DE102010031299A1 - Device for determining a property of a gas in a measuring gas space - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112) vorgeschlagen, insbesondere zur Erfassung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente. Die Vorrichtung (110) umfasst mindestens ein Sensorelement (114) und mindestens eine Ansteuerung (118). Das Sensorelement (114) weist mindestens eine Pumpzelle (136) mit mindestens einer ersten Elektrode (120) und mindestens einer zweiten Elektrode (122) sowie mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (122) verbindenden Festelektrolyten (124) auf. Die erste Elektrode (120) ist mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar. Die zweite Elektrode (122) ist in mindestens einem Referenzgasraum (132) angeordnet, insbesondere einem Referenzgaskanal (134). Das Sensorelement (114) weist weiterhin mindestens eine dritte Elektrode (162) auf, welche mit der zweiten Elektrode (122) eine Hilfspumpzelle (166) bildet. Die Ansteuerung (118) ist derart eingerichtet, dass die zweite Elektrode (122) mit einer virtuellen Masse (148) verbunden ist. Die Ansteuerung (118) ist weiterhin eingerichtet, um die Pumpzelle (136) mit einer Pumpspannung zu beaufschlagen und einen Pumpstrom an der ersten Elektrode (120) zu erfassen.A device (110) for determining at least one property of a gas in a measuring gas space (112) is proposed, in particular for detecting a proportion of at least one gas component. The device (110) comprises at least one sensor element (114) and at least one control (118). The sensor element (114) has at least one pump cell (136) with at least one first electrode (120) and at least one second electrode (122) and at least one solid electrolyte (124) connecting the first electrode (120) and the second electrode (122) . The first electrode (120) can be charged with gas from the measurement gas space (112). The second electrode (122) is arranged in at least one reference gas space (132), in particular a reference gas channel (134). The sensor element (114) also has at least one third electrode (162), which forms an auxiliary pump cell (166) with the second electrode (122). The control (118) is set up in such a way that the second electrode (122) is connected to a virtual ground (148). The control (118) is also set up to apply a pump voltage to the pump cell (136) and to detect a pump current at the first electrode (120).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen, welche auf ionenleitenden Eigenschaften bestimmter Festkörper, also auf der Verwendung so genannter Festelektrolyte, basieren. Derartige Festelektrolyte können insbesondere als keramische Festelektrolyte ausgestaltet sein. Beispiele derartiger Festelektrolyte, welche grundsätzlich eine oder mehrere Ionenarten leiten können, sind sauerstoffionenleitende Festelektrolyte, insbesondere auf der Basis von Zirkoniumdioxid. Beispielsweise können im Rahmen der vorliegenden Erfindung Festelektolyte wie Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ) verwendet werden. Sensorelemente auf der Basis keramischer Festelektrolyte werden beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 beschrieben. Die dort dargestellten Sensorelemente können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt und modifiziert werden. Auch andere Sensorelemente sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.The invention is based on known sensor elements, which are based on ion-conducting properties of certain solids, ie on the use of so-called solid electrolytes. Such solid electrolytes can be designed in particular as ceramic solid electrolytes. Examples of such solid electrolytes, which can in principle conduct one or more types of ions, are oxygen-ion-conducting solid electrolytes, in particular based on zirconium dioxide. For example, solid electrolytes such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and / or scandium-doped zirconia (ScSZ) can be used in the present invention. Sensor elements based on ceramic solid electrolytes are used, for example, in Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, issue 2007, pages 154-159 described. The sensor elements shown there can also be used and modified in the context of the present invention. However, other sensor elements are basically used.

Viele derartiger Sensorelemente basieren auf der Verwendung einer oder mehrerer so genannter Pumpzellen. Beispielsweise sind Breitband-Lambdasonden bekannt, welche nach dem Grenzstromprinzip arbeiten und als Einzeller oder Mehrzeller aufgebaut sein können. Bei derartigen Sensorelementen wird an mindestens einer Pumpzelle ein Pumpstrom als Funktion einer Pumpspannung erfasst und aus dem Pumpstrom auf einen Sauerstoffanteil in dem Gas geschlossen. Auch alternative, prinzipiell gleichwertige Messprinzipien sind bekannt. Allgemein sind aus dem Stand der Technik beispielsweise einzellige Breitband-Lambdasonden bekannt, bei welchen eine Elektrode mittels einer Diffusionsbarriere mit Abgas beaufschlagbar ist, wohingegen die andere Elektrode einer die Elektroden umfassenden Pumpzelle in einem Referenzkanal angeordnet ist. Neuere Sensortypen weisen dabei lediglich einen Referenzkanal mit einem kleinen Grenzstrom auf, welcher auch als Abluftkanal (ALK) bezeichnet wird. Derartige Sensorelemente können jedoch in der Regel nur im mageren Abgas eingesetzt werden, da im fetten Abgas der Grenzstrom des Abluftkanals überschritten wird und der entleerte Abluftkanal ein zu kleines Signal liefert. Zwar kann dieser Sensor grundsätzlich dadurch betrieben werden, dass der Referenzkanal aufgepumpt wird, um auf diese Weise, beispielsweise für 30 s, in einem Fettgasbereich betrieben zu werden. Für viele Betriebsarten reicht dies aus, um kurze Fettphasen, wie beispielsweise eine NSC-Regeneration (NSC: NOx-Storage-Catalyst, NOx-Speicherkatalysator), zu messen.Many such sensor elements are based on the use of one or more so-called pump cells. For example, broadband lambda probes are known which operate according to the limiting current principle and can be constructed as a single cell or multiple cell. In such sensor elements, a pumping current is detected as a function of a pumping voltage on at least one pumping cell and closed from the pumping current to an oxygen content in the gas. Alternative, basically equivalent measurement principles are known. In general, for example, unicellular broadband lambda probes are known from the prior art in which one electrode can be acted upon by exhaust gas by means of a diffusion barrier, whereas the other electrode of a pump cell comprising the electrodes is arranged in a reference channel. Newer sensor types have only a reference channel with a small limiting current, which is also referred to as exhaust duct (ALK). However, such sensor elements can generally only be used in the lean exhaust gas, since in the rich exhaust gas the limiting flow of the exhaust air duct is exceeded and the exhausted exhaust duct delivers too small a signal. Although this sensor can basically be operated in that the reference channel is inflated to be operated in this way, for example, for 30 s, in a rich gas range. For many modes, this is sufficient to measure short fat phases such as NSC (NOx-Storage-Catalyst) recovery.

Ein ähnliches Messprinzip ist beispielsweise in DE 10 2006 011 480 A1 beschrieben. Dort wird ein Gassensor dargestellt, insbesondere eine Lambdasonde, bei welchem, zusätzlich zu einer Pumpzelle, eine dem Abgas ausgesetzte und mit einem negativen Strom beaufschlagte Außenelektrode vorgesehen ist. Mittels dieser wird ein Elektrodenhohlraum, in welchem eine der Elektroden der Pumpzelle angeordnet ist, zusätzlich mit Sauerstoff gefüllt, um einen Offset in der Kennlinie des Sensorelements zu schaffen.A similar measuring principle is for example in DE 10 2006 011 480 A1 described. There, a gas sensor is shown, in particular a lambda probe, in which, in addition to a pumping cell, an outer electrode exposed to the exhaust gas and acted upon by a negative current is provided. By means of this, an electrode cavity, in which one of the electrodes of the pumping cell is arranged, additionally filled with oxygen to provide an offset in the characteristic of the sensor element.

Bei bekannten, einzelligen Breitband-Lambdasonden wird üblicherweise eine dem Abgas zugewandte erste Elektrode (auch als Innenpumpelektrode oder IPE bezeichnet) auf ein künstlich festgelegtes Potenzial von 2,5 V gelegt. Die zweite Elektrode ist hingegen im Abluftkanal angeordnet und wird auch als Abluftelektrode (ALE) bezeichnet Sie wird in der Regel elektronisch geregelt auf eine Pumpspannung von 200 mV bis 900 mV, um gleichermaßen ein Pumpen in beide Richtungen bei magerem bzw. fettem Abgas zu ermöglichen. Die Messung des Pumpstroms erfolgt in der Regel an der zweiten Elektrode, also an der Abluftelektrode.In known, single-cell broadband lambda probes, a first electrode facing the exhaust gas (also referred to as internal pumping electrode or IPE) is usually set to an artificially fixed potential of 2.5 V. The second electrode, on the other hand, is located in the exhaust air duct and is also referred to as the exhaust air electrode (ALE). It is usually electronically controlled to a pumping voltage of 200 mV to 900 mV to equally allow pumping in both directions with lean or rich exhaust gas. The measurement of the pumping current is usually carried out at the second electrode, ie at the exhaust air electrode.

Bekannte Sensorelemente können in der Regel nur zeitweise, d. h. typischerweise für Zeiträume von weniger als 30 s, Fettgase messen. Sobald der Pumpstrom den Grenzstrom des Abluftkanals dauerhaft übersteigt, sinkt der Sauerstoffpartialdruck im Abluftkanal, und der Pumpstrom kommt zum Erliegen. Ein weiterer Nachteil bekannter Sensorelemente besteht darin, dass in vielen Fällen Heizelemente vorgesehen sind. Bei Leckströmen durch die Isolation des Heizelements bewegen sich Sauerstoffionen vom Heizelement zu den Elektroden bzw. umgekehrt. Dies führt beispielsweise an der Abluftelektrode in vielen Fällen zu einem Ein- bzw. Ausbau von Sauerstoff. Die entsprechende Ladung fließt durch die Elektrodenzuleitung ab und verursacht einen erhöhten bzw. erniedrigten Messstrom und damit einen erheblichen Messfehler. Ein weiterer Nachteil bekannter Sensorelemente besteht darin, dass Einzeller mit großem Luftreferenzkanal aufgrund des großen Querschnitts des Referenzkanals ungünstig sind bezüglich ihres mechanischen Aufbaus und dennoch eine durch den Grenzstrom begrenzte statische Fettmessfähigkeit aufweisen. Weiterhin besteht ein Nachteil darin, dass bei einem extremen Druck im Abluftkanal trotz einer Drossel das Sensorelement gesprengt werden kann, da üblicherweise die poröse Füllung des Abluftkanals die Strömung stark dämpft und nur einen Diffusionsaustritt zulässt. Dies kann sich beispielsweise in einer Bruchbildung oder Rissbildung im Sensorelement äußern.Known sensor elements can usually only temporarily, d. H. typically for periods of less than 30 s, measuring gasses. As soon as the pumping current permanently exceeds the limiting current of the exhaust air duct, the oxygen partial pressure in the exhaust air duct decreases, and the pumping current comes to a standstill. Another disadvantage of known sensor elements is that heating elements are provided in many cases. With leakage currents through the insulation of the heating element, oxygen ions move from the heating element to the electrodes or vice versa. This leads, for example, at the exhaust air electrode in many cases to an installation or removal of oxygen. The corresponding charge flows through the electrode lead and causes an increased or decreased measuring current and thus a significant measurement error. A further disadvantage of known sensor elements is that unicellular organisms with a large air reference channel are unfavorable in terms of their mechanical structure due to the large cross section of the reference channel and nevertheless have a static fatigue measurement capability limited by the limiting current. Furthermore, there is a disadvantage that at an extreme pressure in the exhaust duct, despite a throttle, the sensor element can be blown, since usually the porous filling of the exhaust duct strongly attenuates the flow and only allows a diffusion exit. This can manifest itself, for example, in a fracture or cracking in the sensor element.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es werden dementsprechend eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Bei dem Gas kann es sich insbesondere um ein Abgas handeln, beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine. Bei dem Messgasraum kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt handeln. Bei der mindestens einen Eigenschaft des Gases in dem Messgasraum kann es sich grundsätzlich um eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft handeln. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn es sich bei dieser mindestens einen Eigenschaft um einen Anteil einer Gaskomponente in dem Gas handelt, beispielsweise einen mittels eines Partialdrucks, eines Prozentsatzes oder einer anderen Größe quantifizierbaren Anteil. Insbesondere kann es sich bei der Gaskomponente um Sauerstoff handeln. Auch andere Arten von Gaskomponenten sind jedoch nachweisbar. Die Eigenschaft kann qualitativ oder quantitativ nachgewiesen werden. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um einen Sauerstoffanteil handeln, beispielsweise um einen Sauerstoffpartialdruck und/oder eine Luftzahl, wovon im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, ausgegangen werden soll. Die Vorrichtung kann somit insbesondere mindestens eine Lambdasonde umfassen.Accordingly, an apparatus and a method for determining at least one property of a gas in a measurement gas space are proposed, which at least largely avoid the disadvantages of known devices and methods described above. The gas may in particular be an exhaust gas, for example an internal combustion engine. The sample gas space may be, for example, an exhaust tract. The at least one property of the gas in the measurement gas space can basically be any physical and / or chemical property. However, it is particularly preferred if this at least one property is a fraction of a gas component in the gas, for example a proportion which can be quantified by means of a partial pressure, a percentage or another variable. In particular, the gas component may be oxygen. However, other types of gas components are detectable. The property can be detected qualitatively or quantitatively. In particular, the property may be an oxygen fraction, for example an oxygen partial pressure and / or an air number, which will be assumed below without restricting further possible embodiments. The device can thus in particular comprise at least one lambda probe.

Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement und mindestens eine Ansteuerung. Das Sensorelement kann beispielsweise als keramisches Sensorelement ausgestaltet sein und kann beispielsweise in einem Gehäuse aufgenommen sein. Beispielsweise kann das Sensorelement mindestens eine Lambdasonde umfassen oder als Lambdasonde ausgestaltet sein. Die mindestens eine Ansteuerung kann ganz oder teilweise in das Sensorelement integriert sein, kann jedoch auch vorzugsweise ganz oder teilweise getrennt von dem mindestens einen Sensorelement ausgestaltet sein. Die Ansteuerung kann beispielsweise eine oder mehrere elektronische Komponenten umfassen, um die im Folgenden beschriebenen Funktionen der Ansteuerung wahrzunehmen. So kann die Ansteuerung beispielsweise mindestens eine Pumpspannungsquelle zur Beaufschlagung der im Folgenden noch beschriebenen Pumpzelle mit einer Pumpspannung, mindestens eine Strommessvorrichtung zur Messung eines Pumpstroms durch die Pumpzelle, die mindestens eine virtuelle Masse in Form beispielsweise einer einstellbaren Spannungsquelle, sowie gegebenenfalls Kombinationen der genannten und/oder anderer elektronischer Elemente umfassen. Weiterhin kann die Ansteuerung beispielsweise auch eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen, um ein Verfahren gemäß der folgenden Beschreibung durchzuführen. Die Ansteuerung kann dabei als zentrale Ansteuerung ausgestaltet sein, welche mit dem mindestens einen Sensorelement beispielsweise über mindestens eine Schnittstelle, beispielsweise mindestens einen Stecker, verbunden ist. Die Ansteuerung kann auch ganz oder teilweise als dezentrale Ansteuerung ausgestaltet sein. Die Ansteuerung kann beispielsweise auch Bestandteil einer Motorsteuerung eines Kraftfahrzeugs sein. Verschiedene Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich.The device comprises at least one sensor element and at least one drive. The sensor element can be designed, for example, as a ceramic sensor element and can be accommodated, for example, in a housing. For example, the sensor element may comprise at least one lambda probe or be designed as a lambda probe. The at least one drive can be completely or partially integrated into the sensor element, but can also be designed, preferably completely or partially, separately from the at least one sensor element. The control may include, for example, one or more electronic components to perform the functions of the control described below. Thus, for example, the drive may comprise at least one pump voltage source for applying a pump voltage to the pump cell described below, at least one current measuring device for measuring a pump current through the pump cell, at least one virtual mass in the form of an adjustable voltage source, and optionally combinations of said and / or. or other electronic elements. Further, the driver may also include, for example, one or more data processing devices to perform a method as described below. The control can be configured as a central control, which is connected to the at least one sensor element, for example via at least one interface, for example at least one plug. The control can also be configured wholly or partly as a decentralized control. The control can for example also be part of an engine control of a motor vehicle. Various embodiments are possible in principle.

Das Sensorelement umfasst mindestens eine Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode und mindestens einer zweiten Elektrode sowie mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Bezüglich der möglichen Ausgestaltungen des Festelektrolyten kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode können beispielsweise als Metall-Keramik-Elektroden ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich hierbei um Platin-Cermet-Elektroden handeln. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Dabei ist die erste Elektrode mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Beispielsweise kann die erste Elektrode unmittelbar dem Gas aus dem Messgasraum ausgesetzt sein, beispielsweise indem die erste Elektrode auf einer Oberfläche eines Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet ist und/oder lediglich durch eine oder mehrere gasdurchlässige Schutzschichten von dem Messgasraum getrennt ist. Alternativ oder zusätzlich kann die erste Elektrode, welche auch mehrteilig ausgestaltet sein kann, auch im Inneren eines Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise in einem Elektrodenhohlraum. In diesem Fall kann der Elektrodenhohlraum beispielsweise über mindestens ein Gaszutrittsloch mit dem Messgasraum verbunden sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Verbindung zwischen dem Messgasraum und der ersten Elektrode bzw. dem optionalen Elektrodenhohlraum, in welchem die erste Elektrode angeordnet sein kann, über mindestens eine Diffusionsbarriere, also ein Element, welches ein Durchströmen von Gas zumindest weitgehend verhindert und lediglich einen Diffusionstransport erlaubt, erfolgt. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen derartiger Diffusionsbarrieren kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik verwiesen werden. Die zweite Elektrode ist in mindestens einem Referenzgasraum angeordnet, also einem Raum, welcher von dem Messgasraum derart getrennt ist, dass sich unterschiedliche Gasgemische im Referenzgasraum und im Messgasraum ausbilden können, zwischen denen ein Angleich zumindest auf einer Zeitskala erfolgt, welche lang ist im Vergleich zu üblichen Messvorgängen. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Referenzgasraum vollständig von dem Messgasraum getrennt ist. Insbesondere kann es sich bei dem Referenzgasraum um einen Referenzgaskanal handeln. Beispielsweise kann dieser Referenzgaskanal als Luftreferenzkanal ausgestaltet sein, welcher die zweite Elektrode beispielsweise mit einer Umgebung eines Motorraums verbindet, die von dem Messgasraum, beispielsweise einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, getrennt ausgebildet ist. Dementsprechend kann der Referenzgaskanal beispielsweise als Luftreferenz, als Referenzluftkanal oder als Abluftkanal ausgestattet sein, analog zu den oben beschriebenen Sensorelementen gemäß dem Stand der Technik.The sensor element comprises at least one pump cell with at least one first electrode and at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. With regard to the possible embodiments of the solid electrolyte, reference may be made, for example, to the above description. The first electrode and / or the second electrode can be designed, for example, as metal-ceramic electrodes. In particular, these may be platinum cermet electrodes. However, other embodiments are possible in principle. In this case, the first electrode can be acted upon with gas from the sample gas space. This can be done in different ways. For example, the first electrode may be exposed directly to the gas from the measurement gas space, for example by the first electrode being arranged on a surface of a layer structure of the sensor element and / or being separated from the measurement gas space by only one or more gas-permeable protective layers. Alternatively or additionally, the first electrode, which may also be designed in several parts, may also be arranged in the interior of a layer structure of the sensor element, for example in an electrode cavity. In this case, the electrode cavity can be connected, for example via at least one gas inlet hole with the sample gas space. It is particularly preferred if the connection between the measuring gas space and the first electrode or the optional electrode cavity, in which the first electrode can be arranged, via at least one diffusion barrier, ie an element which at least largely prevents gas from flowing through and only one Diffusion transport allowed. With respect to possible embodiments of such diffusion barriers, reference may be made to the above-described prior art. The second electrode is arranged in at least one reference gas space, ie a space which is separated from the measurement gas space such that different gas mixtures can form in the reference gas space and in the measurement gas space, between which an adjustment takes place at least on a time scale which is long compared to usual measuring procedures. Especially it is preferred if the reference gas space is completely separated from the sample gas space. In particular, the reference gas space may be a reference gas channel. For example, this reference gas channel can be designed as an air reference channel, which connects the second electrode, for example, to an environment of an engine compartment, which is formed separately from the measurement gas space, for example an exhaust gas tract of an internal combustion engine, in particular in a motor vehicle. Accordingly, the reference gas channel can be equipped, for example, as an air reference, as a reference air channel or as an exhaust air channel, analogously to the above-described sensor elements according to the prior art.

Das Sensorelement weist weiterhin mindestens eine dritte Elektrode auf. Die dritte Elektrode bildet mit der zweiten Elektrode eine Hilfspumpzelle. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der oben beschriebene Festelektrolyt auch die dritte Elektrode und die zweite Elektrode miteinander verbindet. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch mindestens ein weiterer Festelektrolyt vorgesehen sein, welcher die genannte Verbindung herstellt.The sensor element furthermore has at least one third electrode. The third electrode forms an auxiliary pumping cell with the second electrode. This can be done, for example, by the fact that the above-described solid electrolyte also connects the third electrode and the second electrode to one another. Alternatively or additionally, however, it is also possible to provide at least one further solid electrolyte which produces the named compound.

Die Ansteuerung ist derart eingerichtet, dass die zweite Elektrode mit einer virtuellen Masse verbunden ist. Unter einer virtuellen Masse ist eine Spannungsquelle zu verstehen, vorzugsweise eine Konstantspannungsquelle, welche ein Potenzial der zweiten Elektrode festlegt, beispielsweise auf einen bestimmten Wert relativ zu einer Masse. Insbesondere kann die virtuelle Masse eingerichtet sein, um die zweite Elektrode auf ein Elektrodenpotenzial zwischen 0 und ±3 V zu legen, insbesondere auf ein Elektrodenpotenzial von 0,2 bis 2,5 V. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Beispiele werden unten noch näher erläutert.The drive is set up such that the second electrode is connected to a virtual ground. A virtual ground is to be understood as meaning a voltage source, preferably a constant-voltage source, which defines a potential of the second electrode, for example to a specific value relative to a ground. In particular, the virtual ground may be arranged to set the second electrode to an electrode potential between 0 and ± 3 V, in particular to an electrode potential of 0.2 to 2.5 V. However, other embodiments are also possible. Examples are explained in more detail below.

Die Ansteuerung ist weiterhin eingerichtet, um die Pumpzelle mit einer Pumpspannung zu beaufschlagen und einen Pumpstrom an der ersten Elektrode zu erfassen. Unter einer Erfassung eines Pumpstroms an der ersten Elektrode ist dabei eine direkte oder indirekte Messung des Pumpstroms in einer Zuleitung zu der ersten Elektrode zu verstehen. Mit diesem Aufbau, bei welchem die zweite Elektrode, also beispielsweise die Abluftelektrode (ALE) mit einer virtuellen Masse beaufschlagt wird und die Messung an der ersten Elektrode, also der dem zu messenden Gas ausgesetzten Elektrode erfolgt, steht die vorgeschlagene Vorrichtung im Unterschied zu den oben beschriebenen bekannten Vorrichtungen, bei welchen die erste Elektrode mit der virtuellen Masse beaufschlagt wird und bei welchen die Pumpstrommessung an der zweiten Elektrode erfolgt. Wie unten noch näher ausgeführt wird, führt dieser Unterschied dazu, dass sich die oben beschriebenen Messfehler aufgrund von ionischen Leckströmen in und/oder aus der Elektrode nicht oder nur verringert bemerkbar machen, da diese nicht oder nur unwesentlich zum Pumpstrom der ersten Elektrode beitragen. Auch kann, wie unten noch näher ausgeführt wird, über die dritte Elektrode und die Hilfspumpzelle ein ”Aufpumpen” des Referenzgasraums im Bereich der zweiten Elektrode erfolgen, ohne dass der Hilfspumpstrom durch die Hilfspumpzelle zum gemessenen Pumpstrom an der ersten Elektrode beiträgt. Dies wird unten noch näher erläutert.The drive is further configured to apply a pump voltage to the pump cell and to detect a pump current at the first electrode. A detection of a pumping current at the first electrode is to be understood as meaning a direct or indirect measurement of the pumping current in a supply line to the first electrode. With this structure, in which the second electrode, that is, for example, the exhaust air electrode (ALE) is acted upon by a virtual mass and the measurement takes place at the first electrode, so the exposed gas to be measured electrode, the proposed device is in contrast to the above described known devices in which the first electrode is acted upon by the virtual ground and in which the pumping current measurement takes place at the second electrode. As will be explained in more detail below, this difference means that the measurement errors described above, due to ionic leakage currents in and / or out of the electrode, are not or only less noticeable, since they do not or only insignificantly contribute to the pumping current of the first electrode. It is also possible, as will be explained in more detail below, to "pump up" the reference gas space in the region of the second electrode via the third electrode and the auxiliary pumping cell without the auxiliary pumping current through the auxiliary pumping cell contributing to the measured pumping current at the first electrode. This will be explained in more detail below.

Die dritte Elektrode kann grundsätzlich beispielsweise ebenfalls mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. Optional kann die dritte Elektrode beispielsweise über eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein, insbesondere über eine poröse Schutzschicht. Beispielsweise kann die dritte Elektrode auf einer Oberfläche eines Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet sein und optional mit einer oder mehreren gasdurchlässigen Schutzschichten abgedeckt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die dritte Elektrode jedoch auch beispielsweise mit Gas aus einem weiteren Referenzgasraum beaufschlagbar sein. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.In principle, for example, the third electrode can also be supplied with gas from the measuring gas space. Optionally, the third electrode can be acted upon by gas from the measurement gas space, for example via a diffusion barrier, in particular via a porous protective layer. For example, the third electrode can be arranged on a surface of a layer structure of the sensor element and optionally covered with one or more gas-permeable protective layers. Alternatively or additionally, however, the third electrode can also be acted upon by gas from a further reference gas space, for example. Various configurations are possible.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die virtuelle Masse als einstellbare virtuelle Masse ausgestaltet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Ansteuerung eine einstellbare Spannungsquelle umfasst. Diese einstellbare Spannungsquelle kann beispielsweise an einem Pol direkt oder indirekt mit einer Masse verbunden sein, und an einem anderen Pol direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode. Die Einstellbarkeit kann beispielsweise eine elektronische Einstellbarkeit umfassen. Beispielsweise kann der von der virtuellen Masse eingenommene Wert, insbesondere ein Elektrodenpotenzial, mit welchem die zweite Elektrode beaufschlagt wird, extern einstellbar sein, beispielsweise über mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder über mindestens eine Schnittstelle innerhalb und/oder außerhalb der Ansteuerung. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich.It is particularly preferred if the virtual mass is designed as an adjustable virtual mass. This can be done, for example, by the activation comprising an adjustable voltage source. This adjustable voltage source may, for example, be connected directly or indirectly to a ground at one pole, and at another pole directly or indirectly to the second electrode. The adjustability may include, for example, electronic adjustability. For example, the value occupied by the virtual ground, in particular an electrode potential with which the second electrode is acted upon, can be externally adjustable, for example via at least one data processing device and / or via at least one interface within and / or outside the drive. Various configurations are possible.

