DE102011075572A1 - Method for calibrating characteristic curve of sensor element of sensor device to acquire portion of e.g. oxygen from gas mixture in exhaust tract of diesel engine of motor car, involves sensing pumping current to perform calibration - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind Sensorelemente zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Zielgaskomponente eines Gases in einem Messgasraum bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens einer Zielgaskomponente in einem Messgasraum dienen. Beispielsweise kann es sich bei dem Gas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, und bei dem Messgasraum beispielsweise um einen Abgastrakt. Bei dem Sensorelement kann es sich hierbei beispielsweise um eine Lambdasonde, insbesondere um eine Breitband-Lambdasonde, handeln. Lambdasonden sind beispielsweise in
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In der Regel wird die Kennlinie des Sensorelements, insbesondere der Lambdasonde, beispielsweise am Bandende oder im Schubbetrieb, insbesondere bei Diesel-Fahrzeugen, abgeglichen. Durch eine Pumpstrom-Umkehr und/oder ein Hohlraum-Aufpumpen kann ein Pumpstromverlauf Ip(t) in Abhängigkeit der Zeit t und/oder ein Nernstspannungsverlauf UNernst(t) in Abhängigkeit der Zeit t, letzteres insbesondere bei λ = 1, ausgewertet werden. Die bekannten Verfahren sind jedoch insbesondere aufgrund Ihrer Anforderungen an die Messmethode in der Regel schwierig in einer Ansteuerung umzusetzen, insbesondere in einem Motorsteuergerät.In general, the characteristic of the sensor element, in particular the lambda probe, for example, at the end of the tape or in overrun, especially in diesel vehicles, adjusted. By pumping current reversal and / or cavity inflation pumping current Ip (t) as a function of time t and / or a Nernstspannungsverlauf U Nernst (t) as a function of time t, the latter in particular at λ = 1, to be evaluated. However, the known methods are usually difficult to implement in a control, in particular in an engine control unit, in particular due to your requirements for the measurement method.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es werden daher ein Verfahren zum Kalibrieren eines Sensorelements und eine Sensorvorrichtung vorgeschlagen, welche die zu erwartenden Nachteile bekannter Verfahren und Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden und/oder mindern. Unter dem Ausdruck „Kalibrieren“ kann hierbei insbesondere eine Messung verstanden werden, welche insbesondere zu einer Feststellung und/oder zu einer Dokumentation und/oder zu einem Ausgleich einer Abweichung eines Verhaltens der Sensorvorrichtung, insbesondere des Sensorelements, zu einer anderen Sensorvorrichtung verwendet werden kann. Derartige Abweichungen können insbesondere Abweichungen zu einem anderen Sensorelement und/oder einer Norm und/oder einem Mittelwert sein. Abweichungen können beispielsweise aufgrund von Fertigungsstreuungen auftreten. Weiterhin kann das „Kalibrieren“ eine Berücksichtigung der ermittelten Abweichung, insbesondere während einer Benutzung der Sensorvorrichtung, insbesondere des Sensorelements, umfassen, beispielsweise bei der Erfassung des Anteils der Zielgaskomponente. Die Kalibration kann weiterhin einen Kennlinienabgleich umfassen, wobei unter einer Kennlinie beispielsweise ein Zusammenhang zwischen einer Messgröße, beispielsweise einem Pumpstrom, und einem Anteil mindestens einer Zielgaskomponente verstanden werden kann. Bei Breitband-Lambdasonden kann es sich bei der Kennlinie insbesondere um einen linearen Zusammenhang zwischen einem Sauerstoffanteil und dem Pumpstrom handeln. Therefore, a method for calibrating a sensor element and a sensor device are proposed, which at least largely avoid and / or mitigate the expected disadvantages of known methods and devices. The term "calibrate" may in this case be understood to mean, in particular, a measurement which can be used in particular for establishing and / or documenting and / or compensating for a deviation of a behavior of the sensor device, in particular of the sensor element, to another sensor device. Such deviations may in particular be deviations from another sensor element and / or a standard and / or a mean value. Deviations can occur, for example, due to manufacturing variations. Furthermore, the "calibration" may include a consideration of the determined deviation, in particular during use of the sensor device, in particular of the sensor element, for example when detecting the proportion of the target gas component. The calibration can furthermore comprise a characteristic curve adjustment, wherein a characteristic curve can be understood as meaning, for example, a relationship between a measured variable, for example a pumping current, and a component of at least one target gas component. In the case of broadband lambda probes, the characteristic curve may in particular be a linear relationship between an oxygen content and the pumping current.
Bei dem Sensorelement handelt es sich um ein Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Zielgaskomponente eines Gases in einem Messgasraum. Bei dem Sensorelement kann es sich beispielsweise um eine Lambdasonde, insbesondere um eine zweizellige Lambdasonde oder ein Sensorelement mit mehreren Zellen, handeln. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Sensorelement um eine Breitband-Lambdasonde handeln. Bei dem Sensorelement kann es sich jedoch prinzipiell um ein beliebiges Sensorelement handeln, insbesondere ein keramisches Sensorelement mit mindestens einem Festelektrolyten. Beispielsweise können alternativ oder zusätzlich zu Lambdasonden auch ein NOx-Sensor oder andere Arten keramischer Sensorelemente eingesetzt werden. The sensor element is a sensor element for detecting at least a portion of at least one target gas component of a gas in a measurement gas space. The sensor element may be, for example, a lambda probe, in particular a two-cell lambda probe or a sensor element having a plurality of cells. Particularly preferably, the sensor element may be a broadband lambda probe. In principle, however, the sensor element may be any desired sensor element, in particular a ceramic sensor element having at least one solid electrolyte. For example, as an alternative or in addition to lambda probes, it is also possible to use a NOx sensor or other types of ceramic sensor elements.
Unter einer Erfassung kann insbesondere eine Messung verstanden werden, bei welcher der Anteil der mindestens einen Zielgaskomponente des Gases in dem Messgasraum quantitativ ermittelt wird. Bei dem Anteil der mindestens einen Zielgaskomponente kann es sich beispielsweise um einen Partialdruck und/oder einen Prozentsatz der Zielgaskomponente handeln. Bei dem Anteil der Zielgaskomponente kann es sich beispielsweise auch um mehrere Anteile einer Zielgaskomponente handeln. Bei der Zielgaskomponente kann es sich prinzipiell um jedes beliebige Gas handeln, dessen Anteil in dem Gas erfasst werden kann. Bevorzugt kann es sich bei der Zielgaskomponente um Sauerstoff und/oder um Stickoxide handeln. Bei dem Gas kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Gas, insbesondere ein Gasgemisch handeln. Bei dem Gas kann es sich bevorzugt um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. Bei dem Messgasraum kann es sich beispielsweise um einen Abgastrakt handeln. Prinzipiell kann unter einem Messgasraum ein Raum verstanden werden, in welchem sich das Gas befindet. In particular, a measurement can be understood as a measurement in which the proportion of the at least one target gas component of the gas in the measurement gas space is determined quantitatively. The proportion of the at least one target gas component may be, for example, a partial pressure and / or a percentage of the target gas component. The proportion of the target gas component may also be, for example, multiple fractions of a target gas component. In principle, the target gas component may be any gas whose proportion in the gas can be detected. The target gas component may preferably be oxygen and / or nitrogen oxides. The gas may in principle be any gas, in particular a gas mixture. The gas may preferably be an exhaust gas of an internal combustion engine, in particular in the motor vehicle sector. The sample gas space may be, for example, an exhaust tract. In principle, a measuring gas space can be understood as meaning a space in which the gas is located.
Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode und mindestens eine dritte Elektrode. Bei einer Elektrode kann es sich prinzipiell um einen elektrisch leitfähigen Bereich des Sensorelements handeln, welcher beispielsweise mit Strom und/oder Spannung beaufschlagt werden kann. Insbesondere kann es sich um einen elektrisch leitfähigen Bereich handeln, beispielsweise eine elektrisch leitfähige metallische Beschichtung, welcher auf mindestens einen Festelektrolyten aufgebracht ist und/oder in anderer Weise den Festelektrolyten kontaktiert. Die Bezeichnung „erste“, „zweite“ und „dritte“ werden als reine Bezeichnungen verwendet und geben insbesondere keine Auskunft über eine Reihenfolge und/oder darüber, ob beispielsweise noch weitere Elektroden vorhanden sind. Bei der ersten Elektrode kann es sich beispielsweise um eine äußere Pumpelektrode handeln. Bei der zweiten Elektrode kann es sich beispielsweise um eine innere Pumpelektrode handeln. Bei der dritten Elektrode kann es sich beispielsweise um eine Referenzelektrode handeln. The sensor element comprises at least one first electrode and at least one second electrode and at least one third electrode. In principle, an electrode can be an electrically conductive region of the sensor element, which, for example, can be subjected to current and / or voltage. In particular, it may be an electrically conductive region, for example an electrically conductive metallic coating, which is applied to at least one solid electrolyte and / or otherwise contacted the solid electrolyte. The term "first", "second" and "third" are used as pure names and in particular provide no information about an order and / or whether, for example, even more electrodes are present. For example, the first electrode may be an outer pumping electrode. The second electrode may, for example, be an inner pumping electrode. The third electrode may be, for example, a reference electrode.
Die dritte Elektrode ist zumindest teilweise mit einem Referenzgaskanal verbunden. Unter „verbunden“ kann hierbei beispielsweise verstanden werden, dass die dritte Elektrode fluidisch und/oder über eine Gasverbindung mit dem Referenzgaskanal verbunden ist. Unter einem Referenzgaskanal kann prinzipiell ein Raum verstanden werden, welcher beispielsweise mit mindestens einem Umgebungsraum verbunden ist. Bei diesem Umgebungsraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Gasspeicher handeln, insbesondere einen Gasspeicher mit praktisch unveränderlicher Gaszusammensetzung. Besonders bevorzugt kann es sich bei diesem Umgebungsraum um eine Umgebung einer Verbrennungsmaschine handeln. Der Umgebungsraum kann insbesondere von dem Messgasraum getrennt ausgestaltet sein, sodass ein Gasausgleich zwischen dem Umgebungsraum und dem Messgasraum zumindest weitgehend verhindert werden kann, insbesondere auf einer Zeitskala von beispielsweise mindestens 100 Sekunden. In dem Umgebungsraum kann insbesondere Luft vorhanden sein. Die dritte Elektrode kann auf verschiedene Weisen an dem Referenzgaskanal angeordnet sein. So kann die dritte Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet sein, welcher über den Referenzgaskanal mit dem Umgebungsraum verbunden ist. Besonders bevorzugt ist die dritte Elektrode jedoch innerhalb des Referenzgaskanals angeordnet, beispielsweise an einem Ende des Referenzgaskanals. Der Referenzgaskanal kann offen ausgestaltet sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise ausgefüllt sein, beispielsweise mit mindestens einem gasdurchlässigen, porösen Material. Die dritte Elektrode kann beispielsweise als flächige Elektrode auf einer Wand des Elektrodenhohlraums und/oder des Referenzgaskanals angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die dritte Elektrode jedoch auch ganz oder teilweise in dem Elektrodenhohlraum bzw. in dem Referenzgaskanal verteilt vorliegen, beispielsweise indem ein Elektrodenmaterial verwendet wird, welches porös ist und welches den Elektrodenhohlraum und/oder den Referenzgaskanal vollständig oder teilweise ausfüllt. Der Referenzgaskanal kann sich von dem am weitesten von dem Umgebungsraum entfernten Teil der dritten Elektrode bis hin zu dem Umgebungsraum erstrecken. Der Referenzgaskanal kann beispielsweise einen Strömungswiderstand und/oder einen Diffusionswiderstand aufweisen. Unter einem Strömungswiderstand kann dabei beispielsweise derjenige Widerstand verstanden werden, welcher der Referenzgaskanal einer Gesamtdruckdifferenz entgegensetzt. Der Diffusionswiderstand ist beispielsweise derjenige Widerstand, welcher der Referenzgaskanal einer Diffusionsströmung entgegensetzt, welcher beispielsweise durch einen Konzentrationsunterschied, insbesondere einen Partialdruckunterschied, einer Gaskomponente angetrieben werden. Unter einer Gaskomponente ist insbesondere ein beliebiges Gas zu verstehen. Beispielsweise kann es sich bei der Gaskomponente um das gleiche Gas wie bei der Zielgaskomponente handeln, prinzipiell kann es sich bei der Gaskomponente aber auch um ein anderes Gas als bei der Zielgaskomponente handeln.The third electrode is at least partially connected to a reference gas channel. By "connected", it may be understood, for example, that the third electrode is connected fluidically and / or via a gas connection to the reference gas channel. In principle, a reference gas channel can be understood to mean a space which is connected, for example, to at least one surrounding space. In principle, this ambient space can be any gas reservoir, in particular a gas reservoir with virtually invariable gas composition. Particularly preferably, this surrounding space can be an environment of an internal combustion engine. The ambient space can in particular be configured separately from the sample gas space, so that a gas balance between the ambient space and the sample gas space can be at least largely prevented, in particular on a time scale of, for example, at least 100 seconds. In particular, air may be present in the ambient space. The third electrode may be arranged on the reference gas channel in various ways. Thus, the third electrode can be arranged in an electrode cavity, which is connected via the reference gas channel with the surrounding space. However, the third electrode is particularly preferably arranged within the reference gas channel, for example at one end of the reference gas channel. The reference gas channel can be designed to be open, but can also be completely or partially filled, for example with at least one gas-permeable, porous material. The third electrode can be arranged, for example, as a flat electrode on a wall of the electrode cavity and / or the reference gas channel. Alternatively or additionally, however, the third electrode can also be distributed wholly or partly in the electrode cavity or in the reference gas channel, for example by using an electrode material which is porous and which completely or partially fills the electrode cavity and / or the reference gas channel. The reference gas channel may extend from the portion of the third electrode furthest away from the ambient space to the surrounding space. The reference gas channel may, for example, have a flow resistance and / or a diffusion resistance. A flow resistance can be understood, for example, as that resistance which opposes the reference gas channel to a total pressure difference. The diffusion resistance is, for example, that resistance which opposes the reference gas channel to a diffusion flow which is driven, for example, by a concentration difference, in particular a partial pressure difference, of a gas component. Under a gas component is in particular any gas to understand. For example, the gas component may be the same gas as the target gas component, but in principle the gas component may also be a different gas than the target gas component.
