JP6756929B2 - 測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を検出するセンサを動作させる方法 - Google Patents

Description

従来技術
従来技術においては、測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を検出する多数のセンサ及び方法が公知である。測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性は、基本的には、測定ガスの任意の物理的及び／又は化学的な特性であってよく、単数又は複数の特性を検出することができる。以下においては、本発明について、特に測定ガスのガス成分の割合の定性的及び／又は定量的な検出、特に測定ガス部分中の酸素割合の検出に関連付けて説明する。酸素割合は、例えば分圧及び／又は百分率の形で検出することができる。しかしながら、代替的又は付加的に、測定ガスの他の特性、例えば温度も検出可能である。

従来技術においては、特定の固体の電解質特性の利用、即ち、これらの固体のイオン伝導性の特性をベースとする特にセラミックのセンサが公知である。特にこれらの固体は、少量の添加剤としての酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）及び／又は酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含み得るセラミックの固体電解質、例えば、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、特にイットリウム安定化二酸化ジルコニウム（ＹＳＺ）及びスカンジウムをドープした二酸化ジルコニウム（ＳｃＳＺ）であり得る。

例えばこの種のセンサは、いわゆるラムダセンサ又は窒素酸化物センサとして構成されていることができ、例えば「Kraftfahrtechnisches Taschenbuch（自動車工学ポケット版）（K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, p. 1338-1347）」において公知である。広帯域ラムダセンサ、特にプレーナ形の広帯域ラムダセンサにより、例えば排ガス中の酸素濃度を広範に特定し、ひいては燃焼室内の空燃比を推定することが可能である。空気率λ（ラムダ）は、この空燃比を表している。窒素酸化物センサは、排ガス中の窒素酸化物濃度も、酸素濃度も特定する。

ポンプセル、測定セルと、酸素参照セル、ネルンストセルとを組み合わせることにより、周囲ガス中の酸素含有量を測定するセンサを構築することができる。アンペロメトリックポンプ原理に基づいて働くポンプセル内においては、それぞれ異なるガスに接している複数のポンプ電極に電圧又は電流を印加すると、酸素イオン電流が、ガスを互いに隔離しているセラミック体（酸素伝導性の固体電解質）を通って拡散する（「ポンプ作用」）。周囲ガスが拡散し得る中空室内の酸素分圧を一定に保持するようにポンプセルが使用される場合、電流を測定することにより、輸送される酸素の量を推定することができる。このポンプ電流は、拡散の法則に従って周囲ガス中の酸素分圧に直に比例している。ネルンストセルにより、中空室内の酸素分圧の、他の参照ガス室内の酸素分圧に対する比は、生じるネルンスト電圧を介して特定することができる。

この種のセンサの電気化学的なユニットは、閉ループ制御回路内の閉ループ制御区間とみなされ得る。この閉ループ制御回路の制御変数は、ポンプ電極ペアにおける電圧、又は、任意選択的には電流である。制御量は、測定されるネルンスト電圧である。閉ループ制御の目的は、排ガス中の酸素含有量の変化にもかかわらず、中空室内の酸素分圧を、指定した又は予め決めた値の可能な限り近くに保持することである。中空室内の酸素分圧、又は、中空室内の酸素分圧の、参照セル内の分圧に対する比を測定するためには、ネルンスト電圧が用いられる。ポンプ電極ペアに印加される電圧を介して、中空室内の酸素分圧は制御可能である。酸素イオンを中空室内に運搬したり、中空室から取り除いたりすること（このことをポンプ作用ともいう）により、ガス濃度に対して、印加されるポンプ電圧又はポンプ電流を介して能動的に影響を及ぼすことができる。中空室内に設けられたすべての電極は、１つの共通の帰線を有している。負の電圧も実現することができるように、この仮想質量は、電気質量に対して高められた電位にある。ネルンスト電圧又は第１の電極における電圧は、この電圧に関連付けられる。

酸素分圧又は酸素含有量を特定すべく、広帯域ラムダセンサ及び窒素酸化物センサにおいては、ポンプ電流信号が評価される。ポンプ電流信号は、（周囲ガスの）存在している酸素濃度に対して略線形である。

いくつかのセンサタイプにおいては、センサの構造や、制御装置側のセンサの電気配線に応じて、リーン−リッチ−切り換わり及びリッチ−リーン−切り換わり時にラムダ＝１点（０％ Ｏ_２）を通過する際に、ポンプ電流信号に顕著な乱れが生じる。この乱れは、ラムダ＝１リップルともいう。

この原因は、ポンプセルの電極における電荷反転効果であり、電荷反転効果は、ポンプ電流信号を損ね、ポンプセルの閉ループ制御を乱してしまう。ポンプセルにおける電荷反転電流及び電圧の、制御量であるネルンスト電圧Ｕ_ｖｓとの連結は、センサ素子のネルンストセルと、ポンプセルとネルンストセルとの間の外部の電気配線とを介して行われる。制御量の乱れにより、その後、ポンプ電流を制御する制御部操作量は、まず、Ｏ_２の変化とは逆方向に閉ループ制御され、その後、ポンプ電流の方向は、突然逆転される。

ラムダ＝１リップルのこのメカニズムにより、酸素信号は、ラムダ＝１通過時、ディーゼルエンジンとＮＳＣ触媒とを有する車両又はガソリンエンジンを有する車両のために酸素信号を評価することが不可能なほど強く乱されてしまうことがある。

ラムダ＝１リップルは、典型的には、制御電子システムの特別な設計、又は、手間若しくはコストのかかるセンサ構造により回避され得る。ラムダ＝１リップルを減じる代替的なアプローチは、センサ素子のポンプセルにおける電荷反転効果を補償するというコンセプトに基づいている。センサにおける測定された信号は、特別な信号処理によって、ラムダ＝１外乱を補償すべく、使用される。この場合、付加的な信号後処理ステップにおいて、ラムダ＝１リップルの外乱が評価され、その後、ポンプ電流、即ち、酸素測定信号から取り除かれる。

外部ポンプ電極における電圧を、ポンプ電流に対して等価の量に正確にマッピングすることは、ラムダ＝１リップルを補償する関数が、ラムダ＝１領域外で測定信号の誤補正を引き起こさないための前提である。そして、ポンプ電流当量は、外部ポンプ電極における電圧から、固定的に格納された特性線により算出される。即ち、格納された固定的なインピーダンス特性線は、外部ポンプ電極における電圧から算出される、電流に対して等価の量が、測定されるポンプ電流に等しいというセンサの特性を表している。それにもかかわらず、インピーダンス特性線の偏差は起こり得る。しかしながら、信号処理部内に格納されたインピーダンス特性線が、センサの特性から偏差すると、算出される電流に対して等価の量も、測定されるポンプ電流から偏差し、アルゴリズムの機能面は、ラムダ＝１通過が行われていないにもかかわらず、補償信号が発生されてしまうほど、著しく損なわれることがある。即ち、測定信号の誤補正が生じることがある。

「Kraftfahrtechnisches Taschenbuch（自動車工学ポケット版）（K. Reif, Deitsche, K-H. et al., Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, p. 1338-1347）」