Die Ansteuerung kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass eine Spannung zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode anlegbar ist. Durch diese Spannung kann ein Hilfspumpstrom durch die Hilfspumpzelle erzwungen werden, welcher einstellbar ausgestaltet sein kann. Die Ansteuerung kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass die dritte Elektrode mit einem Elektrodenpotenzial, insbesondere einem konstanten Elektrodenpotenzial, beaufschlagt wird. Dieses Elektrodenpotenzial kann auch Null sein. So kann beispielsweise die dritte Elektrode, wie unten noch näher ausgeführt wird, vorzugsweise auf ein Massepotenzial gelegt werden. Die Spannung an der Hilfspumpzelle kann sich dann insbesondere als Potenzialdifferenz zwischen dem Elektrodenpotenzial und einem Potenzial der virtuellen Masse, mit welchem die zweite Elektrode beaufschlagt wird, ergeben.The drive can in particular be designed such that a voltage between the third electrode and the second electrode can be applied. By this voltage, an auxiliary pumping current can be forced through the auxiliary pumping cell, which can be designed adjustable. In particular, the drive can be configured in such a way that the third electrode is subjected to an electrode potential, in particular a constant electrode potential. This electrode potential can also be zero. Thus, for example, the third electrode, as will be explained in more detail below, preferably be set to a ground potential. The voltage at the auxiliary pumping cell can then in particular as Potential difference between the electrode potential and a potential of the virtual mass, which is applied to the second electrode result.

Die zu bestimmende Eigenschaft, welche mittels der Vorrichtung bestimmt werden soll (wobei auch mehrere Eigenschaften bestimmbar sein können), kann insbesondere, wie oben ausgeführt, ein Sauerstoffanteil in dem Gas, insbesondere einem Abgas, sein. Die Spannung kann dann insbesondere derart gewählt werden, dass eine Menge an Sauerstoff durch die Hilfspumpzelle zu der zweiten Elektrode gepumpt wird, derart, dass innerhalb eines vorgegebenen Luftzahlbereichs bei jeder Luftzahl bei statischer Messung Sauerstoff an der zweiten Elektrode vorhanden ist. Dabei kann der Luftzahlbereich insbesondere auch einen Fettgasbereich umfassen. Diese Ausgestaltung kann insbesondere derart erfolgen, dass die Spannung der Hilfspumpzelle (beispielsweise durch eine geeignete Wahl der virtuellen Masse) stets so ist, dass der Ionenstrom durch die Hilfspumpzelle bei jeder Luftzahl eine Limitierung durch den Grenzstrom des Referenzgaskanals kompensiert. Insbesondere kann der Ionenstrom durch die Hilfspumpzelle derart gewählt werden, dass dieser stets mindestens die Differenz zwischen dem benötigten Sauerstoffstrom an der zweiten Elektrode und dem Grenzstrom des Referenzgaskanals bildet bzw. beträgt. Dies kann beispielsweise, wie unten noch näher ausgeführt wird, dadurch realisiert werden, dass das Potenzial der virtuellen Masse, mit welchem die zweite Elektrode beaufschlagt wird, an die Luftzahl angepasst wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein zuletzt gemessener, bekannter Luftzahlwert verwendet wird und, beispielsweise durch eine Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder eine elektronische Tabelle der Ansteuerung, eine geeignete virtuelle Masse gewählt wird, so dass die oben beschriebene Bedingung erfüllt ist.The property to be determined, which is to be determined by means of the device (wherein several properties may also be determinable), may in particular, as stated above, be an oxygen content in the gas, in particular an exhaust gas. The voltage may then be chosen in particular such that an amount of oxygen is pumped through the auxiliary pumping cell to the second electrode, such that oxygen is present at the second electrode within a predetermined air-number range at each air-ratio with static measurement. In this case, the air range may in particular also include a rich gas range. This configuration can in particular be such that the voltage of the auxiliary pumping cell (for example by a suitable choice of the virtual mass) is always such that the ion current through the auxiliary pumping cell compensates for a limitation by the limiting current of the reference gas duct at each air ratio. In particular, the ion current through the auxiliary pumping cell can be selected such that it always forms or amounts to at least the difference between the required oxygen flow at the second electrode and the limiting flow of the reference gas channel. This can be realized, for example, as explained in more detail below, by adapting the potential of the virtual mass applied to the second electrode to the air ratio. This can be done, for example, by using a last measured, known air value value and, for example, by a data processing device and / or an electronic table of the drive, a suitable virtual mass is selected, so that the condition described above is met.

Die Ansteuerung kann insbesondere zur Beaufschlagung der Pumpzelle mit der Pumpspannung mindestens eine Pumpspannungsquelle umfassen. Die Pumpspannungsquelle kann insbesondere mittels der vorliegenden Erfindung als unipolare Pumpspannungsquelle ausgestaltet sein, also als Pumpspannungsquelle, welche nicht umpolbar ist. Derartige Pumpspannungsquellen sind technisch besonders einfach zu realisieren. Ein Potenzial der virtuellen Masse, mit welchem die zweite Elektrode beaufschlagt wird, kann insbesondere innerhalb des vorgegebenen Luftzahlbereichs dann derart gewählt werden, dass das Potenzial der ersten Elektrode innerhalb des vorgegebenen Luftzahlbereichs keinen Vorzeichenwechsel erfährt. Dies bedeutet, dass die Potenzialdifferenz zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode innerhalb des vorgegebenen Luftzahlbereichs stets dasselbe Vorzeichen aufweist. Dies kann beispielsweise, wie oben dargestellt und wie unten noch näher erläutert wird, durch ein entsprechendes Nachführen der virtuellen Masse und/oder durch eine Veränderung der virtuellen Masse als Funktion der Luftzahl erfolgen. Die Ansteuerung kann grundsätzlich mit einem Strom gleichen oder auch wechselnden Vorzeichens erfolgen.The control may comprise at least one pump voltage source, in particular for acting on the pump cell with the pump voltage. The pump voltage source can be configured, in particular by means of the present invention, as a unipolar pump voltage source, that is to say as a pump voltage source which is not repulpable. Such pump voltage sources are technically particularly easy to implement. A potential of the virtual mass, with which the second electrode is acted upon, can then be selected in such a way, in particular within the predefined air-fuel range, that the potential of the first electrode does not undergo a sign change within the predefined air-frequency range. This means that the potential difference between the first electrode and the second electrode always has the same sign within the predefined air-frequency range. This can be done, for example, as described above and as explained in more detail below, by a corresponding tracking of the virtual mass and / or by a change in the virtual mass as a function of the air ratio. The control can basically be done with a current equal or changing sign.

Das Sensorelement kann insbesondere weiterhin mindestens ein Heizelement mit mindestens zwei Heizerkontakten aufweisen. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen dieses Heizelements kann auf den Stand der Technik verwiesen werden. Das Heizelement kann insbesondere als resistives Heizelement ausgestaltet sein, mit mindestens einem Heizwiderstand, welcher über zwei Heizerkontakte (H⁺ und H^–) mit einem Heizstrom beaufschlagbar ist. Die dritte Elektrode kann insbesondere mit mindestens einem, vorzugsweise mit genau einem, der Heizerkontakte elektrisch verbunden sein. Diese Verbindung kann vorzugsweise innerhalb des Sensorelements erfolgen, so dass der Heizerkontakt und die dritte Elektrode über eine gemeinsame Zuleitung und/oder über einen gemeinsamen Elektrodenkontakt elektrisch kontaktierbar sind. Die dritte Elektrode kann dabei prinzipiell auch ganz oder teilweise mit dem Heizelement und/oder dem Heizerkontakt zusammengefasst sein. Insbesondere kann es sich bei dem Heizerkontakt, welcher mit der dritten Elektrode zusammengefasst wird, um den negativen Heizerkontakt (H^–) handeln. Die Ansteuerung kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass dieser gemeinsame Heizerkontakt und die dritte Elektrode mit einer elektrischen Masse verbunden sind. Allgemein können die dritte Elektrode und der Heizerkontakt insbesondere mit einem konstanten Potenzial beaufschlagt werden, insbesondere einem Massepotenzial. Bei dieser oder auch bei anderen Ausgestaltungen ist es allgemein besonders bevorzugt, wenn das Sensorelement vier Anschlusskontakte aufweist. So können beispielsweise ein erster Anschlusskontakt für die erste Elektrode, ein zweiter Anschlusskontakt für die zweite Elektrode, ein dritter Anschlusskontakt für den negativen Heizerkontakt (H^–) und die dritte Elektrode sowie ein vierter Kontakt für den positiven Heizerkontakt vorgesehen sein. Auf diese Weise lassen sich, trotz erhöhter Funktionalität, Anschlusskontakte und/oder Kabel zum Steuergerät und/oder Pins am Steuergerät einsparen.In particular, the sensor element can furthermore have at least one heating element with at least two heater contacts. With respect to possible embodiments of this heating element, reference may be made to the prior art. The heating element can in particular be designed as a resistive heating element, with at least one heating resistor, which can be acted upon by a heating current via two heater contacts (H ⁺ and H ^- ). The third electrode may in particular be electrically connected to at least one, preferably exactly one, of the heater contacts. This connection can preferably take place within the sensor element, so that the heater contact and the third electrode are electrically contactable via a common supply line and / or via a common electrode contact. In principle, the third electrode can also be completely or partially combined with the heating element and / or the heater contact. In particular, it may be at the heater contact, which is combined with the third electrode to the negative heater contact (H ^-) act. The control can in particular be designed such that this common heater contact and the third electrode are connected to an electrical ground. In general, the third electrode and the heater contact can be acted upon in particular with a constant potential, in particular a ground potential. In this or in other embodiments, it is generally particularly preferred if the sensor element has four connection contacts. Thus, for example, a first terminal contact for the first electrode, a second terminal contact for the second electrode, a third terminal contact for the negative heater contact (H ^- ) and the third electrode and a fourth contact for the positive heater contact may be provided. In this way, despite increased functionality, connection contacts and / or cables to the control unit and / or pins on the control unit can be saved.

Wie oben dargestellt, sind verschiedene Ausgestaltungen bezüglich der Pumpzelle möglich. So kann die erste Elektrode beispielsweise auf einer dem Messgasraum zuweisenden Oberfläche eines Schichtaufbaus angeordnet sein, und die zweite Elektrode insbesondere im Inneren eines Schichtaufbaus. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die erste Elektrode und die zweite Elektrode beide im Inneren des Schichtaufbaus des Sensorelements angeordnet sind. In diesem Fall kann die erste Elektrode beispielsweise, wie oben ausgeführt, durch mindestens ein Gaszutrittsloch mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar sein. In einem Gaszutrittsweg, über welchen die erste Elektrode mit Gas beaufschlagbar ist, kann auch, wie oben ausgeführt, die mindestens eine optionale Diffusionsbarriere angeordnet sein. Die dritte Elektrode ist vorzugsweise auf einer von dem Gaszutrittsloch abgewandten Rückseite des Schichtaufbaus angeordnet. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Ausgestaltungen, bei welchen das Gaszutrittsloch und die dritte Elektrode auf derselben Seite des Schichtaufbaus angeordnet sind. In diesem Fall kann beispielsweide der H^– Anschluss durch das Sensorelement durchkontaktiert werden. Auch Ausgestaltungen, bei welchen die erste Elektrode und die dritte Elektrode auf derselben Seite des Schichtaufbaus angeordnet sind, sind möglich.As indicated above, various configurations with respect to the pumping cell are possible. For example, the first electrode may be arranged on a surface of a layer structure facing the measurement gas space, and the second electrode in particular in the interior of a layer structure. However, it is particularly preferred if the first electrode and the second electrode are both arranged in the interior of the layer structure of the sensor element. In this case, the first electrode, for example, as stated above, by at least one gas inlet hole can be acted upon with gas from the measuring gas space. In a Gaszutrittsweg, via which the first electrode can be acted upon with gas, also, as stated above, the at least one optional diffusion barrier can be arranged. The third electrode is preferably arranged on a rear side of the layer structure facing away from the gas inlet hole. However, other embodiments are also possible in principle, for example embodiments in which the gas inlet hole and the third electrode are arranged on the same side of the layer structure. In this case, for grazing, the H ^- Connection will be contacted by the sensor element. Embodiments in which the first electrode and the third electrode are arranged on the same side of the layer structure are also possible.