Die zweite Elektrode ist mit mindestens einem Hohlraum verbunden. Unter einem Hohlraum kann hierbei insbesondere ein Raum innerhalb des Sensorelements verstanden werden, insbesondere ein Pumpraum, welcher zwar baulich von dem Messgasraum separiert sein kann, welcher aber dennoch mit Gas aus dem Messgasraum beaufschlagt werden kann, beispielsweise über einen Gaszutrittsweg und/oder über eine Diffusionsbarriere. Der Hohlraum kann ganz oder teilweise offen ausgestaltet sein, kann jedoch auch ganz oder teilweise mit mindestens einem gasdurchlässigen Medium ausgefüllt sein, beispielsweise einem porösen Medium, beispielsweise mit porösem Aluminiumoxid. Der Hohlraum kann insbesondere ausgestaltet sein, um einen Vorrat einer Gaskomponente, insbesondere der Zielgaskomponente, zu speichern, bevor dieser Vorrat gegebenenfalls an einen anderen Raum abgegeben wird. The second electrode is connected to at least one cavity. In this case, a cavity can be understood to mean, in particular, a space within the sensor element, in particular a pump space, which may be structurally separated from the measurement gas space, but which can nevertheless be charged with gas from the measurement gas space, for example via a gas access path and / or via a diffusion barrier , The cavity may be wholly or partially open, but may also be wholly or partially filled with at least one gas-permeable medium, for example a porous medium, for example with porous alumina. The cavity may in particular be designed to store a supply of a gas component, in particular the target gas component, before this supply is optionally delivered to another room.
Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über mindestens einen Festelektrolyten verbunden. Bei dem Festelektrolyten kann es sich insbesondere um einen keramischen Festelektrolyt handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Der Festelektrolyt kann vorzugsweise gasundurchlässig sein und/oder kann einen ionischen Transport, beispielsweise einen ionischen Sauerstofftransport, gewährleisten.The first electrode and the second electrode are connected via at least one solid electrolyte. The solid electrolyte may in particular be a ceramic solid electrolyte, such as zirconia, in particular yttrium-stabilized zirconia (YSZ) and / or scandium-doped zirconia (ScSZ). The solid electrolyte may preferably be gas-impermeable and / or may ensure ionic transport, for example ionic oxygen transport.
Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- • mindestens einen Präparationsschritt, wobei in dem Präparationsschritt der Anteil der Zielgaskomponente in dem Messgasraum auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, insbesondere indem eine Luftzahl in dem Messgasraum auf λ = 1 eingestellt wird;
- • mindestens einen Kalibrationsschritt, wobei der Kalibrationsschritt bei bekanntem Anteil einer Gaskomponente des Gases an der dritten Elektrode durchgeführt wird, wobei ein Pumpstrom zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode derart eingestellt wird, dass sich zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode eine vorgegebene Nernstspannung einstellt, wobei der Pumpstrom erfasst wird.
- At least one preparation step, wherein in the preparation step the proportion of the target gas component in the measurement gas space is set to a predetermined value, in particular by setting an air ratio in the measurement gas space to λ = 1;
- At least one calibration step, wherein the calibration step is performed at the known portion of a gas component of the gas at the third electrode, wherein a pumping current between the first electrode and the second electrode is set such that a predetermined Nernstspannung between the second electrode and the third electrode adjusts, wherein the pumping current is detected.
Die Schritte können beispielsweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Auch eine andere Reihenfolge ist denkbar. Weiterhin kann das Verfahren auch einen oder mehrere zusätzliche Schritte umfassen, die hier nicht genannt sind. Weiterhin können auch einzelne, mehrere oder alle Schritte wiederholt, zeitlich parallel oder zeitlich überlappend durchgeführt werden. For example, the steps may be performed in the order shown, but this need not necessarily be the case. Another order is conceivable. Furthermore, the method may also include one or more additional steps that are not mentioned here. Furthermore, individual, several or all steps can also be repeated, overlapping in time or overlapping in time.
Der Präparationsschritt kann bevorzugt eine definierte Zeitausdehnung aufweisen. Bei dem vorgegebenen Wert kann es sich prinzipiell um jeden Wert für den Anteil der Zielgaskomponente, insbesondere einen Prozentwert der Zielgaskomponente und/oder einen Partialdruck, handeln. Bei dem vorgegebenen Wert kann es sich insbesondere um einen Wert handeln, welcher auch mit einem nicht kalibrierten Sensorelement eingestellt werden kann, insbesondere λ = 1. Der vorgegebene Wert kann insbesondere in dem Herstellungsprozess vorgegeben werden, kann beispielsweise aber auch in dem Verfahren zum Kalibrieren generiert werden. Der vorgegebene Wert kann beispielsweise eingestellt werden, insbesondere λ = 1, indem eine Zelle, welche beispielsweise besonders bevorzugt die erste Elektrode und die dritte Elektrode umfasst, als Sprungsonde verwendet wird. Eine Sprungsonde kann allgemein beispielsweise eine Zelle umfassen, welche insbesondere zur Erfassung mindestens einer Gaskomponente und/oder mindestens einer Zielgaskomponente eines Gases in einem Messgasraum dienen kann, wobei die Sprungsonde typischerweise eine sprungförmige Kennlinie aufweist. Sprungsonden arbeiten in der Regel nach dem Prinzip einer elektrochemischen Nernstzelle. The preparation step may preferably have a defined time extent. In principle, the given value may be any value for the proportion of the target gas component, in particular a percentage of the target gas component and / or a partial pressure. In particular, the predetermined value can be a value which can also be set with a non-calibrated sensor element, in particular λ = 1. The predetermined value can be specified in particular in the production process, but can also be used in the method, for example be generated for calibration. The predetermined value can be set, for example, in particular λ = 1, by using a cell, which for example particularly preferably comprises the first electrode and the third electrode, as a jump probe. A jump probe may generally include, for example, a cell, which may serve in particular for detecting at least one gas component and / or at least one target gas component of a gas in a measurement gas space, wherein the jump probe typically has a discontinuous characteristic. Jump probes usually work on the principle of an electrochemical Nernst cell.
Die Luftzahl, insbesondere die Luftzahl λ, beschreibt bevorzugt ein Verhältnis des vorliegenden Anteils der Zielgaskomponente und/oder der Gaskomponente, insbesondere Sauerstoff, zu einem optimalen Anteil, insbesondere beispielsweise für eine vollständig ablaufende Reaktion, beispielsweise in einem Katalysator in einem Kraftfahrzeug. Bei dem Kalibrationsschritt kann es sich insbesondere um einen Verfahrensschritt mit einer definierten Zeitdauer handeln. Bei der Gaskomponente kann es sich um ein beliebiges Gas handeln, insbesondere um Sauerstoff und/oder eine Stickstoffverbindung. Bei der Gaskomponente kann es sich um das gleiche Gas wie bei der Zielgaskomponente handeln. Mit dem Ausdruck „an der dritten Elektrode“ kann insbesondere auch eine Lokalisation in dem Referenzgaskanal verstanden werden. Bei dem bekannten Anteil der Gaskomponente kann es sich beispielsweise um einen Sauerstoffpartialdruck von 0,1 bis 2,0 × Umgebungsdruck handeln, beispielsweise um einen Sauerstoffpartialdruck von 1 × Umgebungsdruck oder einen Sauerstoffpartialdruck von 0,2095 × Umgebungsdruck. The air ratio, in particular the air ratio λ, preferably describes a ratio of the present proportion of the target gas component and / or the gas component, in particular oxygen, to an optimum proportion, in particular for example for a complete reaction, for example in a catalytic converter in a motor vehicle. The calibration step may in particular be a method step with a defined time duration. The gas component may be any gas, in particular oxygen and / or a nitrogen compound. The gas component may be the same gas as the target gas component. The term "at the third electrode" can in particular also be understood as a localization in the reference gas channel. The known proportion of the gas component may, for example, be an oxygen partial pressure of 0.1 to 2.0 × ambient pressure, for example an oxygen partial pressure of 1 × ambient pressure or an oxygen partial pressure of 0.2095 × ambient pressure.
