WO2012007200A1 - Vorrichtung zur bestimmung einer eigenschaft eines gases in einem messgasraum - Google Patents

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

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gas
potential
pumping
sensor element
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Lothar Diehl
Helge Schichlein
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/419—Measuring voltages or currents with a combination of oxygen pumping cells and oxygen concentration cells
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    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4065—Circuit arrangements specially adapted therefor

Definitions

  • 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 based. Such solid electrolytes can be designed in particular as ceramic solid electrolytes. Examples of such solid electrolytes which
  • ionic species are oxygen ion-conducting solid electrolytes, in particular based on zirconium dioxide.
  • solid-electrolyte such as yttrium-stabilized
  • sensor elements are basically usable.
  • broadband lambda probes which operate according to the limiting current principle and can be constructed as a single cell or multiple cell.
  • 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.
  • 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).
  • ALK exhaust duct
  • such sensor elements can usually only be used in the lean exhaust gas, as in the rich exhaust gas the limiting current of the exhaust air duct is exceeded and the exhausted exhaust duct delivers too small a signal.
  • 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 operating modes, this is sufficient to measure short fat phases, such as an NSC regeneration (NSC: NOx storage catalyst, Nöx storage catalyst).
  • NSC NSC regeneration
  • a similar measuring principle is described for example in DE 10 2006 011 480 AI.
  • 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.
  • 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.
  • a first electrode facing the exhaust gas also referred to as internal pumping electrode or IPE
  • IPE internal pumping electrode
  • the second electrode is arranged in the exhaust air duct and is also referred to as exhaust air electrode (ALE).
  • ALE exhaust air electrode
  • It is typically 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.
  • Known sensor elements can usually only temporarily, i. typically for periods of less than 30 s, measuring gasses.
  • 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 outlet. This can happen
  • 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. At least one
  • Property of the gas in the sample 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.
  • the gas component may be oxygen.
  • other types of gas components are detectable.
  • the property can be detected qualitatively or quantitatively.
  • the property may be an oxygen content, for example an oxygen partial pressure and / or an air number, of which below, without limitation, other possible
  • the device can thus in particular comprise at least one lambda probe.
  • the device comprises at least one sensor element and at least one
  • the sensor element can be designed, for example, as a ceramic sensor element and can be accommodated, for example, in a housing.
  • 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, for example, comprise one or more electronic components to control the functions described below
  • control can be at least one
  • Pump voltage source for acting on the below-described pump cell with a pumping voltage
  • at least one current measuring device for Measuring a pumping current through the pumping cell
  • the at least one virtual mass in the form of, for example, an adjustable voltage source, and optionally
  • control for example, one or more
  • Data processing devices include to perform a method according to the following description.
  • 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.
  • 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.
  • the first electrode and / or the second electrode can be configured, for example, as metal-ceramic electrodes. In particular, these may be platinum cermet electrodes. However, other embodiments are possible in principle.
  • Sample gas space acted upon This can be done in different ways.
  • 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.
  • 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,
  • 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 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 in comparison to conventional measuring processes.
  • the reference gas space is completely separated from the sample gas space.
  • the reference gas space may be a reference gas channel.
  • 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 for example, as an air reference, as a reference air duct or as
  • Out exhaust duct be configured, analogous to the above-described sensor elements according to the prior art.
  • 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.
  • 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.
  • the virtual ground may be arranged to set the second electrode to an electrode potential between 0 and ⁇ 3 V, in particular to a
  • Electrode potential of 0.2 to 2.5 V 0.2 to 2.5 V.
  • other configurations are possible. Examples are explained in more detail below.
  • 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.
  • the third electrode can in principle, for example, also with gas from the
  • Measuring gas chamber be acted upon.
  • the third electrode can be acted upon by gas from the measuring gas space, for example via a diffusion barrier.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the control can in particular such
  • the third electrode with an electrode potential, in particular a constant electrode potential, is applied.
  • This electrode potential can also be zero.