発明の開示
それゆえ、測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を検出するセンサを動作させる方法であって、これらのセンサを動作させる公知の方法の欠点を少なくとも大幅に回避し、特に、改善された信号評価によって、ラムダ＝１リップルが、取り除かれ又は補正された信号が、現に存在する酸素含有量に特にラムダ＝１付近の領域で略相当するように明らかに減じられ、かつ、ラムダ＝１付近の領域における測定信号の誤補正が回避される方法を提案する。

測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を検出する、特に測定ガス中のガス成分の割合又は測定ガスの温度を検出するセンサを動作させる本発明に係る方法は、測定ガスの特性を検出するセンサ素子を含み、センサ素子は、固体電解質、第１の電極、第２の電極、第３の電極及び第４の電極を有し、第１の電極及び第２の電極は、第１の電極、第２の電極及び固体電解質がポンプセルを形成するように固体電解質に接続されており、第３の電極及び第４の電極は、第３の電極、第４の電極及び固体電解質がネルンストセルを形成するように固体電解質に接続されており、ネルンストセルのネルンスト電圧を閉ループ制御し、センサ素子の測定信号をポンプ電流に基づいて特定し、さらに信号処理により補償量を特定し、測定信号及び補償量から、少なくとも１つの補正された測定信号を特定し、補正された測定信号から測定ガス室内の測定ガスの特性を特定し、このとき、補償量は、少なくとも部分的にポンプ電流と、ポンプセルに印加される電圧とに依存しており、補償量を特定する信号処理は、ポンプ電流と、ポンプセルに印加される電圧との、ローパスフィルタを用いたローパスフィルタ処理を含み、ローパスフィルタの時定数及び／又は増幅率を、ポンプセルに印加される電圧、又は、ポンプセルに印加される電圧の、時間的に変化する成分に応じて制御する。

ポンプセルに印加される電圧、及び／又は、ポンプセルに印加される電圧の、時間的に変化する成分が、予め決定した値に達した場合、ローパスフィルタの時定数及び／又は増幅率を増加させることができる。予め決定した値は、特に測定ガスの予め決定した組成である。予め決定した組成は、好ましくはラムダ＝１である。時定数及び／又は増幅率を、マッピング関数を用いて、ポンプセルに印加される電圧に応じて変化させることができる。マッピング関数を、補間、特に線形補間と、特性マップとにより形成することができる。ポンプセルに印加される電圧の、時間的に変化する成分を、ハイパスフィルタを用いて、ポンプセルに印加される電圧からフィルタ処理により取り出すことができる。

加えて、本発明に係る方法の各ステップを実施するために構成されたコンピュータプログラムを提案する。

さらに、本発明に係る方法を実施するコンピュータプログラムが記憶された電子記憶媒体を提案する。

本発明は、さらに、本発明に係る方法を実施する上述のコンピュータプログラムを含む本発明に係る電子記憶媒体を備える電子制御装置を含む。

最後に本発明は、測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を検出する、特に測定ガス中のガス成分の割合又は測定ガスの温度を検出するセンサであって、測定ガスの特性を検出するセンサ素子を備え、センサ素子は、固体電解質、第１の電極、第２の電極、第３の電極及び第４の電極を有し、第１の電極及び第２の電極は、第１の電極、第２の電極及び固体電解質がポンプセルを形成するように固体電解質に接続されており、第３の電極及び第４の電極は、第３の電極、第４の電極及び固体電解質がネルンストセルを形成するように固体電解質に接続されており、センサは、さらに、本発明に係る方法を実施する本発明に係るコンピュータプログラムを含む電子制御装置を備える、測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を検出する、特に測定ガス中のガス成分の割合又は測定ガスの温度を検出するセンサにも関する。

固体電解質とは、本発明の範囲内において、電解質特性、即ち、イオン伝導性の特性を有する体又は物と解すべきである。特に固体電解質は、セラミックの固体電解質であってよい。これは、固体電解質の原料も含み、それゆえ、焼結されて初めて固体電解質となるいわゆるグリーン体又はブラウン体として形成されているものも含む。特に固体電解質は、固体電解質層として、又は、複数の固体電解質層から形成され得る。層とは、本発明の範囲内において、他の素子の上、下又は間に位置し、或る高さの面状の広がりをもったひとまとまりの質量体と解すべきである。

電極とは、本発明の範囲内において、全般的に、固体電解質と電極とを通して電流が維持され得るように固体電解質を接点接続させることが可能な素子と解すべきである。これに応じて、電極は、そこでイオンが固体電解質内に注入され得る及び／又は固体電解質から放出され得る素子を有し得る。典型的には、電極は、貴金属電極を含み、貴金属電極は、例えば金属−セラミック−電極として固体電解質上に被着され得る、又は、他の方法により固体電解質に接続され得る。典型的な電極材料は、白金−サーメット−電極である。しかしながら、他の貴金属、例えば金又はパラジウムも、基本的には使用可能である。

加熱素子とは、本発明の範囲内において、固体電解質及び電極を少なくともそれらの機能温度、好ましくは動作温度に加熱するために用いられる素子と解すべきである。機能温度は、固体電解質がイオン伝導性になる約３５０℃の温度である。機能温度と動作温度とは区別すべきである。動作温度は、センサ素子が通常動作される温度であって、機能温度より高い温度である。動作温度は、例えば７００℃乃至９５０℃であり得る。加熱素子は、加熱領域と、少なくとも１つの供給路とを有し得る。加熱領域とは、本発明の範囲内において、加熱素子の、層構造内においてセンサ素子の表面に対して垂直な方向に沿って電極とオーバラップしている領域と解すべきである。一般的に加熱領域は、動作中、供給路より強く加熱されるので、加熱領域と供給路とは、区別可能である。それぞれ異なる加熱は、例えば、加熱領域が供給路より高い電気抵抗を有することにより実現可能である。加熱領域及び／又は供給線は、例えば電気的な抵抗路として形成されており、電圧の印加により加熱される。加熱素子は、例えば白金−サーメットから製造されていてもよい。

閉ループ制御回路とは、本発明の範囲内において、或る技術的なプロセスにおける物理量に影響を及ぼすそれ自体は閉じた作用フローと解すべきである。ここで重要であるのは、実際値ともいう現在の値を閉ループ制御装置にフィードバックすることであり、閉ループ制御装置は、目標値からの偏差を継続的に抑制する。閉ループ制御回路は、閉ループ制御区間と、閉ループ制御装置と、制御量としての実際値の負帰還とからなっている。制御量は、基準量としての目標値と比較される。実際値と目標値との間の閉ループ制御偏差は、閉ループ制御装置に供給され、閉ループ制御装置は、そこから閉ループ制御回路の所望のダイナミクスに応じて閉ループ制御区間のための制御変数を形成する。閉ループ制御区間とは、本発明の範囲内において、閉ループ制御回路のうちの、閉ループ制御装置が制御変数又は操作量を介して介入することになる制御量を含む部分と解すべきである。本発明の範囲内においては、センサの電気化学的なユニットが、閉ループ制御区間である。