Unter einem Pumpstrom kann insbesondere ein elektrischer Strom verstanden werden, welcher beispielsweise bei einem elektrochemischen Pumpprozess fließen kann. Der Pumpprozess kann beispielsweise insbesondere durch eine Pumpspannung und/oder einen Pumpstrom getrieben sein. Während des Pumpprozesses kann die Gaskomponente und/oder die Zielgaskomponente beispielsweise in ionischer Form in den Festelektrolyt eingebaut werden, beispielsweise in Form von O2–-Ionen. Der Pumpstrom beeinflusst insbesondere einen Anteil einer Gaskomponente in dem Hohlraum. Die Einstellung des Pumpstroms zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode kann insbesondere durch eine Einregelung, insbesondere eine Einregelung auf eine Nernstspannung, erfolgen. Unter einer Nernstspannung kann insbesondere eine elektrische Spannung verstanden werden, welche sich aufgrund von Konzentrationsunterschieden, beispielsweise Unterschieden des Anteils der Gaskomponente oder der Zielgaskomponente, zwischen zwei Elektroden einstellen kann.Under a pumping current, in particular, an electric current can be understood, which can flow, for example, in an electrochemical pumping process. The pumping process may, for example, be driven in particular by a pumping voltage and / or a pumping current. During the pumping process, for example, the gas component and / or the target gas component can be incorporated into the solid electrolyte in ionic form, for example in the form of O 2- ions. In particular, the pumping current influences a proportion of a gas component in the cavity. The adjustment of the pumping current between the first electrode and the second electrode can be effected in particular by a regulation, in particular a regulation to a Nernst voltage. A Nernst voltage may, in particular, be understood as meaning an electrical voltage which, due to differences in concentration, for example differences in the proportion of the gas component or the target gas component, may occur between two electrodes.
Die Kalibrierung wird unter Verwendung des Pumpstroms durchgeführt. In dem Verfahren kann insbesondere eine Kennlinie des Sensorelements abgeglichen werden. Die Kennlinie des Sensorelements beschreibt beispielsweise ein Verhalten des Pumpstroms in Abhängigkeit des Anteils der Zielgaskomponente in dem Messgasraum und/oder des Anteils der Gaskomponente in dem Hohlraum. Ein Abgleich der Kennlinie des Sensorelements kann insbesondere erforderlich sein, um beispielsweise die Erfassung des Anteils der mindestens einen Zielgaskomponente des Gases in dem Messgasraum möglichst genau durchführen zu können. Der Abgleich kann beispielsweise eine Erfassung einer Steigung einer Kennlinie des Sensorelements und/oder einen Vergleich mit Literaturwerten und/oder eine Rechenoperation umfassen.The calibration is performed using the pumping current. In particular, a characteristic curve of the sensor element can be adjusted in the method. The characteristic curve of the sensor element describes, for example, a behavior of the pumping current as a function of the proportion of the target gas component in the sample gas space and / or the proportion of the gas component in the cavity. An adjustment of the characteristic curve of the sensor element may be required, in particular, in order to be able to carry out, for example, the detection of the proportion of the at least one target gas component of the gas in the sample gas space as precisely as possible. The adjustment can include, for example, a detection of a slope of a characteristic curve of the sensor element and / or a comparison with literature values and / or an arithmetic operation.
Das Verfahren kann weiterhin beispielsweise mindestens einen Aufpumpschritt umfassen. Bei dem Aufpumpschritt kann es sich insbesondere um einen Verfahrensschritt mit einer definierten Zeitdauer handeln. In dem Aufpumpschritt wird beispielsweise Sauerstoff, allgemein eine beliebige Gaskomponente, vorzugsweise zu der dritten Elektrode gepumpt. Dies kann insbesondere durch einen Pumpprozess, wie oben beschrieben, erfolgen. Der Pumpprozess kann allgemein beispielsweise durch einen Aufpumpstrom von mindestens einer weiteren Elektrode zu der dritten Elektrode erfolgen. Bei dem Aufpumpstrom kann es sich insbesondere um einen elektrischen Strom von der zweiten Elektrode zu der dritten Elektrode handeln, alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Aufpumpstrom auch um einen elektrischen Strom von der ersten Elektrode zu der dritten Elektrode handeln.The method may further include, for example, at least one inflation step. The pumping step may in particular be a method step with a defined time duration. For example, in the pumping step, oxygen, generally any gas component, is preferably pumped to the third electrode. This can be done in particular by a pumping process, as described above. The pumping process can generally be carried out, for example, by an inflation flow from at least one further electrode to the third electrode. In particular, the pump-up current may be an electric current from the second electrode to the third electrode, alternatively or additionally, the pump-up current may also be an electric current from the first electrode to the third electrode.
Der Aufpumpschritt kann bevorzugt zeitlich vor dem Präparationsschritt durchgeführt werden. Prinzipiell kann aber auch eine andere Reihenfolge gewählt werden. Alternativ kann der Präparationsschritt und der Aufpumpschritt auch zeitlich überlappend durchgeführt werden.The inflation step may preferably be performed prior to the preparation step. In principle, however, a different order can also be selected. Alternatively, the preparation step and the inflation step can also be carried out overlapping in time.
Bei dem Aufpumpschritt kann an der dritten Elektrode ein Sauerstoffpartialdruck von 0,2 bar +/–5% eingestellt werden und/oder ein Sauerstoffpartialdruck, welcher einem Sauerstoffpartialdruck in einem Umgebungsraum entspricht. Diese Variante ist insbesondere bevorzugt, wenn die dritte Elektrode mit dem Umgebungsraum außerhalb des Sensorelements über einen zumindest teilweise mit einem porösen Medium gefüllten Referenzgaskanal verbunden ist, so dass beispielsweise eine Strömung von der dritten Elektrode zu dem Umgebungsraum verhindert wird und lediglich Diffusionsprozesse möglich sind. Alternativ kann der Sauerstoffpartialdruck an der dritten Elektrode auch derart eingestellt werden, dass dieser dem Umgebungsdruck in dem Umgebungsraum entspricht, wobei beispielsweise ebenfalls wieder Toleranzen von +/–5% akzeptabel sein können. Letztere Variante kann insbesondere bevorzugt sein, wenn eine Gasströmung zwischen der dritten Elektrode und dem Umgebungsraum möglich ist, beispielsweise wenn die dritte Elektrode und der Umgebungsraum durch einen offenen Referenzgaskanal verbunden sind, welcher von Gas durchströmt werden kann. Bei dem Umgebungsdruck kann es sich beispielsweise um einen Druck von 0,8 bar bis 1,4 bar handeln, insbesondere von 0,9 bar bis 1,1 bar, beispielsweise 1,013 bar. Der Umgebungsdruck kann beispielsweise ebenfalls von dem Sensorelement erfasst werden, kann jedoch auch durch ein anderes Sensorelement, insbesondere einen Drucksensor, erfasst werden. Bei dem Umgebungsraum kann es sich insbesondere um Umgebungsluft, insbesondere um die Luft außerhalb des Fahrzeugs, handeln. Der Aufpumpschritt kann beispielsweise dazu dienen, Verschmutzungen an mindestens einer Elektrode, insbesondere an der Referenzelektrode, beispielsweise der dritten Elektrode, zu beseitigen.In the inflation step, an oxygen partial pressure of 0.2 bar +/- 5% can be set at the third electrode and / or an oxygen partial pressure which corresponds to an oxygen partial pressure in an ambient space. This variant is particularly preferred when the third electrode is connected to the ambient space outside the sensor element via a reference gas channel at least partially filled with a porous medium, so that, for example, a flow from the third electrode to the surrounding space is prevented and only diffusion processes are possible. Alternatively, the oxygen partial pressure at the third electrode may also be adjusted to correspond to the ambient pressure in the ambient space, for example again tolerances of +/- 5% may be acceptable. The latter variant may be particularly preferred when a gas flow between the third electrode and the surrounding space is possible, for example, when the third electrode and the ambient space are connected by an open reference gas channel, which can be traversed by gas. The ambient pressure may be, for example, a pressure of 0.8 bar to 1.4 bar, in particular from 0.9 bar to 1.1 bar, for example 1.013 bar. The ambient pressure can for example also be detected by the sensor element, but can also be detected by another sensor element, in particular a pressure sensor. The ambient space may in particular be ambient air, in particular the air outside the vehicle. The inflation step can serve, for example, to remove soiling on at least one electrode, in particular on the reference electrode, for example the third electrode.