Die virtuelle Masse kann insbesondere, wie oben ausgeführt, als einstellbare virtuelle Masse ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die virtuelle Masse steuerbar und/oder regelbar ausgestaltet sein. Durch die virtuelle Masse kann die zweite Elektrode mit einem Elektrodenpotenzial beaufschlagt werden. Die Ansteuerung kann insbesondere eingerichtet sein, um das Elektrodenpotenzial in Abhängigkeit von der erfassten Eigenschaft des Gases, insbesondere einer erfassten Luftzahl, zu verändern. Dies kann, wie oben ausgeführt, beispielsweise durch mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung erfolgen, welche die virtuelle Masse entsprechend der zuletzt erfassten Luftzahl und/oder einer durchschnittlichen Luftzahl über einen Messzeitraum hinweg, einstellt. Auch andere Einstellungen sind möglich. Auch eine Einstellung durch eine andere Vorrichtung als eine Datenverarbeitungsvorrichtung ist möglich, beispielsweise eine automatische Einstellung über eine Regelung. Auch eine Einstellung über beispielsweise eine elektronische Tabelle (Lookup-Table) ist grundsätzlich denkbar. Die Einstellung kann kontinuierlich, diskontinuierlich oder auch stufenweise erfolgen. Die Einstellbarkeit kann insbesondere über einen vorgegebenen Messbereich der Eigenschaft des Gases hinweg erfolgen, beispielsweise einen vorgegebenen Luftzahlbereich, welcher insbesondere auch einen Fettgasbereich umfassen kann.In particular, as stated above, the virtual ground may be configured as an adjustable virtual ground. For example, the virtual mass can be designed controllable and / or controllable. The virtual ground can be used to apply an electrode potential to the second electrode. The control can be set up, in particular, to change the electrode potential as a function of the detected property of the gas, in particular of a detected air number. As stated above, this can be done, for example, by at least one data processing device which sets the virtual mass according to the last recorded air number and / or an average air number over a measuring period. Other settings are possible. A setting by a device other than a data processing device is possible, for example, an automatic adjustment via a control. A setting on, for example, an electronic table (lookup table) is conceivable in principle. The adjustment can be continuous, discontinuous or else stepwise. The adjustability can take place in particular over a predetermined measuring range of the property of the gas, for example a predetermined air-fuel ratio range, which in particular can also include a rich-gas range.

Als besonders vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen, wenn der Betrag des Elektrodenpotenzials, mit welchem die zweite Elektrode beaufschlagt wird, bei einem charakteristischen Wechsel der zu erfassenden Eigenschaft des Gases ein lokales Extremum aufweist. Beispielsweise kann die erfasste Eigenschaft des Gases, wie oben ausgeführt, eine Luftzahl sein oder zumindest eine Luftzahl umfassen. Die Ansteuerung kann dann insbesondere derart eingerichtet sein, dass der Betrag des Elektrodenpotenzials bei einer Luftzahl von λ = 1 ein lokales Minimum einnimmt. Dieses lokale Minimum kann insbesondere oberhalb von 0,1 V liegen, insbesondere bei mindestens 0,2 V und besonders bevorzugt bei 0,25 V oder mehr. Das lokale Minimum kann jedoch insbesondere derart gering gewählt werden, dass eine unerwünschte Zersetzung eines oder mehrerer Materialien, beispielsweise des ZrO₂ der Grundkeramik des Festelektrolyten, bei λ = 1 verhindert wird. Derartige Zersetzungen können die Kennlinie des Sensorelements im Bereich um λ = 1 verfälschen, was durch eine Verringerung des Elektrodenpotenzials bei λ = 1 und somit eine Verringerung der Pumpspannung an der Hilfspumpzelle vermieden werden kann. Beispielsweise kann das lokale Minimum in einem Bereich λ = 1 ± 0,2 angeordnet sein und insbesondere in einem Bereich λ = 1 ± 0,1, oder das Elektrodenpotenzial der zweiten Elektrode kann allgemein in diesem Bereich gegenüber Luftzahlen außerhalb dieses Bereichs verringert sein. Beispielsweise kann das Elektrodenpotenzial für Luftzahlen kleiner 1 kontinuierlich abfallen, beispielsweise linear, bis auf einen minimalen Wert bei λ = 1, und dann für Luftzahlen größer 1 wieder kontinuierlich ansteigen, beispielsweise linear. Verschiedene andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.It has proved to be particularly advantageous if the magnitude of the electrode potential applied to the second electrode has a local extremum in the event of a characteristic change in the property of the gas to be detected. For example, as noted above, the sensed property of the gas may be an air ratio or at least an air ratio. The activation can then be set up in particular in such a way that the amount of the electrode potential assumes a local minimum with an air ratio of λ = 1. In particular, this local minimum may be above 0.1 V, in particular at least 0.2 V and particularly preferably 0.25 V or more. However, the local minimum can be selected in particular so small that an undesired decomposition of one or more materials, for example, the ZrO _{2 of} the basic ceramic of the solid electrolyte, at λ = 1 is prevented. Such decompositions can falsify the characteristic of the sensor element in the range around λ = 1, which can be avoided by reducing the electrode potential at λ = 1 and thus reducing the pumping voltage at the auxiliary pumping cell. For example, the local minimum may be arranged in a range λ = 1 ± 0.2 and in particular in a range λ = 1 ± 0.1, or the electrode potential of the second electrode may generally be reduced in this range compared to air numbers outside this range. For example, the electrode potential for air numbers less than 1 may decrease continuously, for example linearly, down to a minimum value at λ = 1, and then increase continuously again for air numbers greater than 1, for example linearly. Various other embodiments are possible.

Wird das Elektrodenpotenzial, mit welchem die zweite Elektrode beaufschlagt wird, verändert, so sollte diese Veränderung insbesondere auf einer Zeitskala erfolgen, welche von der Zeitskala der eigentlichen Messung mittels der Vorrichtung abweicht. Insbesondere kann die Veränderung mit einer Zeitkonstanten von mindestens 1 s erfolgen, vorzugsweise mit einer Zeitkonstanten von 1 s bis 10 s und besonders bevorzugt mit einer Zeitkonstanten von 5 s. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass einerseits eine Beeinflussung der eigentlichen Messung (beispielsweise durch Schwingungen) verhindert wird. Andererseits kann die Zeitkonstante klein genug gewählt werden, so dass beispielsweise eine Speicherzeit von 30 s, welche bei üblichen Abluftkanälen vorliegt, noch unterschritten wird, so dass beispielsweise kein Sauerstoffmangel an der zweiten Elektrode auftritt.If the electrode potential, with which the second electrode is acted upon, changed, then this change should in particular be made on a time scale which deviates from the time scale of the actual measurement by means of the device. In particular, the change can take place with a time constant of at least 1 s, preferably with a time constant of 1 s to 10 s and particularly preferably with a time constant of 5 s. In this way it can be ensured that, on the one hand, an influence on the actual measurement (for example due to vibrations) is prevented. On the other hand, the time constant can be chosen small enough, so that, for example, a storage time of 30 s, which is present in conventional exhaust air ducts, is still exceeded, so that, for example, no oxygen deficiency occurs at the second electrode.

Der Referenzgasraum kann insbesondere, wie oben ausgeführt, als geöffneter Referenzgaskanal ausgeführt sein. insbesondere kann es sich hierbei um einen geöffneten Luftreferenzkanal handeln. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, also Ausgestaltungen, bei welchen der Referenzgaskanal ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen porösen Medium ausgestaltet ist. Verschiedene Ausgestaltungen werden unten exemplarisch noch näher beschrieben.The reference gas space may in particular, as stated above, be designed as an open reference gas channel. In particular, this can be an open air reference channel. However, other embodiments are also possible in principle, ie embodiments in which the reference gas channel is wholly or partially configured with a gas-permeable porous medium. Various embodiments are described below in more detail by way of example.

Neben der oben beschriebenen Vorrichtung in einer oder mehreren der beschriebenen Ausgestaltungen wird weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum vorgeschlagen. Das Verfahren kann insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchgeführt werden, so dass bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Verfahrens auf die obige Beschreibung der Vorrichtung verwiesen werden kann. Das Verfahren verwendet dabei ein Sensorelement mit einer Pumpzelle mit mindestens einer ersten Elektrode, mindestens einer zweiten Elektrode sowie mindestens einem die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden Festelektrolyten. Die erste Elektrode ist mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar. Die zweite Elektrode ist in mindestens einem Referenzgasraum angeordnet. Das Sensorelement weist weiterhin mindestens eine dritte Elektrode auf, wobei die dritte Elektrode mit der zweiten Elektrode eine Hilfspumpzelle bildet. Die zweite Elektrode wird dabei mit einer virtuellen Masse verbunden. Die Pumpzelle wird mit einer Pumpspannung beaufschlagt, und ein Pumpstrom an der ersten Elektrode wird erfasst. Weiterhin kann, wie oben ausgeführt, eine Spannung zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode angelegt werden, so dass ein Hilfspumpstrom durch die Hilfspumpzelle fließt, beispielsweise für einen oder mehrere der oben beschriebenen Zwecke.In addition to the device described above in one or more of the described embodiments, a method for determining at least one property of a gas in a measurement gas space is also proposed. The method can be used in particular using a device according to one or more of the embodiments described above, so that reference can be made to the above description of the device with regard to possible embodiments of the method. The method uses a sensor element having a pump cell with at least one first electrode, at least one second electrode and at least one solid electrolyte connecting the first electrode and the second electrode. The first electrode can be acted upon with gas from the sample gas space. The second electrode is arranged in at least one reference gas space. The sensor element furthermore has at least one third electrode, wherein the third electrode forms an auxiliary pumping cell with the second electrode. The second electrode is connected to a virtual ground. The pumping cell is supplied with a pumping voltage, and a pumping current at the first electrode is detected. Further, as stated above, a voltage may be applied between the third electrode and the second electrode such that an auxiliary pumping current flows through the auxiliary pumping cell, for example, for one or more of the purposes described above.

Die oben beschriebene Vorrichtung und das oben beschriebene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Mittels der Hilfspumpzelle kann Sauerstoff hin zu der zweiten Elektrode transportiert werden und dabei der Referenzgasraum beispielsweise so weit aufgepumpt werden, dass eine dauernde, statische Fettmessung möglich ist, ohne die üblichen Beschränkungen des Referenzgasraums, beispielsweise des Abluftkanals. Die dritte Elektrode kann ganz oder teilweise mit dem Heizelement und/oder einem Heizerkontakt zusammengefasst werden, wobei beispielsweise auch das Heizelement selbst Teil der Hilfspumpzelle sein kann. Eine Beschränkung einer Fettgasmessung auf übliche kurze Speicherzeiten von beispielsweise 30 s entfällt damit, und die Vorrichtung kann auch im Fettgasbereich zumindest in einem gewissen, vorzugsweise in vollem Umfang statisch betrieben werden. Durch die virtuelle Masse kann die zweite Elektrode auf ein vorgegebenes Elektrodenpotenzial gelegt werden, beispielsweise ein Elektrodenpotenzial von +2,5 V. An der ersten Elektrode, beispielsweise einer inneren Pumpelektrode, kann der Pumpstrom der Pumpzelle gemessen werden. Das Potenzial der virtuellen Masse wird vorzugsweise angepasst an das Messsignal, indem beispielsweise bei fettem Abgas das Potenzial gegenüber einem Wert bei λ = 1 angehoben wird. Der Referenzgasraum, beispielsweise der Abluftkanal, kann vorzugsweise mit einer offenen Drossel versehen werden, also als offener Referenzgaskanal ausgestaltet sein. Ein offener Referenzgaskanal wirkt als echte Diffusionsbarriere, welche ein Strömen von Gas durch den Referenzgaskanal ermöglicht, jedoch eine Diffusion begrenzt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich ein Überdruck im Bereich der zweiten Elektrode aufbaut. Die Strömung kann den überschüssigen Sauerstoff bei Überdruck im Referenzgaskanal leichter heraustransportieren als die Diffusion in einer porös gefüllten Drossel (Strömungsbarriere). Die dritte Elektrode, welche beispielsweise als äußere Pumpelektrode ausgestaltet sein kann, liegt vorzugsweise im Messgasraum, beispielsweise einem Abgasraum, also beispielsweise im Abgas, kann jedoch auch im Referenzgasraum des Sensorelements und/oder in einem anderen Referenzgasraum angeordnet sein.The apparatus and method described above have numerous advantages over known apparatus and methods. Oxygen can be transported to the second electrode by means of the auxiliary pumping cell and the reference gas space can be pumped up to such an extent that a permanent, static grease measurement is possible without the usual restrictions of the reference gas space, for example the exhaust air duct. The third electrode may be completely or partially combined with the heating element and / or a heater contact, wherein, for example, the heating element itself may be part of the auxiliary pumping cell. A restriction of a fat gas measurement to usual short storage times of, for example, 30 s is thus eliminated, and the device can also be operated in the fat gas range at least in a certain, preferably fully static. The virtual ground allows the second electrode to be set to a predetermined electrode potential, for example an electrode potential of +2.5 V. The pump current of the pump cell can be measured at the first electrode, for example an inner pumping electrode. The potential of the virtual mass is preferably adapted to the measurement signal, for example by increasing the potential in the case of rich exhaust gas compared with a value at λ = 1. The reference gas space, for example the exhaust air duct, can preferably be provided with an open throttle, that is configured as an open reference gas duct. An open reference gas channel acts as a true diffusion barrier that allows gas to flow through the reference gas channel but limits diffusion. In this way it can be prevented that an overpressure builds up in the region of the second electrode. The flow can transport the excess oxygen more easily at overpressure in the reference gas channel than the diffusion in a porous filled throttle (flow barrier). The third electrode, which may be configured, for example, as an outer pumping electrode, is preferably located in the measuring gas space, for example an exhaust gas space, ie for example in the exhaust gas, but may also be arranged in the reference gas space of the sensor element and / or in another reference gas space.