測定量とは、本発明の範囲内において、基本的には、任意の物理量及び／又は化学量並びにこの又はこれらの量を等価に表示する信号、即ち、等価の信号と解すべきである。好ましくは、測定量は、センサ素子の少なくとも１つの測定信号である。好ましくは、測定量は、少なくとも１つのポンプ電流、例えば限界電流であり得る。しかしながら、測定量は、ポンプ電流に依存した量であってもよい。例えば測定量は、ポンプ電圧及び／又は転換された電荷であってもよい。この関連での「検出される」なる表現は、本発明の範囲内において、測定量が例えば測定信号としてセンサ素子から出力される及び／又は測定量が制御装置により処理及び／又は評価及び／又は記憶されると解すべきである。

補償量とは、本発明の範囲内において、基本的には、任意の化学量及び／又は物理量並びにこの又はこれらの量を等価に表示する信号、即ち、等価の信号と解すべきである。好ましくは、補償量は、測定量と同様の物理量及び／又は化学量を含み得る。好ましくは、補償量は、ポンプ電流偏差であり得る。例えば補償量は、少なくとも１つの電荷反転電流及び／又は少なくとも１つの電極電荷であり得る。補償量は、少なくとも部分的に、ポンプ電流、及び、ポンプセルに印加される電圧に依存している。特に補償量は、少なくとも部分的に、ポンプ電流、及び、ポンプセルに印加される電圧の、時間的な変化に依存している。例えば補償量は、ポンプセルの電極におけるラムダ＝１通過時の電気化学的な電荷反転効果に起因する測定量の毀損に関する尺度である。

測定信号及び補償量から、少なくとも１つの補正された測定信号を特定する。補正された測定信号は、原理的には、任意の化学量及び／又は物理量並びにこの又はこれらの量を等価に表示する信号、即ち、等価の信号であり得る。好ましくは、補正された測定量は、同様の物理量及び／又は化学量及び／又は補償量であり得る。補正された測定信号は、特に、外乱効果を取り除いた量であり得る。測定ガス室内のガスの割合は、好ましくは、補正された測定信号から、補正前の測定信号から特定するよりも正確に特定され得る。補正された測定信号を測定信号及び補償量から特定することは、例えば算出及び／又は割り当ての形の信号処理であり得る。対応して、測定ガス室内の測定ガスの割合は、補正された測定信号から、例えば算出及び／又は割り当てにより特定され得る。

例えば測定ガス室内の測定ガスの割合を補正された測定信号から特定する際、少なくとも１つの特性線が使用可能である。特性線は、例えば、補正された測定信号の、測定ガスの割合に対する割り当てであり得る。例えば特性線は、補正されたポンプ電流と、測定ガス中の酸素の割合、例えば酸素分圧との間の割り当てであり得る。

測定量は、少なくとも１つのポンプ電流を含み得る。例えばポンプ電流は、ポンプセルを介して転換された、単位時間あたりの全電荷であり得る。例えば、測定量は、直にポンプ電流であり、又は、ポンプ電流を表示する信号であり得る。例えばポンプ電流は、ポンプ電流に依存した測定量であってもよい。例えば測定量は、ポンプ電流に依存した量であり得る。例えば測定量は、少なくともポンプ電流を含み得る。補償量は、少なくとも電荷反転電流に依存し得る。電荷反転電流は、充電プロセス及び／又は放電プロセスにより、例えば測定ガス室内の測定ガスの割合の変化時に発生し得る電流であり得る。電荷反転電流は、ラムダ＝１通過時に発生し得る電流であり得る。補償量は、電荷反転効果により引き起こされる電荷反転電流と、制御部操作量の外乱とを補償する。

測定量、補償量及び補正された測定量は、前述の説明に応じて、絶対的な量として存在している必要はない。本発明は、明示するならば、代替的又は付加的に、信号処理のレベルでの測定量の補正又は電荷反転の補償が可能であるため、測定量、補償量及び補正された測定量は、対応してこれらを特徴付ける信号であり得る。

ポンプセルのインピーダンスとは、本発明の範囲内において、ポンプセルのオーム抵抗ではなく、ポンプ電圧と、ポンプ電圧の電流当量との間のセンサ素子固有の関係、特に、周波数に依存した関係と解すべきである。特定の動作条件下においては、ポンプ電圧の電流当量は、ポンプ電圧に等しい（例えば排ガス中のＯ_２濃度の時間的な変化が僅かであるとき）。ここで観察するＤＣの場合（限界電流動作）、インピーダンスは、排ガス中の酸素濃度に依存しているが、他の排ガス条件、例えばガス速度にも依存している。インピーダンスは、本発明の範囲内において、特にポンプ電圧の電流当量とポンプ電圧との比を表している。ポンプセルのインピーダンスは、一般に複素数値として規定し得る。ポンプセルのインピーダンスは、これにより周波数依存性であることもある。本発明の範囲内において、ポンプセルのインピーダンスは、適応アルゴリズムを用いてポンプセルにおける電圧とポンプ電流との組み合わせから特定され得る。ポンプセルのインピーダンスは、ポンプセルにかかっている電圧の関数として（又は代替的にはポンプ電流の関数として）特定され得る。

本発明に係る方法の他のステップにおいて、ポンプセルに印加される電圧及び電流の、変化する成分を示す信号を生成する。このことは、例えば、時間微分又は別種のハイパスフィルタ処理により実施可能である。ここでは、一般的にハイパスフィルタ処理が実施される。ハイパスとは、本発明の範囲内において、その限界周波数を上回る高周波の信号成分を通過させる一方、低周波の信号成分を減衰させるフィルタと解すべきである。而して、一定の又はゆっくりとしか変化しない信号成分は、取り除かれ得る。フィルタ処理により信号の位相も変更可能である。例えば微分器は、９０°の位相を有している。ハイパスフィルタは、本発明の範囲内において、再帰型のフィルタ又は非再帰型のフィルタとして実現され得る。ハイパスフィルタは、有限又は無限のインパルス応答を有し得る。

ラムダ＝１リップル時、ポンプ電流信号と、ポンプセルにおける電圧とは、それぞれ異なる推移を示す。ポンプセルに印加される電圧と電流との乖離に関する情報は、ポンプセルに印加される電圧及び電流の変化信号の差にある。これらの差信号は、電気化学的なセルの電荷反転時の電荷の移動に関する尺度でもある。電気化学的なセルの電荷反転は、ポンプセルに印加される電圧の変化なしに電流に変化を引き起こす。ポンプセルの電極におけるネルンスト電圧の変化により、電荷反転電流が発生される。この電荷反転電流は、限界電流動作からの本来の信号に重畳される。差信号内には、而して電荷反転電流の変化のみがマッピングされる。

ポンプ電流の変化と、ポンプ電圧の電流当量の変化との差信号は、時間インターバルにわたって合算される一方、この合計信号は、再び逓減される。これにより、電荷反転電流に等価の信号、即ち、電荷反転補償信号が得られる。このために差信号は、ローパスフィルタによりフィルタ処理され得る。

ローパスフィルタとは、本発明の範囲内において、その限界周波数を下回る低周波の信号成分を通過させる一方、高周波の信号成分を減衰させるフィルタと解すべきである。ローパスフィルタの役割は、外乱の時間インターバルにわたって差信号の信号の推移を合算することである。差信号が小さいとき、補償電流信号は０に近付く。簡単なローパスの実現は、例えば漏れ積分器により達成され得る。代替的な実現においては、ローパスの特性が入力信号の大きさに応じて変更され得る。