Der Aufpumpschritt kann beispielsweise dazu verwendet werden, um den bekannten Anteil der Gaskomponente an der dritten Elektrode herzustellen. Insbesondere kann der Aufpumpschritt einen bekannten Sauerstoffpartialdruck an der dritten Elektrode erzeugen. Die Herstellung des bekannten Anteils kann allein durch den Aufpumpschritt erfolgen, beispielsweise bei offenem Referenzgaskanal, oder auch in Kombination mit einem oder mehreren weiteren Schritten, beispielsweise einem Diffusionsschritt. Bei dem Aufpumpschritt wird insbesondere ein Überdruck, beispielsweise ein Sauerstoff-Überdruck erzeugt. Prinzipiell kann in dem Aufpumpschritt aber auch ein Unterdruck, insbesondere ein Sauerstoff-Unterdruck, erzeugt werden. Der Referenzgaskanal kann beispielsweise offen mit einem Umgebungsraum, insbesondere der Umgebungsluft, verbunden sein. Der Referenzgaskanal und/oder der Umgebungsraum kann insbesondere von dem Messgasraum getrennt ausgebildet sein. Bei dem Referenzgaskanal kann es sich ebenfalls um einen Umgebungsraum handeln. Der Referenzgaskanal kann beispielsweise als ungefüllter Referenzgaskanal ausgebildet sein, insbesondere derart, dass eine Strömung zwischen beispielsweise der dritten Elektrode und dem Umgebungsraum möglich ist, insbesondere über eine offene Verbindung. In der nachveröffentlichten Anmeldung
Der Referenzgaskanal kann als ungefüllter Hohlraum ausgebildet sein, kann jedoch auch zumindest teilweise mit mindestens einem porösen Medium gefüllt sein. Das Verfahren kann weiterhin bevorzugt mindestens einen Diffusionsschritt umfassen, wobei in dem Diffusionsschritt ein Sauerstoff-Diffusionsgleichgewicht zwischen der dritten Elektrode und der Umgebungsluft hergestellt werden kann, beispielsweise durch eine Diffusion durch das poröse Medium. Bei dem Diffusionsschritt kann es sich insbesondere um einen Verfahrensschritt mit einer definierten zeitlichen Dauer handeln. Die zeitliche Dauer kann insbesondere so gewählt werden, dass ein Sauerstoff-Diffusionsgleichgewicht zwischen der dritten Elektrode und der Umgebungsluft hergestellt werden kann, die zeitliche Dauer kann jedoch auch kürzer gewählt werden, sodass beispielsweise der Sauerstoffpartialdruck zwischen der dritten Elektrode und der Umgebungsluft nicht im Gleichgewicht ist. Unter dem Ausdruck „zwischen der dritten Elektrode und der Umgebungsluft“ kann ebenfalls ein Bereich zwischen der Referenzelektrode und der Umgebungsluft und/oder zwischen dem Referenzgaskanal und der Umgebungsluft verstanden werden. The reference gas channel may be formed as an unfilled cavity, but may also be at least partially filled with at least one porous medium. The method may further preferably comprise at least one diffusion step, wherein in the diffusion step an oxygen diffusion equilibrium between the third electrode and the ambient air may be established, for example by diffusion through the porous medium. The diffusion step may in particular be a method step with a defined time duration. In particular, the time duration may be chosen such that an oxygen diffusion equilibrium can be established between the third electrode and the ambient air, but the time duration may also be shorter, so that, for example, the oxygen partial pressure between the third electrode and the ambient air is not in equilibrium , The term "between the third electrode and the ambient air" may also be understood to mean a region between the reference electrode and the ambient air and / or between the reference gas channel and the ambient air.
Der Diffusionsschritt kann insbesondere nach dem Aufpumpschritt, beispielsweise bevorzugt zwischen dem Aufpumpschritt und dem Präparationsschritt, durchgeführt werden. Der Diffusionsschritt kann insbesondere dazu dienen, um den bekannten Anteil der Gaskomponente des Gases, beispielsweise 0,2095 × Umgebungsdruck, an der dritten Elektrode, beispielsweise an der Referenzelektrode und/oder an dem Referenzgaskanal, zu erzeugen. Beispielsweise kann zuerst der Aufpumpschritt durchgeführt werden. Nach dem Aufpumpschritt kann beispielsweise der Diffusionsschritt durchgeführt werden. Nach dem Diffusionsschritt kann beispielsweise der Kalibrationsschritt durchgeführt werden. Der Aufpumpschritt und/oder der Diffusionsschritt und/oder der Kalibrationsschritt kann können beispielsweise auch ganz oder teilweise zeitlich überlappen. Prinzipiell sind auch andere Reihenfolgen möglich und/oder ein oder mehrere der Verfahrensschritte können mehrfach durchgeführt werden. Die Nernstspannung in dem Kalibrationsschritt kann beispielsweise –500 mV bis +500 mV, insbesondere 20 mV bis 80 mV, besonders bevorzugt 50 mV betragen.The diffusion step can be carried out, in particular, after the inflation step, for example, preferably between the inflation step and the preparation step. The diffusion step may in particular serve to generate the known proportion of the gas component of the gas, for example 0.2095 × ambient pressure, at the third electrode, for example at the reference electrode and / or at the reference gas channel. For example, the inflation step may be performed first. After the inflation step, for example, the diffusion step may be performed. After the diffusion step, for example, the calibration step can be carried out. The inflation step and / or the diffusion step and / or the calibration step may, for example, also overlap in whole or in part in terms of time. In principle, other sequences are possible and / or one or more of the method steps can be performed multiple times. The Nernst voltage in the calibration step may be, for example, -500 mV to +500 mV, in particular 20 mV to 80 mV, particularly preferably 50 mV.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren des Sensorelements kann vorzugsweise weiterhin mindestens einen Prozessschritt umfassen, um beispielsweise eine Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Elektroden des Sensorelements auszugleichen und/oder zu kompensieren. So ist allgemein beispielsweise festzustellen, dass das Signal einer Nernstzelle oder auch einer anderen Art einer elektrochemischen Zelle mit mindestens zwei Elektroden stark variieren kann, wenn die Elektroden der Zelle auf unterschiedlicher Temperatur liegen. So ergibt bereits die Nernstgleichung, dass das Elektrodenpotenzial jeder Elektrode temperaturabhängig ist, so dass naturgemäß auch die Potenzialdifferenz zwischen den Elektroden, also die als Nernstspannung interpretierte Potenzialdifferenz, temperaturabhängig sein kann. Weitere Effekte können sich beispielsweise aus einer Temperaturabhängigkeit von Elektrodenreaktionen, Diffusionsprozessen oder Kombinationen der genannten Effekte und/oder anderer Effekte ergeben. Die Effekte können betragsmäßig beispielsweise im Bereich von 0,04 bis 2 mV/K liegen. The inventive method for calibrating the sensor element may preferably further comprise at least one process step, for example, to compensate for and / or compensate for a temperature difference between at least two electrodes of the sensor element. For example, it can generally be said that the signal is from a Nernst cell or from another type an electrochemical cell with at least two electrodes can vary greatly when the electrodes of the cell are at different temperatures. Thus, even the Nernst equation that the electrode potential of each electrode is temperature-dependent, so that naturally also the potential difference between the electrodes, so interpreted as the Nernst voltage potential difference, may be temperature dependent. Further effects may result, for example, from a temperature dependence of electrode reactions, diffusion processes or combinations of the mentioned effects and / or other effects. The effects may be in the range of 0.04 to 2 mV / K, for example.
