WO2020011652A1 - Verfahren zum betreiben eines auf festelektrolyten basierenden elektrochemischen sensors - Google Patents

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WO2020011652A1
WO2020011652A1 PCT/EP2019/068055 EP2019068055W WO2020011652A1 WO 2020011652 A1 WO2020011652 A1 WO 2020011652A1 EP 2019068055 W EP2019068055 W EP 2019068055W WO 2020011652 A1 WO2020011652 A1 WO 2020011652A1
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WO
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pump
current
pump current
cell
electrode
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PCT/EP2019/068055
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard Ledermann
Martin Elmer
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
    • G01N27/4175—Calibrating or checking the analyser

Definitions

  • Sample gas chamber known. In principle, this can be any physical and / or chemical properties of the measurement gas, it being possible for one or more properties to be recorded.
  • the invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a portion of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of a
  • Oxygen content in the sample gas part can be recorded, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage. Alternatively or additionally, however, other properties of the sample gas part.
  • Sample gas can be detected, such as the temperature.
  • sensors with ceramic sensor elements are known from the prior art, which are based on the use of electrolytic properties of certain solid bodies, that is to say on ion-conducting ones
  • Solids act as ceramic solid electrolytes, such as
  • Zirconium dioxide Zr0 2
  • YSZ yttrium-stabilized zirconium dioxide
  • ScSZ scandium-doped zirconium dioxide
  • Such sensors can be configured as so-called lambda sensors, as are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in a Motor Vehicle, 1st Edition 2010, pp. 160-165.
  • lambda sensors in particular with planar broadband lambda probes, the oxygen concentration in the exhaust gas can be determined over a wide range, for example, and the air / fuel ratio in the combustion chamber can thus be deduced.
  • the air ratio l describes this air-fuel ratio.
  • the broadband lambda sensor measures the oxygen concentration or the
  • Residual oxygen in the exhaust gas of great importance.
  • Wideband lambda probe is connected to an evaluation module (ASIC) of a control unit specially created for this purpose.
  • ASIC evaluation module
  • the main task of the ASIC is to measure the Nernst voltage between the
  • the manipulated variable with which the Nernst voltage is to be regulated is the pump current that has to be driven by the ASIC between the outer pump electrode and the inner pump electrode. If the Nernst voltage is close to its target value, the pump current required for this is a measure of the oxygen concentration in the exhaust gas. An exact determination of the pump current is therefore the essential requirement for an exact determination of the 02 concentration in the exhaust gas.
  • the pump current source receives a digital nominal pump current value from the Nernst voltage regulator and is then to drive it through the probe.
  • a current source that drives a continuous, adjustable current is also called a DAC current source.
  • the ASIC measures the Nernst voltage between the reference electrode and the inner pump electrode.
  • the measured value is the main input to a PID controller. This determines with the latest
  • Nernst voltage value a new setpoint for the pump current.
  • This setpoint is passed to the DAC current source, which then drives a current from the outer pump electrode to the inner pump electrode, which is the so-called pump current.
  • the current actually flowed can be measured using a measuring resistor. If the relationship between the digital input and the physical output of the DAC power source meets all accuracy requirements, the digital setpoint is sufficient to determine the physical current flowing. The accuracy requirements for the measurement of the pump current are very high and have to be met at different temperatures, varying supply voltages and very high quantities. Therefore, such an accurate power source is relatively expensive.
  • ADC Analog Digitial Converter
  • the requirements for the DAC current source are significantly lower and this can be realized more cheaply.
  • Another disadvantage is that if the back measurement is disturbed by e.g. EMC radiation, the
  • a method for operating a sensor element for detecting at least one property of a measuring gas in a measuring gas space is therefore proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known methods and in which an exact determination of the pump current is made possible.
  • the method according to the invention is suitable for operating a sensor for detecting at least one property of a measuring gas in one
  • Measuring gas space in particular for detecting a proportion of a gas component in the measuring gas or a temperature of the measuring gas.
  • the sensor comprises a sensor element for detecting the property of the measuring gas.
  • Sensor element has a solid electrolyte, a pump cell and a
  • the pump cell has an outer pump electrode and an inner pump electrode.
  • a pump current is driven through the pump cell by means of a current source.
  • a Nernst voltage of the Nernst cell is regulated.
  • a measurement signal of the sensor element is determined based on the pump current.
  • a compensation variable is determined by means of signal processing. At least one corrected measurement signal is determined from the measurement signal and the compensation variable. The property of the sample gas in the sample gas space is determined from the corrected measurement signal.
  • Compensation variable is at least partially dependent on an actual value of the pump current and a target value for the current source
  • the actual value of the pump current is measured at a position between the output of the current source and a virtual ground.
  • the compensation variable comprises several pairs of the actual value of the pump current and the desired value for the pump current supplied to the current source.
  • the compensation variable comprises a predetermined number of the most current pairs of the actual value of the pump current and the desired value for the pump current supplied to the current source.
  • the compensation variable comprises a linear equation of the pairs of the actual value of the pump current and the target value for the pump current.
  • sums of the target values for the pump current and sums of the actual values of the are used to determine the linear equation Pump current, sums of the product of target values for the pump current and actual values of the pump current and further sums of the square numbers of the actual values of the pump current are stored in a memory of the signal processing.
  • the linear equation which best reproduces the pairs of the actual value of the pump current and the desired value for the pump current is determined based on the sums.
  • the method further comprises determining a disturbance in the measurement of the actual values of the pump current based on a square of the standard deviation of the pairs of the actual value of the pump current and the desired value for the pump current.
  • an electronic control device which comprises such an electronic storage medium.
  • a sensor for detecting at least one property of a measurement gas in a measurement gas space in particular for detecting a proportion of a gas component in the measurement gas or a temperature of the measurement gas.
  • the sensor comprises a sensor element for detecting the property of the measurement gas, the sensor element having a solid electrolyte, a pump cell and a Nernst cell, the pump cell having an outer pump electrode and an inner pump electrode, the sensor further comprising an electronic control device or with an electronic control device connected is.
  • a solid electrolyte body is understood to mean a body or object with electrolytic properties, that is to say with ion-conducting properties, for example oxygen ion conductive properties.
  • it can be a ceramic solid electrolyte.
  • the solid electrolyte body can have stabilized zirconium dioxide and / or scandium-stabilized zirconium dioxide.
  • the solid electrolyte body can also consist of several
  • Solid electrolyte layers can be formed.
  • a layer is to be understood to mean a uniform mass in a planar extent at a certain height, which lies above, below or between other elements.
  • an electrode is generally to be understood as an element which is able to contact the solid electrolyte in such a way that a current can be maintained or a voltage can be measured through the solid electrolyte and the electrode.
  • the electrode can comprise an element on which the ions can be built into the solid electrolyte and / or removed from the solid electrolyte.
  • the electrodes comprise a noble metal electrode, which can be applied, for example, as a metal ceramic electrode to the solid electrolyte or in another way with the
  • Solid electrolytes can communicate.
  • Typical electrode materials are platinum cermet electrodes. However, other noble metals, such as gold or palladium, can also be used in principle.
  • a Nernst cell is to be understood as an electrochemical measuring cell which is a solid electrolyte
  • Membrane used between two electrodes.
  • the property of the solid electrolyte is used to be able to electrolytically transport ions of the measurement gas to be measured, such as oxygen ions, from one electrode to the other from a certain temperature, which results in a so-called Nernst voltage.
  • This property allows the difference in the partial pressure of the sample gas on the different sides of the membrane to be determined.