Die vorgeschlagene Vorrichtung hat, wie oben ausgeführt, eine statische Fettmessfähigkeit und ist daher beispielsweise auch für Ottomotor-Anwendungen geeignet. Vorzugsweise wird lediglich an der inneren Pumpelektrode, also an der ersten Elektrode, die eine Information über den Sauerstoffpartialdruck im Abgas enthält, die Strommessung durchgeführt. Eine Heizereinkopplung ist daher nicht mehr wirksam auf das eigentliche Messsignal. Der zusätzliche Strom, welcher durch die Hilfspumpzelle fließt und beispielsweise den Referenzgasraum füllt, erscheint ebenfalls nicht im Messsignal, wird jedoch wirksam als Nachschub für die erweiterte statische Fettmessfähigkeit. Masseschwankungen des Heizelements ergeben zwar geringfügige Änderungen des Sauerstoffpartialdrucks im Referenzgasraum, haben jedoch keinen Einfluss auf das eigentliche Messsignal.The proposed device has, as stated above, a static fatigue capability and is therefore also suitable, for example, for gasoline engine applications. Preferably, the current measurement is carried out only on the inner pumping electrode, that is to say on the first electrode, which contains information about the oxygen partial pressure in the exhaust gas. A heater input is therefore no longer effective on the actual measurement signal. The additional current that flows through the auxiliary pump cell and, for example, fills the reference gas space, also does not appear in the measurement signal, but is effective as a replenishment for the extended static fatigue capability. Although variations in the mass of the heating element result in slight changes in the oxygen partial pressure in the reference gas space, they have no influence on the actual measurement signal.

Zusätzlich zu den genannten Vorteilen lässt sich die beschriebene Vorrichtung technisch leicht herstellen. So lassen sich beispielsweise bestehende Designs, beispielsweise einzellige Grenzstromsensoren der Robert Bosch GmbH, auf einfache Weise um eine dritte Elektrode in Form beispielsweise einer außenliegenden Elektrode erweitern. Auf diese Weise kann der bestehende Baukasten kleinbauender Sensorelemente erweitert werden, ohne dass hierfür fünf Drähte oder gar ein anderes Messprinzip verwendet werden müssten. Damit bleibt bis auf die Zusatzleiterbahn und die gegebenenfalls veränderte Ansteuerung, welche beispielsweise einen veränderten ASIC (anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis) umfassen kann, die bekannte kostengünstige Herstellung der bekannten Sensorelemente erhalten. Alternativ oder zusätzlich zu einer Anwendung für Dieselmotoren kommt auch eine Anwendung für Ottomotoren in Betracht. Auch eine Einheitssonde für Ottomotoren und Dieselmotoren ist realisierbar.In addition to the advantages mentioned, the described device can be manufactured technically easily. Thus, for example, existing designs, for example unicellular limit current sensors from Robert Bosch GmbH, can be easily expanded by a third electrode in the form of, for example, an external electrode. In this way, the existing modular small sensor elements can be extended without the need for five wires or even another measuring principle would have to be used. This remains except for the additional trace and the possibly modified control, which may include, for example, a modified ASIC (user-specific integrated circuit), the known cost-effective production of the known sensor elements. Alternatively or in addition to an application for diesel engines is also an application for gasoline engines into consideration. A standard probe for gasoline engines and diesel engines is also feasible.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail in the following description.

Es zeigen:Show it:

1A ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum; 1A An embodiment of a known device for determining at least one property of a gas in a sample gas space;

1B ein Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß 1A; 1B an equivalent circuit diagram of the device according to 1A ;

1C einen üblichen Verlauf der Elektrodenpotenziale über den Luftzahlbereich bei der Vorrichtung gemäß 1A; 1C a usual course of the electrode potentials over the air range in the apparatus according to 1A ;

2A eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum; 2A an inventive embodiment of a device for determining at least one property of a gas in a measuring gas chamber;

2B ein Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß 2A; und 2 B an equivalent circuit diagram of the device according to 2A ; and

3A bis 3D verschiedene Elektrodenpotenzialverläufe bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß 2A. 3A to 3D various electrode potential courses in a method according to the invention, in particular using a device according to 2A ,

Ausführungsbeispieleembodiments

In 1 ist eine Vorrichtung 110 zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum 112 dargestellt, wie sie dem Stand der Technik entspricht. Der Messgasraum 112 kann beispielsweise ein Abgastrakt einer Brennkraftmaschine sein. Die Vorrichtung 110 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Sensorelement 114 sowie eine mit dem Sensorelement 114 über eine Schnittstelle 116 verbundene Ansteuerung 118. Die Ansteuerung 118 kann ein oder mehrere elektronische Bauelemente umfassen und kann auch ganz oder teilweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) ausgestaltet sein. Das Sensorelement 114 kann beispielsweise als Lambdasonde ausgestaltet sein und umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Elektrode 120, welche auch als Innenpumpelektrode (IPE) bezeichnet wird, eine zweite Elektrode 122, welche auch als Abluftelektrode (ALE) bezeichnet wird, sowie einen die Elektroden 120, 122 verbindenden Festelektrolyten 124, beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid. Die Elektroden 120, 122 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Inneren eines Schichtaufbaus angeordnet. Die erste Elektrode 120 ist dabei in einem Elektrodenhohlraum 126 angeordnet, welcher über ein Gaszutrittsloch 128 mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagbar ist. Zwischen dem Elektrodenhohlraum 126 und dem Gaszutrittsloch 128 ist eine Diffusionsbarriere 130 angeordnet, also ein poröses Element, welches ein Nachströmen von Gas aus dem Messgasraum 112 in den Elektrodenhohlraum 116 oder in umgekehrter Richtung zumindest weitgehend verhindert und lediglich einen Diffusionstransport ermöglicht. Die zweite Elektrode 122 ist hingegen in einem Referenzgasraum 132 in Form eines Referenzgaskanals 134 oder Abluftkanals angeordnet. Dieser ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem porösen, gasdurchlässigen Medium ausgefüllt. Die Elektroden 120, 122 sowie der diese Elektroden verbindende Festelektrolyt 124 bilden gemeinsam eine Pumpzelle 136. Die Elektroden 120, 122 sind durch Anschlusskontakte 138 elektrisch kontaktierbar, welche in 1A mit ALE (Abluftelektrode) bzw. IPE (innere Pumpelektrode) bezeichnet sind. Weiterhin umfasst das Sensorelement 114 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Heizelement 140 mit einer Heizerisolation 142, welche einen Heizwiderstand 144 mit zwei Heizerkontakten H⁺ und H^– umgibt.In 1 is a device 110 for determining at least one property of a gas in a sample gas space 112 represented as it corresponds to the prior art. The sample gas chamber 112 For example, it may be an exhaust tract of an internal combustion engine. The device 110 includes in the illustrated embodiment, a sensor element 114 and one with the sensor element 114 via an interface 116 connected control 118 , The control 118 may comprise one or more electronic components and may also be designed in whole or in part as an application-specific integrated circuit (ASIC). The sensor element 114 For example, it can be designed as a lambda probe and, in the exemplary embodiment shown, comprises a first electrode 120 , which is also referred to as internal pumping electrode (IPE), a second electrode 122 , which is also referred to as the exhaust air electrode (ALE), as well as the electrodes 120 . 122 connecting solid electrolyte 124 For example, yttrium-stabilized zirconia. The electrodes 120 . 122 are arranged in the illustrated embodiment in the interior of a layer structure. The first electrode 120 is in an electrode cavity 126 arranged, which via a gas inlet hole 128 can be acted upon with gas from the sample gas space. Between the electrode cavity 126 and the gas access hole 128 is a diffusion barrier 130 arranged, so a porous element, which is a post-flow of gas from the sample gas space 112 into the electrode cavity 116 or at least largely prevented in the reverse direction and allows only a diffusion transport. The second electrode 122 is in a reference gas space 132 in the form of a reference gas channel 134 or exhaust ducts arranged. This is filled in the illustrated embodiment with a porous, gas-permeable medium. The electrodes 120 . 122 and the solid electrolyte connecting these electrodes 124 together form a pump cell 136 , The electrodes 120 . 122 are through connection contacts 138 electrically contactable, which in 1A with ALE (exhaust air electrode) and IPE (inner pumping electrode) are designated. Furthermore, the sensor element comprises 114 in the illustrated embodiment, a heating element 140 with a heater insulation 142 which has a heating resistor 144 with two heater contacts H ⁺ and H ^- surrounds.

Das in 1A dargestellte Sensorelement 114 ist einzellig ausgebildet Die Ansteuerung 118 wird üblicherweise derart gewählt, dass die Heizerkontakte H⁺ und H^– durch eine Heizeransteuerung 146 beaufschlagt werden, welche üblicherweise eine geregelte Heizersteuerung durchführt, beispielsweise auf einen konstanten Innenwiderstand der Pumpzelle 136.This in 1A illustrated sensor element 114 is unicellular trained The control 118 is usually chosen such that the heater contacts H ⁺ and H ^- by a heater control 146 be applied, which usually performs a controlled heater control, for example, to a constant internal resistance of the pumping cell 136 ,

Die Innenpumpelektrode oder erste Elektrode 120, welche sich im Abgas befindet, ist an eine virtuelle Masse 148 der Ansteuerung 118 angeschlossen. Diese virtuelle Masse 148 legt die erste Elektrode 120 auf ein konstantes Elektrodenpotenzial relativ zu einer elektrischen Masse 150. Die zweite Elektrode 122 oder Abluftelektrode hingegen liegt auf einem variablen Potenzial. Über eine in 1A lediglich angedeutete Pumpspannungsquelle 152 wird mittels einer Strommessvorrichtung 154, beispielsweise mittels eines Messwiderstands 156, ein Pumpstrom I_p durch die Pumpzelle 136 gemessen. Bei üblichen Schaltungen erfolgt dies derart, dass beispielsweise über eine Einspeisung an einem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers die Pumpspannung U_p der Pumpspannungsquelle 152 geregelt wird, um bei einer Messung an Luft eine höhere Pumpspannung von 900 mV einzustellen, bei Fettgas hingegen eine kleinere Pumpspannung U_p von 200 mV.The inner pump electrode or first electrode 120 , which is located in the exhaust, is to a virtual mass 148 the control 118 connected. This virtual mass 148 puts the first electrode 120 to a constant electrode potential relative to an electrical ground 150 , The second electrode 122 or exhaust air electrode on the other hand is at a variable potential. About one in 1A merely indicated pump voltage source 152 is by means of a current measuring device 154 , for example by means of a measuring resistor 156 , a pumping current I _p through the pumping cell 136 measured. In conventional circuits, this is done in such a way that, for example via a feed to a non-inverting input of an operational amplifier, the pump voltage U _{p of} the pump voltage source 152 is regulated in order to set a higher pumping voltage of 900 mV in a measurement in air, in contrast, in the case of fatty gas, a smaller pumping voltage U _p of 200 mV.

In 1B ist ein Ersatzschaltbild der Vorrichtung 110 gemäß 1A dargestellt. Zusätzlich zu den bereits eingeführten Größen bezeichnet V_M das Potenzial bzw. die Spannung der virtuellen Masse 148, U_N eine Nernstspannung (in diesem Fall zwischen den Elektroden 120, 122), R_H den Widerstand des Heizwiderstands 144, P_H eine Heizerleistung, welche in diesem Fall eine Funktion eines Innenwiderstands R_i der Pumpzelle 136 ist, und U_Bat eine Batteriespannung einer Heizeransteuerung, welche in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch auf 12 V gesetzt wurde. Wie in 1B erkennbar ist, sind dabei nach dem Stand der Technik der Heizerkreislauf (unteres Teilbild) und die Pumpzelle 136 sowohl auf Seiten des Sensorelements 114 als auch auf Seiten der Ansteuerung 118 praktisch vollständig getrennt ausgebildet. Allerdings wird das Heizelement 140 getaktet angesteuert, um den Innenwiderstand R_i zu regeln. Zu diesem Zweck kann der Heizerkontakt H^– beispielsweise mit einem Low-Side-FET geschaltet werden, wohingegen der Heizerkontakt H⁺ beispielsweise auf der Batteriespannung U_Bat liegen kann.In 1B is an equivalent circuit diagram of the device 110 according to 1A shown. In addition to the variables already introduced, V _M denotes the potential or the voltage of the virtual ground 148 , U _{N is} a Nernst voltage (in this case between the electrodes 120 . 122 ), R _{H is} the resistance of the heating resistor 144 P _{H is} a heater power, which in this case is a function of an internal resistance R _{i of} the pumping cell 136 and U _{Bat is} a battery voltage of a heater driver, which in this embodiment has been set to 12 V by way of example. As in 1B can be seen, are according to the prior art, the heater circuit (lower part of the picture) and the pumping cell 136 both on Sides of the sensor element 114 as well as on the part of the control 118 practically completely separated formed. However, the heating element will 140 controlled clocked to regulate the internal resistance R _i . For this purpose, the heater contact H can be switched ^, for example, with a low-side FET, whereas the heater contact H ^{+ can} be at the battery voltage U _Bat , for example.