Derartige Temperaturdifferenzen lassen sich jedoch im Betrieb des Sensorelements allgemein nicht oder nur unter erheblichem konstruktivem Aufwand vermeiden. So können beispielsweise Temperaturgradienten aufgrund einer konstruktiven Ausgestaltung eines Heizelements des Sensorelements auftreten. Beispielsweise können die zweite Elektrode, insbesondere die Innenelektrode, und die dritte Elektrode, insbesondere die Referenzelektrode, im Betrieb Temperaturdifferenzen von 50 K bis 150 K aufweisen. However, such temperature differences can not be avoided in the operation of the sensor element generally or only with considerable design effort. For example, temperature gradients may occur due to a structural design of a heating element of the sensor element. For example, the second electrode, in particular the inner electrode, and the third electrode, in particular the reference electrode, during operation temperature differences of 50 K to 150 K have.
Derartige Temperaturdifferenzen können sich insbesondere bei dem oben beschriebenen Kalibrationsschritt bemerkbar machen. Such temperature differences may be noticeable in particular in the calibration step described above.
Besonders bevorzugt ist es daher, wenn das Verfahren weiterhin mindestens einen Temperaturkompensationsschritt umfasst. In dem Temperaturkompensationsschritt kann ein Einfluss einer Temperaturdifferenz zwischen mindestens zwei Elektroden des Sensorelements auf die Kalibrierung zumindest teilweise kompensiert werden, insbesondere ein Einfluss einer Temperaturdifferenz zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode während des Kalibrationsschritts auf die Kalibrierung.It is therefore particularly preferable if the method further comprises at least one temperature compensation step. In the temperature compensation step, an influence of a temperature difference between at least two electrodes of the sensor element on the calibration can be at least partially compensated, in particular an influence of a temperature difference between the second electrode and the third electrode during the calibration step on the calibration.
Der Temperaturkompensationsschritt kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass an den Elektroden, beispielsweise an der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode, jeweils eine bekannte Gaszusammensetzung und/oder ein bekannter Anteil der Zielgaskomponente eingestellt wird und eine Spannung zwischen den Elektroden erfasst wird. Insbesondere kann an den Elektroden eine gleiche Gaszusammensetzung und/oder ein gleicher Anteil der Zielgaskomponente eingestellt werden, beispielsweise an der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode. So kann beispielsweise an der zweiten Elektrode und an der dritten Elektrode ein bekannter Sauerstoffpartialdruck eingestellt werden, und die Spannung zwischen diesen Elektroden kann gemessen werden, welche ein Maß für den Einfluss der Temperatur auf die Elektrodenpotenziale darstellt. Die Spannung kann insbesondere bei einer oder mehreren Betriebstemperaturen gemessen werden. Die Spannung kann beispielsweise einen Offset bilden, welcher bei der Kalibrierung berücksichtigt werden kann, beispielsweise indem dieser Offset abgezogen wird. So oder auf andere Weise kann die Temperaturdifferenz beispielsweise bei der Erfassung des mindestens einen Anteils der mindestens einen Zielgaskomponente des Gases, insbesondere einer Partialdruckmessung, und/oder bei der Kalibrierung berücksichtigt werden.The temperature compensation step may in particular be carried out in such a way that a known gas composition and / or a known proportion of the target gas component is set at the electrodes, for example at the second electrode and the third electrode, and a voltage between the electrodes is detected. In particular, a same gas composition and / or an equal proportion of the target gas component can be set at the electrodes, for example at the second electrode and the third electrode. Thus, for example, a known oxygen partial pressure can be set at the second electrode and at the third electrode, and the voltage between these electrodes can be measured, which represents a measure of the influence of the temperature on the electrode potentials. The voltage can be measured in particular at one or more operating temperatures. The voltage may, for example, form an offset which can be taken into account during the calibration, for example by subtracting this offset. For example, or in another way, the temperature difference can be taken into account when detecting the at least one portion of the at least one target gas component of the gas, in particular a partial pressure measurement, and / or during the calibration.
Zum Herstellen eines bekannten und insbesondere gleichen Partialdrucks der Zielgaskomponente, insbesondere Sauerstoff, an den Elektroden, insbesondere der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode, können verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen. Insbesondere kann mindestens ein Betriebszustand genutzt werden, in welchem an den Elektroden, insbesondere der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode, eine bekannte Gaszusammensetzung vorliegt. Beispielsweise kann dieser Betriebszustand abgewartet werden, oder dieser Betriebszustand kann gezielt eingestellt werden, beispielsweise über eine Motorsteuerung. Ein Beispiel eines derartigen Betriebszustands ist ein Betriebszustand, in welchem an den Elektroden, beispielsweise an der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode, Luft anliegt oder zumindest ein dem Partialdruck in einem Umgebungsraum entsprechender Partialdruck der Zielgaskomponente, beispielsweise ein Sauerstoffpartialdruck. Ein derartiger Zustand kann sich beispielsweise während eines längeren Stillstands einstellen. For producing a known and in particular equal partial pressure of the target gas component, in particular oxygen, at the electrodes, in particular the second electrode and the third electrode, various methods can be used. In particular, at least one operating state can be used in which a known gas composition is present at the electrodes, in particular the second electrode and the third electrode. For example, this operating state can be awaited, or this operating state can be set selectively, for example via a motor control. An example of such an operating state is an operating state in which air is present at the electrodes, for example at the second electrode and the third electrode, or at least a partial pressure of the target gas component corresponding to the partial pressure in an ambient space, for example an oxygen partial pressure. Such a condition may occur, for example, during a longer standstill.
In diesem Betriebszustand kann das Sensorelement beheizt werden, beispielsweise durch mindestens ein Heizelement. Das Beheizen kann insbesondere kontrolliert durchgeführt werden, beispielsweise auf eine bestimmte punktuelle oder gemittelte Temperatur. Vor und/oder während und/oder nach dem Beheizen kann eine Nernstspannung zwischen den Elektroden, beispielsweise zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode, gemessen werden. In this operating state, the sensor element can be heated, for example by at least one heating element. The heating can in particular be carried out in a controlled manner, for example at a specific point or average temperature. Before and / or during and / or after heating, a Nernst voltage between the electrodes, for example between the second electrode and the third electrode, can be measured.
Der Betriebszustand kann beispielsweise ein Zustand während eines längeren Stillstands sein, insbesondere während einem Betriebszustand ohne Anlegen einer Spannung und/oder eines Stroms an die erste Elektrode und/oder an die zweite Elektrode und/oder an die dritte Elektrode. Die während des Betriebszustandes gemessene Nernstspannung zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode kann insbesondere beispielsweise mit ca. –0,04 mV/K bis 1,5 mV/K von der Temperaturdifferenz abhängen und kann bei einer Berechnung des Partialdruckverhältnisses zwischen dem Hohlraum und dem Referenzgaskanal, insbesondere dem Referenzraum, beispielsweise durch einen Offset, kompensiert werden.The operating state may, for example, be a state during a longer standstill, in particular during an operating state without application of a voltage and / or a current to the first electrode and / or to the second electrode and / or to the third electrode. The Nernst voltage between the third electrode and the second electrode measured during the operating state can in particular depend, for example, at about -0.04 mV / K to 1.5 mV / K on the temperature difference and can be used in a calculation of the partial pressure ratio between the cavity and the Reference gas channel, in particular the reference space, for example, by an offset compensated.