続くステップにおいて、電荷反転補償信号を、測定されたポンプ電流信号から減じる又は差し引く。而るに、補正されたポンプ電流信号から、周囲ガスの酸素含有量の時間的な変化及び濃度を示す信号を導出することができる。後続のステップにおいて、特性マップを用いて、補正されたポンプ電流信号から、校正された酸素信号を導出することができる。

ハイパスフィルタとは、本発明の範囲内において、限界周波数を上回る周波数をほとんど弱めることなく通過させ、より低い周波数を減衰させるフィルタと解すべきである。

本発明の基本思想は、改善された信号評価によりラムダ＝１リップルを取り除き又は強く減じ、その際、測定信号の誤補正を回避することである。

本発明は、センサのラムダ＝１リップルを補償する信号処理が、ラムダ＝１通過時、測定信号の外乱を明らかに減じるという認識に基づいている。リーンにおける強いダイナミクス時、この信号処理は、しかしながら、センサのポンプセルのインピーダンス特性と、信号処理における対応する特性線とが互いに偏差しているとき、誤った補正信号を発生させてしまうことがある。この場合、補償信号は、センサの測定信号を劣化させてしまう。このような誤補正は、一方では、インピーダンス特性線が、手間又はコストのかかる適応型の信号処理によりセンサ特性に適合されることで回避され得る。本発明の範囲内において、代替的には、ラムダ＝１領域外の誤補正を、このときは補償信号を発生させないことによっても回避し得ることを提案する。即ち、電荷反転効果を補償する信号処理は、実質的にラムダ＝１点の領域で有効であることが望ましい。

即ち、電荷反転エラー信号を評価する信号処理は、補償信号を発生させる能力が、ラムダ＝１外乱も発生し得るときこそ、特に大きいように、制御され得る必要がある。他方、この能力は、ラムダ＝１外乱は発生し得ないが、エラーを伴った補償信号により測定信号が損なわれる恐れがある動作状態においては、使用されない。

即ち、このためには、測定ガスの酸素濃度がラムダ＝１点の付近にあることを確実に識別する基準が必要である。代替的には、ラムダ＝１リップルが発生することを識別する基準が使用されてもよい。１つの可能な基準は、外部ポンプ電極における電圧Ｕ_Ｐの測定信号から導出され得る。而して、信号処理なしには、電圧Ｕ_Ｐが、ラムダ＝１点の領域において、ひいては０％ Ｏ_２の付近において、約０ボルトである一方、Ｕ_ＩＰ信号は、明確なラムダ＝１リップルを有している。Ｕ_ＩＰ信号からは、補償関数がラムダ＝１点の周囲においては有効であるが、他の動作点、特にリーンにおいては補償信号が発生され得ないように、ラムダ＝１リップルを補償する信号処理を制御する量が導出され得る。

冒頭で説明した電荷反転補償のための信号処理と比較して本発明において説明する追加点及び変更点の重要な利点は、アルゴリズムの説明した変化態様と比較して簡単なその実現である。センサは、正確、かつ、センサキャラクタの変化に対してロバストな信号をリーンにおいて提供する一方、特性線の手間又はコストのかかる複雑な適応機能は、実現される必要がない。特にここでは、適応機能のための、オンボード診断のレギュレーションにより必要な手間又はコストのかかる診断機能は、回避され得る。ソフトウェアの複雑性が比較的低い点に加え、このことは、特に、かなりの検証手間及び試験手間が回避されるという利点を有している。

ポンプセルのインピーダンスの変化に基づく誤補正に関するラムダ＝１リップル補償の信号処理のロバスト性は、本願で説明する信号処理により明らかに改善され得る。ラムダ＝１リップルの補償をラムダ＝１点の周囲でのみ実施する制御機能により、アルゴリズムのインピーダンス特性線がセンサの特性から偏差しても、測定信号の誤補正が生じることは回避され得る。而して例えばリーンにおいて、ラムダ＝１リップルを補償する信号処理は、信号を発生させず、ひいては誤補正も起こり得ない。

本発明の任意選択的なさらなる詳細及び特徴は、図面に概略的に示す好ましい実施例の以下の説明から看取可能である。

本発明に係るセンサの原理構造を示す図である。 センサにおける電荷反転補正を伴う信号評価のブロックダイヤグラムである。 電荷反転補正における信号加工のブロックダイヤグラムである。 ローパスフィルタの信号を示す図である。 様々な測定信号推移を時間にわたってプロットした図である。 ポンプセルにおける電圧と、測定抵抗における電圧降下との推移を示す図である。 代替的な信号処理を伴うブロック線図である。

発明の実施の形態
図１は、本発明に係るセンサ１０の原理構造を示している。図１に示すセンサ１０は、測定ガスの物理的及び／又は化学的な特性を把握するために使用可能であり、単数又は複数の特性を検出することができる。以下においては、本発明について、特に測定ガスのガス成分の定性的及び／又は定量的な検出、特に測定ガス中の酸素割合の検出に関連付けて説明する。酸素割合は、例えば分圧及び／又は百分率の形で検出することができる。しかしながら、基本的には、別種のガス成分、例えば窒素酸化物、炭化水素及び／又は水素も検出可能である。しかし、代替的又は付加的に、測定ガスの他の特性も検出可能である。本発明は、特に自動車技術の分野で使用可能である。それゆえ、測定ガス室は、特に内燃機関の排ガス流路であり、測定ガスは、特に排ガスであり得る。

センサ１０は、センサ素子１２を備えている。センサ素子１２は、追って詳述するように、セラミックの層構造として形成され得る。センサ素子１２は、固体電解質１４、第１の電極１６、第２の電極１８、第３の電極２０及び第４の電極２２を有している。固体電解質１４は、固体電解質層の形態の複数のセラミックの層から構成され得る、又は、複数の固体電解質層を有し得る。例えば固体電解質１４は、重ね合わせに又は互いに上下に配置されているポンプシート又はポンプ層と、中間シート又は中間層と、加熱シート又は加熱層とを有している。電極１６，１８，２０，２２の符号は、それらの重要性の順位を示すものではなく、電極１６，１８，２０，２２を概念上区別することができるようにするだけのものである。

センサ素子１２は、さらにガス進入路２４を有している。ガス進入路２４は、ガス進入穴２６を有し、ガス進入穴２６は、固体電解質１４の表面２８からセンサ素子１２の層構造の内部へと延在している。固体電解質１４内には、電極中空室３０が設けられており、電極中空室３０は、ガス進入穴２６を例えば環形又は矩形に包囲している。電極中空室３０は、ガス進入路２４の一部であり、ガス進入穴２６を介して測定ガス室に連通している。例えばガス進入穴２６は、筒状の止まり穴として固体電解質１４の表面２８に対して垂直にセンサ素子１２の層構造の内部へと延在している。特に電極中空室３０は、略環形又は矩形に形成されており、横断面図で見て三方より固体電解質１４により画定されている。ガス進入穴２６と電極中空室３０との間には、通路３２が配置されており、通路３２は、同様にガス進入路２４の構成部分である。この通路３２内には、拡散バリア３４が配置されており、拡散バリア３４は、ガスが測定ガス室から電極中空室３０内に流れ込むのを減じ又はそれどころか阻止し、拡散のみを実現する。