  • the lambda probe one side of the membrane is exposed to the sample gas, while the other side is against a reference.
  • a pump cell is to be understood as an electrochemical cell in which a content of a component of the measurement gas, such as oxygen, on the one hand, is in a measurement gap the measurement gas, which acts through a diffusion channel, is determined and, on the other hand, is influenced by the current flow of the pump cell.
  • the pumping gas is used to measure the sample gas from the sample gas side
  • a lambda value of 1 in the measuring gap is always given, for example, when the voltage at the Nernst cell is 0.45 V.
  • the pump current pumps the sample gas ions into the sample gas in the measuring gap, and out with a lean mixture.
  • a discontinuous measurement of the pump current is to be understood as a non-continuous measurement of the pump current.
  • several measurements of the pump current are made with time interruptions in between.
  • Interruptions can be of identical size or variable.
  • a heating element is to be understood as an element which is used to heat the solid electrolyte and the electrodes to at least their functional temperature and preferably their
  • the functional temperature is the temperature from which the solid electrolyte becomes conductive for ions and is approximately 350 ° C. A distinction must be made between this and the operating temperature, which is the temperature at which the sensor element is usually operated and which is higher than the functional temperature.
  • the operating temperature can be, for example, 700 ° C to 950 ° C.
  • the heating element can comprise a heating area and at least one feed path.
  • a heating region is to be understood as the region of the heating element which overlaps with an electrode in the layer structure along a direction perpendicular to the surface of the sensor element.
  • the heating area heats up more during operation than the supply path, since this has a higher electrical level Resistance, so that they are distinguishable.
  • the different heating can thus be achieved, for example, by the heating area having a higher electrical resistance than that
  • the heating area and / or the feed line are designed, for example, as an electrical resistance track and heat up by applying an electrical voltage.
  • the heating element can be made of a platinum cermet, for example.
  • An ASIC application-specific integrated circuit
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • a basic idea of the present invention is an occasional one
  • Occasional remeasurement combines the completeness of the digital setpoints with the accuracy of an occasional remeasurement of the pump current.
  • the core of the idea is to calibrate the DAC current source with an occasional back measurement, i.e. to determine the relationship between the setpoint value of the DAC current source and the physical output. This relationship is then applied to all digital setpoints to determine the physical current flowing.
  • the advantage is that the DAC power source does not have to meet high accuracy requirements and at the same time the ADC only has to take a current measurement occasionally and thus has enough time to carry out all other necessary measurements. Both advantages enable a cheaper ASIC to be implemented than with the alternatives described above.
  • the method can provide good substitute values even in the case of a disturbed back measurement, so that the pump current accuracy hardly suffers as a result.
  • a method is proposed with which a DAC current source can be calibrated by occasionally measuring the driven pump current.
  • the properties of the DAC current source determined in this way can then also be used for the setpoints which were not measured directly.
  • the procedure always calibrates the DAC power source with the the latest measured pairs from the setpoint and the measured pump current and can therefore not only compensate for manufacturing tolerances of the DAC current source, but also its temperature response.
  • the invention determines a very precise pump current and thus also a very precise 02 concentration in the exhaust gas.
  • the essence of the process is to calibrate the DAC current source by occasional current measurement.
  • the method collects pairs of values from the digital setpoint and the physically flowing current of the DAC current source. From the last e.g.
  • the learning method determines the optimal linear relationship between DAC input and output for 100 value pairs. The linear relationship is given by a slope and an offset of the DAC current source. The linear relationship can then be used to convert all setpoints of the DAC current source into a physically flowing current.
  • the DAC power source does not have to meet high accuracy requirements and can therefore be implemented relatively cheaply.
  • Setpoints contain the full dynamic range and these are converted directly and without averaging into a physically flowing pump current.
  • Manufacturing tolerances of the DAC power source can be compensated, but also the temperature response of the power source can be completely compensated.
  • the process is characterized in particular by the fact that not all of the collected Pairs must be saved explicitly, but only four different sums of the collected values have to be stored in the memory. The number of value pairs collected has no influence on the
  • the process can also affect the quality of the
  • FIG. 1 shows a cross section of a sensor
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of the sensor and a control unit
  • FIG. 3 shows a diagram of a linear curve
  • FIG. 4 shows a diagram of a pump current measurement with a fault
  • FIG. 5 shows a diagram of a pump current measurement without a fault.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a sensor 100 with a
  • the sensor element 10 shown in FIG. 1 can be used for the detection of physical and / or chemical properties of a measuring gas, one or multiple properties can be captured.
  • the invention is described below in particular with reference to a qualitative and / or quantitative detection of a gas component of the measurement gas, in particular with reference to a detection of an oxygen content in the measurement gas.
  • the oxygen fraction can be recorded, for example, in the form of a partial pressure and / or in the form of a percentage.
  • other types of gas components can also be detected, such as nitrogen oxides, hydrocarbons and / or hydrogen.
  • other properties of the measurement gas can also be detected.
  • the invention can be used in particular in the field of motor vehicle technology, so that the measurement gas space can in particular be an exhaust tract of an internal combustion engine and the measurement gas in particular an exhaust gas.
  • the sensor element 10 comprises a solid electrolyte body or solid electrolyte 12.
  • the sensor element 10 furthermore has a gas access path 14.
  • the gas access path 14 has a gas access hole 16 which extends from a
  • Solid electrolyte 12 extends. There is a in the solid electrolyte 12
  • Electrode cavity 20 is provided which is adjacent to and connected to the gas access hole 16.
  • the electrode cavity 20 is, for example, cuboid.
  • the electrode cavity 20 is part of the
  • Gas access path 14 and can be connected to the measurement gas space via the gas access hole 16.
  • the gas access hole 16 extends as a cylindrical blind hole perpendicular to the surface 18 of the solid electrolyte 12 into the interior of the solid electrolyte 12.
  • a channel 22 is arranged, which is also
  • Electrode cavity 20 is arranged radially or perpendicularly with respect to the gas access hole 16.
  • a diffusion barrier 24 is arranged in this channel 22. The diffusion barrier 24 reduces or even prevents an afterflow of measurement gas from the measurement gas space into the electrode cavity 20 and only allows diffusion of the measurement gas.
  • the sensor element 10 has a heating element 28.
  • the heating element 28 is arranged in an imaginary extension of the direction in which the gas access hole 16 extends in the solid electrolyte body 12 below the electrode cavity 20 and the reference gas channel 26.
  • the heating element 28 has a heating region 30, a first feed path 32 and a second feed path 34.
  • the first supply path 32 is connected to a positive pole 36 of the heating area 30.
  • the second supply path 34 is connected to a negative pole 38 of the heating region 30.
  • the sensor element 10 also has a pump cell 40.
  • the pump cell 40 has a first electrode, which is referred to as the outer pump electrode 42, and a second electrode, which is referred to as the inner pump electrode 44.
  • the outer pump electrode 42 is arranged on the surface 18 of the solid electrolyte body 12 that can be exposed to the measurement gas.
  • the inner pump electrode 44 is arranged in the electrode cavity 20 on a side facing the outer pump electrode 42.
  • the pump cell 40 further comprises the part of the
  • a limit current can be set in the pump cell 40 via the diffusion barrier 24.
  • the limit current represents a current flow between the outer pump electrode 42 and the inner pump electrode 44 via the solid electrolyte 12 between them.
  • the sensor element 10 also has a Nernst cell 46.
  • the Nernst cell 46 comprises a third electrode 48 and a fourth electrode 50.