  • the third electrode may be closer as below is executed, preferably be placed on a ground potential. The voltage at the auxiliary pumping cell can then result, in particular, as the potential difference between the electrode potential and a potential of the virtual ground, with which the second electrode is acted upon.
  • 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 can then be selected 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 given range of air ratios at each air ratio when measured statically.
  • the air range may in particular also include a rich gas range.
  • Reference gas channel compensated.
  • Hilfspumpzelle be chosen such that it always forms or is at least the difference between the required oxygen flow to the second electrode and the limiting current 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, that a last measured, known
  • Air value is used and, for example by a
  • a suitable virtual ground is selected so that the condition described above is met.
  • the control can in particular for acting on the pump cell with the
  • Pump voltage comprise at least one pump voltage source.
  • Pump voltage source can be configured in particular by means of the present invention as a unipolar pump voltage source, ie as a pump voltage source, which is not umpolbar. Such pump voltage sources are technically particularly easy to implement. A potential of virtual mass, with which the second
  • Electrode is applied, in particular within the specified
  • Air number range can then be selected such that the potential of the first electrode within the predetermined air ratio range undergoes no sign change. This means that the potential difference between the first electrode and the second Electrode within the predetermined air range always has the same sign. 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.
  • Control can basically be done with a current equal or changing sign.
  • the sensor element can furthermore have at least one heating element with at least two heater contacts.
  • this heating element reference may be made to the prior art.
  • Heating element may in particular be designed as a resistive heating element, with at least one heating resistor, which is acted upon by two heating contacts (H + and H) with a heating current.
  • 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.
  • the third electrode can in principle also completely or partially with the
  • the heater contact which is combined with the third electrode, may be the negative heater contact (H).
  • the control can in particular be designed such that this common heater contact and the third electrode are connected to an electrical ground.
  • the third electrode and the heater contact can be acted upon in particular with a constant potential, in particular a ground potential.
  • the sensor element has four connection contacts. For example, a first connection contact for the first electrode, a second connection contact for the second electrode, a third connection 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.
  • 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.
  • the first electrode and the second electrode both in the interior of the layer structure of Sensor element are arranged.
  • the first electrode may, for example, as stated above, through at least one gas inlet hole with gas from the
  • Measuring gas can be acted upon spatial.
  • 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.
  • the gas inlet hole and the third electrode are arranged on the same side of the layer structure. In this case can
  • the pasture H - Connection be contacted by the sensor element.
  • the first electrode and the third electrode are arranged on the same side of the layer structure are also possible.
  • the virtual ground may be configured as an adjustable virtual ground.
  • 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 drive can be set up to detect the electrode potential as a function of the detected voltage
  • 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 over, for example, an electronic table (lookup table) is possible.
  • 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.
  • the sensed property of the gas may be an air ratio or at least an air ratio.
  • this local minimum may be above 0.1 V, in particular at least 0.2 V and particularly preferably 0.25 V or more.
  • Various other embodiments are possible.
  • 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.
  • 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.
  • the time constant can be chosen small enough, so that, for example, a storage time of 30 s, which at usual
  • the reference gas space can in particular, as stated above, as open
  • this may be an open air reference channel.
  • the reference gas channel is wholly or partially configured with a gas-permeable porous medium.
  • a method for determining at least one of them is also provided Property of a gas proposed in a sample gas space.
  • the method can be carried out 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.
  • 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 reference gas space for example the exhaust air duct, can preferably be provided with an open throttle, that is to say as an open throttle
  • 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 you can prevent yourself from getting in Overpressure builds up in the area of the second electrode. The flow can be
  • the third electrode which, for example, as an outermost electrode
  • Pump electrode may be configured, is preferably in the sample gas space
  • an exhaust space so 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.
  • the proposed device has, as stated above, a static
  • Fat measurement capability and is therefore also suitable for gasoline engine applications, for example.
  • 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.
  • the described device can be manufactured technically easily.
  • 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.
  • a third electrode in the form of, for example, an external electrode.