第１の電極１６は、固体電解質１４の表面２８上に配置されている。第１の電極１６は、ガス進入穴２６を環形に包囲し、測定ガス室から例えば、詳細には図示しないガス透過性の保護層により隔離され得る。第２の電極１８は、電極中空室３０内に配置されている。第２の電極１８は、同様に環形に構成され、ガス進入穴２６を中心に回転対称に配置され得る。例えば第１の電極１６及び第２の電極１８は、ガス進入穴２６に対して同軸に配置されている。第１の電極１６及び第２の電極１８は、第１の電極１６、第２の電極１８及び固体電解質１４がポンプセル３６を形成するように固体電解質１４、特にポンプ層に接続、特に電気的に接続されている。対応して、第１の電極１６は、外部ポンプ電極、第２の電極１８は、内部ポンプ電極と称呼してもよい。拡散バリア３４を介してポンプセル３６の限界電流（Ｇｒｅｎｚｓｔｒｏｍ）が調整される。これにより限界電流は、第１の電極１６と第２の電極１８との間で固体電解質１４を介して流れる電流である。

センサ素子１２は、さらに参照ガス室３８を有している。参照ガス室３８は、ガス進入穴２６の延在方向に対して垂直に固体電解質１４の内部へと延在し得る。上述したように、ガス進入穴２６は、筒状に形成されているので、ガス進入穴２６の延在方向は、ガス進入穴２６の筒軸線に対して平行に延在している。この場合、参照ガス室３８は、ガス進入穴２６の筒軸線に対して垂直に延在している。念のため明記しておくと、参照ガス室３８は、ガス進入穴２６の仮想の延長線上に、ひいては固体電解質１４のさらに内部に配置されていてもよい。参照ガス室３８は、巨視的な参照ガス室として形成されている必要はない。例えば参照ガス室３８は、「ポンピング参照（ｇｅｐｕｍｐｔｅ Ｒｅｆｅｒｅｎｚ）」、即ち、人工的な参照として構成されていてもよい。

第３の電極２０は、同様に電極中空室３０内に配置されている。例えば第３の電極２０は、第２の電極１８に対向している。第４の電極２２は、参照ガス室３８内に配置されている。第３の電極２０及び第４の電極２２は、第３の電極２０、第４の電極２２及び第３の電極２２と第４の電極２２との間の固体電解質１４の部分がネルンストセル４０を形成するように固体電解質１４に接続されている。ポンプセル３６により、例えばポンプセル３６を通るポンプ電流は、電極中空室３０内に条件λ（ラムダ）＝１又は他の既知の組成が支配しているように調整され得る。この組成は、他方、第３の電極２０と第４の電極２２との間のネルンスト電圧Ｕ_ｖｓが測定されることにより、ネルンストセル４０により検出される。参照ガス室３８内には、既知のガス組成が存在している、又は、ガス組成は、所定の酸素過剰に曝されているので、測定される電圧を基に、電極中空室３０内の組成を推定することができる。

ガス進入穴２６の延在方向の延長線上には、加熱素子４２がセンサ素子１２の層構造内に配置されている。加熱素子４２は、加熱領域４４及び電気的な供給路４６を有している。加熱領域４４は、例えばメアンダ形に形成されている。加熱素子４２は、固体電解質１４内で中間層と加熱層との間に配置されている。念のため明記しておくと、加熱素子４２は、図面に詳細に示していなくても、両側で電気絶縁性の材料、例えば酸化アルミニウムからなる薄い層により包囲されている。換言すれば、中間層と加熱素子４２との間及び加熱素子４２と加熱層との間には、電気絶縁性の材料からなる薄い層が配置されている。この種の層は、例えば上述の従来技術において公知であるので、詳細には説明しない。電気絶縁性の材料からなる層に関するさらなる詳細については、それゆえ上述の従来技術を参照されたい。上述の従来技術の、電気的な材料からなる層に関する内容は、参照による引用により本明細書に取り込まれたものとする。

図２は、センサ１０における電荷反転補正を伴う信号評価のブロックダイヤグラムを示している。図２に示すように、センサ１０は、電子制御装置４８を有している。電子制御装置４８は、ネルンストセル４０のネルンスト電圧Ｕ_ｖｓを閉ループ制御する閉ループ制御装置５０を有している。閉ループ制御装置５０と第１の電極１６との間には、測定抵抗５２が配置されている。さらに任意選択的にＲＣブリッジ５４、即ち、抵抗とコンデンサとからなる直列回路が、第１の電極１６と第３の電極２０との間に配置されている。さらに電子制御装置４８は、信号後処理ユニット５６及びデータインタフェース５８を有している。図２に示すように、かつ、概略的に示す信号の流れを基に看取可能であるように、電子制御装置４８の操作量は、ポンプセル３６に供給される電圧Ｕ_ＲＳである。制御量は、ネルンスト電圧Ｕ_ｖｓである。ポンプセル３６に供給される電圧Ｕ_Ｒｓと、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐとに基づいて、測定抵抗５２を介した電圧降下Ｕ_ＩＰは、閉ループ制御装置５０により特定することができる。而して測定抵抗５２を介した電圧降下Ｕ_ＩＰは、操作量Ｕ_ＲＳと、ポンプセルに印加される電圧Ｕ_Ｐとの差である。さらに、こうして、ポンプセル３６内に流入する又はポンプセル３６から流出する酸素濃度に依存した電流Ｉ_Ｏ２は、測定抵抗５２が、閉ループ制御装置５０の出力部と、第１の電極１６との間に配置されているので、測定抵抗５２を介した電圧降下Ｕ_ＩＰから特定することができる。信号の流れを基に、本発明の特徴は看取可能である。そして信号後処理ユニット５６には、測定抵抗５２を介した電圧降下Ｕ_ＩＰが供給されるだけでなく、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐも供給される。ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐと、後処理ユニット５６からの信号とを基に、データインタフェース５８には、酸素含有量を示す信号が供給される。

図３は、信号後処理ユニット５６内での電荷反転補正の信号処理を概略的に示している。信号後処理ユニット５６は、ポンプ電流Ｉ_Ｐに依存した測定抵抗５２における電圧降下Ｕ_ＩＰとしての第１の入力信号と、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐとしての第２の入力信号とを受信している。

ポンプ電流Ｉ_Ｐは、

と表現し得る。ここで、Ｒ_{Ｓｈｕｎｔ}［Ω］は、第１の電極１６又は第２の電極１８における測定抵抗５２の抵抗である。電圧降下Ｕ_ＩＰは、ポンプ電流Ｉ_Ｐに比例する。補償量（Ｋｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｇｒｏｅｓｓｅ）を特定するべく、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐの電流当量Ｉ_ＵＰが形成される。電流当量Ｉ_ＵＰは、ポンプセル３６のインピーダンスＺ_Ｐに基づいて形成される。ポンプセル３６のインピーダンスＺ_Ｐは、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐと、ポンプ電流Ｉ_Ｐとに基づいて、例えば：