In 1C sind Elektrodenpotenziale der ersten Elektrode (Kurve 158) bzw. der zweiten Elektrode (Kurve 160) als Funktion der Luftzahl λ für das bekannte Messverfahren gemäß den 1A und 1B aufgetragen. Wie oben dargestellt, verbleibt dabei das Elektrodenpotenzial 158 der ersten Elektrode konstant bei dem Potenzial V_M der virtuellen Masse 148. Das Elektrodenpotenzial 160 der zweiten Elektrode 122 wird hingegen, ausgehend vom fetten Luftzahlbereich (λ < 1) hin zum mageren Luftzahlbereich (λ > 1) kontinuierlich angehoben, beispielsweise von 200 mV im Fettgas auf 900 mV an Luft.In 1C are electrode potentials of the first electrode (curve 158 ) or the second electrode (curve 160 ) as a function of the air ratio λ for the known measuring method according to the 1A and 1B applied. As shown above, the electrode potential remains 158 of the first electrode constant at the virtual ground potential V _M 148 , The electrode potential 160 the second electrode 122 On the other hand, starting from the rich air range (λ <1) to the lean air range (λ> 1) is continuously increased, for example from 200 mV in the rich gas to 900 mV in air.

In den 2A und 2B ist hingegen eine erfindungsgemäße Vorrichtung 110 dargestellt. Diese umfasst wiederum mindestens ein Sensorelement 114 und mindestens eine Ansteuerung 118. Das Sensorelement 114 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel exemplarisch analog zu dem Sensorelement 114 gemäß 1A ausgestaltet, so dass für die Beschreibung dieses Sensorelements 114 weitgehend auf die obige Beschreibung der 1A verwiesen werden kann. Im Unterschied zur 1A ist jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung in 2A zusätzlich eine dritte Elektrode 162 vorgesehen. Diese ist als zusätzliche Pumpelektrode (in 2B daher auch mit „2nd PE” bezeichnet) ausgestaltet. Beispielsweise kann diese, wie in 2A dargestellt, auf einer Außenseite des Sensorelements 114 angeordnet sein, beispielsweise auf einer dem Gaszutrittsloch 128 gegenüberliegenden Rückseite des Sensorelements 114. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die dritte Elektrode 162 mit Gas aus dem Messgasraum 112 beaufschlagbar und von dem Messgasraum beispielsweise durch eine poröse Schutzschicht 164 getrennt. Diese poröse Schutzschicht 164 kann auch als Diffusionsbarriere wirken und einen Gaszutritt durch Diffusionszutritt begrenzen. Vorzugsweise wird die dritte Elektrode 162 im heißen Bereich des Abgases angeordnet, kann jedoch grundsätzlich auch in einem Referenzgasraum angeordnet sein, beispielsweise in einem Referenzraum eines Sondengehäuses des Sensorelements 114, welches in 2A nicht dargestellt ist. Die dritte Elektrode 162 bildet gemeinsam mit der zweiten Elektrode 122 eine Pumpzelle, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohne Beschränkung möglicher Funktionalitäten als Hilfspumpzelle 166 bezeichnet wird. Die Funktion dieser Hilfspumpzelle 166 besteht darin, einen Sauerstoffmangel im Bereich der zweiten Elektrode 122, welcher durch den begrenzten Referenzgaskanal 134 bedingt sein kann, insbesondere im fetten Abgas, auszugleichen.In the 2A and 2 B on the other hand is a device according to the invention 110 shown. This in turn comprises at least one sensor element 114 and at least one driver 118 , The sensor element 114 is in the illustrated embodiment, for example, analogous to the sensor element 114 according to 1A designed so that for the description of this sensor element 114 largely to the above description of 1A can be referenced. In contrast to 1A However, in the embodiment according to the present invention, FIG 2A in addition a third electrode 162 intended. This is as an additional pumping electrode (in 2 B therefore also with "2nd PE" called) designed. For example, this, as in 2A shown on an outside of the sensor element 114 be arranged, for example, on a gas inlet hole 128 opposite rear side of the sensor element 114 , However, other embodiments are possible in principle. In the illustrated embodiment, the third electrode 162 with gas from the sample gas chamber 112 acted upon and from the sample gas space, for example, by a porous protective layer 164 separated. This porous protective layer 164 can also act as a diffusion barrier and limit gas access by diffusion access. Preferably, the third electrode becomes 162 arranged in the hot region of the exhaust gas, but in principle may also be arranged in a reference gas space, for example in a reference space of a probe housing of the sensor element 114 which is in 2A not shown. The third electrode 162 forms together with the second electrode 122 a pumping cell, which in the context of the present invention without limitation of possible functionalities as Hilfspumpzelle 166 referred to as. The function of this auxiliary pump cell 166 is an oxygen deficiency in the area of the second electrode 122 passing through the limited reference gas channel 134 may be conditional, especially in the rich exhaust, to compensate.

Wie aus 2A ebenfalls hervorgeht, ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung 110 in der Ansteuerung 118 der mit ALE bezeichnete Kontakt der zweiten Elektrode 122 mit einer virtuellen Masse 148 verbunden. Die erste Elektrode 120 hingegen ist mit einer Pumpspannungsquelle 152 verbunden, und der Pumpstrom I_p wird an der ersten Elektrode 120 erfasst. Dies geht aus dem in 2B dargestellten Ersatzschaltbild, welches analog zur Darstellung in 1B gezeigt ist, nochmals hervor. Mittels der Strommessvorrichtung 154 wird der Strom an der ersten Elektrode 120 erfasst, während die zweite Elektrode 122 auf dem Potenzial der, vorzugsweise einstellbar oder sogar regelbar ausgestalteten, virtuellen Masse 148 liegt. Über die IPE 120 erfolgen die Pumpspannungseinspeisung und die Strommessung.How out 2A also shows, is in the inventive embodiment of the device 110 in the control 118 the contact of the second electrode designated ALE 122 with a virtual mass 148 connected. The first electrode 120 whereas, with a pump voltage source 152 connected, and the pumping current I _p is at the first electrode 120 detected. This goes from the in 2 B shown equivalent circuit diagram, which analogous to the representation in 1B is shown again. By means of the current measuring device 154 becomes the current at the first electrode 120 captured while the second electrode 122 on the potential of, preferably adjustable or even adjustable configured, virtual mass 148 lies. About the IPE 120 the pump voltage supply and the current measurement take place.

Weiterhin kann ein Anschlusskontakt 138 der dritten Elektrode 162, wie in 2A dargestellt, mit einem Anschlusskontakt des Heizelements 140 zusammengefasst sein, vorzugsweise mit dem Anschlusskontakt H^–. Der Anschlusskontakt H⁺ ist in 2A lediglich symbolisch dargestellt. Dieser kann auch in der Zeichenebene gemäß 2A hinter dem Anschlusskontakt H^– angeordnet sein, so dass beispielsweise Zuleitungen für H⁺ und H^– nebeneinander auf der Unterseite des Sensorelements 114 angeordnet sein können. Beispielsweise kann es sich hierbei um gedruckte Anschlusskontakte und/oder Durchkontaktierungen handeln. Ein Anschlusskontakt 138 der dritten Elektrode 162 ist durch eine Drucktechnik beispielsweise leicht mit einer Durchkontaktierung für den negativen Anschluss H^– verbindbar. Der Heizerkontakt H⁺ kann beispielsweise mit einem High-Side-FET geschaltet werden.Furthermore, a connection contact 138 the third electrode 162 , as in 2A shown with a terminal contact of the heating element 140 be summarized, preferably with the terminal contact H ^- . The connection contact H ⁺ is in 2A only symbolically represented. This can also be done in the drawing plane according to 2A behind the terminal H ^{- be} arranged so that, for example, leads for H ⁺ and H ^- side by side on the underside of the sensor element 114 can be arranged. For example, these may be printed connection contacts and / or plated-through holes. A connection contact 138 the third electrode 162 For example, it can easily be connected to a via for the negative terminal H ^- by a printing technique. The heater contact H ⁺ can be switched, for example, with a high-side FET.

Da die erste Elektrode 122 mittels der virtuellen Masse 148 auf ein vorgegebenes Elektrodenpotenzial gelegt wird und da vorzugsweise die dritte Elektrode 162 über den Heizerkontakt H^– auf eine elektrische Masse 150 geschaltet ist, bildet sich zwischen der zweiten Elektrode 122 und der dritten Elektrode 162, also an der Hilfspumpzelle 166, eine effektive Pumpspannung aus, welche sich aus einer Überlagerung der Spannung V_M und einer Nernstspannung U_N in der Hilfspumpzelle 166 ergibt. Durch Einstellung der virtuellen Masse 148, beispielsweise als Funktion der Luftzahl, kann dieser Hilfspumpstrom durch die Hilfspumpzelle 166 und damit die Beaufschlagung der zweiten Elektrode 122 mit zusätzlichem Sauerstoff eingestellt werden. Die Fläche der dritten Elektrode 162 und/oder die Porosität und/oder die Dicke der Schutzschicht 164 können so gewählt werden, dass auch im Fettgas bei der anliegenden Pumpspannung, beispielsweise von 2,5 V, ein aus einer Wasserzersetzung resultierender Pumpstrom von beispielsweise 2 mA größer ist als der im maximalen Fettmessbereich vorliegende statische Pumpstrom. Dazu kann beispielsweise der Diffusionsstrom entsprechend der Dicke, Porosität und Fläche berechnet werden.Because the first electrode 122 by means of virtual mass 148 is placed on a predetermined electrode potential and there preferably the third electrode 162 via the heater contact H ^- to an electrical ground 150 is connected, forms between the second electrode 122 and the third electrode 162 , ie at the auxiliary pumping cell 166 , an effective pump voltage resulting from a superimposition of the voltage V _M and a Nernst voltage U _N in the auxiliary pumping cell 166 results. By setting the virtual mass 148 , For example, as a function of the air ratio, this Hilfspumpstrom through the auxiliary pumping cell 166 and thus the application of the second electrode 122 be adjusted with additional oxygen. The area of the third electrode 162 and / or the porosity and / or the thickness of the protective layer 164 can be chosen so that even in the fat gas at the applied pump voltage, for example, of 2.5 V, resulting from a water decomposition pumping current of for example 2 mA is greater than the present in the maximum fat measuring range static pumping current. For this purpose, for example, the diffusion current can be calculated according to the thickness, porosity and area.

Der zusätzliche Pumpstrom durch die Hilfspumpzelle 166 trägt jedoch zum Messsignal in der Strommessvorrichtung 154 nicht oder lediglich geringfügig bei. Dies lässt sich anhand der Ersatzschaltung in 2B erläutern. So wird, wie oben ausgeführt, der Pumpstrom I_p als Funktion von λ an der ersten Elektrode 120 erfasst. Auch zur ersten Elektrode 120 kann von der dritten Elektrode 162 aus ein Transport von Sauerstoffionen erfolgen. Werden beispielsweise zwei Sauerstoffionen O^2– von der dritten Elektrode 162 zu der ersten Elektrode 120 transportiert, so entstehen beim Ausbau der Sauerstoffionen an der ersten Elektrode 120 zunächst vier freie Elektroden, welche den Messstrom I_p zunächst um ΔI_p mindern. Beim Abtransport des ausgebauten Sauerstoffs durch die Pumpzelle 136 jedoch wird der Messstrom I_p wieder um ΔI_p erhöht. Damit kompensieren sich die Effekte durch Ausbau von Sauerstoffionen und durch Abtransport der gebildeten Sauerstoffmoleküle an der ersten Elektrode 120, so dass der Pumpstrom in der Strommessvorrichtung 154 gemäß 2B durch die zusätzliche dritte Elektrode 162 und die Spannung an der Hilfspumpzelle 166 unbeeinflusst bleibt.The additional pumping current through the auxiliary pumping cell 166 but contributes to the measurement signal in the current measuring device 154 not or only slightly. This can be explained by the equivalent circuit in 2 B explain. Thus, as stated above, the pumping current I _p as a function of λ at the first electrode 120 detected. Also to the first electrode 120 can from the third electrode 162 made from a transport of oxygen ions. For example, two oxygen ions O ^2- from the third electrode 162 to the first electrode 120 transported, so arise when expanding the oxygen ions on the first electrode 120 initially four free electrodes, which first reduce the measuring current I _p by ΔI _p . When removing the oxygen removed by the pumping cell 136 However, the measuring current I _{p is} again increased by ΔI _p . Thus, the effects compensate by expanding oxygen ions and by removing the oxygen molecules formed at the first electrode 120 , so that the pumping current in the current measuring device 154 according to 2 B through the additional third electrode 162 and the voltage at the auxiliary pumping cell 166 unaffected.