  • 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 track and the possibly changed control, which, for example, a modified ASIC
  • FIG. 2B shows an equivalent circuit diagram of the device according to FIG. 2A.
  • FIGS. 3A to 3D different electrode potential profiles in one embodiment
  • inventive method in particular using a device according to FIG 2A.
  • FIG. 1 shows a device 110 for determining at least one property of a gas in a measuring gas space 112, as corresponds to the prior art.
  • the sample gas space 112 may be, for example, an exhaust gas tract of an internal combustion engine.
  • the device 110 comprises in the illustrated embodiment a
  • the Sensor element 114 as well as a drive 118 connected to the sensor element 114 via an interface 116.
  • the drive 118 may comprise one or more electronic components and may also be configured in whole or in part as an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the sensor element 114 may be configured, for example, as a lambda probe and comprises in the illustrated
  • a first electrode 120 which is also referred to as retepumpelektrode (IPE), a second electrode 122, which is also referred to as exhaust air electrode (ALE), and a the electrodes 120, 122 connecting solid electrolyte 124, For example, yttrium-stabilized zirconia.
  • the electrodes 120, 122 are arranged in the illustrated embodiment inside a layer structure.
  • the first electrode 120 is arranged in an electrode cavity 126, which can be acted upon by gas from the measuring gas space via a gas inlet hole 128.
  • a diffusion barrier 130 is arranged, ie a porous element which at least largely prevents a backflow of gas from the sample gas space 112 into the electrode cavity 116 or in the opposite direction and only allows diffusion transport.
  • the second electrode 122 is in a reference gas space 132 in the form of a
  • Reference gas duct 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 124 connecting these electrodes together form a pumping cell 136.
  • the electrodes 120, 122 can be electrically contacted by connecting contacts 138, which in FIG. 1A are labeled ALE (exhaust air electrode) or IPE (inner pumping electrode).
  • the sensor element 114 in the illustrated embodiment comprises a heating element 140 with a heater insulation 142, which surrounds a heating resistor 144 with two heater contacts H + and H " .
  • the sensor element 114 shown in FIG. 1A is designed as a single cell.
  • the control 118 is usually chosen such that the heater contacts H + and H " are acted upon by a heater control 146, which is usually a regulated
  • Heater control performs, for example, to a constant internal resistance of the pump cell 136.
  • the inner pumping electrode or first electrode 120 which is located in the exhaust gas is connected to a virtual mass 148 of the driver 118.
  • This virtual ground 148 applies the first electrode 120 to a constant electrode potential relative to an electrical ground 150.
  • the second electrode 122 or exhaust air electrode is at a variable potential.
  • About one in Figure 1A merely indicated
  • Pumping voltage source 152 is measured 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. 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 pumping voltage U p of the pumping voltage source 152 is controlled to set a higher pumping voltage of 900 mV in a measurement in air, in contrast, a smaller pumping voltage with grease gas U p of 200 mV.
  • FIG. 1B shows an equivalent circuit diagram of the device 110 according to FIG. 1A.
  • V M denotes the potential or voltage of the virtual ground 148, U N a Nernst voltage (in this case between the electrodes 120, 122), R H the resistance of the heating resistor 144, P H a
  • Heater power which in this case is a function of an internal resistance R, the pump cell 136, and U Ba t is a battery voltage of a heater control, which in this embodiment has been set to 12 V by way of example.
  • the heater circuit lower partial image
  • the pumping cell 136 are formed virtually completely separated both on the side of the sensor element 114 and on the side of the control 118.
  • the heating element 140 is driven clocked to control the internal resistance R ,.
  • the heater contact H " can be switched, for example, with a low-side FET, whereas the heater contact H +, for example, on the
  • Battery voltage U Ba t can lie.
  • electrode potentials of the first electrode (curve 158) or of the second electrode (curve 160) as a function of the air ratio ⁇ are plotted for the known measuring method according to FIGS. 1A and 1B.
  • the electrode potential 158 of the first electrode remains constant at the potential V M of the virtual ground 148.
