodes 188 and 190 be summarized. As a result, an electrode remains constantly at the same voltage in each pair of electrodes. The number of sensor connection contacts thus corresponds to that of a standard broadband sensor (three electrode connections), with one or two additional connections for the heating element 144 can be added. These connections for the heating element 144 are in 13 not shown.
Das
Sensorelement 114 in 10 stellt
nur eine von mehreren Möglichkeiten dar, die Elektroden 120, 126 jeweils
ganz oder teilweise mehrteilig auszugestalten. Analog stellen auch
die beschriebenen Beschaltungen in den 11 und 13,
welche auf dem Gedanken beruhen, Dioden in den Zuleitungen zu diesen
Teilelektroden vorzusehen, um jeweils bei unterschiedlichen Polaritäten
der Pumpspannung unterschiedliche Teilelektroden zu nutzen, nur
einige der Möglichkeiten einer Beschaltung dieser Anordnung
dar. Eine weitere Variante zu der mehrteiligen Ausgestaltung der
Elektroden 120, 126 gemäß 10 bestünde
beispielsweise darin, die Elektroden oder Teilelektroden 120, 126, 186, 188, 190, 122 (bzw.
die weiteren, hinzukommenden Elektroden) neben- oder hintereinander
angeordnet auszugestalten. Auch in diesem Fall könnten
beispielsweise die Beschaltungen in den 11 und 13 verwendet werden
oder wiederum auch alternative Beschaltungen, welche es ermöglichen,
jeweils lediglich einige der Teilelektroden für eine Polarität
zu nutzen.The sensor element 114 in 10 represents only one of several possibilities, the electrodes 120 . 126 each fully or partially multi-part design. Similarly, the circuits described in the 11 and 13 , Which are based on the idea to provide diodes in the leads to these sub-electrodes in order to use different partial electrodes at different polarities of the pumping voltage, only some of the possibilities of a wiring of this arrangement. A further variant of the multi-part design of the electrodes 120 . 126 according to 10 For example, it would be the electrodes or sub-electrodes 120 . 126 . 186 . 188 . 190 . 122 (or the other, additional electrodes) side by side or arranged behind each other to design. Also in this case, for example, the wiring in the 11 and 13 used or in turn also alternative circuits, which make it possible, each only a few to use the sub-electrodes for one polarity.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102004035826
A1 [0003] DE 102004035826 A1 [0003]
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- DE 19938416 A1 [0003, 0004] - DE 19938416 A1 [0003, 0004]
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- DE 102005027225 A1 [0003] DE 102005027225 A1 [0003]
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- DE 3809154 C1 [0004] - DE 3809154 C1 [0004]
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- EP 0678740 B1 [0005] EP 0678740 B1 [0005]
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- DE 102005054144 A1 [0008, 0008, 0010, 0010, 0013, 0015, 0048] - DE 102005054144 A1 [0008, 0008, 0010, 0010, 0013, 0015, 0048]
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- DE 102005054144 A2 [0026] - DE 102005054144 A2 [0026]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- Robert Bosch
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