の形で特定される。

ポンプセル３６のインピーダンスＺ_Ｐは、

の形でポンプ電圧の電流当量とポンプ電圧との比を表している。

ポンプセル３６のインピーダンスＺ_Ｐは、一般に複素数値として規定し得る。ポンプセル３６のインピーダンスＺ_Ｐは、これにより周波数依存性であることもある。ポンプセル３６のインピーダンスＺ_Ｐは、適応アルゴリズムにより特定され得る。

而して電圧降下Ｕ_ＩＰから変換される信号は、第１のハイパスフィルタ６０に供給され、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐから変換される信号は、ハイパスフィルタ６２に供給される。ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐの、時間的に変化する成分ｄＵ_Ｐと、電圧降下Ｕ_ＩＰの、時間的に変化する成分ｄＵ_Ｐとが、ハイパスフィルタ６０，６２内において特定される。ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐの、時間的に変化する成分ｄＵ_Ｐは、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐの電流当量Ｉ_ＵＰの時間微分又は別種のハイパスフィルタ処理により特定することができ、電圧降下Ｕ_ＩＰの、時間的に変化する成分ｄＵ_Ｐは、電圧降下Ｕ_ＩＰの時間微分又は別種のハイパスフィルタ処理により特定することができる。

次に、電圧降下Ｕ_ＩＰの、時間的に変化する成分ｄＵ_Ｐと、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐの、時間的に変化する成分ｄＵ_Ｐとの間の差信号ＤＵ_Ｏ２が、例えば：

の形で形成される。この差信号ＤＵ_Ｏ２は、電気化学的なセルの電荷反転時の電荷の移動に関する尺度でもある。電気化学的なセルの電荷反転は、ポンプセル３６に印加される電圧Ｕ_Ｐの変化なしに電流に変化を引き起こす。ポンプセルの電極１６，１８におけるネルンスト電圧の変化により、電荷反転電流が発生される。この電荷反転電流は、限界電流動作からの本来の信号に重畳される。差信号ＤＵ_Ｏ２内には、而して電荷反転電流の変化のみがマッピングされる。

補償量は、差信号ＤＵ_Ｏ２のローパスフィルタ処理により特定される。このために差信号ＤＵ_Ｏ２は、ローパスフィルタ６４によりフィルタ処理され得る。ローパスフィルタ６４は、入力信号を合算するが、その内側の状態に含まれる信号を時間にわたって再び逓減させるコンポーネントである。ローパスフィルタ６４の出力は、電荷反転補償電流信号Ｕ_Ｋｏｍｐである。ローパスフィルタ６４の役割は、外乱の時間インターバルにわたって差信号ＤＵ_Ｏ２の推移を合算することである。差信号ＤＵ_Ｏ２が小さいとき、補償電流信号Ｕ_Ｋｏｍｐは約０になる。

補正された測定量は、最終的に測定量から補償量を減算することにより特定される。而して、特に電荷反転補償信号Ｉ_Ｋｏｍｐは、例えば：

の形で、測定されたポンプ電流信号Ｉ_Ｐから差し引かれる。

而るに、補正されたポンプ電流信号Ｉ_{Ｐ Ｏ２}から、測定ガスの酸素含有量の時間的な変化及び濃度を示す信号が導出され得る。次いで、少なくとも１つの特性マップ６５により、補正されたポンプ電流信号Ｉ_{Ｐ Ｏ２}から、校正された酸素信号が、補正された測定量として導出され得る。

前述の方法で基本的にいえることは、ポンプセルのポンプ電流と、ポンプセルに印加される電圧とが互いに関連付けられねばならないことである。その他の計算ステップは、必ずしも等価の電流で行われる必要はない。電圧をインピーダンスで除算することは、回避され得る。代替的には、それらの逆数又は他の等価の係数を乗算してもよい。

本発明により、ラムダ＝１通過時の電荷反転効果を補償する信号処理の前述の関数は、以下の関数：箇所６６における制御される時定数を有するローパスフィルタ及び箇所６８におけるフィルタ時定数を制御する増幅関数により拡張される。箇所６６及び６８は、この順序でローパスフィルタ６４の入力部に接続されている。

ポンプセル３６の第１の電極１６における電圧信号Ｕ_Ｐを、ポンプ電流に対して等価の量に変換する関数は、ここでは適応形ではなく、固定的な特性マップによってマッピングが行われる。

信号処理時に使用されるアルゴリズムを実現すべく、特別な再帰型のローパスフィルタ６４が使用され、その構造は、指数平均化フィルタ又はＰＴ１フィルタの構造に類似するが、その伝達特性に基本的な相違点を有している。指数平均化フィルタ又はＰＴ１ローパスフィルタは、入力信号に対して出力信号を増幅しない。指数平均化フィルタ又はＰＴ１ローパスフィルタが有している増幅は、典型的には１である。これに対してローパスフィルタ６４は、ラムダ＝１リップルの補償の信号処理において、可変の増幅率Ｇ＝ｂ／（１−ａ（ｋ））を有している。増幅率は、再帰経路内でのその都度の係数ａ（ｋ）に依存している。ここで、ｋは、デジタル信号処理のクロックインターバルである。再帰経路内のパラメータａ（ｋ）又は応答時定数τ（ｋ）に対するローパスフィルタ６４の増幅率のこの依存性は、インパルス応答により看取可能である。時定数が大きければ大きいほど、ローパスフィルタ６４の増幅率も大きい。これに対して、指数平均化フィルタの場合は、係数（１−ａ）がインパルス応答の増幅を１にスケーリングする。

ラムダ＝１リップルを補償するアルゴリズムとの関連において、ローパスフィルタ６４は、

と表されている。ここで、伝達関数は、

である。ここで、ａ（ｋ）は、時定数及びフィルタの増幅を制御する係数であり、ｂは、一定の定数、例えばｂ＝１である。

図４は、一例として、制御される応答時定数及び増幅率を有するローパスフィルタ６４の信号を示しており、これらは、ローパスフィルタ６４の機能を明らかにする。上側のグラフは、ローパスフィルタ６４の入力部での信号７０を時間にわたってプロットしたものを示している。中央のグラフは、時定数７２を時間にわたってプロットしたものを示している。下側のグラフは、増幅率７４及びローパスフィルタ６４の出力部での信号７６を時間にわたってプロットしたものを示している。ここに示すそれぞれの時間の単位は、秒である。

上側のグラフから看取可能であるように、ローパスフィルタ６４の入力部には、３つの一連の矩形パルスが印加されている。中央のグラフに示すように、ローパスフィルタ６４の時定数τ（ｋ）又はそのパラメータａ（ｋ）は、パルス間でその都度変更される。下側のグラフに示すように、これにより、その都度、ローパスフィルタ６４の増幅率Ｇ＝１／（１−ａ（ｋ））も変化する。出力部での信号７６の推移には、一方では、ステップ応答の応答時間がどのように変化し、同時に、出力部での信号７６の増幅率Ｇ＝１／（１−ａ（ｋ））もどのように変化するかが、明瞭に看取可能である。而して、ローパスフィルタ６４の入力部での信号７０の、時間的に見て１番目の矩形パルスにおいては、時定数がτ＝０．２５、フィルタパラメータがａ＝０．９６０８であり、ローパスフィルタ６４の入力部での信号７０の、時間的に見て２番目の矩形パルスにおいては、時定数がτ＝１．０、フィルタパラメータがａ＝０．９９００である。ローパスフィルタ６４の入力部での信号７０の、時間的に見て３番目の矩形パルスの場合にそうであるように、ローパスフィルタ６４の時定数７２が０に等しければ、ローパスフィルタ６４の出力部での信号７６も０に等しい。