In dem Verfahren kann mindestens ein Verfahrenszyklus durchgeführt werden. Der Verfahrenszyklus kann beispielsweise mindestens den Präparationsschritt und den Kalibrationsschritt umfassen. Zusätzlich kann der Verfahrenszyklus auch den Diffusionsschritt und/oder den Aufpumpschritt umfassen. Vorzugsweise kann die Reihenfolge Aufpumpschritt, Diffusionsschritt, Präparationsschritt, Kalibrationsschritt gewählt werden. Prinzipiell sind jedoch auch andere Reihenfolgen möglich. Ebenfalls kann der Verfahrenszyklus durch weitere Schritte ergänzt werden. Der Verfahrenszyklus kann mehrmals hintereinander und/oder in regelmäßigen Abständen wiederholt werden. At least one process cycle may be performed in the process. The process cycle may include, for example, at least the preparation step and the calibration step. In addition, the process cycle may also include the diffusion step and / or the inflation step. Preferably, the order of inflation step, diffusion step, preparation step, calibration step can be selected. In principle, however, other sequences are possible. Likewise, the process cycle can be supplemented by further steps. The process cycle can be repeated several times in succession and / or at regular intervals.
Der Verfahrenszyklus, umfassend zumindest den Präparationsschritt und den Kalibrationsschritt, sowie weiterhin vorzugsweise den Aufpumpschritt und/oder den Diffusionsschritt, kann beispielsweise mehrmals oder nur einmal durchgeführt werden.The process cycle comprising at least the preparation step and the calibration step, and furthermore preferably the inflation step and / or the diffusion step, can be carried out, for example, several times or only once.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Sensorelement insbesondere in dem Regelbetrieb betrieben werden. Unter dem Regelbetrieb kann insbesondere ein Betrieb des Sensorelements mit bekannten, insbesondere stabilen, Betriebszuständen, insbesondere unter bekannten Motorzuständen, beispielsweise bei bekannten, insbesondere stabilen, Arbeitspunkten verstanden werden.In the method according to the invention, the sensor element can be operated in particular in the control mode. Under the control operation can be understood in particular an operation of the sensor element with known, in particular stable, operating conditions, in particular under known engine conditions, for example in known, in particular stable, operating points.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, wie oben ausgeführt, eine Sensorvorrichtung, umfassend mindestens ein Sensorelement zur Erfassung mindestens eines Anteils mindestens einer Zielgaskomponente eines Gases in einem Messgasraum, vorgeschlagen. Das Sensorelement kann beispielsweise wie oben erläutert ausgestaltet sein. Das Sensorelement umfasst mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode und mindestens eine dritte Elektrode. Die dritte Elektrode ist zumindest teilweise mit einem Referenzgaskanal verbunden. Die zweite Elektrode ist mit mindestens einem Hohlraum verbunden. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über mindestens einen Festelektrolyten verbunden. Die erste Elektrode kann hierbei beispielsweise mit einem Messgasraum direkt oder über eine gasdurchlässige Schutzschicht, beispielsweise eine Diffusionsbarriere, verbunden sein. Die zweite Elektrode kann beispielsweise in dem Hohlraum angeordnet sein. Der Hohlraum kann insbesondere über die Diffusionsbarriere mit dem Messgasraum verbunden sein. Die dritte Elektrode kann insbesondere teilweise mit dem Referenzgaskanal verbunden sein. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind über mindestens einen Festelektrolyt verbunden. Weiterhin können die zweite Elektrode und die dritte Elektrode ebenfalls über denselben Festelektrolyt und/oder über einen anderen Festelektrolyt verbunden sein. Weiterhin können auch die erste Elektrode und die dritte Elektrode über den Festelektrolyt und/oder über einen weiteren Festelektrolyt verbunden sein. In a further aspect of the present invention, as stated above, a sensor device comprising at least one sensor element for detecting at least a portion of at least one target gas component of a gas in a measurement gas space is proposed. The sensor element can be designed, for example, as explained above. The sensor element comprises at least one first electrode and at least one second electrode and at least one third electrode. The third electrode is at least partially connected to a reference gas channel. The second electrode is connected to at least one cavity. The first electrode and the second electrode are connected via at least one solid electrolyte. In this case, the first electrode can be connected, for example, to a measuring gas space directly or via a gas-permeable protective layer, for example a diffusion barrier. The second electrode may be arranged, for example, in the cavity. The cavity may in particular be connected to the measuring gas space via the diffusion barrier. The third electrode may in particular be partially connected to the reference gas channel. The first electrode and the second electrode are connected via at least one solid electrolyte. Furthermore, the second electrode and the third electrode may also be connected via the same solid electrolyte and / or another solid electrolyte. Furthermore, the first electrode and the third electrode may also be connected via the solid electrolyte and / or via a further solid electrolyte.
Die Sensorvorrichtung weist weiterhin mindestens eine Ansteuerung auf. Die Ansteuerung ist eingerichtet, um das erfindungsgemäße Verfahren zum Kalibrieren eines Sensorelements, wie oben beschrieben, durchzuführen. Unter einer Ansteuerung kann dabei allgemein eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um das Sensorelement zu betreiben, beispielsweise zur Erfassung des mindestens einen Anteils der mindestens einen Zielgaskomponente des Gases in dem Messgasraum. Die Ansteuerung kann zentral oder auch dezentral ausgestaltet sein und kann auch beispielsweise ganz oder teilweise in eine andere Vorrichtung integriert sein, beispielsweise in ein Steuergerät und/oder in ein Motorsteuergerät. Die Ansteuerung kann beispielsweise über eine Schnittstelle mit dem Sensorelement verbunden sein. Die Ansteuerung kann aber auch vollständig oder teilweise in das Sensorelement integriert sein. Die Ansteuerung kann aber beispielsweise auch ganz oder teilweise in anderen Komponenten integriert sein, beispielsweise in einem Stecker. Die Ansteuerung kann beispielsweise mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung umfassen, beispielsweise um das Heizelement und/oder mindestens eine Elektrode, beispielsweise die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode und/oder die dritte Elektrode, mit Strom und/oder mit Spannung zu beaufschlagen. Bei der Beaufschlagungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Spannungsquelle und/oder um eine Stromquelle handeln. Weiterhin kann die Ansteuerung gegebenenfalls eine Messvorrichtung umfassen, beispielsweise eine Spannungsmessvorrichtung und/oder eine Strommessvorrichtung. Weiterhin kann die Ansteuerung optional beispielsweise eine Auswertevorrichtung, insbesondere eine Datenverarbeitungsvorrichtung, umfassen. Die Auswertevorrichtung kann insbesondere ausgestaltet sein, um den Präparationsschritt und/oder den Kalibrationsschritt und/oder den Diffusionsschritt und/oder den Aufpumpschritt durchzuführen. Weiterhin optional kann die Ansteuerung mindestens einen Signalgenerator umfassen. Die Ansteuerung kann überdies optional mindestens einen Regler, beispielsweise mindestens einen Lock-in-Regler, umfassen. Die Ansteuerung kann weiterhin bevorzugt mindestens einen Micro-Controller und/oder mindestens ein Hardwaremodul umfassen. Die Ansteuerung kann weiterhin mit einer entsprechenden Software ausgestattet sein, welche beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren unterstützt und/oder regelt und/oder welches zum Abspeichern von Daten, beispielsweise der Kennlinie des Sensorelements, dienen kann. Bei dem Heizelement kann es sich insbesondere um einen Heizwiderstand handeln. Allgemein handelt es sich bei dem Heizelement bevorzugt um ein Element, welches eingerichtet ist, um mindestens eine Temperatur mindestens eines Teils des Sensorelements zu erhöhen und/oder zu erniedrigen und/oder einzuregeln. Das Heizelement kann in dem Sensorelement integriert sein, kann jedoch auch an dem Sensorelement angebracht sein und/oder kann sich außerhalb des Sensorelements befinden.The sensor