  • the electrode potential 160 of the second electrode 122 goes from the rich air frequency range ⁇ ⁇ 1) to the lean air frequency range ⁇ > 1 ), for example, from 200 mV in the rich gas to 900 mV in air.
  • FIGS. 2A and 2B show a device 110 according to the invention. This in turn comprises at least one sensor element 114 and at least one drive 118.
  • the sensor element 114 is shown in the drawing
  • Embodiment example configured analogous to the sensor element 114 according to Figure 1A, so that for the description of this sensor element 114 can be largely referenced to the above description of Figure 1A.
  • a third electrode 162 is additionally provided in FIG. 2A. This is configured as an additional pumping electrode (hence also referred to as "2nd PE" in FIG.
  • the third electrode 162 can be acted upon with gas from the measurement gas space 112 and separated from the measurement gas space, for example by a porous protective layer 164.
  • This porous protective layer 164 can also be used as a Act diffusion barrier and limit gas access by diffusion access.
  • the third electrode 162 is arranged in the hot region of the exhaust gas, but in principle may also be arranged in a reference gas space,
  • auxiliary pumping cell 166 In a reference space of a probe housing of the sensor element 114, which is not shown in Figure 2A.
  • the third electrode 162 together with the second electrode 122, forms a pumping cell, which in the context of the present invention is referred to as auxiliary pumping cell 166 without restriction of possible functionalities.
  • the function of this auxiliary pump cell 166 is to compensate for an oxygen deficiency in the region of the second electrode 122, which may be due to the limited reference gas channel 134, in particular in the rich exhaust gas.
  • the contact of the second electrode 122 denoted ALE is connected to a virtual mass 148.
  • the first electrode 120 is connected to a pump voltage source 152, and the pumping current I p is detected at the first electrode 120. This is evident from that shown in FIG. 2B
  • a connection contact 138 of the third electrode 162 may be combined with a connection contact of the heating element 140, preferably with the connection contact H " .
  • the connection contact H + is shown only symbolically in FIG 2A, behind the connection contact H " , so that, for example, leads for H + and H " can be arranged side by side on the underside of the sensor element 114.
  • these can be printed connection contacts and / or plated-through holes
  • the third electrode 162 is easily connectable 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. Since the first electrode 122 by means of the virtual mass 148 to a predetermined
  • Electrode potential is set and since preferably the third electrode 162 is connected via the heater contact H " to an electrical ground 150, formed between the second electrode 122 and the third electrode 162, ie at the auxiliary pumping cell 166, a effective pumping voltage, which results from a superposition of the voltage V M and a Nernst voltage U N in the auxiliary pumping cell 166.
  • Electrode 162 and / or the porosity and / or the thickness of the protective layer 164 can be selected so that even in the rich gas at the applied pumping voltage,
  • the diffusion current can be calculated according to the thickness, porosity and area.
  • the additional pumping current through the auxiliary pumping cell 166 does not or only slightly contributes to the measuring signal in the current measuring device 154. This can be explained with reference to the equivalent circuit in FIG. 2B.
  • the pumping current I p is detected as a function of ⁇ at the first electrode 120. Also for the first electrode 120, oxygen ions can be transported from the third electrode 162.
  • the oxygen ions at the first electrode 120 are formed in the expansion first four free electrodes which initially reduce the measuring current l p to ⁇ ⁇ .
  • the measuring current I p is again increased by ⁇ ⁇ .
  • FIGS. 3A to 3D show, in an illustration analogous to FIG. 1C, various embodiments of an embodiment of the electrode potentials.
  • the reference numeral 158 again denotes the course of the electrode potential of the first electrode 120, whereas the reference numeral 160 denotes the course of the
  • Electrode potentials of the second electrode 122 each as a function of the air ratio ⁇ .
  • FIG. 3A shows a profile in which the potential 160 of the second electrode 122 is kept constant.
  • the potential difference across the pumping cell 136 which acts as a measuring cell, is unchanged from the prior art.