増幅率Ｇ（＝ゲイン）及び応答時定数τ並びにローパスフィルタ６４の遅延は、ローパスフィルタ６４の再帰経路内の重み係数ａ（ｋ）の値に依存している。これにより、このローパスフィルタ６４は、その機能面において、ＰＴ１フィルタ、再帰型のローパスフィルタ及び典型的な指数平均化フィルタとは根本的に相違している。

ラムダ＝１リップルを減じる電荷反転補償のための信号処理におけるローパスフィルタ６４の効果及び機能は、応答時定数τ、又は、この特別なローパスフィルタ６４の再帰経路内のパラメータａ（ｋ）に極めて強く依存している。フィルタパラメータａ（ｋ）は、

により、ローパスフィルタ６４の応答時間τ及びデジタル信号処理の走査インターバル時間Ｔ_Ｓに依存している。フィルタパラメータａは、前述のように、この特別なローパスフィルタ６４の応答時間及び増幅率を定めている。

図５は、様々な測定信号推移を時間にわたってプロットしたものを示している。ここに示す時間の単位は、秒である。Ｘ軸には、時間を、Ｙ軸には、測定信号の値をとり、測定信号の値は、ここに示す例においては、酸素含有量（パーセント）である。曲線７８は、時定数をτ＝０．２５としたときの測定信号の推移を示している。曲線８０は、時定数をτ＝０．５としたときの測定信号の推移を示している。曲線８２は、時定数をτ＝０．７５としたときの測定信号の推移を示している。曲線８４は、時定数をτ＝１．０としたときの測定信号の推移を示している。曲線８６は、時定数をτ＝１．２５としたときの測定信号の推移を示している。曲線７８，８０，８２，８４，８６からは、ローパスフィルタ６４の時定数τの、一方では、ラムダ＝１リップルの減少に関する効果と、他方では、リーンにおける起こり得る誤補正に関する効果とが良好に看取可能である。而して箇所８８には、より大きな時定数τがラムダ＝１リップルの減少を改善することが看取可能である。しかし、同時に、箇所９０に看取可能であるように、より大きな時定数τは、リーンにおける誤補正を拡大してしまうことがある。この関係に基づいて本発明は、ラムダ＝１点の付近においては、ローパスフィルタ６４に対して、より大きな時定数τを有するパラメータをデータ入力することを提案する一方、通常の動作領域、特にリーンにおいては、可能な限り小さな時定数τが有利である。

特別なローパスフィルタ６４の時定数及び増幅率の、動作点及び測定ガスの濃度に応じてそれぞれ異なる利点を利用することができるように、フィルタパラメータａ（ｋ）、即ち、再帰経路内の重み係数を、いつ、どのように変更するかを特定する基準が必要である。それゆえ本発明は、フィルタパラメータａ（ｋ）の制御を提案する。１つの可能な基準は、第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐから導出し得る。

図６は、ポンプセルにおける電圧Ｕ_Ｐの推移と、測定抵抗５２における電圧降下Ｕ_ＩＰの推移とを示している。Ｘ軸には、時間を、Ｙ軸には、測定抵抗５２における電圧降下Ｕ_ＩＰ及びポンプセル３６における電圧Ｕ_Ｐの値（ｍＶ）をとっている。例示的にのみ、ＮＳＣ触媒の再生中の、測定抵抗５２における電圧降下Ｕ_ＩＰの推移と、ポンプセル３６における電圧Ｕ_Ｐの推移とを示している。図６に示す信号を例にとり、第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐと、ポンプ電流Ｉ_Ｐに比例する測定抵抗５２における電圧降下Ｕ_ＩＰとを観察すると、電圧Ｕ_Ｐは、測定ガスの濃度とともに連続的に変化し、ラムダ＝１リップルにより乱されていないことを確認することができる。しかし、電圧Ｕ_Ｐは、測定ガスの濃度に比例しない。電圧信号Ｕ_Ｐからは、ローパスフィルタ６４のより大きな時定数がラムダ＝１リップルの補償のために必要とされるラムダ＝１点付近の測定ガスの濃度を示す基準が導き出される。

電圧Ｕ_Ｐ（ｋ）に応じたフィルタパラメータａ（ｋ）の制御は、フィルタパラメータａ（ｋ）に対する電圧信号Ｕ_Ｐ（ｋ）のマッピング関数を用いて実現され得る。図４に示すブロック線図は、どのように電圧Ｕ_Ｐが、マッピング関数を用いて箇所６６及び６８において、時定数τ（ｋ）、又は、ローパスフィルタ６４の再帰経路内のパラメータａ（ｋ）にマッピングされ得るかを示している。

このようなマッピング関数は、例えば簡単に線形補間及び格納された特性マップにより実現可能である。このようなマッピング関数を用いて、時定数τ（ｋ）は、Ｕ_Ｐ（ｋ）の関数として制御可能である。これに加えてポンプ電流Ｉ_Ｐの特性線は、ポンプ電圧Ｕ_Ｐの関数として使用可能である。固定的な特性線Ｉ_Ｐ＝ｆ（Ｕ_Ｐ）の誤適合が、誤補正に至らしめかねないリーンにおけるＵ_Ｐの領域においては、フィルタの時定数τが極めて小さい。これらの電圧時には、補償信号が発生されず、ひいては誤補正も起こり得ない。図４に示すように、ローパスフィルタ６４の時定数τ（ｋ）又はパラメータａ（ｋ）は、デジタル信号処理のクロックインターバルｋ毎に変更可能である。

前述のフィルタ構造に代えて、類似の伝達特性を有する他のローパスフィルタを使用してもよい。而して、例えばより高次のフィルタにより、その時定数又は帯域幅及び増幅率をフィルタパラメータの変更により制御し得るローパスフィルタが実現されてもよい。電圧Ｕ_Ｐの他に、他の信号を、ローパスフィルタの時定数を制御するために使用してもよい。例えば時定数の変更は、差信号ＤＩ_Ｏ２によりトリガ可能である。

図７は、代替的な信号処理を伴うブロック線図を示している。その際、図３に示す実施の形態との相違点についてのみ説明し、同一の構成要素には、同一の符号を付した。ポンプセルにおける電圧Ｕ_Ｐの値に代えて、第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐの値の時間的な変化も、ラムダ＝１補償信号を発生させるために必要なローパスフィルタ６４の時定数及び増幅率を制御する基準として使用可能である。図６に示すブロック線図は、ハイパスフィルタ９２を用いて、第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐの信号の、時間的に速く変化する成分がどのようにフィルタ処理されて取り出されるかを示している。第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐのより高周波の成分の関数として、信号が形成され、この信号により、ローパスフィルタ６４の時定数及び増幅率は、ラムダ＝１リップルを補償すべく、制御され得る。Ｕ_Ｐ信号から一定成分及びゆっくりと変化する成分がフィルタ処理されて取り出される一方、時間的に変化する成分は、略不変にとどまる。