  • the third electrode 48 is located adjacent to the heating area 30 of the
  • the fourth electrode 50 is arranged in the reference gas channel 26.
  • the fourth electrode 50 can be arranged in the reference gas channel 26 as a so-called pumped reference. That is, the reference gas channel 26 is not a macroscopic reference gas channel, but a pumped reference, i.e. an artificial reference.
  • Solid electrolyte body 12 coupled together.
  • the third electrode 48, the fourth electrode 50 and the part of the solid electrolyte 12 between the third electrode 48 and the fourth electrode 50 form, for example, the Nernst cell 46.
  • composition is again detected by the Nernst cell 46 by measuring a Nernst voltage between the third electrode 48 and the fourth electrode 50. Since there is an excess of oxygen in the reference gas channel 26 or in the fourth electrode 50, which serves as the reference electrode, the composition can be determined in the
  • Electrode cavity 20 are closed.
  • the third electrode 48 can be referred to as a Nernst electrode and the fourth electrode 50 as a reference electrode.
  • the sensor element 10 can be designed as a so-called single cell, in which the pump cell 40 and Nernst cell 46 are combined.
  • Such a single cell only requires two electrodes for its function. In comparison to the construction of a two-row system described above, the first electrode 42 and the second electrode 44 are omitted.
  • the third electrode 48 serves as the inner pump electrode of the pump cell 40 and as the Nernst electrode of the Nernst cell 46, since these lie on a common line.
  • the fourth electrode 50 serves as the outer pump electrode of the pump cell 40 and as the reference electrode of the Nernst cell 46.
  • FIG. 2 shows a schematic circuit diagram of sensor 100 and one
  • Controller 52 includes an ASIC 54.
  • ASIC 54 includes an analog-to-digital converter 56, a controller 58, a current source 60, and a virtual ground 62.
  • Controller 58 is shown in FIG.
  • Embodiment a PID controller, but in principle can alternatively be another type of controller, such as a PI controller.
  • the sensor 100 is connected to the ASIC 54 at pins RE, APE and IPE.
  • the Nernst cell 46 is connected to the pins RE and IPE and the pump cell 40 is connected to the pins IPE and APE.
  • the ASIC 54 measures the Nernst voltage between RE and IPE.
  • the pins RE and IPE are connected to the input of the analog-digital converter 56.
  • the output of the analog-digital converter 56 is connected to the input of the controller 58.
  • the measured value of the Nernst voltage is the main input to controller 58.
  • the output of controller 58 is connected to the input of current source 60.
  • the output of current source 60 is connected to pin APE.
  • the controller 58 uses the latest Nernst voltage value to determine a new setpoint for the pump current. This setpoint is transferred to the current source 60, which then drives a current from APE to IPE, the so-called pump current.
  • the current actually flowed can be measured at a measuring resistor R_mVG by measuring the falling voltage across the resistor R_mVG.
  • a pump current is driven through the pump cell 40 by means of the current source 60.
  • Nernst cell 40 is regulated.
  • a measurement signal of the sensor element 10 is determined based on the pump current. As will be described in more detail below, signal processing of the
  • Control unit 52 determines a compensation variable. At least one corrected measurement signal is determined from the measurement signal and the compensation variable. The property of the sample gas in the sample gas space is determined from the corrected measurement signal.
  • the compensation variable is at least partially dependent on an actual value Y, the pump current and a target value X, supplied to the current source 60, for the pump current. At least the actual value Y of the pump current is measured discontinuously. For example, the actual value Y of the pump current is measured at a position between the output of the current source 60 and a virtual ground. The virtual mass is located downstream of the pump cell 40. In the exemplary embodiment shown, the pump current is measured at the measuring resistor R_mVG. Basically, the method according to the invention works regardless of where the current is measured. It is only important that the current measurement measures the correct current and that no additional unknown current components are included in the measurement.
  • the compensation variable comprises several pairs (Xi, Y,) of the actual value Y, the pump current and the target value X, which is supplied to the current source 60, for the
  • the compensation variable comprises a linear equation of the pairs (Xi, Yi) of the actual value Y, the pump current and the target value X, for the pump current.
  • Figure 3 shows a diagram of a linear curve. Setpoints X for the pump current are plotted on the X axis 64, measured actual values Y are plotted for the pump current on the Y axis 66. Curve 68 represents the best-fitting linear relationship between the two quantities.
  • N 500
  • Xi Xi
  • Y Y
  • the slope of the line is m and the offset of the line is c.
  • the values for m and c that best reproduce the measured data minimize the sum of the square deviations:
  • the solution can be determined as follows:
  • sums of the set values X, for the pump current, sums of the actual values Y, of the pump current, sums of the product of set values X, for the pump current and actual values Y are optionally of the pump current and further sum of the square numbers of the actual values Y, of the pump current are stored in a memory of the signal processing. Based on the sums, the linear equation is determined which contains the pairs (C ,, Y,) of the actual value Y, the pump current and the target value X for the
  • Compensation variable a predetermined number of the most current pairs of the actual value Y, the pump current and the current value supplied to the current source target value X, for the pump current.
  • N points for the calibration and the system constantly delivers new pairs of values, for example because a new value is measured at predetermined time intervals of 100 ms or at other time intervals. As long as less than N points have been collected, the following calculation is carried out for each newly determined point (NewX, NewY):
  • FIG. 4 shows a diagram of a pump current measurement with a fault
  • FIG. 5 shows a diagram of a pump current measurement without a fault
  • setpoint values X for the pump current are plotted on the X axis 64
  • the measured voltage drop across the measuring resistor for detecting the actual values Y is on the Y axis 66 , plotted for the pump current.
  • the curve 70 in FIG. 4 represents the relationship between the two quantities when there is a disturbance in the measurement.
  • the curve 72 in FIG. 5 shows the relationship between the two quantities when there is a disturbance in the measurement. Without a disturbance, the curve 72 shows an im Mainly linear relationship between the sizes
  • curve 70 in FIG. 4 shows a course deviating from a linear relationship between the quantities.
  • the method therefore also includes determining a disturbance in the measurement of the actual values Y, the pump current based on a square of the standard deviation of the pairs of the actual value of the pump current Y and the target value X, for the pump current.
  • the method presented is the statistical error of the pump current by a factor smaller.
  • the reduction in the statistical error of the pump current has no negative consequences on the dynamics of the pump current.
  • the Dynamics are included in the target values X for the pump current and are not affected by the method presented here.
  • the method can also determine the statistical error of the back measurement.
  • the variance, square of the standard deviation, of the collected points around the optimal linear curve can be determined as follows:
  • the current back measurement can be disturbed, for example, by electromagnetic radiation. With the variance mentioned, such a disturbance can be detected and a replacement measure initiated. You could

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor (100) umfasst ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das Sensorelement (10) weist einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) auf, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels einer Stromquelle (60) ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei eine Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom ermittelt wird, wobei weiterhin mittels einer Signalverarbeitung eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigiertes Messsignal bestimmt wird, wobei aus dem korrigierten Messsignal die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Ist-Wert (Yi) des Pumpstroms und einem der Stromquelle (60) zugeführten Soll-Wert (Xi) für den Pumpstrom, wobei zumindest der Ist-Wert (Yi) des Pumpstroms diskontinuierlich gemessen wird.