device furthermore has at least one drive. The drive is set up to carry out the method according to the invention for calibrating a sensor element, as described above. In this context, an activation can generally be understood to mean a device which is set up to operate the sensor element, for example for detecting the at least one portion of the at least one target gas component of the gas in the measurement gas space. The control can be designed centrally or decentralized and can also be integrated, for example, wholly or partly in another device, for example in a control unit and / or in an engine control unit. The control can be connected, for example via an interface with the sensor element. The control can also be fully or partially integrated into the sensor element. However, the control can for example also be completely or partially integrated in other components, for example in a plug. The drive may, for example, comprise at least one application device, for example, to supply current and / or voltage to the heating element and / or at least one electrode, for example the first electrode and / or the second electrode and / or the third electrode. The application device may be, for example, a voltage source and / or a current source. Furthermore, the control may optionally comprise a measuring device, for example a voltage measuring device and / or a current measuring device. Furthermore, the control can optionally include, for example, an evaluation device, in particular a data processing device. The evaluation device may in particular be designed to perform the preparation step and / or the calibration step and / or the diffusion step and / or the inflation step. Furthermore, optionally, the drive may comprise at least one signal generator. The control can moreover optionally comprise at least one controller, for example at least one lock-in controller. The drive may furthermore preferably comprise at least one microcontroller and / or at least one hardware module. The control can furthermore be equipped with appropriate software which, for example, supports and / or regulates the method according to the invention and / or which can be used for storing data, for example the characteristic curve of the sensor element. The heating element may in particular be a heating resistor. In general, the heating element is preferably an element which is set up by at least one temperature at least a portion of the sensor element to increase and / or to decrease and / or regulate. The heating element may be integrated in the sensor element, but may also be attached to the sensor element and / or may be located outside the sensor element.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann sich insbesondere auf mindestens einen bekannten Arbeitspunkt und/oder auf mindestens einen stabilen Arbeitspunkt stützen. Hierdurch kann das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere deutlich einfacher und/oder robuster sein. Weiterhin können sich beispielsweise gegenüber dem Stand der Technik heraustretende Vorteile hinsichtlich einer Umsetzbarkeit ergeben. Neben einer optionalen Verwendung insbesondere von bekannten Motorzuständen, beispielsweise während eines normalen Regelbetriebs, kann das erfindungsgemäße Verfahren beliebig häufig wiederholt werden. Hierdurch kann insbesondere, beispielsweise durch regelmäßige Kalibrierung, eine Kompensation von Alterungseffekten möglich sein. Weiterhin kann bei einer mehrfachen Wiederholung, insbesondere des Verfahrens, beispielsweise ein Fehler insbesondere aufgrund einer endlichen Messgenauigkeit der Nernstspannung, deren Einregelung insbesondere die Konzentration des Zielgases in dem Hohlraum bestimmen kann, gesenkt werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Genauigkeit der Messung des Pumpstroms erhöht werden, wobei die Genauigkeit der Messung des Pumpstroms eine Genauigkeit der Erfassung des Anteils der Zielgaskomponente erhöhen kann. Weiterhin kann bei bevorzugt mehrfacher Wiederholung des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere bei einer mehrfachen Wiederholung des Aufpumpschritts, eine Verschmutzung der Referenzseite, umfassend beispielsweise die dritte Elektrode, insbesondere die Referenzelektrode und/oder den Referenzgaskanal, beispielsweise durch einen betragsmäßig auffällig niedrigen Funktionspumpstrom, erkannt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise beispielsweise bei Breitband-Lambdasonden und/oder bei NOx-Sonden verwendet werden.The method according to the invention and the device according to the invention can have a multiplicity of advantages over known methods and devices. The method according to the invention can in particular be based on at least one known operating point and / or on at least one stable operating point. As a result, the method according to the invention can in particular be significantly simpler and / or more robust. Furthermore, for example, over the prior art emerging advantages in terms of feasibility may arise. In addition to an optional use in particular of known engine conditions, for example during a normal control operation, the inventive method can be repeated as often as desired. In this way, in particular, for example by regular calibration, a compensation of aging effects may be possible. Furthermore, in a multiple repetition, in particular of the method, for example, an error, in particular due to a finite measurement accuracy of the Nernst voltage whose adjustment can determine in particular the concentration of the target gas in the cavity can be lowered. As a result, for example, an accuracy of the measurement of the pumping current can be increased, wherein the accuracy of the measurement of the pumping current can increase an accuracy of the detection of the proportion of the target gas component. Furthermore, in preferably repeated repetition of the method according to the invention, in particular in a repeated repetition of Aufpumpschritts, contamination of the reference side, comprising for example the third electrode, in particular the reference electrode and / or the reference gas channel, for example, by an amount conspicuously low function pumping current can be detected. The method according to the invention can preferably be used, for example, in the case of broadband lambda probes and / or in the case of NO x probes.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the following figures and are explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den
Die Sensorvorrichtung
Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- • mindestens einen Präparationsschritt, wobei in dem Präparationsschritt der Anteil der Zielgaskomponente in
dem Messgasraum 114 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, insbesondere indem eine Luftzahl indem Messgasraum 114 auf λ = 1 eingestellt wird; - • mindestens einen Kalibrationsschritt, wobei der Kalibrationsschritt bei bekanntem Anteil einer Gaskomponente des Gases an der dritten Elektrode
120 durchgeführt wird, wobei ein Pumpstrom Ip zwischen der ersten Elektrode116 und der zweiten Elektrode118 derart eingestellt wird, dass sich zwischen der zweiten Elektrode118 und der dritten Elektrode120 eine vorgegebene Nernstspannung UNernst einstellt, wobei der Pumpstrom Ip erfasst wird.
- • at least one preparation step, wherein in the preparation step, the proportion of the target gas component in the
sample gas space 114 is set to a predetermined value, in particular by an air ratio in themeasurement gas space 114 is set to λ = 1; - • at least one calibration step, wherein the calibration step at a known proportion of a gas component of the gas at the
third electrode 120 is performed, wherein a pumping current Ip between thefirst electrode 116 and thesecond electrode 118 is adjusted so that between thesecond electrode 118 and thethird electrode 120 sets a predetermined Nernst voltage U Nernst , wherein the pumping current Ip is detected.
In den
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere eine Kennlinie des Sensorelements
In dem Aufpumpschritt kann beispielsweise an der dritten Elektrode
Bevorzugt vor dem Diffusionsschritt und/oder nach dem Diffusionsschritt kann in diesem Ausführungsbeispiel der Präparationsschritt durchgeführt werden. Hierbei kann insbesondere der Anteil der Zielgaskomponente in dem Messgasraum
In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Referenzgaskanal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R005 | Application deemed withdrawn due to failure to request examination |