  • Only the potentials of the electrodes 120, 122 are due to the fact that the virtual mass 148 is now is applied to the second electrode 122 (ALE), changed.
  • the potential of the second electrode 122 may be held firmly at 2.5V.
  • the potential 158 of the first electrode 120 may vary between 2.3 V in the rich gas range and 1.6 V in air.
  • the virtual mass 148 may also be configured as an adjustable, variable or even controllable virtual mass. This is illustrated by way of example in FIGS. 3B to 3D.
  • the virtual mass 148 or the potential with which the virtual ground 148 is applied to the second electrode 122 is adapted to the exhaust gas composition determined from the measurement current I p .
  • the reference gas channel 134 for example the exhaust air duct (ALK)
  • the storage effect of typical reference gas channels 134 can buffer the oxygen demand for about 30 seconds of fat measurement.
  • the potential 160 of the second electrode 122 can be varied continuously from 2.5 V in the rich gas range to 1.1 V in the lean range, or also batchwise or, for example, stepwise.
  • the potential of the first electrode 120 may vary, for example, between 2.3 V in the rich gas range to 0.2 V in air.
  • the potential difference across the pumping cell 136 functioning as a measuring cell is at least substantially unchanged from the prior art and unaffected by the auxiliary pumping current through the pumping cell 166.
  • the reference gas channel 134 can be made relatively small. This increases the stability of the sensor element 114 and reduces the mechanical impairment of the sensor element 114 by the reference gas channel 134. Namely, by using the virtual mass 148, which can be configured as a controlled virtual mass, the storage effect of the reference gas channel 134 can only be claimed to a minor extent be that this can be equipped with a very small volume and thus no mechanical impairment of the sensor element 114 represents more.
  • the reference gas channel 134 may even be executed closed, with an optimized control. This is illustrated in FIG. 3C by a profile of the electrode potentials 158, 160. While that
  • Potential of the ALE 122 (curve 160) is at a constant value, for example 2.5 V, the potential of the IPE 120 (curve 158) decreases continuously with increasing air ratio, for example from 2.3 V to 1.6 V.
  • the potential curves illustrated in FIGS. 3A to 3C are particularly suitable for a high-impedance design of the auxiliary pumping cell 166.
  • the auxiliary pumping cell 166 requires a larger pumping voltage due to the voltage drop across the electrolyte resistance. If the resistance of the auxiliary pumping cell 166 is made extremely large, for example, by selecting small electrodes (for example, 500 ohms), then the cases shown in FIGS. 3A to 3C provide a linear one
  • 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.
  • a fivefold larger pumping current of the pumping cell 136 is possible in comparison to the auxiliary pumping cell 166, because the current through the auxiliary pumping cell 166 in the lean air-fuel ratio range is unnecessary.
  • the pump voltage is not selected larger than the sum of the decomposition voltage of the Zr0 2 and the internal resistance multiplied by the limiting current of the protective layer of the third electrode 162 in the high-voltage design on the side facing the rich Beeriere Symposium, otherwise a Zr0 2 decomposition can occur.
  • 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 measuring current due to a
  • the potential 160 of the virtual mass V M should not exceed a value of approximately R * 1 p + 1.1 V, so that it is not destroyed by ZrGy decomposition
  • FIG. 3D shows a particularly preferred profile of the electrode potentials 158, 160 and of an electrode potential 168 of the third electrode 162.
  • This exemplary embodiment and similar exemplary embodiments with a non-linear profile of the electrode potentials 158, 160 is particularly advantageous in the case of auxiliary pumping cells 166 having a comparatively small internal resistance, for example internal resistances of 150 ohms or less, for example 80 ohms.
  • This refinement has the advantage that a unipolar pump voltage source can be used as the pump voltage source 152, since polarity reversal is not required.
  • the electrode potential 158 of the first electrode 120 is obtained by subtracting the pumping voltage U p of
  • the local minimum in the range around ⁇ -1 causes in this region, which is particularly critical with respect to the characteristic curves, no decomposition of non-oxygen components in the exhaust gas to take place, for example no water decomposition, or Such decomposition is at least largely reduced.