Description

Beschreibung
Titel
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES AUF FESTELEKTROLYTEN BASIERENDEN ELEKTROCHEMISCHEN SENSORS
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem
Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines
Sauerstoffanteils in dem Messgasteil. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des
Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere Sensoren mit keramischen Sensorelementen bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf Ionen leitenden
Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen
Festkörpern um keramische Festei ektrolyte handeln, wie beispielsweise
Zirkoniumdioxid (Zr02), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an
Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder Siliziumoxid (Si02) enthalten können. Beispielsweise können derartige Sensoren als so genannte Lambdasonden ausgestaltet sein, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, bekannt sind. Mit Breitband- Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft- Kraftstoff- Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl l beschreibt dieses Luft- Kraftstoff- Verhältnis.
Die Breitband-Lambdasonde misst die Sauerstoffkonzentration oder die
Konzentration von Reduktionsmittel in einem Messgas. Für den emissions optimalen Betrieb eines Verbrennungsmotors ist die Information des
Restsauerstoffes im Abgas von hoher Bedeutung. Für den Betrieb einer
Breitband-Lambdasonde wird diese an einen speziell für diesen Zweck erstellten Auswertebaustein (ASIC) eines Steuergeräts angeschlossen. Die Hauptaufgabe des ASICs ist es, die Nernstspannung, gemessen zwischen der
Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode, auf einen gewissen Zielwert, meistens 450 mV, einzuregeln. Die Stellgröße mit der die Nernstspannung eingeregelt werden soll, ist der Pumpstrom, der vom ASIC zwischen der äußeren Pumpelektrode und der inneren Pumpelektrode getrieben werden muss. Wenn die Nernstspannung nahe an ihrem Zielwert liegt, ist der dafür nötige Pumpstrom ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas. Eine genaue Bestimmung des Pumpstroms ist daher die unumgängliche Voraussetzung für eine genaue Bestimmung der 02- Konzentration im Abgas.
Die Pumpstromquelle nimmt vom Nernstspannungs- Regler einen digitalen Soll- Pumpstrom Wert entgegen und soll diesen dann durch die Sonde treiben. Eine Stromquelle, die einen kontinuierlichen, einstellbaren Strom treibt, wird auch DAC Stromquelle genannt.
Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren und Verfahren zum Betreiben derselben, beinhalten diese noch
Verbesserungspotenzial. Der ASIC misst die Nernstspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Pumpelektrode. Der gemessene Wert ist der Haupteingang in einen PID-Regler. Dieser ermittelt mit dem neusten
Nernstspannungswert einen neuen Sollwert für den Pumpstrom. Dieser Sollwert wird an die DAC-Stromquelle übergeben, die daraufhin einen Strom von der äußeren Pumpelektrode zur inneren Pumpelektrode treibt, was der sogenannte Pumpstrom ist. Der tatsächlich geflossene Strom kann an einem Messwiderstand gemessen werden. Wenn der Zusammenhang zwischen digitalem Eingang und physikalischem Ausgang der DAC-Stromquelle alle Genauigkeitsanforderungen erfüllt, ist der digitale Sollwert ausreichend, um den physikalischen fließenden Strom zu bestimmen. Die Genauigkeitsanforderungen an die Messung des Pumpstroms sind sehr hoch und müssen bei verschiedenen Temperaturen, variierenden Versorgungsspannungen und sehr hohen Stückzahlen eingehalten werden. Daher ist solch eine genaue Stromquelle relativ teuer. Alternativ kann der physikalisch fließende Strom mit Hilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC = Analog Digitial Converter) und eines Messwiderstandes gemessen werden.
Wenn der Strom nicht mehr basierend auf dem Sollstrom, sondern auf dem gemessenen Strom ermittelt wird, sind die Anforderungen an die DAC- Stromquelle deutlich geringer und diese kann billiger realisiert werden. Um eine vollständige Information über den fließenden Pumpstrom zu haben, ist es notwendig den Pumpstrom kontinuierlich oder mindestens einmal pro Sollwert zu messen. Da der ASIC noch viele andere Messungen machen muss, wie z.B. Messung der Nernstspannung und Pumpspannung, kann daher mit einem einzigen ADC eine kontinuierliche Strommessung oft nicht realisiert werden. Entweder ist ein zweiter ADC notwendig oder ein sehr schneller ADC. In beiden Fällen steigen damit die Kosten des ASICs. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei einer Störung der Rückmessung durch z.B. EMV-Einstrahlung, die
beispielsweise am Kabelbaum einkoppelt, kein guter Ersatzwert zur Verfügung gestellt werden kann. In diesem Fall kann der ermittelte Pumpstrom nicht für die 02- Konzentrationsbestimmung verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorelements zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Verfahren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem eine genaue Bestimmung des Pumpstroms ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem
Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases. Das
Sensorelement weist einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine
Nernstzelle auf. Die Pumpzelle weist eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode auf. Mittels einer Stromquelle wird ein Pumpstrom durch die Pumpzelle getrieben. Eine Nernstspannung der Nernstzelle wird geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. Weiterhin wird mittels einer Signalverarbeitung eine Kompensationsgröße bestimmt. Aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße wird mindestens ein korrigiertes Messsignal bestimmt. Aus dem korrigierten Messsignal wird die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt. Die
Kompensationsgröße ist zumindest teilweise abhängig von einem Ist-Wert des Pumpstroms und einem der Stromquelle zugeführten Soll-Wert für den
Pumpstrom. Zumindest der Ist-Wert des Pumpstroms wird diskontinuierlich gemessen.
Bei einer Weiterbildung wird der Ist-Wert des Pumpstroms an einer Position zwischen dem Ausgang der Stromquelle und einer virtuellen Masse gemessen.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Kompensationsgröße mehrere Paare aus Ist- Wert des Pumpstroms und der Stromquelle zugeführten Soll-Wert für den Pumpstrom.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Kompensationsgröße eine vorbestimmte Anzahl an aktuellsten Paaren aus Ist-Wert des Pumpstroms und der Stromquelle zugeführten Soll-Wert für den Pumpstrom.
Bei einer Weiterbildung umfasst die Kompensationsgröße eine lineare Gleichung der Paare aus Ist-Wert des Pumpstroms und Soll-Wert für den Pumpstrom.
Bei einer Weiterbildung werden für die Bestimmung der linearen Gleichung Summen der Soll-Werte für den Pumpstrom, Summen der Ist-Werte des Pumpstroms, Summen des Produkts aus Soll-Werte für den Pumpstrom und Ist- Werte des Pumpstroms und weiterhin Summen der Quadratzahlen der Ist-Werte des Pumpstroms in einem Speicher der Signalverarbeitung gespeichert.
Bei einer Weiterbildung wird basierend auf den Summen diejenige lineare Gleichung ermittelt, welche die Paare aus Ist-Wert des Pumpstroms und Soll- Wert für den Pumpstrom am besten reproduziert.
Bei einer Weiterbildung umfasst das Verfahren weiterhin Ermitteln einer Störung der Messung der Ist-Werte des Pumpstroms basierend auf einem Quadrat der Standardabweichung der Paare aus Ist-Wert des Pumpstroms und Soll-Wert für den Pumpstrom.
Weiterhin wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Weiterhin wird ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
Weiterhin wird ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.
Weiterhin wird ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, vorgeschlagen. Der Sensor umfasst ein Sensorelement zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement einen Festelektrolyten, eine Pumpzelle und eine Nernstzelle aufweist, wobei die Pumpzelle eine äußere Pumpelektrode und eine innere Pumpelektrode aufweist, wobei der Sensor weiterhin ein elektronisches Steuergerät aufweist oder mit einem elektronischen Steuergerät verbunden ist.