In den 3A bis 3D sind, in einer zu 1C analogen Darstellung, verschiedene Ausgestaltungen einer Ausgestaltung der Elektrodenpotenziale dargestellt. Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 158 wiederum den Verlauf des Elektrodenpotenzials der ersten Elektrode 120, wohingegen die Bezugsziffer 160 den Verlauf des Elektrodenpotenzials der zweiten Elektrode 122 bezeichnet, jeweils als Funktion der Luftzahl λ.In the 3A to 3D are in one too 1C represented analog representation, various embodiments of an embodiment of the electrode potentials. The reference number denotes 158 again the course of the electrode potential of the first electrode 120 whereas the reference number 160 the course of the electrode potential of the second electrode 122 denoted in each case as a function of the air ratio λ.

So zeigt 3A einen Verlauf, bei welchem das Potenzial 160 der zweiten Elektrode 122 konstant gehalten wird. Die Potenzialdifferenz über der Pumpzelle 136, welche als Messzelle fungiert, ist dabei unverändert zum Stand der Technik. Lediglich die Potenziale der Elektroden 120, 122 sind durch die Tatsache, dass die virtuelle Masse 148 nunmehr an der zweiten Elektrode 122 (ALE) anliegt, geändert. Beispielsweise kann das Potenzial der zweiten Elektrode 122 fest auf 2,5 V gehalten werden. Das Potenzial 158 der ersten Elektrode 120 kann beispielsweise zwischen 2,3 V im Fettgasbereich und 1,6 V an Luft variieren.So shows 3A a course in which the potential 160 the second electrode 122 is kept constant. The potential difference across the pump cell 136 , which acts as a measuring cell, is unchanged from the prior art. Only the potentials of the electrodes 120 . 122 are by the fact that the virtual mass 148 now at the second electrode 122 (ALE), changed. For example, the potential of the second electrode 122 firmly held at 2.5V. The potential 158 the first electrode 120 For example, it can vary between 2.3 V in the rich gas range and 1.6 V in air.

Wie oben ausgeführt, kann die virtuelle Masse 148 auch als einstellbare, variable oder sogar regelbare virtuelle Masse ausgestaltet sein. Dies ist in den 3B bis 3D exemplarisch dargestellt. Vorzugsweise wird die virtuelle Masse 148 bzw. das Potenzial, mit welchem über die virtuelle Masse 148 die zweite Elektrode 122 beaufschlagt wird, an die aus dem Messstrom I_p ermittelte Abgaszusammensetzung angepasst. Dann wird vorzugsweise lediglich im Fettgas bei hohem Sauerstoffbedarf der Referenzgaskanal 134, beispielsweise der Abluftkanal (ALK), aufgepumpt. Dies ist exemplarisch in 3B gezeigt. Vorzugsweise wird die Änderung der virtuellen Masse 148 mit deutlich größerer Zeitkonstante (beispielsweise τ = 5 s) vorgenommen, damit die Regelung nicht instabil wird. Die Speicherwirkung typischer Referenzgaskanäle 134 kann den Sauerstoffbedarf für ca. 30 s Fettmessung abpuffern. Beispielsweise kann in 3B das Potenzial 160 der zweiten Elektrode 122 von 2,5 V im Fettgasbereich bis 1,1 V im mageren Bereich kontinuierlich oder auch diskontinuierlich oder z. B. stufenweise variiert werden. Das Potenzial der ersten Elektrode 120 kann beispielsweise zwischen 2,3 V im Fettgasbereich bis 0,2 V an Luft variieren. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Auch bei dieser Ausgestaltung gemäß 3B ist die Potenzialdifferenz über der als Messzelle fungierenden Pumpzelle 136 zumindest im Wesentlichen unverändert gegenüber dem Stand der Technik und unbeeinflusst durch den Hilfspumpstrom durch die Pumpzelle 166.As stated above, the virtual mass 148 can also be designed as adjustable, variable or even controllable virtual mass. This is in the 3B to 3D exemplified. Preferably, the virtual mass becomes 148 or the potential with which about the virtual mass 148 the second electrode 122 is adapted to the exhaust gas composition determined from the measuring current I _p . Then, preferably, only in the rich gas at high oxygen demand, the reference gas channel 134 , For example, the exhaust duct (ALK), inflated. This is exemplary in 3B shown. Preferably, the change of virtual mass 148 with a much larger time constant (for example τ = 5 s), so that the control does not become unstable. The storage effect of typical reference gas channels 134 can buffer the oxygen requirement for approx. 30 s of fat measurement. For example, in 3B the potential 160 the second electrode 122 from 2.5 V in the rich gas range to 1.1 V in the lean range continuously or discontinuously or z. B. be varied gradually. The potential of the first electrode 120 For example, it can vary between 2.3 V in the rich gas range to 0.2 V in air. However, other embodiments are possible in principle. Also in this embodiment according to 3B is the potential difference across the pumping cell acting as a measuring cell 136 at least substantially unchanged from the prior art and unaffected by the auxiliary pumping current through the pumping cell 166 ,

Durch die vorgeschlagene Erfindung kann der Referenzgaskanal 134 vergleichsweise klein ausgestaltet werden. Dies erhöht die Stabilität des Sensorelements 114 und senkt die mechanische Beeinträchtigung des Sensorelements 114 durch den Referenzgaskanal 134. Durch die Verwendung der virtuellen Masse 148, welche als geregelte virtuelle Masse ausgestaltet sein kann, kann die Speicherwirkung des Referenzgaskanals 134 nämlich nur in so geringem Maße beansprucht werden, dass dieser mit sehr kleinem Volumen ausgestattet werden kann und damit keine mechanische Beeinträchtigung des Sensorelements 114 mehr darstellt. Vorzugsweise kann der Referenzgaskanal 134 sogar geschlossen ausgeführt werden, bei einer optimierten Regelung. Dies ist in 3C durch einen Verlauf der Elektrodenpotenziale 158, 160 dargestellt. Während das Potenzial der ALE 122 (Kurve 160) auf einem konstanten Wert liegt, beispielsweise 2,5 V, sinkt das Potenzial der IPE 120 (Kurve 158) mit steigender Luftzahl kontinuierlich ab, beispielsweise von 2,3 V auf 1,6 V.By the proposed invention, the reference gas channel 134 be designed comparatively small. This increases the stability of the sensor element 114 and reduces the mechanical impairment of the sensor element 114 through the reference gas channel 134 , By using the virtual mass 148 , which may be configured as a controlled virtual mass, the storage effect of the reference gas channel 134 namely be claimed only to such a small extent that it can be equipped with very small volume and thus no mechanical impairment of the sensor element 114 represents more. Preferably, the reference gas channel 134 even run closed, with an optimized control. This is in 3C by a course of the electrode potentials 158 . 160 shown. While the potential of the ALE 122 (Curve 160 ) is at a constant value, for example 2.5 V, the potential of the IPE decreases 120 (Curve 158 ) continuously decreases with increasing air ratio, for example from 2.3 V to 1.6 V.

Die in den 3A bis 3C dargestellten Potenzialverläufe sind insbesondere geeignet bei einer hochohmigen Auslegung der Hilfspumpzelle 166. In diesem Fall benötigt die Hilfspumpzelle 166 eine größere Pumpspannung, aufgrund des Spannungsabfalls am Elektrolytwiderstand. Wenn der Widerstand der Hilfspumpzelle 166 extrem groß ausgestaltet wird, beispielsweise durch Wahl kleiner Elektroden (beispielsweise 500 Ohm), dann liefern die in den 3A bis 3C dargestellten Fälle mit linearem Potenzialverlauf der V_M-Ansteuerung gute Ergebnisse. Dann sollte lediglich beachtet werden, dass V_M am dem Fettgasbereich zuweisenden Ende sehr groß gewählt wird, beispielsweise 2,5 V für 2 mA Hilfspumpstrom. Dann wird im mageren Luftzahlbereich beispielsweise ein fünffach größerer Pumpstrom der Pumpzelle 136 möglich im Vergleich zur Hilfspumpzelle 166, denn der Strom durch die Hilfspumpzelle 166 im mageren Luftzahlbereich ist entbehrlich. Allerdings sollte darauf geachtet werden, dass bei der Hochspannungsauslegung auf der dem fetten Luftzahlbereich zuweisenden Seite die Pumpspannung nicht größer gewählt wird als die Summe aus der Zersetzungsspannung des ZrO₂ und dem Innenwiderstand multipliziert mit dem Grenzstrom der Schutzschicht der dritten Elektrode 162, da sonst eine ZrO₂-Zersetzung eintreten kann. Grundsätzlich gilt für diese und für andere Ausführungsbeispiele, dass die Pumpspannung U_p den Verlauf der Pumpspannungen U_p herkömmlicher Bauelemente gemäß dem Stand der Technik nicht überschreiten sollte, damit kein zusätzlicher Messstrom infolge einer Wasserzersetzung erfasst wird. Das Potenzial 160 der virtuellen Masse V_M sollte einen Wert von ca. R_i·I_p + 1,1 V nicht überschreiten, damit nicht durch ZrO₂-Zersetzung (beispielsweise in Form einer partiellen Reduktion) an der dritten Elektrode 162 eine Zerstörung des Sensorelements eingeleitet wird.The in the 3A to 3C Potential curves shown are particularly suitable for a high-impedance design of the auxiliary pumping cell 166 , In this case, the auxiliary pumping cell requires 166 a larger pumping voltage, due to the voltage drop across the electrolyte. If the resistance of the auxiliary pumping cell 166 is made extremely large, for example, by choosing small electrodes (for example, 500 ohms), then deliver in the 3A to 3C shown cases with linear potential curve of V _M -Ansteuerung good results. Then, it should only be noted that V _{M is} chosen to be very large at the end of the rich gas region, for example 2.5 V for 2 mA auxiliary pumping current. Then in the lean air range, for example, a fivefold larger pumping current of the pumping cell 136 possible in comparison to the auxiliary pump cell 166 , because the current through the auxiliary pumping cell 166 in the lean air range is unnecessary. However, care should be taken that, in the high voltage design, the pump voltage is not set larger on the rich air range side than the sum of the ZrO ₂ decomposition voltage and the internal resistance multiplied by the threshold current of the third electrode protection layer 162 , otherwise a ZrO ₂ decomposition can occur. Basically, for these and other embodiments, the pump voltage U _p should not exceed the course of the pump voltages U _{p of} conventional devices according to the prior art, so that no additional measurement current is detected as a result of water decomposition. The potential 160 The virtual mass V _M should not exceed a value of about R _i .I _p + 1.1 V, so not by ZrO ₂ decomposition (for example in the form of a partial reduction) at the third electrode 162 a destruction of the sensor element is initiated.

In 3D ist schließlich ein besonders bevorzugter Verlauf der Elektrodenpotenziale 158, 160 sowie eines Elektrodenpotenzials 168 der dritten Elektrode 162 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel und ähnliche Ausführungsbeispiele mit nicht-linearem Verlauf der Elektrodenpotenziale 158, 160 ist besonders vorteilhaft bei Hilfspumpzellen 166 mit vergleichsweise kleinem Innenwiderstand, beispielsweise Innenwiderständen von 150 Ohm oder weniger, beispielsweise 80 Ohm. Bei dem Ausführungsbeispiel in 3D weist das Elektrodenpotenzial 160 der zweiten Elektrode 122 ein lokales Minimum beim Wert λ = 1 auf. Dabei wird für jeden Lambda-Wert über einen vorgegebenen Messbereich hinweg das Elektrodenpotenzial 160 der zweiten Elektrode 122 so eingestellt, dass kein negatives Potenzial an der ersten Elektrode 120 auftritt. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass als Pumpspannungsquelle 152 eine unipolare Pumpspannungsquelle eingesetzt werden kann, da eine Umpolung nicht erforderlich ist. Das Elektrodenpotenzial 158 der ersten Elektrode 120 ergibt sich durch Subtraktion der Pumpspannung U_p von dem Elektrodenpotenzial 160 der zweiten Elektrode 122. Gleichzeitig bewirkt das lokale Minimum im Bereich um λ = 1, dass in diesem Bereich, der bezüglich der Kennlinien besonders kritisch ist, keine Zersetzung von Nicht-Sauerstoffkomponenten im Abgas stattfinden kann, beispielsweise keine Wasserzersetzung, oder dass eine derartige Zersetzung zumindest weitgehend reduziert wird. Auf diese Weise lässt sich die Kennlinie auch um den kritischen Bereich λ = 1 herum, in welchem zahlreiche Betriebsvorgänge gesteuert werden müssen, qualitativ deutlich verbessern.In 3D Finally, a particularly preferred course of the electrode potentials 158 . 160 and an electrode potential 168 the third electrode 162 shown. This embodiment and similar embodiments with non-linear course of the electrode potentials 158 . 160 is particularly advantageous in auxiliary pumping cells 166 with comparatively small internal resistance, for example internal resistances of 150 ohms or less, for example 80 ohms. In the embodiment in 3D indicates the electrode potential 160 the second electrode 122 a local minimum at the value λ = 1. In this case, for each lambda value over a predetermined measuring range, the electrode potential becomes 160 the second electrode 122 adjusted so that no negative potential at the first electrode 120 occurs. This embodiment has the advantage that as a pump voltage source 152 a unipolar pump voltage source can be used because a polarity reversal is not required. The electrode potential 158 the first electrode 120 is obtained by subtracting the pumping voltage U _p from the electrode potential 160 the second electrode 122 , At the same time, the local minimum in the region around λ = 1 causes no decomposition of non-oxygen components in the exhaust gas to take place in this region, which is particularly critical with respect to the characteristic curves, for example no decomposition of water, or that such decomposition is at least substantially reduced. In this way, the characteristic curve can also be significantly improved qualitatively around the critical range λ = 1, in which numerous operating processes have to be controlled.