  • the potential difference U p is tracked in the embodiment according to FIG 3D with ⁇ .
  • the potential difference V M of the virtual mass 148 is also tracked with ⁇ .
  • 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 because by the auxiliary pumping cell 166th
  • Oxygen is replenished at the second electrode 122.
  • the low V M causes little or no water decomposition in this region.
  • the electrode potential 160 of the second electrode 122 rises again to a high V M so that no negative potential occurs at the first electrode 120, which prevents a reversal of the polarity of the pump voltage source 152.
  • the third electrode 162 is always at the constant electrode potential 0, since it is connected to the electrical ground 150 via the heater contact H.
  • other configurations are possible in principle.

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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.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Bestimmung einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum Stand der Technik
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 lonenarten 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.
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, NÖx-Speicherkatalysator), zu messen.
Ein ähnliches Messprinzip ist beispielsweise in DE 10 2006 011 480 AI 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.
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. 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.
Offenbarung der Erfindung
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.
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.
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 ausgestaltet sein, analog zu den oben beschriebenen Sensorelementen gemäß dem Stand der Technik.
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. 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.
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. 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. 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.
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.
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 lonenstrom durch die Hilfspumpzelle bei jeder Luftzahl eine Limitierung durch den Grenzstrom des
Referenzgaskanals kompensiert. Insbesondere kann der lonenstrom 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.
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.
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.
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
Messgas räum 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.
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.
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 Zr02 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.
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. 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.
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.
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. 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.
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.
Kurze Beschreibung der Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Vorrichtung zur
Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum; ein Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß Figur 1A; einen üblichen Verlauf der Elektrodenpotenziale über den
Luftzahlbereich bei der Vorrichtung gemäß Figur 1A; eine erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Vorrichtung zur
Bestimmung mindestens einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum;
Figur 2B ein Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß Figur 2A; und
Figuren 3A bis 3D verschiedene Elektrodenpotenzialverläufe bei einem
erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Figur 2A. Ausführungsbeispiele
In Figur 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 Figur 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.
Das in Figur 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. 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 Figur 1A lediglich angedeutete
Pumpspannungsquelle 152 wird mittels einer Strommessvorrichtung 154, beispielsweise mittels eines Messwiderstands 156, ein Pumpstrom lp 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 Up der Pumpspannungsquelle 152 geregelt wird, um bei einer Messung an Luft eine höhere Pumpspannung von 900 mV einzustellen, bei Fettgas hingegen eine kleinere Pumpspannung Up von 200 mV. In Figur 1B ist ein Ersatzschaltbild der Vorrichtung 110 gemäß Figur 1A dargestellt.
Zusätzlich zu den bereits eingeführten Größen bezeichnet VM das Potenzial bzw. die Spannung der virtuellen Masse 148, UN eine Nernstspannung (in diesem Fall zwischen den Elektroden 120, 122), RH den Widerstand des Heizwiderstands 144, PH eine
Heizerleistung, welche in diesem Fall eine Funktion eines Innenwiderstands R, der Pumpzelle 136 ist, und UBat eine Batteriespannung einer Heizeransteuerung, welche in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch auf 12 V gesetzt wurde. Wie in Figur 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, 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 UBat liegen kann.
In Figur IC sind Elektrodenpotenziale der ersten Elektrode (Kurve 158) bzw. der zweiten Elektrode (Kurve 160) als Funktion der Luftzahl λ für das bekannte Messverfahren gemäß den Figuren 1A und 1B aufgetragen. Wie oben dargestellt, verbleibt dabei das Elektrodenpotenzial 158 der ersten Elektrode konstant bei dem Potenzial VM 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 den Figuren 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 Figur 1A ausgestaltet, so dass für die Beschreibung dieses Sensorelements 114 weitgehend auf die obige Beschreibung der Figur 1A verwiesen werden kann. Im Unterschied zur Figur 1A ist jedoch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung in Figur 2A zusätzlich eine dritte Elektrode 162 vorgesehen. Diese ist als zusätzliche Pumpelektrode (in Figur 2B daher auch mit„2nd PE" bezeichnet) ausgestaltet. Beispielsweise kann diese, wie in Figur 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 Figur 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.