Unter einem Festelektrolytkörper ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit ionenleitenden Eigenschaften, zu verstehen, beispielsweise sauerstoffionen- leitenden Eigenschaften. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln. Beispielsweise kann der Festelektrolytkörper stabilisiertes Zirkoniumdioxid und/oder scandiumstabilisiertes Zirkoniumdioxid aufweisen. Der Festelektrolytkörper kann auch aus mehreren
Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Schicht ist dabei eine einheitliche Masse in flächenhafter Ausdehnung in einer gewissen Höhe zu verstehen, die über, unter oder zwischen anderen Elementen liegt.
Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten oder eine Spannung gemessen werden kann.
Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metallkeramikelektrode auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem
Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialien sind Platincermet- Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter einer Nernstzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Messzelle zu verstehen, die einen Festelektrolyten als
Membran zwischen zwei Elektroden verwendet. Dabei nutzt man die Eigenschaft des Festelektrolyten, ab einer bestimmten Temperatur Ionen des zu messenden Messgases, wie beispielsweise Sauerstoffionen, elektrolytisch von der einen Elektrode zu der anderen transportieren zu können, wodurch eine sogenannte Nernstspannung entsteht. Durch diese Eigenschaft lässt sich der Unterschied des Partialdrucks des Messgases auf den verschiedenen Seiten der Membran bestimmen. Bei der Lambdasonde wird eine Seite der Membran dem Messgas ausgesetzt, während die andere Seite an einer Referenz liegt.
Unter einer Pumpzelle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Zelle zu verstehen, bei der ein Gehalt einer Komponente des Messgases, wie beispielsweise Sauerstoff, in einem Messspalt einerseits über das Messgas, das durch einen Diffusionskanal einwirkt, bestimmt und andererseits durch den Stromfluss der Pumpzelle beeinflusst wird. Durch den Pumpstrom wird je nach Polarität Messgas von der Messgasseite der
Festelektrolyt- Membran in den Messspalt gepumpt bzw. aus diesem
herausbefördert. Dabei wird der Pumpstrom durch einen äußeren Regler so geregelt, dass der Lambdawert im Messgas den Messgasstrom durch den Diffusionskanal genau ausgleicht und das Messgas im Messspalt konstant bei einem vorbestimmten Wert wie beispielsweise l = 1 hält. Ein Lambdawert von 1 im Messspalt ist beispielsweise immer dann gegeben, wenn die Spannung an der Nernstzelle 0,45 V beträgt. Der Pumpstrom pumpt bei fettem Gemisch Messgasionen in das Messgas im Messspalt hinein, bei magerem Gemisch heraus.
Unter einer diskontinuierlichen Messung des Pumpstroms ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine nicht-durchgängige Messung des Pumpstroms zu verstehen. Entsprechend werden mehrere Messungen des Pumpstroms mit zeitlichen Unterbrechungen dazwischen vorgenommen. Die zeitlichen
Unterbrechungen können identisch groß oder variabel gestaltet sein.
Unter einem Heizelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, das zum Erwärmen des Festelektrolyten und der Elektroden auf mindestens ihre Funktionstemperatur und vorzugsweise auf ihre
Betriebstemperatur dient. Die Funktionstemperatur ist diejenige Temperatur, ab der der Festelektrolyt für Ionen leitend wird und ungefähr 350 °C beträgt. Davon ist die Betriebstemperatur zu unterscheiden, die diejenige Temperatur ist, bei der das Sensorelement üblicherweise betrieben wird und die höher ist als die Funktionstemperatur. Die Betriebstemperatur kann beispielsweise 700 °C bis 950 °C sein.
Das Heizelement kann einen Heizbereich und mindestens eine Zuleitungsbahn umfassen. Unter einem Heizbereich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Bereich des Heizelements zu verstehen, der in dem Schichtaufbau entlang einer zu der Oberfläche des Sensorelements senkrechten Richtung mit einer Elektrode überlappt. Üblicherweise erwärmt sich der Heizbereich während des Betriebs stärker als die Zuleitungsbahn, da dieser einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, so dass diese unterscheidbar sind. Die unterschiedliche Erwärmung kann also beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Heizbereich einen höheren elektrischen Widerstand aufweist als die
Zuleitungsbahn. Der Heizbereich und/oder die Zuleitung sind beispielsweise als elektrische Widerstandsbahn ausgebildet und erwärmen sich durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Das Heizelement kann beispielsweise aus einem Platincermet hergestellt sein.
Unter einem ASIC (= application-specific integrated Circuit) ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine anwendungsspezifische integrierte elektronische Schaltung zu verstehen, die als integrierter Schaltkreis realisiert ist. Die Funktion eines ASICs wird somit in den meisten Fällen nicht mehr verändert.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, ein gelegentliches
Rückmessen des Pumpstroms durchzuführen. Beim gelegentlichen Rückmessen wird die Vollständigkeit der digitalen Sollwerte mit der Genauigkeit einer gelegentlichen Rückmessung des Pumpstroms kombiniert. Kern der Idee ist es, die DAC-Stromquelle mit einer gelegentlichen Rückmessung zu kalibrieren, das heißt den Zusammenhang zwischen Sollwert der DAC-Stromquelle und dem physikalischen Ausgang zu bestimmen. Dieser Zusammenhang wird dann auf alle digitalen Sollwerte angewandt, um den physikalischen fließenden Strom zu bestimmen. Der Vorteil dabei ist, dass die DAC-Stromquelle keine hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllen muss und gleichzeitig der ADC nur gelegentlich eine Strommessung machen muss und so genügend Zeit hat, alle anderen notwendigen Messungen durchzuführen. Durch beide Vorteile kann ein günstigerer ASIC realisiert werden als bei den oben beschriebenen Alternativen. Außerdem kann das Verfahren selbst bei einer gestörten Rückmessung gute Ersatzwerte zur Verfügung stellen, so dass die Pumpstromgenauigkeit kaum darunter leidet.
Es wird entsprechend ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem eine DAC- Stromquelle mittels gelegentlicher Messung des getriebenen Pumpstroms kalibriert werden kann. Die dabei ermittelten Eigenschaften der DAC-Stromquelle können dann auch für die Sollwerte angewandt werden, die nicht direkt gemessen wurden. Das Verfahren kalibriert die DAC-Stromquelle immer mit den aktuellsten gemessenen Paaren aus Sollwert und gemessenem Pumpstrom und kann dadurch nicht nur Herstellungstoleranzen der DAC-Stromquelle, sondern auch deren Temperaturgang kompensieren. Dier Erfindung ermittelt einen sehr genauen Pumpstrom und damit auch eine sehr genaue 02- Konzentration im Abgas.
Der Kern des Verfahrens ist, die DAC-Stromquelle durch eine gelegentliche Strommessung zu kalibrieren. Dazu sammelt das Verfahren Wertepaare aus digitalem Sollwert und physikalisch fließendem Strom der DAC-Stromquelle. Aus den letzten z.B. 100 Wertepaaren ermittelt das Lernverfahren den optimalen linearen Zusammenhang zwischen DAC-Eingang und -Ausgang. Der lineare Zusammenhang ist durch eine Steigung und einen Offset der DAC-Stromquelle gegeben. Der lineare Zusammenhang kann dann dazu verwendet werden alle Sollwerte der DAC-Stromquelle in einen physikalisch fließenden Strom umzurechnen.