Die Potenzialdifferenz U_p wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3D mit λ nachgeführt. Zusätzlich wird bei dem Ausführungsbeispiel auch die Potenzialdifferenz V_M der virtuellen Masse 148 mit λ nachgeführt. Bei fetten Gasgemischszusammensetzungen wird ein hohes V_M gewählt, woraus ein ausreichender Zusatzpumpstrom resultiert. Wie oben ausgeführt, bedeutet dies, dass auch mit einem kleinen Referenzgaskanal 134 gearbeitet werden kann, da durch die Hilfspumpzelle 166 Sauerstoff an der zweiten Elektrode 122 nachgeliefert wird. Bei λ = 1 liegt ein Minimum des Potenzials 160 der zweiten Elektrode 122 vor. Das niedrige V_M bewirkt, dass keine oder lediglich eine geringfügige Wasserzersetzung in diesem Bereich stattfindet. Mit steigenden Luftzahlen schließlich, also im mageren Luftzahlbereich, erfolgt wieder ein Anstieg des Elektrodenpotenzials 160 der zweiten Elektrode 122 hin zu einem hohen V_M, damit kein negatives Potenzial an der ersten Elektrode 120 auftritt, was eine Umpolung der Pumpspannungsquelle 152 verhindert. Während dieses Verlaufs liegt die dritte Elektrode 162 stets auf dem konstanten Elektrodenpotenzial 0, da diese über den Heizerkontakt H^– auf die elektrische Masse 150 geschaltet ist. Das Potenzial 160 der zweiten Elektrode 122 kann beispielsweise zwischen 1,5 V und 0,2 V variieren, vorzugsweise zwischen 1,0 V bzw. 1,1 V bei fetten bzw. mageren Luftzahlen, und 0,4 V bis 0,6 V bei λ = 1. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.The potential difference U _p is in the embodiment according to 3D followed by λ. In addition, in the embodiment, the potential difference V _{M of} the virtual ground 148 followed by λ. For rich gas mixture compositions, a high V _{M is} chosen, resulting in a sufficient additive pump flow. As stated above, this means that even with a small reference gas channel 134 can be worked, as by the auxiliary pumping cell 166 Oxygen at the second electrode 122 is replenished. At λ = 1 there is a minimum of the potential 160 the second electrode 122 in front. The low V _M causes little or no water decomposition in this region. Finally, with increasing air numbers, ie in the lean air-fuel range, an increase in the electrode potential occurs again 160 the second electrode 122 towards a high V _M , so no negative potential at the first electrode 120 occurs, causing a reversal of the pump voltage source 152 prevented. During this process lies the third electrode 162 always on the constant electrode potential 0, since these on the heater contact H ^- to the electrical ground 150 is switched. The potential 160 the second electrode 122 For example, it may vary between 1.5V and 0.2V, preferably between 1.0V and 1.1V for rich and lean air ratios, and 0.4V to 0.6V at λ = 1, among others However, embodiments are possible in principle.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• DE 102006011480 A1 [0003] DE 102006011480 A1 [0003]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

• Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 154–159 [0001] Robert Bosch GmbH: Sensors in the motor vehicle, edition 2007, pages 154-159 [0001]

Claims (14)

Vorrichtung (110) zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere zur Erfassung eines Anteils mindestens einer Gaskomponente, wobei die Vorrichtung (110) mindestens ein Sensorelement (114) und mindestens eine Ansteuerung (118) umfasst, wobei das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle (136) mit mindestens einer ersten Elektrode (120) und mindestens einer zweiten Elektrode (122) sowie mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (122) verbindenden Festelektrolyten (124) umfasst, wobei die erste Elektrode (120) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die zweite Elektrode (122) in mindestens einem Referenzgasraum (132) angeordnet ist, insbesondere einem Referenzgaskanal (134), wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens eine dritte Elektrode (162) aufweist, wobei die dritte Elektrode (162) mit der zweiten Elektrode (122) eine Hilfspumpzelle (166) bildet, wobei die Ansteuerung (118) derart eingerichtet ist, dass die zweite Elektrode (122) mit einer virtuellen Masse (148) verbunden ist, wobei die Ansteuerung (118) weiterhin eingerichtet ist, um die Pumpzelle (136) mit einer Pumpspannung zu beaufschlagen und einen Pumpstrom an der ersten Elektrode (120) zu erfassen.Contraption ( 110 ) for determining at least one property of a gas in a sample gas space ( 112 ), in particular for detecting a proportion of at least one gas component, wherein the device ( 110 ) at least one sensor element ( 114 ) and at least one control ( 118 ), wherein the sensor element ( 114 ) at least one pump cell ( 136 ) with at least one first electrode ( 120 ) and at least one second electrode ( 122 ) and at least one the first electrode ( 120 ) and the second electrode ( 122 ) connecting solid electrolyte ( 124 ), wherein the first electrode ( 120 ) with gas from the sample gas space ( 112 ) is acted upon, wherein the second electrode ( 122 ) in at least one reference gas space ( 132 ), in particular a reference gas channel ( 134 ), wherein the sensor element ( 114 ) at least one third electrode ( 162 ), wherein the third electrode ( 162 ) with the second electrode ( 122 ) an auxiliary pumping cell ( 166 ), whereby the control ( 118 ) is arranged such that the second electrode ( 122 ) with a virtual mass ( 148 ), the control ( 118 ) is further adapted to the pump cell ( 136 ) to apply a pumping voltage and a pumping current to the first electrode ( 120 ) capture. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die dritte Elektrode (162) mit Gas aus dem Messgasraum (112) und/oder mit Gas aus einem weiteren Referenzgasraum (132) beaufschlagbar ist.Contraption ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the third electrode ( 162 ) with gas from the sample gas space ( 112 ) and / or with gas from another reference gas space ( 132 ) can be acted upon. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die virtuelle Masse (148) als einstellbare virtuelle Masse (148) ausgestaltet ist.Contraption ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the virtual mass ( 148 ) as an adjustable virtual mass ( 148 ) is configured. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuerung (118) derart ausgestaltet ist, dass eine Spannung zwischen der dritten Elektrode (162) und der zweiten Elektrode (122) anlegbar ist, wobei ein Hilfspumpstrom durch die Hilfspumpzelle (166) fließt.Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the drive ( 118 ) is configured such that a voltage between the third electrode ( 162 ) and the second electrode ( 122 ), wherein an auxiliary pumping current through the auxiliary pumping cell ( 166 ) flows. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ansteuerung (118) derart ausgestaltet ist, dass die dritte Elektrode (162) mit einem Elektrodenpotenzial, insbesondere einem konstanten Elektrodenpotenzial, beaufschlagt wird, wobei die Spannung sich als Potenzialdifferenz zwischen dem Elektrodenpotenzial und einem Potenzial der virtuellen Masse (148) ergibt.Contraption ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the control ( 118 ) is configured such that the third electrode ( 162 ) is applied to an electrode potential, in particular a constant electrode potential, the voltage being a potential difference between the electrode potential and a potential of the virtual mass ( 148 ). Vorrichtung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die zu bestimmende Eigenschaft ein Sauerstoffanteil in dem Gas ist, wobei die Spannung derart gewählt ist, dass eine Menge an Sauerstoff durch die Hilfspumpzelle (166) zu der zweiten Elektrode (122) gepumpt wird, so dass innerhalb eines vorgegebenen Luftzahlbereichs bei jeder Luftzahl bei statischer Messung Sauerstoff an der zweiten Elektrode (122) vorhanden ist.Contraption ( 110 ) according to one of the two preceding claims, wherein the property to be determined is an oxygen content in the gas, wherein the voltage is chosen such that an amount of oxygen through the auxiliary pump cell ( 166 ) to the second electrode ( 122 ) is pumped, so that within a given air range at each air ratio at static measurement oxygen at the second electrode ( 122 ) is available. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ansteuerung (118) zur Beaufschlagung der Pumpzelle (136) mit der Pumpspannung mindestens eine Pumpspannungsquelle (152) umfasst, wobei die Pumpspannungsquelle (152) als unipolare Pumpspannungsquelle (152) ausgestaltet ist, wobei ein Potenzial der virtuellen Masse (148) innerhalb des vorgegebenen Luftzahlbereichs derart gewählt wird, dass ein Potenzial der ersten Elektrode (120) innerhalb des vorgegebenen Luftzahlbereichs keinen Vorzeichenwechsel erfährt.Contraption ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the control ( 118 ) for charging the pump cell ( 136 ) with the pump voltage at least one pump voltage source ( 152 ), wherein the pump voltage source ( 152 ) as a unipolar pump voltage source ( 152 ), wherein a potential of the virtual mass ( 148 ) is selected within the predetermined air ratio range such that a potential of the first electrode ( 120 ) experiences no change of sign within the given air range. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens ein Heizelement (140) mit mindestens zwei Heizerkontakten aufweist, wobei die dritte Elektrode (162) mit mindestens einem der Heizerkontakte elektrisch verbunden ist.Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the sensor element ( 114 ) at least one heating element ( 140 ) having at least two heater contacts, wherein the third electrode ( 162 ) is electrically connected to at least one of the heater contacts. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Ansteuerung (118) derart ausgestaltet ist, dass die dritte Elektrode (162) und der Heizerkontakt mit einem konstanten Potenzial beaufschlagt werden, insbesondere einem Massepotenzial.Contraption ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the control ( 118 ) is configured such that the third electrode ( 162 ) and the heater contact with a constant potential are applied, in particular a ground potential. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die virtuelle Masse (148) die zweite Elektrode (122) mit einem Elektrodenpotenzial beaufschlagt, wobei die Ansteuerung (118) eingerichtet ist, um das Elektrodenpotenzial in Abhängigkeit von der erfassten Eigenschaft des Gases, insbesondere einer erfassten Luftzahl, zu verändern.Contraption ( 110 ) according to any one of the preceding claims, wherein the virtual mass ( 148 ) the second electrode ( 122 ) is applied to an electrode potential, wherein the control ( 118 ) is arranged to change the electrode potential in dependence on the detected property of the gas, in particular a detected air ratio. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erfasste Eigenschaft des Gases eine Luftzahl ist, wobei die Ansteuerung (118) derart eingerichtet ist, dass der Betrag des Elektrodenpotenzials bei λ = 1 ein lokales Minimum einnimmt.Contraption ( 110 ) according to the preceding claim, wherein the detected property of the gas is an air number, the control ( 118 ) is set up such that the amount of electrode potential at λ = 1 assumes a local minimum. Vorrichtung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Veränderung mit einer Zeitkonstanten von mindestens 1 s erfolgt, vorzugsweise mit einer Zeitkonstanten von 1 s bis 10 s und besonders bevorzugt mit einer Zeitkonstanten von 5 s.Contraption ( 110 ) according to one of the two preceding claims, wherein the change takes place with a time constant of at least 1 s, preferably with a time constant of 1 s to 10 s and particularly preferably with a time constant of 5 s. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzgasraum (132) als geöffneter Referenzgaskanal (134), insbesondere als geöffneter Luftreferenzkanal, ausgestaltet ist.Contraption ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein the reference gas space ( 132 ) as an open reference gas channel ( 134 ), in particular as an open air reference channel, is configured. Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum (112), insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Sensorelement (114) verwendet wird, aufweisend mindestens eine Pumpzelle (136) mit mindestens einer ersten Elektrode (120) und mindestens einer zweiten Elektrode (122) sowie mindestens einem die erste Elektrode (120) und die zweite Elektrode (122) verbindenden Festelektrolyten (124), wobei die erste Elektrode (120) mit Gas aus dem Messgasraum (112) beaufschlagbar ist, wobei die zweite Elektrode (122) in mindestens einem Referenzgasraum (132) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (114) weiterhin mindestens eine dritte Elektrode (162) aufweist, wobei die dritte Elektrode (162) mit der zweiten Elektrode (122) eine Hilfspumpzelle (166) bildet, wobei die zweite Elektrode (122) mit einer virtuellen Masse (148) verbunden wird, wobei die Pumpzelle (136) mit einer Pumpspannung beaufschlagt wird und wobei ein Pumpstrom an der ersten Elektrode (120) erfasst wird. Method for determining at least one property of a gas in a measuring gas space ( 112 ), in particular using a device ( 110 ) according to one of the preceding claims, wherein a sensor element ( 114 ), comprising at least one pump cell ( 136 ) with at least one first electrode ( 120 ) and at least one second electrode ( 122 ) and at least one the first electrode ( 120 ) and the second electrode ( 122 ) connecting solid electrolyte ( 124 ), the first electrode ( 120 ) with gas from the sample gas space ( 112 ) is acted upon, wherein the second electrode ( 122 ) in at least one reference gas space ( 132 ), wherein the sensor element ( 114 ) at least one third electrode ( 162 ), wherein the third electrode ( 162 ) with the second electrode ( 122 ) an auxiliary pumping cell ( 166 ), the second electrode ( 122 ) with a virtual mass ( 148 ), the pump cell ( 136 ) is applied with a pumping voltage and wherein a pumping current at the first electrode ( 120 ) is detected.

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