Wie aus Figur 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 lp wird an der ersten Elektrode 120 erfasst. Dies geht aus dem in Figur 2B dargestellten
Ersatzschaltbild, welches analog zur Darstellung in Figur 1B gezeigt ist, nochmals hervor. Mittels der Strom messvorrichtung 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.
Weiterhin kann ein Anschlusskontakt 138 der dritten Elektrode 162, wie in Figur 2A dargestellt, mit einem Anschlusskontakt des Heizelements 140 zusammengefasst sein, vorzugsweise mit dem Anschlusskontakt H". Der Anschlusskontakt H+ ist in Figur 2A lediglich symbolisch dargestellt. Dieser kann auch in der Zeichenebene gemäß Figur 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. 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 VM und einer Nernstspannung UN 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.
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 Figur 2B erläutern. So wird, wie oben ausgeführt, der Pumpstrom lp 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 O2 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 lp zunächst um ΔΙΡ mindern. Beim Abtransport des ausgebauten Sauerstoffs durch die Pumpzelle 136 jedoch wird der Messstrom lp wieder um ΔΙΡ 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 Figur 2B durch die zusätzliche dritte Elektrode 162 und die Spannung an der Hilfspumpzelle 166 unbeeinflusst bleibt.
In den Figuren 3A bis 3D sind, in einer zu Figur IC 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 Ä . So zeigt Figur 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.
Wie oben ausgeführt, kann die virtuelle Masse 148 auch als einstellbare, variable oder sogar regelbare virtuelle Masse ausgestaltet sein. Dies ist in den Figuren 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 lp ermittelte Abgaszusammensetzung angepasst. Dann wird vorzugsweise lediglich im Fettgas bei hohem Sauerstoffbedarf der Referenzgaskanal 134, beispielsweise der Abluftkanal (ALK), aufgepumpt. Dies ist exemplarisch in Figur 3B gezeigt. Vorzugsweise wird die Änderung der virtuellen Masse 148 mit deutlich größerer Zeitkonstante (beispielsweise r = 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 Figur 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 Figur 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.
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 Figur 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. Die in den Figuren 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 Figuren 3A bis 3C dargestellten Fälle mit linearem
Potenzialverlauf der VM-Ansteuerung gute Ergebnisse. Dann sollte lediglich beachtet werden, dass VM 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 Zr02 und dem Innenwiderstand multipliziert mit dem Grenzstrom der Schutzschicht der dritten Elektrode 162, da sonst eine Zr02-Zersetzung eintreten kann. Grundsätzlich gilt für diese und für andere Ausführungsbeispiele, dass die Pumpspannung Up den Verlauf der Pumpspannungen Up 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 VM sollte einen Wert von ca. R*lp + 1,1 V nicht überschreiten, damit nicht durch ZrGyZersetzung
(beispielsweise in Form einer partiellen Reduktion) an der dritten Elektrode 162 eine Zerstörung des Sensorelements eingeleitet wird.
In Figur 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 Figur 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 Up 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.
Die Potenzialdifferenz Up wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3D mit λ nachgeführt. Zusätzlich wird bei dem Ausführungsbeispiel auch die Potenzialdifferenz VM der virtuellen Masse 148 mit λ nachgeführt. Bei fetten Gasgemischszusammensetzungen wird ein hohes VM 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 VM 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 VM) 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.

Claims

Ansprüche
1. 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.
2. 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.
3. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die virtuelle Masse (148) als einstellbare virtuelle Masse (148) ausgestaltet ist.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzgasraum (132) als geöffneter Referenzgaskanal (134), insbesondere als geöffneter Luftreferenzkanal, ausgestaltet ist.
14. 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.
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