Vorteile des Verfahrens sind:
Die DAC Stromquelle muss keine hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllen und kann daher relativ günstig realisiert werden. Die Rückmessung muss nur gelegentlich erfolgen und kann ein relativ hohes Rauschen (= statistischer Fehler) beinhalten. Da die Eigenschaften der DAC-Stromquelle sich nicht sehr schnell ändern, kann in deren Bestimmung eine große Anzahl an Punkten verwendet werden (z.B. 100). Damit könnten statistische Fehler der
Rückmessung quasi komplett eliminiert werden. Auf die Dynamik des
Pumpstroms hat diese Mittelwertbildung keinen Einfluss, da die digitalen
Sollwerte die volle Dynamik enthalten und diese direkt und ohne Mittelung in einen physikalisch fließenden Pumpstrom umgerechnet werden. Die
gelegentliche, kurze Rückmessung kann mit dem bereits existierenden ADC des ASICs durchgeführt werden. Damit können die Zusatzkosten eines zusätzlichen ADCs vermieden werden. Da das Verfahren nur die letzten (z.B. 100) gesammelten Werte für die Kalibration verwendet, können nicht nur
Herstellungstoleranzen der DAC-Stromquelle kompensiert werden, sondern auch der Temperaturgang der Stromquelle vollkommen ausgeglichen werden. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass nicht alle gesammelten Paare explizit gespeichert werden müssen, sondern nur vier unterschiedliche Summen der gesammelten Werte im Speicher abgelegt werden müssen. Die Anzahl der gesammelten Wertepaare hat keinen Einfluss auf den
Speicherverbrauch. Das Verfahren kann zusätzlich die Qualität der
Strommessung bewerten. Zeigt die Strommessung einen zu großen statistischen Fehler, z.B. durch EMV-Störeinkopplungen in den Kabelbaum, kann das Lernen angehalten werden. In diesem Fall können die zuletzt bestimmten Eigenschaften der DAC-Stromquelle verwendet werden um auch während einer gestörten Strommessung ein gutes Pumpstromsignal zu Verfügung zu stellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt eines Sensors,
Figur 2 ein schematisches Schaltbild des Sensors und eines Steuergeräts,
Figur 3 ein Diagramm einer linearen Kurve,
Figur 4 ein Diagramm einer Pumpstrommessung mit Störung und Figur 5 ein Diagramm einer Pumpstrommessung ohne Störung. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 100 mit einem
Sensorelement 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 10 kann zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften eines Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ und/oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, sodass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
Das Sensorelement 10 umfasst einen Festelektrolytkörper bzw. Festelektrolyten 12. Das Sensorelement 10 weist weiterhin einen Gaszutrittsweg 14 auf. Der Gaszutrittsweg 14 weist ein Gaszutrittsloch 16 auf, das sich von einer
Außenseite oder Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 ins Innere des
Festelektrolyten 12 erstreckt. In dem Festelektrolyten 12 ist ein
Elektrodenhohlraum 20 vorgesehen, der an das Gaszutrittsloch 16 angrenzt und mit diesem verbunden ist. Der Elektrodenhohlraum 20 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet. Der Elektrodenhohlraum 20 ist Teil des
Gaszutrittswegs 14 und kann über das Gaszutrittsloch 16 mit dem Messgasraum in Verbindung stehen. Beispielsweise erstreckt sich das Gaszutrittsloch 16 als zylindrisches Sackloch senkrecht zu der Oberfläche 18 des Festelektrolyten 12 in das Innere des Festelektrolyten 12. Zwischen dem Gaszutrittsloch 16 und dem Elektrodenhohlraum 20 ist ein Kanal 22 angeordnet, welcher ebenfalls
Bestandteil des Gaszutrittswegs 14 ist. Der Kanal 22 bzw. der
Elektrodenhohlraum 20 ist radial bzw. senkrecht bezüglich des Gaszutrittslochs 16 angeordnet. In diesem Kanal 22 ist eine Diffusionsbarriere 24 angeordnet. Die Diffusionsbarriere 24 vermindert oder verhindert sogar ein Nachströmen von Messgas aus dem Messgasraum in den Elektrodenhohlraum 20 und ermöglicht lediglich eine Diffusion des Messgases. In den Festelektrolytkörper 12 und von dem Elektrodenhohlraum 20 getrennt ist ein Referenzgaskanal 26 bzw.
Abluftkanal ausgebildet. Des Weiteren weist das Sensorelement 10 ein Heizelement 28 auf. Das
Heizelement 28 ist in einer gedachten Verlängerung der Richtung, in der sich das Gaszutrittsloch 16 erstreckt, in dem Festelektrolytkörper 12 unterhalb des Elektrodenhohlraums 20 und des Referenzgaskanals 26 angeordnet. Das Heizelement 28 weist einen Heizbereich 30, eine erste Zuleitungsbahn 32 und eine zweite Zuleitungsbahn 34 auf. Die erste Zuleitungsbahn 32 ist dabei mit einem Pluspol 36 des Heizbereichs 30 verbunden. Die zweite Zuleitungsbahn 34 ist mit einem Minuspol 38 des Heizbereichs 30 verbunden.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Pumpzelle 40 auf. Die Pumpzelle 40 weist eine erste Elektrode, die als äußere Pumpelektrode 42, und eine zweite Elektrode, die als innere Pumpelektrode 44 bezeichnet wird, auf. Die äußere Pumpelektrode 42 ist auf der dem Messgas aussetzbaren Oberfläche 18 des Festelektrolytkörpers 12 angeordnet. Die innere Pumpelektrode 44 ist in dem Elektrodenhohlraum 20 auf einer der äußeren Pumpelektrode 42 zugewandten Seite angeordnet. Die Pumpzelle 40 umfasst weiterhin den Teil des
Festelektrolyten 12 zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der innere Pumpelektrode 44. Über die Diffusionsbarriere 24 lässt sich ein Grenzstrom in der Pumpzelle 40 einstellen. Der Grenzstrom stellt dabei einen Stromfluss zwischen der äußeren Pumpelektrode 42 und der inneren Pumpelektrode 44 über den Festelektrolyten 12 zwischen diesen dar.
Das Sensorelement 10 weist weiterhin eine Nernstzelle 46 auf. Die Nernstzelle 46 umfasst eine dritte Elektrode 48 und eine vierte Elektrode 50. Die dritte Elektrode 48 befindet sich dabei angrenzend an den Heizbereich 30 des
Heizelements 28 in dem Elektrodenhohlraum 20. In dem Referenzgaskanal 26 ist die vierte Elektrode 50 angeordnet. Die vierte Elektrode 50 kann als sogenannte gepumpte Referenz in dem Referenzgaskanal 26 angeordnet sein. Das heißt, der Referenzgaskanal 26 ist kein makroskopischer Referenzgaskanal, sondern eine gepumpte Referenz, d.h. eine künstliche Referenz. Die innere
Pumpelektrode 44 und die dritte Elektrode 48 sind dabei über den
Festelektrolytkörper 12 miteinander gekoppelt. Die dritte Elektrode 48, die vierte Elektrode 50 und der Teil des Festelektrolyten 12 zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 bilden beispielsweise die Nernstzelle 46. Mittels der Pumpzelle 40 kann beispielsweise ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 derart eingestellt werden, dass in dem Elektrodenhohlraum 20 die Bedingung l = 1 oder eine andere bekannte Zusammensetzung herrscht. Diese
Zusammensetzung wird wiederum von der Nernstzelle 46 erfasst, indem eine Nernstspannung zwischen der dritten Elektrode 48 und der vierten Elektrode 50 gemessen wird. Da in dem Referenzgaskanal 26 oder in der vierten Elektrode 50, die als Referenzelektrode dient, ein Sauerstoffüberschuss herrscht, kann anhand der gemessenen Spannung auf die Zusammensetzung in dem
Elektrodenhohlraum 20 geschlossen werden. Entsprechend dem beschriebenen Aufbau kann die dritte Elektrode 48 als Nernstelektrode und die vierte Elektrode 50 als Referenzelektrode bezeichnet werden.
Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung des Aufbaus des Sensorelements 10 ergibt, ist dieses als sogenannter Zweizeiler ausgebildet, bei dem die
Pumpzelle 40 und die Nernstzelle 46 getrennt ausgebildet sind. Alternativ kann das Sensorelement 10 als sogenannter Einzeller ausgebildet sein, bei dem Pumpzelle 40 und Nernstzelle 46 kombiniert sind. Ein solcher Einzeller benötigt für seine Funktion lediglich zwei Elektroden. Im Vergleich zu dem vorstehend beschriebenen Aufbau eines Zweizeilers entfallen die erste Elektrode 42 und die zweite Elektrode 44. Dabei dient die dritte Elektrode 48 als innere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Nernstelektrode der Nernstzelle 46, da diese auf einer gemeinsamen Leitung liegen. Die vierte Elektrode 50 dient dabei als äußere Pumpelektrode der Pumpzelle 40 und als Referenzelektrode der Nernstzelle 46.
Figur 2 zeigt ein schematisches Schaltbild des Sensors 100 und eines
Steuergeräts 52. Das Steuergerät 52 umfasst einen ASIC 54. Der ASIC 54 umfasst einen Analog-Digital-Wandler 56, einen Regler 58, eine Stromquelle 60 und eine virtuelle Masse 62. Der Regler 58 ist bei der gezeigten
Ausführungsbeispiel ein PID-Regler, kann jedoch grundsätzlich alternativ eine andere Art von Regler sein, wie beispielsweise ein PI-Regler. Der Sensor 100 ist an Pins RE, APE und IPE an den ASIC 54 angeschlossen. Die Nernstzelle 46 ist dabei an die Pins RE und IPE angeschlossen und die Pumpzelle 40 ist an die Pins IPE und APE angeschlossen. Der ASIC 54 misst die Nernstspannung zwischen RE und IPE. Die Pins RE und IPE sind mit dem Eingang des Analog- Digital-Wandlers 56 verbunden. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 56 ist mit dem Eingang des Reglers 58 verbunden. Der gemessene Wert der Nernstspannung ist der Haupteingang in den Regler 58. Der Ausgang des Reglers 58 ist mit dem Eingang der Stromquelle 60 verbunden. Der Ausgang der Stromquelle 60 ist mit dem Pin APE verbunden. Der Regler 58 ermittelt mit dem neusten Nernstspannungswert einen neuen Sollwert für den Pumpstrom. Dieser Sollwert wird an die Stromquelle 60 übergeben, die daraufhin einen Strom von APE zur IPE treibt, den sogenannten Pumpstrom. Der tatsächlich geflossene Strom kann an einem Messwiderstand R_mVG gemessen werden, indem die abfallende Spannung über den Widerstand R_mVG gemessen wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mittels der Stromquelle 60 ein Pumpstrom durch die Pumpzelle 40 getrieben. Die Nernstspannung der
Nernstzelle 40 wird geregelt. Ein Messsignal des Sensorelements 10 wird basierend auf dem Pumpstrom ermittelt. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, wird weiterhin mittels einer Signalverarbeitung des
Steuergeräts 52 eine Kompensationsgröße bestimmt. Aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße wird mindestens ein korrigiertes Messsignal bestimmt. Aus dem korrigierten Messsignal wird die Eigenschaft des Messgases in dem Messgasraum bestimmt. Die Kompensationsgröße ist zumindest teilweise abhängig von einem Ist-Wert Y, des Pumpstroms und einem der Stromquelle 60 zugeführten Soll-Wert X, für den Pumpstrom. Zumindest der Ist-Wert Y, des Pumpstroms wird diskontinuierlich gemessen. Beispielsweise wird der Ist-Wert Y, des Pumpstroms an einer Position zwischen dem Ausgang der Stromquelle 60 und einer virtuellen Masse gemessen. Die virtuelle Masse befindet sich der Pumpzelle 40 nachgeschaltet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Pumpstrom an dem Messwiderstand R_mVG gemessen. Grundsätzlich funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig davon, wo der Strom gemessen wird. Es ist nur wichtig, dass die Strommessung den korrekten Strom misst und keine zusätzlichen unbekannten Stromkomponenten in der Messung enthalten sind.
Die Kompensationsgröße umfasst mehrere Paare (Xi, Y,) aus Ist-Wert Y, des Pumpstroms und der Stromquelle 60 zugeführten Soll-Wert X, für den
Pumpstrom. Die Kompensationsgröße umfasst eine lineare Gleichung der Paare (Xi, Yi) aus Ist-Wert Y, des Pumpstroms und Soll-Wert X, für den Pumpstrom. Figur 3 zeigt ein Diagramm einer linearen Kurve. Auf der X-Achse 64 sind Soll- Werte X, für den Pumpstrom aufgetragen auf der Y-Achse 66 sind gemessene Ist-Werte Y, für den Pumpstrom aufgetragen. Die Kurve 68 stellt den am besten passenden linearen Zusammenhang zwischen den beiden Größen dar.
Beispielsweise wurden N, wie beispielsweise N = 500, Wertepaare (Xi, Y,) gesammelt. Zwischen beiden Größen wird ein linearer Zusammenhang angenommen in der Form:
U = m X + c
Die Steigung der Gerade ist m und der Offset der Geraden ist c. Die Werte für m und c, die die gemessenen Daten am besten reproduzieren minimieren die Summe der Quadratabweichungen:
Figure imgf000017_0001
Die Lösung kann folgendermaßen bestimmt werden:
Figure imgf000017_0002
Die Lösung der beiden Gleichungen ist durch folgende Ausdrücke gegeben:
Figure imgf000017_0003
Mit diesen Formeln (lineare Regression) kann für einen gegeben Satz an Wertepaaren (C,, Y,) diejenige lineare Gleichung, welche die Wertepaare (C,, Y,) am besten reproduziert, sehr einfach bestimmt werden.
Optional werden für die Bestimmung der linearen Gleichung Summen der Soll- Werte X, für den Pumpstrom, Summen der Ist-Werte Y, des Pumpstroms, Summen des Produkts aus Soll-Werte X, für den Pumpstrom und Ist-Werte Y, des Pumpstroms und weiterhin Summen der Quadratzahlen der Ist-Werte Y, des Pumpstroms in einem Speicher der Signalverarbeitung gespeichert. Dabei wird basierend auf den Summen diejenige lineare Gleichung ermittelt, welche die Paare (C,, Y,) aus Ist-Wert Y, des Pumpstroms und Soll-Wert X, für den
Pumpstrom am besten reproduziert. Diese Option beruht auf der Erkenntnis , dass es auffällig ist, dass für die Bestimmung von Steigung m und Offset c nicht alle Wertepaare (C,, Y,) explizit im Speicher vorhanden sein müssen. Es ist vollkommen ausreichend wenn die oben genannten Summen bekannt sind, beispielsweise in der Form:
Figure imgf000018_0001
Wenn ein neues Wertepaar (C,, Y,) verfügbar ist, müssen die oben genannten Summen nur um die neuen Werte C,, Y, erweitert werden, und dann
anschließend die neusten Werte C,, Y, für Steigung m und Offset c berechnet werden. Wenn man dies über einen langen Zeitraum macht, stoßen die Summen allerdings an ihre Implementierungsschwelle. Außerdem würden dann alte Punkte mit dem gleichen Gewicht weiterhin für die Bestimmung des besten linearen Zusammenhangs verwendet werden. Daher umfasst die
Kompensationsgröße eine vorbestimmte Anzahl an aktuellsten Paaren aus Ist- Wert Y, des Pumpstroms und der Stromquelle zugeführten Soll-Wert X, für den Pumpstrom. Um ein Vergessen alter Werte zu ermöglichen und die Summen vor Überlauf zu schützen, wird bevorzugt folgende Updateregel verwendet:
Angenommen man möchte N Punkte für die Kalibration verwenden und das System liefert ständig neue Wertepaare, da beispielsweise in vorbestimmten zeitlichen Abständen von 100 ms oder in anderen zeitlichen Abständen ein neuer Wert gemessen wird. Solange weniger als N Punkte gesammelt wurden, wird für jeden neu ermittelten Punkt (NewX, NewY) folgende Rechnung durchgeführt:
SumX := SumX + NewX.