測定抵抗５２における電圧降下Ｕ_ＩＰは、リーン及びリッチにおいて略線形に測定ガスの酸素含有量（又は所要酸素量）に依存している。このとき、リッチにおける所要酸素量への依存性は、リーンにおける酸素含有量への依存性とは他の係数により表すことができる。０％ Ｏ_２、ポンプセル３６における電圧Ｕ_Ｐ＝０Ｖ及び測定抵抗５２における電圧降下Ｕ_ＩＰ＝０Ｖを有するラムダ＝１点を通過するリーン−リッチ−切り換わり時、Ｕ_ＩＰ１信号がラムダリップルにより乱されない限り、酸素含有量に対するＵ_ＩＰの線形の依存性が観察される。ポンプセル３６における電圧Ｕ_Ｐは、リーン（＞１％ Ｏ_２）及びリッチ（＜約１％ Ｏ_２）において略線形の特性を示す。これに対して、０％ Ｏ_２を有するラムダ＝１点の付近においては、第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐは、強い非線形の特性を酸素含有量の関数として有している。

第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐが、ラムダ＝１点の付近で極めて強く酸素含有量の関数として変化する一方、この変化は、ラムダ＝１点の外においては、はるかに少ないというこの特性は、第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐが、ラムダ＝１点の通過時、極めて速くかつ極めて強く変化することに至らしめる。信号Ｕ_Ｐがハイパスフィルタ９２を用いてフィルタ処理されると、時間的に速く変化する成分は、通過され得る一方、信号の一定成分は、フィルタ処理により取り出され得る。この信号は、ラムダ＝１通過時、それぞれ１つの比較的高い値を有する一方、この信号は、ラムダ＝１点の外においては、略０に等しい。第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐの信号の、ハイパスフィルタ９２を用いてフィルタ処理された成分は、ラムダ＝１リップルの補償においてローパスフィルタ６４の時定数及び増幅率を制御すべく、基準として使用され得る。図７に示すラムダ＝１リップルの補償の信号処理のブロック線図においては、第１の電極１６における電圧Ｕ_Ｐも、第１の電極１６におけるＵ_Ｐの、ハイパスフィルタ９２を用いてフィルタ処理された成分も、ラムダ＝１リップル補償においてローパスフィルタ６４の時定数及び増幅率を制御すべく、使用される。

Claims (13)

1. 測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を検出するセンサ（１０）であって、前記測定ガスの前記特性を検出するセンサ素子（１２）を備えるセンサ（１０）を動作させる方法において、
   前記センサ素子（１２）は、固体電解質（１４）、第１の電極（１６）、第２の電極（１８）、第３の電極（２０）及び第４の電極（２２）を備え、前記第１の電極（１６）及び前記第２の電極（１８）は、前記第１の電極（１６）、前記第２の電極（１８）及び前記固体電解質（１４）がポンプセル（３６）を形成するように前記固体電解質（１４）に接続されており、前記第３の電極（２０）及び前記第４の電極（２２）は、前記第３の電極（２０）、前記第４の電極（２２）及び前記固体電解質（１４）がネルンストセル（４０）を形成するように前記固体電解質（１４）に接続されており、
   前記ネルンストセル（４０）のネルンスト電圧（Ｕ_ｖｓ）を閉ループ制御し、
   前記センサ素子（１２）の測定信号をポンプ電流（Ｉ_Ｐ）に基づいて特定し、
   さらに信号処理により補償量を特定し、
   前記測定信号及び前記補償量から、少なくとも１つの補正された測定信号を特定し、
   前記補正された測定信号から前記測定ガス室内の前記測定ガスの前記特性を特定し、
   ここで、前記補償量は、少なくとも部分的に、前記ポンプ電流（Ｉ_Ｐ）と、前記ポンプセル（３６）に印加される電圧（Ｕ_Ｐ）とに依存しており、
   前記補償量を特定する前記信号処理は、前記ポンプ電流（Ｉ_Ｐ）と、前記ポンプセル（３６）に印加される前記電圧（Ｕ_Ｐ）との、ローパスフィルタ（６４）を用いたローパスフィルタ処理を含み、
   前記ローパスフィルタ（６４）の時定数（τ）及び／又は増幅率（Ｇ）を、前記ポンプセル（３６）に印加される前記電圧（Ｕ_Ｐ）、又は、前記ポンプセル（３６）に印加される前記電圧（Ｕ_Ｐ）の、時間的に変化する成分（ｄＵ_Ｐ）に応じて制御する、
   センサ（１０）を動作させる方法。
2. 前記ポンプセル（３６）に印加される前記電圧（Ｕ_Ｐ）、及び／又は、前記ポンプセル（３６）に印加される前記電圧（Ｕ_Ｐ）の、時間的に変化する前記成分（ｄＵ_Ｐ）が、予め決定した値に達した場合、前記ローパスフィルタ（６４）の前記時定数（τ）及び／又は前記増幅率（Ｇ）を増加させる、請求項１に記載の方法。
3. 前記予め決定した値は、前記測定ガスの予め決定した組成である、請求項２に記載の方法。
4. 前記時定数（τ）及び／又は前記増幅率（Ｇ）を、マッピング関数を用いて、前記ポンプセル（３６）に印加される前記電圧（Ｕ_Ｐ）に応じて変化させる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記マッピング関数を、補間と、特性マップとにより形成する、請求項４に記載の方法。
6. 前記補間は、線形補間である、請求項５に記載の方法。
7. 前記ポンプセル（３６）に印加される前記電圧（Ｕ_Ｐ）の、時間的に変化する前記成分（ｄＵ_Ｐ）を、ハイパスフィルタ（９２）を用いて、前記ポンプセル（３６）に印加される前記電圧（Ｕ_Ｐ）からフィルタ処理により取り出す、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記センサ（１０）は、前記測定ガス中のガス成分の割合又は前記測定ガスの温度を検出するセンサ（１０）である、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法の各ステップを実施するために構成されたコンピュータプログラム。
10. 請求項９に記載のコンピュータプログラムが記憶された電子記憶媒体。
11. 請求項１０に記載の電子記憶媒体を備える電子制御装置（４８）。
12. 測定ガス室内の測定ガスの少なくとも１つの特性を検出するセンサ（１０）であって、前記測定ガスの前記特性を検出するセンサ素子（１２）を備えるセンサ（１０）において、
    前記センサ素子（１２）は、固体電解質（１４）、第１の電極（１６）、第２の電極（１８）、第３の電極（２０）及び第４の電極（２２）を備え、前記第１の電極（１６）及び前記第２の電極（１８）は、前記第１の電極（１６）、前記第２の電極（１８）及び前記固体電解質（１４）がポンプセル（３６）を形成するように前記固体電解質（１４）に接続されており、前記第３の電極（２０）及び前記第４の電極（２２）は、前記第３の電極（２０）、前記第４の電極（２２）及び前記固体電解質（１４）がネルンストセル（４０）を形成するように前記固体電解質（１４）に接続されており、
    前記センサ（１０）は、さらに、請求項１１に記載の電子制御装置（４８）を備える、
    センサ（１０）。
13. 前記センサ（１０）は、前記測定ガス中のガス成分の割合又は前記測定ガスの温度を検出するセンサ（１０）である、請求項１２に記載のセンサ（１０）。

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