Wenn bereit N Punkte gesammelt wurden, wird die Summe folgendermaßen berechnet: SumX:= SumX *(N-1)/N + New X.
Damit verlieren alte Werte an Gewicht und die zuletzt gesammelten Werte habe das höchste Gewicht. Mit diesem Verfahren kann man vermeiden, die N
Wertepaare explizit im Speicher zu hinterlegen, und das Lernverfahren damit ressourcen-schonend umsetzen.
Figur 4 zeigt ein Diagramm einer Pumpstrommessung mit Störung und Figur 5 zeigt ein Diagramm einer Pumpstrommessung ohne Störung. In den Figuren 4 und 5 ist wie auch in Figur 3 jeweils auf der X-Achse 64 Soll-Werte X, für den Pumpstrom aufgetragen und auf der Y-Achse 66 ist jeweils der gemessene Spannungsabfall über den Messwiderstand zum Erfassen der Ist-Werte Y, für den Pumpstrom aufgetragen. Die Kurve 70 in Figur 4 stellt den Zusammenhang zwischen den beiden Größen bei Vorliegen einer Störung der Messung dar. Die Kurve 72 in Figur 5 stellt den Zusammenhang zwischen den beiden Größen bei Vorliegen einer Störung der Messung dar. Ohne Störung zeigt die Kurve 72 einen im Wesentlichen linearen Zusammenhang der Größen dar. Bei
Vorhandensein einer Störung zeigt die Kurve 70 in Figur 4 eine von einem linearen Zusammenhang der Größen abweichenden Verlauf.
Optional umfasst das Verfahren daher weiterhin Ermitteln einer Störung der Messung der Ist-Werte Y, des Pumpstroms basierend auf einem Quadrat der Standardabweichung der Paare aus Ist-Wert des Pumpstroms Y, und Soll-Wert X, für den Pumpstrom.
Wenn für die Bestimmung der Eigenschaften der Stromquelle 60 N Punkte verwendet werden und die Stromrückmessung einen statistischen Fehler o, hat, dann haben die Steigung m und der Offset c nur noch einen statistischen Fehler --iJi/VjV Dieser Fehler überträgt sich auch auf den ermittelten Pumpstrom.
Würde man nur auf die Rückmessung des Pumpstroms vertrauen, hätte der Pumpstrom den vollen statistischen Fehler der Rückmessung. Im hier
präsentierten Verfahren wird der statistische Fehler des Pumpstroms um einen Faktor
Figure imgf000019_0001
kleiner. Die Reduktion des statistischen Fehlers des Pumpstroms hat keine negativen Konsequenzen auf die Dynamik des Pumpstroms. Die Dynamik ist in den Soll-Werten X, für den Pumpstrom enthalten und wird vom hier präsentierten Verfahren nicht beeinträchtigt.
Außerdem kann das Verfahren den statistischen Fehler der Rückmessung ermitteln. Die Varianz, Quadrat der Standardabweichung, der gesammelten Punkte um die optimale lineare Kurve herum kann folgendermaßen bestimmt werden:
Figure imgf000020_0001
Die Stromrückmessung kann beispielsweise durch elektromagnetische Strahlung gestört werden. Mit der genannten Varianz kann solch eine Störung detektiert werden und eine Ersatzmaßnahme eingeleitet werden. Man könnte
beispielsweise während der Störung das Lernen anhalten und die letzten Werte für Steigung m und Offset c, die unter gültigen Bedingungen ermittelt wurden, weiter verwenden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (100) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei mittels einer Stromquelle (60) ein Pumpstrom durch die Pumpzelle (40) getrieben wird, wobei eine
Nernstspannung der Nernstzelle (46) geregelt wird, wobei ein Messsignal des Sensorelements (10) basierend auf dem Pumpstrom ermittelt wird, wobei weiterhin mittels einer Signalverarbeitung eine Kompensationsgröße bestimmt wird, wobei aus dem Messsignal und der Kompensationsgröße mindestens eine korrigiertes Messsignal bestimmt wird, wobei aus dem korrigierten Messsignal die Eigenschaft des Messgases in dem
Messgasraum bestimmt wird, wobei die Kompensationsgröße zumindest teilweise abhängig ist von einem Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms und einem der Stromquelle (60) zugeführten Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom, wobei zumindest der Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms diskontinuierlich gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms an einer Position zwischen dem Ausgang der Stromquelle (60) und einer virtuellen Masse gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kompensationsgröße mehrere Paare (C,, Y,) aus Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms und der Stromquelle (60) zugeführten Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Kompensationsgröße eine
vorbestimmte Anzahl an aktuellsten Paaren (C,, Y,) aus Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms und der Stromquelle (60) zugeführten Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Kompensationsgröße eine lineare Gleichung der Paare aus Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms und Soll-Wert (Xi) für den Pumpstrom umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei für die Bestimmung der linearen
Gleichung Summen der Soll-Werte (X,) für den Pumpstrom, Summen der Ist- Werte (Yi) des Pumpstroms, Summen des Produkts aus Soll-Werte (X,) für den Pumpstrom und Ist-Werte (Y,) des Pumpstroms und weiterhin Summen der Quadratzahlen der Ist-Werte (Y,) des Pumpstroms in einem Speicher der Signalverarbeitung gespeichert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei basierend auf den Summen diejenige lineare Gleichung ermittelt wird, welche die Paare (Xi, Y,) aus Ist-Wert des Pumpstroms (IP) und Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom am besten reproduziert.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, weiterhin umfassend Ermitteln einer Störung der Messung der Ist-Werte (Y,) des Pumpstroms basierend auf einem Quadrat der Standardabweichung der Paare aus Ist-Wert (Y,) des Pumpstroms (IP) und Soll-Wert (X,) für den Pumpstrom.
9. Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
10. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorhergehenden Anspruch gespeichert ist.
11. Elektronisches Steuergerät (52) , welches ein elektronisches
Speichermedium nach dem vorhergehenden Anspruch umfasst.
12. Sensor (100) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfassend ein Sensorelement (10) zur Erfassung der Eigenschaft des Messgases, wobei das Sensorelement (10) einen Festelektrolyten (12), eine
Pumpzelle (40) und eine Nernstzelle (46) aufweist, wobei die Pumpzelle (40) eine äußere Pumpelektrode (42) und eine innere Pumpelektrode (44) aufweist, wobei der Sensor (100) weiterhin ein elektronisches Steuergerät (52) nach dem vorhergehenden Anspruch aufweist.
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